Многие сточные воды (особенно тепловых электростанций) сбрасываются в водоемы при повышенной температуре. В результате этого происходит тепловое загрязнение водоемов. В местах выхода теплых потоков в водоемы создаются зоны, в которых температура выше, чем во всем водоеме: на 8–12 °С зимой и до 30 °С летом. Это приводит к повышенному накоплению органических веществ в воде, что оказывает отрицательное влияние на биологическую жизнь водоемов.
В связи с тем, что в ряде случаев в природные водоемы сбрасываются неочищенные или плохо очищенные стоки, в них скапливается большое число и большая масса различных химических веществ. Так, в реке Рейн обнаружено около 60 тысяч различных соединений. К ним ежегодно добавляются 150–200 новых соединений. Так как при взаимодействии сбрасываемых соединений могут возникать новые соединения, число соединений в водоемах может непрерывно увеличиваться, в том числе соединений с ядовитыми свойствами, бурным запахом, окраской и т.д.
Практически во всех водоемах, не исключая океана, находятся следы нефтепродуктов, что может привести к пагубным последствиям для рыбного хозяйства, поскольку 1 кг нефти может загрязнить 1 Га поверхности воды и погубить 100 млн. личинок рыб.
Многообразие веществ, попадающих в водоемы, объясняется тем, что в них смешиваются сточные воды трех классов предприятий неорганического, органического имикробиологического профиля. Среди предприятий неорганического профиля следует назвать заводы основной химической промышленности, цветной и черной металлургии, горнохимические и горнообогатительные комбинаты, предприятия промышленности строительных материалов и др.
Источниками – органических веществ, поступающих в стоки, являются предприятия нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, заводы органического и нефтехимического синтеза, полимеров и эластомеров, красителей, пигментов, лаков и красок, фармацевтических веществ, комбинаты лесохимии, предприятия целлюлозно-бумажной промышленности и др. Многие стоки наряду с химическими содержат и биологические объекты. Это стоки пищевых предприятий, медико-биологической и микробиологической промышленности. Большая масса биологических веществ содержится в стоках, сбрасываемых сельским хозяйством.
| Показатели | Примеси | |||
| гетерогенные | гомогенные | |||
| ГруппаРазмер частиц, смХарактеристика системыВлияние примесей на систему | 110-1 – 10-3Взвеси (суспензии, эмульсии, патогенные микроорганизмы и планктон)Вызывают помутнение воды | 210-5 – 10-6Коллоидные частицы (коллоиды, высокомолекулярные соединения)Обусловливают окисляемость и цветность воды | 310-7Молекулярные растворы (растворенные в воде газы и органические вещества)Придают воде запахи и привкусы | 410-8Ионные растворы-электролиты (соли, кислота, основания)Обуславливают минерализацию воды |
Академик АН УССР Л.А. Кульский предложил классификацию примесей, отражающую все их многообразие в сточных водах (табл. 2).
Эта классификация помогает проектировать и создавать очистные установки применительно к составу сточных вод. Такие установки создаются либо на локальном уровне (в цехе), либо в заводском или даже районном масштабе, когда обработка различных сточных вод ведется на крупной очистной станции.
2. Фильтрование суспендированных веществ
Для проведения процесса фильтрования могут быть использованы фильтры любой конструкции. Однако при очистке сточных вод, как правило, приходится иметь дело с большими объемами воды, поэтому выбирают фильтры, для работы которых не требуется применения больших давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем. Фильтр с зернистой перегородкой представляет собой резервуар, в нижней части которого, имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, а затем фильтрующий материал. Производительность фильтра определяется скоростью фильтрования, т.е. объемом воды, прошедшим в единицу времени через единицу поверхности uм3/(м2×с). Скорость фильтрования зависит от вида и крупности зерен материала, от природы и концентрации фильтрующих веществ.
