Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений

Подождите немного. Документ загружается.

341

оказывают большое сопротивление прохождению воздуха, однако хо-

рошо перемешивают воду и насыщают ее кислородом.

Пневмомеханические аэраторы применяются в тех случаях, ко-

гда требуется интенсивное перемешивание и высокая окислительная

мощность. В этих аэраторах сжатый воздух подается через аэрацион-

ное кольцо с большими отверстиями и разбивается на мелкие пузырьки

находящейся над этим кольцом

мешалкой. Это способствует увеличе-

нию степени использования кислорода и уменьшению энергозатрат.

Струйная (эжекторная) система аэрации основана на смешении

и обмене энергией двух имеющих разное давление потоков, один из

которых рабочий, с образованием смешанного потока с промежуточ-

ным давлением. При подаче с повышенной скоростью рабочей жидко-

сти через сопло в камеру

смешения обеспечивается разрежение, что

вызывает подсос (эжекцию) атмосферного воздуха через специальный

патрубок. Компактная струя жидкости, соударяясь с воздушным пото-

ком, диспергирует воздух, водовоздушная смесь плавно снижает свою

скорость, а жидкость насыщается кислородом.

Современный аэротенк - это гибкое в технологическом отноше-

нии сооружение, представляющее собой железобетонный резервуар

коридорного типа, оборудованный аэрационной системой.

Рабочую

глубину аэротенков принимают от 3 до 6 м, отношение ширины кори-

дора к рабочей глубине от 1:1 до 2:1. Для аэротенков и регенераторов

количество секций должно быть не менее двух; при производительно-

сти до 50 тыс.м

/сут назначается 4-6 секций, при большей производи-

тельности 8-10 секций, все они рабочие. Каждая секция состоит из 2-4

коридоров.

Типовой четырехкоридорный аэротенк с пневматической систе-

мой аэрации представлен на рис.17.5.

Аэротенки-вытеснители - длинные коридорные сооружения, в

которых вода и активный ил подаются в начало сооружения, а иловая

смесь отводится в конце его. При

этом практически не происходит пе-

ремешивание поступающей воды с ранее поступившей. Такие аэротен-

ки состоят из нескольких коридоров и могут быть со встроенным реге-

нератором и без него. Длина таких аэротенков достигает 50-150 м и

объем от 1,5 до 30 тыс.м

. В большой степени режиму вытеснения со-

ответствуют конструкции аэротенков ячеистого типа. Они представ-

ляют собой прямоугольные в плане сооружения, разделенные на ряд

отсеков поперечными перегородками. Смесь из первого отсека посту-

пает во второй (снизу), из второго в третий переливается через перего-

родку (сверху) и т.д. В каждой ячейке устанавливается

режим полного

смешения, а сумма ряда последовательно расположенных смесителей

342

Рис.17.5. Типовой четырехкоридорный аэротенк

1 - воздуховоды; 2 - стояки; 3 - фильтросные каналы

составляет практически идеальный вытеснитель. При этом предотвра-

щается возвратное движение воды, отсутствует продольное перемеши-

вание.

Сточная вода и ил в аэротенках-смесителях подводится и отво-

дится равномерно вдоль длинных сторон сооружения. Считается, что

поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается

с содержимым всего аэротенка. Это позволяет равномерно распреде-

лять органические

загрязнения и растворенный кислород и обеспечи-

вать работу сооружения при постоянных условиях и высоких нагруз-

ках. Ширина коридора аэротенка-смесителя составляет 3-9 м, число

коридоров 2-4, длина до 150 м.

По сравнению с аэротенками-вытеснителями в аэротенках-

смесителях высокая остаточная концентрация примесей в очищенной

воде. Поэтому их целесообразно применять для очистки концентриро-

ванных

сточных вод на первой ступени, а аэротенки-вытеснители - на

второй ступени.

Аэротенки – смесители могут быть сблокированы со вторичными

отстойниками и выполнены отдельно от них. Аэротенки-отстойники

(аэроакселаторы) компактны, позволяют увеличить рециркуляцию

иловой смеси без применения специальных насосных станций, улуч-

шить кислородный режим отстойника и повысить дозу ила до 3-5 г/л,

соответственно увеличив окислительную мощность.

