Оборудование для защиты гидросферы: обоснование, выбор, расчеты (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

,

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ГИДРОСФЕРЫ:

ОБОСНОВАНИЕ, ВЫБОР, РАСЧЕТЫ

Учебное пособие

по дисциплинам «Прикладная экология», «Техника защиты окружающей среды», «Промышленная экология»

для студентов дневной и заочной форм обучения

специальности 320700 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

направления 656000 «Защита окружающей среды»

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Саратов 2005

УДК 504.4.054.001.5

ББК 20.1

О 56

Рецензенты:

Кафедра математики и естественно научных дисциплин

Поволжского кооперативного института

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор

кафедры метеорологии и климатологии

Саратовского государственного университета им.

О 56

Оборудование для защиты гидросферы: обоснование, выбор, расчеты: учеб. пособие/, . Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 20с.

ISBN 5-7433-

Содержит анализ основных источников и состав промышленных сточных вод, поступающих в водные объекты. Охарактеризованы эффективные технологические процессы, предложены обоснование, выбор и расчеты основной аппаратуры для очистки сточных вод механическими, физико-химическими, электрохимическими и биологическими методами.

Предназначается для студентов специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Инженерная защита окружающей среды», а также других технологических и технических специальностей. Может быть использовано инженерами-экологами промышленных предприятий при проектировании природоохранных процессов.

ISBN 5-7433-

УДК 504.4.054.001.5 ББК 20.1 © Саратовский государственный технический университет, 2005 ©

Введение

Обеспечение устойчивой и экологически чистой среды обитания должно стать в настоящее время приоритетным направлением развития общества. Загрязнение гидросферных комплексов при непрерывном увеличении водопотребления и количества образующихся промышленных отходов является серьезной экологической проблемой современности, а точнее – проблемой национальной безопасности. В промышленных регионах постоянно растет количество водоемов, больших и малых рек, где качество воды оценивается как все менее удовлетворительное для всех видов пользования. По данным всемирной организации здравоохранения, до 80 % заболеваний человека связано с потреблением некачественной воды и продуктов питания.

Одной из актуальнейших проблем современности является защита гидросферы от загрязнения и истощения. В результате хозяйственной деятельности возникает искусственный круговорот воды. При этом негативные антропогенные воздействия на водную среду являются неизбежными, но их можно предотвратить или уменьшить за счет очистки использованной воды перед сбросом ее в водоем. Особое значение имеет установление предельно возможных нагрузок антропогенного воздействия на водные объекты.

Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется вопросам рационального использования воды. На многих предприятиях предусмотрена система мер, позволяющих обеспечить снижение загрязнения водоемов промышленными и бытовыми отходами, разработаны и внедряются безводные и маловодные технологические процессы; используются локальные методы эффективной очистки и доочистки сточных вод (СВ) с утилизацией всех уловленных веществ; внедряются оборотные и замкнутые системы водоснабжения предприятий. Использование СВ в таких системах связано с необходимостью создания эффективных локальных методов, аппаратов и оборудования для очистки промышленных стоков от механических, химических, физических и биологических загрязнений.

Предлагаемое учебное пособие позволит студентам специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» овладеть методиками расчета оборудования и принципами проектирования сооружений для очистки сточных вод.

1.  Современное производство и загрязнение

гидросферы

Сточные воды – это воды, бывшие в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшие через какую-либо загрязненную территорию и загрязненные различными органическими и неорганическими веществами.

Источники загрязнения водоемов многочисленны и весьма разнообразны, они во многом определяют состав и свойства сточных вод.

Наиболее угрожают чистоте водоемов нефтяные масла. Эти очень стойкие загрязняющие вещества могут распространяться на расстояние более 300 км от источника. Легкие фракции нефти, плавая по поверхности, образуют пленку, изолирующую и затрудняющую газообмен. При этом одна капля нефти образует, растекаясь по поверхности, пятно диаметром 30-150 см, а 1 т – около 12 км2 нефтяной пленки. Толщина пленки изменяется от долей микрометра до 2 см. Пленка нефти обладает большой поверхностью, стойка к окислению. Средние фракции нефти образуют взвешенную водную эмульсию, а тяжелые (мазут) оседают на дно водоемов, вызывая токсичные поражения придонной фауны.