По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на поверхности фильтрующего зернистого слоя, называемого загрузкой; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений. В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильтрующим, материалом. Такой процесс характерен для так называемых медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где частицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала силами прилипания. Такой процесс характерен для скоростных фильтров.
При фильтровании сточной воды через слой зернистого материала протекает одновременно два процесса: 1) прилипание частиц к поверхности фильтрующего материала; 2) отрыв ранее прилипших частиц. Задержка частиц поверхностью зерен или ранее осажденными частицами происходит под действием молекулярных сил, сил химического сродства и адсорбции.
Прилипшие частицы постоянно испытывают влияние движущегося потока, который в результате трения срывает их с поверхности фильтрующего материала. При равенстве числа частиц, поступающих в единицу времени на поверхность фильтрующего слоя и покидающих ее, наступает насыщение поверхности и она перестает осветлять сточные воды. Величина сил прилипания зависит от крупности и формы зерен, их химического состава, от шероховатости поверхности, от скорости потока и температуры жидкости, от свойств примесей.
Фильтры с зернистым слоем подразделяются на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1–2 м, в закрытых 0,5–1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами.
Медленные фильтры используются для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бетонные или керамические резервуары с дренажным устройством, на котором расположен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц. При содержании взвешенных примесей в сточных водах до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2–0,3 м/ч; при 25–50 мг/л – 0,1 – 0,2 м/ч. Достоинством таких фильтров является высокая степень очистки. Недостатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.
Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из однородного материала, у многослойных – из различных материалов.
Сточная вода в фильтр подается через систему 3 (внутрь фильтра), проходит через фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят промывку, подавая через систему 4 промывные воды, которые движутся снизу вверх. Промывная вода вместе с удаляемыми примесями отводится через систему 2.
Дренажное устройство выполняется из пористобетонных сборных плит. На нем размещается фильтрующий материал в 2–4 слоя одинакового или разного гранулометрического состава. Общая высота слоя загрузки 1,5–2 м. Скорость фильтрования принимается равной 12–20 м/ч.
В многослойных скорых фильтрах фильтрующий слой состоит из зерен разных материалов, например из слоев антрацита и песка. Верхние слои состоят из зерен большего размера, чем зерна нижних слоев. Конструкция их аналогична конструкции однослойных фильтров, но они отличаются более высокой производительностью и большей продолжительностью фильтрования. Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количества фильтруемых вод, концентрации загрязнений и степени их дисперсности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.
Промывку фильтров, как правило, ведут очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений. Может быть проведена водовоздушная промывка, при которой сначала зернистой слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18–22 л/(м2×с), а воды – от 6 до 7 л/см2. Возможна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом, затем обрабатывают смесью воздух – вода и, наконец, промывают водой. Продолжительность промывки 5- 7 мин.
Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через слой сеток с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют размер ячеек от 0,3х0,3 до 0,5х0,5 мм. Микрофильтры (рис. 15) применяют для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов.
Сточная вода поступает внутрь барабана и проходит через отверстия в камеру. Взвешенные вещества задерживаются на внутренней поверхности барабана и при промывке с промывной водой поступает в лоток. Барабан вращается с частотой 6–20 мин-1. Скорость фильтрации у микрофильтров равна 25–45 м3/(м2×ч). При концентрации взвешенных частиц 15–20 мг/л эффективность очистки составляет 50–60%. Эффект очистки зависит от состава и свойств сточных вод, размера ячеек сеток и режима работы микрофильтров (гидравлической нагрузки, потерь напора, интенсивности промывки и др.)
Магнитные фильтры применяются для удаления из жидкостей мелких ферромагнитных частиц (размером 0,5–5 мкм). Они могут быть снабжены постоянным магнитом или электромагнитом. При прохождении ламинарным потоком через магнитное поле ферромагнитные частицы намагничиваются и образуют агломераты. Направление потока должно совпадать с направлением магнитного поля. Широкое распространение нашли магнитные сепараторы, которые имеют эффективность очистки 80–90% при производительности до 60 м3/ч.