Аэротенки промежуточного типа совмещают элементы аэро-

тенков-вытеснителей и аэротенков-смесителей. К ним относятся аэро-

тенки с рассредоточенной подачей воды и сосредоточенной подачей

активного ила, а также каскад аэротенков-смесителей. В них создаются

условия для более высокой средней концентрации активного ила, чем в

343

аэротенках-вытеснителях, и обеспечивается более высокое качество

очистки, чем в аэротенках-смесителях. Выполняются они в виде двух-

или четырехкоридорных сооружений. Капитальные затраты на строи-

тельство таких аэротенков снижаются не менее чем на 15 % по сравне-

нию с рассмотренными выше, при этом сохраняется высокое качество

очистки.

Окситенки предназначены для биохимической очистки сточных

вод

, где вместо воздуха применяется технический кислород. Благодаря

этому создаются условия для повышения дозы активного ила (до 6-

10 г/л), снижаются энергозатраты на аэрацию, увеличивается окисли-

тельная мощность (в 5-10 раз выше, чем у аэротенков), эффективность

использования кислорода составляет 90-95 %.

Типовые схемы биохимической очистки включают, как правило,

целый ряд установок по усреднению стоков, их

механической очистки,

собственно сооружения биологической очистки, устройства для приго-

товления и дозирования реагентов, доочистки сточных вод и обработки

осадков. Схемы могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми.

На рис.17.6 приведена схема биохимической очистки бытовых и про-

изводственных сточных вод.

По приведенной схеме осуществляется совместная очистка про-

мышленных и бытовых сточных вод. При

такой очистке процесс про-

текает более устойчиво и полно, т.к. бытовые стоки содержат биоген-

ные элементы, а также разбавляют производственные сточные воды.

Сточные воды, предварительно очищенные на сооружениях механиче-

ской очистки, направляются на биологическую очистку в аэротенках с

Рис.17.6. Схема совместной очистки производственных и бытовых

сточных вод

1 - решетки; 2 - песколовки; 3 - первичные отстойники; 4 - аэротенк; 5 - регене-

ратор; 6 - вторичные отстойники; 7 - смеситель; 8 - контактный резервуар; 9 -

илоуплотнители; 10 - насосная станция; 11 - метантенки; 12 - площадки для

обезвоживания сброженного осадка; 13 - котельная

344

Рис.17.7. Метантенк

1 - корпус; 2 - труба; 3 - мешалка;

4 -змеевик.

регенераторами. Выделенный во вторичных отстойниках активный ил

делится на два потока: циркулирующий с помощью насосной станции

перекачивается в регенератор, а затем в аэротенк, избыточный посту-

пает на осветление в первичные отстойники. Очищенная вода хлориру-

ется и направляется в водоем или возвращается в производство. Выде-

ленный осадок обрабатывается в метантенках и обезвоживается

на

иловых площадках. Выделяющийся при сбраживании газ идет на сжи-

гание в котельную.

17.5.

НАЭРОБНЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

Для обезвреживания осадков сточных вод и предварительной

очистки концентрированных сточных вод может использоваться про-

цесс анаэробного сбраживания. В зависимости от конечного вида про-

дукта различают следующие виды брожения: спиртовое, пропионово-

кислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами бро-

жения являются спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО

, Н

СН

Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Про-

цесс этот сложен и состоит из многих стадий, в метановом брожении

различают две фазы. В первой фазе брожения (кислой) расщепляются

сложные органические вещества с образованием органических кислот,

а также спиртов, аммиака, ацетона, Н

S, СО

, Н

и др., в результате че-

го сточные воды подкисляются до рН=5-6. Затем под действием мета-

новых бактерий (щелочная фаза) кислоты разрушаются с образованием

СН

и СО

. Считается, что скорости превращения в обеих фазах одина-

ковы. В среднем степень распада органических соединений составляет

40 %.

Процессы метанового брожения осуществляют в метантенках -

герметически закрытых резер-

вуарах, оборудованных при-

способлениями для ввода об-

рабатываемого и отвода сбро-

женного осадка. Схема метан-

тенка приведена на рис.17.7.

Процессы сбраживания

ведут в мезофильных (30-

С) и термофильных (50-

С) условиях. В термофиль-

ных условиях разру-шение ор-

345

Рис.17.8. Схема процессов обработки

осадков сточных вод

ганических соеди-нений происходит более интенсивно. Метантенк

пред-ставляет собой железобе-тонный резервуар с коничес-ким дни-

щем, снабженный устройством для улавливания и отвода газа, а также

оборудованный подогревателем и мешалкой. Применяются мета-

нтенки диаметром до 20 м и полезным объемом до 4000 м

Процесс брожения сточных вод ведут в две ступени. При этом

часть осадка из второго метантенка возвращается в первый, где обес-

печивается хорошее перемешивание. При сбраживании выделяются

газы со средним содержанием СН

- 63-65 %, СО

- 32-34 %. Тепло-

творная способность газа 23 МДж/кг, он сжигается в топках паровых

котлов. Полученный при этом пар используется для нагрева осадков в

метантенках или для других целей.

