Оборудование для защиты гидросферы: обоснование, выбор, расчеты (стр. 9 )

Для приема газа из метатенков используют мокрые газгольдеры, каждый из них состоит из резервуара, заполненного водой, и колокола, перемещающегося на роликах по направляющим. Вес колокола уравновешивается противодавлением газа. Благодаря этому, при изменении объема газа под колоколом давление в газгольдере и газовой сети остается постоянным.

10. Расчет сооружений доочистки сточных вод

Современные методы искусственной биологической очистки позволяют снизить БПК20 и концентрацию взвешенных веществ в сточных водах до 10-15 мг/л.

В примере расчета станции аэрации БПК20 сточных вод должно быть снижено до 7 мг/л в сооружениях доочистки.

Степень доочистки сточных вод при их сбросе в водоем или последующем использовании определяется качеством воды водоема или требованиями, предъявляемыми к качеству воды потребителями.

В достаточной мере изучены, разработаны и находят применение следующие методы доочистки сточных вод: доочистка в биологических прудах, фильтрование, флота­ция, сорбционная очистка, окисление, реагентная обработ­ка и комбинированные методы. При доочистке городских сточных вод, подлежащих сбросу в водоемы, наибольшее распространение получили биологические пруды и фильтрование.

10.1. Доочистка сточных вод в биологических прудах

Процесс очистки в таких прудах аналогичен процессам, происходящим при самоочищении водоемов. При этом происходит удаление не только органических и биогенных веществ, но и бактериальных загрязнений, поэтому хлорирование доочищенных сточных вод не обязательно. Если же хлорирование по санитарным условиям все-таки предусматривается, оно производится после доочистки во избежание снижения активности биологических процессов в прудах.

При доочистке применяются строго аэробные биологические пруды, необходимым условием нормальной работы которых является соблюдение оптимальных для водных организмов реакции среды, температуры, наличие растворенного кислорода (не менее 1 мг/л), постоянное перемешивание воды, препятствующее образованию застойных анаэробных зон.

Биологические пруды подразделяются на пруды с естественной аэрацией, пруды с искусственной аэрацией и пруды с перепадами.

Расчет биологических прудов сводится к определению их объемов и размеров в плане, обеспечивающих необходимое время пребывания в них сточных вод, соответствующее заданному эффекту очистки.

Расчет прудов производим для наиболее неблагоприятного, зимнего периода, когда интенсивность биохимических процессов резко снижается.

Исходные данные:

средний суточный расход сточных вод Qcyт ;

БПК 20 сточных вод после биологической очистки

в аэротенках La;

содержание растворенного кислорода в биологически очищенных сточных водах Ост;

БПК20 сточных вод, допускаемых к спуску в водоем LT; температура сточных вод в прудах в зимнее время t.

10.2. Биологические пруды с естественной аэрацией

Такие пруды рекомендуется устраивать трехсекционными, сответственно стадиям доочистки сточных вод. Первая секция выполняет функции отстойника, вторая является основным окислителем, а третья представляет собой стабилизатор, в котором заканчивается процесс минерализации, БПК20 достигает предельных значений и повышается содержание растворенного кислорода в воде.

Объем первой секции пруда принимается без расчета исходя из суточного пребывания в ней воды при глубине секции до 3 м. Эта секция должна иметь не менее двух отделений (с целью периодического выключения из работы одного из них для удаления накопившегося осадка). Для обеспечения надежности работы биопруды проектируются в виде трех равных по объему трехсекционных каскадов. Тогда расход на один каскад составит

Q’сут =Qсут /

В каждом каскаде отстойную секцию предусматриваем из двух отделений. Объем одного отделения при суточном, пребывании воды в нем составит

W1= Q’сут /

При глубине секции 2 м площадь одного отделения

F1= W1 /2. (10.3)

Принимаем размеры отделения F1=b1´l1. БПК20 в первой секции снижается на%. Тогда во вторую секцию поступает сток с концентрацией БПК.20

La1 = 0,9La. (10.4)

Продолжительность пребывания воды во второй секции определяется по формуле

, (10.5)

где К1- константа скорости потребления кислорода; при температуре воды в прудах 5-30°С для определения К1 пользуются формулой

K1(t) = K1(20)*1.047 t-20; при температуре воды ниже 5°С рекомендуется формула K1(t)= K1(20)´(1,12t –0,0216) t-20, LT1 - БПК20 выходящей из второй секции воды, рекомендуется принимать равной (0,5-0,6)La.

