Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

411

в очистных сооружениях неизвестна, в расчетах используют объем-

ный коэффициент массоотдачи P

Количество абсорбируемого кислорода может быть вычислено по

уравнению массоотдачи:

M=P

V(C

-C), (11.217)

где M — количество абсорбированного кислорода, кг/с; P

— объем-

ный коэффициент массоотдачи, с"

; V — объем сточной воды в со-

оружении, м

; с

,с — равновесная концентрация и концентрация кис-

лорода в основной массе жидкости, кг/м

Исходя из уравнения массоотдачи, количество абсорбируемого

кислорода может быть увеличено за счет роста коэффициента

массоотдачи или движущей силы. Изменения движущей силы воз-

можны в результате увеличения содержания кислорода в воздухе,

уменьшения рабочей концентрации или повышения давления про-

цесса абсорбции. Однако все эти пути или экономически невыгод-

ны, или не приводят к значительному росту интенсивности процесса.

Наиболее надежный способ увеличения подачи кислорода в сточ-

ную воду — это повышение объемного коэффициента массоотдачи P

Этот коэффициент представляет собой произведение действитель-

ного коэффициента массоотдачи Р

на удельную поверхность кон-

такта фаз а. Увеличивая интенсивность дробления газового потока,

т. е. уменьшая размеры газовых пузырьков d

и увеличивая газосо-

держание потока сточной воды в сооружении tp

, можно значительно

увеличить удельную поверхность контакта фаз и тем самым повы-

сить поступление кислорода в сточную воду-.

Удельная объемная поверхность контакта фаз равна:

« = бф

/а

. (II218)

Физические свойства сточной жидкости оказывают заметное вли-

яние на процесс абсорбции O

. Вязкость и поверхностное натяжение

влияют на размер пузырьков газа, изменяя тем самым поверхность

массообмена, что необходимо учитывать в расчетах.

Растворенный в воде кислород потребляется микроорганизмами.

Скорости этого процесса не может превышать скорость абсорбции,

иначе ухудшается обмен веществ и снижается скорость загрязнений.

Концентрация кислорода в сточной воде зависит от соотношения

скоростей абсорбции и потребления. Скорость потребления кисло-

рода зависит от многих факторов. Среди них, в первую очередь, сле-

дует отметить содержание биомассы, скорость роста и физиологи-

26*

412

ческую активность микроорганизмов, вид и концентрацию питатель-

ных веществ, меру накопления токсичных продуктов обмена, содер-

жание биогенных веществ и растворенного кислорода.

С повышением концентрации кислорода в сточной воде скорость

потребления его увеличивается. Однако это происходит только до оп-

ределенного предела. Концентрация кислорода в воде, при которой

скорость потребления его становится постоянной и не зависит от

дальнейшего повышения концентрации, называется критической

Критическая концентрация меньше равновесной с

концентрации и

зависит от природы микрорганизмов и температуры.

Скорость роста концентрации кислорода, растворенного в воде,

равна скорости абсорбции минус скорость потребления:

dc/dt= P

V(C

-C)-U

, (II.219) O

. (11.220)

где с. — концентрация O

в клетке; Q

— расход кислорода.

Если скорость потребления о

меньше скорости абсорбции, то

концентрация кислорода в сточной воде возрастает, что приведет к

снижению скорости абсорбции. В результате в сточной воде уста-

навливается концентрация кислорода с

, соответствующая стацио-

нарным условиям, при которых с

будет постоянной, так как скорость

абсорбции равна скорости потребления:

»п= P

V(C

-C). (11.221)

Признаком достаточной аэрации сточной воды является положи-

тельная разность C

-C

icp

. Эту разность поддерживать минимальной,

так как чем ниже с

, тем больше движущая сила абсорбции.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления

необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных эле-

ментов и

микроэлементов:

N, S, Р, К, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Ni,

Со, Zn, Cu и др. Среди этих элементов основными являются N, P и

К, которые при биохимической очистке должны присутствовать в

необходимых количествах. Содержание остальных элементов не нор-

мируется, так как их в сточных водах достаточно.

