Очистка бытовых сточных вод Хозяйственные сточные воды должны быть очищены от присутствующих в них твердых тел и растворимых веществ, таких как фосфаты и нитраты, и бактерий. Большинство станций переработки воды используют аэробный метод, который ускоряет естественные процессы и, тем самым, очищает сточные воды. В общем виде процесс очистки представляет собой последовательность ряда операций, разновидность и последовательность которых зависит от размера очистного предприятия, санитарно-гигиенических норм, в том числе территориальных, и других законодательных актов. Сначала стоки поступают на очистное предприятие либо самотеком, либо по трубопроводу, снабженному насосными станциями. Обычно входящие воды фильтруются для удаления крупных твердых веществ. На рис. 1 представлена схема небольшого типичного очистного предприятия по переработке сточных вод. Первичное оседание В процессе первичного оседания сточные воды накапливаются в цистернах в течение определенного периода времени. Находящиеся в воде твердые вещества выпадают на дно цистерны и в последствии убираются для дальнейшей переработки. Вторичная переработка На этом этапе сточная вода закачивается в аэрационные цистерны, где она смешивается с бактериями, перерабатывающими органические отходы в воде. Для поддержания жизнеспособности этих бактерий необходим кислород, который обычно подается из баллонов и смешивается с воздухом. Другой метод — нагнетание воздуха в цистерны компрессорами; иногда используют одновременно обе технологии. В ряде случаев вышеописанную технологию заменяет так называемый фильтрующий слой из бактерий: сточная вода протекает над слоем камней, и бактерии, находящиеся в пустотах между ними, способствуют процессу переработки. Окончательное осаждение Затем вода закачивается в огромные цистерны, где также действуют бактерии: попадаяснизу в центр цистерны через подземные трубопроводы, вода поднимается наверх и медленно движется в водослив наружу. Остаток бактерий и осадок соскребаются со дна медленно вращающимися скребками, прикрепленными к мосту. Некоторое количество осадков возвращается на станцию аэрации, чтобы обеспечить новый источник бактерий. Вытекающая вода может быть слита в ближайшую реку, канал или озеро, последние несколько процентов очистки завершаются естественным путем. Переработка осадков После окончательного осаждения осадки либо складируются на отведенном месте, либо уничтожаются путем сжигания. В настоящее время приоритетной становится тенденция их дальнейшей переработки. Осадки уплотняются и закачиваются в ферментационную цистерну, где они хранятся при температуре 32°С без доступа кислорода. Опасные бактерии при этом уничтожаются, что сопровождается выделением газа метана, а общий объем осадков в конечном итоге уменьшается. Метан хранится в газовой камере и может быть использован как энергетическое сырье, например, для выработки тепла для ферментационной цистерны или центрального отопления станции. После этого осадок обезвоживается прессованием и затем уничтожается. Еще один вариант уменьшения объема осадков (до 1/20) перед уничтожением — складирование их в компостном хранилище. Очистка промышленных сточных вод Некоторую специфику имеет процесс очистки промышленных сточных вод. В настоящее время широко применяются как традиционные, так и вновь разработанные технологии. В зависимости от отрасли промышленности, это может быть целый комплекс различных методов, позволяющих получать твердый осадок различной концентрации. Аэрация воздуха используется для увеличения плавучести загрязняющих веществ, которые впоследствии удаляются с поверхности. Также распространены такие физические методы как просеивание, технология мембраны, центрифуги и обратный осмос. Более сложные методы— физико-химической очистки. К ним относится, например, фильтр с активированным углем, который известен своими свойствами абсорбции многих вредных веществ.Ионный обмен эффективен для очистки небольшого количества сточной воды с растворенными загрязняющими веществами, например, при удалении серебра из воды в фотопромышленности. Широко применяется процесс аэробиологической очистки, ускоряющий природную биологическую активность бактерий, — процесс аналогичен описанному выше для переработки бытовых сточных вод. Биоанаэробная очистка — переработка в восходящем анаэробном отстойном реакторе, заключенном в бетонную оболочку, в среде без доступа кислорода. При этом органические загрязнения разрушаются, высвобождая биогазы как полезный продукт. В качестве примера рассмотрим процесс переработки сточных вод на фабрике HEINEKEN в Хертогенбоше (Голландия), где установлена очистная система PAQUES BV — эта технология для промышленной очистки отработанной воды достаточно широко распространена в мировой практике. Технологический процесс условно представляет собой четыре стадии: ❏ удаление крупных включений; ❏ гидравлическая буферизация; ❏ предокисление; ❏ анаэробная очистка. Дополнительно предусмотрена так называемая «аварийная цистерна» для сбора и нейтрализации сточных вод с большой амплитудой колебаний pH. Первая стадия Крупные включения, не подлежащие разрушению биологическим путем, удаляются из воды сетчатым фильтром. Они могут включать в себя дрожжевые частицы, кизельгур, горлышки бутылок и т.