Оборудование для защиты гидросферы: обоснование, выбор, расчеты (стр. 5 )

Процесс отстаивания используют и для очистки производственных сточных вод от нефти, масел, смол, жиров и др. Очистка от всплывающих примесей аналогична осаждению твердых веществ. Различие заключается в том, что плотность всплывающих частиц меньше, чем плотность воды. Для улавливания частичек нефти используют нефтеловушки. Для улавливания жиров применяют жироловушки.

Нефтеловушки сооружают трех типов: горизонтальные, многоярусные и радиальные. Они предназначены для удаления нефти и твердых примесей из сточных вод. Горизонтальные нефтеловушки представляют собой отстойник, разделенный вертикальными стенками на секции. Сточная вода поступает в каждую секцию.

Схема горизонтальной прямоугольной нефтеловушки показана на рис. 6.16, а. Всплывание нефти на поверхность воды происходит в отстойной камере. При помощи скребкового транспорта нефть подают к нефте -

сборным трубам, через которые она удаляется. Скорость движения воды в нефтеловушке изменяется в пределах 0,005-0,01 м/с. Для частичек нефти диаметром 80-100 мкм скорость всплывания равна 1-4 мм/с. При этом всплывает 96-98% нефти. Горизонтальные нефтеловушки имеют не менее двух секций. Ширина секций 2-3 м, глубина отстаиваемого слоя воды 1,2-1,5 м; продолжительность отстаивания не менее 2 ч. Имеются также радиальные и полочные тонкослойные нефтеловушки, представляющие собой (рис. 6.16, б, в) усовершенствованные конструкции горизонтальных нефтеловушек.

 

а б

Рис. 6.16. Нефтеловушки: а-горизонтальная: 1 - корпус, 2 - гидроэлеватор,

3 - слой нефти, 4 - нефтесборная труба, 5 - нефтеудерживающая перегородка,

6 - скребковый транспортер, б - тонкослойная: 1 - вывод очищенной воды,

2 - нефтесборная труба, 3 - перегородка, 4 - плавающий пенопласт, 5 - слой

нефти, 6 - ввод сточной воды, 7 - секция из гофрированных пластин, 8 - осадок

Рис. 6.16, в. Многоярусная (тонкослойная ) нефтеловушка: 1 - подвод воды;

2 - водораспределительная труба, 3 - нефтесборные трубы, 4 - полочный блок,

5 - скребковый транспортер, 6 - отвод воды, 7 - гидроэлеватор, 8 - отвод осадка

Они имеют меньшие габариты и более экономичны. При их расчете принимают: число секций - не менее двух, ширина секций 2-3 м, глубина слоя воды 1,2 - 1,5 м, производительность 45 л/с, при больших расходах сточной воды ширину секции принимают равной 6 м и высоту слоя воды 2 м, длину отстойной части вычисляют по формуле:

L=ahu/w0, (6.33)

где а - коэффициент, учитывающий турбулентность потока воды; при u/w0=15 величина а=1,65, при u/w0=10 величина а=1,5; h - глубина слоя воды.

При отсутствии данных по кинетике скорость движения воды принимают u= 4 - 6 мм/с, а скорость всплывания частиц w0=0,4 - 0,6 мм/с, продолжительность отстаивания t0 должна быть не менее 2 ч; продолжительность всплывания частиц нефти t’= h/w0. Необходимым условием является t £ t0.

Толщина слоя всплывших нефтепродуктов 0,1 м, общие потери напора в нефтеловушке 0,4-0,5 м.

Многоярусные (тонкослойные) нефтеловушки имеют меньшие габариты и более экономичны, чем горизонтальные. При расчете этих нефтеловушек принимают число секций не менее двух; ширину секций равной 2 -3 м и глубину слоя отстаиваемой воды 2,5 -5 м. Воду подают в каждую секцию отдельно; гидравлическая крупность частиц нефти w0= 0,15 мм/с; толщина слоя всплывших нефтепродуктов 0,1 м; остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде 100 мг/л; расстояние между полками hп=50 мм; угол наклона полок 45˚; ширина полочного блока 0,65-0,75 м; высота полочного блока hn=1,5-1,6 м, продолжительность пребывания воды в полочном пространстве

t’= hп/w0. (6.34)

Длина полочного пространства

L=1,3ut’. (6.35)

Общая длина нефтеловушки на 5-6 м больше длины полочного пространства. Потери напора 0,5-0,6 м.

