CN^-+2OH^- -2е = CNO^-+H2O,CNO^-+2H2O = NH4+CO3^2- (1.1.)

Окислювання може бути проведено і з утворенням азоту:

2CNO+4OH^- = 2CO2+N2+2H2O (1.2.)

Для підвищення електропровідності стічних вод і зниження витрати енергії до вод додають NaCl. При концентрації CN ~ 1 г/л додають 20-30 г/л NaCl. У цьому процесі використовують графітовий анод і сталевий катод. Оптимальні умови окислювання: анодна густину струму 3-4 А/дм², швидкість води 30дм³/год, рН 8-9. Ступінь очищення наближається до 100%.

Руйнування ціанідів відбувається в результаті електрохімічного окислювання на аноді й окислювання хлором, що виділяється на аноді в результаті розкладання NaCl. Цей процес описується наступними реакціями:

2С1^- -2е = ЗС12, (1.3.)

CN^-+CI2+2OH^- = CNO+2C1^-+H2O, (1.4.)

2CNO^-+3C12+4OH^- =2CO2+N2+6C1^-+2H2O (1.5.)

Роданіди руйнуються за схемою

CNS^-+10OH^- -8е = CNO^-+SO4^2-+5H2O (1.6.)

Сульфідіони при рН = 7 окислюються до сульфатів. При менших значеннях рН може утворитися елементна сірка.

Катодне відновлення застосовують для видалення зі стічних вод іонів металів з одержанням опадів, для перекладу забруднюючого компонента в менш токсичні чи з'єднання в легко виведену з води форму (осад, газ). Його можна використовувати для очищення стічних вод від іонів важких металів РЬ²⁺, Sn²+, Hg²⁺, Cu²⁺, As³⁺, Cr⁶⁺. Катодне відновлення металів відбувається за схемою:

Ме⁺⁺ +2е^- = Ме° (1.7.)

При цьому метали осаджуються на катоді і можуть бути рекуперовані.

Очищення стічних вод від іонів Hg²⁺, Pb²+, Cd²⁺, Cu²⁺ проводять на катодах, що складаються із суміші вугільного і сірчистого порошків у співвідношенні C:S від 80:20 до 20:80 при рН<7 і щільності струму 2,5 А/дм². Осадження цих іонів відбувається у виді нерозчинних сульфідів або бісульфідів, що видаляють механічно [5].

1.1.5.2 Електрокоагуляція

При проходженні стічної води через міжелектродний простір електролізера відбувається електроліз води, поляризація часток, електрофорез, окислювально-відновні процеси, взаємодія продуктів електролізу один з одним. При використанні нерозчинних електродів коагуляція може відбуватися в результаті електрофоретичних явищ і розряду заряджених часток на електродах, утворення в розчині речовин (хлор, кисень), що руйнують сольватні солі на поверхні часток. Такий процес можна використовувати для очищення вод при невисокому змісті колоїдних часток і низкою стійкості забруднень [4].

Для очищення промислових стічних вод, що містять високостійкі забруднення, проводять електроліз з використанням розчинних сталевих чи алюмінієвих анодів. Під дією струму відбувається розчинення металу, у результаті чого у воду переходять катіони чи заліза алюмінію, які, зустрічаючи з гидроксидними групами, утворять гідроксиди металів у виді хлоп'їв. Настає інтенсивна коагуляція. На процес електрокоагуляции впливає матеріал електродів, відстань між ними, швидкість руху стічної води між електродами, її температура і склад, напруга і щільність струму. З підвищенням концентрації зважених речовин більш 100 мг/л ефективність електрокоагуляції знижується. Зі зменшенням відстані між електродами витрата енергії на анодне розчинення металу зменшується. Теоретична витрата електроенергії для розчинення 1 м заліза складає 2,9 кВт-годин, а 1 м алюмінію - 12 кВт-годин. Електрокоагуляцію рекомендують проводити в нейтральному чи слаболужному середовищі при щільності струму не більш 10 А/м², відстані між електродами не більш 20 мм і швидкості руху води не менш 0,5 м/с [3].

