Автор: В.В. Буренин, канд. техн. наук, профессор (Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Опубликовано на портале «Химическая техника», декабрь 2021

В современном мире с развитием производства техногенное загрязнение окружающей природной среды приобретает глобальные масштабы, что негативно отражается на здоровье людей, на животном и растительном мире нашей планеты. По оценкам экспертов ВОЗ, 80% болезней человека обусловлено экологическими проблемами[1].

Защита окружающей среды, в том числе и природных водных объектов, от промышленных выбросов заключается в создании так называемых безотходных или малоотходных технологических процессов, при которых вредные выбросы отсутствуют или являются незначительными. Те отходы, которые в настоящее время не могут быть устранены, должны подвергаться такой степени очистки, чтобы при выбросе они не оказывали вредных воздействий на природу.

Промышленные предприятия потребляют большое количество чистой пресной (технической) воды. Она используется в производственном цикле, на вспомогательных участках, для бытовых целей. Вода может быть средой для проведения химических реакций, охлаждающим агентом в теплообменной аппаратуре, ее используют для мытья оборудования, производственных помещений т.д. Взаимодействуя с различными веществами в технологическом цикле, вода в конечном счете насыщается вредными загрязняющими примесями и превращается в сточную воду.

Многие технологические процессы предприятий химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств и других промышленных предприятий сопровождаются   поступлением вредных загрязняющих веществ, содержащихся в недостаточно очищенных производственных сточных водах, в водные объекты и на рельеф местности.

В производственных сточных водах этих предприятий содержатся нефть и нефтепродукты, тяжелые металлы, взвешенные твердые и пластичные частицы различного химического состава, растворенные химические вещества и другие примеси, способные нанести вред здоровью человека и состоянию природной окружающей среды.

Нефть и нефтепродукты относятся к наиболее распространенным из опасных веществ, загрязняющих окружающую среды. Поступая в природные водные объекты с недостаточно очищенными сточными водами, они изменяют физическое, химическое и биологическое состояние водоемов.

Для природных водоемов с поступлением в них сточных вод, содержащих нефтепродукты, можно выделить следующие формы содержания нефти в водной среде: плавающую (свободную), растворенную (до 2 мг/л) и эмульгированную.

В каждом природном водоеме имеются фауна и флора, в том числе планктон (взвешенные в толще воды мелкие и мельчайшие низшие организмы) и бентос (природные организмы, необходимые для питания рыб). Между составными частями гидросферы существует определенное для каждого водоема биологическое равновесие, которое нарушают сбрасываемые в водоем недостаточно очищенные производственные сточные воды. Поэтому их необходимо очищать до такой степени, чтобы после смешения с водой водоема не были превышены нормативные требования, обеспечивающие в нем нормальную жизнь.

Очистка и обезвреживание сточных вод промышленных предприятий от вредных производственных примесей перед поступлением их в наружную канализационную сеть, в водоемы, на рельеф местности или в замкнутую систему водоснабжения для повторного использования в технологических процессах осуществляется с помощью механических, силовых, адсорбционных, физико-химических, биохимических, биологических и других способов очистки [2].

Выбор того или иного способа очистки и обезвреживания производственных сточных вод, применение очистительного оборудования: гидравлических фильтров, устройств и установок зависят от требований к степени очистки сточных вод, физико-химических свойств содержащихся в них вредных примесей, места установки и условий эксплуатации очистительного оборудования и т.д.

В последние годы ведущие в области фильтровальной техники российские и зарубежные фирмы разработали, запатентовали и выпускают новые конструкции фильтров, устройств и установок для очистки и обезвреживания производственных сточных вод от взвешенных и растворенных вредных примесей, отличающихся улучшенными характеристиками.

К аппаратам, установкам и устройствам механического и силового способов очистки сточных вод (промышленных стоков) относятся:

  • решётки и сита для процеживания;
  • гидроциклоны;
  • отстойники;
  • нефтеловушки (маслоловушки);
  • фильтры с перегородкой из сетчатого, пористого или зернистого материала.

Повышенным качеством очистки сточных вод от взвешенных частиц загрязнений отличается механическое фильтрующее устройство [3], содержащее разделенный на две секции 2 и 10 (рис.1) цилиндрический корпус 4 с трубопроводами: 1-для подачи сточных вод на очистку, 7-для отвода очищенных сточных вод, 13-для отвода взвешенных частиц загрязнений, фильтрующий элемент 9, выполненный в виде сетки, и шток 5, соединенный с вибратором продольно направленных колебаний. Устройство снабжено серией трубок 11, соединенных с одной стороны посредством трубопровода 12 с вакуум-насосом (на рис.1 вакуум насос не показан), а с другой – с трубопроводом с трубчатым сильфоном 7 для отвода очищенных сточных вод, выполненным в виде трубчатого сифона, размещенного внутри корпуса 4. Корпус 4 снабжен вертикальной перегородкой 3 и выполнен с коническим днищем, а в длинном колене трубчатого сифона 7 установлена подложка 8, жестко соединенная со штоком 5 с одной стороны и посредством стяжных элементов с фильтрующим элементом 9 с другой. Фильтрующее устройство позволяет обеспечить полную очистку фильтрующей сетки элемента 9 от задержанных взвешенных частиц загрязнений из очищаемых сточных вод за счет обеспечения циклической работы трубчатого сифона 7, что приводит к отсутствию подпора жидкости с взвешенными частицами загрязнений на фильтрующий элемент 9 в момент его очистки.

