Количественная и качественная характеристики сточных вод являются основным исходным материалом, которым пользуются при решении вопросов очистки сточных вод, их повторного использования и выпуска в водоем, а также вопросов утилизации содержащихся в сточных водах ценных примесей.
При анализах сточных вод б лабораториях промышлен-ных предприятий в настоящее время применяют самые разнообразные способы количественной характеристики одних и тех же веществ, что создает серьезные затруднения как при чтении самих анализов, так и при их практическом использовании. Поэтому унификация способов выражения концентрации веществ, присутствующих в воде, крайне необходима.
Взвешенные вещества являются характерным загрязнителем большинства видов сточных вод.В химических анализах взвешенные вещества фигурируют под несколькими названиями: суспендированные вещества, механические примеси, нерастворенные примеси (вещества) и т. д.
Истинно растворенные вещества находятся, как известно, в состоянии молекулярного диспергирования. Таким образом, крупность частиц дисперсной фазы в истинных растворах имеет размер молекул, т. е. меньше 1 • 10”7 см.
В производственных сточных водах многих отраслей промышленности содержатся разнообразные органические вещества.Прямое определение концентрации этих веществ нередко оказывается сложным или вовсе невозможным. В таких случаях пользуются косвенными методами анализа. Наиболее распространенным из них является определение количества кислорода, которое требуется для биохимического или химического окисления содержащихся в воде органических веществ.
Молекула вещества, как известно, является электроней-тральной; однако положительные и отрицательные заряды в ней могут быть размещены пространственно неравномерно. Если центры тяжести положительных и отрицательных зарядов пространственно не совпадают, то вокруг молекулы воз-никает электросиловое поле; такой случай наблюдается при ионной и полярных связях. При совпадении центров тяжести зарядов электросиловое поле не образуется; атомы молекулы в этом случае находятся в неполярной связи.
Сточные воды содержат стабильные и нестабильные загрязняющие вещества. В подавляющем большинстве случаев природа и концентрация веществ (МаС1, Са304 и т. п.) не изменяются во времени; природа нестабильных веществ (радиоактивных изотопов, органических веществ) во времени изменяется.
Очевидно, что перемешивание сточной жидкости с водой водоемов обеих групп обусловлено различными причинами, однако имеется и ряд общих закономерностей.Сср—средняя концентрация загрязняющих веществ в смеси после полного перемешивания сточных вод с водой водоема в мг/л.
Минерализация органических веществ, поступающих в водоем, как уже отмечалось, происходит в основном в результате биохимического окисления. Изменение концентрации органических загрязнений характеризуется величиной ВПК. Таким образом, скорость этого процесса, а следовательно, и скорость процесса самоочищения водоема оказывается возможным характеризовать теми же показателями, какими пользуются при определении скорости биохимического потребления кислорода, т. е.
Природные воды водоемов всегда содержат некоторое количество бикарбонатов. Вследствие их гидролиза образуется некоторый избыток гидроксильных ионов, что и обусловливает pH>7. Этот избыток позволяет нейтрализовать соответствующее количество кислоты.
Основные требования к качеству спускаемых в водоемы сточных вод имеют целью обеспечить такую степень чистоты воды водоемов, которая позволяет использовать эти водоемы для хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения, а также для рыбного хозяйства. Предельно допустимая концентрация различных веществ в водоемах регламентируется соответствующими правилами.
Смесители. Обычно количество и качественный состав промышленных сточных вод крайне непостоянны. Это обусловлено ходом технологических процессов и неравномерностью в использовании воды на производственные нужды.
Отстаивание представляет собой один из основных приемов выделения из сточных вод нерастворенных оседающих или всплывающих механических примесей — взвешенных веществ, эмульгированных масел и т. п. В одних случаях отстаивание является предварительным этапом обработки сточных вод, в других — окончательным этапом их очистки.