Переваги методу електрокоагуляції: компактність установок і простота керування, відсутність потреби в реагентах, мала чутливість до змін умов проведення процесу очищення (температура, рН середовища, присутність токсичних речовин), одержання шламу з гарними структурно-механічними властивостями. Недоліком методу є підвищена витрата металу й електроенергії. Електрокоагуляція знаходить застосування в харчовій, хімічній і целюлозно-паперовій промисловості.

Електрокоагуляційну очищення стічних вод можна використовувати для очищення від емульсій нафтопродуктів, олій, жирів (електрокоагулятор являє собою ванну з електродами). Ефективність очищення від нафтопродуктів складає: від олій 54-68%, від жирів 92-99% при питомій витраті електроенергії 0,2-3,0 кВт-годин/м³ [6].

1.1.5.3 Електрофлотація

У цьому процесі очищення стічних вод від зважених часток проходить за допомогою пухирців газу, що утворяться при електролізі води. На аноді виникають пухирці кисню, а на катоді -- водню. Піднімаючись у стічній воді, ці пухирці флотують зважені частки. При використанні розчинних електродів відбувається утворення хлоп'їв коагулянтів і пухирців газу, що сприяє більш ефективній флотації. Основну роль при електрофлотації грають пухирці, що утворяться на катоді. Розмір пухирців водню значно менше, ніж при інших методах флотації. Він залежить від крайового кута змочування і кривизни поверхні електродів. Діаметр пухирців міняється від 20 до 100 мкм. Дрібні пухирці водню мають більшу розчинність, ніж великі. З пересичених розчинів дрібні пухирці виділяються на поверхні часточок забруднень і тим самим сприяють ефекту флотації. Для одержання пухирців необхідного розміру необхідний правильний підбор матеріалу, діаметра дроту катода і щільності струму. Оптимальне значення щільності струму 200 - 260 А/м², газосвміст - близько 0,1% [4].

1.1.5.4 Електродіаліз

Процес очищення стічних вод електродіалізом заснований на поділі іонізованих речовин під дією електрорушійної сили, створюваної в розчині за обома сторонами мембрани. Цей процес широко використовують для опріснення солоних вод. Останнім часом його почали застосовувати і для очищення промислових стічних вод [7].

Процес проводять у електродіалізаторах, найпростіша конструкція яких складається з трьох камер, відділених одна від інший мембранами У середню камеру заливають розчин, а в бічні, де розташовані електроди, -- чисту воду. Аніони струмом переносяться в анодний простір. На аноді виділяється кисень і утвориться кислота. Одночасно катіони переносяться в катодний простір. На катоді виділяється водень і утвориться луг. В міру проходження струму концентрація солей у середній камері зменшується доти, поки не стане близької до нуля. При використанні електрохимически активних (ионообменних) діафрагм підвищується ефективність процесу і знижується витрата електроенергії. Ионообменние мембрани проникні тільки для іонів, що мають заряд того ж знака, що й у рухливих іонів.

Витрата енергії при очищенні води, що містить 250 мг/л домішок, до залишкового змісту солей 5 мг/л складає 7 кВт-годин/м³. Зі збільшенням вмісту солей у воді питома витрата енергії зростає. Основним недоліком електродіалізу є концентраційна поляризація, що приводить до осадження солей на поверхні мембран і зниженню показників очищення [8].

1.1.6 Біологічне очищення

Після механічних, хімічних та фізико-хімічних методів очищення у стічних водах можуть знаходитись різноманітні забруднюючі органічні речовини, тому, з метою запобігання забруднення ними, стічні води перед повторним використанням для побутових потреб підлягають біологічному очищенню. У виробничих умовах часто доводиться використовувати комплексні методи очищення, які базуються на механічних, хімічних, фізико-хімічних, біологічних способах та пристроях для вилучення забруднень. Метод біологічного очищення одержав широке поширення для очищення стічних вод хімічних виробництв. Цей метод заснований на здатності мікроорганізмів використовувати як живильний субстрат багатьох органічних і деяких неорганічних сполук, що містяться в стічних водах [7].

