Сточная жидкость, полученная в результате бытового использования населением водопроводной воды, содержит значительное количество минеральных и органических загрязнений. Такая вода, сбрасываемая в водоем (реку, озеро и пр.), может не только нарушить естественный режим его, но и сделать воду водоема непригодной для бытовых » промышленных целей. Для предотвращения этого необходимо производить очистку сточной жидкости.
В дореволюционные годы на территории СССР было канализовано всего лишь около 20 городов, причем очистные сооружения были устроены только в городах: Москве, Киеве, Одессе, Харькове, Пушкине (б. Царское село) и Гатчине.
С развитием культуры и техники резко увеличивается потребление воды, что приводит к увеличению и количества! сточных вод. Сточные воды, вместе с отбросами, содержат большое количество ценных веществ; ценной является и сама жидкость. Извлечение и использование ценных веществ освобождает сточную жидкость от излишних загрязне-ний и облегчает дальнейшую очистку ее. Наоборот, неиспользуемые сточные воды, сбрасываемые в водоемы без очистки, загрязняют последние и могут служить источником возникновения ряда инфекционных заболеваний.
Хозяйственные сточные воды, по прохождении более или менее значительного расстояния по канализационным трубам, имеют вид грязносерой мутной жидкости с довольно неприятным сладковатым запахом. Сточные воды несут большое количество плавающих и взвешенных веществ (спички, бумага, остатки овощей, экскременты и т. д.) и, кроме того, целый ряд соединений в растворенном и коллоидальном состоянии.
Сточная вода, содержащая большое количество органических веществ, является благоприятной средой для развития многих видов разнообразных и многочисленных форм микроорганизмов, которые содержатся в ней в огромном количестве. Особенно велико количество бактерий, достигающее миллионов и десятков миллионов в 1 см3 и составляющее по своему объему до 0,1% от объема сточных вод. Основная масса бактерий — это сапрофита.
Степень загрязнения сточной жидкости, в основном, зависит от общего содержания в ней органических веществ, от их состава и от состояния, в котором находится сточная жидкость. Большое разнообразие органических веществ и непрерывное изменение их состава делает чрезвычайно трудным определение качественного состава и количественного содержания отдельных ингредиентов, составляющих общий комплекс загрязняющих веществ. Это обстоятельство приводит к необходимости давать только общую характеристику загрязнения сточной жидкости. Эта характеристика должна быть выражена таким показателем, который отвечал бы тем условиям, в которые попадает сточная жидкость в процессе ее очистки, и тем требованиям, которые предъявляют к очистным сооружениям. Вследствие того, что переработка органических веществ в процессе очистки сточной жидкости осуществляется, в основном, при помощи окислительных процессов, необходимо установить то количество кислорода, которое должно быть затрачено на биохимическое окисление органических веществ для приведения сточной жидкости в состояние, когда она становится приемлемой для спуска ее в водоем.
В сырой (необработанной) сточной жидкости всегда имеются аммонийные соли [(NH4)C03], получающиеся в результате расщепления аминокислот и мочевины. В присутствии кислорода аммонийные соли подвергаются окислению, которое -происходит при, участии определенных видов микроорганизмов. Этот процесс носит название нитрификации, так как конечным его продуктом являются нитраты — соли азотной кислоты. Нитрификация является последней стадией очистки сточных вод. Так как нитрификация не может начаться до тех пор, пока в сточной жидкости не произойдет разрушения основной массы содержащихся в ней органических загрязнений, присутствие нитратов в очищенной воде служит показателем степени ее очистки. Процесс нитрификации протекает в две фазы под влиянием двух групп микроорганизмов. Первая фаза процесса нитрификации состоит в окислении аммонийных солей в азотистую кислоту и проводит при активном участии группы бактерий Nítrosomonos; вторая фаза состоит в окислении азотистой кислоты в азотную и проходит при участии бактерий, носящих название Nitro-bacter. Реакции окисления осуществляются аэробными бактериями и проходят при выделении тепла.
Наиболее благоприятной средой для нормального развития жизнедеятельности микроорганизмов является сточная жидкость с концентрацией водородных ионов pH в пределах 7—8.Таким образом, стабильность очищенной воды определяется находящимся в ней запасом кислорода, который составляется из растворенного кислорода и кислорода нитритов и нитратов. Когда в процессе биохимического окисления органического вещества) истощается запас растворенного кислорода, наступает процесс денитрификашш, при котором отщепляется кислород нитритов и нитратов.
Все дальнейшее изложение вопроса об очистке будет относиться, в основном, к сточным водам бытового характера. Однако полностью разграничить вопрос очистки бытовых сточных вод от производственных сточных вод в современных условиях не представляется возможным.
В результате загрязнения и заражения водоемов вода их не может быть использована для питья людей и животных, технических надобностей промышленности, купания, водного спорта и т. п. Загрязнение водоемов сказывается крайне отрицательно на флоре и фауне водоемов и часто приводит к гибели в них рыбы.