Очень сильно загрязняют водоемы и губительно отражаются на развитии водных организмов сточные воды разнообразных химических заводов и предприятий черной металлургии.

Весьма опасны и токсичны сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности. Стоки этих предприятий содержат опилки, древесные волокна, щепу, кору, смолу, экстрагируют сахар и другие органические вещества, которые поглощают кислород в процессе окисления, засоряют воду, придают ей неприятный вкус и запах, изменяют цвет, способствуют развитию грибных обрастаний по дну и берегам.

Древесное волокно само по себе не ядовито, но, попадая в жабры рыб и фильтровальные аппараты гидробионтов, засоряет их и вызывает гибель животных.

В настоящее время быстрыми темпами развиваются предприятия органического синтеза, производящие красители, лекарственные препараты, каучук, искусственное волокно и др. В процессе производства этих веществ в сточные воды попадает большое количество разнообразных по составу и свойствам органических соединений, в том числе не существовавших ранее в природе. Часть из них исключительно активна в биологическом отношении, многие являются весьма стойкими и с трудом поддаются воздействию микрофлоры и физических агентов.

Очень токсичны органические вещества, относящиеся к детергентам, нафтенам, производным ароматических углеводородов. Многие из них вызывают гибель гидробионтов в концентрациях менее 1 мг/л и образуют по поверхности стойкую пену.

Количество каменного угля, торфа и древесины подвергается термической обработке для получения кокса, газа и подобных продуктов. Сточные воды этих производств содержат органические вещества и ядовитые минеральные соединения. Такие воды часто называют фенольными, так как они содержат соединения фенола. Из минеральных веществ особенно ядовиты также цианиды, соединения мышьяка, свинца и меди.

Сточные воды изменяют химический режим водоемов. Характер изменения зависит от состава сточных вод. Содержащиеся в них ядовитые вещества оказываются токсичными для гидробионтов и при летальных концентрациях вызывают их гибель, а в небольших дозах изменяют обмен веществ, приводят к бесплодию и мутагенному эффекту.

Разные гидробионты обладают неодинаковой устойчивостью по отношению к отдельным токсикантам. Например, мышьяк для планктонных рачков, дафний и циклопов смертелен в концентрациях 0,25-2,5 мг/л, а для рыб – 10-20 мг/л и т. д.

Сильно засоряет и загрязняет реки молевой сплав леса. Усиливает засорение рек сброс в них отходов лесозаводов (опилок, коры и др.), скапливающихся большей частью в заводях и протоках. Часть леса тонет, число бревен увеличивается из года в год, образуя иногда слой до 3 м толщиной. Гниющие древесина и кора отравляют воду, она становится «мертвой».

Значительно загрязнены снеговые и ливневые воды городов, дают о себе знать сточные воды предприятий животноводства, особенно необезвреженные воды свиноводческих ферм.

Источником загрязнения водоемов во многих случаях являются хозяйственно-бытовые сточные воды (канализация, бани, прачечные, больницы, столовые и др.). В составе этих вод содержится большое количество биогенных элементов (в том числе азота и фосфора), которые способствуют массовому развитию водорослей и эвтрофикации (гр. eu – хорошо, trophe – питание).

Водоросли окрашивают воду в различные цвета, поэтому сам процесс получил название «цветение» водоемов. Представители сине-зеленных водорослей окрашивают воду в голубовато-зеленый цвет, иногда в красноватый, образуют на поверхности почти черную корку. Диатомовые водоросли придают воде желтовато-коричневый цвет, хризофитовые – золотисто-желтый, хлорококковые – зеленый. Под влиянием водорослей вода приобретает неприятный запах, изменяет ее вкус. При их отмирании в водоеме идут гнилостные процессы. Бактерии, окисляющие органические вещества водорослей, потребляют кислород, вследствие чего в водоеме создается его дефицит. Вода начинает гнить, испускать аммиачное и метановое зловоние, на дне скапливаются черные липкие сероводородные отложения. Отмирающие водоросли в процессе разложения выделяют также фенол, индол, скатол и другие ядовитые вещества. Рыбы покидают такие водоемы, вода в них делается непригодной для питья и даже для купания.

Нарушению режимов водоемов способствуют также загрязнения сточными водами. Сбросы ТЭЦ обычно бывают на 8-10оС выше, чем вода в водоемах. При повышении температуры в водоемах в них происходит усиленное развитие микро - и макропланктона и ускорение эвтрофикации.