17.6.

БРАБОТКА ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД

В процессе биохимической очистки в первичных и вторичных от-

стойниках образуются осадки, которые подлежат обработке и утилиза-

ции. В общем случае обработка осадков производственных сточных

вод состоит из следующих стадий: уплотнение или сгущение, стабили-

зация, кондиционирование, обезвоживание, обезвреживание, ликвида-

ция, обеззараживание, утилизация. Типовые процессы, применяемые

для обработки осадков сточных вод

, приведены на рис.17.8.

Осадки можно подраз-

делить на три группы: в ос-

новном минерального со-

става, в основном орга-

нического состава и сме-

шанные.

Как правило, осадки

сточных вод представляют

собой труднофильтруемые

суспензии. Во вторичных

отстойниках в осадке нахо-

дится в основном избыточ-

ный активный ил, объем

которого в 1,5-2 раза

боль-

ше, чем объем осадка из

первичного отстойника.

Переработка осадка начинается со стадии уплотнения (сгуще-

ния), которая связана с удалением свободной влаги и является необхо-

346

димой стадией всех технологических схем обработки осадков. При уп-

лотнении в среднем удаляется 60 % свободной влаги и масса осадка

сокращается в 2,5 раза. Для уплотнения осадка используют гравитаци-

онный, флотационный, центробежный и вибрационный методы, а так-

же фильтрование или комбинации перечисленных методов.

Гравитационное уплотнение применяют для избыточного актив-

ного ила и сброженных осадков

, оно отлчается простотой и экономич-

ностью. В качестве илоуплотнителей используют вертикальные или

радиальные отстойники. Продолжительность уплотнения зависит от

свойств осадка и составляет от 4 до 24 ч. Уплотненные осадки имеют

влажность 85-97 %. Для интенсификации процесса используют коагу-

лирование с хлорным железом, перемешивание стержневыми мешал-

ками, совместное уплотнение различных видов осадков, нагревание до

80-90

С.

Флотационный метод уплотнения осадков основан на прилипании

частиц активного ила к пузырькам воздуха и всплывании вместе с ни-

ми на поверхность. Продолжительность процесса меньше, чем при гра-

витационном уплотнении, возможно регулировать процесс, изменяя

подачу воздуха. Наибольшее распространение для уплотнения получи-

ла напорная флотация. Остальные методы уплотнения осадков прме-

няются значительно

реже.

Стабилизация осадков проводится для разрушения биологически

разрушаемой части органического вещества на диоксид углерода, ме-

тан и воду. Процесс ведут в аэробных или анаэробных условиях. В

анаэробных условиях сбраживание проводится в септиках, двухъярус-

ных отстойниках, осветлителях-перегнивателях и метантенках. Септи-

ки и отстойники применяются только при небольших производитель-

ностях. Наиболее

широкое распространение получили метантенки.

Аэробная стабилизация заключается в продолжительном аэрировании

ила в аэрационных сооружениях типа аэротенков-стабилизаторов. Этот

процесс проще анаэробного сбраживания, отличается простотой, ус-

тойчивостью, взрывобезопасностью, малыми капитальными затратами.

Недостаток - высокие энергетические затраты. В результате аэробной

стабилизации происходит распад (окисление) основной части биораз-

лагаемых органических веществ до СО

, Н

О и NH

. Оставшиеся орга-

нические вещества теряют склонность к загниванию, т.е. стабилизиру-

ются.

Кондиционирование осадков заключается в изменении структу-

ры и формы связи воды, благодаря чему осадок лучше обезвоживается,

т.е. это процесс подготовки осадков к механическому обезвоживанию.

Кондиционирование проводят реагентными и безреагентными метода-

347

ми. При реагентной обработке осадков происходит коагуляция - про-

цесс агрегации тонкодисперсных и коллоидных частиц. При этом обра-

зуются крупные хлопья, изменяется форма связи влаги с осадком и

улучшаются его водоотдающие свойства. В качестве коагулянтов ис-

пользуют соли железа и алюминия, а также известь. Вместе с коагу-

лянтами применяют и флокулянты.

