Модернизация очистного сооружения

     Введение

      
            При проектировании очистных сооружений канализации необходимым условием является защита окружающей среды (водного и воздушного бассейнов) от загрязнений, образующихся в процессе очистки сточных вод и поступающих в водоем и атмосферу.

     Загрязнение водоема, в который производится сброс сточных вод, отрицательно сказывается на состояние его фауны и флоры. Загрязнение воздушного бассейна влияет на условия проживания населения в прилегающих районах.

     Для защиты водоема от загрязнений определяются условия выпуска сточных вод, при которых качество воды в реке не снижается ниже установленных предельно допустимых концентраций [1].

     Защита  населённых пунктов от влияния очистных сооружений обеспечивается соблюдением размеров санитарно-защитной зоны.

     При проектировании очистных сооружений разрабатываются  такие технические решения, которые уменьшают отрицательное воздействие очистных сооружений на окружающую среду.

       Предложенная в данном проекте  схема мембранной очистки сточных вод обеспечивает  снижение  концентраций  загрязняющих веществ до установленных  санитарно-гигиенических нормативов,  снижение  цветности  и  бактериальной загрязнённости  стоков.

     Запроектированные  очистные   сооружения   занимают небольшую площадь, что очень  важно в условиях дефицита  свободных площадей на площадке предприятия. Строительство очистных сооружений обеспечит защиту  канализационных сетей от  засорений,  уменьшение  нагрузки  на поселковые очистные сооружения [2].

     В данной работе рассматривается станция биологической очистки сточных вод на ООО «Благоустройство» Аксубаевского муниципального района.

     Задачами  проекта является предложение метода очистки сточных вод, экономическое  обоснование метода, а также расчеты  технико-экономические.

     Глава 1    Литературный обзор 

     1.1 Химические методы очистки сточных вод 

     Основные  методы – нейтрализация и окисление. Химическую очистку можно применять  самостоятельно перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед  спуском их в водоем или в городскую канализационную сеть. В ряде случаев химическая очистка целесообразна перед биологической очисткой. Химическую очистку применяют также как метод глубокой очистки производственных сточных вод для их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов.

     Нейтрализацию осуществляют для приведения рН сточных  вод к 6,5-8,5, т.е. к реакции среды  близкой к нейтральной. Следовательно, нейтрализовать нужно сточные вод  с рН < 6,5 (кислые) и рН > 8,5 (щелочные). При этом учитывают нейтрализационную способность водоема, а также щелочной резерв городских сточных вод. Чаще встречаются кислые стоки, и они более опасны, чем щелочные [3].

     Рис.1 Контактная камера:

     1 – ввод сточных вод; 2, 5 – камеры  озонирования; 3 – ввод озона;

     4 – металлокерамические  распылительные  трубы; 6 – вывод сточных вод

     Наиболее  часто сточные воды загрязнены    минеральными кислотами (серной H2SO4, азотной HNO3, соляной HCl, а также их смесями). Для нейтрализации используется несколько способов:

     - смешение кислых стоков со  щелочными (в этом случае время  реакции нейтрализации и образования  осадка не регламентируется);

     - взаимодействие с раствором извести  или известняка (рекомендуется только  при равномерной подаче сточных  вод, содержащих сильные кислоты);

     - фильтрование через слой известняка, доломита или мела (рекомендуется  только при равномерной подаче  сточных вод, содержащих сильные  кислоты);

     - взаимодействие с дымовыми газами, содержащими CO2, SO2, NO2 и др. (рекомендуется  для щелочных сточных вод, позволяет одновременно очищать и дымовые газы) [4].

       Окисление применяется для обезвреживания  производственных сточных вод,  содержащих токсичные примеси,  которые нецелесообразно извлекать.  В качестве окислителей используют  хлор, гипохлорид кальция и натрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, технический кислород, кислород воздуха. В зависимости от агрегатного состояния вводимых в воду хлора или хлорсодержащих реагентов определяют технологию обработки сточных вод. Если их обрабатывают газообразным хлором или озоном, то процесс окисления проводят в окислительных колоннах или контактных камерах; если же окислитель находится в растворе, то его сначала подают в смеситель, а затем в контактный резервуар. Схема контактной камеры представлена на рисунке 1. При окислении растворенные  ядовитые вещества переводят в нетоксичные соединения, возможно образование осадка, который может быть удален отстаиванием или фильтрованием. Применяется также электрохимическое окисление, которое основано на электролизе сточных вод. Основу электролиза составляют анодное окисление и катодное восстановление     (рис.2 ) [5].

