28 Методы очистки воды

Методы очистки воды при всем их многообразии можно подразделить на три группы: механические, физико-химические и биологические.

Механическая очистка

применяется прежде всего для отделения твердых и взвешенных веществ. Наибо­лее типичными в этой группе являются способы проце­живания, отстаивания, инерционного разделения, фильтрования и нефтеулавливания (как разновидность отстаивания), — все они используются для обработки сточных вод. Для водоподготовки из этой группы наи­более широко применяются отстаивание и фильтрова­ние.

1. Процеживание — первичная стадия очистки сточ­ных вод — вода пропускается через специальные ме­таллические решетки с шагом 5—25 мм, установленные наклонно. Периодически они очищаются от осадка с помощью специальных поворотных приспособлений.

2. Отстаивание происходит в специальных емкостях, которые по направлению движения воды делят на гори­зонтальные, вертикальные, радиальные и комбинирован­ные. Общими для них являются выход очищенной воды в верхней части отстойника и гравитационный принцип осаж­дения частиц, которые собираются внизу. Разновиднос­тью отстойника являются песколовки, применяющиеся для выделения частиц песка в стоках литейных цехов, окали­ны — в стоках кузнечно-прессовых и прокатных цехов и т. д. Как правило, время нахождения воды в песколовках намного меньше, чем в отстойниках, где оно доходит до 1,5 часов (для сточных вод).

3. Инерционное разделение осуществляется в гидроцик­лонах, принцип действия которых аналогичен цикло­нам для очистки газов. Различают открытые и напор­ные гидроциклоны, причем первые имеют большую производительность и малые потери напора, но проиг­рывают в эффективности очистки (особенно от мелких частиц).

4. Фильтрование осуществляется чаще всего через по­ристые связанные или несвязанные материалы. Как правило, фильтры очищают воду от тонкодисперсных примесей даже при небольших концентрациях. Фильт-роматериалы достаточно разнообразны: кварцевый пе­сок, гравий, антрацит, частички металлов и др. Песча­ные фильтры — основные очистители при водоподго-товке. Эффективный фильтр из связанных специальными смолами песчано-гравийных фракций разработан груп­пой сотрудников РГУПС (Л.Ф. Быкадоров, В.И. Коре-невский, Т.А. Шатихина).

5 Нефтеловушки в самом простом исполнении пред­ставляют собой отстойники, в которых выход очищен­ной воды происходит снизу, а нефтяная пленка собира­ется сверху.

Физико-химическая очистка

обеспечивает отделе­ние как твердых и взвешенных частиц, так и раство­ренных примесей. Она включает множество разных способов, важнейшими из которых являются экстрак­ция, флотация, нейтрализация, окисление, сорбция, коагуляция, ионообменные методы и др.

1. Экстракция — процесс разделения примесей в сме­си двух нерастворимых жидкостей (экстрагента и сточ­ной воды). Например, в специальных колонках (пусто­телых или заполненных насадками) стоки смешивают­ся с экстрагентом, отбирающим вредные вещества: так бензолом удаляется фенол.

2. Флотация — процесс всплывания примесей (чаще всего маслопродуктов) при обволакивании их пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду. В некоторых слу­чаях между пузырьками и примесями происходит реак­ция. Разновидность метода— электрофлотация, при которой вода дополнительно обеззараживается за счет окислительно-восстановительных процессов у электро­дов.

3 Нейтрализация — обработка воды щелочами или кис­лотами, известью, содой, аммиаком и т. п. с целью обес­печения заданной величины водородного показателя рН. Самый простой способ нейтрализации сточных вод — сме­шение кислых и щелочных стоков, если они имеются на предприятии.

4Окисление — применяется как при водоподготовке, так и при обработке сточных вод для обеззараживания воды и уничтожения токсичных биологических приме­сей. Наиболее распространенный способ — хлорирова­ние — чреват, как указывалось ранее, появлением ди­оксинов (особенно при вынужденном повышении дозы хлора летом или в период паводка, так называемом ги­перхлорировании). Необходимо постепенно переходить на другие способы, например, на комбинацию — озо­нирование и хлорирование. Озонирование — дорого и имеет более кратковременное действие, но оно перспек­тивнее. В настоящее время отрабатываются комбина­ции реагентов с ультрафиолетовой обработкой воды. Во всяком случае вода, применяемая для питья и содер­жащая характерный запах хлора, перед употреблени­ем должна отстаиваться и кипятиться, как минимум.

5. Сорбция, как и при обработке газовых выбросов, спо­собна обеспечивать эффективную очистку воды от со­лей тяжелых металлов, непредельных углеводородов, частичек красящих веществ и т. п. Лучшим сорбентом и здесь является активированный уголь, это относится и к различным минералам (шунгиту, цеолиту и др.), специально обработанным опилкам, саже, частичкам титана и др. На этих сорбентах работают многие быто­вые фильтры для воды: «Родничок*, *Роса» и др.

6. Коагуляция — обработка воды специальными реа­гентами с целью удаления нежелательных растворен­ных примесей. Широко распространена при водоподго-товке. Обработка ведется соединениями алюминия или железа, при этом образуются твердые нерастворимые примеси, отделяемые обычными способами. Для сточ­ных вод широко применяется электрокоагуляция, при которой вблизи электродов образуются ионы (резуль­тат анодного растворения материала электродов), реа­гирующие с примесями. Так отделяют тяжелые метал­лы, пианы и др.

7 . Ионообменные методы достаточно эффективны для очистки от многих растворов и даже от тяжелых ме­таллов. Очистка производится синтетической ионооб­менной смолой и, если ей предшествует механическая очистка, позволяет получить выделенные из воды ме­таллы в виде сравнительно чистых концентрированных солей.