Удаление нефтепродуктов и осадка из радиальных нефтеловушек полностью механизировано. Сточная вода подается по трубопроводу, расположенному под днищем нефтеловушки, внутри трубопровод заканчивается раструбом. Нефтепродукты удаляются через нефтесборные трубы.

При расчете принимают: число нефтеловушек – не менее трех; продолжительность отстаивания 6 ч, глубину нефтеловушки 3-3,5 м; глубину зоны отстаивания h=3,6 kt0w0 (k- коэффициент объемного использования, равный 0,6); высоту зоны осадка 0,3 м; толщину слоя всплывших нефтепродуктов 0,1 м; потери напора 0,6 м.

Типовые нефтеловушки имеют диаметр 24 и 30 м, материал – сборный железобетон.

Количество задерживаемого осадка в сутки определяется по формуле

, (6.36)

где С - концентрация примесей, г/м3; n - количество задержанных осаждающихся примесей: для горизонтальных ловушек%; для многоярусных и радиальных до 75 %; zос - влажность осадка, %.

Количество нефти в осадке составляет 20 %. Таким образом, механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей. Как правило, она является методом предварительной очистки и предназначена для подготовки сточных вод к биологическим или физико-химическим методам очистки. В результате механической очистки обеспечивается снижение взвешенных веществ до 90 %, а органических - до 20 %.

7. Методы биологической очистки

Биологическая очистка – широко применяемый на практике метод обработки бытовых и производственных сточных вод. В его основе лежит процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в сточных водах.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов – водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза, антагонизма).

Эффективность процессов биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из которых могут регулироваться в широких диапазонах. Температура является одним из основных факторов, обеспечивающих эффективность и высокую производительность сооружений биологической очистки. Оптимальная температура для аэробных процессов, происходящих в биологических окислителях, считается 20-30ºС, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами. Следует отметить, что для различных видов бактерий оптимальные температурные режимы варьируют в пределах от 4 до 85ºС. На развитие микроорганизмов существенное влияние оказывает активная реакция среды. Оптимальной средой для биологической очистки считается среда с рН= 6,5-7,5. Отклонение рН за пределы 6 и 8,5 влечет за собой уменьшение скорости окисления вследствие замедления обменных процессов в клетке.

В аэробных биологических сооружениях должна поддерживаться концентрация растворенного кислорода не менее 2 мг/л, в противном случае наблюдается снижение скоростей утилизации органических соединений. Требуемая концентрация кислорода в сооружениях поддерживается соответствующим расходом воздуха или технического кислорода, подача которого обеспечивается различными конструкциями аэрационных систем и аэраторов.

При работе биологических очистных сооружений необходимо осуществлять постоянный контроль за концентрациями токсичных компонентов, которые не должны превышать ПДК. В процессе биологической очистки необходимо осуществлять подачу такого количества сточных вод, содержащих определенную концентрацию органических загрязнений, чтобы не превышать величину суточной нагрузки по этим загрязнениям в пересчете на 1 м3 очистного сооружения, на 1 г сухой биомассы.

Для биологической очистки сточных вод применяются естественные и искусственные методы очистки. Биологическую очистку называют полной, если БПК очищенной воды составляет менее 20 мг/л, и неполной при БПК более 20 мг/л.

Естественные методы биологической очистки включают почвенные методы очистки и очистку сточных вод в биологических прудах.