В главе II указано, что состав бытовых сточных вод остается более или менее постоянным, изменяется концентрация загрязнений в сточных водах в зависимости от норм водоотведения. Однако необходимо иметь в виду, что чисто бытовые сточные воды в общем стоке городской канализации встречаются редко; всегда в большей или меньшей степени к ним примешаны промышленные сточные воды, так или иначе изменяющие состав и концентрацию сточных вод. Например, сточные воды предприятий пищевой промышленности по своему составу близки к бытовым сточным водам, но они более концентрированы; примесь таких вод, не изменяя характера бытовых сточных вод, сказывается на концентрации некоторых загрязняющих веществ, на увеличении их. Предприятия металлургической, химической и других видов промышленности дают производственные сточные воды, резко отличающиеся от бытовых сточных вод по своему составу.
Значительное количество городов СССР, расположенных на берегу моря (Севастополь, Ялта, Феодосия, Новороссийск, Сочи, Батуми, Баку и др.), спускают в него сточные воды. В этом случае при определении степени очистки приходится исходить из несколько иных соображешш и предпосылок, чем при выпуске в реку. Море — это громадный водоем, вода которого находится в беспрерывном движении или под влиянием ветра, или под влиянием течения, вызываемого впадающими в море реками, или каких-либо других причин.
Нерастворенные минеральные и органические вещества, содержащиеся в сточных водах, могут быть разделены на три группы: 1) частицы тяжелые, влекомые по лотку каналов и сравнительно быстро осаждающиеся; 2) частицы взвешенные, осаждающиеся весьма медленно; 3) частицы плавающие.
На очистных станциях устраиваются сооружения для очистки сточных вод и сооружения для обработки нерастворенных (взвешенных) веществ — ила, удаленных из сточных вод. Кроме этих основных сооружений на площадке очистной станции, в зависимости от местных условий и принятых методов очистки сточных вод, может явиться необходимость разместить насосные станции для перекачки сточных вод и ила, воздуходувную станцию, котельную, газгольдер и другие сооружения.
Песколовки служат для выделения из сточной жидкости сравнительно крупных минеральных частиц — песка, щебня и пр.Наличие этих веществ в сточной жидкости неблагоприятно отражается на исправной работе металлических частей сооружений для механической обработки сточных вод (решетки, сита) и насосов, а также затрудняет работу тех сооружений, в которых происходит септическая переработка ила сточных вод (септики, двухъярусные бассейны, метан-тенки).
Ниже приводится описание конструкций песколовок.Горизонтальная песколовка Харьковской очистной установки состоит из двух камер длиной 19 м. Ширина каждой из камер песколовки 2,35 м (рис. 16). Общая глубина песколовки 1,58 м. Конструкция входа в песколовку неудачна, она не способствует распределению потока сточной жидкости по всей ширине песколовки в начале ее, вследствие чего расчетная скорость имеет место только в конце песколовки, что не обеспечивает выпадения всего песка, влекомого сточной жидкостью.
Очистка горизонтальных песколовок может производиться вручную или при помощи норий, грейферов и Песковых насосов.При ручном способе подлежащую очистке камеру песколовки выключают из работы путем перекрытия шиберов (рис. 22). Для осушки песка устраивают на дне песколовки дренаж, который вводят в действие по выключении песколовки из работы. Дренаж состоит из каменно-керамических труб, проложенных впритык по дну песколовки. Сверху их засыпают гравием. Песок быстро отдает влагу, вручную нагружается в вагонетки и отвозится на специально отведенные участки, после чего может быть использован на подсыпку неровностей местности.
Для задержания из сточных вод плавающих и крупных взвешенных веществ применяются сита и решетки.Сита представляют собой систему стержней, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях, или металлические листы, снабженные отверстиями.
Пример. Определить подпор в канале, создаваемый неподвижными решетками, при следующих условиях: среднесуточное количество сточных вод 40 000 м3; коэфи-циент неравномерности 1,5; глубина воды в канале при среднем расходе 0,5 м, а при наибольшем — 0,7 м; камер решеток две, ширина каждой из камер £=0,90 м, которая принята из расчета скорости в камере в пределах 0,5—0,6 м/сек.
Наиболее простой тип подвижной решетки — это съемные решетки, извлекаемые из воды для их очистки. Они применяются в небольших установках, причем в канале устраиваются пазы для двух, следующих одна за другой, решеток. В работе находится лишь одна из решеток; перед очисткой ее опускается вторая, после чего извлекается наверх первая решетка, загрязненная отбросами.
Простейшим типом сита может служить металлическая плетеная корзина, которая устанавливается на пути движения сточной жидкости и задерживает все отбросы размерами больше прозоров между прутьями корзины.
