Tallinna tehnikaülikool

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL

RAR0680 Säästev tehnoloogia

124443 RDKR72

Õppejõud: A. Zguro

Kohtla-Järve 2015

Сточные воды могут быть классифицированы по следующим признакам:

• 
  по источнику происхождения:
  
  • 
    производственные (промышленные) сточные воды (образующиеся в технологических процессах производств), отводятся через систему промышленной или общесплавной канализации
    
  • 
    бытовые (хозяйственно-бытовые) сточные воды (образующиеся в результате бытовой жизнедеятельности человека), отводятся через систему хозяйственно-бытовой или общесплавной канализации
    
  • 
    поверхностные сточные воды (делятся на дождевые и талые-образующиеся при таянии снега, льда, града), отводятся, как правило, через систему ливневой канализации. Также могут называться «ливневые стоки» [5]
    

• 
  по составу загрязнителей на:
  
  • 
    загрязнённые по преимуществу минеральными примесями
    
  • 
    загрязнённые по преимуществу органическими примесями
    
  • 
    загрязнённые как минеральными, так и органическими примесями
    
• 
  по концентрации загрязняющих веществ:
  
  • 
    с содержанием примесей 1—500 мг/л
    
  • 
    с содержанием примесей 500—5000 мг/л
    
  • 
    с содержанием примесей 5000—30000 мг/л
    
  • 
    с содержанием примесей более 30000 мг/л
    
• 
  по свойствам загрязнителей
  
• 
  по кислотности:
  
  • 
    неагрессивные (pH 6,5—8)
    
  • 
    слабоагрессивные (слабощелочные — pH 8—9 и слабокислые — pH 6—6,5)
    
  • 
    сильноагрессивные (сильнощелочные — pH>9 и сильнокислые — pH<6)
    
• 
  по токсическому действию и действию загрязнителей на водные объекты:
  
  • 
    содержащие вещества, влияющие на общесанитарное состояние водоёма (напр., на скорость процессов самоочищения)
    
  • 
    содержащие вещества, изменяющие органолептические свойства (вкус, запах и др.)
    
  • 
    содержащие вещества, токсичные для человека и обитающих в водоёмах животных и растений.[5]
    

В состав сточных вод входят как неорганические (частицы грунта, руды и пустой породы, шлака, неорганические соли, кислоты, щёлочи); так и органические (нефтепродукты, органические кислоты), в том числе биологические объекты (грибки, бактерии, дрожжи, в том числе болезнетворные).

В таблице приведены типичные исходные значения основных параметров стоков и требуемые их значения после очистки. [2]

Параметр	Типичное исходное значение	После очистки
BOD5, mg/l	250	< 15
Взвешенные, mg/l	220	< 15
Фосфор, mg/l	8	< 1.0
Азот (орг + NH₄⁺)	40	< 15
pH	6.8	6-8
CODCr, mgO2/l	500

Нормы по азоту для очищенных стоков при их сбросе в водоёмы или почву в Эстонии: [2]

Почему нужно проводить очистку сточных вод от азота?

Главной задачей водоохраны в Эстонии является достижение не позже чем к 2015 году хорошего состояния воды, что, по сути, означает - водоемы должны вернуться к своему природному состоянию, либо это состояние должно сохраниться. Многие водоемы сейчас далеки от своего первичного природного состояния. Ситуацию в водоемах ухудшает прежде всего деятельность, связанная с сельским хозяйством, загрязненная водаиз населенных пунктов и городов, разливы и запруживание рек. [4]

В Ида-Вирумаа, например, 156 выпусков сточной воды, через которые в водоемы попадает около 350 тонн азота и 35 тонн фосфора в год. Из шахт, расположенных в Вирумаской зоне, в водоемы стекает около 300 тонн азота и 5 тонн фосфора. Как азот, так и фосфор - это такие соединения, которые активизируют рост растений в водоеме и тем ухудшают в них качество воды. [4]

