В составе инженерных коммуникаций каждого промышленного предприятия имеется комплекс канализационных сетей и сооружений, с помощью которых осуществляется отведение с территории предприятия отработанных вод (дальнейшее использование которых либо невозможно по техническим условиям, либо нецелесообразно по техникоэкономическим показателям), а также сооружений по предварительной обработке сточных вод и извлечению из них ценных веществ и примесей.
При проектировании очистных сооружений необходимо учитывать состав и свойства производственных сточных вод, нормы водоотведения на единицу продукции, условия выпуска производственных стоков в городскую канализацию и водоемы, а также необходимую степень их очистки.
Согласно требованиям «Основ водного законодательства Союза ССР и союзных республик» система водообеспечения промышленных предприятий должна быть, как правило, с оборо гом воды для всего предприятия или в виде замкнутых циклов для отдельных цехов; при этом необходимо предусматривать очистку отработавшей воды. Последовательная или прямоточная система подачи воды на производственные нужды со сбросом очищенных сточных вод в водоем допускается только при невозможности или нецелесообразности применения системы оборотного водоснабжения.
При проектировании и эксплуатации систем канализации промышленных предприятий различают внутриплощадочную и внеплощадоч-ную канализацию. К первой относится размещаемый на территории промышленной площадки комплекс канализационных сетей, сооружений, насосных станций и локальных установок по очистке цеховых сточных вод. Канализационные сети и коллекторы, сооружения, насосные станции и очистные сооружения, расположенные за территорией промышленной площадки, относятся к внеплощадочной канализации. Если производственные сточные воды направляются в канализационную сеть или непосредственно на очистные сооружения населенного пункта (города), то внеплощадочная канализация ограничивается системой сетей, коллекторов и сооружений, обеспечивающей присоединение коллекторов промышленного предприятия к канализационной сети населенного пункта или к комплексу объединенных очистных сооружений.
При снижении расходов сточные воды, поступающие на очистные сооружения, практически всегда имеют повышенное количество загрязнений, поскольку при неизменном технологическом процессе общее количество загрязнений в сточных водах остается постоянным. Это обстоятельство может осложнить работу очистных сооружений, особенно при биологическом методе очистки сточных вод. Для уменьшения концентрации загрязнений целесообразно предусматривать частичное удаление их на локальных очистных установках, а также возможность последующей утилизации.
Объединение стоков, способных вступать в химические реакции с выделением ядовитых или взрывоопасных газов и образовывать эмульсии, а также имеющих большое количество нерастворенных веществ, не допускается. Запрещаются залповые сбросы сильноконцентрированных . производственных сточных вод. При значительных колебаниях состава сточных вод в течение суток необходимо предусматривать емкости-усреднители, обеспечивающие равномерный выпуск вод.
Для правильного определения необходимой степени очистки сточных • вод, спускаемых в водоем, в каждом случае нужно иметь подробные данные об их количестве и составе, а также данные детальных обследований водоема, характеризующие местные гидрологические и санитарные условия. Необходимая степень очистки сточных вод определяется применительно к общесанитарным и органолептическим показателям вредности и к каждому из нормативных показателей загрязнения.
Одним из основных видов загрязнений производственных сточных вод являются нерастворимые (легкие и тяжелые) минеральные и органические примеси, концентрация которых колеблется в широких пределах. Усреднение концентрации и регулирование расхода сточных вод, а также выделение нерастворимых примесей из воды в очистных сооружениях составляют задачу механической очистки.
Схема механической очистки производственных сточных вод, показанная на рис. 2.1, включает следующие сооружения: решетки для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения, песколовки для выделения тяжелых минеральных примесей (главным образом песка) и отстойники для выделения осаждающихся примесей.
Горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды (рис. 2.13) предназначаются для удаления песка из производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию (табл. 2.3).Сточная вода подводится к песколовкам и отводится от них лотками. Подводящий лоток располагается на уровне поверхности земли или в насыпи высотой 1, 2, 3, 4 и 5 м.
