13 ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД ТА ЇХ ОБЕЗЗАРАЖУВАННЯ

13.1 Способи очищення стічних вод

Способи очищення стічних вод можуть бути розбиті на три групи: механічні, фізико-хімічні, біохімічні.

Споруди для очищення стічних вод розташовують таким чином, що вода проходить їх послідовно. У спорудах для механічного очищення спочатку затримують найбільш важкі і крупні завислі речовини, а потім відділяють основну масу нерозчинених забруднень. Далі у спорудах для біохімічного очищення видаляють тонкі суспензії, що залишились, колоїдні і розчинені забруднення. Після цього виконують обеззаражування стічних вод.

Механічне очищення стічних вод застосовують для видалення суспендованих домішок і частково колоїдів. Змішування стічних вод і усереднення концентрації їх забруднень. Механічне очищення виконують процежуванням, відстоюванням і фільтруванням. Склад споруд комплексу очищення стічних вод приймають в залежності від потрібного ступеня очищення. Максимальне збільшення прозорості і значне зниження БСК досягаються у двох’ярусних відстійниках і відстійниках з преаерацією або біокоагуляцією.

В залежності від продуктивності технологічні схеми механічного очищення можуть бути такими: при витраті до 300 м³/добу – двох’ярусні відстійники, хлораторна установка, мулові площадки; при витраті до 12 тис. м³/добу – решітки, пісколовки, двох’ярусні відстійники, хлораторна установка, контактні резервуари, мулові площадки; при витраті від 100 тис. м³/добу – решітки, пісколовки, горизонтальні відстійники (вертикальні відстійники, біокоагулятори при витраті до 36 тис. м³/добу, радіальні відстійники при витраті більше 50 тис. м³/добу), хлораторна установка, контактні резервуари, метантенки, мулові площадки.

Фізико-хімічне очищення стічних вод полягає в тому, що в очищувану воду вводять речовину-реагент (коагулянь або флокулянт). Вступаючі у хімічну реакцію з елементами забруднення, ці речовини сприяють більш повному виділенню нерозчинних домішок, колоїдів і частини розчинних забруднень, що забезпечує зменшення їх концентрації в стічній воді; переводять розчинні сполуки у нерозчинні або у розчинні, але нешкідливі; змінюють реакцію стічних вод, зокрема нейтралізують їх; знебарвлюють забарвлену воду тощо.

Сучасні фізико-хімічні методи можуть забезпечити глибоке очищення стічних вод. Їх використання дозволяє суттєво інтенсифікувати механічне очищення або замінити біохімічне.

Біохімічне очищення стічних вод здійснюють для видалення розчинених і колоїдних органічних речовин в процесі їх окислювання або відновлення за допомогою мікроорганізмів, здатних в ході своєї життєдіяльності здійснювати їх мінералізацію.

Споруди біологічного очищення в природних умовах підрозділяють на фільтраційні (поля зрошування і поля фільтрації) і об’ємні (біологічні ставки і окислювальні канали). В перших стічна вода фільтрується через грнут, що містить аеробні бактерії, які отримують кисень з повітря, у других стічна вода протікає крізь водоймище, куди кисень потрапляє за рахунок реаерації або механічної аерації.

У штучних умовах застосовують біо- та аерофільтри, аеротенки, компактні установки з механічним аерируванням. Очищення стічних вод в цих спорудах здійснюється більш ефективно, оскільки в них штучним шляхом забезпечуються більш сприятливі умови для життєдіяльності мікроорганізмів (переважно за рахунок кращого забезпечення киснем з повітря).

Сутність процесу біологічного очищення стічних вод полягає в тому, що в процесі фільтрації через грунт або зернисте середовище органічні забруднення затримуються в ньому, утворюючі біологічну плівку, населену великою кількістю мікроорганізмів. Плівка адсорбує колоїдні і розчинені речовини, дрібні суспензії і вони за допомогою аеробних бактерій в присутності кисню повітря перетворюються в мінеральні сполуки. Атмосферне повітря добре проникає у грунт на глибину 0,2-0,3 м, де і здійснюється найбільш інтенсивне біохімічне окислювання.

