МОДЕЛИРОВАНИЕ системы очистки сточных вод на предприятии
Задание
1. Изучить изложенный в работе теоретический материал о классификации сточных вод промышленных предприятий; о принципах работы и основных характеристиках некоторых устройств, используемых для очистки сточных вод. Письменно выполнить задания, приведенные в конце каждого из разделов работы.
2. Оценить степень загрязнености сточных вод модельного предприятия.
3. Предложить систему очистки сточных вод предприятия, состоящую из описанных в работе устройств. Рассчитать эффективность ее работы.
4. Оценить результат работы системы очистных сооружений с точки зрения соблюдения санитарно-гигиенических нормативом. Сделать вывод о целесообразности дополнительной очистки.
Сточные воды предприятия
В результате производственной деятельности промышленные предприятия и другие хозяйственные объекты сбрасывают сточные воды, различные по структуре, составу и объему.
Сточные воды предприятия в зависимости от условий образования делятся на бытовые (хозяйственно-бытовые, хозяйственно-фекальные), атмосферные и производственные (промышленные).
Бытовые сточные воды – это стоки душевых, бань, прачечных, столовых, туалетов, от мытья полов и так далее.
Атмосферные сточные воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков, таяния снега и льда и стекания с территории предприятия.
Производственные сточные воды представляют собой жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья. В технологических процессах источниками сточных вод являются воды, образующиеся при протекании химических реакций; воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье и исходных продуктах; промывные воды после промывки сырья; маточные водные растворы; водные экстракты и абсорбенты; воды охлаждения; другие сточные воды. В свою очередь производственные сточные воды делятся на условно чистые (из холодильников, теплообменников и другие не соприкасавшиеся с сырьем и продуктами) и загрязненные (те, которые непосредственно участвовали в технологических процессах).
Наиболее распространенными загрязняющими веществами, входящими в состав сточных вод, являются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, аммонийный и нитратный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метилмеркаптан, формальдегид и другие.
Сточные воды любого промышленного предприятия содержат вещества, которые должны удаляться до смешения со стоками другого производства или населенного пункта. Приоритетные загрязняющие вещества можно определить по величине отношений концентраций отдельных загрязнителей в сточных водах к соответствующим значениям предельно допустимых концентраций Сi/ПДКi.
Задание 2.1
1. Приведите в работе следующие сведения:
а) виды, на которые делятся сточные воды в зависимости от условий образования;
б) источники производственных сточных вод;
в) наиболее распространенные загрязняющие вещества, входящие в состав сточных вод.
2. Используя данные табл. 2.1 и табл. 2.2., заполните приведенную ниже форму. Определите приоритетные загрязнители сточных вод предприятия.
| № п/п | Вещество | ПДКi, мг/л | Сi, мг/л | Сi/ПДКi |
| Азот аммонийный | ||||
| Фенолы | ||||
| Нефтепродукты | ||||
| ПАВ* | ||||
| Фосфаты | ||||
| Взвешенные вещества | ||||
| БПК полн.** | ||||
| Железо | ||||
| Медь |
Таблица 2.1
Предельно допустимые концентрации основных загрязняющих веществ
| № п/п | Вещество | ПДКi, мг/л |
| Азот аммонийный | ||
| Фенолы | 0,0018 | |
| Нефтепродукты | 0,05 | |
| ПАВ* | 0,09 | |
| Фосфаты | 0,29 | |
| Взвешенные вещества | 6,67 | |
| БПК полн.** | 3,33 | |
| Железо | ||
| Медь | 0,0018 |
* ПАВ – поверхностно-активные вещества.
** БПК – биохимическая потребность воды в кислороде – количественный показатель загрязненности воды органическими веществами, которые способны к биохимическому окислению в присутствии растворенного кислорода.