Учитывая, что в прудах температура воды зимой снижается с 12 до 2°С, принимаем, что во второй секции температура воды снизится до 6°С.

Полезный объем прудов принимается в размере 75 % общего. Тогда объем второй секции (в каждом каскаде) составит

W2 = Qсут T2/ 0,

При глубине h= 1 м (рекомендуется в пределах 0,3-1 м) площадь будет F2= W2/1. Принимаем ее размеры F2 = b2´l2.

Продолжительность пребывания воды в третьей секции

, (10.7)

где Lr - БПК20 воды, обусловленная процессами, связанными с выделением продуктов жизнедеятельности водных организмов и разложением отмерших форм. Lr зависит от температуры воды: при t до 5°С Lr=0,5 мг/л; до 10°С - 1 мг/л; до 20 °С - 1,5 мг/л; свыше 20 °С и для интенсивно цветущих водоемов – 2-3 мг/л; так как температура сточных вод в третьей секции снижается до 2 °С, K1(2) = 0,l (l,12´ 2-0,02=0,0175.

Объем третьей секции (в одном каскаде)

W3 = Qсут T3/ 0,

При глубине секции 1 м ее площадь составит F3= W3/1. Принимаем размеры секции F3 = b3´l3. Общая площадь прудов доочистки

F= 3(2 F1 + F2 + F

Так как насыщение воды кислородом происходит через поверхность пруда, полезная площадь должна быть не менее активной поверхности, которую определяют по формуле

Fa = aQсут (La - Lt) / (a - b) r1, (10.10)

где а - растворимость кислорода в воде, при t=2°C a = 13,84 г/м3; b - фактическое содержание кислорода, которое должно поддерживаться в очищенной воде, b=2-3 г/м3; r1- атмосферная аэрация, для слабопроточных водоемов r1= 2,5 г/(м2´сут).

Если F>Fа, необходимый кислородный режим в прудах будет обеспечен.

Подача сточных вод из секции в секцию предусматривается специальными перепусками, расположенными по каскаду в шахматном порядке для создания благоприятных гидродинамических условий в прудах.

Схема прудов доочистки приведена на рис. 10.1.

 

10.3. Аэрируемые биологические пруды

Аэрирование сточных вод в прудах с искусственной аэрацией осуществляется с помощью пневматических, механических или комбинированных систем. Искусственная аэрация позволяет в 3-3,5 раза повысить нагрузку на пруд по загрязнениям и одновременно увеличить глубину его до 3-4 м. В зимнее время на поверхности аэрируемых прудов не образуется льда и концентрация растворенного кислорода не падает, как правило, ниже 4 мг/л.

Аэрируемые пруды проектируются одно - или многоступенчатыми по прямоточной схеме. Первая секция, как правило, выполняет роль отстойника и рассчитывается на суточное пребывание воды в ней. При этом БПК20 в отстойной секции снижается на 10-15%. Таким образом, в аэрируемые пруды будет поступать сток с La.

Для аэрируемых биологических прудов БПК20 воды, выходящей из последней ступени, определяется по формуле

LT = La an + Lг (1 - an)(1 - a), (10.11)

где n - число ступеней:

а = 1/ 2,3 b, (10.12)

b = 0,434 + Rд(Wоб/nQ), (10.13)

Rд - динамический коэффициент неконсервативности: Rд =K1(t), Wоб - общий объем всех последовательно работающих ступеней.

Учитывая, что в аэрируемых прудах время пребывания сточных вод значительно меньше, чем в обычных прудах доочистки, расчётную температуру сточных вод в прудах принимаем 4°С. Тогда

Rд= 6 K1(t). (10.14)

Объем одного пруда определяем по формуле

W1= Q (b - 0,434) / Rд. (10.15)

При глубине прудов 3 м площадь каждого

F1 = W1/

Предусматриваем аэрирование воды в прудах при помощи механических аэраторов. Наиболее целесообразно применение подвижных (планетарных) аэраторов.

11. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Физико-химическая очистка сточных вод становится одним из основных методов их обезвреживания. Обусловлено это тем, что она может применяться как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами. Ее актуальность особенно возросла в последнее время в связи с тем, что основным принципом защиты водоемов от загрязнения стало создание систем водного хозяйства про­мышленных предприятий без сброса или с минимальным сбросом сточных вод в водоемы.

