1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
1.1 Очистные сооружения и для чего они нужны
Очистные сооружения - это комплекс инженерных сооружений в системе канализации населенного места или промышленного предприятия, предназначенный для очистки сточных вод от содержащихся в них загрязнений.
Каждый населенный пункт нуждается в эффективных очистных сооружениях. От работы этих комплексов зависит, какая вода будет попадать в окружающую среду и как это в дальнейшем отразится на экосистеме.
Виды очистных сооружений
Все типы очистных сооружений можно разделить на 3 группы, отличающиеся эффективностью, качеством очистки, дальностью действия и областью применения:
Локальное очистное оборудование.
Индивидуальные автономные комплексы.
Блочное, модульное оборудование.
Локальные очистные станции:
Этот тип очистных сооружений считается универсальным и может обслуживать большинство районов, от небольших объектов, до высотных жилых зданий, крупных заводов и даже небольшого поселения. За пределами зоны обслуживания лежит только городская канализация. В зависимости от назначения они встречаются в виде промышленных и бытовых сточных вод. Сточные воды будут проходят через четыре этапа очистки: механическую, биологическую, физико-химическую и, что важно, дезинфекцию.
Индивидуальное оборудование:
Данный тип оборудования предназначен для обслуживания отдельных домов или групп, которые не имеют возможности подключения к центральной канализационной системе. Такой вид оборудования имеет небольшие размеры и доступны в нескольких типах — септики, резервуары и накопители. Устройство индивидуальных комплексов гораздо проще, чем у ЛОС. Методы очистки септика включают следующее:
Механические. В этом методе сточные воды сбрасываются в резервуар, где они оседают и накапливаются, прежде чем откачиваются ассенизаторской техникой.
Химические. Сточные воды, расположенные в резервуаре обрабатывающимися химическими реагентами.
Биологические. Сточные воды очищаются живыми микроорганизмами. При отсутствии индивидуального накопительного оборудования, сточные воды текут из резервуара в резервуар через специальные патрубки, которых может быть до 4-х и на выходе получается относительно чистая жидкость, которая сливается в почву, пруд или использоваться для орошения.
Модульные комплексы:
Блочные или модульные системы очистки сточных вод устанавливаются для очистки сточных вод целых деревень, крупных гостиничных комплексов или предприятий и могут очищать до 10 000 ?метр?^3/сут. Модульные комплексы могут использоваться в регионах с экстремально низкими температурами, до -55°C. Они состоят из нескольких модулей, в каждом из которых происходит один из этапов очистки. Использование микроорганизмов уменьшает количество отложений ила, а отсутствие иловых площадок экономит территорию и снижает потребление электроэнергии.
Основные методы очистки сточных вод:
Методы, применяемые для очистки сточных вод, можно разделить на три группы:
механические,
физико-химические,
биологические.
В состав комплекса очистных сооружений обычно входит оборудование для механической обработки. В зависимости от требуемой степени очистки, она может быть дополнена оборудованием для биологической или физико-химической очистки, а в случае более высоких требований, оборудование для глубокой очистки может быть включено в очистные сооружения.
Очищенные сточные воды дезинфицируются перед сбросом в водоемы, а осадок и избыточные биомассы, образующиеся на всех этапах очистки, попадают на сооружения по обработке осадка. Очищенные сточные воды затем могут быть повторно использоваться в промышленных или сельскохозяйственных целях, или сбрасываются в водоемы. Очищенный осадок может быть переработан, утилизирован или складирован.
Наиболее показательным в плане наличия этапов очистки воды являются городские или локальные очистные сооружения, рассчитанные на крупные населённые пункты. Именно хозяйственно-бытовые стоки наиболее сложны в очистке, так как содержат разнородные загрязнители.
1.1.1 Механическая очистка:
Применяется для отделения нерастворимых минералов и органических загрязнителей от сточных вод. Как правило, это предварительная очистка, применяемая для подготовки сточных вод к биологическим или физико-химическим методам очистки. В результате механической обработки происходит снижение суспензии до 90% и органических веществ до 20%. В типы оборудования для механической очистки выделяют: решетки, различных типов коллекторов, отстойников и фильтров. Механическая очистка — самый дешевый способ очистки питьевой воды.
Суть механического метода очистки воды является процеживание, отстаивание и фильтрование, благодаря чему более тяжелые загрязняющие вещества прилегают к фильтрующему материалу, и остаются, в то время как более легкие примеси всплывают на поверхность, оставляя относительно чистую воду, в середине.