Растворимость различных веществ в воде неодинакова; она зависит не только от вида вещества, но и от температуры растворителя. Путем ее изменения получают пересыщенные растворы того или иного вещества, а затем его кристаллы. На этом принципе основан метод выделения из сточной жидкости кристаллов загрязняющего ее вещества, образующихся при естественном или искусственном ускорении испарения жидкости. Применение этого метода целесообразно при обработке небольших количеств концентрированных сточных вод. В случаях необходимости обрабатывать таким способом недостаточно концентрированные воды их предварительно упаривают.
Простейшая кристаллизация является малоэффективным процессом. Ее осуществление возможно только при наличии значительной свободной территории. Более высокий эффект дает выпаривание при атмосферном давлении, а еще лучше — под вакуумом.
В отличие от выпаривания, протекающего при температуре кипения, испарение с открытой поверхности жидкости происходит практически при любой температуре.К0ь — модульный коэффициент обеспеченности.Примечание. Упругость водяного пара, соответствующая десятым долям градусов, находится интерполяцией.
Перегонка осуществляется в периодически действующих аппаратах или непрерывно действующих дистилляционных колоннах. Расчет процесса перегонки довольно сложен.Наиболее простым случаем является расчет пароотгонной колонны. Принципиальная схема такой установки, обычно называемой эвапорационной, приведена на рис. Ш-28.
При очистке сточных вод в качестве экстрагентов обычно применяют органические растворители, которые не смешиваются с водой (бензол, минеральные масла, четыреххлористый углерод и т. п.).Количественные значения коэффициентов распределения зависят от температуры, при которой производится экстракция, и от концентрации растворенного вещества. Данные о величине К для некоторых веществ приведены в табл. Ш-18 (при Сэ около 5 г/л и температуре 25°).
Физико-химическая сущность очистки сточных вод методом аэрации заключается в окислении примесей сточной воды кислородом воздуха, а также в переходе растворенных летучих веществ в газовую фазу вследствие увлечения их воздухом. В отличие от аэротенков процесс аэрации в этом случае осуществляется без живых агентов — микроорганизмов.
Очистка сточных вод методом адсорбции основана на извлечении из воды растворенных в ней веществ поверхностью твердых тел (сорбентов).В качестве сорбентов практически могут служить все мелкодисперсные твердые вещества, обладающие значительной поверхностью (активный уголь, коксовая мелочь, торф, каолин, опилки, зола, болотная руда и др.). Наиболее широкое применение имеют различные марки активных углей и гель кремниевой кислоты, так называемый силикагель. Кроме того, при очистке сточных вод роль сорбентов выполняют хлопья гидроокисей металлов (коагулянты), активный ил аэротенков, биопленка биофильтров, планктон.
Нейтрализация сточных вод основана на взаимодействии содержащихся в них кислот или оснований с веществами, придающими воде нейтральную реакцию (рН=7).Нейтрализация осуществляется путем добавки к сточной жидкости соответствующих реагентов или путем фильтрования ее через нейтрализующие материалы.
Мутационное фильтрование представляет собой процесс, в котором растворенные в сточной жидкости загрязняющие вещества вступают в химическую реакцию с химически активной фильтрующей загрузкой.Описанный выше процесс нейтрализации кислых вод в фильтрах-нейтрализаторах является частным случаем применения мутационного фильтрования.
Флотация представляет собой процесс, основанный на принципе всплывания дисперсных частиц вместе с пузырьками воздуха.Метод флотации получил большое распространение в области обогащения полезных ископаемых (руд, углей и т. д.); в последнее время он с успехом применяется также для очистки производственных сточных вод ряда отраслей промышленности (бумажной, нефтяной и др.).
Производственные сточные воды многих отраслей промышленности содержат значительные количества органических веществ. Концентрация их в воде нередко достигает нескольких граммов на 1 л, т. е. в десятки раз превышает концентрацию в бытовых водах.
