Обеззараживание осадков и сточных вод
Исследования санитарного состояния осадков, образующихся в процессах очистки сточных вод населенных мест, показывают, что не только первичные, но и сброженные в мезофильных условиях смеси содержат большое количество гельминтов и патогенных микроорганизмов. Попадая в благоприятные условия, яйца гельминтов проходят инвазионную стадию развития и становятся способными заражать людей и животных. Обеззараживание осадков сточных вод может быть выполнено разными методами: термическим – прогревание, сушка, сжигание; химическим – обработка химическим реагентами; биологическим – уничтожение микроорганизмов простейшими, грибками и растениями почвы; физическим воздействием – радиация, токи высокой частоты, ультразвуковые колебания, ультрафиолетовое излучение и т. п.
Во многих случаях задача обеззараживания осадков решается в основных процессах их обработки. Широкое практическое применение из всех перечисленных методов получили термические и химические методы обеззараживания осадков.
Обеззараживание жидких осадков нагреванием до температуры около 100 оС при экспозиции в несколько минут способствует гибели яиц гельминтов и отмиранию патогенных организмов. При термическом режиме 52–56 оС в течение 5 мин погибают многие патогенные бактерии, при температуре 62–74 оС и времени экспозиции до 30 мин отмирают вирусы. Поэтому термическая пастеризация опасных в санитарном отношении осадков является обязательной стадией их обработки, особенно в технологических процессах, предусматривающих утилизацию осадка.
Химическое обеззараживание осадков можно осуществлять как жидких, так и обезвоженных. Для химического обеззараживания осадков применяют известь, аммиак, тиазон, формальдегид и мочевину. Остаточное содержание в осадках названных веществ предотвращает реактивацию патогенных микроорганизмов и поддерживает стабильность осадков.
В последние годы получают распространение способы обеззараживания осадков химическими веществами, которые применяются либо для удобрения почвы, либо для уничтожения вредных почвенных микроорганизмов или сорняков. К таким веществам относятся: аммиак (аммиачная вода), карбатион, формадельдегид и др.
Применение извести, аммиака, тиазона, формальдегида и мочевины позволяет использовать их двойное действие – на осадки и почву, что приводит к снижению эксплуатационных затрат на обеззараживание осадков и подготовку их к утилизации в качестве удобрения. Дозу внесения осадков, обработанных химическими веществами, устанавливают с учетом их действия на окружающую среду. Окончательный выбор технологии обеззараживания осадков должен основываться на технико-экономических расчетах сопоставимых вариантов.
После биологической очистки количество бактерий в сточных водах значительно уменьшается. Так, при биологической очистке на искусственных сооружениях (на биофильтрах или аэротенках) общее содержание бактерий уменьшается на 95 %, при очистке на полях орошения – на 99 %. Для уничтожения оставшихся болезнетворных бактерий очищенные сточные воды подвергаются дезинфекции. Дезинфекцию (обеззараживание) сточных вод можно производить различными способами: хлорированием, электролизом, бактерицидными лучами и т. д.
Для обеззараживания сточной воды хлорированием используют хлорную известь, хлор и его производные, под действием которых бактерии, находящиеся в сточной воде, погибают в результате окисления веществ, входящих в состав протоплазмы клеток.
Сущность дезинфекции хлорированием заключается в окислении бактерий кислородом, образующимся при взаимодействии указанных дезинфекторов с водой и непосредственном действии хлора на протоплазму бактериальных клеток.
Несмотря на высокую эффективность в отношении патогенных бактерий, хлорирование при дозе остаточного хлора 1,5 мг/л не обеспечивает необходимой эпидемической безопасности в отношении вирусов. Другим негативным свойством хлорирования является образование хлорорганических соединений и хлораминов. Хлорорганические соединения обладают высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью, способны аккумулироваться в донных отложениях, тканях гидробионтов и в конечном счете в организме человека.
Количество активного хлора, вводимого на единицу объема сточной воды, называется дозой хлора и выражается в граммах (г/м3).
Для снижения Сoli-форм на 99,9 % требуются следующие дозы хлора, г/м3: после механической очистки – 10; после химической очистки – 3–10; после полной биологической очистки – 3–5; после фильтрования на песчаных фильтрах – 2–5.
Хлор, добавленный к сточной воде, должен быть тщательно перемешан с ней, а затем находиться в контакте со сточной водой не менее чем 30 мин, после чего количество отстаточного хлора должно быть не менее 1,5 г/м3.
Хлорная известь для дезинфекции применяется в виде раствора. Для его приготовления и введения в сточные воды создается реагентное хозяйство, состоящее из растворных баков, в которых растворяется хлорная известь; расходных баков, в которых раствор доводится до определенной концентрации, и дозирующего бачка, служащего для дозирования раствора при подаче его в сточные воды.