Недостаток азота тормозит окисление органических загрязните-

лей и приводит к образованию труднооседающего ила. Недостаток

фосфора приводит к развитию нитчатых бактерий, что является ос-

новной причиной вспуханий активного ила, плохого оседания и вы-

носа его из очистных сооружений, замедления роста ила и снижения

интенсивности окисления. Биогенные элементы лучше всего усваи-

413

ваются в форме соединений, в которой они находятся в микробных

клетках: азот — в форме аммонийной группы NH

, а фосфор — в

виде солей фосфорных кислот.

Содержание биогенных элементов зависит от состава сточных

вод и должно устанавливаться экспериментально. Для ориентиро-

вочных подсчетов можно воспользоваться следующим соотношени-

ем БПК

полн

: N:P=100:5:1. Такое соотношение правильно применять

только в течение первых 3 суток. При необходимости большей про-

должительности очистки во избежание снижения выхода активного

ила следует уменьшить содержания азота и фосфора в сточной воде.

При продолжительности очистки 20 суток отношение БПК

поли

: N:P

следует поддерживать на уровне 200:5:1. Точная дозировка азота и

фосфора может быть обеспечена соблюдением стехиометрических

соотношений.

При нехватке азота, фосфора и калия в сточную воду вводят раз-

личные азотные, фосфорные и калийные удобрения. Соответствую-

щие соединения азота, фосфора и калия содержатся в бытовых сточ-

ных водах, поэтому при их совместной очистке с промышленными

стоками добавлять биогенные элементы не надо.

10.4. Очистка в природных условиях

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в

природных условиях и в искусственных сооружениях. В естествен-

ных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильт-

рации и биологических прудах.

Иску

сственными сооружениями яв-

ляются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип сооруже-

ний выбирают с учетом местоположения завода, климатических ус-

ловий, источника водоснабжения, объема промышленных и быто-

вых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусст-

венных сооружениях процессы протекают с большей скоростью, чем

в естественных условиях.

Поля орошения. Это специально подготовленные земельные уча-

стки, используемые одновременно для очищения сточных вод и аг-

рокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под

действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием

жизнедеятельности растений.

В почве полей орошения находятся бактерии, актиномицеты,

дрожжи, грибы, водоросли, простейшие и беспозвоночные живот-

ные. Сточные воды содержат в основном бактерии. В смешанных

414

биоценозах активного слоя почвы возникают сложные взаимодей-

ствия микроорганизмов симбиотического и конкурентного порядка.

Количество микроорганизмов в почве земледельческих полей оро-

шения зависит от времени года. Зимой количество микроорганизмов

значительно меньше, чем летом.

Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культу-

ры и они предназначены только для биологической очистки сточных

вод, то они называются

полями

фильтрации. Земледельческие поля

орошения после биологической очистки сточных вод, увлажнения и

удобрения используют для выращивания зерновых и силосных ку ль-

тур, трав, овощей, а также для посадки деревьев и

ку

старников.

Земледельческие поля орошения имеют следующие преиму щества

перед аэротенками (см. разд. 10.5): 1) снижаются капитальные и эк-

сплуатационные затраты; 2) исключается сброс стоков за пределы

орошаемой площади; 3) обеспечивается получение высоких и устой-

чивых урожаев сельскохозяйственных растений; 4) вовлекаются в

сельскохозяйственный оборот малопроду ктивные земли.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через

фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и

коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную плен-

ку-. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы

и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из возду

ха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их

в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кис-

лорода затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление проис-

ходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м). При недостатке кислорода

в прудах начинают преобладать анаэробные процессы.

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и

черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м

от поверхности. Если грунтовые воды залегают выше этого уровня,

то необходимо устраивать дренаж.