Рис.1 Механическое фильтрующее устройство для очистки сточных вод от взвешенных частиц загрязнений с фильтрующим элементом, выполненным в виде сетки.

Фильтрующее устройство позволяет повысить качество очистки сточных вод от взвешенных частиц загрязнений за счет устранения остаточных частиц загрязнений на сетке фильтрующего элемента 9 в результате отсутствия подпора жидкости со взвешенными частицами на фильтрующий элемент 9 в момент его очистки в результате обеспечения циклической работы трубчатого сифона 7.

Высоким качеством очистки производственных сточных вод от взвешенных частиц загрязнений, органических веществ, ионов тяжелых металлов и т.д. и повышенной производительностью отличается механический насыпной зернистый фильтр [4], содержащий корпус с патрубками ввода очищаемых сточных вод и вывода очищенной жидкости, и фильтрующую загрузку, расположенную внутри корпуса, устройства для подачи промывочной жидкости и атмосферного воздуха. Корпус фильтра вертикальными перегородками делится на три зоны: зону подачи на очистку сточных вод, зону очистки сточных вод с фильтрующей загрузкой, зону сбора очищенных сточных вод. Фильтр имеет простую конструкцию, удобен в эксплуатации и обеспечивает длительную непрерывную работу до регенерации фильтрующей загрузки.

Сорбция (адсорбция, абсорбция) – один из наиболее универсальных способов очистки сточных вод от растворенных соединений. Традиционными адсорбентами являются активированные угли и природные адсорбенты: диатомит, шунгит, трепел, глауконит и др. Используются также в качестве адсорбентов синтетические материалы.

Достоинствами адсорбционного и абсорбционного способов очистки сточных вод от вредных растворенных примесей являются: глубокая степень очистки при правильном подборе адсорбентов и абсорбентов; селективность извлечения примесей, что дает возможность их вторичного использования. Однако эти способы малопроизводительны, требует больших капитальных затрат, является дорогими при эксплуатации.

Адсорбционный и механический способы очистки сточных вод от взвешенных частиц загрязняющий и ионов меди [5] включают фильтрацию очищаемых сточных вод через слой гранулированного адсорбента высотой от 0,035 до 0,045 м. В качестве адсорбента применяется нефелиновый шлам. Способ очистки обеспечивает увеличение скорости фильтрации сточных вод, что приводит к сокращению времени очистки, уменьшению расхода адсорбента и, следовательно, стоимости очистки.

Разработанный новый высокоэффективный модифицированный адсорбционный материал на основе бентонитных глин и древесных опилок [6] хорошо сочетает в себе фильтрационные, сорбционные и ионообменные свойства при очистке хромосодержащих сточных вод гальванических производств. Этот материал-адсорбент отличается невысокой стоимостью, не требуют модернизации существующих очистных установок и позволяет привести содержание токсичных компонентов, содержащихся в очищаемых сточных водах, в соответствие с нормами ПДК перед сбросом их в водные объекты или на рельеф местности.

Повышенной адсорбционной активностью по отношению к ионам меди, растворенных в производственных сточных водах, отличается адсорбент [7], представляющий собой отработанный в процессе фильтрации пива кизельгур, подвергнутый сушке при температуре 50-200°C и последующей термической активацией при температуре 60-100°C. Активацию проводят в 2,0-2,5 М растворе гидроксида натрия, взятого из расчета 100мл раствора на 10-30 грамм кизельгура.

Проблема очистки производственных сточных вод от ионов тяжелых металлов всегда остается одной из самых острых экологических проблем [8]. Сточные воды, содержащие ионы тяжелых металлов, токсичных для человека и животных и оказывают на них канцерогенное и мутационное воздействия.

Обычно сточные воды очищают от ионов тяжелых металлов переводом их в нерастворимые в воде соединения введением в загрязненный поток щелочи. Образующиеся водонерастворимые сульфиды удаляют различными способами разделения жидких неоднородных систем. Степень очистки зависит от исходной концентрации загрязнений, рН, наличия комплексообразователей ионной силы раствора, природы щелочного реагента, а также особенности технологии коагуляции, флуктуации и разделения осадков и жидкой фазы.

Способ получения адсорбента повышенной емкости для извлечения ионов мышьяка разной валентности из сточных вод [9] включает измельчение носителя, представляющего собой смесь травертина и геденбергита до размера фракций 1-3 мм, добавление в смесь хлорида железа (III) в следующем соотношении, мас. %: травертин 9,00; геденбергит 2,25; хлорид железа 88,75. Компоненты смешивают с водой, нагревают до температуры 40 °C и добавляют водный раствор концентрированного аммиака до рН 11. После перемешивания суспензию переливают в емкость, где создают разрежение до 10 мбар. Полученный продукт промывают водой с одновременной фильтрацией и сушат при температуре 140°C.