В последнее время за рубежом (особенно для водо-подготовки) используют установки обратного осмоса. В них вода продавливается через набор специальных микропленок при высоком давлении (до 30 МПа). Эти установки чрезвычайно эффективны в качестве после­дних ступеней (т. е. для тонкой очистки). Но они дос­таточно дороги и энергоемки.

Биологическая очистка

возможна в естественных условиях и в искусственных сооружениях. И в том, и в другом случае органические примеси обрабатываются редуцентами (бактериями, простейшими, водорослями и т. п.) и превращаются в минеральные вещества. В естественных условиях очистка производится на полях фильтрации или орошения (через почву) или в биоло­гических прудах-отстойниках, в которых концентрация загрязнителей снижается до требуемых норм за счет процессов самоочищения, осуществляемых мик­роорганизмами, водорослями, беспозвоночными, пру­ды могут быть с поддувом воздуха (с искусственной аэрацией).

Большой интерес представляют высшие водные рас­тения (ВВР) для очистки воды (тростник, камыш, уруть, ряска и др.) Способность ВВР к накоплению, утилиза­ции, трансформации многих загрязняющих веществ делает их незаменимыми в общем процессе самоочи­щения водоемов. В последнее время на территории РФ получило широкое применение тропическое цветковое растение — Eichornia crassipes — эйхорния, или вод­ный гиацинт. Эйхорния может применяться там, где в течение не менее двух месяцев температура стоков на­ходится не ниже 16 °С. Эйхоряия способна поглощать все лишнее, что загрязняет воду: нефтепродукты, фе­нолы, сульфаты, фосфаты, хлориды, нитраты, СПАВы, щелочи, тяжелые металлы... Улучшает ВПК и ХПК. Уничтожает патогенные микроорганизмы гнилостного ряда, нормализует общее микробное число и Коли-ин-декс. Эйхорнию можно использовать для доочистки сточной воды на городских очистных сооружениях, а также на сельскохозяйственных и промышленных сто­ках. Есть опыт применения этого растения для очист­ки реки Темерник (г. Ростов-на-Дону).

В качестве искусственных сооружений могут при­меняться аэротенки, окситенки, метатенки и биофиль­тры.

1.Капельный биофильтр

Капельный биофильтр — наиболее распространённый тип био­реактора с неподвижной биоплёнкой, применяемый для очистки стоков. По существу, это реактор е неподвижным слоем и противо­током воздуха и жидкости. Биомасса растёт на поверхности насадки в виде плёнки.

Биофильтры представляют собой прямоугольные или круглые сооружения со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним — сплошным. Дренажное дно биофильтра состоит из железобетонных плит с площадью отверстий не менее 5-7% от общей площади поверх­ности фильтра. Фильтрующим материалом обычно служит щебень, галька горных пород, керамзит, шлак.

Входной поток предварительно отстоянных сточных вод с по­мощью водораспределительного устройства периодически равномер­но орошает поверхность биофильтра. В ходе просачивания сточных вод через материал фильтрующего слои происходит ряд последова­тельных процессов:

1) контакт с биопленкой, развивающейся на поверхности частиц фильтрующего материала;

2) сорбция органиче­ских веществ поверхностью микробных клеток;

3) окисление ве­ществ стоков в процессах микробного метаболизма. Через нижнюю часть биофильтра противотоком жидкости продувается воздух. Во время паузы между циклами орошения сорбирующая способность биоплёнки восстанавливается.

В настоящее время около 70% очистных сооружений Европы и Америки представляют собой капельные биофильтры. Срок службы таких биореакторов исчисляется десятками лет до 50.

Аэротенк относится к гомогенным биореакторам. Типовая кон­струкция биореактора представляет собой железобетонный герме­тичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с отстойником Аэротенк разделяется продольными перегородками на несколько коридоров, обычно 3-4.

Процесс биоочистки в аэротенке состоит из двух этапов.

Первый этап заключается во взаимо­действии отстоянных сточных вод, содержащих около 150-200 _мг/л взвешенных частиц и до 200-300 мг/л органических веществ, с воздухом и частицами активного ила в аэротенке в течение неко­торого времени (от 4 до 24 ч и больше в зависимости от типа сто­ков, требований к глубине очистки и пр.).

На втором — происходит разделение вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике. Биохимическое окисление органических веществ стоков в аэротенке на первом этапе реализуется в две стадии: на первой микроорга­низмы активного ила адсорбируют загрязняющие вещества стоков, на второй — окисляют их и восстанавливают свою окислительную способность.

Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется через пористые железобетонные плиты или через систему пористых кера­мических труб. Про­стейшие потребляют бактерии и снижают мутность стоков, наибольщее значение среди них имеют инфузории (Vorticella, Opercularia).

Активный ил является совокупностью микроорганизмов и простейших, обладающих набором ферментов для удаления загрязнений из стоков Активный ил имеет также поверхность с сильной адсорбционной способностью. Концентрация активного ила в аэротенке обычно составляет 1.5-5.0 г/л.

Биологические пруды

Биологические (очистные) пруды используются в качестве само-

тельного очистного сооружения или конечного пункта очистки стоков.

Чистные пруды функционируют как самостоятельные системы водоочистки, сточные воды перед поступлением в них разбавляются трёх-, пятикратными объёмами технической или хозяйственно-питьевой воды. Средняя глубина прудов составляет от 0.5 до 1.0 м. Срок «созревания» прудов в зонах умеренного климата — не менее одного месяца.