Применение почвенных методов связано с рядом ограничений, обусловленных расходом и составом сточных вод, санитарно-гигиеническими требованиями и способами утилизации. При почвенной очистке учитываются тип грунта, рельеф местности, уровень залегания грунтовых вод, среднегодовое количество осадков, продолжительность вегетационного периода. Сооружения почвенной очистки применяются в основном для очистки бытовых сточных вод и по производительности делятся на малые, средние и крупные. Их пропускная способность колеблется от 1м3 сточных вод в сутки до 100 тыс. м3/сут. К малым сооружениям относятся фильтрующие колодцы, фильтрующие траншеи с естественным или искусственным слоем грунта, песчано-гравийные фильтры. К средним – поля подземного орошения и подземной фильтрации. Самыми крупными сооружениями являются земледельческие поля орошения, коммунальные поля орошения и поля наземной фильтрации.

В практике применяются несколько видов систем орошения: сплошной залив, залив по бороздам и полосам, дождевание и подпочвенное орошение. При применении очистных сооружений с полями орошения и круглогодичном приеме сточных вод с сезонным регулированием их подачи полив осуществляется только в вегетационный период, а в остальное время года сточные воды поступают в пруды – накопители вместимостью, равной 6-месячному расходу сточных вод.

Биологические пруды применяются как для очистки, так и глубокой очистки бытовых и производственных сточных вод, прошедших биологическую очистку. Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глубина прудов с естественной поверхностной аэрацией не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью механических аэраторов или путем продувки воздуха через толщу воды и глубина увеличивается до 5 м. Применение искусственной аэрации ускоряет процессы очистки воды. В окислительных процессах существенную роль играет водная растительность, которая способствует снижению концентрации биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема. Пруды устраивают в несколько ступеней, общее время пребывания сточных вод в них составляет несколько суток. Следует указать недостатки прудов: низкая окислительная способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.

Аэротенки - это сооружения, представляющие собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдельные коридоры. По структуре потока сточной жидкости аэротенки бывают двух типов: аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители, отличающиеся системой подачи обрабатываемой сточной воды и циркуляционного активного ила. В общем виде схема работы аэротенка заключается в следующем. Сточная вода после сооружений механической очистки смешивается с циркулирующим активным илом (биоценозом) и, последовательно пройдя по коридорам аэротенка, поступает во вторичный отстойник. Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды в зависимости от ее состава составляет 6-12 часов. За это время основная масса органических загрязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации. Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, где активный ил оседает на дне отстойника, затем с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Для создания оптимальных условий ее жизнедеятельности, избыток ила выводится из системы и направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде циркуляционного активного ила снова возвращается в аэротенк. Схема очистки может осуществляться в две и три ступени. Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков м3 сточных вод в сутки до 2-3 млн. м3/сут.

Биофильтры находят широкое применение при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20-30 тыс. м3/сут. Важнейшей составной частью биофильтров является загрузочный материал. По типу загрузочного материала их разделяют на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой.

Объемный загрузочный материал состоит из гравия, керамзита, шлака с крупностью отдельных фракций 15-80 мм, плоскостной материал - из пластмасс, асбестоцемента, керамики, металла, тканей. Биофильтр представляет собой резервуар, круглый или прямоугольный в плане, который заполняется загрузочным материалом. Объемная загрузка засыпается навалом после сортировки фракций слоем высотой 2-4 м. Плоскостной материал может иметь вид засыпных элементов или выполняться в виде жестких или мягких (рулонных) блоков, которые монтируются в теле биофильтра. Высота слоя загрузки составляет 4-8 м. Сточная вода подается выше поверхности загрузочного материала, равномерно над ней распределяется через загрузочный материал, на поверхности которого образуется биологическая пленка, аналогичная активному илу в аэротенке. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем, сквозь отверстия которого обработанная вода поступает на сплошное днище биофильтра и с помощью лотков из сооружения во вторичный отстойник.

7.1. Расчет аэротенков

Расчет аэротенков состоит в определении их размеров, расходов циркулирующего активного ила и воздуха, необходимых для обеспечения требуемой степени очистки сточных вод в зависимости от расхода и состава сточной жидкости, БПКполн отстоенной сточной жидкости, требуемого эффекта очистки и степени исполь­зования кислорода воздуха.