Способ очистки производственных сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты, например, отработанные смазочно-охлаждающие жидкости [10], заключается в пропускании очищаемых сточных вод через фильтр, заполненный адсорбционным комплексом. Адсорбционный комплекс состоит из сфер магнитотвердого материала с преимущественным диаметром 8-10 мм, являющихся постоянными магнитами, гранул и порошка с диаметром частиц не более 100 мкм прокаленного гальваношлама, являющихся в основном γ-оксидами железа. Указанные компоненты смешиваются в соотношении 8:2:1 (мас.ч). Гранулы и порошок γ-оксида железа являются адсорбентами и деэмульгаторами, удерживаемыми за счет магнитного поля на поверхности шариков магнитотвердого материала. Способ позволяет качественно деэмульгировать и очистить сточные воды от нефтепродуктов с помощью адсорбционного комплекса при снижении энергозатрат и обеспечении долговременного использования адсорбционного комплекса.

К физико-химическим методам (способам) очистки сточных вод от нефтепродуктов и других загрязнений относят флотацию, коагуляцию, флокуляцию и ионообмен.

Применение процесса флотации позволяет интенсифицировать всплывание нефтепродуктов и других загрязнений за счет обволакивания их пузырьками воздуха, который подается в сточные воды. В зависимости от процесса образования пузырьков воздуха различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, биологическую, вибрационную и электрофлотацию.

Флотационная очистка сточных вод в значительной степени зависит от количества диспергируемого воздуха и размера образующихся воздушных пузырьков, а также от условий контакта воздушных пузырьков с частицами загрязнений, преимущественно с гидрофобной поверхностью. Поэтому разработаны флотационные колонные аппараты [11], обеспечивающие достаточно высокую вероятность столкновения частиц загрязнений в очищаемых сточных водах с воздушными пузырьками благодаря встречному движению частиц загрязнений и воздушных пузырьков, а также высокую вероятность слипания и сохранности минерализованных воздушных пузырьков. К преимуществам флотационных колонных аппаратов следует отнести также низкую энергоемкость, небольшие капитальные затраты и небольшую площадь, необходимую для установки.

Высокой эффективностью очистки сточных вод отличается флотационная машина с фильтрующим элементом адсорбционного типа [12] , схема которой изображена на рис.2. Загрузка фильтрующего элемента машины выполнена из адсорбционного материала, например активированного угля, сипрона, визопрона, мегасорба и т.п. Флотационная машина состоит из корпуса 1, на внешней стороне которого установлен входной патрубок 2, через который загрязненные сточные воды подаются на очистку в нижнюю часть корпуса 1 в зону аэрации, создаваемую дисковыми аэраторами 12 и 13, являющимися генераторами пузырьков воздуха. При движении загрязненных сточных вод в зоне аэрации гидрофобные загрязнения при контактах с пузырьками воздуха слипаются с ними в флотокомплексы: «частица загрязнений + пузырек воздуха». Образовавшиеся флотокомплексы поднимаются вверх, образуя пенный слой, который самотеком или принудительно с помощью насоса удаляется из корпуса 1 флотационной машины через пенный желоб 3 и патрубок 4 в шламосборник (на рис.2 шламосборник не показан). Предварительно очищенные сточные воды из зоны аэрации выводятся через блок тонкослойного улавливания пузырьков воздуха 7. Флотокомплексы, попавшие в междуполочное пространство, быстро достигают верхней полки из-за малого расстояния между полками (от 10 до 150 мм). Прилипшие к верхней полке флотокомплексы объединяются (коалесцируют) в большие флотокомплексы, что способствует появлению большой выталкивающей силы и быстрому всплыванию этих больших флотокомплексов в верхний пенный слой. Предварительно очищенные сточные воды, прошедшие межполочное пространство, попадают в зону фильтрования, в которой находится фильтрующий элемент 8 адсорбционного типа. Прилипшие флотокомплексы на внешней перфорированной поверхности фильтрующего элемента 8 коалесцируют между собой так же, как в блоке тонкослойного осветления 7. Внутри фильтрующего элемента 8 находится специальный материал 9, улавливающий загрязнения, находящиеся во взвешенном состоянии. Далее очищенные сточные воды проходят через устройство регулирования уровня жидкости 12 и выводятся через патрубок 11.

Рис.2 Схема флотационной машины с фильтрующим элементом адсорбционного типа для очистки сточных вод от гидрофобных загрязнений.

Эффективность очистки производственных вод в флотационной машине с фильтрующим элементом адсорбционного типа составляет 98-99,5%, причем абсолютное значение концентраций гидрофобных загрязнений в очищенных сточных водах составляет от 0,05 до 0,5 мг/л. Достигнутые показатели по нефтепродуктам и взвешенным веществам в очищенных в флотационной машине сточным водам не превышают установленных ПДК для рыбохозяйственных водоемов.

