Проектирование сооружений очистки сточных вод

Я. Б. УЛАНОВСКИЙ 1 , В. Г. ПОНОМАРЕВ 2 , М. А. КОРОЛЕВ 3
1 Улановский Яков Бенедиктович, доктор технических наук, президент НПГ «Сайнмет» 117342, Россия, Москва, ул. Островитянова, 43, тел.: (495) 787-94-29, e-mail: [email protected]
2 Пономарев Виктор Георгиевич, доктор технических наук, профессор, научный руководитель, Экология М 117593, Россия, Москва, Новоясеневский проспект, 25/20, тел.: (495) 989-63-20, e-mail: [email protected]

3Королев Михаил Александрович, инженер-технолог, Экология М Тел.: (495) 989-63-20, e-mail: [email protected]

Рассматривается подход к выбору методов очистки промышленных сточных вод и расчету очистных сооружений при проектировании. Авторами проведен анализ современных проектных решений очистки с указанием их недостатков и часто допускаемых ошибок. Описываются технологические решения, используемые в установках производства Экология М и подтвержденные практическим опытом их эксплуатации на различных объектах.

Ключевые слова: сточные воды, очистные сооружения, отстаивание, флотация, фильтрующая загрузка

An approach to the selection of industrial wastewater treatment technologies and design calculations is considered. The authors analyzed the advanced design solutions with specifying their drawbacks and mistakes often made. The process solutions used in installations made by Stroyengineering LLC and practically approved during the onsite operation are described.

Key words: wastewater, wastewater treatment facilities, settling, flotation, filtering media.

В связи с интенсивным использованием бытовой и промышленной техники и материалов, различных видов моющих и чистящих средств изменился состав загрязнений городских сточных вод, что потребовало пересмотра подхода к проектированию очистных станций. В то же время в разрабатываемых проектах новых или реконструируемых комплексов механической очистки городских сточных вод в настоящее время предусматривается прежний состав сооружений [1; 2].

Обследование городских очистных станций показывает, что на сооружениях механической очистки скапливается большое количество плавающих загрязнений, в том числе жиров, а в аэротенках собирается много пены. Это свидетельствует об изменении характера загрязнений хозяйственно-бытовых сточных вод, что осложняет работу очистных сооружений. Применение флотации позволило бы значительно повысить эффективность очистки и во многом облегчить эксплуатацию станций.

Сточные воды промышленных предприятий отличаются по составу загрязнений и свойствам отработанной сбрасываемой воды вследствие различия технологических процессов производства и применяемого сырья. Как показывает многолетний опыт, даже у предприятий одного профиля образующиеся сточные воды могут отличаться по составу и концентрациям загрязнений. Поэтому в каждом конкретном случае перед проектированием систем очистки требуется тщательное обследование предприятия с определением характеристик сточных вод, их объемов и концентраций загрязнений, а также оценка водного баланса предприятия и возможности повторного использования очищенной воды. Только в этом случае можно обоснованно подойти к разработке системы канализования предприятия, рассчитать и запроектировать рациональную очистную станцию.

Однако зачастую на разработку проектных решений заказчиками отводятся необоснованно сжатые сроки. Это во многих случаях приводит к существенному снижению качества проектных решений и, как следствие, к дополнительным затратам на строительство очистных сооружений либо к недостаточно эффективной работе этих сооружений.

Примером допускаемых ошибок в проектах может служить наиболее часто применяемый процесс отстаивания. Так, анализ многих предложенных технологических схем (авторы специально не называются) показывает, что разработчики проекта не предусматривают узлы распределения потоков воды как перед сооружениями, так и внутри них. Это означает, что объем сооружения (отстойника) будет использоваться не более чем на 30-40 % [1]. Без учета этого фактора отстойники не обеспечат требуемой степени очистки. Потому реализация принятых решений создает много проблем с негативными последствиями.