Для полной и неполной биологической очистки сточных вод применяются аэротенки следующих типов:

1)  аэротенки-вытеснители с регенераторами (при БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды более 150 мг/л и при наличии в воде вредных производственных примесей);

2)  аэротенки-отстойники (при пропускной способности очистной станции до 50000 м3/сут);

3)  аэротенки-вытеснители без регенераторов (при БПКполн поступающего стока не более 150 мг/л);

4)  аэротенки-смесители различных модификаций (при БПКполн очищаемого стока более 500 мг/л, при наличии в стоке медленно окисляемых веществ, а также при колебаниях состава сточных вод);

5)  аэротенки с нелинейно-рассредоточенным впуском сточных вод (при условиях, указанных в п. 4);

6)  двухступенчатые аэротенки для очистки сточных вод с БПКполн более 1000 мг/л.

Для очистки бытовых сточных вод, как правило, применяются аэротенки 1-го, 2-го и 3-го типов.

7.2. Расчет аэротенков-вытеснителей с регенераторами

ЦНИИЭП инженерного оборудования разработаны типовые проекты аэротенков-вытеснителей (табл. 7.1).

Исходные данные для расчета:

БПКполн отстоенной сточной воды La,

БПКполн очищенной сточной воды LT,

Среднегодовая температура сточной воды t.

Аэротенки (рис. 7.1) проектируются с регенераторами, если БПКполн отстоенной сточной жидкости превышает 150 мг/л.

Продолжительность аэрации смеси сточной воды и циркулирующего ила в собственно аэротенке

, (7.1)

где ааэр - доза ила в аэротенке. Рекомендуется принимать ааэр=1,5 г/л.

Доля расхода циркулирующего ила a от расчетного расхода сточных вод

, (7.2)

где арег - доза ила в регенераторе. Рекомендуется принимать арег = 4 г/л.

Продолжительность окисления снятых загрязнений

, (7.3)

где Sл - зольность ила в долях единицы, принимаемая равной 0,3; r - средняя скорость окисления загрязнений (мг БПКполн на 1 г беззольного вещества ила за 1 ч); для бытовых сточных вод принимается r=19 мг/(г´ч).

Рис. 7.1.Схема аэротенкавытеснителя: 1- канал циркуляционного активного ила; 2-циркуляционный активный ил; 3-сток от первичных отстойников; 4-собственно аэротенк; 5-регенератор; 6-соединительный канал; 7-иловая смесь на вторичные отстойники; 8-очищенная вода; 9-сырая вода; 10-канал биологически очищенных сточных вод; 11-нижний канал сырой воды; 12- верхний канал сырой воды

Таблица 7.1

Аэротенки

Номер типового проекта	Наименование типового проекта	Ширина коридора В, м
	Аэротенки двухкоридорные. Тип А-2-4.5-3,2(4,4)	4,5
	Аэротенки двухкоридорные. Тип А-2-6-4,4(5,0)	6
	Аэротенки двухкоридорные. Тип А-2-9-4,4(5,0)	9
	Аэротенки трехкоридорные. Тип А-3-4,5-3,2(4,4)	4,5
	Аэротенки трехкоридорные. Тип А-3-6-4,4(5,0)	6
	Аэротенки трехкоридорные. Тип А-3-9-4,4(5,0)	9
	Аэротенки четырехкоридорные. ТипА-4-4,5-3,2(4,4).	4,5
	Аэротенки четырехкоридорные. Тип А-4-6-4,4(5,0)	6
	Аэротенки четырехкоридорные. Тип А-4-9-4,4(5,0)	9

Примечание. Аэротенки разработаны для двух рабочих глубин, например, 3,2 и 4,4.

Формула справедлива при среднегодовой температуре сточной воды 15°С. В противном случае продолжительность аэрации, вычисленная по этой формуле, должна быть умножена на отношение 15/t.