д. Отфильтрованная масса подается с помощью архимедова винта в пресс, где обезвоживается с соответствующим уменьшением в объеме. Спрессованные отходы собираются в контейнеры. Фильтр автоматически очищается под воздействием высокого давления, что предотвращает образование осадка. Вторая стадия В двух больших круглых бетонных буферных цистернах объемом 2250 м3 одновременно протекают следующие химические реакции: ❏ выравнивание гидравлической амплитуды и амплитуды загрязнения; ❏ гидролиз посредством деятельности микробов, а также частичное окисление; ❏ буферизация кислотных и алкалиновых амплитуд в вытравленной сточной воде; ❏ осаждение и последующее удаление осевших веществ (в первойбуферной цистерне). Благодаря помещенным в первую буферную цистерну смесителям процесс смешивания происходит однородно: скреперный механизм медленно перемещает осевшие вещества в центральный сборный пункт. «По дороге» осевшие отходы подвергаются дальнейшей обработке. Дополнительная аварийная цистерна объемом 2250 м3используется для сбора сточной воды с высокой кислотной или алкалиновой амплитудой. Когда уровень pH в буферной цистерне приближается к приемлемому, вода с небольшой скоростью поступает в дальнейшую переработку, дополнительно проходя через угольные фильтры. Третья стадия Окислительная цистерна дает возможность контролировать уровень кислотности среды и, тем самым, создавать оптимальные условия для процесса предокисления. Он протекает в круглой бетонной цистерне, закрытой пластиковой крышкой. Воздух из цистерны постоянно удаляется и очищается во избежание распространения неприятного запаха. После завершения стадии предокисления вода перекачивается в анаэробные реакторы. Четвертая стадия Процесс анаэробизации протекает в шести реакторах Biopaq Internal Circulation (каждый объемом 160 м3) в два этапа. На первом в каждом из реакторов происходит интенсивное образование биогазов, часть которого используется в работающих на газе насосах, обеспечивающих внутреннюю циркуляцию сточных вод. На втором этапе реакторы используются как буфер для осадков. Количество осадка постепенно увеличивается и его избыток извлекается из каждого реактора и перекачивается в накопительную цистерну. В верхней части реактора скапливается биогаз, который после буферизации очищается и высушивается. После прохождения всех четырех стадий очистки вода подается на местное предприятие по переработке сточной воды. Коррозия оборудования Подверженность коррозии оборудования, задействованного в процессе переработки сточных вод, чрезвычайно велика из-за большой влажности, растворенных солей, выделяющегося сероводорода, аммиака, бактерий, солнечного воздействия, органических и неорганических кислот и различных других химических веществ. К сожалению, это неизбежные «спутники» процессов переработки. Максимальному риску подвержено оборудование, работающее в погруженном или частично погруженном состоянии, особенно используемое на первых стадиях очистки: фильтры-экраны, цистерны предварительного осаждения, скребки и аэраторы — присутствие в атмосфере сероводорода способствует образованию коррозийно-сульфирической кислоты. Многие поверхности, например, внешняя сторона цистерн, подвержены коррозии даже при нормальном использовании в обычном климате. Промышленные сточные воды порой столь агрессивны, что могут стать причиной очень сильной коррозии. В некоторых ситуациях справиться с ней без специалиста невозможно. Под воздействием агрессивных факторов разлагаются не только стальные и металлические элементы, но и бетонные конструкции (так называемый износ бетона). Например, бетонные резервуары первичной очистки. Они разрушаются под воздействием кислоты. Для разложения органических включений растительного происхождения— отходов картофеля, муки, солода, сахарной свеклы и т.д.— температура в цистерне должна быть не ниже 35–37°С, но и количество образующейся серной кислоты, а следовательно и коррозионная активность, напрямую зависят от температуры: при одинаковой концентрации сероводорода при температуре 18°С серной кислоты образуется в три раза больше, чем при температуре 12°С. Кислород, используемый в процессе гниения, способствует образованию на стенках труб над поверхностью воды сероводорода (в виде конденсата). Затем он под воздействием аэробных бактерий окисляется в серную кислоту. Процессы разложения довольно длительные и сточные воды зачастую подолгу находятся в резервуарах, концентрация сероводорода в конденсате которых может образовать на бетонной поверхности раствор 6%-ой серной кислоты. Чем длиннее трубопровод, тем дольше сточная вода находится в системе и тем больший объем кислорода участвует в процессе распада. Например, если сточные воды поступают на станцию очистки из нескольких районов, то воды наиболее отдаленных из них могут находиться в системе долгое время. Возвращаясь к нашему примеру с бетонным резервуаром для первичной очистки, процесс образования сероводорода будет выглядеть следующим образом (рис. 2). Повышение уровня кислотности происходит в конденсате, образующемся на стенках резервуара выше уровня сточных вод, и воздействует он на бетон выше уровня воды. Закрытые резервуары еще более уязвимы. Последняя тенденция — размещение предприятий по очистке воды под крышей (чтобы устранить неприятный запах и исключить случаи сдувания обильной пены сильным ветром с цистерн первичного осаждения) стала возможной только благодаря современным качественным технологиям борьбы с коррозией. Проблема коррозии актуальна для оборудования, используемого практически на всех этапах переработки сточных вод. Полиуретаны часто не отвечают