Удобная в эксплуатации установка для очистки поверхностных нефтесодержащих сточных вод с территории промышленного предприятия [13] изображена на рис.3. Сточные воды, пройдя через фильтрующую решетку 3 собираются в емкости-отстойнике 2. Из емкости 2 сточные воды откачиваются погружным насосом 1 и подаются в пневматическую флотационную машину 4 типа ПФМ-0,5 с тонкослойным блоком осветления. Очищаемые нефтесодержащие сточные воды последовательно проходят четыре камеры, при этом улавливаемые нефтезагрязнения в виде пенного продукта, собирается в верхней части слоя очищаемых сточных вод. Всплывающие нефтепродукты вместе с пузырьками воздуха создают пенный слой, который самотеком удаляется в сборник пенного продукта 5 (поставляется вместе с флотационной машиной 4 типа ПФМ-0,5).

Рис.3 Схема установки с пневматической флотационной машиной для очистки поверхностных нефтесодержащих сточных вод от нефтезагрязнений.

После отстоя пенного продукта, представляющего собой смесь очищаемых сточных вод и уловленных нефтепродуктов, предварительно очищенные выводятся из флотационной машины 4, путем последовательного прохождения через блок тонкослойного осветления и устройство поддержания заданного уровня очищаемых сточных вод во флотационной машине 4, и самотеком поступают в промежуточный резервуар-сборник 6. С помощью поверхностного насоса 7 предварительно очищенные сточные воды подаются на доочистку в адсорбционные фильтры 8 и 9. Первый по ходу движения очищаемых сточных вод адсорбционный фильтр 8 имеет комбинированную загрузку, а второй адсорбционный фильтр 9 полностью загружен активированным углем. В этих фильтрах 8 и 9 напорного типа используется уголь, близкий по своим свойствам к углю марки АГ-3. Это позволяет провести доочистку поверхностных нефтесодержащих сточных вод до остаточного содержания нефтепродуктов не более 0,05 мг/л. С учетом сезонной специфики работы установки для очистки поверхностных нефтесодержащих сточных вод предлагается не регенерировать угольную загрузку, а использовать ее для очистки только в течение одного сезона. Эффективно очищенные сточные воды с содержанием нефтепродуктов не более 0,05 мг/л могут быть сброшены на рельеф местности или в расположенный рядом природный водоем.

Повышенным качеством очистки производственных сточных вод от взвешенных и растворенных вредных примесей отличается флотационно-фильтрационная установка [14], содержащая в накопителе для сточных вод заборный фильтр 1 (рис.4), всасывающий трубопровод 2, обратный клапан 6,насосный агрегат 29, эжектор 31, соединенный с байпасным трубопроводом 30 и установленный на входе насосного агрегата 29, камеру флотации 16 с фильтром 18 и слоем адсорбирующей фильтрующей загрузки 19, а на входе в эжектор 31 установлена защитная сетка, служащая для предотвращения засорения сопла эжектора 31. Эжектор 31 имеет два штуцера, один из которых 5 служит для ввода раствора реагента и соединяется трубкой 7 с насосом-дозатором 8, а другой 4 служит для подсоса атмосферного воздуха и имеет регулировочный винт 3. Эжектор 31 связан с двухступенчатым сатуратором 21,вторая ступень которого содержит манометр 27 и выходную магистраль 25, соединенную с единым трубопроводом 24. Вторая ступень сатуратора 21 через обратный клапан 26 связана с распределительным коллектором 22 через сопла 23, расположенные в нижней части камеры флотации 16, содержащей скребковый механизм 14, лоток 15 и переливную трубку 13, связанную с верхней частью фильтра 18, имеющего слой адсорбирующей фильтрующей загрузки 19, которая удерживается поддерживающей 20 и прижимной 17 рамками.

Рис.4 Флотационно-фильтрационная установка для очистки производственных сточных вод от взвешенных и растворенных вредных примесей.

В насосном агрегате 29 происходит смешивание очищаемых сточных вод с раствором реагента и воздухом, после чего смесь поступает по трубопроводу 28 в сатуратор 21. Здесь под давление 0,5-5.5 мПа происходит растворение воздуха в сточных водах и смешивание с реагентом. Из второй ступени сатуратора 21 очищаемые сточные воды по трубопроводу 25, через обратный клапан, поступают в распределительный коллектор 22 через сопла 23.

В нижней части камеры флотации 16 происходит сброс давления и из очищаемых сточных вод выделяется растворенный воздух в виде мельчайших пузырьков, к которым прилипают частицы загрязнений. Шлам собирается на поверхности сточных вод во флотационной камере 16 в виде пены, которая собирается скребковым механизмом (шламоудалителем) 14 и сбрасывается в лоток 15 и далее через патрубок 10 поступает в шламовую емкость (на рис.4 шламовая емкость не показана) для отстаивания и последующего использования после переработки.

Из камеры флотации 16 очищенные от шлама сточные воды поступают в нижнюю часть фильтра 18, проходят через слой адсорбирующей фильтрующей загрузки 19. Очищенные сточные воды сбрасываются через переливной карман 12 и патрубок 9. Загрузка 19 фильтра 18 удерживается рамками 20 и 17. При засорении загрузки 19 фильтр 18 извлекается из флотационно-фильтрационной установки и промывается загрузка 19 сверху струей промывочной воды, которая сбрасывается через кран 11 в отстойник.

Флотационно-фильтрационная установка предназначена для использования в замкнутой системе водоснабжения и отличается удобством эксплуатации.