Біохімічний метод застосовують для очищення господарсько-побутових і промислових стічних вод від багатьох розчинених органічних і деяких неорганічних (сірководню, сульфідів, аміаку, нітритів та інш.) речовин. Процес очищення заснований на здатності мікроорганізмів використовувати ці речовини для харчування в процесі життєдіяльності -- органічні речовини для мікроорганізмів є джерелом вуглецю.

Контактуючи з органічними речовинами, мікроорганізми частково руйнують їх, перетворюючи у воду, диоксид вуглецю, нітрит- і сульфатіони та інш. Інша частина речовини йде на утворення біомаси. Руйнування органічних речовин називають біохімічним окислюванням. Деякі органічні речовини здатні легко окислятися, а деякі не окисляються чи зовсім окисляються дуже повільно.

Для встановлення можливості подачі промислових стічних вод на біохімічні очисні спорудження встановлюють максимальні концентрації токсичних речовин, що не впливають на процеси біохімічного окислювання і на роботу очисних споруджень. При цьому необхідно, щоб стічні води не містили отруйних речовин і домішок солей важких металів.

Для неорганічних речовин, що практично не піддаються окислюванню, також установлюють максимальні концентрації. Якщо такі концентрації перевищені, води не можна піддавати біохімічному очищенню [6].

Відомі аеробні й анаеробні методи біохімічного очищення стічних вод. Аеробний метод заснований на використанні аеробних груп організмів, для життєдіяльності яких необхідний постійний приплив кисню і температура 20-40°С. При зміні кисневого і температурного режиму склад і число мікроорганізмів міняються. При аеробному очищенні мікроорганізми культивуються в активному мулі або біоплівці. Анаеробні методи очищення протікають без доступу кисню; їх використовують головним чином для знешкодження осадів [5].

По біохімічному показнику, концентрації забруднень і токсичності промислові стічні води поділяють на чотири групи. Стічні води першої і другої груп відносно постійні по виду і витраті забруднень. Після очищення вони застосовні в системах оборотного водопостачання. Стічні води третьої групи утворяться періодично і відрізняються перемінною концентрацією забруднень, стійких до біохімічного окислювання. Вони забруднені речовинами, що добре розчинні у воді. Ці води непридатні для оборотного водопостачання.

Широке використання біологічного методу обумовлено його достоїнствами: можливістю видаляти зі стічних вод різноманітні органічні сполуки, у тому числі токсичні; простотою апаратурного оформлення; відносно невисокими експлуатаційними витратами. До недоліків методу варто віднести високі капітальні витрати, необхідність жорсткого дотримання технологічного режиму очищення, токсична дія на мікроорганізми ряду органічних і неорганічних сполук, необхідність розведення стічних вод у випадку високої концентрації домішок.

У процесах біологічного очищення стічних вод частина речовин, що окислюються мікроорганізмами, використовується в процесах біосинтезу (утворення біомаси - активного мулу чи біоплівки), а інша частина перетворюється в нешкідливі продукти окислювання: воду СО2 та інш.

Принцип дії сучасних апаратів та споруджень біологічного очищення стічних вод заснований на методах безупинного культивування мікроорганізмів ступінь очищення стічних вод від органічних та неорганічних сполук методом біологічного очищення досить високий 90-95% [9].

Вихідна стічна вода надається до аеротенку 1, у який також безупинно надаються активний мул (зворотний) і повітря. Суміш очищеної стічної води з активним мулом (мулова суміш) надходить у вторинний відстійник 2, освітлена стічна вода з відстійника спрямовується на доочищення, повторне використання і т.д. Частина активного мулу надається до аеротенку, а інша частина -- надлишкова кількість -- на переробку. За допомогою біологічного очищення досягається досить великий ступінь очищення стічних вод (95-98%), особливо коли промислові стічні води містять органічні домішки (феноли, цианіди та роданіди). Принципова схема установки аеробного біологічного очищення стічних вод в аеротенках представлена на рис.1.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2.- Принципова схема установки біологічного очищення стічних вод: 1 - аеротенк; 2 - вторинний відстійник

Аеробне біологічне очищення одержало велике поширення для очищення стічних вод хімічних виробництв. Сучасні хімічні підприємства мають біологічні очисні спорудження. Аеробне біологічне очищення виконується в аеротенках, біофільтрах, аерофільтрах, ставках і т.і. [4].