При повторном использовании сточных вод в системах оборотного водоснабжения температура воды и концентрация содержащихся в ней загрязняющих веществ непрерывно изменяются. Интенсивность этого процесса зависит от ряда факторов и в первую очередь от системы водоснабжения и режима ее работы.
Сточные воды рудопромывочных фабрик. В технологическом процессе рудообогашения обычно участвуют значительные массы воды, используемой для разделения различных по удельному весу составных частей обогащаемой руды и для их транспортировки.
На агломерационных фабриках загрязненные сточные во-ды поступают от вентиляционных скрубберов, от смыва полов, стен и транспортерной ленты при обратном ее ходе.Количество загрязненных стоков составляет примерно 0,5 ж3 на 1 г агломерата. Стоки содержат до 30 г/л таких механических примесей, как руда, кокс и др.
В процессе доменной плавки на каждую тонну чугуна получается до 4000 ж3 колошниковых газов, несущих с собой значительное количество примесей — пыли. Количество ее зависит от качества шихты, хода печи, интенсивности дутья и т. д. и колеблется от 5 до 20 г/м3 газа.
На существующих металлургических заводах применяют два метода грануляции доменного шлака: мокрый и полусухой.При первом способе жидкий шлак отвозят в ковшах в наполненные водой бассейны, где происходят его быстрое охлаждение и собственно грануляция.
Разлив чугуна (не используемого в жидком виде в мартеновском цехе) производят на специальных машинах в установленные на конвейере мульды. Наполненные расплавленным чугуном мульды движутся по конвейеру и одновременно поливаются тонкими струйками воды.
В прокатном цехе вода расходуется на ряд производственных нужд: охлаждение валков и подшипников прокатных станов, смывание и транспортировку окалины, обслуживание гидравлических двигателей, охлаждение нагревательных печей. В трубопрокатных цехах завода вода расходуется, кроме того, на травление и промывку труб и их гидравлическое испытание.
Травильные сточные воды получаются в процессе обработки кислотами поверхности металлических изделий, покрытых окалиной и ржавчиной. При травлении изделия погружают в ванны с разбавленными кислотами, главным образом серной, реже соляной и азотной, иногда со смесью той и другой. После протравки изделия промывают и сушат в моечносушильных машинах.
Количество образующегося конденсата зависит от ряда факторов и колеблется в довольно широких пределах; в среднем на 1000 м3 газа получается 35 л конденсата.Осредненные данные по составу конденсата приведены в табл. 1У-7.
При получении стали конвертерным способом через конвертер продувается обогащенный кислородом воздух, который по выходе из конвертера содержит до 80 г/м3 мелкой пыли.Очистка конвертерного газа от пыли производится сначала в скрубберах, где он орошается водой, а затем в электрофильтрах, электроды которых промываются водой.
Первым этапом обработки любого из этих видов руд является их обогащение.Флотация сульфидных свинцово-цинковых руд. При обогащении сульфидных свинцово-цинковых руд широко применяют флотацию.В процессе флотации к руде добавляются различные фло-тореагенты и расходуется 4,5—6,5 м3 воды на 1 г перерабатываемой руды.
Цинковые заводы — гидрометаллургические. Сырьем для получения цинка служат сульфидные концентраты, полученные в результате флотационного обогащения руды.Сульфидный цинковый концентрат подвергается сушке и окислительному обжигу. Полученный после обжига продукт (огарок) выщелачивают в водном растворе серной кислоты. В процессе обработки огарка в сернокислый раствор переходят цинк и примеси железа, меди, кадмия, кобальта и других металлов. Твердый остаток от выщелачивания (цинковый пек) содержит до 15—20% цинка и подвергается дальнейшей обработке для получения цинка и других металлов.
Все перечисленные руды перерабатываются в целях получения окиси алюминия (глинозема) несколькими методами, основными из которых являются метод спекания и метод Байера. Последний получил наиболее широкое применение. По методу Байера бокситы дробят, смешивают с известью и подвергают выщелачиванию в автоклавах раствором едкого натра. В процессе выщелачивания глинозем из боксита выделяется, а примеси остаются в шламе.