Коагуляцию осуществляется путем добавления в очищаемые сточные воды специальных химических (осаждающих или эмульгирующих) веществ. При соединении мельчайших взвешенных частиц в крупные хлопья часть загрязнений, находящихся до этого во взвешенном состоянии, оседает. Процесс хлопьеобразования при добавлении в очищаемые сточные воды химических веществ аналогичен химическому процессу осаждения, при котором в результате реакции растворенные вещества переводятся в нерастворимый осадок.

Коагуляция наиболее эффективна для удаления из сточных вод коллоидно-дисперсных частиц (размером 1-100 мкм).

Для повышения качества очистки производственных сточных вод, а также ускорения процессов коагуляции и увеличения скорости осаждения образующихся хлопьев из загрязнений применяют флокуляцию – добавление специальных веществ-флокулянтов органического и неорганического происхождения.

Удобством эксплуатации, повышенной производительностью, увеличенной скоростью отделения взвешенных частиц загрязнений, нефти и нефтепродуктов от очищаемых производственных сточных вод отличается установка для очистки сточных вод с использованием коалесцентного и сорбентного фильтров [15], включающая фильтр-отстойник 15 (рис.5), резервуары для сбора очищаемых 13 и очищенных 6 сточных вод, резервуар для нефти, нефтепродуктов и шлама 8, трубопровод для удаления механических примесей и шлама 16, электронасосную установку 4 для откачки загрязненных сточных вод, сорбентный фильтр 5, электронасосную установку 7 для откачки из заполненного нефтепродуктами резервуара 8, коалесцентный фильтр 12, нагреватель 14, смотровое устройство 9 и задвижку 3.

Рис.5 Установка для очистки сточных вод от взвешенных частиц загрязнений, нефти, нефтепродуктов с использованием коалесцентного и сорбционного фильтров.

Через решетку 1 для приема сточных вод на очистку, приемный трубопровод 2, открытую задвижку 3 загрязненные сточные воды поступают в отстойник 15. После прохождения отстойника 15 сточные воды поступают в резервуар 13, который оборудован коалесцентным фильтром 12 и нагревателем 14. Вследствие меньшего удельного веса нефтепродуктов по сравнению с удельным весом очищаемых сточных вод они поднимаются вверх, проходя через фильтр 12, в котором происходит коалесценция капелек нефтепродуктов.

Затем с помощью электронасосной установки 4 укрупненные капельки нефтепродуктов вместе с верхним слоем сточных вод в резервуаре 13 поступают в резервуар 8. После откачки капелек нефтепродуктов с верхним слоем сточных вод из резервуара 13 производится подача по трубопроводу 11 загрязненных сточных вод в сорбционный фильтр 5 и в резервуар очищенных сточных вод 6.

Из резервуара 8 отстоявшиеся сточные воды через трубопровод 10 сливаются в резервуар 13. Откачка нефтепродуктов из резервуара 8 в автомобильную цистерну осуществляется с помощью электронасосной установки 7. Нагреватель 14 позволяет увеличить скорость отделения нефтепродуктов от очищаемых сточных вод.

Биохимическая очистка сточных вод основана на способности некоторых микроорганизмов разрушать органические и неорганические соединения (например, сульфиды и соли аммония), превращая их в безвредные продукты окисления – воду, двуокись углерода, нитрат- и сульфат-ионы и др. Способы биохимической очистки очень эффективны и являются, как правило, обязательной составной частью системы очистки производственных сточных вод любого предприятия.

Аппаратами для биохимической очистки сточных вод являются:

  • аэротенки;
  • биологические фильтры;
  • биологические пруды;
  • охситенки;
  • биореакторы;

Особую опасность с экологической точки зрения представляют в сточных водах азотосодержащие соединения, большие концентрации которых вызывают снижение содержания и полное изъятие растворённого кислорода из открытых водоемов (аммонийный азот), эвтрофикацию водных бассейнов (нитраты).

Очистка органосодержащих сточных вод производится, как правило, способами биологической очистки с помощью почвенной бактериальной микрофлоры. Совокупность почвенных бактерий и простейших объединяется единым термином – активный ил. Биоценоз активного ила производит биохимическое окисление биогенных соединений – углеродных, азотных, фосфорных. Углерод-, азот- и фосфоросодержащие загрязнения находятся в сточных водах в диспергированном, коллоидном и растворенном состояниях.

Обработка сточных вод при помощи активного ила относительно эффективна при удалении углеродсодержащих органических биоразлагаемых загрязнений. Углерод удаляется в газовой фазе в форме углекислого газа и в твердой фазе в форме избыточного активного ила. Удаление же азота осуществляется в основном с фракцией, связанной с молекулами бактерий, составляющих избыточный активный ил, и только несколько процентов азота удаляется продувкой газообразными веществами.

Сброс сточных вод, обогащенных нитратами, в природный водоем увеличивает количество питательных веществ для водной растительности и фитопланктона, что неизбежно приводит к интенсивному зарастанию – эвтрофикации водоема. Эвтрофикации открытых водоемов можно избежать, произведя нитрификацию на станции очистки перед сбросом сточных вод в водоем. Для этого время пребывания сточных вод в аэротенке должно быть достаточным для необходимого снижения концентрации нитратного азота. Интенсивность нитрификации зависит главным образом от возраста активного ила – процент нитрификации быстро возрастает после достижения предельного возраста активного ила, а затем стабилизируется на уровне выше 90°/о при возрасте активного ила более 100 ч [16].