Хлор вводят в сточные воды или непосредственно (прямое хлорирование хлоргазом), или при помощи хлораторов. Данный способ имеет наибольшее распространение. Жидкий хлор доставляют на очистные станции в баллонах или бочках под давлением до 30 кгс/см2 и присоединяют к пустому промежуточному баллону, который, в свою очередь, соединяют с хлоратором. Полученная хлорная вода вводится в сточную воду для ее дезинфекции.
Бактерицидный эффект хлорирования в значительной степени зависит от тщательности перемешивания и времени контакта хлора с водой. Смешение хлора с водой производится в ершовых или других смесителях, а контакт – в контактных резервуарах. Контактные резервуары выполняются по типу первичных отстойников, объем их определяется из условия обеспечения времени контакта хлора с водой. Для того чтобы обеспечить бактерицидный эффект, хлор следует держать в контакте со сточной водой до 30 мин, после чего воду можно спустить в водоем.
Для дозирования хлора должны применяться автоматические вакуумные хлораторы. Расчетные расходы и напоры воды, подаваемой на хлоратор, и напор хлорной воды после него следует определять по характеристикам хлоратора, а также по расположению его относительно точки ввода хлора. Допускается применение хлораторов ручного регулирования, при этом расход хлора контролируется весовым способом.
Количество резервных хлораторов на одну точку ввода надлежит принимать: при 1–2 рабочих хлораторах – 1, при более двух – 2.
Работа двух и более хлораторов со струйными эжекторами на один трубопровод хлорной воды не допускается.
На рис. 6.23 приведена технологическая схема хлораторной. Отбор хлора производится из стальных баллонов объемом 30–55 л. Баллон снабжен сифонной трубкой, опущенной почти до дна, через которую хлор выходит из баллона. В хлоратор подается газообразный хлор. Хлоропровод, подающий хлор к дозатору, присоединяют к промежуточному баллону для впуска жидкого и выпуска газообразного хлора. Расход хлора из баллонов определяют с помощью весов, на которых размещают баллоны с жидким хлором. Из хлоратора выходит хлорная вода с определенной дозой хлора и смешивается со сточной водой. Для смешения используют смесители различных конструкций.
Рис. 6.23. Технологическая схема хлораторной производительностью
до 5 кг/ч: 1 – весы; 2 – стойки с баллонами; 3 – грязеуловители;
4 – хлораторы; 5 – эжекторы
Для обеззараживания воды применяют также ультрафиолетовое излучение (рис. 6.24), которое используют как самостоятельный метод, так и в сочетании с реагентными методами обеззараживания.
Ультрафиолетовым излучением называется электромагнитное излучение с длиной волны 10–400 нм и соответствующей энергией фотонов 12,4–3,1 электрон-вольт.
| Стальной корпус УОВ |
Рис. 6.24. Принципиальная схема ультрафиолетовой
установки для обеззараживания вод
Для обеззараживания воды в технологии водоподготовки используется биологически активная область спектра ультрафиолетового излучения с длиной волны от 205 до 315 нм, называемая бактерицидным излучением. Максимум бактерицидного действия приходится на область 250–270 нм.
Ультрафиолетовое излучение обладает выраженным биоцидным действием в отношении различных микроорганизмов, включая бактерии, вирусы и грибы.
Ультрафиолетовое облучение в дозах, обеспечивающих бактерицидный эффект, не гарантирует эпидемическую безопасность воды в отношении возбудителей паразитологических заболеваний. Обеззараживающее действие ультрафиолетового излучения основано на необратимых повреждениях молекул ДНК и РНК микроорганизмов, находящихся в воде, за счет фотохимического воздействия лучистой энергии. Фотохимическое воздействие предполагает разрыв или изменение химических связей органической молекулы в результате поглощения энергии фотона.
Дозы ультрафиолетового облучения по критерию гибели бактериальных клеток подразделяются:
- на суббактерицидные, не вызывающие гибели бактерий;
- бактерицидные, вызывающие гибель бактериальных клеток.
В качестве источников ультрафиолетового излучения для обеззараживания воды используются газоразрядные лампы, имеющие в спектре своего излучения диапазон длин волн 205–315 нм. Существуют конструкции ламп, в спектре излучения ртутного разряда которых содержится линия 185 нм. В процессе работы этих ламп в воздушной среде образуется озон.
При ультрафиолетовом обеззараживании воды не существует проблемы передозировки. Повышение дозы ультрафиолетового излучения не приводит к гигиенически значимым неблагоприятным изменениям свойств воды и образованию побочных продуктов. Доза ультрафиолетового облучения может быть увеличена до значений, обеспечивающих эпидемическую безопасность воды, как по бактериям, так и по вирусам.