При создании замкнутых систем водного хозяйства необходимо правиль­ное сочетание локальных и общих водооборотов, основанных на локальных и общих системах очистки стоков. Осуществление этих решений требует глубо­кой очистки и кондиционирования сточных вод. Так, для поддержания на не­обходимом уровне минерализации оборотной воды необходимо обессоливание продувочной воды оборотных циклов, причем производительность обессолива­ющих установок должна составлять десятки тысяч кубических метров воды в сутки. Для предохранения аппаратуры от обрастаний и отложений следует повторно используемые сточные воды подвергать глубокой очистке от орга­нических веществ, биогенных элементов и др. Практически такие же требо­вания предъявляются в настоящее время к очистке сточных вод и при сбросе их в водоемы.

Одним из важных принципов современного подхода к очистке сточных вод является максимальное извлечение из них полезных продуктов с целью утилизации или повторного использования их (например, кислот и щелочей ионообменных установок), с направлением в систему промышленного водо­снабжения освобожденной от них воды.

Указанные задачи глубокой очистки сточных вод, их кондиционирования, а также извлечения из них ценных продуктов и решаются применением раз­личных методов очистки сточных вод.

Многие методы физико-химической очистки сточных вод требуют доста­точно глубокого освобождения их от взвешенных веществ, особенно при исполь­зовании гиперфильтрации, сорбции и электродиализа. Для интенсификации очистки сточной жидкости от взвешенных веществ обычно применяют коагу­ляцию, в частности совместно с обработкой воды флокулянтами. Вид коагу­лянта и флокулянта и их дозы зависят от свойств и характера взвешенных веществ. Стремление к преимущественному использованию сернокислого алюми­ния нельзя считать оправданным. Этот коагулянт применяется преимущест­венно для целей водоподготовки. Получение этого коагулянта для очистки сточных вод может встретить определенные затруднения. Поэтому более правильным будет ориентироваться на применение хлорного железа и серно­кислой закиси железа (железного купороса). В последнем случае целесооб­разно применять смесители, основанные на барботировании воды воздухом; это будет способствовать переходу двухвалентного железа в трехвалентное и образованию преимущественно гидрата окиси железа, имеющего лучшие коагу­лирующие свойства, чем гидрат закиси железа.

Для извлечения ценных веществ, присутствующих в воде в диссоцииро­ванном состоянии, и при обессоливании воды с невысокой минерализацией ис­пользуют ионообменные фильтры. Ионообменная емкость фильтров зависит от характера извлекаемых из воды ионов. Поэтому расчетные параметры таких фильтров будут приведены в разделах, рассматривающих очистку сточных вод определенного вида промышленности.

11.1. Флотация

Одним из способов удаления из сточных вод нерастворенных примесей яв­ляется флотация. В основе этого процесса лежит молекулярное слипание частиц примесей и пузырьков тонкодиспергированного в воде воздуха. Слипание обус­ловлено уменьшением поверхностной энергии флотируемой частицы и пузырь­ка воздуха в пограничных слоях раздела фаз при смачивании частиц. Смачивае­мость частиц может быть изменена введением в сточные воды реагентов. По­вышение устойчивости пузырьков воздуха достигается введением реагентов-пенообразователей.

Образование агрегатов «частица - пузырек воздуха» зависит от частоты их столкновений друг с другом, от химического взаимодействия находящихся в воде веществ, при котором непосредственно на поверхности частиц форми­руется пузырек газообразных продуктов взаимодействия, от стабильности из­быточного давления и т. д.

Наряду с силами притяжения в процессе флотации на частицу и пузырек воздействуют силы отрыва их друг от друга. Очевидно, что устойчивый комп­лекс «частица - пузырек» может создаваться только тогда, когда силы притя­жения превышают силы отрыва.

В зависимости от принятого способа образования пузырьков различают несколько видов флотации: компрессионную (напорную), пневматическую, пен­ную (пенное сепарирование), химическую, вибро-, био - и электрофлотацию и др.; в зависимости от удаляемых компонентов сточной воды различают ион­ную и селективную флотацию; в зависимости от конструкции применяемых аппаратов и оборудования различают эжекторную, импеллерную, каскадно-адгезионную флотацию и др. Строгой единой классификации видов флотации до сих пор не существует.

Наиболее широкое применение в практике очистки сточных вод получили установки компрессионной флотации, отличающиеся простотой конструкции и надежностью в работе. Эти установки включают следующие основные эле­менты: сборные (приемные) резервуары для неочищенной сточной воды, насосно-эжекторную или компрессионную установку для подачи воздуха, напорный резервуар (сатуратор) для насыщения воды воздухом, флотационную камеру с оборудованием для сбора и удаления всплывающей здесь (часто пенообраз­ной) массы загрязнений (рис. 11.1).