Усреднители предназначены для регулирования количества сточной воды, поступающей на очистные сооружения. Поступление на очистные сооружения производственных сточных вод с постоянным расходом и усредненной концентрацией загрязнений повышает эффект как механической, так и последующей биологической и химической очистки сточных вод. В результате исключения пиковых расходов сточных вод, поступающих на очистку, получается значительная экономия электроэнергии при эксплуатации сооружений и повышается надежность их работы. Введение в комплекс очистных сооружений резервуаров-усреднителей избыточного количества сточных вод позволяет продлить срок службы сооружений.
Применительно к режимам водоотведения красильно-отделочных фабрик емкость усреднителей соответствует обычно 4—8-часовому притоку производственных сточных вод.Для удаления из производственных сточных вод грубодисперсных минеральных взвешенных веществ и нерастворенных органических примесей применяют отстойники различных типов. Отстаиванием можно выделить из воды взвешенные частицы с плотностью, большей или меньшей плотности воды определенного размера. Примеси меньшего размера удалять практически невозможно, поскольку приходится увеличивать продолжительность отстаивания сточных вод до нескольких « суток, что экономически нецелесообразно.
Для осветления производственных сточных вод металлургических и других заводов применяют напорные и открытые гидроциклоны (рис. 2.35). Гидроциклоны отличаются от обычных отстойников высокой пропускной способностью. Эффект осветления воды зависит от диаметра гидроциклона Б, диаметров нижней йп и верхней йв насадок, угла конической части а, высоты цилиндрической части Яц, площади входного отверстия со, а также от вязкости осветляемой воды, ее концентрации по взвешенным веществам и их гранулометрического состава и плотности, которая должна быть не менее 1,2 г/см3.
Сетчатые барабанные фильтры предназначены для механической очистки производственных сточных вод. В зависимости от требуемой степени очистки и условий применения их можно оснащать сетчатым полотном с различной крупностью ячеек. В связи с этим сетчатые барабанные фильтры условно подразделяются на микрофильтры и барабанные сетки, имеющие следующие наименования: микрофильтры модернизированные МФМ, барабанные сетки БС. Выпускается это оборудование воронежским заводом «Водмашоборудование».
Одним из путей интенсификации фильтрования сточных вод является применение новых фильтрующих материалов. Перспективным является использование плавающих загрузок фильтра из различных йоли-мерных материалов, обладающих достаточной1 механической прочностью, химической стойкостью, высокой активной свободной поверхностью и пористостью. К числу таких материалов относятся полистирол различных марок, в том числе пенополистирол, а также газонаполненные гранулы керамзита, котельные и металлургические шлаки.
Одним из интенсивных методов безреагентного выделения нераство-ренных примесей из производственных сточных вод является центробежное осаждение, осуществляемое в осадительных центрифугах. Эти машины широко применяются в различных отраслях промышленности для разделения неоднородных систем, состоящих из двух или более фаз.
К методам, позволяющим интенсифицировать процессы очистки и утилизировать в некоторых случаях продукты, образующиеся в процессе обработки сточных вод, относится тонкослойное центрифугирование— сепарирование.
Основными методами химической очистки производственных сточных вод являются нейтрализация и окисление. К окислительным методам относится также электрохимическая обработка.Химическая очистка может применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или в городскую канализационную сеть. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно (в качестве предварительной) перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка находит применение также и как метод доочистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. При локальной очистке производственных стоков в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам.
Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды, комплексные цианиды меди и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды). Такие виды сточных вод встречаются в машиностроительной (цехи гальванических покрытий), горнодобывающей (обогатительные фабрики свинцово-цинковых и медных руд), нефтехимической (нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы), целлюлозно-бумажной (цехи варки целлюлозы) и в других отраслях промышленности.
Физико-химические методы играют значительную роль при очистке производственных сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, а доля их среди других методов очистки возрастает.