При вращении барабана со скоростью около 1,5 м/сек (на ободе), поверхность жидкости в барабане несколько повышается. В этом месте, благодаря создающемуся напору, происходит промывка осевших на наружной поверхности барабана отбросов частью сточной жидкости, основная масса которой уходит через барабан в направлении оси последнего.
Количество задерживаемых на решетках и ситах отбросов зависит от системы канализации и расстояний между прутьями решеток или сит.Решетки задерживают от 8 до 10% нерастворенных веществ, содержащихся в сточных водах. Вследствие малых размеров отверстий дисковых сит (2 мм и меньше), осветлительный эффект в них повышается до 25%. По данным работы ленинградских сит, эффект осветления у них не превышает 20% [106].
Решетки и сита должны устанавливаться в достаточно просторных, хорошо освещаемых, отапливаемых и содержащихся в чистоте зданиях. Так как температура сточной жидкости в зимнее время значительно выше температуры наружного воздуха, то в неотапливаемых зданиях решеток или сит начинается усиленное испарение сточной жидкости, недопустимое как с санитарно-гигиенической точки зрения, так и с точки зрения безопасности управления механизмами.
Для извлечения из сточных вод легких, способных осаждаться или всплывать нерастворенных веществ, устраивают осадочные бассейны- от с той ник и.Если сточные воды сбрасывать в реку или иной водоем без предварительного осветления в отстойниках, то роль последних играет этот водоем. Взвешенные вещества оседают в нем, перегнивают, образуют отмели, очаги зловонных газов и лишают воду водоема кислорода, что ведет к гибели рыбы и делает воду непригодной для питья, технических надобностей, купанья и пр.
Отстойники представляют собой резервуары прямоугольной, квадратной, круглой или иной формы в плане, обычно открытые.В зимнее время желательно перекрытие отстойников, чтобы не допускать охлаждения воды, так как падение температуры неблагоприятствует дальнейшей биологической очистке осветленной воды и обработке выпадающего в отстойнике осадка. Однако устройство постоянных перекрытий над отстойниками, занимающими сравнительно большие площади, вызывает крупные затраты и потому обычно не применяется; все же с целью предохранения сточной жидкости от охлаждения, желательно в зимнее время перекрывать небольшие отстойники досками, защищающими воду от мороза и снега. Конструкция самих отстойников способствует такому временному защитному перекрытию.
Высота скребка, доходящая до 0,75 м и выше, зависит от принятых периодов удаления ила, концентрации сточных вод, эффекта осветления и характера дна отстойного бассейна, учитывая при этом, что естественный угол откоса ила под водой 1 : 20.
Горизонтальный отстойник глубиной 3,25 м и длиной 29 м изображен на рис. 44.Скребок, установленный на подвижной тележке, ¡приводимой в движение электромотором, служит для направления осевших в отстойнике осадков в иловую камеру, устроенную в начале отстойника.
При проектировании и расчете вертикальных отстойников (рис. 50) надо разрешить ряд вопросов: а) определение диаметр.а внутренней вертикальной трубы, по которой подается сточная жидкость для отстаивания, и зависимость между вертикальной скоростью в этой трубе и выпадением взвеси в отстойнике; б) глубину отстойника; в) определение диаметра отстойника. Опытные данные Н. Н. Панова выяснили, что размер вертикальной грубы отстойника, по которой поступает жидкость, должен быть таков, чтобы скорость движения в ней была не более 100 мм/сек при наличии отражающего щита под внутренней трубой и 28 мм/сек при отсутствии отражающего щита [71]. Отражающий щит имеет целью изменить направление потока сточных вод, поступающих в вертикальный отстойник по внутренней трубе, и тем не допустить размыв ранее осадившихся из сточной жидкости частиц. Большинство сооруженных отстойников снабжено отражающими щитами.
Жироловки представляют собой особого рода отстойники, на-значение которых — задерживать имеющиеся в сточной жидкости такие легкие вещества, как жир и масла.Жир и масла находятся в сточной жидкости частью в плавающем состоянии, частью облепляют взвешенные частицы. В бытовых водах количество жиров и масел сравнительно невелико. Жиры попадают в сточную жидкость, главным образом, с кухонными водами, с мыльными водами умывальников, ванн, прачечных, с водами из скотобоен; масла — из гаражей и силовых установок. Чтобы жиры не попадали в сточные воды, на всех выпусках из фабрик-кухонь, ресторанов, столовых и т. п. должны быть установлены жироуловители. Масло- и бензиноуловители должны быть установлены на выпусках соответствующих предприятий. Несмотря на принимаемые меры, в сточные воды все же попадает определенное количество жиров и масел. Поэтому сточная жидкость представляет собою эмульсию, дисперсную систему, состоящую из двух взаимно нерастворимых жидкостей, одна из которых (масла и жиры) распределена в другой в виде мельчайших капелек.