Для повышения эффекта флотационной очистки предусматривают предва­рительную коагуляцию сточной воды. Применяют ее для удаления из воды тонкодиспергированных примесей, плотность которых превышает плотность воды. В целях более полного использования вводимых реагентов предусматри­вается возврат части (20-50%) очищенной воды в сатуратор для повторного насыщения ее воздухом. Воздух подается или во всасывающую трубу насоса, или в возвращаемую часть очищенной воды. В первом случае он засасывается с помощью эжектора, во втором — нагнетается компрессором. Для лучшего сме­шения воды и воздуха напорные резервуары иногда оборудуют соответствую­щими устройствами.

Вновь образующиеся в очищаемой сточной воде агрегаты из частиц при­месей и пузырьков воздуха имеют меньший удельный вес, чем первоначаль­ный вес флотируемых частиц, поэтому они всплывают и накапливаются в вер­хнем слое воды, откуда их непрерывно удаляют с помощью специальных устройств. На небольших флотационных установках для этой цели применяют сливные желоба с постоянными уровнями кромки водослива и воды во фло­тационной камере; на установках большой производительности - скребковые устройства различной конструкции.

Флотационные установки работают по различным технологическим схемам и имеют различные конструкции основных элементов. На рис. 11.2 показана установка, которая может работать как по схеме прямотока, т. е. с подачей в сатуратор всего количества обрабатываемой сточной воды, так и по схеме рециркуляции, когда часть осветленной воды используется для растворения воздуха.

 

Конструкция флотационной камеры такой установки позволяет вести процесс при прямоточном (в верхней части аппарата) и противоточном (в нижней его части) движении фаз. Всплывающая масса и выпадающий осадок удаляют­ся подвижными скребками, закрепленными на одном валу; этот же вал вращает водораспределительные устройства.

Объем сатуратора рассчитывают на пребывание в нем воды в течение 2-3 мин при давлении 3-5 атм.; флотационной камеры - в течение мин. Площадь камеры (в плане) принимают, исходя из гидравлической на­грузки 6-10 м3/(м2´ч). Количество растворяющегося в сатураторе воздуха составляет не менее 3% объема очищаемой жидкости.

Рабочий эффект удаления загрязняющих веществ при флотации производ­ственных стоков зависит от ряда параметров: физико-химических характеристик удаляемых примесей (крупности, формы и концентрации частиц, их плотности), вязкости сточной воды, температуры воды и воздуха, а также от тех­нологической схемы работы флотационной установки и исходных расчетных параметров (нагрузки на сатуратор, флотатор и отстойник, количества пода­ваемого воздуха и способа его диспергирования). В значительной мере эффект очистки зависит от конструктивных особенностей отдельных сооружений и их эксплуатации (способа удаления выпадающего осадка и всплывающей массы).

Большое разнообразие отмеченных показателей при флотационной очистке производственных сточных вод обусловливает значительные колебания дости­гаемых результатов даже на предприятиях одной и той же промышленности (табл. 11.1), что исключает возможность обобщения накопленных опытом дан­ных и не позволяет дать исчерпывающих рекомендаций для проектирования. Нет также достаточных оснований для предпочтения той или иной технологи­ческой схемы работы установки. Можно лишь утверждать, что метод флотации при благоприятных условиях может обеспечивать весьма высокую степень очи­стки производственных стоков, достигающую 85-95%.

 

Сатуратор напорной флотационной установки рассчитывают на продол­жительность насыщения воды в нем воздухом 1-3 мин; при избыточном дав­лении 3-5 ати подают воздух в количестве 3-5% объема очищаемой воды. Флотатор рассчитывают на 20-30-минутный приток воды; продолжительность пребывания ее в зоне флотации обычно не превышает 5 мин, в зоне отстаивания – 15-25 мин.

При очистке производственных стоков, содержащих грубодиспергированные примеси, применяются импеллерные флотаторы. Продолжительность флотации в этом случае увеличивается до 30 мин при расходе воздуха 30-50 м2/ч на 1 м2 площади флотатора.

Обслуживаемая одним импеллером площадь зависит от его диаметра и конструкции: обычно ее принимают равной 30-50 м2.