1.1.7 Обґрунтування вибору методу

Враховуючи кількісну та якісну характеристику стічних вод, а саме наявність в них органічних речовин у розчинному стані, а також місце розташування виробництва в даному проекті для найбільш ефективного очищення стічної води серед вище зазначених методів обираємо біологічний метод. Він є найбільш простим в експлуатації та економічно вигідним в порівнянні з іншими методами. Але так як стічні води коксохімічного виробництва містять також олії, смоли та завислі нерозчинні речовини, які не можуть бути перетворені мікроорганізмами активного мулу, доцільно перед біологічним очищенням застосувати фізико-хімічне очищення - флотацію.

Очищені біохімічним методом стічні води відповідають санітарно-гігієнічним та господарчим нормативам і можуть скидатися у водойми, або використовуватися для технічних потреб підприємства, так як досягається досить високий рівень очищення - до 98%.



1.2 Фізико-хімічні основи процесу очищення стічних вод

1.2.1 Біоценоз активного мулу

У процесі біологічного очищення стічних вод формуються біоценози мікроорганізмів (активний мул), склад яких залежить від характеру домішок стічних вод, вихідного посівного матеріалу та умов проведення процесу очищення. Активний мул по зовнішньому вигляду являє собою дрібні хлоп'я від світло- до темно-коричневого кольору, що складаються з великої кількості багатошарово розташованих чи флокульованих клітин. Активний мул -- це амфотерний колоїд, що має негативний заряд в інтервалі значень рН = 4-9. Поверхня бактерій, що утворюють хлоп'я активного мулу, досягає 100 м² на 1м сухого мулу. Розмір хлоп'їв активного мулу звичайно складає 0,1-0,5 мм і іноді досягає 2-3мм і більш. Активний мул являє собою складний комплекс мікроорганізмів різних систематичних груп (наприклад, бактерій, простіших, грибів), між якими складаються визначені взаємини: симбіотичні чи антагоністичні [6].

Часто спостерігається явище метабіозу - коли продукти життєдіяльності одних мікробів служать джерелом енергії чи живильними речовинами для інших. Джерелом харчування для основної маси простіших є бактерії. Простіші можуть поглинати велику кількість бактерій. Сама чисельна група мікроорганізмів в активному мулі -- бактерії. Кількість їх коливається від 10⁸ до 10¹² клітин на 1кг сухого мулу. Мікробіологічний склад бактерій активного мулу в значній мірі залежить від виду і концентрації речовин, що забруднюють стічну воду, а також умов процесу очищення. У активному мулі виділено більш 100 штамів бактерій. Самою чисельною групою бактерій в активному мулі (50-80%) є бактерії, що окислюють метан, нітрити, молекулярний водень, відновлені сполуки сірки та інші.

Наявність простіших поліпшує якість очищеної води, а також може робити стимулюючу дію на бактерії. Відзначимо, що в присутності простіших не спостерігалася лагфаза в розвитку бактерій і стимулювався їх ріст. Для гарної роботи аеротенку в 1 л активного мулу повинно бути 200 - 500 мм³ простіших. Простіші є індикаторами ефективності процесу біологічного очищення. Спостереження про наявність, кількість чи зміну видового складу простіших дозволяють судити про стан і порушення процесу очищення [9].

Адаптація (пристосування), чи приведення організму у відповідність з навколишнім середовищем, обумовлює різке збільшення інтенсивності та ефективності біологічного очищення. У багатьох випадках утворення ферменту, що розщеплює визначені речовини (ферментна адаптація), відбувається тільки тоді, коли мікроорганізми входять у контакт із субстратом. Особливо часто це явище спостерігається, якщо субстратом є нова синтетична речовина, раніше в природі не присутня (як багато продуктів хімічної промисловості).У процесі біологічного очищення стічних вод хімічних виробництв, що містять нові синтетичні речовини, полімери, поверхнево-активні речовини, на першій стадії очищення окислювання цих речовин мікроорганізмами, як правило, дуже незначне чи взагалі не відбувається. Через деякий час, іноді через кілька місяців, мікроорганізми починають окислювати ці сполуки.