К физико-химическим методам очистки относятся коагуляция, фло-куляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, диализ, эвапорация, выпаривание, испарение, кристаллизация, магнитная обработка, а также методы, связанные с наложением электрического поля: электрокоагуляция, электрофлотация.
Сорбция —это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое — сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.
Флотация — это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и воды, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.
Сот — концентрация экстрагируемого вещества в сточной воде при установившемся равновесии, кг/м3.Коэффициент распределения зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей в сточных водах и экстрагенте (табл. 4.3).
Гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция — это процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы — ионита.Очистка производственных сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы), поверхностно-активные и радиоактивные вещества, очищать воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.
Электродиализ — процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока. Электродиализный метод применяется для опреснения высокоминерализованных сточных вод.
Эффективность процессов биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах в пределах биологической системы, регулирование же других, таких, например, как состав поступающих на очистку стоков, практически исключено. Действие основных факторов, определяющих пропускную способность системы и степень очистки воды, рассмотрено ниже.
Мцкробиологи утверждают, что все вещества биологического происхождения могут быть окислены в аэробных условиях и, каким бы сложным ни было вещество, в природе всегда найдется микроорганизм, способный его расщепить полностью или частично. Фрагменты частично расщепленного вещества обязательно используются другими микроорганизмами. Это утверждение основывается на том факте, что за все время существования нашей планеты на ее поверхности нигде не отмечено сколько-нибудь заметного накопления органических веществ. Поэтому можно говорить о «всемогуществе» сообщества микроорганизмов и их практической «универсальности».
Для биологической очистки производственных сточных вод могут быть применены все известные методы очистки в естественных и искусственных условиях, используемые для обработки бытовых и городских сточных вод, в том числе и почвенные методы. Однако применение почвенных методов связано с рядом ограничений, обусловленных количеством и характером сточных вод, санитарно-гигиеническими требованиями и способами утилизации.
Первую группу сооружений составляют биофильтры; вторую — аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки; третью — погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.Самыми важными факторами формирования биоценоза илов очистных сооружений являются состав обрабатываемой воды и величина нагрузки на ил (биопленку). Действие других факторов — температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода — практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов.
В нашей стране проведены исследования по разработке эффективных методов доочистки биологически очищенных сточных вод с целью их повторного использования на промышленных предприятиях. Особое внимание обращено на методы, для применения которых не требуется больших производственных площадей, сложного оборудования и громоздкого реагентного хозяйства.
Технико-экономическая оценка технологической схемы станции аэрации с доочисткой сточных вод показывает, что применение аэрируемых фильтров дает не только санитарный эффект, но и экономию капитальных и эксплуатационных затрат (по сравнению с обычно применяемыми схемами доочистки).
Эвтрофикация — процесс роста биологической растительности водоемов, который происходит вследствие превышения баланса питательных веществ. При этом повышается температура воды, появляются привкусы и запахи, ухудшается цвет воды, чрезмерно развиваются водоросли, преобладают нежелательные виды планктона и нарушается жизнедеятельность рыб. К ускорению эвтрофикации приводят загрязнения биогенными элементами, которые попадают в водоемы со сточными и дождевыми водами, стоками с сельскохозяйственных полей, из донных отлежений и т. д. Установлено, что массовое развитие водорослей в первую очередь происходит при наличии С, N и Р. Поскольку С02 поглощается водой из воздуха (причем этот процесс усиливается при высоких pH, характерных для воды в цветущих водоемах), ограничить концентрацию углерода в воде сравнительно трудно. Наиболее целесообразно бороться с эвтрофикацией путем сведения к минимуму концентрации азота и фосфора в сточных водах, сбрасываемых в водоемы.
Доочистка сточных вод в прудах происходит как за счет дополнительного более продолжительного и глубокого отстаивания, так и за счет биологических процессов (в теплое время года). В настоящее время пруды эксплуатируются на сооружениях канализации ряда промышленных предприятий (Кстово, Северодонецк, Караганда, 1 озополоцк и др.).