Азот амонійних солей перетворюється в нітрати і нітрити, а органічний вуглець – у вуглекислоту. На великій глибині, куди проникнення повітря утруднене, окислювання здійснюється за рахунок денітрифікації, тобто за рахунок кисню, що виділяється при розпаді нітритів і нітратів. Практично процес очищення стічних вод здійснюється в шарі потужністю до 1,5 м.

Глибоке очищення стічних вод з вилученням деяких біогенних елементів виконують після їх біологічного очищення при повторному використанні для потреб технічного водопостачання.

Біогенні елементи – хімічні елементи, які постійно входять у склад організмів і виконують певні біологічні функції. До їх числа відносяться: кисень, вуглець, водень, азот, бор, сірка, кальцій, калій, натрій, хлор, а також йод, цинк, магній, марганець, залізо та інші хімічні елементи, необхідні організмам у мізерних кількостях.

При глибокому очищенні найбільш часто вирішується задача нітрифікації, тобто окислення аміаку до азотної кислоти. Процес має дуже велике значення для землеробства, тому що переводить азотисті сполуки у форму, доступну для живлення рослин. Крім того, для водоймищ громадського водокористування існують норми ГДК за біогенними елементами, зокрема для азоту, сольового аміаку до 2 мг/л.

Із вапнякових методів вилучення із води азоту сольового аміаку (десорбція повітрям у лужному середовищі; озонування, хлорування, нітрифікація) усе ширше впроваджується у практику нітрифікація. При цьому азот із води не вилучають, а переводять азот сольового аміаку у нітрати і нітрити, що значно покращує кисневий режим водоймища.

Процес нітрифікації успішно протікає у біофільтрах, аерофільтрах та аеротенках за рахунок життєдіяльності бактерій – нітрифікаторів, і ефект нітрифікації відповідно складає 30-47, 60-70 та 70-75%. Під ефективністю нітрифікації розуміють відношення суми утворених нітратів та нітритів до вихідного вмісту амонійного азоту у відсотках.

Для усіх споруд біологічного очищення, які працюють у схемах нітрифікації, необхідний період зарядки або адаптації. Так, для аеротенків він складає 30-45 днів, при цьому спостерігається зменшення активного мулу за сухою речовиною внаслідок відмирання сапрофітної мікрофлори та спухання мулу.

Найбільш високий ефект нітрифікації досягається у аеротенках. В них можливо управляти процесом за рахунок концентрації біомаси нітрифікуючого мулу та оптимізації складу його мікробіального населення. Рекомендується улаштування спеціального резервуара для вирощування нітрифікуючого мулу, оскільки приріст активного мулу в самому аеротенку-нітрифікаторі дуже невеликий.

Доочищення стічних вод фільтруванням. Для цього найбільш широко застосовують фільтрування на барабанних сітках з вічками 0,5-1 мм зі швидкістю 40-50 м/год з подальшим фільтруванням на фільтрах із зернистим завантаженням. Для доочищення біологічно очищених стічних вод використовують прямоточні (двошарові) та протиточні швидкі фільтри. Перевагу необхідно віддавати швидким фільтрам із напрямком потоку знизу уверх, а також  багатошаровим каркасно засипним (рис. 13.1) та крупнозернистим фільтрам. Швидкість фільтрування приймають 5-15 м/год. При фільтруванні скрізь зернисте завантаження біологічно очищених стічних вод досягається зниження БПК_повн. на 70-80%, ХПК (хімічна потреба у кисні) – на 30-40%, завислих речовин – на 80-90%.

Рисунок 13.1 - Схема каркасно-засипного фільтру:

1 - бокова двоповерхова кишеня; 2 і 5 - відповідно подача вихідної води і відведення фільтрату; 3 і 4 - відповідно відведення і подача промивної води;  6 і 7 - відповідно повітряно- і водорозподільні системи; 8 - підтримуючі гравійні шари; 9 - гравійний каркас; 10 - піщана засипка; 11 - подача повітря,   12 - трубчаста система для подачі вихідної і відведення промивної води