Для зменшення часу, необхідного для адаптації мікроорганізмів до речовин, доцільно, при пуску очисних споруджень засіяти в стічну воду вже адаптовану мікрофлору, отриману на напіввиробничих установках або доставлену з інших очисних споруджень [3].

1.2.2 Біологічне окислювання різних класів органічних сполук

Інтенсивність та ефективність біологічного окислювання різних органічних сполук залежить від багатьох факторів: класу та структури сполуки, розміру молекули, наявності функціональних груп, а також від видового складу бактерій, біоценозу активного мулу, тривалості їхньої адаптації та інш. Окислювання речовин, що існують у природі, звичайно не представляє утруднень -- тривалість адаптації мікроорганізмів складає кілька годин. Синтетичні речовини часто окислюються з напругою, і тривалість адаптації складає більше півроку. Речовини, що знаходяться в колоїдному чи дрібнодисперсному стані, окислюються з меншою швидкістю, ніж речовини, розчинені у воді [7].

Проникність молекул через стінку клітини і цитоплазматичну мембрану залежить від розміру молекул, тому зі збільшенням молекулярної маси речовин зменшується ступінь їхнього біологічного окислювання.

Наявність функціональних груп сприяє біологічному окислюванню органічних сполук, а наявність розгалужених вуглеводневих ланцюгів, навпаки, підвищує стійкість сполук до біологічного окислювання. Великий інтерес представляє окислювання ароматичних сполук у системах з біоценозами активного мулу, тому що ці сполуки присутні в багатьох промислових стічних водах. Бензол руйнується мікроорганізмами після тривалої адаптації. Похідні бензолу, як правило, характеризуються великим ступенем біологічного розщеплення. Наявність різних функціональних груп збільшує здатність до біологічного руйнування сполук у такій послідовності:

-- СН3, -- ООС-СНз, -- СНО, -- СН2RН, -- СНОН-СООН, -- СN, --

NН2, --ОНСООН, --SО3Н [1].

Ароматичні кислоти піддаються біологічному розщепленню, причому зі збільшенням числа гідроксильних груп окислювання їх протікає більш успішно.

Багатьма роботами встановлені ефективність і механізм окислювання фенолів. Руйнування фенолу відбувається за схемою: фенол - пірокатехін - цис-цисмуконова кислота - лактон - р-кетоадіпінова кислота - бурштинова кислота - оцтова кислота - двуокис вуглецю і вода. Двохатомні феноли -- резорцин і пірокатехін -- окислюються після адаптації мікроорганізмів.

Багатоатомні феноли окислюються неоднаково повно, при цьому утворюються пофарбовані хіноїдні сполуки; найбільш важко руйнуються гідрохінон і пірогалол. Експериментально доведено, що виділений із ґрунту адаптований комплекс бактерій успішно руйнував без попередньої адаптації двохатомні феноли -- пірокатехін і резорцин, перший удвічі скоріше, ніж другий [7].

Можливість біохімічного окислювання фенолу відома вже давно й успішно використовується в промисловості для очищення стічних вод загальноприйнятим методом з активним мулом. Руйнування фенолу починається з його гідрооксилювання в ортоположенні, при цьому утворюється пірокатехін, кільце якого розщеплюється між суміжними гідроксильними групами, відбувається так називане орторозщеплення.

Більшість амінів біохімічно окислюється. При цьому можуть утворюватися аміак, двуокис вуглецю чи вода і аміак, оцтова кислота. Акрілонітріл піддається біологічному руйнуванню при тривалій адаптації мікроорганізмів, так само як і аміни з числом вуглецевих атомів у молекулі від 7 до 20. Анілін біологічно руйнується, але приєднання другої аміногрупи чи атома хлору утруднює біологічне окислювання отриманої сполуки. Багато мікроорганізмів здатні окислювати різні речовини, тривалість адаптації визначається характером речовини. При наявності в стічній воді суміші речовин у першу чергу і найбільш інтенсивно будуть окислюватися речовини, що краще засвоюються мікроорганізмами. У залежності від складу домішок стічних вод і складу біоценозу активного мулу чи біоплівки можливі різні варіанти вилучення домішок: одночасне споживання всіх речовин з однаковою швидкістю; одночасне споживання всіх речовин, але із сильно розрізненою швидкістю руйнування; послідовне споживання всіх речовин [8].

