 |
Механическая очистка сточных вод
|
|
|
|
Методы очистки сточных вод
Методы, применяемые для очистки сточных вод, могут быть могут быть разделены на три группы:
механические,
физико-химические,
биологические.
Механическая очистка
Механическую очистку сточных вод применяют преимущественно как предварительную. Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60-65%, а из некоторых производственных сточных вод на 90-95%. Задачи механической очистки заключаются в подготовке воды к физико-химической и биологической очисткам. Механическая очистка сточных вод является в известной степени самым дешевым методом их очистки, а поэтому всегда целесообразна наиболее глубокая очистка сточных вод механическими методами.
В настоящее время к очистке предъявляют большие требования. Это приводит к созданию высокоэффективных методов физико-химической очистки, интенсификации процессов биологической очистки, разработке технологических схем с сочетанием механических, физико-химических и биологических способов очистки и повторным использованием очищенных вод в технологических процессах.
Механическую очистку проводят для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования.
Для задержания крупных загрязнений и частично взвешенных веществ применяют процеживание воды через различные решетки и сита. Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, имеющих большую или меньшую плотность по отношению к плотности воды, используют отстаивание. При этом тяжелые частицы оседают, а легкие всплывают.
Сооружения, в которых при отстаивании сточных вод выпадают тяжелые частицы, называются песколовками.
|
|
|
Сооружения, в которых при отстаивании загрязненных промышленных вод всплывают более легкие частицы, называются в зависимости от всплывающих веществ жироловками, маслоуловителями, нефтеловушками и др.
Фильтрование применяют для задержания более мелких частиц. В фильтрах для этих целей используют фильтровальные материалы в виде тканей (сеток), слоя зернистого материала или химических материалов, имеющих определенную пористость. При прохождении сточных вод через фильтрующий материал на его поверхности или в поровом пространстве задерживается выделенная из сточной воды взвесь.
Механическую очистку как самостоятельный метод применяют тогда, когда осветленная вода после этого способа очистки может быть использована в технологических процессах производства или спущена в водоемы без нарушения их экологического состояния. Во всех других случаях механическая очистка служит первой ступенью очистки сточных вод.
Физико-химическая очистка
Физико-химическая очистка заключается в том, что в очищаемую вводу вводят какое-либо вещество-реагент (коагулянт или флокулянт). Вступая в химическую реакцию с находящимися в воде примесями, это вещество способствует более полному выделению нерастворимых примесей, коллоидов и части растворимых соединений.
При этом уменьшается концентрация вредных веществ в сточных водах, растворимые соединения переходят в нерастворимые или растворимые, но безвредные, изменяется реакция сточных вод (происходит их нейтрализация), обеспечивается окрашенная вода. Физико-химическая очистка дает возможность резко интенсифицировать механическую очистку сточных вод. В зависимости от необходимой степени очистки сточных вод физико-химическая очистка может быть окончательной или второй ступенью очистки перед биологической.
|
|
|
Биологическая очистка
Биологическая очистка основана на жизнедеятельности микроорганизмов, которые способствуют окислению или восстановлению органических веществ, находящихся в сточных водах в виде тонких суспензий, коллоидов, в растворе и являются для микроорганизмов источником питания, в результате чего и происходит очистка сточных вод от загрязнения.
Очистные сооружения биологической очистки можно разделить на два основных типа:
сооружения, в которых очистка происходит в условиях, близких к естественным;
сооружения, в которых очистка происходит в искусственно созданных условиях.
К первому типу относятся сооружения, в которых происходит фильтрование очищаемых сточных вод через почву (поля орошения и поля фильтрации) и сооружения, представляющие собой водоемы (биологические пруды) с проточной водой. В таких сооружениях дыхание микроорганизмов кислородом происходит за счет непосредственного поглощения его из воздуха. В сооружениях второго типа микроорганизмы дышат кислородом главным образом за счет диффундирования его через поверхность воды (реаэрация) или за счет механической аэрации.
В искусственных условиях биологическую очистку применяют в аэротенках, биофильтрах и аэрофильтрах. В этих условиях процесс очистки происходит более интенсивно, так как создаются лучшие условия для развития активной жизнедеятельности микроорганизмов.