безреагентным методам относится тепловая обработка, замора-

живание с последующим оттаиванием, электрокоагуляция и радиаци-

онное облучение. Более широко применяется тепловая обработка, про-

водимая в герметическом резервуаре типа автоклава. Процесс ведут

при температуре 150-200

С в течение 0,5-2 ч. Осадок после тепловой

обработки быстро уплотняется, приобретает хорошие водоотдающие

свойства, хорошо обезвоживается на вакуум-фильтрах.

Обезвоживание осадков осуществляется на иловых площадках и

механическим способом. Иловые площадки представляют собой уча-

стки земли, окруженные земляными валами. Они занимают большие

территории, процесс обезвоживания продолжителен, но они просты,

имеют малые эксплуатационные

затраты.

Механическое обезвоживание осадков производится на вакуум-

фильтрах, фильтр-прессах, центрифугах, виброфильтрах. Чаще всего

применяют фильтры различных конструкций и центрифуги. Из фильт-

ров наибольшее распространение нашли вакуум-фильтры, на них мож-

но обрабатывать практически любые виды осадков. Достоинством цен-

трифугирования является простота, экономичность и управляемость

процессом.

Термическая обработка осадков заключается

в их сушке. В ка-

честве сушильного агента прменяют топочные газы, перегретый пар

или горячий воздух, наиболее часто - дымовые газы при температуре

500-800

С. Используют сушилки различных конструкций: барабанные,

многоподовые, ленточные, с кипящим слоем, распылительные и др.

Технологическая схема переработки оадков состоит из комбина-

ции различных методов переработки. Выбор технологической схемы

является сложной инженерно-экономической и экологической задачей.

ГЛАВА 18. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ РАЗЛИЧНЫХ

ЗАГРЯЗНЕНИЙ

18.1.

ДАЛЕНИЕ ИЗ ВОДЫ РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ

348

Сточные воды многих производств загрязнены летучими неорга-

ническими и органическими примесями, такими как сероводород Н

сероуглерод СS

, диоксид серы SО

, аммиак NH

, диоксид углерода

СО

, метан СН

и др. Содержание их в сточных водах составляет

обычно 0,1-1,0 г/л, многие из них являются ценными химическими

продуктами. Эти газы относятся к агрессивным, они обуславливают

либо усиливают коррозию металлов. Комплекс мероприятий, связаных

с удалением из воды растворенных в ней газов, называется дегазацией

воды. Существуют физические и химические методы дегазации.

физическим относятся: аэрация, десорбция в токе инертного га-

за, нагревание воды, понижение давления (вакуумные дегазаторы).

Химические методы основаны на реакциях, в результате которых

растворенные газы связываются химически, например:

СО

+ Са(ОН)

= СаСО

↓ + Н

О;

+ 2Na

= 2Na

Процесс десорбции - выделение растворенного газа из раствора -

обусловлен более высоким парциальным давлением газа над сточной

водой, чем в окружающей среде. Равновесное парциальное давление

удаляемого газа Р

по закону Генри пропорционально содержанию

растворенного газа в растворах Х

= ϕХ

где ϕ - коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри).

Количество вещества М, перешедшего из жидкой фазы в газовую,

определяется из основного уравнения массопередачи:

М = К

F∆С

ср

где К

- коэффициент массопередачи; F - поверхность контакта фаз; ∆С

ср

средняя движущая сила десорбции.

При пропускании

инертного газа через сточную воду летучий

компонент диффундирует в газовую фазу. Этот процесс на практике

осуществляют путем естественной дегазации через открытую водную

поверхность или искусственной дегазации в специальных дегазаторах.

Естественная десорбция происходит обычно в открытых отстой-

никах или прудах при длительном пребывании в них сточных вод. Эф-

фективность такой десорбции не

превышает 50-60 %, она зависит от

температуры и влажности воздуха, скорости ветра, площади зеркала

воды, глубины. Метод не нашел широкого применения из-за загрязне-

ния воздуха, потери ценных веществ.

Десорбция летучих веществ в искусственных условиях проводит-

ся в токе инертного газа, выпариванием раствора или десорбцией под

вакуумом. Часто эти методы комбинируют.

349

Десорбцию в токе инертного газа (азот, диоксид углерода, топоч-

ные дымовые газы и др.) широко применяют для удаления летучих

примесей из сточных вод химических производств. Чаще всего десорб-

цию проводят в токе воздуха (аэрация), подаваемого вентиляторами, и

осуществляют в колоннах (десорберах) насадочного, распылительного,

барботажного типа. Наиболее интенсивно процесс протекает на та

рельчатых колоннах в пенном режиме, а на насадочных - в режиме

эмульгирования. Степень десорбции сточных вод зависит от конструк-

ции десорбера и условий проведения процесса и колеблется от 80-85 %

до 90-99 %. Более эффективны насадочные и тарельчатые аппараты.