1.2.3 Вплив різних факторів на процес біологічного очищення

На інтенсивність і ефективність біологічного очищення стічних вод впливають багато факторів: температура; рН, наявність і концентрація токсичних речовин, концетрація біомаси та інш. Регулювання ряду факторів дозволяє зменшити тривалість і підвищити ефективність очищення стічних вод У процесі біологічного очищення стічних вод у залежності від зміни температурних умов навколишнього середовища відбувається зміна біоценозу. У залежності від кліматичних умов і пори року температура стічних вод, що очищуються біологічно, може коливатися від 2-5 до 25-35 °С. Влітку і ранньою осінню, коли температура стічних вод не нижче 15°С, розвиваються переважно мезофільні і деякі термофільні мікроорганізми; пізньою осінню, узимку і навесні переважають психрофільні форми [9].

Підвищення температури за межі фізіологічної норми мікроорганізмів приводить до їхньої загибелі, у той час як зниження температури викликає лише зниження фізіологічної норми активності мікроорганізмів. Повільна зміна температур у межах фізіологічної норми не робить істотного негативного впливу на мікроорганізми, однак різкі коливання температури несприятливо впливають на їхню життєдіяльність.

При низьких температурах знижується швидкість процесу біологічного очищення, зменшується глибина очищення і погіршується процес флокуляції мікроорганізмів, що, у свою чергу, призводить до збільшення кількості мікроорганізмів, що виносяться зі стічними водами із вторинних відстійників. Вплив температури на процес біологічного окислювання задовільно описується відомим рівнянням Арреніуса [10].

При зниженні температури стічної води від 20 до 6°С кількість видів мікрофлори і мікрофауни в біоценозі активного мулу зменшується. Зміна температури від 20 до 37°С приводить до збільшення швидкості біологічного окислювання в 2-2,3 рази, а зміна температури від 20 до 6°С сповільнює швидкість процесу приблизно в 2 рази. Підвищення температури від 6 до 20°С сприяє зростанню окислювальної потужності аеротенку в 2-2,5 рази.Зміна температури води викликає зміну розчинності кисню у воді. У теплий час року, коли фізіологічна активність мікроорганізмів підсилюється, розчинність кисню знижується; у зимовий період спостерігається протилежна картина. У зв'язку з цим для підтримки досить високої ефективності біологічного очищення в теплий час року необхідно робити більш інтенсивну аерацію, а в зимовий - високу концентрацію мікроорганізмів у зворотному мулі, а також збільшувати тривалість аераційного періоду. Підвищення концентрації кисню у воді в зимовий період до 5 мг/л і більш активує обмінні процеси в клітинах.

Бактерії краще ростуть у нейтральному або слаболужному середовищі. Для більшості грибів і дріжжів більш сприятливе слабокисле середовище. Ефективне очищення стічних вод відбувається при рН = 5,5 - 8,5; оптимальний інтервал рН складає 6,5 - 7,5. При рН нижче 5 і вище 9 ефективність біологічного очищення, як правило, різко знижується [8].

У процесі життєдіяльності багато бактерій можуть підкислювати чи підлужувати середовище. Наприклад, при розщепленні сечовини білків утворюється аміак, а при споживанні солей органічних кислот у середовищі накопичуються катіони лужних металів. Мікроорганізми активного мулу мають здатність авторегулювати рН. Перемішування стічної води й активного мулу в аеротенках забезпечує підтримку активного мулу у зваженому стані, створює більш сприятливі умови масопередачі живильних речовин і кисню до поверхні мікробних клітин [5].