     Рис.2 Схема электролитического обезвреживания

      (анодное окисление токсичных  веществ):

     а – анодное пространство; б – катодное пространство;

     1 – полупроницаемая перегородка; 2 – анод; 3 – катод 

     На  аноде, выполненном из материалов, не подвергающихся электролитическому растворению (платина, графит), выделяются кислород и галогены, а также окисляются некоторые, присутствующие в сточных водах органические вещества. На катоде выделяется газообразный водород, и восстанавливаются некоторые органические вещества. Электрохимическое окисление – сравнительно дорогой метод обезвреживания сточных вод, поэтому его применяют для очистки концентрированных органических и неорганических загрязнений при небольших расходах производственных сточных вод. 

     1.2  Физико-химические методы очистки сточных вод 

     К физико-химическим методам очистки  относятся: коагуляция, сорбционное  поглощение растворенных органических веществ, флотация, извлечение или разделение ионов солей ионным обменом или электродиализом и др.

     Очистка сточных вод коагуляцией. В большинстве  случаев производственные сточные  воды представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001-0,1 мкм. Частицы такого размера имеют заряд в результате поглощения из водного раствора ионов. Заряд в основном препятствует слипанию частиц и обусловливает тем самым устойчивость коллоидного раствора. При добавлении в коллоидный раствор электролитов-коагулянтов заряд уменьшается, и частицы слипаются. В результате происходит укрупнение частиц и оседание их на дно – такой процесс называют коагуляцией. Для очистки производственных сточных вод применяют различные минеральные коагулянты: соли алюминия, железа, магния, известь, отработанные растворы отдельных производств. Вместо коагулянтов можно применять водные растворы полимеров. Их называют флокулянтами, а метод очистки – флокуляцией.  Флокуляция – вид коагуляции, при которой частицы, содержащиеся в сточной воде, образуют рыхлые хлопьевидные агрегаты (флокулы) [6].

     Применяется также метод электрохимической  коагуляции. При этом сточные вод  пропускают через электролизер с  анодом, изготовленным из алюминия или железа. Металл анода под действием постоянного тока переходит в сточную воду, образуя труднорастворимые гидроксиды алюминия или железа, которые вызывают коагуляцию частиц сточной воды. Методы применяется для  обработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров, нефтепродуктов, хроматы, фосфаты.

     Известен  метод электрокоагуляции  для  отчистки  промышленных  сточных  вод, основанных на электролизе  с  использованием  металлических  (стальных или алюминиевых) анодов, подвергающихся  электролитическому  растворению.  Вследствии  растворения  анодов  вода  обогащается  соответствующими  ионами, образующими затем в нейтральной или слабощелочной среде  гидроксид  алюминия или  гидроксид  железа,  которых  под  воздействием  растворенного  в   воде кислорода переход в гидроксид железа. В результате  осуществляется  процесс коагуляции аналогичный обработке воды соответствующими солями  алюминия  или железа.  Однако,  в отличие   от   применения   солевых   коагулянтов   при электрокоагуляции вода не обогащается сульфатами  или хлоридами,  содержание которых в отчищенной воде лимитируется как при сбросе ее в  водоемы,  так  и при повторном использовании в системах промышленного водоснабжения [7].

     При электрокоагуляции сточных  вод,  содержащих  тонкодиспергированные примеси,  протекают и другие   электрохимические,   физико-химические    и химически процессы: электрофорез,  катодное  восстановление  растворенных  в воде   органических   и   неорганических   веществ   или    их    химическое восстановление,  флотация  твердых  и  эмульгированных   частиц   пузырьками газообразного  водорода,  выделяющимся  на  катоде.  Кроме  того  происходит сорбция  ионов  и   молекул   растворенных   примесей,   а   также   частиц, 
эмульгированных  в  воде  примесей,  на  поверхности   гидроксида   алюминия 
(железа), которые обладают значительно сорбционной способностью, особенно  в момент образования

       Хлопья гидроксида металла с  сорбированными загрязнениями, сталкиваются  с пузырьками газа, соединяются  с ними и всплывают на  поверхность жидкости. Некоторые частицы загрязнений,  имеющие хлопьевидную   структуру,   могут самокоагулировать   друг   с   другом   тем    самым    увеличивая    эффект гетерокоагуляции всей систем.

     Для  отделения  хлопьев  коагулянта  с  сорбированными   загрязнениями 
применяют последующее отставание или флотацию [8].

     Среди немногих действующих схем в промышленности можно выделить три: механическое обезвоживание  в осветлителях-перегнивателях с  последующей подсушкой на иловых площадках, подсушка иловых  площадках.  Обезвоживание осадка в центрифугах - наиболее интенсивный метод.