1.1.2 Механическая очистка – песколовки
Основная задача так называемого пескоуловителя, используемого в очистке и смягчении воды, состоит в разделении больших и тяжелых частиц (200 – 250 мкм). На практике, песколовка является первым этапом механической очистки воды. Из этого следует, что песколовки используются для удаления грубых примесей, таких как песок, глина и камень, из воды. Причина, по которой песколовки необходимы в механических методах очистки воды, заключается в том, что, когда не фильтрованная вода попадает в другую очистную установку, она препятствует ее работе.
Принцип действия песколовок очень прост — он основан на изменении скорости движения крупных частиц в воде.
Рисунок 1 – Песколовка
1 – входной патрубок, 2 – корпус, 3 –шламосборник, 4 – выходной патрубок.
Песколовки можно разделить на несколько типов в зависимости от направления потока воды:
горизонтальные,
прямолинейные,
круговые,
вертикальные,
возвратно-поступательные (винтовые),
Условия выбора конструкции песколовки, в котором проходят предварительные этапы механической очистки воды, зависят от количества сточных вод и степени их загрязнения. Наиболее распространенным типом является горизонтальная песколовка, которая требует очистку не реже одного раза в 2 – 3 дня.
1.1.3 Механическая очистка – отстойники
Еще более простым методом механической очистки воды является отстаивание, которая проводится в специальных отстойниках. В этом случае используется только гравитация, так что частицы загрязняющих веществ вынуждены опускаться на дно без малейших внешних затрат.
Статические отстойники. К ним относят отстойники, которые представляют собой широко используемым стальные железобетонные резервуары. Преимуществом этого типа отстойников, является его универсальность и многофункциональность. Это означает, что они могут использоваться не только по своему первоначальному назначению, но и в других работах, таких как резервуары для хранения, отстойники, буферные резервуары.
Динамические резервуары. Разница между статическим и динамическим заключается в том, что загрязняющие вещества отделяются во время движения воды. В динамическом отстойнике, который является частью процесса очистки воды, жидкость находится в постоянном движении как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Поэтому динамические отстойники можно разделить на горизонтальные и вертикальные.
Вертикальные отстойники. Это квадратный или цилиндрический резервуар с коническим дном. Движение в баке происходит снизу вверх. Вертикальные динамические отстойники имеют коническое дно, что облегчает осаждение частиц и связанную с этим очистку воды.
Рисунок 2 –Вертикальный отстойник
1 – цилиндрическая часть; 2 – центральная труба;
3 – желоб; 4 – коническая часть
Горизонтальные отстойники – это прямоугольный резервуар шириной от 3 до 6 метров, максимальной глубиной 4 метра и длиной 48 метров. Осевшие частицы удаляются специальными скребками и поперечными желобами, расположенными на постоянной высоте. Горизонтальные отстойники можно разделить на различные типы в зависимости от типа удерживаемых частиц: отстойники для масла, отстойники для бензина, отстойники для мазута и отстойники для жира.
Рисунок 3 – Горизонтальный отстойник
1 – входной лоток; 2 – отстойная камера; 3 – выходной лоток; 4 – приямок. Эффективность отстаивания достигает 60%.
1.1.4 Механическая очистка – центрифуги
Метод, который позволяет механически очищать воду, является гидроциклон или центрифуга, где частицы выбрасываются вокруг периферии потока, под действием центробежной силы.
Гидроциклоны, применяемые при промышленной очистке воды, делятся на напорные и безнапорные гидроциклоны.
В напорном гидроциклоне вода подается в цилиндрическую часть из тангенциального патрубка. В гидроциклоне вода перемещается по спирали вдоль внешней стенки устройства в коническую часть, где происходит инверсия потока. В результате механически очищенная вода поступает в центральную секцию, откуда отводится труба, а примеси стекают вниз по конусу и через специальный шламовый патрубок выводятся.
Рисунок 4 –Центрифуга
Принцип очистки воды в безнапорном циклоне заключается в том, что вода, предварительно собранная в гидроциклоне, всасывается через патрубок по касательной, находящийся на дне конической части. Такое расположение патрубка обеспечивает необходимое вращение жидкости в гидроциклоне, так что более легкие примеси находятся внутри, а вода, очищенная в процессе механической очистки, выводится из гидроциклона.
Вышеназванные сооружения, как правило, применяются при таком типе механической обработке воды, как отстаивание. Простейшая фильтрация включает в себя прохождение воды через фильтр, который задерживает более мелкие частицы.
1.1.5 Механическая очистка – коагуляция
Как правило, фильтрующим материалом в осветлительных фильтрах является ткань или сетчатый материал. Это позволяет загрузочному материалу иметь зернистую или пористую структуру поверхности. Частицы, которые проходят через такой фильтр, либо остаются на поверхности фильтра, либо попадают в его глубину. Этот тип фильтра позволяют проводить частичную очистку воды от железа, песка, глины и т.д.
Единственные ситуации, когда возможна только механическая обработка воды – это, когда обработанная вода используется в техническом процессе производства или сбрасывается в водоем, не опасаясь нарушения экологии водоема.