При повышенных требованиях к очистке биологически очищенную воду очищают дополнительно. Наиболее широкое распространение в качестве сооружений для дополнительной очистки получили песчаные фильтры, главным образом двух- и многослойные, а также контактные осветлители (микрофильтры применяют реже).
Снижение концентрации трудноокисляемых веществ возможно методом сорбции, например активированным углем и химическим окислением или путем озонирования. Концентрацию солей можно снижать методами обессоливания.
Очистка от биогенных элементов
Биологически очищенная вода содержит аммонийные азот и фосфор в значительной концентрации. Эти вещества способствуют усиленному развитию водной растительности, последующее непременное отмирание которой приводит к вторичному загрязнению водоема. Азот удаляют физико-химическими и биологическими методами, а фосфор только химическим - осаждением солями железа, алюминия и известью.
|
|
|
Дезинфекция очищенных сточных вод
В практике очистки сточных вод дезинфекцию осуществляют теми же приемами и средствами, что и при очистке природных вод. Наиболее часто применяют хлорирование газообразным хлором, а на станциях производительностью до 1000 м3/сут используют и хлорную известь.
Методы обработки осадка
При всех методах очистки сточных вод образуется осадок из нерастворимых веществ в первичных отстойниках, а при биологической очистке во вторичных отстойниках образуется еще больше осадка. В сыром состоянии (твердые вещества с водой) при очистке бытовых и некоторых производственных вод эти осадки являются опасными в санитарном отношении.
Для уменьшения количества органических веществ в осадке и придания ему лучших санитарных показателей осадок подвергают воздействию анаэробных микроорганизмов и аэробной стабилизации ила в соответствующих сооружениях. К анаэробным сооружениям относятся септики, двухъярусные отстойники и метантенки.
Для уменьшения влажности осадка сточных вод и его объема служат иловые пруды и площадки. Для обезвоживания осадка применяют различные механические приемы: вакуум-фильтрацию, фильтрпрессование, центрифугирование, а также термические сушку и сжигание. Биологические осадки часто используют в качестве удобрений и как белково-витаминные добавки к рационам питания животных.
При выборе метода очистки и обработки осадка сточных вод населенных пунктов и промышленных предприятий, а также места расположения и типа очистных сооружений необходимо в первую очередь выявлять возможность и целесообразность промышленного использования очищенных сточных вод и осадка.
На предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов, а также на газосборных пунктах и газобензиновых заводах сточные воды подразделяются на бытовые и производственные. Производственные воды нефтяных и газовых предприятий выпускают в производственно-дождевую канализацию. Эти воды в основном загрязнены нефтепродуктами (400-15000 мг/л) и механическими примесями (100-600 мг/л). Для их очистки применяют механическую, физико-химическую и биологическую очистки.
|
|
|
Механическая очистка сточных вод
При механической очистке сточных вод применяют песколовки, резервуары-отстойники, нефтеловушки, пруды-отстойники, напорные полые и полочные отстойники.
Песколовки
Песколовки предназначены для выделения механических примесей с размером частиц более 250 мкм. Необходимость предварительного выделения механических примесей (песка, окалины и др.) обуславливается тем, что при отсутствии песколовок эти примеси выделяются в других очистных сооружениях и тем самым усложняют эксплуатацию последних.
Принцип действия песколовки основан на изменении скорости движения твердых тяжелых частиц в потоке жидкости.
Песколовки делятся на горизонтальные, в которых жидкость движется в горизонтальном направлении, с прямолинейным или круговым движением воды, вертикальные, в которых жидкость движется вертикально вверх, и песколовки с винтовым (поступательно-вращательным) движением воды. Последние в зависимости от способа создания винтового движения разделяются на тангенциальные и аэрируемые.
Самая простейшая горизонтальная песколовка - щелевая. Принцип ее работы основан на том, что песок канализационной сети продвигается в основном в нижней части коллектора и при небольшом уменьшении скорости потока более тяжелые частицы проваливаются вниз.
Горизонтальные песколовки большой производительности более сложные. Принцип работы этих песколовок идентичен. Горизонтальная песколовка имеет прямоугольную форму и состоит из двух и более секций.