Степень удаления летучих веществ из сточных вод увеличивается с

ростом температуры газожидкостной смеси и поверхности контакта

фаз.

При десорбции нагреванием раствора в нижнюю часть десорбера

(кипятильник) подается “глухой” пар. В кипятильнике вода частично

испаряется, пары движутся снизу вверх навстречу жидкости. Таким

образом, процесс протекает так же, как при десорбции острым паром, с

тем отличием, что пар получают из самой десорбируемой сточной во-

ды, а не вводят

извне. Достоинством метода является получение лету-

чих компонентов в концентрированном виде.

Для удаления растворенных газов из сточных вод может быть ис-

пользована установка мгновенного вскипания. Установка состоит из

подогревателя сточной воды и испарительной камеры. В закрытом по-

догревателе сточные воды нагреваются до 120

С, а затем через редук-

ционный клапан подаются в испарительную камеру, в которой проис-

ходит их мгновенное вскипание и дегазация. Образующаяся парогазо-

вая смесь выводится из камеры. Десорбируемое из воды вещество

можно регенерировать, направив его на адсорбцию.

Но не всегда летучие компоненты, извлекаемые из сточных вод

отдувкой, могут быть утилизированы. Этому

может препятствовать

малое количество извлекаемого продукта, наличие трудно отделяемых

примесей, отсутствие надежного метода извлечения из газовой фазы. В

этих случаях целесообразно отправить отработанный газ после скруб-

бера на установку для каталитического окисления. Хороший эффект

достигается при пропускании смеси отработанного газа с воздухом при

температуре 280-350

С через слой катализатора (пиролюзит, оксид

хрома и др.). Большинство органических соединений в этом случае

окисляется до СО

и Н

О.

Для очистки воды от дурнопахнущих веществ, в том числе и не-

которых газов (меркаптаны, амины, аммиак, сероводород, альдегиды,

углеводороды) используют различные способы их дезодорации: аэра-

350

цию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку дымовы-

ми газами, окисление кислородом воздуха под давлением, озонирова-

ние, экстракцию, адсорбцию, микробиологическое окисление. При вы-

боре метода учитывают его эффективность и экономическую целесо-

образность.

Наиболее эффективным считается метод аэрации, т.е. продувание

воздуха через сточную воду. Для этого используют обычно колонные

аппараты различных конструкций. Применяют

насадочные колонны и

колонны с разными типами тарелок - колпачковыми, сетчатыми, кас-

кадными. Сточная вода растекается по насадке или тарелке в виде

пленки и контактирует при этом с воздухом.

Эффект очистки достигает 85-90 % при расходе воздуха 12-

15 м

/м

сточной воды, при этом происходит также окисление загряз-

нений. Однако не все загрязнения удаляются методом аэрации.

Промышленное применение имеет хлорирование дурнопахнущих

веществ сточных вод. Хлором окисляются серосодержащие соедине-

ния (сероводород, метилмеркаптан):

S + Сl

→ 2HCl + S;

2CH

SH + Cl

→ 2HCl + (CH

)

Очистку сточных вод от сероводорода можно проводить окисле-

нием кислородом воздуха при атмосферном давлении в присутствии

катализатора (железная стружка, графитовые материалы и др.) в аэра-

ционном бассейне, куда подают сжатый воздух. Большая часть серово-

дорода при этом окисляется до элементарной среды, а другая часть от-

дувается воздухом и поступает на очистку

в адсорбер с активирован-

ным углем.

Высокая степень очистки может быть достигнута жидкофазным

окислением сернистых веществ кислородом воздуха под давлением в

щелочной среде. Окисление сероводорода идет до тиосульфата и суль-

фата натрия. Сероводород из воды можно удалить гидроксидом железа

в щелочной или нейтральной среде:

Fe(OH)

+ H

S → FeS + 2H

После отстаивания можно провести регенерацию образующихся

сульфидов железа до гидроксидов и вновь использовать их для очистки

воды от сероводорода.

Более эффективно удаление запахов из воды происходит при озо-

нировании (или хлорировании) с дальнейшим пропусканием воды че-

рез слой активированного угля. Степень дезодорации при этом изменя-

ется от 80 до 100 % и зависит

от вида примесей и их концентрации. До-

за озона при этом снижается по сравнению с просто озонированием.