Часть территории земледельческого поля орошения отводят под

резервное поле фильтрации, так как некоторые периоды года не до-

пускают выпуск сточной воды на поля орошения. В этом случае об-

щая площадь поля орошения будет:

об

= К(

по

ф)

(Р

Яф

Я'ф)' ^

222

)

где К — коэффициент запаса ( в пределах 1,2-1,3); F

и F

— пло-

щади полей соответственно орошения и фильтрации, га; Q — расход

415

сточных вод, м

/сут;

<|5

и q^ — нагрузка сточных вод на поля орошения

и фильтрации, м

/(гасут) [принимают равными 5-20 м

/(га сут)].

В зимнее время сточную воду направляют только на резервные

поля фильтрации. Так как в этот период фильтрация сточной воды

или прекращается полностью или замедляется, то резервное поле

фильтрации проектируют с учетом площади намораживания F

(В

н^

Л M(

H-

O)Pj' Ш-223)

где Q — расход сточных вод, м

/сут; T

— число дней наморажива-

ния; P — коэффициент, характеризующий величину зимней фильт-

рации; h

и h

— высоты слоев соответственно намораживания и зим-

них осадков, м; р

— плотность льда, кг/м

Очистка сточных вод с одновременным их использованием для

орошения и удобрения может быть проведена по разным вариантам

схем (рис. 11-69).

Вариант 1. Сточные воды после механической обработки посту-

пают в пруды-накопители, а затем по каналу — в пруды-испарители

и на поля оршения.

Вариант 2. Сточные воды после физико-химической очистки на-

правляют в биологические пруды, а затем на поля орошения или сна-

чала на поля фильтрации, а потом на поля оршения.

Производство

Сточные

воды

Очищенные

воды

Очищенные

воды

4 7

юливные

•цоды

Поливные

воды

Очищенные воды

Водоем

Рис. II-69. Варианты естественной биохимической очистки сточных

вод: 1 —

сооружения механической очистки; 2 — сооружения физико-химической очистки;

3 — сооружения биохимической очистки; 4 — пруды-илоуплотнители или биоло-

гические пруды; 5 — отводной канал; 6 — пруд-испаритель; 7 — поля фильтра-

ции; 8 — земледельческие поля орошения

416

Вариант 3. Сточные воды после механической, физико-химичес-

кой и биохимической очистки направляют на поля орошения, а в

неполивной период сбрасывают в водоем.

В последнее время широкое распространение получило подпоч-

венное орошение сточными водами, распределяемыми через трубча-

тые асбестоцементные или полиэтиленовые увлажнители. Такое оро-

шение позволяет наиболее полно использовать удобрительные свой-

ства сточных вод, автоматизировать процессы полива и обеспечить

санитарно-гигиенические требования.

Биологические пруды. Представляют собой каскад прудов, со-

стоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью про-

текает осветленная, или биологически очищенная сточная вода. Пру-

ды предназначены для биологической очистки и доочистки сточных

вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Различают

пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с есте-

ственной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо про-

греваются солнцем и заселены водными организмами.

Бактерии используют для окисления загрязнений кислород, вы-

деляемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из

воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют CO

, фосфаты и ам-

монийный азот, выделяемые при биохимическом разложении орга-

нических веществ. Для нормальной работы необходимо соблюдать

оптимальные значения рН и температуры сточных вод. Температура

должна быть не менее 6°С. В зимнее время пруды не работают.

При расчете прудов определяют их размеры, обеспечивающие

необходимую продолжительность пребывания в них сточных вод. В

основе расчета — определение скорости окисления, которую оцени-

вают по БПК и принимают для вещества, разлагающегося наиболее

медленно, ~

Продолжительность пребывания сточных вод в биологических

прудах с естественной аэрацией определяют по формуле:

т - (1 / K

)ig[(L -L

) / (L-L

), (11.224)

где K

— константа скорости потребления кислорода, 1/сут; L

—

БПК

шлн

воды, поступающей на очистку; мг 0

/л; L

— БПК

полн

воды,

выходящей из пруда, мг 0

/л; L

—БПК

полн

воды, обусловленная внут-

риводоемными процессами, мг OJn.