Промивку фільтрів виконують водою із вмістом завислих речовин до 20 мг/л або застосовують водоповітряне промивання. На швидких фільтрах з рухом води зверху вниз необхідно передбачувати пристрої для гідравлічного або механічного розпушування верхнього шару завантаження. Інтенсивність промивання швидких піщаних фільтрів з нижнім та верхнім промиванням 16-18 л/(с·м²) протягом 6-8 хвилин, а для двошарових фільтрів - 14-16 л/(с·м²) протягом 8-10 хвилин. Для протиточних швидких фільтрів застосовують водоповітряне промивання з таким режимом: продування повітрям з інтенсивністю 18-20 л/(с·м²) протягом 1-2 хв; водоповітряне промивання з інтенсивністю 6-7 л/(с·м²) протягом 4-5 хв.

Тривалість фільтроциклу приймають: для кварцових прямоточних фільтрів 12 годин при початковому вмісті завислих речовин 15-20 мг/л та 8 годин при 20-40 мг/л; для протиточних та двошарових фільтрів 24 години при початковому вмісті завислих речовин 15-20 мг/л та 16 годин при 20-30 мг/л. Вода після промивання фільтрів підлягає відстоюванню протягом 2 годин, а потім подається у аеротенки, а осад поступає на споруди з обробки осадів. Періодично, 1 раз у 3 місяці, завантаження фільтрів хлорується, для чого фільтр заповнюється на добу хлорною водою з концентрацією хлору 0,2-0,3 г/л.

Останнім часом для доочищення біологічно очищених стічних вод ширше застосовують каркаснозасипні фільтри (КЗФ). Особливістю кінетики витягування ними завислих речовин є те, що гравійний каркас затримує крупні частки завислих речовин у кількості до 40%, вирівнює навантаження по суспензії і тим самим забезпечує більш однорідний дисперсний склад завислих речовин, що проникають у другий фільтруючий шар. При цьому активний мул, який накопичується у завантаженні фільтру, не втрачує своєї біохімічної активності. Ефективність доочищення стічних вод на КЗФ складає: за завислими речовинами 80-95%; за зниженням величини БПК_повн. – 66-89%; за зниженням величини ХПК – 24-40%.

Оптимальні технологічні та конструктивні параметри КЗФ: швидкість фільтрування – 10 м/год; розмір фракцій гравійного каркасу – 40-60 мм; розмір фракцій піщаної засипки – 1-1,25 мм; висота піщаної засипки 0,9 м, а загальна висота гравійного каркасу – 1,8 м. Оптимальні параметри водної та водоповітряної промивки КЗФ: при водній промивці – інтенсивність подачі промивної води 20-22 л/(с·м²), тривалість промивки 8 хв.; при водоповітряній промивці - інтенсивність подачі промивної води 12-14 л/(с·м²), інтенсивність подачі повітря 20-22 л/(с·м²), тривалість промивки 10 хв.

Сорбція залишкових органічних речовин на активному вугіллі. Сорбція – процес, який полягає у тому, що забруднення із стічної рідини або поглинаються твердим тілом (абсорбція), осідають на його активній розвинутій поверхні (адсорбція), або вступають у хімічну взаємодію з ним (хемосорбція). Для очищення виробничих стічних вод частіше за все використовують адсорбцію. Для цього до стічної рідини, що очищується, добавляють сорбент (тверде тіло) у роздрібненому вигляді і перемішують із стічною водою. Потім сорбент, насичений забрудненнями, відділяють від води відстоюванням або фільтруванням. Частіше за все воду, яка очищується, пропускають безперервно через фільтр, завантажений сорбентом. Як сорбенти застосовують: активне вугілля, коксовий дріб’язок, торф, каолін, тирсу, попіл та ін. Кращий, але найбільш дорогий сорбент – активне вугілля. Для відновлення сорбційної ємності активне вугілля піддається регенерації їдким натром, парою або термообробці. Метод сорбції можна використовувати, наприклад, для очищення виробничих стічних вод від газогенераторних станцій, які вміщують фенол, а також виробничих стічних вод, що містять миш’як, сірководень тощо. Після адсорбційного очищення можливе повторне використання стічних вод у системі обертового водопостачання. Недоліком сорбційного очищення є його відносно велика вартість.