На входе в песколовку установлены решетки для задержания крупных механических примесей. Кроме решеток в начале и конце песколовки расположены деревянные шиберы для равномерного поступления воды и отключения песколовки. Дно песколовки выполнено под углом к центру сооружения для сбора и откачки выпавшего осадка.
При работе песколовок на дне их собираются механические примеси, которые необходимо периодически удалять. Из опыта работы нефтебаз следует, что горизонтальные песколовки необходимо очищать не реже одного раза в 2-3 сут, а щелевые - по мере накопления осадка в иловой части. Нельзя допускать, чтобы илом была заполнена камера до днища лотка. При очистке песколовок обычно применяют переносный или стационарный гидроэлеватор.
Статические отстойники
Нефтетранспортные предприятия (нефтебазы, нефтеперекачивающие станции) оборудуют различными отстойниками для сбора и очистки воды от нефти и нефтепродуктов. Для этой цели обычно используют стандартные стальные или железобетонные резервуары, которые могут работать в режиме резервуара-накопителя, резервуара-отстойника или буферного резервуара в зависимости от технологической схемы очистки сточных вод.
|
|
|
Исходя из технологического процесса загрязненные воды нефтебаз и нефтеперекачивающих станций неравномерно поступают на очистные сооружения. Для более равномерной подачи загрязненных вод на очистные сооружения служат буферные резервуары, которые оборудуют водораспределительными и нефтесборными устройствами, трубами для подачи и выпуска сточной воды и нефти, уровнемером, дыхательной аппаратурой и т.д. Так как нефть в воде находится в трех состояниях (легко-, трудноотделимая и растворенная), то попав в буферный резервуар, легко- и частично трудноотделимая нефть всплывает на поверхность воды, во втором случае это происходит значительно медленнее. Для отделения мелкодисперсной нефти при большой высоте резервуара необходимо затратить значительное время (более 48 ч), поэтому такое отделение в буферных резервуарах не предусматривается. В этих резервуарах отделяют до 90-95% легко отделимых нефтей. Для этого в схему очистных сооружений устанавливают два и более буферных резервуара, которые работают периодически: заполнение, отстой, выкачка.
Объем резервуара выбирают из расчета времени заполнения, выкачки и отстоя, причем время отстоя принимают от 6 до 24 ч. Таким образом, буферные резервуары (резервуары-отстойники) не только сглаживают неравномерность подачи сточных вод на очистные сооружения, но и значительно снижают концентрацию нефти в воде. Большие преимущества этого вида резервуаров - герметичность и возможность строительства индустриальным методом, что приводит к резкому сокращению времени строительства.
Отстаивание воды в вертикальных резервуарах может протекать в динамическом и непроточном режимах.
При динамическом режиме наполнение и опорожнение резервуара происходят одновременно.
При статическом (непроточном) режиме резервуары работают по трем циклам: наполнение, отстаивание, опорожнение. Поэтому для отстаивания воды число резервуаров должно быть более двух, а объем их несколько больше, чем объем резервуаров при динамическом режиме.
Резервуары должны быть оборудованы средствами автоматики, осуществляющими автоматическое переключение резервуаров, следящими за уровнем воды в резервуаре и не допускающими попадания нефти в отводящий трубопровод.
Перед откачкой отстоявшейся воды из резервуара сначала отводят всплывшую нефть и выпавший осадок, после чего откачивают осветленную воду. Для удаления осадка на дне резервуара устраивают дренаж из перфорированных труб.
Отстаивание - наиболее простой и часто применяемый способ выделения из сточных вод грубо дисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дне отстойника или всплывают на его поверхности.
Для дополнительной очистки сточных вод часто используют пруды дополнительного отстоя, представляющие собой водоемы глубиной до 4 м и площадью зеркала воды в зависимости от пропускной способности сточных вод. Обычно такие пруды имеют несколько секций, каждая из которых оборудована устройством для рассредоточенного ввода и выпуска воды.
Пруды дополнительного отстаивания имеют следующие существенные недостатки: необходимость больших территорий, высокая стоимость, загрязнение атмосферы испаряющимися нефтепродуктами, влияние ветровой нагрузки на эффективность очистки, трудности при сборе нефти и осадка и др.