Продолжительность регенерации циркулирующего ила

Тр=То-Та. (7.4)

Объем собственно аэротенка

Wа= Та (1+a ) Q, (7.5)

где Q — средний часовой приток сточных вод в течение суток при общем коэффициенте неравномерности Кобщ £1,25 и средний часовой приток за время аэрации при Кобщ > 1,25.

Объем регенератора

Wp = ТpaQ. (7.6)

Общий объем аэротенка с регенератором

Wо= Wа +Wp. (7.7)

Расчетная продолжительность обработки воды

Т= Та(1+a)+Трa. (7.8)

Расчетную продолжительность сравниваем с получаемой по формуле:

. (7.9)

Один коридор аэротенка отводится под регенератор.

Количество секций аэротенков при пропускной способности станции более 50000 м3/сут принимается n=8–10.

Длина секции

. (7.10)

Длину аэротенков рекомендуется назначать не менее 10 В.

Площадь аэрируемой зоны - это площадь, занимаемая аэротенками. Для мелкопузырчатых аэротенков просветы между ними шириной до 0,3 м включаются в площадь аэрируемой зоны.

Фильтросные пластины (аэраторы) размером 300´300 мм укладывают в три ряда вдоль длинной стороны аэротенка.

Площадь одного коридора аэротенка

f=BL. (7.11)

Удельный расход воздуха в аэротенке (м3/м3)

, (7.12)

где Z - удельный расход кислорода на 1 мг снятой БПКполн, мг/мг; Z = l, l - для полной очистки; Z=0,9 - для неполной очистки; К1 - коэффициент, учитывающий тип аэратора: для мелкопузырчатых аэраторов (фильтросные пластины) К1 принимается в зависимости от отношения площади аэрируемой зоны к площади аэротенка (f/F) К1= l,91; К2 - коэффициент, зависящий от глуби­ны погружения аэратора: К2=2,17; n1- коэффициент, учитывающий температуру сточных вод:

n1= 1+0,02 (tср-20), (7.13)

tср - средняя месячная температура сточной воды за летний период:

tср = 18 °С; n2 - коэффициент, учитывающий отношение скорости переноса кислорода в иловой смеси к скорости переноса его в чистой воде. Для бытовых сточных вод n2 = 0,85; Ср - растворимость кислорода воздуха в воде, мг/л:

, (7.14)

Ст - растворимость кислорода воздуха в зависимости от температуры и давления Ст = 9,64 мг/л; С - средняя концентрация кислорода в аэротенке С=2 мг/л. Интенсивность аэрации

I=DH/T. (7.15)

Прирост ила в аэротенках при очистке бытовых сточных вод определяется по формуле

Пр=0,8b’+0,3La, (7.16)

где b’ - концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в аэротенк, мг/л.

7.3. Расчет аэротенков-вытеснителей без регенераторов

Если в технологическом процессе очистки сточных вод предусмотреть предварительную аэрацию, то БПКполн сточных вод, поступающих в аэротенки, может быть уменьшена до La=150 мг/л (увеличивается эффективность задержания загрязнений по БПКполн в отстойниках до 15%). В этом случае аэротенки проектируются без регенераторов.

Исходные данные:

БПКПОЛН отстоенной сточной воды La;

БПКПОЛН очищенной сточной воды Lr;

Среднегодовая температура сточных вод t = 15 °С.

Приток сточных вод принимается Q.

Аэрация пневматическая через фильтросные пластины. Продолжительность аэрации в аэротенке

, (7.17)

где а - доза ила для бытовых сточных вод, г/л; а=1,5 г/л; r = 21 мг/(г´ч) , остальные обозначения по предыдущему расчету.

Доля циркулирующего активного ила определяется исходя из принятой дозы ила (ааэр=1,5 г/л) и концентрации возвратного ила (а возвр= 4 г/л).

