Класифікація процесів вилучення домішок із води згідно з їх фазово-дисперсним станом

Гетерогенні системи		Гомогенні системи
Групи		Групи
Механічний без- реагентний роз­поділ	Діаліз, ультра - фільтрування	Аерування, де­сорбція газів і летких органіч­них сполук під час аерування	Гіперфільтру- вання
Окиснення хло­ром, озоном то­що	Окиснення хло­ром та іншими окисниками	Окиснення хло­ром, оксидом хлору, озоном, перманганатом калію	Переведення іонів у малоди- соційовані спо­луки
Флотація сус­пензій та емуль­сій	Коагуляція ко­лоїдних систем	Екстракція ор­ганічними роз­чинниками	Сепарація іонів
Бактерицидний вплив на пато­генні мікроорга­нізми та спори	Віруміцидний вплив	Біохімічне роз­кладання	Вилучення іонів металів мікро­організмів
Електрофільтру- вання та елект- роутримання мікроорганізмів	Електрофорез та електродіаліз	Поляризація мо­лекул в елект­ричному полі	Використання рухливості іонів в електричному полі

Методи очищення стічних вод поділяються на такі групи: механічні, фізико-хімічні, хімічні та біологічні.

Для стічних вод, що містять переважно завислі, плаваючі та грубоемульговані тверді й рідкі нерозчинні забруднювачі, застосовують механічне очищення з використанням гравітацій­них і відцентрованих сил, а також очищення проціджуванням і фільтруванням. Іони важких металів та інші токсичні речо­вини під час механічного очищення не затримуються.

Якщо виділення забруднень зі стічних вод можливе тільки внаслідок хімічних реакцій між забруднювачами і реагентами, які вносять у стічні води, застосовують хімічне очищення, що ґруптується на використанні хімічних або електрохімічних окис­но-відновних процесів, у результаті яких забруднення перетво­рюється на нові нешкідливі сполуки, що частково чи повністю випадають в осад або виділяються як гази.

Фізико-хімічне очищення (ФХО) стічних вод характеризу­ється такими процесами, як сорбція, екстракція, коагуляція, електрокоагуляція, електроліз, випарювання, ректифікація, мембранна технологія, спалювання тощо. Методи ФХО вироб­ничих стічних вод здебільшого спрямовані на вилучення з них цінних речовин і тому належать до регенеративних або рекупе- раційних методів.

Біологічне очищення стічних вод застосовують для очищення слабкоконцентрованих вод, що містять переважно органічні ре­човини.

Очищення стічних вод здійснюють на цехових, заводських, районних або міських очисних установках, спорудах і станці­ях. На підприємствах харчової промисловості всі стічні води очищують переважно на заводських очисних спорудах (станціях). Методи очищення стічних вод такі, як цього вимагає передаван­ня їх до районних або міських станцій біологічного очищення, або такі, якими вони мають бути перед поверненням у систему оборотного водопостачання підприємства.

На підприємствах харчової промисловості на особливу увагу заслуговують біологічні методи очищення стічних вод від орга­нічних речовин. Ці методи ґрунтуються на застосуванні мікроор­ганізмів, які використовують органічні сполуки як поживні речо­вини та джерело енергії. Органічні сполуки у цьому разі зазнають деструктивного розкладу внаслідок окиснення за аеробного про­цесу та з утворенням метану під час анаеробного очищення.

Біологічні очисні споруди для аеробного очищення стічних вод складаються з аеротанків, де стоки перемішуються і наси­чуються повітрям, або з біофільтрів, де стоки фільтруються крізь шар аерованого щебеню. У першому варіанті комплекс мік­роорганізмів, які розвиваються, утворює пластівці, що осідають у вигляді активного мулу, у другому — щебінь обростає мікро­організмами, які утворюють біологічну плівку.

Анаеробне очищення стічних вод у метантанках широко ви­користовується на підприємствах харчової промисловості з одер­жанням енергетичного біогазу та біоорганічних добрив (актив­ного мулу).

Очищення стічних вод за допомогою відстоювання здійсню­ється через осадження завислих часточок під дією сили гравіта­ції. У цьому разі спостерігається поступове збільшення концент­рації дисперсної фази в апараті в напрямку згори донизу. На дно відстійника осідає шар осаду шламу, який періодично або безперервно видаляється.