Динамические отстойники
Отличительная особенность динамических отстойников заключается в отделении примеси, находящейся в воде, при движении жидкости.
В динамических отстойниках или отстойниках непрерывного действия жидкость движется в горизонтальном или вертикальном направлении, отсюда и отстойники подразделяются на вертикальные и горизонтальные.
Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический или квадратный (в плане) резервуар с коническим днищем для удобства сбора и откачки осаждающегося осадка. Движение воды в вертикальном отстойнике происходит снизу вверх (для осаждающихся частиц).
Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный резервуар (в плане) высотой 1,5-4 м, шириной 3-6 м и длиной до 48 м. Выпавший на дне осадок специальными скребками передвигают к приямку, а из него гидроэлеватором, насосами или другими приспособлениями удаляют из отстойника. Всплывшие примеси выводят с помощью скребков и поперечных лотков, установленных на определенном уровне.
В зависимости от улавливаемого продукта горизонтальные отстойники делятся на песколовки, нефтеловушки, мазутоловки, бензоловки, жироловки и т.п.
В радиальных отстойниках круглой формы вода движется от центра к периферии или наоборот. Радиальные отстойники большой производительности, применяемые для очистки сточных вод, имеют диаметр до 100 м и глубину до 5 м.
Радиальные отстойники с центральным впуском сточной воды имеют повышенные скорости впуска, что обуславливает менее эффективное использование значительной части объема отстойника по отношению к радиальным отстойникам с периферийным впуском сточных вод и отбором очищенной воды в центре.
Тонкослойные отстойники
Чем больше высота отстойника, тем больше необходимо времени для всплытия частицы на поверхности воды. А это, в свою очередь, связано с увеличением длины отстойника. Следовательно, интенсифицировать процесс отстаивания в нефтеловушках обычных конструкций сложно. С увеличением размеров отстойников гидродинамические характеристики отстаивания ухудшаются. Чем тоньше слой жидкости, тем процесс всплытия (оседания) происходит быстрее при прочих равных условиях. Это положение привело к созданию тонкослойных отстойников, которые по конструкции можно разделить на трубчатые и пластинчатые.
Трубчатые отстойники
Рабочий элемент трубчатого отстойника - труба диаметром 2,5-5 см и длиной около 1 м. Длина зависит от характеристики загрязнения и гидродинамических параметров потока. Применяют трубчатые отстойники с малым (10°) и большим (до 60°) наклоном труб.
Отстойники с малым наклоном трубы работают по периодическому циклу: осветление воды и промывка трубок. Эти отстойники целесообразно применять для осветления сточных вод с небольшим количеством механических примесей. Эффективность осветления составляет 80-85%.
В круто наклонных трубчатых отстойниках расположение трубок приводит к сползанию осадка вниз по трубкам, и в связи с этим отпадает необходимость их промывки.
Продолжительность работы отстойников практически не зависит от диаметра трубок, но возрастает с увеличением их длины.
Стандартные трубчатые блоки изготовляют из поливинилового или полистирольного пластика. Обычно применяют блоки длиной около 3 м, шириной 0,75 м и высотой 0,5 м. Размер трубчатого элемента в поперечном сечении составляет 5х5 см. Конструкции этих блоков позволяют монтировать из них секции на любую производительность; секции или отдельные блоки легко можно устанавливать в вертикальных или горизонтальных отстойниках.
Пластинчатые отстойники
Пластинчатые отстойники состоят из ряда параллельно установленных пластин, между которыми движется жидкость. В зависимости от направления движения воды и выпавшего (всплывшего) осадка отстойники делятся на прямоточные, в которых направления движения воды и осадка совпадают; противоточные, в которых вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно к направлению движения осадка. Наиболее широкое распространение получили пластинчатые противоточные отстойники.
Эффективность осветления воды в пластинчатых отстойниках повышается с уменьшением их высоты.
Достоинства трубчатых и пластинчатых отстойников - их экономичность вследствие небольшого строительного объема, возможность применения пластмасс, которые легче металла и не корродируют в агрессивных средах.