Большую угрозу для жизни водоемов и здоровья людей представляют радиоактивные загрязнения.

Их источники – испытания термоядерного оружия под водой, заводы по очистке урановой руды и по переработке ядерного горючего для реакторов, атомные электростанции, места нахождения радиоактивных отходов. Загрязнения сточных вод делят в основном на две группы: минеральные и органические, в том числе биологические и бактериальные.

К минеральным загрязнениям относятся сточные воды металлургических и машиностроительных предприятий, отходы нефтяной, нефтеперерабатывающей и горнодобывающей промышленности. Эти загрязнения содержат песок, глинистые и рудные включения, шлак, растворы минеральных солей, кислот, щелочей, минеральные масла и др.

Органические загрязнения вод производятся фекально-химическими сточными водами, водами боен, отходами кожевенных, бумажно-целлюлозных, пивоваренных и других производств. Органические загрязнения бывают растительного и животного происхождения. К растительным относятся остатки бумаги, растительные масла, остатки плодов, овощей и др. Основным химическим веществом этого рода загрязнений является углерод. К загрязнениям животного происхождения относятся физиологические выделения людей, животных, остатки жировых и мускульных тканей, клеевые вещества и пр. Они характеризуются значительным содержанием азота.

Бактериальными и биологическими загрязнителями являются различные микроорганизмы: дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в том числе возбудители тифа, паратифа, дизентерии, а также яйца гельминтов, поступающие с выделениями людей и животных, и пр. Бактериальную загрязненность сточных вод характеризуют величиной коли-титра, т. е. наименьшим объемом воды в миллиметрах, в котором содержится одна кишечная палочка (бактерия «коли»). Так, если коли-титр равен 10 – это значит, что в 10 мл найдена 1 кишечная палочка. Этот вид загрязнений свойственен бытовым водам, а также сточным водам боен, кожевенных заводов, шерстомоек, больниц и др. Общий объем бактериальной массы достаточно велик: на каждые 1000 м3 сточных вод – до 400л.

Загрязнения большей частью содержат около 42 % минеральных веществ и до 58 % органических.

Состав сточных вод характеризуется концентрацией загрязнения, то есть количеством загрязнения в единице объема воды (в мг/л или г/м3).

Концентрацию загрязнений сточных вод определяют химическими анализами. Большое значение имеет pH сточных вод, особенно при их очистке. Оптимальной средой для биологических процессов очистки являются воды с pH около 7-8. Бытовые сточные воды имеют слабощелочную реакцию, производственные – от сильнокислой до сильнощелочной.

Загрязнение водоемов характеризуется следующими признаками: появлением плавающих веществ на поверхности воды и отложением на дне осадка; изменением физических свойств воды – прозрачности и цвета, появлением запахов и привкусов; изменением химического состава воды (реакции, количества органических и минеральных примесей, появлением ядовитых веществ и др.); уменьшением растворенного в воде кислорода; изменением видов и количества бактерий и появлением болезнетворных бактерий за счет поступления их со сточными водами.

Вода обладает чрезвычайно ценным свойством непрерывного самовозобновления под влиянием солнечной радиации и самоочищения. Оно заключается в перемешивании загрязненной воды со всей ее массой и в дальнейшем – в процессе минерализации органических веществ и отмирании внесенных бактерий. Агентами самоочищения являются бактерии, грибы и водоросли. Установлено, что в ходе бактериального самоочищения через 24 часа остается не более 50 % бактерий, через 96 часов – 0,5 %. Процесс бактериального самоочищения очень замедляется зимой, так что через 150 часов сохраняется еще до 20 % бактерий.

Чтобы обеспечить самоочищение загрязненных вод, необходимо их многократное разбавление чистой водой. Если же загрязнения настолько велики, что самоочищения воды не происходит, применяют специальные методы и средства для ликвидации загрязнений, поступающих со сточными водами. В промышленности это главным образом строительство цеховых и общезаводских сооружений по очистке сточных вод, совершенствование технологического процесса производства и строительство утилизационных установок для извлеченных ценных веществ из сточных вод.

Очистка сточных вод осуществляется механическими, химическими, физико-химическими, электрохимическими и биологическими методами.