     Из  всех перечисленных методов предложена локальная очистка, которая включает предварительную обработку и  физико-химические методы.

     Сорбционное поглощение растворенных органических веществ из водной среды принципиально не отличается от процесса адсорбции в газовой фазе. Различие состоит в том, что растворенное вещество взаимодействует с молекулами вод, происходит гидратация, которая затрудняет адсорбцию.

       Этот метод позволяет извлекать из сточных вод ценные растворенные вещества, а очищенную воду использовать в системе оборотного водоснабжения. В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы (активированные угли различных марок).

     Наиболее  простым аппаратом для проведения процесса сорбции является насыпной фильтр, представляющий собой колонну  с неподвижным слоем сорбента, через который фильтруется сточная  вода. Наиболее рациональное направление  фильтрования жидкости – снизу вверх, так как в этом случае происходит равномерное заполнение всего сечения колонны.

     Фильтры с неподвижным слоем сорбента применяют для очистки цеховых  сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых продуктов. Для удаления сорбированных веществ из фильтра используют химические растворители или пар [9].

     Флотация  – это способ отделения мелких твердых частиц или капель жидкости из сточных вод, заключающийся в  образовании комплексов «частица –  пузырьки воздуха», всплывании их и  удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Существуют установки напорной  и безнапорной флотации.

     Флотационными методами очищают производственные сточные воды, содержащие поверхностно-активные вещества, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы.

     Ионный  обмен основан на процессе обмена межу ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности  твердой фазы – ионита. Этими  методами удается извлекать и  утилизировать ценные примеси: соединения мышьяка и фосфора, хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы, а также поверхностно-активные и радиоактивные вещества.

     Иониты  разделяют на катиониты и аниониты. На катионитах происходит обмен катионами, а на анионитах – анионами. Этот обмен можно представить в  виде следующей схемы.

     Катионит (-): Me+ + H[K] « Me[K] + H+ .

     Анионит (+): SO42- + 2[A]OH « [A]2SO4 + 2OH-

     Особенностью  ионитов является обратимый характер ионообменных реакций. Поэтому можно  «посаженные» на ионит ионы «снять»  обратной реакцией. Для этого катионит промывают раствором кислоты, а анионит – раствором щелочи. Таким способом осуществляют регенерацию ионитов [10].

     Для ионообменной очистки сточных вод  применяют фильтры периодического и непрерывного действия. Фильтр периодического действия (рис. 3) представляет собой закрытый цилиндрический резервуар с расположенным у днища щелевым дренажным устройством, обеспечивающим равномерное отведение воды по всему сечению фильтра. Высота слоя загрузки ионита 1,5-2,5 м. Фильтр может работать по параллельной и по противоточной схеме. В первом случае и сточная вода, и регенерирующий раствор подаются сверху, во втором – сточная вода подается снизу, а регенерирующий раствор – сверху. На работу ионообменного фильтра большое влияние оказывает содержание взвешенных частиц в подаваемой сточной воде. Поэтому перед подачей в фильтр воду подвергают механической очистке.

     Разновидностью  ионообменного метода очистки сточных  вод является электродиализ –  это метод разделения ионов под  действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его мембраны. Процесс разделения проводят в электродиализаторе. Под действием постоянного электрического тока катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода, проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер ионы выводятся в смежный ряд камер [11].  
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис.3 Схема ионообменной установки периодического действия:      

        1 – корпус аппарата; 2 – ионит; 3 – распределитель регенерирующего  раствора; 4 – ввод сточной воды; 5 – бак с регенерирующим раствором; 

      6 – насос; 7 – опорная решетка;  выход очищенной воды; 8 - гравий 

     Очищенная от солей вода выпускается по одному коллектору, а концентрированный раствор – по другому (рис. 4).Электродиализаторы применяют для удаления растворенных в сточной воде солей. Оптимальная концентрация солей 3-8 г/л. Во всех электродиализаторах применяют электроды, изготовленные преимущественно из платинированного титана. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис.4 Схема процесса электродиализа (цифры в кружках – номера камер): А – анионитовые мембраны; К - катионитовые мембраны; 1 – выход газообразного водорода; 2 – подача сточной воды; 3 – выход газообразных кислорода и хлора; 4 – выпуск обессоленной воды; 5 – выпуск концентрированного рассола 

     1.3 Биологические методы очистки сточных вод 

     Биологические методы применяются для очистки  сточных вод от многих органических и некоторых неорганических примесей. По характеру процесс биологической очистки аналогичен природным процессам. Биологическая очистка осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов – водорослей, грибков и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, представленным множеством различных видов, что обусловлено наличием в очищаемой воде органических веществ различных классов.