В настоящее время серную кислоту получают по двум методам: башенному и контактному. Исходным сырьем в обоих случаях служит серный колчедан (пирит).Технологический процесс получения серной кислоты по башенному методу сводится к обжигу размолотого серного колчедана в специальных печах и дальнейшей обработке выделяющегося при этом сернистого ангидрида 502. Очистку его от пыли производят в электрофильтрах, откуда очищенный газ направляют в башню, где он орошается нитрозой 1 для окисления в БОз. В последующем, соединяя серный ангидрид с водой, получают готовый продукт — серную кислоту крепостью 76—78%. Охлаждение кислоты производится в системе холодильников.
Азотная кислота получается окислением газообразного синтетического аммиака кислородом воздуха либо чистым кислородом.Полученный газ идет на конденсацию в трубчатые холодильники, в которых образуется слабая азотная кислота, направляемая в абсорбционные башни на доукрепление.
Производство простого суперфосфата. Исходным сырьем для получения простого суперфосфата служат фосфориты или апатиты и серная кислота.Разложение апатитового концентрата серной кислотой протекает в две стадии.
Производство тринитротолуола. Тринитротолуол, или тротил, получают путем последовательного трехкратного нитрования толуола смесью серной и азотной кислот. Получаемый при этом раствор отстаивают и промывают сначала горячей, а затем холодной водой. Окончательную промывку тринитротолуола производят раствором сульфата натрия.
Исходным сырьем для производства кальцинированной соды служат поваренная соль, аммиак в виде аммиачной, воды и мел или известняк.Рассол поваренной соли обычно содержит примеси солей кальция и магния; их удаляют из рассола содово-известковым методом.
Кокс получается после отгонки летучих веществ из каменного угля при нагревании его без доступа воздуха.Основными этапами коксохимического производства являются: подготовка (промывка) угля, выжиг и гашение кокса, переработка коксового газа с извлечением из него смолы, аммиака, бензола и других продуктов разгонки.
Генераторный газ на газогенераторных станциях получается в результате неполного сгорания твердого топлива (антрацита, бурого и каменного угля, торфа, древесины).В первой стадии газификации в генераторе происходит коксование топлива (освобождение от влаги, смолы и летучих веществ), а во второй — сгорание при недостаточном доступе воздуха. Выделяющаяся при этом окись углерода смешивается с газом от коксования, образуя генераторный газ.
Различие производственных условий работы коксохимических заводов и газогенераторных станций вызывает необходимость учета особенностей этих предприятий в каждом частном случае схемы отвода и метода очистки сточных вод.
Наиболее концентрированные сточные воды коксохимических заводов после их дефеноляции часто используют для тушения кокса. К числу таких вод относятся стоки аммиачных я бензольных цехов.Осадок, выпадающий в отстойниках, представляет собой хорошее топливо. Удаление его из отстойников производят при помощи грейферных кранов (рис. УН-1).
Сточные воды от газификации твердого топлива содержат значительные количества смол и смолообразователей, или смо-логенов, образующихся в результате химических реакций. При отстаивании таких вод смолы выделяются; количество и?: зависит от продолжительности отстаивания воды, ее температуры и величины pH; оптимальное значение pH равно 5—6.
Эффективное удаление смол из слабоконцентрированных сточных вод может быть достигнуто путем их коагулирования. В качестве коагулянтов применимы сернокислые соли железа или алюминия и гидрат окиси кальция. Любой из этих коагулянтов обеспечивает практически полное (90—97%) удаление смол. При выборе коагулянта учитывают характер обрабатываемых стоков, концентрацию в них смол и метод последующей очистки сточных вод.