Мелкие частицы могут быть проблемой при механической обработке воды, если коагулянт не используется в процессе очистки воды или обеззараживания.
Коагулянт – это специальное вещество, которое удерживает мелкие молекулы вместе, что позволяет молекулам задерживаться через фильтрующие среды.
Замедленная скорость движения воды и влияет на скорость оседания частицы. Коагулянты, прежде всего, добавляются из расчета на малые частицы, которые могут зависать на бесконечное время в воде, минуя оседание. В механической обработке воды из наиболее часто используемых коагулянтов являются: сернокислый алюминий, железный купорос и хлорное железо. Коагулянты, вступая в реакцию с мельчайшими частицами, находящимися в воде, собирают их в хлопья, которые затем и оседают на фильтрационный материал. В каком–то смысле коагуляция, в некотором смысле похожа на химическую очистку воды.
Коагулянты, добавленные в воду, соединяются в небольшие молекулы вместе, присоединяясь друг к другу под действием молекулярного притяжения.
Благодаря двум типам механической очистки воды – процеживанию и биологической пленке – из воды удаляются нежелательные частицы, сам коагулянт и большая часть бактерий. Коагуляция позволяет удалять растворенные в воде частицы нефтепродуктов в ходе очистки воды на автомойках и НПЗ.
Вода, к которой был добавлен коагулянт, перекачивается через дозирующий насос в фильтр для очистки воды, а затем удерживается в загрузке. Следует принимать во внимание, что осветлитель будет работать исправно, если размер взвешенных частиц превышает 10 мкм.
1.1.6 Механическая очистка – загрузочные материалы
Раньше кварцевый песок и сульфоуголь использовались в качестве загрузочных материалов, но теперь благодаря разнообразным синтетическим загрузочным материалам можно использовать более легкие и более грязеемкие загрузки. Использование этих материалов в механической очистке воды устраняет необходимость тщательной промывки осветительных фильтров и снижает общую стоимость системы очистки.
Одним из важнейших показателей, определяющих пригодность водоочистных станций, является скорость очистки. На этот важный аспект влияют многие факторы, включая температуру воды, состав фильтрующих средств, а также тип и степень загрязнения воды.
Фильтры для механической очистки воды расположены так, что вода сначала проходит через верхний слой подачи и постепенно проникает в нижний слой. Благодаря этому нежелательные молекулы задерживаются равномерно. Используемый материал загрузки постепенно изнашивается, что уменьшает общее количество фильтрующего материала. Поэтому очень важно следить за количеством и состоянием материала загрузки, чтобы при необходимости его можно было заменить.
1.1.7 Механическая очистка – обеззараживание
Существует несколько методов дезинфекции воды. Следует понимать, что дезинфекция при механической обработке воды означает полное удаление вредных микроорганизмов. Однако не следует забывать, что вышеперечисленные устройства, используемые в механической очистке воды, являются во многом методами, которые подходят для промышленности и считаются достаточно узкоспециализированными, что позволяет повысить эффективность очистки, но при этом и обладает несравненно значительной стоимостью.
Очистка воды, производимой в муниципальных очистных сооружениях или используемой в небольших очистных сооружениях в частном владении, используется по более простой схемой и более низкой стоимостью.
И это отражается в качестве очистки воды. Нет сомнений в том, что одной механической очистки воды в доме недостаточно, и что необходимы немеханические методы, такие как биологические системы очистки воды.
1.2 Химические и физико-химические методы очистки
Они играют важную роль в очистке сточных вод. Они используются отдельно или в сочетании с механическими и биологическими методами. К ним относятся.
1.2.1 Тепловой способ
Применение способа кипячения воды в течение 12-20 минут убьет все микроорганизмы, которые неспорообразующие. Чтобы уничтожить споры, используют воду, подогретой до 1200 градусов под давлением, или используют дробную стерилизации воды: кипятят 15 минут, охлаждают до 350 градусов, и поддерживают данную температуре в течение 2 часов, для прорастания спор и снова нагревают до кипения.
1.2.2 Действие ультрафиолетового излучения
Вода, которая долгое время подвергалась воздействию солнечных лучей, не содержит патогенных микроорганизмов. УФ – излучение подходит для дезинфекции воды без суспензий и коллоидных примесей.
1.2.3 Действие ионизирующего излучения
Облучение воды рентгеновскими лучами, ?- и ?- излучателями стерилизует воду.
1.2.4 Действие ультразвуковых колебаний
Убивает большинство микроорганизмов. Интенсивность ультразвукового излучения должна быть более 2 Вт/?см?^2, а продолжительность озвучивания не менее 5 мин.