Общий недостаток тонкослойных отстойников - необходимость создания емкости для предварительного отделения легко отделимых нефтяных частиц и больших сгустков нефти, окалины, песка и др. Сгустки имеют нулевую плавучесть, их диаметр может достигать 10-15 см при глубине в несколько сантиметров. Такие сгустки очень быстро выводят из строя тонкослойные отстойники. Если часть пластин или труб будет забита подобными сгустками, то в остальных повысится расход жидкости. Такое положение приведет к ухудшению работы отстойника.
В ГАНГ им. И.М. Губкина на кафедре транспорта и хранения нефти и газа была разработана установка по очистке сточных вод, в которой были учтены недостатки старых нефтеловушек. К новой установке были предъявлены следующие требования: высокое качество очистки сточных вод от нефтепродуктов; индустриализация строительства; минимальная занимаемая площадь под очистные сооружения; минимальные эксплуатационные затраты.
Этим требованиям отвечает многоступенчатая установка с очистными устройствами различных конструкций. Установка предназначена для отделения легко- и трудноотделимых нефтяных частиц. Для доведения содержания нефти в воде меньше 1 мг/л сточные воды необходимо пропускать через другие установки, предназначенные для более глубокой очистки.
Для отделения выделившейся нефти из воды используют буферную емкость, скорость движения воды в которой в несколько раз меньше, чем скорость воды в подводящем трубопроводе. Эта буферная емкость отличается от всех предыдущих не только габаритами, но и наличием герметичной крыши, внутри которой расположен короткий трубопровод с резьбой для навинчивания «стакана». Крыша расположена намного ниже уровня жидкости в установке. С помощью навинчивающегося стакана уровень жидкости в вертикальном трубопроводе устанавливается несколько ниже верхней образующей стакана. Таким образом, уровень воды в вертикальном трубопроводе расположен ниже верхней точки трубопровода.
Буферная емкость соединена со вторым очистным сооружением - толстослойным отстойником. В отличие от тонкослойного отстойника у этого отстойника высота определяется несколькими десятками сантиметров. Толстослойный отстойник предназначен для отделения крупнодисперсных нефтяных частиц, а также крупных сгустков нефти и механических примесей. Он представляет собой круглый или прямоугольный трубопровод, начинающийся у буферной емкости и кончающийся ниже уровня жидкости в установке.
Прямоточный отстойник может работать в горизонтальной и наклонной плоскостях. В первом случае для монтажа требуется очень мало места, но практически получится нефтеловушка со вставными элементами. Во втором случае он превращается в напорный отстойник, который наиболее дешев, прост в эксплуатации, легко поддается автоматизации.
Одновременно с изучением влияния скорости потока на степень очистки также рассматривали влияние угла наклона отстойника на процесс разделения. При проведении экспериментов угол наклона отстойника изменяли от 0° до 25°. Результаты экспериментов показали, что наиболее эффективно процесс разделения происходит при угле наклона отстойника 10°.
Гидроциклоны
Сточные воды очищают в открытых и закрытых (напорных) гидроциклонах. Открытые гидроциклоны обычно проектируют для очистки сточных вод от тяжелых примесей. Обычно гидроциклоны применяют в комплексе с другими очистными сооружениями.
Решающее влияние на рабочий эффект открытого гидроциклона оказывают физические свойства частиц (размер, форма, плотность и др.), для задержания которых он предназначен, а также геометрические размеры гидроциклона и гидравлический режим его работы.
Напорные гидроциклоны
В напорные гидроциклоны вода подается через тангенциально направленный патрубок в цилиндрическую часть. В гидроциклоне вода, двигаясь по винтовой спирали наружной стенки аппарата, направляется в коническую его часть. Здесь основной поток изменяет направление движения и перемещается к центральной части аппарата. Поток осветленной воды в центральной части аппарата по трубе выводится из гидроциклона, а тяжелые примеси вдоль конической части перемещаются вниз и выводятся через патрубок шлама.
Промышленность выпускает напорные гидроциклоны нескольких типоразмеров. Для грубой очистки применяют гидроциклоны больших диаметров. При целесообразности глубокой очистки сточной воды используют схему последовательного соединения различных типоразмеров гидроциклонов. При такой сложной схеме соединения гидроциклонов подача воды может осуществляться от одного насоса или от ряда насосов, установленных перед последующими гидроциклонами.