Таблица 2.2
Характеристики сбросов предприятия
| Номер варианта | Концентрация загрязнителей, мг/л | ||||||||
| Азот аммонийный | Фенолы | Нефтепродукты | ПАВ | Фосфаты | Взвешенные вещества | БПКполн | Железо | Медь | |
| 2,35 | 0,064 | 6,29 | 0,055 | 0,150 | 10,00 | 37,1 | 1,80 | 0,061 | |
| 0,79 | 0,094 | 24,00 | 0,102 | 0,026 | 17,30 | 40,4 | 1,62 | 0,055 | |
| 1,29 | 0,160 | 12,06 | 0,130 | 0,530 | 32,50 | 84,0 | 2,45 | 0,240 | |
| 5,90 | 0,080 | 13,04 | 0,460 | 0,610 | 14,70 | 95,4 | 1,00 | 0,064 | |
| 2,64 | 0,072 | 18,20 | 0,092 | 0,340 | 22,60 | 51,7 | 1,53 | 0,086 | |
| 4,40 | 0,300 | 0,09 | 7,200 | 0,110 | 0,58 | 14,0 | 32,7 | 1,100 | |
| 1,31 | 0,048 | 2,04 | 0,210 | 0,220 | 1,64 | 17,3 | 1,64 | 0,008 | |
| 1,78 | 0,430 | 9,82 | 0,170 | 0,210 | 20,00 | 78,3 | 2,45 | 0,055 | |
| 5,90 | 0,070 | 3,53 | 1,100 | 0,600 | 13,00 | 98,0 | 1,20 | 0,010 | |
| 3,62 | 0,210 | 8,37 | 0,180 | 0,280 | 18,50 | 28,3 | 1,47 | 0,038 | |
| 3,15 | 0,087 | 11,60 | 0,227 | 0,460 | 18,30 | 64,2 | 1,78 | 0,094 | |
| 2,88 | 0,092 | 21,69 | 0,114 | 0,590 | 29,70 | 78,0 | 2,22 | 0,107 | |
| 0,81 | 0,101 | 7,62 | 0,340 | 0,180 | 12,00 | 94,6 | 1,14 | 0,217 | |
| 4,52 | 0,071 | 15,79 | 0,069 | 0,098 | 18,80 | 53,7 | 1,50 | 0,085 | |
| 1,82 | 0,154 | 22,74 | 0,317 | 0,380 | 20,60 | 68,5 | 2,11 | 0,168 | |
| 1,54 | 0,240 | 6,65 | 0,940 | 0,590 | 19,50 | 18,6 | 4,45 | 0,071 | |
| 5,14 | 0,096 | 7,15 | 4,320 | 0,170 | 17,40 | 86,1 | 3,50 | 0,042 | |
| 2,65 | 0,197 | 4,56 | 1,160 | 0,330 | 12,80 | 43,0 | 1,83 | 0,060 |
Очистка сточных вод
Практически все вещества, присутствующие в стоках, относятся к числу вредных и поэтому должны быть удалены из них. Выбор конкретного варианта очистных сооружений определяется видом примесей, их дисперсным составом и концентрацией в сточных водах, объемом сточных вод.
Конструкционные решения устройств весьма разнообразны, но заложенных в них принципов немного: гравитационное осаждение (отстаивание), фильтрование, флотация, инерционное разделение, биологическая очистка, химическая очистка и ряд других.
В данной работе рассмотрим технические устройства, действие которых основано на реализации флотации, инерционного разделения, биологической очистке. В сложных системах очистки сточных вод эти устройства могут выступать в качестве отдельных элементов.
Флотатор
Флотационная установка чаще всего применяется для очистки воды от масел и нефтепродуктов, которые находятся во взвешенном состоянии, образуя с водой эмульсии. Несмотря на разность плотностей несущей среды (воды) и жирных компонентов, очистка сточной воды от такого рода примесей методом отстаивания неудовлетворительна из-за чрезмерно большой длительности процесса. При флотации процесс интенсифицируется из-за обволакивания капель масла пузырьками воздуха, вводимого в сточную воду, и их последующего всплывания. Помимо масел с помощью флотационной установки можно концентрировать и выводить из сточных вод взвешенные вещества, ПАВ, органические примеси, медь и так далее. Существует несколько вариантов флотационных установок, отличающихся особенностями конструкции. На рис. 2.1 представлен один из вариантов.
Исходная сточная вода по трубопроводу 1 и отверстиям в нем равномерно поступает в объем флотатора. Навстречу потоку воды по трубопроводу 2 подается сжатый воздух, который через насадку из пористого материала равномерно распределяется в виде мельчайших пузырьков по сечению флотатора. Всплывая, пузырьки воздуха «прилипают» к частицам нефтепродуктов и увлекают их к поверхности.
Образующаяся таким образом пена скапливается между зеркалом воды и крышкой флотатора 5, откуда она отсасывается центробежным вентилятором 6 и по трубопроводу 3 направляется на утилизацию. Взвешенные вещества и другие твердые примеси оседают в шламосборник, откуда по мере накопления периодически удаляются для утилизации или захоронения. В процессе встречного движения кислород воздуха окисляет органические примеси. За счет аэрации концентрация кислорода в воде растет. Очищенная сточная вода огибает перегородку и переливается в приёмный бак 7, откуда по трубопроводу 4 подается на сброс, повторное использование или дополнительную обработку.
Рис. 2.1. Схема флотационной установки
Процесс флотации может быть интенсифицирован при помощи реагентов коагулянтов и флокулянтов. Добавление коагулянтов способствует процессу коагуляции – соединения мелких частиц загрязнения в более крупные. Для положительно заряженных частиц коагулянтами являются анионы, а для отрицательно заряженных – катионы. В качестве коагулянтов используют известковое молоко, соли алюминия, железа, магния, цинка, углекислый газ и другие.