предъявляемым требованиям, даже в условиях относительно низкой кислотности. Поливинилхлоридные покрытия могут быть ослаблены в месте стыковочных швов, которые также подвергаются повышенной нагрузке из-за сужения или расширения при перепаде температур. Кислота в этих местах просачивается за трещины и разъедает бетон. Борьба с коррозией на очистных предприятиях Конечно, идеальный выход — использовать меньше стали, но в большинстве случаев замена на более коррозионностойкие материалы приводит к несоизмеримомуи зачастую неоправданному увеличению капитальных затрат. Кроме того, срок службы полимерных конструкций в пять раз меньше, чем традиционных стальных с хорошей защитной системой, а стоимость на этапе первоначальных вложений увеличивается в два раза. Главное преимущество стали — это относительно невысокая стоимость и возможность восстановления путем последующей переплавки. По-возможности, следует избегать использования разных металлов, если это невозможно, максимально изолировать их друг от друга. Защита покрасочными системами Для защиты стальных отстойных цистерн и других конструкций применяются современные покрасочные системы. Выбор системы для каждого конкретного случая зависит от ожидаемых условий применения. Там, где предполагается воздействие жирных кислот, содержащихся в сточных водах, идеальное решение — покрасочные системы на эпоксидной основе, самым передовым из них присуща прочная защита от истирания и осадков животных и растительных жиров. Она может противостоять кислотности от 2 до 10. В менее суровых условиях подходят стандартные эпоксидные или угольно-эпоксидные системы. Они хорошо противостоят воздействию серной кислоты. Тем не менее по экологическим причинам в некоторых странах отмечается тенденция к поиску альтернативных покрытий. Последние разработки химической промышленности и испытания показали, что высококачественные эпоксидные краски без смол оказываются более надежными, чем эпоксидные покрытия с угольно-каменистым дегтем. В качестве альтернативы покрасочной системе используется покрытие «торкет-бетон» — бетон наносится методом разбрызгивания толщиной 5 см с финишным эпоксидным покрытием. Мнения по поводу эффективности этой технологии различны, но при сильном воздействии сероводорода этого оказывается недостаточно. После торкет-бетона можно использовать покрытие PVC, результаты применения которого оцениваются специалистами высоко, но это дорогостоящая технология. Лучше всего использовать покрасочную систему при постройке новых сооружений, но чаще всего тяжелый и дорогостоящий ремонт проводится на работающих станциях. В любом случае покрытие наносится на чистую и сухую поверхность, чего при работающем оборудовании добиться крайне нелегко. Например насос фановой системы и примыкающая камера не могут быть сухими дольше 12–16 ч. После этого входные клапаны должны быть открыты для сточных вод на несколько часов, затем цикл может повториться. Насколько это сложно, зависит от вида насосной камеры. В некоторых из них рабочее перекрытие осуществить достаточно легко. В камерах с насосами, погруженными в воду, это сделать невозможно. Единственным решением здесь может быть использование резервных насосов и цистерн. Цена покрасочных систем зависит от типа и сложности технологического цикла каждого конкретного очистного предприятия, но составляет примерно 0,3–3% стоимости новой конструкции. Резюме Оборудование в промышленности по очистке воды должно функционировать круглый год 24 ч в сутки с минимальным временем остановки для технического обслуживания. Все конструкции должны быть полностью надежными, выдерживать длительный период времени между профилактическими и техническими обслуживаниями, которые должны быть максимально быстрыми и простыми. Хотя подавляющая часть оборудования по очистке воды действует в коррозионной среде, обычная сталь все еще остается наиболее выгодным материалом для большей части оборудования. Для эффективной защиты от коррозии в условиях полного и частичного погружения требуется ее защита при помощи современных покрасочных систем. Стандарный и наиболее распространенный вариант — нанесение эпоксидной грунтовки с последующим нанесением эпоксидного покрытия с угольно-каменистым дегтем. Менеджер по экспорту компании «Лэндстари», всемирно известного производителя оборудования для переработки сточных вод, уверяет, что при правильном нанесении такая система исправно работает и после 15–20 лет службы. Определения Подобно многим отраслям промышленности, для процессов очистки воды характерна собственная техническая терминология: ❏ активный осадок — осадок, содержащий живые бактерии; ❏ аэрация — растворение воздуха в жидкости; ❏ аэробный — содержащий или использующий воздух; ❏ анаэробный — без воздуха; ❏ архимедов насос— насос, поднимающий жидкость до верхнего уровня с помощью вращающегося винта; ❏ сероводород — растворимый в жидкости токсичный газ с неприятным запахом; ❏ эквивалент постоянного населения— мера мощности предприятия по очистке воды по отношению к количеству населения, которое оно обслуживает; ❏ кизельгур — диатомовая земля, материал для фильтров; ❏ экран — фильтр для извлечения твердых тел из сточных вод; ❏ отстойная цистерна — цистерна или резервуар, в котором твердые суспензированные частицы могут опуститься на дно. ❏ бактерии, снижающие уровень солей серной кислоты — бактерии, которые могут превратить нерастворенные частицы серы в сероводород, растворимый в воде.