Для сокращения площади, занимаемой очистными сооружениями, часто предлагаются отстойники с блоками тонкослойного отстаивания, однако зачастую расчеты таких аппаратов не приводятся. Анализ предложений показывает, что с учетом реально обеспечиваемых коэффициентов использования объема в предлагаемых отстойниках могут быть задержаны взвешенные вещества гидравлической крупностью примерно 0,8-1 мм/с, в то время как для очистки стока часто требуется выделение частиц загрязнений крупностью 0,2-0,3 мм/с. Расчет отстойника на выделение загрязнений повышенной крупности значительно уменьшает объем сооружения либо позволяет при тех же размерах увеличить его производительность. Это является одним из способов снижения стоимости предлагаемых технических решений, но не оправдано с точки зрения обеспечения требуемого уровня очистки.

Запутать неискушенного, но заинтересованного заказчика может использование сложных терминов. Например, блоки тонкослойного отстаивания или другие внутрикамерные устройства во многих предложениях называются коалесцирующей насадкой. Термин «коалесценция» относится к процессу, когда капли масел или нефтепродуктов объединяются в одну более крупную. При объединении оседающих взвешенных веществ процесс называется агломерацией. Следует обратить внимание, что при выпадении частиц масел, нефтепродуктов и любых взвешенных веществ на любую поверхность, в том числе на пластины тонкослойного блока, происходят процессы их объединения. Поэтому приписывать таким устройствам коалесценцию нефтепродуктов как особое положительное свойство для очистки некорректно.

Относительно недавно на рынке технологий очистки нефтесодержащих сточных вод в крупных оборотных системах было предложено пропускать сточную воду через слой нефтепродуктов. Авторы ответственно заверяют, что в этом случае будет происходить коалесценция взвешенных в потоке нефтепродуктов в слое, искусственно созданном на поверхности воды в сооружении. Анализ подобных решений свидетельствует о том, что реализация заложенных требований к движению воды в реальных условиях практически невозможна, поэтому ни о какой сорбции или коалесценции нефтепродуктов из сформированного потока при прохождении его через слой нефти говорить не приходится. Кроме нефтепродуктов, в оборотной воде во взвешенной фазе загрязнений присутствуют частицы продуктов коррозии, солей жесткости, органические загрязнения отмерших биологических обрастаний и минеральные частицы пыли, попавшие в воду в градирнях. Все эти взвешенные вещества, задержанные в искусственно созданном слое нефтепродуктов, также будут причиной неэффективной работы нефтеотделителя. Обращает на себя внимание тот факт, что это предложение рассматривается несколькими заводами.

Анализ предлагаемых конструкций нефтеотделителей в целом свидетельствует также, что их авторы зачастую не учитывают реальную гидравлику потоков. Опыт изучения гидравлических процессов очистных сооружений показывает, что использование объема в предлагаемых конструкциях нефтеотделителей не превысит 25-30 %, что будет способствовать выносу загрязнений с выходящей водой. Часто в технических предложениях не учитывается, что при применении тонкослойных модулей для достижения ожидаемого эффекта требуется обеспечение максимального равномерного распределения водного потока между ярусами блока вследствие небольшого времени пребывания в нем и скоростного режима потока.

Другим методом, часто применяемым на сооружениях очистки сточных вод от масел, нефтепродуктов и других загрязнений, является флотация. Эффективность этого процесса зависит от смачиваемости поверхности выделяемых загрязнений. Наиболее часто применяется напорная флотация с использованием реагентов. В настоящее время получает распространение импеллерная флотация (также с реагентами). Некоторое ограниченное применение имеет электрофлотация. Исследования показали, что в типовых флотаторах полезно используемый объем составляет всего 25 %, остальной объем занят зонами циркуляционных потоков и в процессе очистки практически не участвует. Поэтому в проектах необходимо предусматривать конструктивные узлы, обеспечивающие наиболее полное использование объема этих сооружений.