С целью интенсификации методов осаждения нерастворенных веществ из сточной жидкости применяют различные химические реагенты, действующие на сточную жидкость как коагулянты и способствующие более быстрому и более совершенному осветлению ее. Впервые химическое осаждение было применено в конце XVIII века.
К группе химических методов осветления сточной жидкости относится и электролитический метод, известный с конца прошлого столетия по произведенным тогда опытам. Результаты их представляют значительный интерес. При пропуске в течение часа сквозь сточную жидкость электрического тока, пользуясь железными электродами, можно получить незагнивающую воду; потребность в электроэнергии составляла 0,13 квт-ч, расход железа 43 г на 1 м3. Несмотря на столь благоприятные результаты, метод этот не нашел практического применения из-за большого количества оседающего при электролизе воды ила, использование которого в те годы еще не было известно.
Количество органического ила, вследствие перегнивания и уплотнения, а также частичного превращения ила в газы и растворения его, значительно уменьшается. В среднем в гнилостных бассейнах это уменьшение доходит до 50%, в зависимости от характера сточных вод. Наличие большого количества промышленных сточных вод, содержащих химические примеси, ведет к уменьшению эффекта работы гнилостного бассейна.
В гидролитическом тенке, кроме того, интенсифицировано и самое осаждение взвешенных частиц. В первой и третьей камерах гидролитического тенка по пути следования жидкости установлены вертикальные деревянные решетки, главной (назначение которых — способствовать осаждению мельчайших частиц.
Дальнейшим развитием гидролитического тенка является современный двухъярусный бассейн, верхняя часть которого представляет собственно отстойник, а нижняя часть является септической частью — бассейном для перегпивания ила.
На некоторых установках в периоды нарушения нормального метанового брожения вверх всплывает весь ил, отчего верхний объем септической части иногда называют «отделением пены». В результате вспенивания нарушается правильная деятельность двухъярусных бассейнов иногда на продолжительное время. В целях недопущения этих осложнений, необходимо перемешивать ил для облегчения отделения скопляющегося в нем газа, делающего ил легким и способным к всплыванию. Перемешивание достигается путем /подачи воды под напором в нижнюю, загнивательную часть. Кроме того, желательно, чтобы свободная поверхность для всплывающего ила составляла не менее 20% от всей поверхности двухъярусного бассейна.
Септическая часть двухъярусных бассейнов рассчитывается с учетом температуры сточной жидкости.По С. Н. Строганову, при температуре сточной жидкости 10° септическая часть рассчитывается на 120 дней пребывания осадка, а при температуре 15° — на 60 дней. За это время осадок уплотняется внизу до содержания 85% воды, т. е. в три раза по сравнению с поверхностным слоем (95% во ы).
Метантенками называют отдельно стоящие камеры для перегнива-ния ила, в которых при нормальном брожении получается метан в зна- чительном количестве. От обычных загнивателей метантенки отличаются тем, что в них процесс лерегнивания ила может быть интенсифицирован как путем регулирования температуры, так и путем изменения суточной дозы свежего ила и тщательного перемешивания его с перегнившим илом.
Повышение температуры в метантенке весьма сильно влияет на необходимый объем метантенков.Долгое время наиболее применимым методом являлся второй способ — направление в нижнюю часть метантенка нагретой воды. Для этой цели обычно использовалась подогретая очищенная сточная жидкость в количестве до 2—3% от объема метантенка (по тепловому расчету). Но в последнее время на установках Москвы, Харькова и других городов для подогрева метантенков стали применять исключительно острый пар.
Ил, выделившийся в отстойниках из сточной жидкости, после сбраживания может быть использован для удобрения.Ил в свежем, неперегнившем состоянии негоден для сельского хозяйства, так как органический азот, содержащийся в большом количестве в иле, не может быть усвоен растениями до его минерализации. Кроме того, свежий ил: I) хуже перекачивается, чем перегнивший; 2) издает неприятный запах при перекачивании, просушке и использовании его; 3) заиливает поры грунта и лишает корни растений воздуха; 4) разбросанный на поле в обезвоженном виде образует комья, которые с трудом разбиваются; 5) ведет к засорению полей сорной растительностью; 6) вреден с точки зрения санитарно-гигиенической, так как может содержать болезнетворные бактерии.
Пример. Определить размеры иловой площадки для канализационной установки на 25 ООО человек.Если отстаивание сточной воды производится в двухъярусных бассейнах, то ил будет содержать лишь 85% воды и он, кроме того, на 50% распадается; количество ила уменьшится в 6 раз и составит лишь 0,116 л/сутки на жителя. Годовая норма на жителя будет: 0,116 X 365 = 42,3 л. На 25 000 жителей годовое количество ила, направляемое на иловые площадки, составит 42,3 X 25 000 = 1 055 000 л = 1055 м3. Принимая годовой слой напуска в 1,5 м, получим площадь 1055: 1,5 = 705 м2.