Рабочий объем аэротенков

W=QTa, (7.18)

где Q - средний часовой приток сточных вод за период аэрации (6 ч) в часы максимального притока с 8 до 14 ч, так как Kобщ > 1,25.

7.4. Окситенки

Работа окситенков основана на тех же исходных положениях процесса биологической очистки сточных вод, что и работа аэротенков. Это дает основание считать окситенки лишь разновидностью аэротенков. В конструктивном отношении окситенки являются комбинированными сооружениями (рис. 7.2).

Основной особенностью окситенков является то, что процесс биохимического окисления в них протекает более интенсивно, чем в обычных аэротенках. Достигается это заменой подаваемого воздуха техническим кислородом и повышением концентрации активного ила.

 

Очищаемая сточная жидкость поступает в реактор, где смешивается с подаваемым туда же активным илом. Перемешивание иловой смеси и насыщение ее кислородом производятся с помощью аэратора. Для повышения коэффициента использования подаваемого кислорода реактор окситенка герметизируют.

Очищенная вода и активный ил разделяются в открытом резервуаре - илоотделителе, куда поступает иловая смесь. Выделенный активный ил воз­вращается в камеру реактора; избыточное его количество направляется на дальнейшую обработку.

Заданная концентрация растворенного кислорода в камере реакции поддерживается автоматически, путем регулирования подачи кислорода в соответствии с изменением состава и парциального давления газовой смеси в реакторе. Состав газовой смеси изменяется вследствие выделения углекислого газа в процессе биохимического окисления и десорбции азота из сточной жидкости. Для стабилизации состава газовой смеси необходимо предусматривать периодическое удаление из системы инертных газов; потери кислорода обычно не превышают 5%.

Одним из основных параметров при технологическом расчете окситенков является продолжительность t, ч, пребывания сточной жидкости в реакторе окситенка. Определяется она по уравнению

t =(La-Lt) / kO2kилrиC, (7.19)

где С - доза активного ила; kO2 - коэффициент, учитывающий влияние концентрации растворенного кислорода; kил - коэффициент, учитывающий влияние дозы активного ила; ри - удельная скорость окисления при дозе активного ила 3 г/л и концентрации растворенного кислорода 2 мг/л.

Ориентировочно коэффициенты kO2 и kил имеют следующие значения (табл.7.2).

Таблица 7.2

Значения коэффициентов kO2 и kил

	Концентрация растворенного кислорода, мг/л	kO2	Концентрация растворенного кислорода, мг/л	kO2
	1 2 3 5	0,66 1,0 1,18 1,36	8 10 15	1,55 1,6 1,68
Доза активного ила, г/л	kил	Доза активного ила, г/л	kил
1 2 3 5	1,29 1,11 1,0 0,83	8 10 15	0,66 0,57 0,43

Расход (массовый) кислорода обычно превышает количество снятой БПК на 10-20%.

Мощность электродвигателя для аэратора зависит от типа аэратора и его размеров, а также от частоты вращения.

При расчете зоны отстаивания рекомендуется исходить из величины илового индекса и концентрации активного ила в зоне аэрации. Гидравлическую нагрузку на илоотделитель рекомендуется принимать в зависимости от концентрации ила С или от безразмерного критерия i (табл.7.3).

Доза активного ила в окситенке может повышаться до 15 г/л; концентрация растворенного кислорода - до 10 мг/л; использование кислорода достигает 95%; скорость биохимического окисления на 1 г активного ила увеличивается в 2 раза.

Таблица 7.3

Гидравлическая нагрузка на илоотделитель

Концентрация ила, г/см3	Безразмерный критерий, i	Гидравлическая нагрузка на илоотделитель, м3/(м2×ч)
1 2 3 5 8 10	0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6	5.5 3.2 1.8 1 0.6 0.3

Во избежание залеживания ила на дне илоотделителя рекомендуется производить медленное его перемешивание. Это способствует также лучшему отделению ила. Циркуляция ила из шламоотделителя в зону реакции осуществляется с помощью эжекторов или же поддерживается постоянство уровня слоя взвешенного ила.