Швидкість руху часточок у рідкому середовищі під час від­стоювання залежить від розміру часточок, їх густини і форми, а також від властивостей дисперсійного середовища, його в’яз­кості і, урешті-решт, від режиму руху часточок.

Для збільшення швидкості осадження завислих часточок і потужності очисних споруд слід прагнути до збільшення їх розміру і густини, а також до зменшення в’язкості та густини дисперсійного середовища. Досягти цього можна коагуляцією за допомогою коагулянтів, унаслідок чого утворюються пластівці з вищою густиною. Зменшення густини і в’язкості водної сус­пензії досягають її розбавленням.

Для проектування відстійників користуються методом фі­зичного моделювання процесу осадження. Горизонтальні від­стійники являють собою прямокутні резервуари, виготовлені із залізобетону. Вони обладнані пристроями для водозабору та во- дорозподілу, а також для видалення осаду. Продуктивність від­стійника становить 30-50 тис. м³/добу і каламутності вихідної води — не більше 2 500 мг/дм³. Це круглі або квадратні в перерізі залізобетонні резервуари із центральною циліндричною трубою і конічною нижньою частиною. Вода зі змішувача надходить через центральну трубу згори донизу, а в самому відстійнику вода рухається знизу догори зі швидкістю 0,5-0,6 м/с. Завислі речовини осідають під дією сили гравітації.

На підприємствах харчової промисловості ефективним спо­собом очищення розділених стічних вод є флотація, що ґрун­тується на різній змочуваності мінералів водою. Процес полягає у специфічній взаємодії завислих речовин із бульбашками тон- кодиспергованого у воді повітря з подальшим утворенням на поверхні води шару піни з речовинами, які вилучають. Оптималь­ні розміри часточок — у межах від 10 ⁵ до 10 ³ м.

Очищувати воду можна флотацією від твердих завислих час­точок, нафтопродуктів, масел та інших емульгованих рідких ре­човин і окремих розчинених речовин. Для прискорення флотації твердих часточок крізь водну суспензію пропускають дрібні бульбашки повітря, які, підіймаючись угору, захоплюють із собою гідрофобні тверді часточки. У результаті такого очищен­ня на поверхні води утворюється шар піни, наповнений твер­дими часточками.

Для збільшення стійкості бульбашок і утворення стабільної піни в суспензію додають піноутворювачі — поверхнево-ак­тивні речовини, що знижують поверхневий натяг води і утво­рюють адсорбційні плівки на поверхні бульбашок. До активних піноутворювачів слід віднести деякі фракції кам’яновугільної смоли, соснову олію, деревний дьоготь тощо.

Є кілька методів насичення води бульбашками повітря: ва­куумні — повітря виділяється з розчину; напірні та ерліфтні установки; імпелерні — флотація реалізується механічним дис­пергуванням повітря; безнапірні і пневматичні установки; фло­тація з подаванням повітря крізь пористі матеріали; електрофло- тація, суть якої полягає в тому, що в нижній частині флотатора розміщується електродна система.

Найперспективнішим способом очищення стічних вод під­приємств харчової промисловості є біологічне очищення, яке полягає у застосуванні гідробіонтів (мікроорганізмів) для звіль­нення води від небажаних домішок.

Досягнення останніх десятиліть у мікробіології, гідробіо­логії та біотехнології дають змогу стверджувати, що сучасні біологічні методи можна успішно використовувати для очи­щення стічних вод від усіх без винятку органічних сполук, що містяться в них у будь-яких концентраціях, від іонів важких металів, нітратів, сульфатів, хроматів, а також від хвороботвор­них бактерій, вірусів тощо. Завдяки біологічному очищенню стічних вод можна не тільки знешкодити стічні води, а й від­творити якість води, використаної в промисловому виробницт­ві. Щодо відносної дешевизни, прибутковості, надійності та екологічної бездоганності, то біологічне очищення стічних вод підприємств харчової промисловості є надзвичайно перспек­тивним.

До промислових методів біотехнології очищення належить оброблення стічних вод аеробними (у біофільтрах, аеротенках тощо) та анаеробними (у метантенках, біореакторах тощо) ор­ганізмами.