     Сокращение  видов бактерий происходит, если очистку  проводят в отсутствие растворенного  в воде кислорода (в анаэробных условиях) или при слишком неблагоприятном уровне питания, например, при слишком высоком содержании загрязнений.

     Под действием микроорганизмов могут  протекать окислительный (аэробный) или восстановительный (анаэробный) процессы.

     При аэробном процессе происходит окисление  органических веществ в сточных водах и образование новой биомассы. При этом в очищенных сточных водах остаются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии, так как коллоидные и нерастворенные вещества удаляются из сточной воды методом сорбции.

     Аэробный процесс может нормально протекать, если концентрация органического вещества в очищаемой воде, выраженная в биохимической потребности в кислороде, не будет превышать некоторого предельного значения. В связи с этим концентрированные сточные воды разбавляют слабоконцентрированными бытовыми сточными водами, а в отдельных случаях чистой водой.

     Анаэробный  процесс применяют в настоящее  время для очистки от органических веществ сильноконцентрированных  сточных вод [12]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Глава 2   Характеристика предприятия 

     Станция биологической очистки сточных  вод с установками заводского изготовления с аэробной стабилизацией  осадка производительностью 700 м³/сутки предназначены для полной биологической очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод со снижением органических загрязнений по БПК20 до 20 мг/л.

     Станции биологической очистки рассчитаны на прием сточных вод от общественных зданий и учреждений, пионерлагерей, домов отдыха, рабочих поселков или  сельских населенных мест. Станции  предусматривается применять в районах с расчетной зимней температурой воздуха не ниже -40 ⁰С со следующими условиями строительства:

     - нормативная снеговая погрузка  – для IV района (СНиП П-6-74);

     - нормативная ветровая нагрузка  – для II района (СНиП П-6-74 );

     - грунты в основаниях просадочные;

     - рельеф территории спокойной,  грунтовые воды на площадке  отсутствуют.

     Начальное посадочное давление 0, 20 МПа.

     Станция биологической очистки сточных  вод с установками заводского изготовления с аэробной стабилизацией  осадка производительностью 700 м³/сутки состоит из следующих основных зданий и сооружений:

     1. Производственное здание;

     2. Блок приемной камеры и решеток-дробилок;

     3. Емкостной блок (компактные установки). 

     2.1 Сточные воды ООО «Благоустройство».  Расчетные расходы поверхностных сточных вод, поступающих на очистные сооружения 

     Система водообеспечения предприятия ООО «Благоустройство» представляет собой комплекс сооружений, предназначенных для снабжения потребителей водой в необходимом количестве, требуемого качества и под требуемым напором. Особенностью схем водоотведения предприятия является то, что выполняется несколько технологических водоотводящих сетей, имеющих свои регулирующие резервуары, насосные установки и очистные сооружения. Расположение подземных и наземных сооружений выполнено как единое подземное комплексное хозяйство с учетом общего планировочного решения промышленной площадки и взаимной компактной и легкодоступной прокладки сетей. Насосные установки для перекачки производственных сточных вод, выделяющих вредные газы и пары, располагаются в отдельных зданиях с обеспечением постоянной их вентиляции. Для инертных производственных и бытовых сточных вод допускается совмещенная насосная станция, а приемный резервуар выполняют с числом отделений, соответствующих числу несмешиваемых потоков. В понятие «сточные воды» входят различные по происхождению, составу и физико-химическим свойствам воды, которые использовались человеком для бытовых и технологических нужд. Все примеси сточных вод независимо от происхождения разделяют несколько групп в соответствии с размером частиц. К первой группе примесей относят нерастворимые в воде грубодисперсные примеси органической или неорганической природы. К ним относят микроорганизмы (простейшие водоросли, грибы), бактерии. Эти примеси образуют с водой неустойчивые системы. При определенных условиях они могут выпадать в осадок или всплывать на поверхность воды. Значительная часть загрязнений этой группы может быть выделена из воды в результате гравитационного осаждения. Вторую группу примесей составляют вещества коллоидной степени дисперсности с размером частиц менее 10^-6 см. К этой группе относятся и высокомолекулярные соединения, так как их свойства сходны с коллоидными системами. Малый размер их частиц затрудняет осаждение под действием сил тяжести. При разрушении устойчивости примеси выпадают в осадок. К третьей группе относят примеси с размером частиц менее 10^-7 см. Они имеют молекулярную степень дисперсности. При их взаимодействии с водой образуются растворы. Для очистки сточных вод от примесей третьей группы применяют биологические методы. Производственные сточные воды образуются в результате технологических процессов. Качество сточных вод и концентрации загрязняющих веществ определяются следующими факторами: видом промышленного производства и исходного сырья, режимами технологических процессов [13]. Концентрация загрязнений в производственных сточных водах может сильно колебаться во времени и зависит от хода технологического процесса в отдельных цехах или на предприятии в целом. Неравномерность притока сточных вод и их концентрации во всех случаях ухудшает работу очистных сооружений и усложняет эксплуатацию. Бытовые сточные воды всегда содержат большое количество микроорганизмов, которые являются продуктами жизнедеятельности человека, среди которых могут быть и патогенные. Особенностью таких стоков является относительное постоянство их состава. Основная часть органических загрязнений таких вод представлена белками, жирами, углеводами и продуктами их разложения. Неорганические примеси составляют частицы кварцевого песка, глины, соли, образующиеся в процессе жизнедеятельности человека. К последним относят фосфаты, гидрокарбонаты, продукты гидролиза мочевины. Из общей массы загрязнений бытовых сточных вод на долю органических веществ приходится 45-58%.  Проблема охраны поверхностных и подземных вод загрязнения промышленными и бытовыми стоками является одной из важнейших государственных задач. Поэтому сточные воды перед спуском их в канализацию должны подвергаться обезвреживанию.