2.  Выбор метода и схемы очистки воды

Технологическая схема и методы обработки сточных вод должны обеспечивать заданную степень очистки при минимальных затратах.

Для определения метода очистки можно воспользоваться данными табл. 2.1 и приложений 1-3.

Дополнительными условиями к выбору схемы очистки являются:

1. Климатические, геологические и гидрогеологические условия.

2. Наличие земельных площадей, в том числе и сельскохозяйственных угодий, пригодных для орошения сточными водами и утилизации осадков.

Перечисленные условия определяют выбор строительных конструкций, их гидроизоляцию. Использование орошения сельскохозяйственных угодий дает возможность доочистки сточных вод с одновременной утилизацией в качестве удобрений солей азота и фосфора, осадков, что упрощает общую систему их обработки и обезвоживания.

Таблица 2.1

Рекомендации к выбору методов очистки сточных вод

Наименование методов очистки	Требуемая степень очистки по взвешенным веществам, мг/л	Требуемая степень очистки по БПК, мг/л
Механическая	до 80	-
Механическая и частично биологическая	25-80	25-80
Механическая и полная биологическая	15-25	15-25
Механическая, полная биологическая и доочистка	-	-

2.1.  Перспективы развития канализации города

(районов), очередность строительства

Выбранная технологическая схема должна позволять вести строительство и осуществлять ввод сооружений в эксплуатацию по очереди.

Основными определяющими сооружениями очистной станции являются первичные отстойники, сооружения биологической очистки и обработки осадка.

Механическая очистка сточных вод должна обеспечить содержание взвешенных веществ в осветленной воде не более 150 мг/л при очистке ее в аэротенках на полную очистку, а также в биофильтрах, независимо от степени очистки. Концентрация взвешенных веществ не нормируется для двухступенчатых аэротенков, для аэротенков с неполной очисткой и аэротенков с полной минерализацией активного ила. Надлежит предусматривать интенсификацию отстаивания сточных вод при исходной концентрации взвешенных веществ более 300 мг/л. Рекомендации по выбору типа решеток, песколовок и отстойников приведены в приложении 4 (табл. 4.1).

При выборе сооружений биологической очистки следует учитывать производительность: биофильтры применимы до 50 тыс. м3/сут., аэротенки – при любой производительности, приложение 4 (табл. 4.2).

Доочистка сточных вод (третичная очистка) и возможная степень удаления загрязнений определяются условиями сброса очищенных вод в водоемы, подачи воды на технические нужды, рекреационное обводнение и принимаются с учетом экономических соображений.

Обработка осадка может быть расчленена на процессы минерализации, обезвреживания, обезвоживания, обеззараживания и сушки.

Обезвреживание осадка заключается в ликвидации легкоокисляемых органических веществ с целью предотвращения его загнивания и может быть достигнута аэробной стабилизацией или анаэробным сбраживанием. Аэробная стабилизация рациональна для станции производительностью 60-80 тыс. м3/сут. Анаэробное сбраживание осадков производится в метатенках.

Обезвоживание минерализованных осадков осуществляется на иловых площадках, вакуум-фильтрах, центрифугах. При выборе способа обезвоживания следует руководствоваться наличием либо отсутствием территории для иловых площадок, климатическими и грунтовыми условиями, целесообразностью использования осадка в качестве удобрения (приложение 4, табл. 4.3).

Обеззараживание осадка может быть осуществлено обработкой в метантенках, особенно при термофильном режиме его работы. При отсутствии метантенков в схеме очистки обеззараживание осадка осуществляют термическим методом на установках – дегельминтизаторах, в которых осадок прогревается до 60 °С. Глубокая степень обеззараживания достигается сушкой осадка.

3.  расчет сооружений, входящих

в состав очистной станции

На рис.3.1 приведена принципиальная схема очистной станции.

Расчет очистных сооружений следует производить по максимальному притоку сточных вод.

Расчет очистных сооружений производится в соответствии с требованиями СНиП в следующей последовательности:

1) сооружения по ходу движения воды – решетки, песколовки, водоизмерительные устройства, отстойники, сооружения биологической очистки, вторичные отстойники, при необходимости узел доочистки, дезинфекторы (смеситель, хлораторная, контактные бассейны), выпуск, коммуникации, вспомогательные сооружения;

2) сооружения обработки осадка: метатенки или аэробные минерализаторы, иловые площадки или устройства механического обезвоживания и термической сушки осадка, илоуплотнители.

