Очистные сооружения систем водоотведения.

Проблема предотвращения загрязнения водоемов сбросами бытовых, производственных и дождевых сточных вод приобрела в последние годы первостепенное значение. Сложность решения данной проблемы определяется как техническими трудностями очистки сточных вод от широкого спектра загрязнений минерального, органического и бактериального характера, так и значительными размерами инвестиций, необходимых для реализации природоохранных мероприятий.

В самом начале рассмотрения раздела «Водоотведение поселений» была дана характеристика основных загрязнений сточных вод и приведена их классификация. Выделим некоторые свойства загрязнений, непосредственно влияющих на процессы очистки сточных вод.

Загрязнения по своему физическому состоянию могут быть в нерастворенном (взвешенном), коллоидном и растворенном виде.

В бытовых сточных водах количество нерастворенных взвешенных веществ составляет примерно 65 г/сут. на одного жителя. Количество взвешенных веществ в производственных сточных водах зависит от вида технологического процесса и его экологических характеристик. В атмосферных сточных водах взвешенные вещества составляют основной вид загрязнений. Нерастворенные загрязнения имеют как органическую, так и минеральную природу.

Коллоидные загрязнения имеют размеры менее 0,1 мкм и состоят в основном из органических веществ.

Растворенные вещества, содержащиеся в бытовых сточных водах, имеют преимущественно органическую природу.

Сброс неочищенных сточных вод в водоемы представляет серьезную опасность в санитарном и природоохранном отношении, так как они содержат различные, в том числе патогенные, бактерии, а также вещества, оказывающие негативное воздействие на экосистемы водоемов.

Ухудшение качества воды в водоемах при сбросе в них неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод объективно проявляется в:

- изменении физических свойств воды (прозрачности, цветности, запаха, вкуса и других характеристик);

- увеличении концентрации вредных веществ в воде;

- уменьшении концентрации растворенного в воде кислорода;

- изменении активной реакции воды;

- бактериальном загрязнении водоема.

Внешние проявления загрязнения водоема выражаются в появлении посторонних запахов, изменении цвета воды и ее вкуса, появлении пленок на поверхности воды и увеличении ее мутности.

Необходимо отметить, что в водоемах в естественных условиях происходит их самоочищение от растворенных и нерастворенных органических загрязнений. Действие этого механизма основано на минерализации органических веществ, содержащихся в воде, в результате жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Необходимым условием для этого является наличие в воде водоема достаточного количества растворенного свободного кислорода.

При сбросе в водоемы сточных вод, содержащих большое количество органических веществ, растворенный в воде кислород расходуется на их окисление, что приводит к уменьшению его концентрации. Это ухудшает как качество воды в целом, так и условия обитания в водоеме рыб, вызывает деградацию микроорганизмов, обитающих в водоеме и минерализующих органические вещества, что нарушает естественный механизм самоочищения водоема.

Степень загрязнения сточных вод органическими веществами характеризуется показателем, который называется биохимической потребностью в кислороде (БПК). Измеряется БПК в мг/л или мг/дм³. Чем выше БПК, тем больше требуется кислорода для окисления органических загрязнений сточных вод и тем больше их потенциальная опасность. Для городских сточных вод БПК находится в пределах от 100 до 400 мг/л, причем, чем больше удельное водопотребление на одного жителя в городе, тем меньше значение БПК сточных вод. Выпуск сточных вод с такими значениями БПК в водоемы может нанести им непоправимый вред, поэтому стоки необходимо очищать от органических загрязнений до такой степени, чтобы значение БПК уменьшилось до 6 – 15 мг/л.

В целях охраны водоемов и предотвращения их загрязнений установлены гигиенические нормативы состава и свойств воды в водоемах двух категорий водопользования.

К первой категории водопользования относится использование водных объектов в качестве источника хозяйственно-питьевого водопользования, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.

Ко второй категории водопользования относится использование водных объектов или их участков для рекреационного водопользования. Требования к качеству воды, установленные для второй категории водопользования, распространяются также на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест.