Учитывая указанные соображения, в том случае, когда необходима высокая интенсивность нитрификации, время аэрации и возраст активного ила должны быть обязательно повышены. Это может быть достигнуто или на одной ступени (секции) аэротенка при слабой нагрузке или на двух последовательных секциях аэротенка, в которых осуществляют деструкцию органических веществ в первой и нитрификацию во второй секции.

В современных схемах очистных сооружений всё более часто на заключительном этапе очистки добавляется секция денитрификации. Микробы, ответственные за денитрификацию, содержатся в большом количестве в биомассе, работающей на этапе нитрификации. Это позволяет использовать ту же биомассу, которая соответствующим образом адаптируется в зависимости от величины концентрации растворённого кислорода.

Таким образом, биологическая денитрификация представляет собой простой и довольно экономичный способ удаления нитратов из сточных вод, сбрасываемых из очистных сооружений в открытые природные водоемы.

Для аэрации и перемешивания биологически очищаемых сточных вод в аэрируемых прудах предназначено устройство[17], состоящее из низконапорного вентилятора 1 (рис. 6), наружного конуса 3, внутреннего конуса 2, регулировочных шайб 6, плавающего диска 5 и водозаборного рукава 4. Нижний конец рукава 4 утяжелен. Длина его зависит от глубины аэрируемого пруда. Груз, размещенный на нижнем конце водозаборного рукава 4, снижает центр тяжести всего устройства, что повышает его остойчивость на воде и гасит возникающие при работе колебания. Это приводит к устойчивой работе устройства, равномерному аэрированию биологически очищаемых сточных вод и их перемешиванию.

Рис.6 Устройство для аэрации и перемешивания биологически очищаемых сточных вод в аэрируемых прудах с низконапорным вентилятором.

Устройство размещается в аэрируемом пруде и закрепляется на месте. К нему подводится электрический кабель для электродвигателя, приводящего в движение вентилятор 1.Устройство плавает в воде пруда, уровень воды проходит ниже наружного конуса 3, но выше плавающего диска 5.Работающий вентилятор 1 создает равномерный воздушный поток между коническими поверхностями-наружным 3 и внутренним 2 конусами. Поверхности конусов 3 и 2 подобраны таким образом, что изменяют направление воздушного потока из вертикального в горизонтальное и обеспечивают равномерное истечение воздуха по всему периметру через щелевое отверстие между конусами 3 и 2. За краем внутреннего конуса 2 щель образуется наружным конусом 3 и водной поверхностью пруда. Воздушный поток, проходя над водой пруда, увлекает за собой поверхностный слой воды пруда. При этом происходит турбулизация воздушного потока, воздушные вихри срывают частички воды от поверхности, разбивают их на капли, резко увеличивая поверхность соприкосновения между воздухом и водой. Происходит интенсивное проникновение воздуха в водную массу. Проаэрированные частички воды падают обратно на водную поверхность и через щелевое отверстие выносятся из устройства. При этом образуется течение воды, выходящее из устройства в общий объем водоема, так называемое и часто встречающееся природное явление -“ветровой вагон”.

Выходящий воздуховодяной поток снижает уровень воды внутри устройства, понижается гидростатическое давление в центре и для его выравнивания образуется другое вертикальное течение в водозаборном рукаве 4-водозамещение.

Образовавшееся течение очищаемых сточных вод происходит по водозаборному рукаву 4 и приносит с собой сточные воды из глубинных слоев пруда. Таким образом, в пруде образуется круговой водяной поток в вертикальной плоскости, который постоянно перемешивает накислороженные верхние слои сточных вод с глубинными, в которых кислород уже израсходован на различные химические и биологические процессы, проходящие в водном объеме.

Устройство отличается повышенной эффективностью аэрации очищаемых сточных вод, а также обеспечивает снижение энергозатрат при биологической очистке сточных вод.

Среди различных способов очистки сточных вод от органических и других видов примесей значительное место занимает анаэробная биологическая очистка, осуществляемая при относительно минимальных затратах энергии на массовую единицу удаляемых вредных веществ.

Анаэробная биологическая очистка сточных вод происходит в результате функционирования системы “активный ил-сточные воды”, характеризуемой наличием сложной многоуровневой структуры. Биологическое окисление, составляющее основу этого процесса, является следствием протекания большого комплекса взаимосвязанных процессов различной сложности: от элементарных актов обмена электронов до сложных взаимодействий биоценоза с внешней средой.

Активный ил – сложная экосистема скопления представителей микрофлоры и микрофауны, включающая хлопьевидные скопления бактерий (зоогелей) и простейших организмов животного и растительного происхождения. Время биологической очистки потока сточных вод в аэротенкак, в зависимости от характера и состава загрязняющих веществ, оценивается 8-16 ч. Сокращение времени пребывания в барботируемом объеме, естественно, отразится на расходе электроэнергии, выработка которой приводит к выбросам в окружающую природную среду оксидов азота, серы, углерода, вызывающих кислотные дожди, парниковый эффект и способствующих образованию смога.