     Смесь хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод по физическому состоянию  является нестойкой полидисперсной системой. Примеси (загрязнения) сточных  вод по своим размерам колеблются от грубых до высокодисперсных.

     В бытовых сточных водах грубодисперсные примеси и взвешенные частицы (размером более 10 -4 мм) составляют 35-40%, колло-иднорастворенные (размером 10 -4 мм) — 10-25%, растворимые (размером менее 10 -6 мм) составляют 40-55% от общего количества загрязнений.

     На  одного жителя, который пользуется канализацией, приходится 60-80 г взвешенных частиц в сутки (в сухом эквиваленте). При очистке сточных вод вначале извлекают грубо-дисперсные, а затем коллоиднорастворенные и растворенные примеси.

     По  своему составу примеси хозяйственно-бытовых  стоков делят на три группы: минеральные, органические и биологические.

     К минеральным примесям относят: песок, частицы шлака, глины, соли, щелочи, кислоты, минеральные масла и  другие органические вещества. Количество минеральных примесей составляет около 30-40% от общего количества загрязнений.

     К органическим примесям относят загрязнения  растительного и животного происхождения.

     В загрязнениях растительного происхождения  основным элементом является углерод, а в загрязнениях животного происхождения  — азот. Органические загрязнения образуются в результате жизнедеятельности человека. Количество органических примесей составляет 60-70% от общего количества загрязнений хозяйственно-бытовых сточных вод. Количество органических загрязнений пропорционально числу жителей и составляет 7-8 г азота, 8-9 г хлоридов, 1,5-1,8 фосфора, 3 г калия и других веществ на одного жителя в сутки.

     Наибольшие  трудности при очистке сточных  вод вызывают органические примеси. Находясь в сточных водах, они  быстро загнивают и отравляют  грунт, воду и воздух. Поэтому сточные воды необходимо быстро вывести за пределы населенных пунктов и минерализовать органические вещества, которые уже теряют свои вредные качества.

     К биологическим примесям относятся  микробная флора и фауна: бактерии, вирусы, водоросли, дрожжевые и плесневые грибки и т.п. Несмотря на то, что размеры и вес микроорганизмов очень малы, зато если сложить вместе все бактерии, то суммарный объем микроорганизмов в сточных водах составит приблизительно 1 м3 на 1000 м3 стоков. Живительной средой для микроорганизмов являются органические вещества, находящиеся в сточных водах.  

     Состав  сточных вод и их свойства оценивают  по результатам санитарно-химического  анализа, включающего наряду со стандартными химическими тестами ряд физических, физико-химических и санитарно-бактериологических определений. Сложность состава сточных вод и невозможность определения каждого из загрязняющих веществ приводят к необходимости выбора таких показателей, которые характеризовали бы определенные свойства воды без идентификации отдельных веществ [14].

     Состав  исходных вод на станции  в мг/л раствора приведены в таблице 1. 

     Таблица 1

       Состав исходных вод на станции в мг/л раствора 

     Под расчетным расходом подразумевается  расход, являющийся лимитирующим при  расчете сооружений водоотведения. Для расчета водоотводящих сооружений используются средние и максимальные суточный, часовой и секундный расходы.

       Расчетные расходы бытовых и близких к ним производственных сточных вод определяются по формулам:

Q mid = (25N1 + 45N2)/1000, м³/сут                                    (2.1)

Q max.см= (25N3 + 45N4)/1000, м³/сут                               (2.2)