Таблица 11.1

Эффект очистки сточных вод

Предприятие	Показатель загрязнения сточных вод, мг/л	Исходные расчетные данные	Количество воздуха, % от количества сточной воды	Доза коагу-лянта, мг/л	Эффект очистки, %
нераст-ворен-ные вещества	БПК5	ХПК	рабочее давление, атм	продолжительность процесса, мин
в сатураторе	во фло-таторе	нераст-ворен-ные вещества	БПК5	ХПК	нефте-про-дукты
Завод химического волокна	200-250	-	-	5	3	15	-	25	70-80	-	-	-
Нефтеперерабатываю- щий завод: неочищенная вода	20-50	50-70	25-100	2-5	3	7-80	3-4	0 20-50 1-5	50-60 70-90 80-95	- 30-50 -	- 60-80 70-80	30-40 70-90 70-80
Вода после биологичес-кой очистки	25	18	300	5	3	4	-	0	90	50	70	40

 

Менее часто, чем напорная флотация, применяется электрофлотация. Основной отличительной особенностью ее является то, что пузырьки газа обра­зуются здесь в процессе электролиза очищаемой воды. Первые показатели эффективности электрофлотации были получены свыше 20 лет назад, однако практического применения этот метод до недавнего времени не имел. Основ­ная причина этого - высокие стоимость очистки и ее энергоемкость. Расход электроэнергии зависит от загрязненности сточной жидкости и колеблется в широких пределах - 0,4-1 кВт·ч на 1 м3 очищенного стока при напряжении в цепи Л-2 В; сила тока около 0,02 А на 1 см2 площади флотатора.

Продолжительность контакта жидкости с электродами 10-20 мин. В каче­стве электродов чаще всего используют листовой алюминий. Расстояние меж­ду электродами рекомендуется принимать не более 10 <мм. Суммарная площадь электродов обычно составляет 0,5 площади флотатора.

Для повышения долговечности сооружений электрофлотационной установ­ки внутреннюю их поверхность покрывают антикоррозионными материалами. Кроме того, необходимо устанавливать устройства для очистки электродов и для удаления накапливающейся на водной поверхности сооружений пены. При очистке высококонцентрированных производственных сточных вод может оказаться целесообразным применение двухступенчатой электрофлотационной установки.

В случае применения алюминиевых электродов одновременно протекают два взаимодействующих процесса: коагуляция (интенсивность которой зависит от напряжения в токопитающей сети) и флотация. На интенсивность и полно­ту обоих процессов большое влияние оказывает рН среды, поэтому следует предусматривать возможность ее изменения в наружных пределах, устанавли­ваемых в каждом случае экспериментально.

Значительно реже применяются флотационные установки, оборудованные импеллерами, аналогичными механическим аэраторам, которые применяются при биологической очистке сточных вод в аэротенках.

Ограниченное применение импеллерных установок обусловлено более низким (чем у компрессорных) эффектом очистки, не превышающим, как правило, 50%.

11.2. Экстракция

Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонераствори­мых жидкостей соответственно его растворимости в них.

Исходным расчетным уравнением является:

, (11.1)

где Сэ и Св - концентрации растворенного вещества в растворителе и в воде в момент равновесия; k - коэффициент распределения.

При очистке сточных вод в качестве экстрагентов обычно применяют органические растворители, которые не смешиваются с водой (бензол, четыреххлористый углерод, бутилацетат и т. д.).

Количественное значение коэффициентов распределения зависит от температуры, при которой производится экстракция, и от концентрации растворенного вещества. Данные о величине k для некоторых веществ приведены в табл. 11.2 (при С3 около 5 г/л и температуре 25°С).

Таблица 11.2

Значения коэффициента распределения k

Экстрагируемое вещество	Экстрагент	Значение k
Уксусная кислота	Четыреххлористый углерод Бензол	0,06 0,055
Фенол	Четыреххлористый углерод Бензол Бутилацетат	0,4 2,4 8-12
Бензойная кислота Салициловая кислота о-Аминофенол n-Нитрофенол о - Нитрофенол 4-Нитрофенол-2-аминофенол 4-Нитроанилин	Бутилацетат	30 126 2,6 215 191 42 30
о-Толуидин	Бензол	10
Анилин	Бутилацетат	27

Очистка сточных вод методом экстракции может быть осуществлена тремя способами: одно- или многократной обработкой одного и того же объема воды свежими порциями экстрагента; перемешиванием воды и экстрагента в одном аппарате по принципу противотока с последующим разделением жидкости; перемешиванием воды и экстрагентов в нескольких аппаратах, работающих по принципу противотока.