Регенеративными методами предварительного обесфеноли-вания сточных вод удаляется лишь основная масса фенолов; остаточное их количество чаще всего колеблется в пределах 150—200 мг/л, но может достигать 300—400 мг/л. Примерно такая же концентрация фенолов в общих стоках коксохимических заводов.
Технологическая схема производства вискозного волокна показана на рис. УШ-1.Исходным сырьем для производства вискозного волокна служит древесная целлюлоза, которую обрабатывают раствором едкого натра и получают так называемую алкалицел-люлозу.
При производстве медно-аммиачного волокна обычно применяют очищенную хлопковую целлюлозу, а в отдельных случаях— облагороженную древесную целлюлозу.После механической и химической подготовки целлюлозу растворяют в водном растворе аммиака и гидроокиси или основной соли меди.
Основными производствами лесохимической промышленности являются сухая перегонка древесины и приготовление канифоли и скипидара.В качестве готовой продукции этих производств получается древесный уголь, уксусная кислота, метиловый спирт, эфиры, канифоль, скипидар и ряд других продуктов.
Третью группу составляют условно чистые воды. Они могут использоваться в производстве и для разбавления концентрированных стоков.Конечным этапом обработки загрязненных вод в настоящее время является их биологическая очистка.
Производственная схема современного нефтепромысла включает бурение и эксплуатацию нефтяных скважин; обоим процессам сопутствует образование сточных вод.В процессе бурения вода расходуется на приготовление глинистого раствора, на периодическую обмывку рабочих площадок и на другие нужды, связанные с поддержанием чистоты.
Как правило, на нефтепромыслах предусматривается раздельная система канализации с тремя сетями труб и каналов.Пластовые воды, содержащие такие вещества, как йод, бром и другие, целесообразно отводить отдельно и направлять их на предприятия для извлечения ценных примесей.
Использование пластовых вод для заводнения является радикальным способом их ликвидации. Обычно количество пластовых вод оказывается недостаточным для целей заводнения, поэтому их смешивают с морской или с предварительно обработанной пресной водой.
Ливнесбросы устраиваются для сброса части атмосферных вод, помимо очистных сооружений; располагаются они перед узлами нефтеулавливания. Конструкция ливнесбросов (рис. Х-1) обеспечивает задержание плавающей нефтяной пленки и сброс в ливнеспуск только свободных от нефти нижних слоев движущегося потока.
В состав заводов включаются также установки получения синтетического спирта, синтетических масел и жирных кислот, пластиков и др.На современных нефтеперерабатывающих заводах устраивают две системы производственной канализации: одну — для нейтральных нефтесодержащих сточных вод, возвращаемых после их очистки в сеть оборотного водоснабжения; другую — для сточных вод, содержащих соли, минеральные или органические кислоты, спирты, сернистые соединения, нефтепродукты, фенолы, тетраэтилсвинец. Эти воды после очистки спускаются в водоем или направляются на испарение.
Сточные воды первой канализационной системы после очистки в узле основного нефтеулавливания направляются в систему оборотного водоснабжения.Нефтесодержащие сточные воды второй канализационной системы после очистки в узле основного нефтеулавливания направляются на объединенный узел биологической доочистки.
Сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности служат древесина хвойных и некоторых лиственных пород, а также солома, тряпье и макулатура.На окорку 1 т баланса расходуется от 2,5 до 5 м3 воды, на некоторых предприятиях расход сточных вод достигает 20 м3.
По характеру загрязнений, содержащихся в сточных водах предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, эти воды, как правило, нецелесообразно сбрасывать в городскую канализацию. Лишь в редких случаях, например при расположении в крупных населенных пунктах небольших по производительности макулатурных фабрик, такое присоединение может оказаться возможным и целесообразным.
Исходным сырьем на гидролизных заводах служат древесные отходы (опилки, стружки и щепа) и растительные отходы сельского хозяйства (хлопковая шелуха, подсолнечная лузга, кукурузные кочерыжки и т. п.).На некоторых заводах, кроме того, получают кристаллические ксилозу и глюкозу, а также побочные продукты производства — метиловый спирт, скипидар, летучие органические кислоты, фурфурол и др.