Природне і штучне очищення води було, є і буде основним методом охорони природних вод від хімічного та біологічного забруднення.

Біологічні методи очищення води ґрунтуються на викорис­танні тих чи інших живих організмів та їх комплексів-біоцено- зів. В очищенні стічної води таких біоценозів нині відомо п’ять: біоплівка, активний мул, анаеробні мікроорганізми, се­лекціоновані мікроорганізми — деструктори певних забруд­нень, гідробіоценози.

Нарис. 31.7 показана принципово-технологічна схема най­ефективнішого механічно-біолого-хімічного очищення промис­лово-побутових стічних вод на екологічно безпечну воду.

Рис. 31.7 — Принципово-технологічна схема механічно-біолого- хімічного очищення стічних вод:

1 — метантенк; 2 — мулові майданчики; 3 — стічна вода; 4 — решітка; 5 — пісковловлювач; 6 — первинний відстійник; 7 — біореактор (аеротенк); 8 — вторинний відстійник; 9 — місткість для хлорування; 10 — контактний ре­зервуар; 11 — місткість для флокуляції-коагуляції; 12 — відстійник; 13 — піщаний фільтр; 14 — фільтр із активним вугіллям; 15 — згущувач осаду

Для механічного очищення стічна вода 3 проходить через ре­шітки 4, де затримуються грубі механічні домішки, потім через пісковловлювач 5, де відокремлюється пісок, і, нарешті, потрап­ляє у первинні відстійники 6, де під силою гравітації все, що важче за воду, осідає на дно. Після цього вода перекачується в метантенки 1 на зброджування, з виділенням газу-метану через певний проміжок часу випускається на мулові майданчики із дренажем 2, а все, що легше за воду, піднімається на поверхню води, де згрібається спеціальними пристроями в бункер і теж подається в метантенк.

На всіх етапах проходження крізь очисні споруди у воді від­буваються біологічні процеси. Але найпомітніше біологічне очи­щення стічних вод відбувається на другій біологічній стадії. У біо- реакторі з біоплівкою біомасу гідробіонтів, яка наростає під час очищення води, відокремлюють у вторинних відстійниках 8, звідки її подають або в метантенки, або на мулові майданчики.

Третинне очищення води полягає в її повному знезаражен­ні, тобто у знищенні у воді епідемічно небезпечних організмів та вібріонів. Для цього використовують хлорування, опромі­нювання ультрафіолетовим світлом і рідше — озонування.

Для оброблення хлором очищені стічні води витримують упродовж 20-30 хв у контактних резервуарах, а потім скида­ють у відкриті водойми.

Деякі вчені вважають хлорування стічних вод абсолютно неприпустимим. Тому розроблено надійну схему, що включає процеси оброблення флокулянтами і коагулянтами 11, відстою­вання 12, фільтрування крізь пісок 13 і, нарешті, крізь актив­не вугілля 14. Осади за цією схемою згущують на фільтрах 15 і спрямовують на звалища.

Своєрідним різновидом біофільтра є новий тип очисних спо­руд — мочари, що набуває популярності в СІЛА, Великобрита­нії та інших країнах світу.

Мочари — це біофільтр, що моделює природні процеси очи­щення води. Інженерна горизонтальна споруда: розташована в землі з гравійним завантаженням, розміщеним невеликою товщиною (до 1 м) на надійній гідроізоляції із синтетичної плів­ки. Стічна вода після механічного очищення розподіляється по ширині мочари перфорованою трубою і дуже повільно просочу­ється протягом 1-3 діб крізь обросле біоплівкою завантаження, на якому ще й щільно ростуть водяні рослини — рогіз, очерет, водяний перець, череда, лепеха тощо, які сприяють аерації очищуваної води. Крім того, вони вилучають із води біогенні елементи, зокрема фосфор, калій, азот, а також важкі метали, і завдяки своїй розгалуженій кореневій системі збільшують по­верхню обростання біоплівкою. Природно очищена вода збираєть­ся перфорованою трубою і відводиться у збірник чистої води.

Очисна споруда—мочари — не потребує жодних енергетичних витрат на аерацію і переміщення води. Вона проста в обслуго­вуванні, екологічно бездоганна і повинна посісти значне місце в системах очищення стічних вод харчової промисловості Ук­раїни.