Для обезвоживания ила можно применять в а к у у м -фильтр ы.В а к у у м-ф и л ь т р представляет собой барабан, медленно вращающийся на горизонта ланой оси. Тело барабана состоит из металлического остова, разделенного сегментными перегородками на ряд отделений, соединяемых попеременно то с вакуум-аппаратом, то с повышенным воздушным или паровым давлением. Наружная поверхность барабана покрыта фильтрующей тканыо, прикрепленной к отдельным рамам, установленным на остове барабана. Для поддержания ткани на раму натянута проволочная сетка. Барабан опущен на известную глубину в ил.
В двухъярусных бассейнах, объединяющих в одном сооружении и осаждение и обезвреживание ила, не возникает вопроса о транспортировке -ила между двумя этими стадиями, так как ил в силу своей тяжести проваливается из осадочной части сооружения в септическую. При отдельно стоящих сооружениях — отстойниках и метантенках — вопрос разрешается при благоприятных топографических условиях и соответствующих конструкциях установкой труб для отжима ила обычно диаметром в 200 мм, опущенных в воронку отстойника и имеющих выходной конец на 1,2—1,8 м ниже поверхности воды в отстойнике. Эта разность отметок обеспечивает необходимый напор как на образование скорости в трубе, так и на все потери напора по длине илопро-вода и на местные сопротивления (вход, повороты, задвижки).
Транспортировка обезвоженного ила производится автогужевым транспортом или особыми составами специально приспособленных ваго- . неток с паро- или электровозами; при использовании ила в сельском хозяйстве, он сначала доставляется на складские участки, а оттуда развозится непосредственно на полевые участки. Стоимость транспортировки при этом сравнительно высока. В целях некоторой рационализации автогужевой транспорт заменяют специальной узкоколейкой, при которой доставка обходится несколько дешевле. Дальнейшая рационализация подачи ила на участки идет, с одной стороны, по линии еще большего обезвоживания ила, а с другой стороны, наоборот, подается совершенно необезвоженный ил, с целью использования его текучести для подачи по трубам.
Поля орошения — наиболее старый способ биологической очистки сточных вод, известный с глубокой древности.В XIX веке в связи с ростом городов и загрязнением рек от спуска в них сточных вод стали снова устраивать поля орошения в промышленных центрах Европы.
Процесс биологической очистки на полях орошения состоит в том, что сточная жидкость, фильтруясь сквозь почву, оставляет в поверхностном слое взвешенные и коллоидальные вещества, образующие на поверхности частичек почвы пленку, обильно заселенную бактериями. Эта бактериальная пленка, с одной стороны, адсорбирует органические растворенные вещества из фильтрующейся сквозь почву сточной жидкости, а с другой, — соприкасаясь с воздухом, черпает из него кислород, необходимый для жизнедеятельности микроорганизмов, производящих минерализацию органических веществ. Кислород воздуха участвует и в тех химических процессах, которые протекают в почве, помимо деятельности бактерий.
Из имеющегося большого разнообразия почв наиболее пригодны для устройства полей орошения и полей фильтрации легко проницаемые песчаные, супесчаные и легкие суглинистые почвы. Черноземные почвы с подстилающим их лёссом до сих пор не отводились под ¡поля орошения. Вопрос о возможности и целесообразности устройства полей орошения на черноземах еще практически не проверен. Проведенные же в 1933—1934 гг. Н. М. Величкиным опыты полулабораторного порядка с массивами чернозема позволяют решить задачу положительно. Такие же положительные результаты получены и на опытном участке в Одессе (1934—1940 гг.).
В зависимости от культур, которые будут выращиваться на полях орошения, характера почв, а также климатических условий можно опре--делить необходимую площадь полей для очистки заданного количества сточных вод известной концентрации.
В п ане эти площадки должны иметь прямоугольное очертание, что упрощает проведение оросительной и дренажной сети, дорог, упрощает конструкции мостов, дюкеров и прочих искусственных сооружений и значительно облегчает эксплоа-тацшо.
Наружные очертания оросительных каналов определяются на основании расчетов пропускной способности их с учетом наличия берм шириной в пределах 1,0—1,5 м для магистральных, 0,75—1,0 м для распределительных и 0,5 м для оросительных каналов.
Напускаемая на участки полей орошения сточная жидкость пастью испаряется, частью поглощается растениями, а частью проникает в почву. К количеству сточной жидкости следует прибавить еще и выпадающие в течение года осадки. Во избежание заполнения на длительное время пор (грунта водой вместо воздуха, необходимо принятие искусственных мер для быстрого удаления воды, попавшей в грунт. Такими искусственными мерами -по быстрому отводу профильтровавшейся сквозь почву сточной и дождевой воды — осушения почвы на определенную глубину — является дренаж. Глубина осушенного слоя зависит от климатических и почвенных условий.