Независимо от технологического профиля гидролизного завода на его площадке устраивается несколько канализационных сетей для отвода различных по составу стоков: для грязных, шламовых, кислых, условно чистых и бытовых вод.
Характеристика и методы очистки сточных, вод сталелитейных цехов были приведены в главе IV.В чугунолитейных цехах сточные воды поступают от гидравлической очистки литья и мокрой очистки воздуха в скрубберах вентиляционной системы, мокрой очистки ваграночных газов, грануляции шлака и охлаждения вагранок.
Термическая обработка металлических изделий и инструмента производится в специальных печах; после такой обработки изделия закаливаются в воде или масле.Сточные воды термических цехов относятся к слабоконцентрированным водам. Основными их загрязнителями являются окалина и масла.
В механических и инструментальных цехах сточные воды образуются при промывке изделий и их закалке токами высокой частоты, при обработке изделий в термических и гальванических отделениях, а также от обмывки полов. Кроме того, в этих цехах применяются различного рода эмульсии для смазки и охлаждения станков и инструментов; часть этих эмульсий попадает в сточные воды.
На заводах автомобильной промышленности сточные воды образуются в основном при охлаждении аппаратуры и при травлении, гальванопокрытии и промывке изделий.Удельное количество сточных вод на единицу готовой продукции зависит от вида продукции и масштаба производства. Осредненные данные приведены в табл. XIV-1 .
Текстильные изделия вырабатываются из растительного, животного и химического волокна. В процессе производства образуется большое количество отработанной воды, сбрасываемой в канализацию.Выделение волокна из стеблей льна производится на заводах первичной обработки путем биохимической мочки подсушенных стеблей, их пропаркой или обработкой щелочами и кислотами. Во всех случаях при этом образуются сильно концентрированные сточные воды.
К сточным водам предприятий текстильной промышленности применимы методы механической, химической и биохимической очистки; каждый из них обеспечивает различный санитарный эффект. В зависимости от местных условий первые два метода могут применяться как для предварительной, так и для окончательной очистки сточных вод.
Удовлетворительные результаты получаются при очистке сточных вод в прудах, однако этот метод очистки становится эффективным только при большом предварительном разбавлении сточных вод. Продолжительность их пребывания в прудах должна быть не менее 7—10 суток. Лучшие результаты получаются в случаях применения 2—3 ступеней прудов с перепадами между ними.
В процессе переработки кожевенное сырье (шкуры) проходит три основные группы операций: приготовление голья, дубление и отделку.Первой технологической операцией кожевенного производства является отмока и промывка сырья, заключающиеся в обработке шкуры водой и удалении с нее грязи, крови, навала и консервирующих веществ.
Первым этапом очистки производственных сточных вод является их процеживание в целях извлечения из них наиболее грубых примесей. Для этого в производственных зданиях перед выпуском производственных сточных вод в наружную канализационную сеть устанавливаются металлические решетки с прозорами шириной 10 мм. Задержанные решетками отходы удаляются механизированно или вручную и вывозятся в отвал за пределы промышленной площадки.
Современный мясокомбинат представляет собой сложное предприятие, включающее не только цехи по убою и разделке скота, но и целый ряд цехов по переработке мяса и других продуктов.Поступающий на мясокомбинат скот направляется на некоторое время в помещение предубойного содержания. Животные подозрительные по инфекционным заболеваниям направляются в карантин или в изолятор.
Метод предварительной обработки цеховых стоков и типы применяемых при этом сооружений определяются составом этих стоков.Сточные воды каныжной мастерской и помещений содержания скота перед выпуском их в сеть грязных вод проходят навозоуловители для задержания навоза и остатков кормов, а стоки из карантина, изолятора и санитарной бойни подвергаются дополнительно дезинфекции в контактных резервуарах.