С целью интенсификации процессов биологической очистки сточных вод с повышенным содержанием углеводородов в активный ил добавляют такие химические соединения, как салициловая, янтарная, парааминосалициловая кислоты, дифенилгуанидиновая соль биогидрооксиметилфосфиновой кислоты и другие природные и синтетические биологически активные вещества [18].

Повышенную эффективность аэробной биологической очистки сточных вод и высокую надежность процесса работы очистных сооружений обеспечивают устройства автоматического управления аэротенками [19], содержащие датчики расхода сточных вод 4 и 5 (рис. 7), исполнительные механизмы 9, 11, 14 и 17 с регуляторами подачи очищаемых сточных вод 12 и 13 в аэротенки 7 и 16, датчик количества растворенного кислорода 2, воздуходувки 10 и 15, регуляторы подачи возвратного активного ила 8 и 18 в аэротенки 7 и 16, логический программируемый блок 1 с установленной математической моделью. Сигналы от датчиков 4 и 5 поступают на входы логического блоха 1, который сравнивает текущую нагрузку с заданной постоянной нагрузкой для аэротенка 7 и подает сигнал на регулятор 12, который обеспечивает подачу сточных вод с изменяющимся расходом в аэротенк 7 и постоянную часовую нагрузку по загрязняющим веществам сточных вод. Остальную часть сточных вод с изменяющимся расходом через второй регулятор 13 подают во второй аэротенк 16 при изменяющейся удельной нагрузки по загрязняющим сточные воды веществам. Выходы датчиков по загрязняющим веществам 3 и 6 связаны с соответствующими входами логического блока 1.

Рис.7 Устройство для автоматического управления аэротенками при аэробной биологической очистке сточных вод.

Количество подаваемого воздуха в аэротенк 7 воздуходувкой 10 всегда является величиной постоянной, а воздуходувкой 15 в аэротенк 16 -величиной, изменяемой и определяемой логическим блоком 1 с установленной математической моделью работы очистительных сооружений и процессом аэробной биологической очистки сточных вод, включающим аэробную биологическую очистку сточных вод активным илом в аэротенке 16, отстаивание смеси сточных вод и возвратного активного ила во вторичных отстойниках , подачу возвратного активного ила в аэротенк 16 для участия в биохимическом процессе окисления, вывод избыточного активного ила из вторичных отстойников и отвод очищенных сточных вод из и очистных сооружений.

Повышенной надежностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками отличается установка для комплексной очистки сточных вод [20], структурная схема которой изображена на рисунке 8. Установка содержит трубопровод 1 для подвода сточных вод на очистку , блок очистки 3, состоящий из модулей очистки: сорбционного 5 и мембранного 6 типа, трубопровод 7 для отвода очищенных сточных вод, причём трубопровод 7 и устройство 8 управления и контроля потоком очищенных сточных вод и уровнем наполнения этими водами контейнера 9 являются неразъемными и в процессе эксплуатации установки не разъединяются, безнапорный переносной контейнер для приема очищенных сточных вод 9, запорный гидроуправляемый клапан 2, магистраль 10 для слива дренажа, создающая необходимое для процесса фильтрации сточных вод давление внутри мембранного модуля 6. Конструктивной особенностью установки для очистки сточных вод является взаиморасположение элементов, при этом устройство управления и контроля 8 расположено в корпусе или крышке контейнера 9, за счёт чего достигается повышение надежности и улучшение эксплуатационных характеристик установки при одновременном упрощении ее конструкции.

Рис.8 Структурная схема установки для комплексной очистки сточных вод от взвешенных частиц загрязнений и растворенных вредных веществ.

Высокую степень комплексной очистки нефтесодержащих производственных сточных вод от взвешенных частиц загрязнений и нефтепродуктов обеспечивает способ очистки [21], включающий многоступенчатую очистку в емкости проточного типа с грубой фильтрацией в отстойнике, обработку сточных вод магнитным полем и финишную тонкую фильтрацию. Перед грубой фильтрацией поток очищаемых сточных вод обрабатывают окислителем в виде озона и гидроксильными радикалами. Непосредственно на стадии финишной тонкой фильтрации проводят У-Ф обработку потока очищаемых сточных вод.  Использование способа очистки позволяет производить комплексную очистку нефтесодержащих производственных сточных вод с различными видами загрязнений без дополнительных реагентов до параметров чистой воды, сбрасываемой в рыбоводческие хозяйства.

В промышленно развитых странах мира продолжается эффективная работа по созданию высокопроизводительных фильтров, установок и устройств для очистки и обезвреживания производственных сточных вод от взвешенных твердых и пластичных частиц загрязнений и растворенных вредных веществ до предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ перед выбросом их в природные водоемы, на рельеф местности, а также отведением их в канализационные системы или системы оборотного водоснабжения.

Анализ патентных материалов и научно-технической литературы ведущих в области фильтровальной техники отечественных и зарубежных фирм позволяет наметить основные тенденции совершенствования конструкций гидравлических фильтров, установок и устройств для очистки и обезвреживания производственных сточных вод промышленных предприятий: повышение степени очистки, надежности и ресурса работы; упрощение конструкции и технологии изготовления; автоматизация процесса очистки; применение высококачественных фильтрующих материалов; удобство эксплуатации и другие.