Как правило, хозяйственно-бытовые сточные воды характеризуются повышенной рН>7. Помимо этого хозяйственно-бытовые сточные воды содержат азот и фосфор, которые при попадании в водоем могут вызвать процесс эвтрофикации (зарастания водоема). Биогенные вещества (азот, фосфор) способствует росту водорослей, в том числе и сине-зеленых, вырабатывающих ядовитые вещества. В трофический цепи (цепь питания) эти вещества аккумулируются в животных тканях, вызывая гибель рыбы. Бурное развитие водорослей, а затем их гниение способствует резкому снижению кислорода и как следствие нарушению газообмена в ходе жизнедеятельности рыб.
Таким образом, выброс неочищенных сточных вод может губительно отразиться на развитии пресноводных и прибрежных частей морских экосистем, снизить биологическое разнообразие растительного и животного мира озерных систем, привести к полному зарастанию и образованию болот малых озер. Поэтому крайне необходимо проводить не только очистку сточной хоз-бытовой воды, но осуществлять регулярный мониторинг тех экологических систем, в которые сбрасываются уже очищенные или условно-очищенные стоки. [3]
Очистка сточных вод — комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах.

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным (рис.1). [1]

Рис.1 Методы очистки сточных вод. [1]

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др.

Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых, как ценные примеси, используются в производстве. [1]
Химическая очистка.

Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25% .[1]

Удаление из сточных вод остаточных растворенных органических загрязнений может осуществляться с помощью сильных окислителей - озона, хлора, перманганата калия и др.

Биологическая очистка необходима для производственных сточных вод, содержащих органические примеси, которые после предварительной обработки могут окисляться в результате биохимических процессов.

Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна. [1]

С биологической точки зрения окисляются почти все органические загрязнения.

Сущность биологической очистки:

Метод основан на способности некоторых видов микроорганизмов в определённых условиях использовать загрязняющие вещества в качестве своего питания. В основе биологической очистки воды лежит деятельность активного ила (АИ) или биоплёнки, естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. [1]

При этом органические и некоторые виды неорганических загрязняющих веществ используются бактериальной клеткой в двух направлениях:

1. Биологическое окисление в присутствии кислорода до безвредных продуктов углекислого газа и воды:

Органическое вещество + О2 (в присутствии ферментов) => СО2 + Н2О + Q [1]

Выделяющаяся при этом энергия используется клеткой для обеспечения своей жизнедеятельности движения, дыхания, размножения и т. п.

Интенсивность и глубина протекания процессов зависит от качественного состава активного ила, разнообразия форм и видов микроорганизмов, способности их адаптации (приспособления) к конкретному составу загрязняющих веществ сточной жидкости и условий проведения процесса. [1]

2. Синтез новой клетки (размножение):

Органическое вещество + N + P + Q (в присутствии ферментов) => НОВАЯ КЛЕТКА
Для биологической очистки производственных сточных вод может быть использован любой из существующих способов биологической очистки бытовых сточных вод:

- очистка на полях орошения;

- на полях фильтрации;

- на биофильтрах;

- и аэротенках.
Однако это возможно при соблюдении основных требований:

- из производственных сточных вод должны быть удалены жировые и смолистые вещества;

- концентрация ядовитых веществ (циана, фенола, пикриновой кислоты, древесного спирта), солей тяжелых металлов (меди, цинка, висмута, хрома, ртути и др.) не должна превышать допустимых для биологического процесса пределов, т.к. данные вещества являются ингибиторами;

- реакция сточных вод должна находиться в пределах pH =6,5-8,5;

- до биологической очистки сточные воды должны быть подвергнуты предварительному отстаиванию. [5]
При очистке сточных вод выполняют четыре основные операции:

1. При первичной переработке происходит усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, решетки, отстойники).

2. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических веществ при участии аэробных микроорганизмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор. При технологии, использующей активный ил, часть его возвращается в аэротенк.

3. На третьем (необязательном) этапе производится химическое осаждение и разделение азота и фосфора.

4. Для переработки ила, образующегося на первом и втором этапах, обычно используется процесс анаэробного разложения. При этом уменьшается объем осадка и количество патогенов, устраняется запах и образуется ценное органическое топливо – метан.
Физико-химическая очистка.