Применение гидроциклонов обычной конструкции не всегда приводит к необходимой степени очистки сточных вод. Поэтому был предложен ряд новых конструкций усовершенствования напорного гидроциклона. Он отличается от обычного напорного гидроциклона тем, что в нем установлены коаксиально три сливных патрубка, различных по диаметру и глубине погружения. Такое расположение патрубков позволяет работать данному гидроциклону как трем совмещенным гидроциклонам, имеющим различный диаметр, производительность и степень очистки.
Твердая частица, попадая в цилиндрическую часть гидроциклона, под действием центробежных сил перемещается вдоль стенки и опускается вниз. В центре гидроциклона образуются восходящие потоки легких фракций, которые удаляются через коаксиально расположенные патрубки. Чем меньше глубина погружения патрубка, тем больше и крупнее взвесь идет по нему в слив.
Частицы, не вынесенные потоком через патрубки, оседают на дне конической части гидроциклона и удаляются через песковой штуцер.
Безнапорный гидроциклон
Одним из технических приспособлений для сбора нефтяной пленки с поверхности воды является безнапорный гидроциклон.
Если в предыдущих конструкциях для вращения жидкости в гидроциклоне применяли подачу воды в гидроциклон по патрубку, расположенному по касательной в цилиндрической части, то в данном случае проводят отсос воды из гидроциклона по патрубку, расположенному по касательной внизу конической части гидроциклона. Такое расположение патрубка дает возможность образовывать внутри гидроциклона вращение жидкости, причем поступление воды из водоема происходит в верхней части гидроциклона.
Собранная с поверхности воды пленка нефтепродуктов, попадая в гидроциклон как более легкая, собирается в центре гидроциклона. По мере увеличения количества нефтепродуктов в гидроциклоне внутри него образуется конус из нефтепродуктов, который, увеличиваясь в размере, достигает нефтяного отборного патрубка, расположенного в центре гидроциклона. Нефтепродукты по этому патрубку сбрасываются в специальные емкости на берегу водоема. Концентрация воды и нефти в этом потоке может быть различной. Поэтому в отстойных емкостях происходит гравитационное разделение воды и нефтепродуктов, после чего условно чистую воду сбрасывают в водоемы. Если концентрация нефтепродуктов в сбрасываемой воде велика, то необходимо эту воду пропускать через очистные сооружения.
Фильтры
Метод фильтрования приобретает все большее значение в связи с повышением требований к качеству очищенной воды. Фильтрование применяют после очистки сточных вод в отстойниках или после биологической очистки. Процесс основан на прилипании грубодисперсных частиц нефти и нефтепродуктов к поверхности фильтрующего материала. Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на тканевые или сетчатые, каркасные или намывные, зернистые или мембранные.
Фильтрование через различные сетки и ткани обычно применяют для удаления грубо дисперсных частиц. Более глубокую очистку нефтесодержащей воды можно осуществлять на каркасных фильтрах. Пленочные фильтры очищают воду на молекулярном уровне.
Микрофильтры
Микрофильтры представляют собой фильтровальные аппараты, в качестве фильтрующего элемента использующие металлические сетки, ткани и полимерные материалы. Микрофильтры обычно выпускают в виде вращающихся барабанов, на которых неподвижно закреплены или прижаты к барабану фильтрующие материалы. Барабаны выпускают диаметром 1,5-3 м и устанавливают горизонтально. Очищаемая вода поступает внутрь барабана и фильтруется через фильтр наружу. Микрофильтры широко используют для осветления природных вод.
В промышленности применяют микрофильтры различных конструкций. Процесс фильтрации происходит только за счет разности уровней воды внутри и снаружи барабана. Полотно сетки не закреплено, а лишь охватывает барабан в виде бесконечной ленты, натягиваемой с помощью натяжных роликов.
Микросетки изготовляют из различных материалов: капрона, латуни, никеля, нержавеющей стали, фосфористой бронзы, нейлона и др.
Характеристика задерживаемых частиц зависит от различных параметров (характеристики сточных вод и фильтра, гидродинамических параметров и др.)
Биологическая очистка
|
|
|