Біоплівка є основою для проектування ще одного типу очис­них споруд — обертових біоконтакторів. Це напівзанурені у стіч­ну воду пластмасові або металеві диски, барабани у вигляді склеєних між собою під різними кутами волокнистих йоржів, які інтенсивно обростають біоплівкою. Барабани чи диски прикріп­лені до валу, що повільно (до двох обертів за 1 хв) обертається, і біоплівка, яка наростає на розвиненій поверхні біоконтакторів, постійно то занурюється у стічну воду, сорбуючи з неї розчинні органічні речовини, то піднімається у повітря, де добре аеруєть- ся й окиснює різні забруднення. Частина біомаси змивається водою і виноситься нею у вторинний відстійник, де й осідає.

Дуже ефективні в очищенні стічних вод є аеротенки з ак­тивним мулом. Стічна вода контактує з регенерованим актив­ним мулом, переміщується й аерується повітрям, яке подається у пристрій. Після біологічного очищення, що триває 4-48 год, вода перетікає у відстійник, у якому активний мул осідає. Зво­ротний мул за допомогою насоса подається в регенератор аеро- тенка, де за рахунок аерації відновлюється якість активного мулу. Надлишок активного мулу подається на одержання біогазу.

В очищенні води за біологічним методом велику роль віді­грають анаеробні бактерії. Особливого поширення набули про­цеси анаеробного метанового зброджування осадів у спеціальних закритих герметичних залізобетонних спорудах — метантен- ках. У цих спорудах відбуваються надзвичайно складні проце­си перетворення різноманітних органічних речовин на кінцеві продукти метаболізму анаеробних бактерій: газ-метан, діоксид вуглецю, водень, аміак, сірководень. Процеси зброджування стіч­них вод здійснюють за оптимальних режимів: мезофільний — за температури 30-35, термофільний — 50-55° С. Горючі гази, що утворюються в процесі бродіння (метан, водень), використовують як енергоносії.

Унаслідок зброджування надлишкового активного мулу гід- робіоніти автолізуються, гідролізують усі складні високомоле- кулярні сполуки (білки, ліпіди, поліцукриди, нуклеїнові кис­лоти тощо), з яких складається їхнє тіло, до простих речовин (амінокислоти, вуглеводи, низькомолекулярні кислоти тощо), які можуть засвоювати анаеробні бактерії.

Останнім часом під час очищення висококонцентрованих стічних вод (понад 1 000 мг 0₂/л за БСК), зокрема спиртових, крохмале-патокових та інших заводів харчової промисловості, а також свиноферм, птахофабрик, почали використовувати анаеробні мікроорганізми. У цьому разі зменшуються експлуа­таційні витрати на процеси очищення стічних вод, з’явилася можливість одержання горючого біогазу (з вітаміном В₁₂) та органічних мінеральних добрив.

Потужність очисних споруд із використанням анаеробних бактерій можна збільшити, а якість очищення стічних вод підви­щити, якщо мікроорганізми в середовищі активного мулу іммобі­лізувати (закріпити) на різних носіях. Анаеробний гранульований мул швидко набуває популярності, його досить широко стали використовувати для очищення стічних вод переважно під­приємств харчової промисловості. Слід також зазначити, що анаеробний гранульований мул є великим досягненням в очи­щенні стічних вод. Він має незаперечні переваги над аеробним активним мулом, тому що не потребує енергетичних затрат на аерацію і перемішування стічних вод, а навпаки, виділяє висо­коенергетичне паливо — біогаз. Навантаження за органічними забрудненнями, що їх вилучають у деяких типах анаеробних біореакторів із висококонцентрованих стічних вод харчових виробництв, надзвичайно велике: до 60 кг ХСК/м³ на добу, тим часом як споруди з біоплівкою мають окисну здатність 0,5, а з активним аеробним мулом — 2,5 кг ХСК/м³ на добу. Крім того, анаеробні біореактори не викидають у повітря мікробних аерозолів і тому екологічно доцільніші, ніж аеротанки. На жаль, анаеробний мул неспроможний очистити воду до кондицій, щоб скидати її у природні водні об’єкти.