Требуемое качество воды водоемов при сбросе в них сточных вод зависит от категории водопользования и должно соответствовать нормативным требованиям. В том числе:

- содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться более чем на 0,25 мг/дм³ в водоемах первой категории и на 0,75 мг/дм³ в водоемах второй категории;

- на поверхности воды не должны обнаруживаться пленки нефтепродуктов, масел, жиров и скопление других примесей;

- водородный показатель рH не должен выходить за пределы 6,5—8,5;

- растворенный кислород не должен быть менее 4 мг/дм³;

- вода не должна содержать возбудителей кишечных инфекций и яиц гельминтов.

Для предотвращения загрязнения водоемов сточными водами их необходимо очищать и обеззараживать перед выпуском в водоем.

Нерастворенные и частично коллоидные загрязнения могут быть выделены из сточных вод механическим путем, например, их отстаиванием. Способ очистки, основанный на механических средствах выделения загрязнений из сточных вод, называется механической очисткой. Механическая очистка применяется для очистки бытовых, производственных и дождевых сточных вод.

Растворенные и многие коллоидные загрязнения не могут быть извлечены из сточных вод при их отстаивании, поэтому для очистки сточных вод от данных загрязнений применяют физико-химические способы очистки, основанные на сорбции, экстракции, электролизе и других процессах обработки сточных вод. Физико-химическая очистка применяется преимущественно для очистки производственных сточных вод.

Биологическую очистку, принцип которой заключается в окислении и минерализации коллоидных и растворенных органических веществ в результате процессов жизнедеятельности микроорганизмов, применяют для бытовых, некоторых видов производственных сточных вод, а в последнее время, используют также для очистки загрязненных атмосферных сточных вод с территорий городов. Результатом биологической очистки является снижение значения БПК сточных вод.

На очистных сооружениях систем водоотведения поселений используют механический и биологический способы очистки сточных вод. В зависимости от размеров города, условий его водоснабжения, характеристик водоема, в который сбрасываются очищенные сточные воды, применяют различные схемы их очистки. Одна из схем очистных сооружений сточных вод города в упрощенном виде приведена на рис. 61.

При организации очистки сточных вод по схеме, представленной на рис. 61, они последовательно проходят сооружения механической и биологической очистки.

Рис. 61. Упрощенная схема очистных сооружений системы отведения города.

Механическая очистка сточных вод производится на решетках, в песколовках и отстойниках (первичном и вторичном), где сточные воды очищаются примерно на 30%.

На решетках, состоящих из металлических прутьев с прозорами 16 мм, задерживаются крупные отбросы. Решетки устанавливаются на пути движения сточных вод вертикально или наклонно. Задержанные на решетках отбросы собираются и отправляются на дробилку для измельчения. Размещаются решетки в специальных зданиях или устанавливаются на открытом воздухе.

После прохождения решеток сточная жидкость поступает в песколовки, предназначенные для осаждения песка и других минеральных примесей крупностью от 0,2 мм и больше. Необходимость их применения обусловлена тем, что предварительное отделение минеральных примесей облегчает условия работы сооружений, предназначенных для последующей обработки сточных вод – отстойников, аэротенков и др.

Принцип работы песколовки состоит в гравитационном осаждении минеральных частиц из сточных вод, движущихся со скоростью от 0,15 до 0,3 м/с. Этот диапазон скоростей обеспечивает осаждение тяжелых минеральных примесей и прохождение через песколовку более легких органических взвесей. Среднее время прохождения сточных вод через песколовки составляет от 30 до 60 с.

Песколовки бывают горизонтальные, тангенциальные, вертикальные и других типов. Размеры песколовок в плане зависят от их типа и расхода сточных вод.

На крупных станциях очистки сточных вод осажденный в песколовке песок удаляется из нее в виде песчаной пульпы и направляется на песковые площадки. На станциях очистки производительностью до 80000 м³/сут. песок из песколовок направляется для обезвоживания в песковые бункеры, откуда периодически вывозится на утилизацию.

Отстойники предназначены для осветления сточных вод путем выделения из них взвешенных частиц минерального и органического происхождения. Выделить взвеси из водяного потока можно различными способами, например фильтрацией, однако, учитывая специфические свойства сточных вод, в частности, большое содержание в них взвесей различного характера и размеров, для этих целей используют только сооружения, принцип работы которых основан на действии гравитационных сил. Сам термин «отстойник» отражает принцип работы сооружения - под действием гравитационных сил происходит осаждение из сточных вод взвесей, имеющих плотность, больше чем плотность воды, и всплывание на поверхность взвесей, с плотностью меньше плотности воды.