Примечание: перед расчетом решетки и песколовки следует рассчитать подводящие лотки, т. к. уровень воды в лотках определяет площадь живого сечения решеток и песколовок.

Скорость движения сточных вод в каналах, трубах и лотках должна быть не менее самоочищающей.

Рис. 3.1. Технологическая схема очистки хозяйственно-бытовых сточных вод:

1 – решетки; 2 – песколовки; 3 – первичные отстойники; 4 – компрессорная станция;

5 – аэротенки; 6 – вторичные отстойники; 7 – смеситель; 8 – хлораторная;

9 – контактные резервуары; 10 – илоуплотнители; 11 - метантенки;

12 – цех механического обезвоживания осадка; 13 – песковые площадки; 14 – дробилки

Разрешается применение типовых сооружений, геометрические размеры которых известны. В этом случае расчет сводится к определению физических скоростей и времени пребывания обрабатываемых вод в сооружении, а также эффективности его работы. Число отделений или количество одноименных сооружений следует выбирать одинаковой кратности. Например: 2 песколовки, 4 первичных отстойника, 2 аэротенка, 4 вторичных отстойника и т. д.

4.  Компоновка генерального плана очистной

станции и составление профилей по движению

воды и осадков

Выполнив технологические и гидравлические расчеты всех очистных сооружений, определив количество отдельных сооружений, секций и выявив размеры сооружений, сечений лотков и трубопроводов, соединяющих сооружения между собой, переходят к компоновке генерального плана очистной станции и составлению гидравлических профилей по направлению воды и осадков.

Генеральный план станций и высотная схема расположения очистных сооружений (профили по воде и осадкам) составляются так, чтобы обеспечивалось самотечное движение воды от одного сооружения к другому. Движение осадков по возможности также должно быть самотечным.

При компоновке генплана станции следует руководствоваться следующими рекомендациями:

1.  Сооружения располагаются компактно. При этом расстояния между отдельными сооружениями или группами должны обеспечить соблюдение очередности строительства.

2.  К каждому сооружению должен быть гарантирован подъезд транспорта.

3.  На генплане станции указываются насыпи и выямки.

4.  Сооружения располагаются симметрично.

5.  Котельные располагают в центре потребителей (не ближе 25 м от метатенков).

6.  Газгольдеры необходимо располагать на расстоянии, соответствующем «Правилам безопасности в газовом хозяйстве».

7.  Хлорное хозяйство следует проектировать согласно СНиП.

8.  В коммуникациях очистной станции необходимо предусмотреть возможность выключения из работы отдельных сооружений или блоков, а также аварийный выпуск.

9.  На генпланах наносятся все вспомогательные сооружения.

10.  На чертеже генплана следует поместить таблицу условных обозначений и экспликацию.

Профиль по движению воды строится сначала в черновом наброске одновременно с компоновкой генплана очистной станции, а затем в окончательном виде, когда компоновка будет закончена и станут известны расстояния между сооружениями.

Упрощенный план очистной станции представлен на рис.4.1, на котором не показаны сооружения, которые не имеют отношения к движению воды.

Ориентировочные потери напора и отметки уровня воды в сооружениях относительно горизонта высоких вод показаны в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Ориентировочные потери напора в сооружениях

Расчетные участки	Наименование сооружений	Ориентировочные потери напора, м	Отметки уровня воды, м
в сооружении	местные и линейные в коммуникациях	сумма потерь напора
И-З	Контактные резервуары	0,2	1,2+0,2	1,6	1,60
З-Ж	Смеситель	0,5	0,15	0,65	2,25
Ж-Е	Вторичные отстойники	0,6	0,3+0,25	1,15	3,40
Е-Д	Аэротенки	0,4	0,5+0,20	1,10	4,50
Д-Г,	Первичные отстойники	0,6	0,3+0,25	1,15	5,65
Г,-Г	Водоизмерительное устр.	0,3	0,15	0,45	6,10
Г-В	Песколовки	0,2	0,5+0,15	0,85	6,95
В-Б	Решетки	0,1	0,1+0,1	0,30	7,25
Б-А	Приемная камера	-	0,15+0,1	0,25	7,50

Примечание. Отметки уровня воды в табл.4.1 даны относительно горизонта высоких вод (ГВВ).