Список литературы

  1. Либерман Е.Ю. , Конькова Т.В. , Грунский В.Н. , Малютин А.В., Кошкин А.Г., Михайличенко А.И., Румянцева О.В. Высокопористые ячеистые катализаторы для решения экологических проблем // Экология и промышленность России , 2013, №4 , с.16-19.
  2. Буренин В.В., Воробьев Д.К. Новые технические решения проблемы очистки и обезвреживания сточных вод промышленных предприятий // Химическая техника, 2017, №8, с.29-35.
  3. Пат. 2573029 Россия. МПК В01Д 33/03. Устройство для очистки фильтрата полигона твердых бытовых отходов от взвеси / В.В. Верстов, А.Д. Салчак, А.К. Салчак. Опубл. 20.01.2016. Бюл. №2
  4. Пат. 2400283 Россия. МПК В01Д 41/02. Устройство непрерывной очистки от инородных примесей / Е.М. Булыжев, Э.Е. Булыжев. Опубл. 27.09.2010. Бюл. №27.
  5. Пат. 2433960 Россия. МПК C027F 1/62. Способ очистки сточных вод от ионов меди / Л.Б. Сватовская, М.Н. Лаутова, М.В. Шершнева, А.А. Кондрашов, П.Д. Кондратьев. Опубл. 20.11.2011. Бюл. №32.
  6. Адрышев А.К., Даумова Г.К., Хайруллина А.А. Применение модифицированных сорбентов для повышения эффективности очистки хромосодержащих сточных вод гальванических производств // Sci.andworld, 2014, №3, ч.1, с.115-120
  7. Пат. 2639803 Россия. МПК B01j 20/30. Адсорбент для очистки сточных вод от ионов меди. / Е.Ю Руденко, В.В. Бахарев, Г.С. Муковнина, С.Ю. Бейбулатов, А.А. Макарова, Е.Н. Макеева, Д.Р. Шакиров. Опубл. 22.12.2017. Бюл. №36.
  8. Мулакаев М.С., Векслер Г.Б. Гальванокоагуляционная очистка хромосодержащих сточных вод // Экология и промышленность России, 2018, №8, с.8-13.
  9. Пат. 2638959 Россия. МПК B01j 20/32. Способ получения сорбента для очитски воды от мышьяка / Е.В. Плотников, Д.В. Мартемьянов, И.В. Мартемьянова, Т.П. Толмачева, В.А. Кутугин, Е.И. Короткова, А.В. Рыков. Опубл. 19.12.2017. Бюл. №35.
  10. Пат. 2156225 Россия. МПК C02F 1/40. Способ очистки сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты / В.М. Макаров, Л.А. Петрухно, Л.А. Тельцова. Опубл. 20.09.2000. Бюл. №26.
  11. Мещеряков С.В., Половков С.А., Николаева А.В., Гонопольскикй А.А. Сравнительный анализ технологических схем флотационной очистки сточных вод на нефтеперекачивающих станциях // Экология и промышленность России, 2018, №5, с.10-16.
  12. Рубинштейн Ю.Б., Мелик-Гайказян В.И., Матвиенко Н.В., Леонов С.Б Пенная сепарация и колонная флотация. – М.:Недра, 1989, 304с.
  13. Ксеонофонтов Б.С. Флотационная обработка воды, отходов и почвы. –М.: Новые технологии, 2010, с.104-121.
  14. Пат. 2645493 Россия. МПК C02F 1/24. Флотационно-фильтрационная установка / О.С. Кочетов. Опубл. 21.02.2018. Бюл. №6.
  15. Пат. 2644919 Россия. МПК C02F 9/02. Установка очистки сточных вод от нефтепродуктов с использованием коалесцентного и сорбентного фильтров
  16. Павлинова И.И, Шегеда А.Н Биологические методы очистки сточных вод от азотных загрязнений // Безопасность жизнедеятельности, 2008, №3, с.16-19.
  17. Пат. 2522336 Россия. МПК C02F3/02. Устройство для аэрации и перемешивания сточных вод / А.И. Козаченко, Б.Д. Кузнецов. Опубл. 10.07.2014. Бюл. №19.
  18. Масагутова Э.М., Павлова Т.П., Фридланд С.В. Интенсификация аэробной биологической очистки сточных вод / Экология и промышленность России, 2013, февраль, с.28-39
  19. Пат. 2508252 Россия. МПК C02F 3/02. Способ и устройство автоматического управления аэротенками / Ю.В. Колесник, Ю.М. Мешенгиссер, С.В. Верютин, А.В. Смирнов. Опубл. 27.02.2014. Бюл. №6.
  20. Пат. 2484884 Россия. МПК B01D 61/2. Установка для очистки жидкости / С.В. Смирнов, Н.Я. Горохов, Д.Л. Шмидт, В.Н. Книзель. Опубл. 20.06.2013. Бюл. №17.
  21. Пат. 2606988 Россия. МПК C02F 9/12. Способ очистки сточных вод / Е.А. Погадаев. Опубл. 10.01.2017. Бюл. №1