Для теплого времени принимают L

=6 и L

=3 мг 0

/л, для холод-

ного — L =4-5 и L =1-2 мг 07л. Константа K

зависит от состава

В Г 2 1

сточных вод и температуры.

417

Активную поверхность биологического пруда определяют по

формуле:

= a

Q(L

-L

) / [(e-b)rj, (11.225)

где Q —расход сточных вод, м

/сут; L

, L

— БПК

полн

соответственно

поступающих и очищенных сточных вод, мг O

Ai; a, b — раствори-

мость кислорода в воде соответственно в начале процесса и по исте-

чении времени т, мг/л;

— атмосферная реаэрация, г/(м

сут).

Фактическая площадь пруда равна:

F = FAx'. (11.226)

Для прудов с сильно изрезанными берегами а'=0,5-0,6, для пру-

дов с ровными берегами а'=0,8-0,9.

Для повышения скорости растворения кислорода, а следователь-

но, и повышения скорости окисления сооружают аэрируемые пру-

ды. Аэрацию проводят механическим и пневматическим путем. Аэра-

ция позволяет в 3—3,5 раза повысить нагрузку по загрязнениям и

увеличить глубину пруда до 3,5 м.

Для определения снижения БПК сточных вод в аэрируемых пру-

дах предложена формула:

т т

Г1-ехр (-a)T _ ,

{[1

- ехр (-а)]/ а}" ,

тт

где а = 1+2,3K

V/Q; V — объем одной секции, м

; п — число секций

пруда.

Для подачи воздуха при пневматической аэрации используют ком-

прессоры низкого давления. При этом кроме насыщения воды кисло-

родом происходит ее перемешивание.

На эффективность процессов очистки сточных вод в прудах ока-

зывает влияние и водная растительность. Она потребляет из воды

растворенные биогенные элементы.

Перед использованием воды, доочищенной в биологическом пруде,

в системе технического водоснабжения ее обрабатывают хлором.

В стабилизационных прудах одновременно идут процессы био-

флокуляции, отстаивания, фотосинтеза и стабилизации активного

ила. Пруды используют как для полной очистки, так и для доочистки

сточных вод.

Объем пруда может быть рассчитан по эмпирической формуле:

V = Н

ехрс(Т-Т),

(11.228)

418

где N

— концентрация активного ила; L

— БПК поступающей сточ-

ной воды; X

— оптимальное время пребывания сточных вод; с —

температурная константа; T

— T — разность оптимальной и рабо-

чей температур.

10.5. Очистка в искусственных сооружениях

В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или

биофильтрах.

Очистка в аэротенках. Аэротенками называют железобетонные

аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке идет по мере

протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активно-

го ила (рис. II-70). Аэрация необходима для насыщения воды кисло-

родом и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Сточную воду направляют

отстойник, куда для улучшения осаж-

дения взвешенных частиц можно подавать часть избыточного ила.

Затем осветленная вода поступает в предаэратор-усреднитель, в ко-

торый направляют часть избыточного ила из вторичного отстойни-

ка. Здесь сточные воды предварительно аэрируются воздухом в те-

чение 15-20 мин. В случае необходимости в пред аэратор могут быть

введены нейтрализующие добавки и питательные вещества. Из ус-

реднителя СТОЧНУЮ воду* подают в аэротенк, через который циркули-

рует и активный ил.

Биохимические процессы, протекающие в аэротенке, могут быть

Сточная

вода

Осадок

АДА

Воздух

Очищен-Г

наявода

У\.

у лД

Л Л Л Л А

Активный

ил

Рис. И-70. Схема установки для биологической очистки: 1 — первичный от-

стойник; 2 — предаэратор; 3 — аэротенк; 4 — регенератор; 5 — вторичный от-

стойник

419

разделены на два этапа: 1) адсорбция поверхностью активного ила

органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ

при интенсивном потреблении кислорода; 2) доокисление медленно

окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила.