Обеззараживание при помощи ультрафиолетового облучения не требует длительного контакта ультрафиолетовых лучей с водой. Бактерицидный эффект проявляется в течение времени прохождения воды через камеру обеззараживания ультрафиолетовых установок.
При расчете бактерицидной установки определяют требуемую мощность (Вт) потока бактерицидного излучения по формуле
(6.52)
где Q – расчетный расход облучаемой воды, м3/ч;
α – коэффициент поглощения, см–1 (0,1);
К – коэффициент сопротивляемости бактерий, К = 2500 мкВ∙с/см2;
Р – коли-индекс после облучения, принимают не более 3 ед/л;
Ро – коли-индекс до облучения, принимают не более 1000 ед/л;
ηп – коэффициент использования интенсивности потока бактерицидных лучей (погруженных в воду – 0,9, для неутепленных – 0,75);
ηо – коэффициент полноты использования бактерицидного облучения, принимают 0,9.
Число бактерицидных ламп по мощности бактерицидного потока Fл определяют по зависимости
n = Fб / Fл. (6.53)
Расход электроэнергии (Вт ∙ ч/м3)
(6.54)
где N – мощность, потребляемая одной лампой, Вт (характеристики ламп находят по справочнику).
Потери напора в установке находят по формуле
(6.55)
Количество рабочих бактерицидных установок следует определять исходя из их паспортной производительности. При этом количество рабочих установок должно быть не более пяти, резервных – одна.
Озон – один из наиболее сильных окислителей, уничтожающих бактерии, споры и вирусы. Кроме того, под воздействием озона одновременно происходит обесцвечивание воды, а также устраняются нежелательные запахи и привкусы. Озон (О3), необходимый для озонирования, получают из атмосферного воздуха в аппаратах-озонаторах путем воздействия на воздух «тихого» (рассеянного без искр) электрического разряда, сопровождающегося выделением озона. Общая схема установки по озонированию показана на рис. 6.25.
Рис. 6.25. Схема озонаторной установки:
1 – фильтр; 2 – компрессор; 3 – охлаждающее устройство; 4 – устройство
для осушки воздуха; 5 – воздухонагреватель; 6 – блок озонатора; 7 – подача воды;
8 – смеситель; 9 – воздухораспределительное устройство; 10 – отвод воды
Озонатор представляет собой горизонтальный аппарат, по типу теплообменника, с вмонтированными в него стальными (из нержавеющей стали) трубками. Внутри каждой стальной трубы вставлена стеклянная трубка с небольшой (2–3 мм) кольцевой воздушной прослойкой, являющейся разрядным пространством. Внутренняя поверхность стеклянных труб покрыта графито-медным или алюминиевым покрытием. Стальные трубки являются одним из электродов, а покрытие на внутренней стенке стеклянной трубы – другим. К стальным трубам подводится от трансформатора переменный ток напряжением 8000–10000 В, а покрытие из стеклянных трубок заземляется. При прохождении электрического тока через разрядное пространство происходит разряд коронного типа, в результате которого и выделяется газ – озон. Предварительно осушенный воздух проходит через кольцевое пространство и таким образом озонируется, т. е. образуется озоно-воздушная смесь. Стеклянные трубки являются диэлектрическим барьером, благодаря чему разряд получается «тихим», т. е. рассеянным, без образования искр. При этом до 90 % электроэнергии превращается в теплоту, которую нужно отвести от озонатора. Для этого в межтрубном пространстве озонатора циркулирует охлаждающая вода. Воздух, подаваемый в озонатор, предварительно освобождается от влаги и пыли. Следы влаги, попадая в разрядное пространство озонатора, изменяют характер электрического разряда. Появляются искровые разряды, которые значительно снижают показатели работы озонатора – уменьшается выход озона и примерно в 4 раза возрастает расход электроэнергии (по сравнению с подачей сухого воздуха). Для улавливания пыли воздух пропускают через матерчатые фильтры специальных конструкций, а для удаления влаги устанавливают адсорберы, загружаемые селикагелем. В установке устанавливают два адсорбера, которые работают поочередно, причем во время работы одного другой регенерируется. В процессе сушки воздуха выделяется теплота. Чтобы в озонатор не попал слишком теплый воздух, его подвергают охлаждению. Это достигается пропуском воздуха через теплообменник или в самом адсорбере путем подачи воды через змеевик, располагаемый непосредственно в селикагеле. При введении озона для обесцвечивания и обеззараживания воды его доза составляет 4 мг/л. Продолжительность контакта обеззараживания воды с озоном принимается 5–10 мин.