Турбулізація рідини призводить до руйнування хлоп'їв активного мулу на більш дрібні скупчення мікроорганізмів. Це сприяє поліпшенню постачання клітин живильними речовинами та киснем, створює більш сприятливі умови життєдіяльності мікроорганізмів. Ретельне перемішування стічних вод і активного мулу дозволяє зменшити тривалість аерації без зниження ефективності очищення стічних вод. Турбулізація рідини, як показали дослідження, приводить до зникнення в стічній воді вільно плаваючих простіших.

При невеликому ступені турбулізації потоку в біоценозі активного мулу з'являються нитковидні бактерії. При інтенсивному перемішуванні в біоценозі переважають вільно плаваючі циліндричні форми бактерій, що володіють високою біохімічною активністю.

Швидкість розчинення кисню в стічній воді не повинна бути нижче швидкості його споживання мікроорганізмами. Дослідження показали, що швидкість споживання кисню мікроорганізмами активного мулу практично не змінюється при концентрації кисню у воді в межах від 1 до 7мг/л. Зниження концентрації кисню нижче 0,5мг/л несприятливо позначується на швидкості його споживання мікроорганізмами. При низькій концентрації кисню у воді кількість метаболітів знижується (продуктів обміну) і відповідно знижується кількість вуглецю, що переходить у клітини. Концентрацію кисню в стічній воді рекомендується підтримувати в залежності від розмірів хлоп'їв активного мулу при інтенсивному перемішуванні і мінімальних розмірах хлоп'їв -- не менш 1мг/л, при слабкому перемішуванні і великих розмірах хлоп'їв близько 2мг/л [7].

Багато хімічних речовин можуть мати токсичний вплив на мікроорганізми, що порушує їх життєдіяльність. Так, при значних концентраціях фенол-формальдегіду та інших антисептиків відбувається денатурація білків протоплазми, а ефір і ацетон руйнують оболонку клітини. Шкідливі речовини, потрапляючи в бактеріальну клітину, взаємодіють з її компонентами і порушують їх функції.

Установлені максимальні концентрації (МК) шкідливих речовин у стічних водах, що надходять на біологічні очисні спорудження. Особливо токсичні солі важких металів.

Крім відсутності токсичності, при використанні цього методу можуть виникнути технологічні труднощі, наприклад, спінення, забруднення атмосферного повітря внаслідок високої летючості деяких складових частин стічних вод та інші, в результаті чого метод очищення стічних вод активним мулом може стати неефективним у промислових умовах.

Негативний вплив на процеси біологічного очищення робить підвищена концентрація неорганічних солей у стічних водах. Наприклад, при концентрації хлоридів до 30 г/л різко знижується якість очищення стічних вод. Максимальна кількість неорганічних солей у стічній воді не повинна перевищувати 10 г/л. Різкі коливання концентрації неорганічних солей також несприятливо позначаються на ефективності очищення стічних вод [7].

Деякі дослідники вказують, що вміст солей у кількості 7--8 г/л є граничним, вище якого порушується очищення активним мулом. Інші дослідники при вивченні впливу іонів хлору на продуктивність активного мулу виявили, що вміст іонів хлору в рідині, що очищається, менш 8 г/л не робить вираженого впливу на ефективність окисної здатності активного мулу [9].

Сполучення високих концентрацій активного мулу з низькими навантаженнями на очисні спорудження (лабораторні) значною мірою вирівнює вплив високих концентрацій іонів хлору. Різке зміщення у бік збільшення концентрації іонів хлору до 20 г/л робить тим більший вплив на роботу активного мулу, ніж повільніше вона підвищується. Тривале збільшення концентрації іона хлору придушує подих бактерій, погіршує флокуляцію мулу, збільшує кількість грубодисперсних домішок в очищеній рідині і приблизно на 10% знижує очищення по БСК, на таку ж величину знижується нітрифікація в порівнянні з контрольним досвідом. Дію солей на мікроорганізми можна пояснити так: солі-електроліти, беручи участь в аніонному і катіонному обміні, впливають на проникність поверхневого шару протоплазми мікробів.