При расчете производительности флотаторов требуется учитывать коэффициент использования объема, иначе расчет становится ошибочным и некорректным (что часто встречается в предлагаемых проектных решениях). Так, например, при оптимизации гидродинамических режимов коэффициент использования объема камер хлопьеобразования с учетом критерия Кемпа может составлять 0,7. Без учета этого декларируемая производительность аппаратов завышается, и, следовательно, снижается эффективность очистки в сравнении с намеченной. Это является причиной повышенных концентраций загрязнений в воде, направляемой на следующую ступень очистки, которой часто служит фильтрование. Повышенное содержание загрязнений в воде, прошедшей флотационную очистку, часто является следствием неэффективной очистки в отстойниках на предыдущей ступени обработки сточной воды.

При повышенном содержании загрязнений в воде, направляемой на флотацию, возможно использование двухступенчатой флотации. Фирма Экология М рекомендует к применению комбинированный флотатор [3], в котором в одном объеме сооружения объединены два метода: импеллерная и напорная флотация, а выделение микропузырьков воздуха с адсорбированными загрязнениями осуществляется в тонкослойных модулях, рассчитанных с учетом коэффициента использования объема, равного 0,5.

Для более тонкой очистки сточных вод в проектах часто предусматривается фильтрование на зернистых фильтрах. В качестве загрузок используются кварцевый песок, гранитная крошка, дробленый антрацит, горелая порода и другие материалы, соответствующие требуемым прочностным свойствам [4]. Не следует забывать, что одним из главных условий применения всех загрузок является возможность их регенерации. Промывка зернистых загрузок производится обратным потоком воды, при этом интенсивность промывного потока практически во всех случаях принимается одна и та же – 10-15 л/(с·м2 ).

При значительных размерах фильтров и большом их количестве требуется значительный объем промывной воды. Следовательно, образуется большой объем грязной промывной воды, что является основным недостатком метода фильтрования. Сокращение объема промывной воды может быть достигнуто за счет увеличения периода между промывками. В случае, когда предыдущие ступени очистки (отстаивание и флотация) не обеспечивают выделения основной массы взвешенных веществ, в том числе и нефтепродуктов, фильтры следует промывать часто: через 5-6 часов, а может быть и чаще. Недостаточно отмытая загрузка быстро (в течение 3-5 месяцев) кольматируется и требует замены. В этом случае фильтрование становится нерентабельным. Содержание взвешенных веществ в воде перед фильтрами не должно превышать 3-5 мг/л, тогда фильтроцикл составит порядка 16 часов и более. Поэтому к качеству очистки сточных вод при отстаивании и флотации следует предъявлять жесткие требования.

В настоящее время в проектах часто применяются фильтры с постоянной промывкой, которая производится благодаря эрлифту, поднимающему пульпу зернистой загрузки снизу вверх. Таким образом происходит постоянный оборот загрузки. Считается, что зерна отмываются в восходящем эрлифтном потоке. Многолетние исследования [5] процесса регенерации фильтрующих загрузок показали, что в сточных водах могут присутствовать загрязнения, силы адгезии которых на поверхности зерен загрузки могут быть значительными. Эрлифтный поток, в котором создаются незначительные касательные напряжения к поверхности зерен, может не восстановить загрузку, что послужит причиной ее кольматации. Поэтому в каждом конкретном случае требуется проводить оценку взвешенной фазы загрязнений.

Принимаемая во всех случаях одинаковая интенсивность промывного потока воды не всегда обеспечивает эффективную отмывку зерен загрузки. Это объясняется тем, что силы адгезии больше, чем касательные напряжения, создаваемые потоком промывной воды. Вследствие этого зерна загрузки через не отмытые на их поверхности пленки загрязнений слипаются между собой, образуя крупные агломераты, оседающие при обратной промывке в дренажную систему фильтра. Такой процесс называется кольматацией загрузки. Объем, занимаемый скольматированной загрузкой, увеличивается, и, в конечном счете, требуется ее замена. Исследования показывают, что процесс кольматации значительно ускоряется, если в воде присутствуют соли железа, задерживаемые в фильтре. Для предупреждения процесса кольматации разработаны методы интенсивной регенерации [5], а фирмой Экология М сконструирована установка, позволяющая периодически производить интенсивную регенерацию зернистой загрузки в теле фильтра, предупреждая образование агломератов и практически полностью восстанавливая ее.