На полях орошения культивируются овощи, сельскохозяйственные культуры, а также декоративные и плодовые деревья и ягодные кусты. Из овощей произрастают морковь, петрушка, лук, лук-порей, разные сорта капусты, синие баклажаны, помидоры, перец, сельдерей, спаржа, свекла, фасоль, кабачки, шпинат, щавель, земляная груша и т. д.
Биологические пруды получили применение благодаря тому, что в стоячих водоемах,вследствие интенсивного развития планктона и бентоса, процессы очистки загрязненной воды идут весьма интенсивно. В СССР биологические пруды впервые были устроены по инициативе С. Н. Строганова на Московских полях фильтрации для повышения производительности малопроницаемых участков.
Наибольший эффект очистки воды в прудах достигается в середине лета. Зимой результаты очистки минимальные, но с весны начинают постепенно повышаться. Опыт показал, что выпуск воды из прудов осенью с целью минерализации органических веществ, попавших на дно прудов в виде ила, значительно содействует эффекту очистки воды весной.
Нагрузка сточной жидкости на 1 га прудов при нормальной эксплоатации равняется, в среднем, 124 м3/сутки. Норма нагрузки может быть повышена до 250 м3 в теплое время года, в солнечные дни; повышение может быть принято также при уменьшении концентрации сточных вод [42].
Биологические фильтры представляют собой сооружения для биологическом очистки сточных вод в искусственно созданных условиях. Биологическая очистка, как известно, представляет аэробный процесс распада и минерализации имеющихся в сточных водах органических веществ. Неудача в некоторых странах с очисткой сточных вод на полях орошения и полях фильтрации заставила искать реи(ение вопроса очистки сточных вод на биологических фильтрах. Вначале были устроены фильтры, мало отличающиеся от полей фильтрации; плохо фильтрующий грунт заменяли привозным песком. Такие сооружения были дороги и скоро выходили из строя вследствие засорения пор между песчинками. Благоприятные результаты опытов с фильтрацией сточных вод через мелкие и грубые материалы способствовали широкому развитию биологической очистки в искусственных условиях.
Размеры фильтрующего материала имеют важное значение. Чем меньше размеры отдельных частиц фильтрующего материала, тем при одинаковом объеме фильтра больше будет адсорбирующая поверхность фильтрующего материала, и наоборот. Однако, чем меньше будут размеры частиц фильтрующего материала, тем скорее фильтр будет засоряться и выбывать из строя.
С увеличением высоты фильтра стоимость земляных работ, стен и фильтрующего материала повышается, стоимость же распределительных и дренажных устройств понижается; в общем, с повышением высоты фильтра удельная стоимость его уменьшается.
Для равномерного распределения сточной жидкости по всей поверхности фильтра применяют различные способы и приспособления.Распределители воды могут быть разделены на два основных типа: неподвижные и подвижные.
Дренажная система биологического фильтра служит для отвода очищенной сточной жидкости за пределы фильтра.Из схемы дренажных лотков, изображенных на рис. 135 в двух вариантах, видно, что эти лотки в пределах фильтра получаются короче по первому варианту; однако по этому варианту требуется обязательно устройство вдоль биофильтра длинной линии сборных лотков, что неудобно при строительстве ряда постелей фильтров без интервалов между ними. Предпочтителен с этой точки зрения второй вариант, по которому вдоль длинной стороны фильтр проложены дренажные лотки, заканчивающиеся одним сборным лотком, расположенным за пределами фильтра. При уклоне в 0,005 и максимальной длине биологического фильтра 50 м заглубление лотка получается в 0,25 м. Дренажные лотки в пределах фильтра проводят на расстоянии 2,5—3 м один от другого. Дно между лотками обрабатывается в виде двускатной поверхности к ближайшим лоткам с уклоном в 0,01—0,02.
Правильная вентиляция биологического фильтра является основным условием нормальной его работы.Происходящий внутри фильтра аэробный процесс минерализации органических веществ требует кислорода воздуха. Последний поступает в тело фильтра с верхней поверхности его вместе со сточной жидкостью. Однако количество этого свежего воздуха недостаточно для того, чтобы снабдить кислородом нижерасположеиные слои фильтрующего материала, что в значительной степени лимитирует высоту фильтров.
Очистка сточных вод на биологическом фильтре идет нормально только тогда, когда поверхность фильтрующего материала покроется бактериальной пленкой, адсорбирующей загрязнения и кислород воздуха. Впредь до нарастания пленки (созревания), фильтр работает неудовлетворительно. Поэтому до созревания фильтра не следует нагружать его сразу расчетной нормой, а лучше постепенно увеличивать нагрузку, что ведет хотя и к более медленному созреванию фильтра, но обеспечивает лучший эффект очистки в период созревания. Время созревания в значительной степени зависит от времени года; летом оно короче.