Между молекулами флокулянтов и мелкими частицами загрязнений в воде образуются мостики, за счет чего происходит агрегация загрязнений. Этот процесс назван флокуляцией. В качестве флокулянтов используют активную кремниевую кислоту, эфиры, крахмал, целлюлозу, синтетические органические полимеры.
Задание 2.2
Письменно ответьте на вопросы.
1. Для очистки от каких загрязняющих веществ может быть использована флотационная установка?
2. Что такое коагуляция? Какие вещества могут быть использованы в качестве коагулянтов?
3. Что такое флокуляция? Какие вещества используются в качестве флокулянтов?
4. Какие группы веществ выходят из флотационной установки?
Гидроциклон
Прежде чем использовать флотатор, нередко нужно провести предварительную очистку сточных вод от взвешенных частиц и масляной фракции нефтепродуктов. Для этой цели перед флотатором дополнительно включается гидроциклон (рис. 2.2).
В гидроциклоне использован инерционный принцип разделения, основанный на разности плотностей несущей среды (вода), твердых частиц и масляных фракций (например, нефтепродуктов). Гидроциклон часто используется в оборотных системах водоснабжения, он может являться частью технологического оборудования (например, использоваться в моечной машине для очистки моющей жидкости).
Рис. 2.2. Схема гидроциклона
Загрязненные сточные воды вводятся через патрубок 1. Вследствие возникшего закручивания тяжелые твердые частицы отбрасываются во внешний вращающийся слой (к стенкам гидроциклона), где их скорость снижается при трении о корпус. При этом становится эффективным гравитационный механизм осаждения и твердые частицы опускаются по стенкам в шламосборник, откуда по мере накопления периодически удаляются. Напорные гидроциклоны применяют для выделения из воды грубодисперсных минеральных примесей с плотностью 2 
3 г/см3 (песок, частицы кирпича, шлака) при размерах частиц свыше 0,05 0,1 .
Масляная фракция менее плотная, чем вода, напротив, собирается в центральной части вихря, имеющего вращательно-восходящее движение по направлению к выходам. Две концентрически расположенные воронки с разными диаметрами цилиндрических частей вырезают в вихре три слоя. Об одном (нижнем) речь шла выше; два других слоя попадают в соответствующие выходные камеры. Маслопродукты направляются на утилизацию (например, сжигание), а очищенная вода 3 поступает на последующую ступень очистки. В верхней части вертикального напорного гидроциклона предусмотрен вентиль (воздушник) 2, который обычно закрыт и открывается лишь при пуске устройства или при наличии в стоках газовых включений.
Задание 2.3
Письменно ответьте на вопросы.
1. Для очистки от каких примесей применяют гидроциклон?
2. Какой принцип лежит в основе его устройства?
3. Какие фракции получаются на выходе из гидроциклона?
Биологический фильтр
Биологическая очистка стоков от органических веществ осуществляется в ряде устройств, используемых чаще всего на последней ступени очистки перед сбросом сточных вод в канализацию или повторном возвращении в систему водооборота. Биологическая очистка основана на разрушении органических веществ микроорганизмами, среди которых есть одноклеточные (бактерии, плесневые грибы, инфузории и другие) и микроскопические многоклеточные (коловратки, черви, личинки насекомых и другие). Другой задачей устройств биологической очистки является также восстановление содержания кислорода в сбрасываемых водах, что способствует процессам самоочищения в природных водоемах. Биологический фильтр представлен на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Биологический фильтр
Сточная вода подается по трубопроводу 2 и через насадки 3 равномерно разбрызгивается по всей площади фильтра. Вода движется сквозь загрузку 4 из кусков твердого материала (шлак, щебень, гравий), на поверхности которого самопроизвольно образуется биологическая пленка. Разложение органических веществ стока микроорганизмами пленки протекает достаточно интенсивно благодаря большой удельной поверхности фильтра и выбору оптимальных параметров состояния системы (температура, показатель рН, содержание кислорода, который активизирует процессы жизнедеятельности в пленке). Насыщение воды кислородом достигается путем подачи сжатого воздуха через трубопровод 1 и опорную решетку 5, обеспечивающую равномерную его подачу по сечению загрузки. Очищенная и аэрированная вода выводится из фильтра по трубопроводу 6.
При помощи биологической фильтрации из сточных вод могут быть удалены также фенолы. Перед биологической очисткой фенолсодержащие сточные воды предварительно проходят очистку методом озонирования, которым можно очищать стоки, содержащие фенолы в концентрации до 1000 мг/л.
Собственно биологическая очистка неприменима для стоков, в которых концентрация некоторых веществ превышает предельно допустимую для биологического процесса. Так, при содержании меди в сточной воде свыше 0,5 мг/л биохимические процессы замедляются, а при 10 мг/л почти совсем прекращаются.
Задание 2.4
Письменно ответьте на вопросы.
1. Для очистки от какого рода загрязнений используют биологические фильтры?
2. На каких стадиях очистки они используются?
3. Оцените границы применимости биологической очистки.