В проектах зачастую грязную промывную воду возвращают в «голову» сооружений без какой-либо подготовки. А поскольку ее объемы значительны, увеличивается гидравлическая нагрузка на сооружения, что может быть связано с выносом взвеси из отстойников. Так как в воде содержится мелкодисперсная взвесь, накопленная в фильтре за время фильтроцикла, количество загрязнений в поступающей воде увеличится за счет мелких фракций, а эффективность очистки на первых ступенях снизится. В конечном счете, произойдет их накопление в системе очистки, и эффективность работы сооружений снизится.

При возврате грязной промывной воды на повторную очистку прежде всего требуется ее усреднение по расходу. Для этого вода должна подаваться в отстойник-усреднитель, из которого уже малым расходом, рассчитанным исходя из продолжительности его опорожнения за время между промывками следующих фильтров, направляется в «голову» сооружений. Для снижения концентрации загрязнений в возвращаемой воде следует предусматривать реагентную обработку промывной воды перед отстойником-усреднителем. Только так можно ожидать эффективную работу сооружений физико-механической очистки сточных вод. Во многих проектных предложениях это не учитывается, соответственно, их стоимость ниже объективно необходимой.

Большим недостатком некоторых проектных решений является расположение очистных установок под землей с размещением на поверхности лишь люков колодцев. Эти конструкции имеют вид цистерн, в которых смонтированы тонкослойные блоки, называемые разработчиками коалесцирующими. Могут быть установлены и фильтры, например, картриджные. В некоторых проектах такие установки монтируются на самотечном водосточном коллекторе, отводящем поверхностный сток, расходы которого могут меняться в широких пределах и достигать порядка 1000 м3 /ч. Как правило, декларируется, что картриджные фильтры меняются один раз в год. Если бы авторы таких предложений подсчитали объем задержанных в фильтре загрязнений хотя бы за период одного дождливого месяца, то оказалось бы, что их объем больше или соизмерим с объемом самого картриджа. Удивляет тот факт, что в ряде случаев такие проекты успешно проходят экспертизу и тендеры.

Рассмотренные выше и ряд других недостатков проектных решений наносят ущерб природе и усложняют эксплуатацию очистных сооружений, заставляют в процессе работы тратить дополнительные средства для исправления ошибок, которых могло бы не быть.

Выводы

Проектная документация очистных сооружений должна содержать раздел, отражающий анализ выбранной технологической схемы строящегося объекта, а также обоснование технических решений по канализованию, схеме и конструктивному оформлению очистного оборудования. Особое внимание при проектировании должно уделяться узлам распределения воды между сооружениями и внутри них, а при расчетах сооружений должен учитываться коэффициент использования их объема. Применение подземных очистных сооружений для обработки поверхностного стока неприемлемо ввиду колебания его расходов в очень широких пределах и невозможности их нормальной эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения.
2. Справочник проектировщика. Канализация населенных мест и промышленных предприятий. – М.: Стройиздат, 1981.
3. Пономарев В. Г., Иоакимис Э. Г. Образование и очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. – М.: Союз Дизайн, 2009.
4. Клячко В. А., Апельцин И. Э. Подготовка воды для промышленного и городского водоснабжения. – М.: Стройиздат., 1962.
5. Блянкман Л. М., Пономарев В. Г., Смирнова Н. Л. Очистка фильтрующих материалов. – М.: Энергоатомиздат, 1992.