В связи с понижением температуры воздуха в зимнее время, возникает вопрос о необходимости утепления биологических фильтров с целью не только предохранения их от обмерзания, но, главным образом, для поддержания в фильтрах определенной температуры, при которой процесс очистки идет нормально.
В 1916—1917 годах проф. С. Н. Строганов, при ближайшем участии химика Н. А. Базякиной и инж. И. Г. Поварнина, разработал конструкцию продуваемого биологического фильтра, названного аэрофильтром. По существу в биофильтре и аэрофильтре происходят одни и те же процессы биологической очистки.
Вместо обычной нагрузки в пределах от ] до 2 м3 в сутки на 1 м2 площади фильтра повышенная нагрузка должна составлять не менее 10—12 кубометров сточной жидкости на 1 м2 площади фильтра. Такая повышенная нагрузка на биофильтр коренным образом изменяет процесс очистки сточной жидкости в теле фильтра. На обычных биофильтрах процесс сводится к удержанию из сточной жидкости, при прохождении ее через тело фильтра, загрязнений, главным образом путем адсорбции, и минерализации в теле фильтра удержанных органических загрязнений.
Впервые примененные в конце XIX века биологические фильтры получили широкое распространение в качестве сооружений по биологической очистке сточных вод в искусственных условиях во всех странах мира.Указанные обстоятельства заставили искать более совершенного решения задачи биологической очистки.
Механическое перемешивание воды с активным илом в аэротенке ведет к вспениванию свободной верхней поверхности воды и способствует аэрации ее кислородом воздуха.Существуют аэротенки и смешанного типа.Продуваемые сжатым воздухом аэротенки в свою очередь могут быть разделены на аэротенки, продуваемые на всю высоту их (воздух подводится ко дну аэротенка), и на аэротенки, в которые воздух подается на некоторой глубине от поверхности воды.
Продуваемый аэротенк представляет, как указано выше, проточный бассейн прямоугольного сечения (В • Н), длиной L. Так как длина аэротенка получается значительной, то аэротенку в плане придают форму двух, трех или более смежных коридоров (рис. 155).
К — коэфициент неравномерности поступления сточных вод на очистную установку.Аэротенки обычно рассчитывают на среднечасовой расход сточных вод; подача воздуха определяется по максимально возможному расходу.
Норма активного ила, прибавляемого к вступающей в аэротенк сточной жидкости, должна определяться для каждой очистной установки опытным путем. При расчете аэротенков эта норма принимается в 50% от расхода очищаемой сточной жидкости.
Выделенный из вторичных отстойников активный ил в основной своей массе подлежит использованию для дальнейшей очистки сточных вод.В аэротенках для полной очистки сточной жидкости активный ил направляется непосредственно в канал для смешения его со сточной жидкостью перед поступлением последней в аэротенк (рис. 165). При неполной очистке активный ил направляется в регенераторы (рис. 166).
Приводим краткое описание аэротенков на Люблинской станции аэрации (рис. 169 — рис. 174).Аэротенки рассчитаны на полную очистку сточной жидкости.Сточная жидкость предварительно проходит через решетки, песколовки и первичные отстойники (вертикальные и радиальные). Разводной канал квадратного сечения 3 X 3 м снабжен пористыми пластинами, через которые подается воздух для перемешивания активного ила со сточной жидкостью.
До сих пор применяемые в СССР для полной биологической очистки сточных вод азротенки работают без регенераторов. Это упрощает эксплоатацию, хотя применение аэротенков без регенераторов имеет ряд существенных недостатков, основной из которых — отсутствие возможности быстрого восстановления активных свойств ила в случае отравления его при попадании в сточную жидкость токсичных для активного ила веществ.
Хлорирование сточных вод имеет целью уменьшить количество бактерий в них, сделав воды более стойкими в отношении загниваемости и обезвредить их, убив болезнетворные микроорганизмы. Действие хлора на сточную жидкость сказывается как в бактерицидном действии самого хлора, вносимого в сточную жидкость, так и в активном действии кислорода, получающегося при реакции хлора с водой.
Хлорная вода должна в течение определенного времени (20—30 мин.) быть в контакте с дезинфицируемой сточной жидкостью. Для этой цели необходимо устройство проточных контактных бассейнов; при одноступенных биологических фильтрах нет необходимости устраивать особые бассейны для контакта, так как для этой цели могут быть использованы вторичные отстойники, хотя это и требует больших расходов хлора. При всех других типах очистных сооружений устройство контактных бассейнов обязательно.
Значительное большинство существующих очистных установок сбрасывает очищенные сточные воды в водоем непосредственно у уреза воды сосредоточенным потоком, что неблагоприятствует интенсивному смешению потока сточных вод с водой водоема.