Перспективны методы физико-химической очистки (коагулирование, отстаивание, фильтрация) в качестве самостоятельных способов очистки или в сочетании с биологической очисткой, а также методы т. н. дополнительной обработки (сорбция, ионообмен, гиперфильтрация, удаление азотистых веществ и фосфатов и др.), обеспечивающей весьма высокую степень очистки сточных вод перед спуском их в водоёмы или при использовании сточных вод в системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Эффективны методы термического обезвреживания и переработки высоко концентрированных стоков во вторичное сырьё, а также способ закачки стоков в глубокие, надёжно изолированные подземные горизонты.

Удаление азота.

Удаление азота – биологический процесс, который происходит в двух фазах. Для полного удаления азота необходимо, чтобы состоялись как нитрификация, так и денитрификация. Нитрификация – это окисление аммиачного азота в нитратный азот (NH4N=NO3 –N).

На нитрификацию влияют рН и температура воды, содержание в воде растворенного кислорода, продолжительность аэрации, возраст ила и отношение между содержанием углерода и азота. [2]

Денитрификация – это редуцирование нитратного азота в молекулярный азот (NO3 –N = N2).

Чтобы денитрификации могла осуществляться, вода должна содержать биоразлагаемые органические вещества и не должна содержать растворенный кислород. [2]

Нитрификаторы чувствительны к низким температурам. Денитрификация протекает в аэробной среде, в которой денитрифицирующие бактерии редуцируют нитраты, в результате чего образуется газовый азот, который улетучивается.

Часто в качестве источника углерода добавляют метанол (СН₃ОН).
В одном и том же аэротенке возможно создать чередующиеся зоны нитрификации и денитрификации. Можно поступать и таким образом, что аэрацию на некоторое время останавливают и таким образом создают бескислородную среду (перемешивание должно при этом продолжаться, чтобы активный ил не оседал на дно). Потом аэрацию продолжают и нитрификация восстанавливается. Азот связан в сточной воде с белками и аминокислотами в виде карбамида или соединения аммония. [2]

Кругооборот азота в природе :

Орг.N → (NH₄-N) → (NO₂-N) → (NO₃-N) → N₂

Общим азотом называют сумму:

 ΣN = Орг.N + (NH⁺₄-N) + (NO₂-N) + (NO₃-N)

В бытовых сточных водах надо снижать содержание общего азота примерно с 40 мг/л до нормы 10 мг/л.

В сточной воде, которая не подвергалась окислению, NO₂^- и NO₃^- отсутствуют и общий азот равен азоту Кьельдаля. [2]

При поступлении кислорода в сточную воду нитрифицирующие бактерии (Nitrosomonas, Nitrobacter) переводят аммиачный азот в нитриты (NO₂^-) и в конечном счете в нитраты (NO₃^-):

  _{Nitrosomonas, Nitrobacter}

(NH₄-N) → (NO₃-N)

В анаэробных условиях протекает восстановление нитратов до свободного азота. Этот процесс называется «денитрификацией»:

  _{Денитрифицирующие бактерии}

(NO₃-N) → N₂ ↑
В последнее время используют комбинированную схему нитрификации-денитрификации, где по движению воды первой ступенью является денитрификация. В этом случае сама сточная воды является источником углерода.

Затем следует стадия нитрификации (О₂~ 2 мг/л), откуда вода частично рециркулируется на стадию денитрификации. [2]

Для очистки производственных сточных вод чаще используют аэротенки, так как они лучше других сооружений могут регулировать режим работы при изменении состава стока и дают большую производительность на единицу объема сооружения.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Каждая ступень аэротенков имеет самостоятельные генераторы, которые занимают 25-50% общего объема аэротенков. Иногда во II ступени регенераторы не устраивают. После I ступени аэротенков необходимо устраивать вторичные отстойники (перед II ступенью), что удорожает строительство сооружений. Однако двухступенчатая схема аэротенков обеспечивает надежный, устойчивый эффект очистки и поэтому экономически оправдывается.