На этом этапе кислород потребляется медленнее.

Как правило, аэротенк разделен на две части: регенератор (25%

от общего объема) и собственно аэротенк, в котором идет основной

процесс очистки. Наличие регенератора дает возможность очищать

более концентрированные сточные воды и увеличить производитель-

ность агрегата.

Перед аэротенком сточная жидкость должна содержать не более

150 мг/л взвешенных частиц и не более 25 мг/л нефтепродуктов.

Температура очищаемых вод не должна быть ниже 6°С и выше 30°С,

а рН — в пределах 6,5-9.

После контактирования сточная вода с илом поступает во вто-

ричный отстойник, где происходит отделение ила от воды. Большую

часть ила возвращают в аэротенк, а его избыток направляют в пре-

даэратор.

Аэротенк представляет собой открытый бассейн, оборудованный

устройствами для принудительной аэрации. Они бывают дBV

X-, трех-

и четырехкоридорные. Глу бина аэротенков 2-5 метров.

Аэротенки подразделяются по след>к>щим основным признакам:

1) по гидродинамическому режиму — на аэротенки-вытеснители,

аэротенки-смесители и аэротенки промежуточного типа (с рассредо-

точенным вводом сточных вод); 2) по способу регенерации активно-

го ила — на аэротенки с отдельной регенерацией и аэротенки без

отдельной регенерации; 3) по нагрузке на

активный ил

— на высоко-

нагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые

(с продленной аэрацией); 4) по количеству ступеней — на одно-,

двух- и многоступенчатые; 5) по режиму ввода сточных вод — на

проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем и кон-

тактные; 6) по

конструктивным

признакам.

Наиболее распространены коридорные аэротенки, работающие

как вытеснители, смесители и с комбинированными режимами.

Схемы аэротенков с различной структурой потоков сточной воды

и возвратного активного ила показаны на рис.П-71.

аэротенках-вытеснителях

воду' и ил подают в начало соору-

жения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 1—4 коридора.

Теоретически режим потока поршневой, без продольного перемеши-

420

Активный ил

Рис.

Н-71.

Аэротенки

с различной структурой потоков

сточной воды

возврат-

ного активного ила: а — аэротенк-вытеснитель; б — аэротенк-смеситель; в — аэто-

тенк с рассредоточенной подачей сточной воды

вания. На практике существует значительное продольное перемеши-

вание. Повышенная концентрация загрязнений в начале сооружения

обеспечивает увеличение скорости окисления. Изменение состава

воды по длине аэротенка затрудняет адаптацию ила и снижает его

активность. Такие аэротенки применяют для окисления малоконцен-

трированных вод (до 300 мг/л по БПК

поли

В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль

длинных сторон коридора аэротенка. Полное смешение в них сточ-

ной воды с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентра-

ций ила и скоростей процесса биохимического окисления. Такие аэро-

тенки предназначены для очистки концентрированных призводствен-

ных сточных вод (БПК

полн

до 1000 мг/л) при разных колебаниях их

распада, состава и количества загрязнений.

В аэротенки с рассредоточенной подачей воды ее подают в не-

скольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части.

Возвратный ил подают в начало аэротенка. Эти аппараты занимают

промежуточное положение между вытеснигельными и смесительными.

Основные технологические схемы очистки сточных вод в аэро-

тенках представлены на рис. 11-72.

Одноступенчатые схемы без регенерации ила применяют при

БПК

полн

сточной воды не более 150 мг/л, с регенерацией — более

150 мг/л и при наличии вредных производственных примесей. Двух-

ступенчатые схемы применяют при очистке высоконцентрированных

сточных вод.

Аэрация. Растворимость кислорода в воде мала (зависит от тем-

пературы и давления), поэтому для насыщения воды кислородом по-

дают большое количество воздуха.