Измерение количества сточной жидкости, поступающей на очистную установку, необходимо для регулирования и контроля за работой очистных сооружений, а также для определения себестоимости очистки 1 м3 сточной жидкости. Нормальная работа отдельных сооружений очистной установки может быть нарушена вследствие ряда причин, одной из которых является неправильное распределение сточных вод между отдельными, параллельно работающими сооружениями; неравномерная нагрузка может привести к недогрузке одних и перегрузке других сооружений; в результате качество общего стока с очистной установки ухудшится. Это обстоятельство часто приводит к применению при проектировании пониженных норм нагрузки на сооружения.
Суженное сечение лотка (рис. 192) вызывает подпор воды перед ним. Так как сужение лотка сравнительно небольшое (не более чем на 40—50% живого сечения), то> течение через суженное сечение лотка может быть рассмотрено как истечение через затопленный водослив с широким порогом (по типу расчета отверстий мостиков и труб).
Суженный лоток с быстротоком построен по тому же принципу измерения расхода воды.Для определения расходов воды необходимо измерение лишь глубины потока в верховом канале до начала кривой спада Я. Эта величина может быть измерена при помощи рейки или лимниграфа, снабженного часовым механизмом. В последнем случае может быть определен расход и в любой прошедший момент, а также суммарный суточный расход.
Пример. Определить расход в лотке при затопленном истечении из-под вертикального щита. Дано: Ь — 0,50 м, а = 0,20 м, Н = 0,75 м и = 0.50 м. Щит поставлен нормально к потоку.Так как расход 0О очень близок к (), то проверку на скорости можно не производить.
Гидравлический прыжок (рис. 198), как водомер, был предложен акад. Н. Н. Павловским [69].Гидравлический прыжок в лотке можно создать либо установив вертикальный щит и свободное истечение из-под него, либо вставив небольшой длины лоток с уклоном больше критического, за которым должен следовать лоток нормального уклона, меньше критического. В последнем случае переход от стремнинного движения к спокойному произойдет в форме гидравлического прыжка, который можно будет использовать в виде водомера.
Водомер Барановского (рис. 200) представляет собою полый цилиндрический барабан в, вращающийся вокруг горизонтальной оси и снабженный 10 лопастями б (рис. 201).Водомер устанавливается в лотке прямоугольного сечения а с пониженным по окружности дном (рис. 200). Ширина лотка соответствует длине барабана; между стенками лотка и днищами барабана получается прозор в 1—1,5 мм. Так как водомер Барановского не вызывает большой потери напора ((последняя ограничивается 5 см), то почти весь расход проходит под барабаном, приводя последний во вращение. Ось барабана покоится в подшипниках, установленных на стенках лотка; так как барабан полый и погружен, кроме того, в воду, то трение получается весьма небольшое. Один оборот водомера Барановского соответствует определенному расходу сточной жидкости. Счетчик оборотов дает возможность определять расход.
Типы сооружений для очистки сточных вод можно свести к следующей схеме, заимствованной нами в основном из доклада проф. С. Н. Строганова на III Всесоюзном съезде водоснабжения и санитарной техники в 1929 г. (рис. 202).
Стоимость очистных сооружений является функцией весьма многих величин, различных для каждой установки.Характер грунтов отражается на стоимости очистных станций. Особенно влияет на удорожание высокое стояние грунтовых вод. Влияют на стоимость очистных сооружений цены на материалы и электроэнергию, стоимость транспорта, методы производства работ и пр.
Площадка для очистных сооружений должна удовлетворять ряду требований, облегчающих и удешевляющих строительство и эксплоата-цию очистных сооружений. Она должна быть расположена ниже канализуемого города по реке и отстоять от ближайших строений города на расстоянии не менее чем 250 м. Ниже площадки по реке не должно быть селений ближе чем на 15—20 км. Более близкое расположение селений ниже выпуска очищенных сточных вод в реку, даже при относительно мощных реках, требует весьма тщательной очистки сточных вод перед выпуском их в реку; в этих случаях необходимо устройство центрального водопровода для снабжения нижераспощоженных селений здоровой питьевой водой.
При проектировании очистных сооружений для бытовых сточных вод необходимо учитывать утвержденные в 1932 году Народным комиссариатом коммунального хозяйства РСФСР «Временные правила и нормы для проектирования хозяйственно-фекальных канализаций населенных мест», отдел четвертый которых посвящен временным нормам проектирования очистных сооружений.
Сточная жидкость, очищаемая на очистной установке, передвигается от сооружения к сооружению обычно в открытых лотках прямоугольного или трапецоидального сечения. Ниже приводятся графики для расчета сечений этих лотков.
В отдельных главах при описании назначения, схемы, работы, конструкции и метода расчета сооружений по очистке сточных вод приводились краткие эксплоатационные данные по соответствующим сооружениям.Основные затруднения, возникающие при эксгшоатации очистных сооружений, могут быть разделены на затруднения пускового периода и на затруднения, возникающие в дальнейшем на работающих сооружениях.