1.2.5 Обеззараживание воды фильтрованием
В качестве дезинфицирующих фильтров используются так называемые ультрафильтры, например: микропористые керамические или фарфоровые фильтры с асбестоцеллюлозными плитами или мембранные ультрафильтры.
1.2.6 Обеззараживание воды озоном
Это самый эффективный способ дезинфекции воды. Однако это очень дорогое решение.
1.2.7 Обеззараживание воды с помощью бактерицидного излучения
Дезинфекция воды может проводиться бактерицидным излучением только в том случае, когда подлежащая обеззараживанию вода обладает малой цветностью и не содержит коллоидных или взвешенных веществ, поглощающих и рассеивающих ультрафиолетовые лучи.
1.2.8 Нейтрализация
Используется для очистки промышленных сточных вод из многих отраслей промышленности, которые содержат щелочи и кислоты. Нейтрализация сточных вод направлена на предотвращение коррозии материалов канализационной сети и оборудовании для очистки сточных вод, а также нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоем.
1.3 Биологическая очистка воды
Биологическая очистка широко используется на практике как метод очистки бытовых и промышленных сточных вод. Он использует процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в сточных водах. Биологическое окисление осуществляется сообществами микроорганизмов, включая различные бактерии, простейшие и многие высшие организмы, такие как водоросли и грибы, которые связаны друг с другом в сложных отношениях (метабиоз, симбиоз, антагонизм).
1.3.1 Сооружения и аппараты биологической очистки
Биологическая очистка может проводиться как в естественных, так и в искусственных условиях. К сооружениям естественной очистки относятся:
а) фильтрующие колодцы, используемые при расходе 1 куб.м в сутки и менее, и фильтрующие кассеты - при расходе 0,5 – 6 куб.м в сутки;
б) поля подземной фильтрации - при расходе до 15 куб.м в сутки и более;
в) поля фильтрации - при расходе 1400 куб.м в сутки и менее. В этих сооружениях, фильтрующей загрузкой являются естественные грунты, используемые непосредственно на месте (пески, супеси, легкие суглинки);
г) фильтрующие траншеи, песчано-гравийные фильтры, используемые при расходе 15 куб.м в сутки и более. Оросительная и дренажная сеть этих сооружений положена в слое искусственной фильтрующей загрузки из привозного грунта. Они используются в местах наличии водонепроницаемых или мало-фильтрующих грунтов;
д) фильтрующие кассеты с фильтрующей производительностью 0,5 – 6 куб.м в сутки, используемый в плохо-фильтрующих грунтах(суглинках) с коэффициентом фильтрации не менее 0,1 куб.м в сутки;
е) Циркуляционный окислительный канал (ЦOК) – расход от 100 до 1400 ?метр?^3/сут;
ж) биологические пруды с естественной или искусственной аэрацией – при расходе 1400 ?метр?^3/сут.
Для круглогодичной работы рекомендуется использовать естественную систему очистки, если соблюдены следующие условия:
Среднегодовая температура в зоне очистки сточных вод составляет не менее 10 °C,
Глубина грунтовых вод должна быть не менее 1 м ниже поверхности участка,
Наличие открытого пространства вокруг небольшого объекта.
При сезонной работе станции (только летом) отключается первое условие относительно среднегодовой температуры. Однако грунтовый метод не всегда возможен из-за плохих санитарных, почвенно-грунтовых, климатических и гидрогеологических условий. В связи с этим возникает необходимость использовать искусственное оборудование для биологической очистки.
Установки, обеспечивающие биологическую очистку в искусственной среде, включают в себя следующие объекты:
биофильтры с загрузкой из пеностекла или пластмассы;
биодисковые фильтры;
биофильтраторы;
биореакторы с биобарабанами;
блок биореакторов с затопленной ершовой загрузкой;
аэрационные установки, работающие по методу полного окисления (продленной аэрации);
аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного активного ила.
1.4 Справка о состоянии водопроводного – канализационного хозяйства в Российской Федерации
В Российской Федерации 1082 города (99,1% от общего числа городов) и 1687 городских поселений (90%) имеют централизованные системы водоснабжения. Централизованными системами водоснабжения пользуются 108 млн. человек, то есть чуть более двух третей населения России. Доля городов, оснащенных водопроводной сетью, составляет 99%, городских поселений– 92%, а сельских поселений– 31% (т.е. 69% сельских поселений не имеют централизованной водопроводной сети).
Доля городов, оснащенных канализационными системами, составляет 97%, городских поселений – 80%, а сельских поселений – 5%. В России 44 города (4%) и 583 городских поселения (70%) вообще не имеют централизованных канализационных систем.
Техническая ситуация сетей и инженерного оборудования характеризуется высокой степенью износа основных средств, которая в России за последние два года выросла в среднем с 58% до 60%.