Отстойники являются основными сооружениями механической очистки сточных вод.

Для эффективного осветления сточных вод в отстойнике необходимо обеспечить ряд условий, важнейшими из которых являются уменьшение скорости движения сточных вод в отстойнике и создание зоны выделения взвесей достаточных размеров.

По принципу организации зоны выделения взвесей и направлению движения в ней сточных вод различают отстойники горизонтального, вертикального и радиального типа.

Работа отстойника горизонтального типа поясняется рис. 62.

Рис. 62. Схема работы горизонтального отстойника.

1 – входной лоток; 2 – полупогружные перегородки; 3 – лоток для сбора жира и плавающих взвесей; 4 – труба для отвода жира и плавающих взвесей (жировая труба); 5 – приямки для сбора осадка; 6 – труба для удаления осадка; 7 – сборный лоток для отвода осветленной воды; 8 – днище отстойника.

Сточная жидкость поступает в отстойник через входной лоток 1, который равномерно распределяет поток по ширине отстойника. Сточная жидкость в зоне отстаивания движется вдоль отстойника в горизонтальном направлении со скоростью до 0,7 мм/с, при этом тяжелые взвеси оседают на дно, собираются в приямках для сбора осадка 5 и удаляются из отстойника через иловую трубу 6. Легкие взвеси (жир, масла, пленки углеводородов и др.) поднимаются к поверхности сточной жидкости, поступают в лоток для сбора жира и плавающих взвесей 3 и удаляются через жировую трубу 5. Осветленные сточные воды поступают в сборный лоток осветленной воды 7 и покидают отстойник. Полупогружные перегородки 2 у входного лотка и сборного лотка осветленной воды предназначены для локализации плавающих взвесей у поверхности сточной жидкости в отстойнике и предотвращения их попадания в лоток осветленной воды.

Поперечные размеры отстойника (ширина и высота) выбираются из расчета обеспечения скорости движения сточных вод около 0,7 мм/с, а его длина определяется протяженностью зоны осаждения.

Горизонтальные отстойники выполняют в виде прямоугольных в плане железобетонных сооружений и применяют на очистных сооружениях производительностью более 15000 м³/сут.

Принцип работы отстойника вертикального типа поясняется рис. 63. Сточная жидкость поступает в центральную трубу 2 отстойника по подводящему лотку 1. Выходя из нижнего отверстия центральной трубы, жидкость поднимается с малой скоростью, около 0,7 мм/с, в верхнюю часть отстойника, а взвеси под действием силы тяжести опускаются в его нижнюю часть. Осевший ил периодически удаляется из отстойника через иловую трубу 5 и задвижку 6. Плавающие взвеси локализуются полупогружными перегородками 3 и удаляются через жировую трубу 7. Очищенная жидкость переливается в сборные лотки 4 и отводится из отстойника.

Вертикальные отстойники применяют для очистных сооружений производительностью до 20000 м³/сут, при низком уровне грунтовых вод и плотных грунтах. Диаметр отстойника принимается от 4 до 10 м, а высота отстойной части – от 2,7 до 4,0 м.

Рис. 63. Схема осветления сточных вод в вертикальном отстойнике.

1 – водоподающий лоток; 2 – центральная труба; 3 – полупогружные перегородки; 4 – лоток для отвода осветленной воды; 5 – иловая труба;

6 – задвижка; 7 – жировая труба.

На очистных станциях производительностью более 20000 м³/сут применяют радиальные отстойники, в которых сточная жидкость осветляется при движении от центра отстойника к периферии. При радиальном движении жидкости происходит уменьшение ее скорости, что вызывает осаждение взвесей и осветление воды.

Сооружения для биологической очистки сточных вод предназначены для удаления из них органических загрязнений, находящихся в растворенном или коллоидном состоянии. Принцип работы сооружений биологической очистки основан на окислении органических веществ микроорганизмами в среде, обогащенной кислородом. После сооружений биологической очистки сточные воды очищаются примерно на 95%, то есть остаточных загрязнений остаётся около 5% (бактериальные загрязнения).