Содержание растворенного кислорода в воде водоемов определяется требованиями рыбохозяйственных и санитарных органов. После биологической очистки концентрация растворенного кислорода составляет обычно 0,5—1 мг/л, а иногда достигает 3—4 мг/л. Повышенное содержание кислорода в аэротенках неэкономично, так как оптимальная концентрация его по технологическим соображениям не должна превышать 2 мг/л. При доочистке сточных вод на фильтрах (кроме микрофильтров и аэрируемых фильтров) содержание кислорода уменьшается.
Чтобы в обработанной воде оставалось 1,5 мг/л неиспользованного хлора, по нормам СНиП 11-32-74 расчетную дозу активного хлора рекомендуется принимать: для сточной воды, прошедшей только механическую очистку, 10 мг/л, после неполной биологической очистки 5 мг/л и после полной биологической очистки 3 мг/л. Нетрудно видеть, что расчетная доза хлора тем выше, чем ниже качество воды, что связано с использованием части вводимого реагента на окисление органических примесей сточных вод. В практике эксплуатации дозу хлора устанавли вают экспериментально, что и позволяет наиболее точно учесть присутствие в воде примесей, вступающих в реакции с хлором. Обычно доза, определенная экспериментом, оказывается несколько ниже расчетной. Так, например, при хлорировании дозой около 2 мг/л получаются хорошие результаты по обеззараживанию доочищенной стопной воды и уничтожению бактерий и других организмов. В доочищенной воде после хлорирования бактерии Coli практически не наблюдаются. Особое внимание должно быть уделено обеззараживанию сточной воды от вирусов в связи с их большой устойчивостью по отношению к дезинфицирующим веществам. Многие энтеровирусы очень устойчивы к хлорированию. Требуются в 10 раз большие дозы хлора для получения такого же эффекта дезинфекции, как и в отношении бактерий кишечной палочки.
Одним из наиболее перспективных методов обезвреживания высокотоксичных производственных сточных вод является озонирование. Озон более сильный окислитель, чем хлор, и способен окислять многие токсичные загрязнения до безвредных веществ.
Сооружения доочистки включают блок резервуаров и блок фильтров (рис. 6.15). Сточная вода после полной биологической очистки поступает в приемный резервуар, откуда погружными осевыми насосами подается в приемную камеру, а затем на каркасно-засыпные фильтры (КЗФ) конструкции Б. А. Митина.
Обработка осадков первой группы, как правило, не встречает особых затруднений. Эти осадки обычно направляются в шламонакопители и по возможности утилизируются. Так, осадки сточных вод предприятий металлургической и угольной промышленности вновь могут быть использованы в технологическом производстве. Многие осадки минерального состава могут использоваться в промышленности строительных материалов.
В общем случае обработка осадков сточных вод состоит из следующих стадий: уплотнение или сгущение, стабилизация, кондиционирсв й-ние, обезвоживание, утилизация, ликвидация.Стадия уплотнения (сгущения) осадков является, как правило, неотъемлемой частью любой технологической схемы их обработки. Стабилизация осадков сточных вод проводится с целью предотвращения их загнивания. Наиболее распространенный прием стабилизации — анаэробное сбраживание в метантенках. Для успешного обезвоживания осадков проводится их предварительная подготовка — кондиционирование, цель которого — улучшение водоотдающих свойств осадков путем изменения их структуры и форм связи воды. К приемам кондиционирования осадков относятся реагентная обработка, тепловая обработка, жидкофазное окисление, замораживание и оттаивание.
При любом принятом способе обработки осадков последние подвергаются уплотнению, целью которого является уменьшение их влагосо-держания. Чем больше при уплотнении уменьшится влажность осадков, тем существеннее снизятся затраты на последующие стадии обработки — механическое обезвоживание, сбраживание, термическую сушку и сжигание.