В последнее время предложены для I ступени аэротенки-отстойники, которые могут работать при дозе активного ила до 8 г/л, что позволяет сократить общий объем аэротенков. [5]

Окислительная мощность сооружений зависит от степени загрязненности сточных вод и колеблется в широких пределах. Так, для аэротенков, работающих на полную очистку, она составляет 500-2000 г/сутки на 1м3 аэротенка.

При БПКполн менее 500 мг/л применяют обычные аэротенки с подачей сточной воды и активного ила в начало аэротенка.

При ядовитых и трудно окисляемых веществах в поступающем стоке, а также при БПКполн более 500 мг/л применяют аэротенки-смесители. Их конструкция позволяет выравнивать скорость потребления кислорода и концентрацию загрязнений по длине аэротенка. Аэротенки-смесители - это огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила. Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.). [5]

Целью обработки осадка является уменьшение объема осадка путем эффективного обезвоживания, что способствует его дальнейшей обработке и окончательному удалению. Целью уплотнения осадка является:

 способствование метановому брожению;

 уменьшение объема осадка, вывозимого на сельскохозяйственное использование;

 способствование действию средств обезвоживания;

 упростить обработку осадка таким образом, чтобы процессы уплотнения происходили в одном просто управляемом и контролируемом сооружении. [6]

Сущность метода заключается в сбраживании активного ила без доступа воздуха при Т=30-40оС. Для обеспечения заданной температуры метантенк подогревают паром. Последовательность проведения анаэробного окисления включает в себя:

 обезвоживание активного ила методом прессования;

 загрузка в метантенк;

 подогрев смеси активного ила;

 биохимические процессы анаэробного окисления, в результате которых образуются газы брожения: метан, углекислый газ, угарный газ и др.;

 дренирование сброженного осадка;

 сушка сброженного осадка с последующим превращением в компост;

 сбор и хранение газов;

 сжигание газов в котельной для обеспечения подогрева метантенка. [6]

Наряду с достоинствами получаемого на основе осадков сточных вод активного ила, существует ряд недостатков.

Активный ил после биологической очистки накапливает вещества вредные для растений веществ. В этих случаях необходимы строгий контроль содержания вредных веществ в готовом продукте и определение годности использования его в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур. [6]

OU Jarve Biopuhastus, очистные сооружения в Кохтла-Ярве. [4]


Очистные сооружения в г. Кохтла-Ярве обслуживают население порядка 200 000 человек. В год образуется около 2700 тонн осадка сточных вод (по сухому веществу). На станции имеются сооружения по удалению азота и химическому и биологическому удалению фосфора. На очистных сооружениях Кохтла-Ярве нет первичных отстойников, поэтому весь образующийся осадок считается избыточным илом. Избыточный ил уплотняется механическим способом до содержания сухого вещества примерно 6%. Расход полимеров составляет около 4 г/кг сухого вещества. После механического уплотнения осадок обрабатывают в реакторах для удаления патогенных микроорганизмов в процессе пастеризации, нагревая в течение 20–24 часов до 55°C. После этого осадок обезвоживается на центрифуге до содержания сухого вещества 22%. Расход полимера составляет около 8 г/кг сухого вещества. После обезвоживания осадка его смешивают с древесной щепой и укладывают в валки для компостирования. Полученный компост используется для благоустройства территорий. Содержание тяжелых металлов в нем не превышает предельно допустимых концентраций. Однако, в связи с большим количеством промышленных сточных вод в Кохтла-Ярве, предприятие не имеет права продавать компост и поставляет его бесплатно. В настоящее время на очистных сооружениях отсутствует анаэробное сбраживание и, следовательно, производство энергии, поэтому энергетический баланс является отрицательным. В ближайшем будущем на станции планируется строительство метантенка, который позволит вырабатывать энергию и сократить объем осадка. [4]

Литература:

1. Inga Borodina, Larisa Grigorieva, Sergey Chekryzhov, Antonina Zguro,

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, Учебное пособие для химико-технологических специальностей профессиональных центров, Йыхви, 2012