Биологическая очистка сточных вод осуществляется в специальных сооружениях – аэротенках, и биофильтрах.

Термин аэротенк, образован от слов аэро – воздух и тенк – бак, резервуар. Конструктивно аэротенк представляет собой резервуар, глубиной 3 – 6 метров и шириной 6 – 10 метров, рис. 64, в котором медленно движется смесь сточной жидкости, предварительно осветленной в первичном отстойнике и активного ила. Общая длина аэротенка обычно составляет от 50 до 130 метров.

Рис. 64. Схема работы аэротенка. 1 – циркулирующий активный ил; 2 – избыточный активный ил; 3 – насос ная станция; 4 – вторичный отстойник; 5 – аэротенк; 6 – первичный отстойник.

Активный ил представляет собой биоценоз микроорганизмов-минерализаторов, которые способны сорбировать (выделять) на своей поверхности органические вещества и окислять их в присутствии кислорода. Активный ил имеет вид компактных хлопьев средней крупности.

По всей длине аэротенка смесь сточной жидкости и активного или продувается сжатым воздухом, подаваемым компрессорами в нижнюю часть резервуара, в результате чего в объеме аэротенка создается насыщенная воздухом среда. Время пребывания бытовых сточных вод в аэротенке составляет 6 – 8 часов.

Из аэротенка смесь сточной жидкости и активного ила поступает во вторичный отстойник, где активный ил осаждается вместе с минерализованными продуктами окисления органических веществ, после чего возвращается в аэротенк. Этот ил называется циркулирующим активным илом. Избыточная часть активного ила, образовавшаяся в результате роста его массы в аэротенке, направляется на утилизацию.

В биофильтрах процесс сорбции и окисления органических веществ происходит в биологических пленках, образованных сообществами микроорганизмов на поверхности материалов, используемых в качестве загрузки - щебня, шлака, керамзита, пластмассы и др.

По принципу работы различают капельные, с естественной подачей воздуха, и высоконагружаемые, с принудительной подачей воздуха. Капельные биофильтры используются на станциях очистки производительностью до 1000 м³/сут, а высоконагружаемые – до 50000 м³/сут.

Устройство высоконагружаемого биофильтра приведено на рис. 65.

Рис. 65. Схема работы биофильтра с принудительной подачей воздуха.

1 – труба, подающая сточную жидкость; 2 – водораспределительное устройство; 3 – загрузка; 4 – водоотводящий лоток; 5 – гидравлический затвор; 6 – воздухоподводящие трубы.

Сточная жидкость подается в биофильтр по трубе 1, равномерно распределяется по сечению биофильтра водораспределительным устройством 2 и фильтруется через слой загрузочного материала 3, на развитой поверхности которого образована биологическая пленка микроорганизмов, окисляющих органические вещества, растворенные в сточной жидкости. В нижнюю часть биофильтра подается воздух по воздухоподводящей трубе 6. Очищенная сточная жидкость поступает в нижнюю часть биофильтра, проходит гидрозатвор 5 и отводится из биофильтра через водоотводящий лоток 4.

Гидрозатвор необходим для предотвращения поступления воздуха из нижней части биофильтра в водоотводящий лоток.

Биологическая очистка может быть организована и в естественных условиях. Для этого используются фильтрационные свойства грунта и его способность образовывать биологическую пленку на поверхности частичек, составляющих грунт. Эта пленка абсорбирует и окисляет органические вещества в присутствии кислорода, проникающего в поры грунта в составе атмосферного воздуха.

Биологическая очистка сточных вод с использованием фильтрационных свойств грунта в естественных условиях проводится на полях орошения и полях фильтрации.

Очевидно, что биологическая очистка в естественных условиях требует значительных площадей под размещение полей орошения и полей фильтрации, поэтому в настоящее время она практически не применяется.

Возможна биологическая очистка сточных вод в биологических прудах и каналах, представляющих собой водоемы с глубиной от 0,5 до 1,0 метра, в которых происходит естественный процесс самоочищения за счет жизнедеятельности микроорганизмов, окисляющих органические вещества. Биологические пруды могут применяться как самостоятельные сооружения биологической очистки, так и в качестве сооружений доочистки, в которые поступают сточные воды после сооружений биологической очистки (аэротенков или биофильтров).