Анаэробное сбраживание органических осадков производственных сточных вод производится для сырых осадков из первичных отстойников, избыточного активного ила или их смеси. Сброженный осадок направляется на иловые площадки или подвергается механическому обезвоживанию. В процессе метанового анаэробного сбраживания одним из основныххпродуктов распада органических веществ осадка является метан.
Под кондиционированием осадков обычно понимают такой вид обработки, при котором осадок изменяет структуру и формы связи воды, благодаря чему лучше обезвоживается. Иными словами, кондиционирование осадков — это процесс подготовки осадков к механическому обезвоживанию.
Сброженные в метантенках осадки подсушиваются обычно на иловых площадках или в иловых прудах. Этот метод находит довольно широкое распространение, но надо полагать, что со временем он будет вытесняться такими более совершенными методами обезвоживания, как вакуум-фильтрация, центрифугирование, фильтр-прессование.
Термическая сушка предназначена для обеззараживания и уменьшения массы осадков сточных вод, предварительно обезвоженных на вакуум-фильтрах, центрифугах или фильтр-прессах. Известны различные способы термической сушки: конвективный, радиационно-конвек-тивный, кондуктивный, сублимационный в электромагнитном поле.
Осадки подвергают сжиганию, если их полезные свойства невозможно или экономически нецелесообразно использовать. При сжигании осадков большинство их используется как топливо, поскольку по составу горючей массы и теплоте сгорания они близки к бурому углю и торфу. Зола, образующаяся при сжигании осадков, может использоваться для подщелачивания почв, в промышленности строительных ма-териалов, в качестве присадочного материала в процессе кондиционирования осадков перед их обезвоживанием.
Если жидкие отходы не подлежат регенерации, то для их обработки применяют механические, физические, химические, биологические и термические методы.Наиболее распространенным способом ликвидации нефтепродуктов и других горючих отходов является их термическая обработка—сжигание в печах и горелках различной конструкции. Для этой цели применяют печи с кипящим слоем, циклонные топки, барабанные и многоподовые печи, печи поверхностного (надслоевого) сжигания.
Во многих отраслях промышленности, например в химической, фармацевтической, анилинокрасочной, нефтяной, образуются высококонцентрированные и токсичные сточные воды, для очистки которых еще не разработаны достаточно эффективные и экономичные методы. Для предотвращения загрязнения поверхностных водоемов такие сточные воды закачивают через нагнетательные скважины в глубоко залегающие (1500—2500 м) водоносные горизонты пористых пластов, изолированных от лежащих выше горизонтов воды питьевого качества.
В настоящее время весьма актуальной является проблема предотвращения загрязнения водоемов сточными водами. Решение этой проблемы ведется в ряде направлений, к числу которых относятся: рациональное использование воды на промышленных предприятиях, переход на безводные технологические процессы, повторное использование промышленных и городских сточных вод в промышленности, оборотное во< доснабжение на предприятиях. Конечной является задача создания таких систем водного хозяйства предприятий, при которых отсутствует сброс сточных вод в водоемы.
Вода, используемая в технологических процессах на предприятиях, может играть роль сырья, растворителя, поглощающей или транспортирующей среды, теплоносителя и пр. Поэтому и требования к ее качеству в зависимости от характера и цели применения весьма различны.
Городские и производственные воды могут успешно использоваться повторно для различных целей на предприятиях многих отраслей промышленности. При этом их можно совсем не очищать, подвергать только механической очистке, подвергать полной биологической очистке доочищать после биологической очистки (наиболее распространенный случай). Диапазон возможного применения таких вод на предприятиях расширяется.
Рассматривая возможность использования городских сточных вод на промышленных предприятиях, следует помнить о некоторых ограничениях, препятствующих применению этих вод. Например, такие воды запрещается использовать на предприятиях пищевой, мясо-молочной и фармацевтической промышленности, где возможно заражение продуктов производства, что угрожает здоровью человека; в других отраслях промышленности необходимо соблюдать меры предосторожности, исключающие контакт людей с технической водой, и обеспечивать мероприятия по технике безопасности (наличие указателей, специальная окраска трубопроводов и т.д.).