Обеззараживание сточных вод, прошедших биологическую очистку выполняется для предотвращения бактериального загрязнения водоема. Очистка считается выполненной на 100%. В отстойниках и в сооружениях биологической очистки из сточных вод удаляется значительная часть патогенных микроорганизмов, однако для защиты водоемов от негативного воздействия сточных вод их необходимо обеззараживать. Для этого могут применяться различные способы – хлорирование, озонирование, обработка ультрафиолетовыми лучами, электролиз и др. На крупных очистных сооружениях обеззараживание стоков осуществляется преимущественно хлорированием, а на установках малой производительности – обработкой ультрафиолетовыми лучами. Озонирование отличается высоким бактерицидным эффектом, однако не получило широкого применения из-за высокой стоимости, технической сложности и затрудненности контроля процесса обеззараживания.

При хлорировании сточных вод используется хлораторная, смеситель и контактный резервуар. В хлораторной дозируется хлор и приготавливается хлорная вода, которая смешивается со сточной жидкостью в смесителе. Процесс обеззараживания протекает в контактном резервуаре, рассчитанном на получасовой контакт хлора с водой. Управляют процессом обеззараживания путем поддержания в контактном резервуаре требуемой концентрации свободного хлора.

После обеззараживания сточные воды выпускаются в водоем. Место выпуска согласуется с органами Государственного надзора и располагается, как правило, ниже по течению реки от территории поселения, мест водозабора, а также участков водоема, используемых для спортивных и оздоровительных целей, купания и отдыха. Необходимо учитывать также условия водопользования поселений, находящихся ниже по течению реки.

Обработка осадков и илов производится с целью их обеззараживания и последующей утилизации.

На обработку поступают отбросы, задержанные на решетках и измельченные в дробилках, осадки, илы или биопленки задержанные в первичных и вторичных отстойниках. Осадок, поступающий на переработку, чрезвычайно опасен в санитарном отношении и поэтому не может быть утилизирован, однако после его переработки возможно получение продукта, содержащего большое количество азота, фосфора, калия и других веществ, необходимых для питания растений.

Для обработки органического осадка используются процессы анаэробного (без доступа воздуха) сбраживания. Данные процессы происходят в несколько стадий и связаны с жизнедеятельностью дрожжевых и метановых бактерий.

Различают мезофильный процесс анаэробного сбраживания, протекающий при температуре 30 – 35 ^ОС, и термофильный процесс, протекающий при температуре 50 – 55 ^ОС.

В процессе анаэробного сбраживания выделяется горючий газ метан, который используется в качестве топлива в котельных, являющихся источником теплоснабжения очистных сооружений.

Обработка органического осадка производится в метантенках, получивших свое название от газа метана. Схема устройства метантенка приведена на рис. 66.

Внутренний объем метантенка представляет собой герметичный резервуар, в который через приемную трубу 1 поступает на переработку сырой осадок, а через трубу 2 подводится водяной пар для подогрева сбраживаемого осадка. Для интенсификации процесса сбраживания содержимое метантенка постоянно перемешивается, путем обеспечения циркуляции осадка и иловой воды посредством насоса 6 и использования гидроэлеватора 7. Сброженный осадок отводится из метантенка через трубу 5. Горючий газ метан, образующийся в процессе сбраживания осадка, собирается в верхней части метантенка, откуда отводится в котельную. Осадок, переработанный в метантенке, безопасен в санитарном отношении, его подсушивают и дробят для последующего использования в качестве удобрения. Он содержит все ценные для растений питательные вещества.

Рис. 66. Схема устройства метантенка. 1 – приемная труба; 2 – подача пара;

3 – трубопровод циркулирующего осадка; 4 – выпуск иловой воды; 5 – выпуск сброженного осадка; 6 – насос для циркуляции и перемешивания осадка; 7 – гидроэлеватор.

Размеры площадок для размещения очистных сооружений системы водоотведения города зависят от их суточной производительности.

Размещаются очистные сооружения на незатопляемой территории, вокруг них предусматриваются санитарно-защитные зоны (СЗЗ).

Таблица 9