Наведені дані показують, що біохімічне очищення стічних вод можливе і при високих концентраціях солей, при цьому найбільш досліджена дія хлористого натрію, вплив інших солей вивчено мало. Деякі закордонні дослідники вважають, що аміак у високих концентраціях порушує очищення, коли нормальне співвідношення N: БСК = 1:20 падає до 1:3,2, а нітрати в кількості до 1120 мг/л не роблять гальмуючої дії на активний мул.

Солі важких металів також у різному ступені гальмують біологічні процеси. Гранично допустимі концентрації іонів важких металів, за даними деяких дослідників, є такими: для нікелю (1,0-2,5 мг/л) і цинку (5,0-10,0мг/л), кадмію (до 10 мг/л), міді (1,0 мг/л) [10].

Звичайно, вплив іонів важких металів на мікроорганізми, що знаходяться в стоках, залежить також від складу стоків, наприклад, від наявності легко окислюваних речовин, що сприяють окислюванню стабільних сполук. При таких концентраціях простіші знаходяться в оптимальному стані.

Азот і фосфор є необхідними компонентами клітинного матеріалу для всіх організмів. Азот входить до складу речовини клітини у відновленій формі (у виді амінних та імінних груп), а в окисленій формі. Інші елементи, необхідні для нормальної життєдіяльності мікроорганізмів (наприклад, мікроелементи), звичайно в достатній кількості присутні в стічних водах.

Недолік азоту і фосфору у воді приводить до різкого порушення процесу біологічного очищення стічних вод, зниження фізіологічної активності мікроорганізмів і інтенсивності окислювання забруднених стічних вод. Крім того, при недоліку біогенних елементів у біоценозі з'являється значна кількість нитчастих форм бактерій і погіршується осаджуваність активного мулу.

Потребна кількість біогенних елементів залежить від величини приросту біомаси, що у свою чергу залежить від класу речовини, що окислюються, виду мікроорганізмів, фази розвитку цих мікроорганізмів та інш.

Як біогенні добавки застосовують різні водорозчинні солі і речовини: сульфат і нітрат амонію, сечовину, аміачну воду, суперфосфат, ортофосфорну кислоту і т.д. Застосовані біогенні солі не повинні утворювати між собою нерозчинні у воді сполуки. Наприклад, при спільному використанні аміачної води і суперфосфату у випадку підвищення рН може відбуватися утворення нерозчинного у воді двозаміщеного фосфату кальцію.

У даний час на більшості споруджень біологічного очищення стічних вод виконується спільне очищення виробничих і побутових стічних вод. При цьому можливе використання азоту і фосфору, що містяться в побутових стічних водах, і покриття в такий спосіб частини потреб у цих елементах, необхідних для очищення виробничих стічних вод.

Інтенсивність та ефективність очищення стічних вод залежать не тільки від умов мешкання мікроорганізмів, але й їхньої кількості (дози активного мулу). Доза активного мулу в аеротенках звичайно підтримується в межах 2-4г/л. Підвищення концентрації мікроорганізмів у стічній воді дозволяє збільшити швидкість споживання субстрату. Однак одночасно необхідно збільшувати кількість кисню, що розчинюється у воді, і поліпшувати умови масообміну.

Для підвищення дози активного мулу в аеротенку необхідно різко збільшити концентрацію мікроорганізмів у зворотному активному мулі, що залежить від здатності активного мулу до осадження, що характеризується значенням мулового індексу. Зменшення мулового індексу від 150 до 50 мол/м дозволяє підвищити дозу активного мулу в аеротенку від 2,5 до 6 г/л.

Одержати більш концентрований зворотний мул у відстійниках важко. Тому необхідно застосовувати інші методи відділення активного мулу, наприклад флотаційний, а також проводити процес біологічного очищення при параметрах, що забезпечують утворення активного мулу з малим муловим індексом.

Одним із прийомів, що дозволяють у деяких випадках скоротити загальний обсяг аеротенків (на 5 - 15%) і поліпшити осадженість мулу, є застосування методу так називаної регенерації активного мулу. При цьому методі зворотний активний мул, що звичайно має концентрацію 7 - 8 г/л, перед подачею до аеротенків аерується в спеціальних спорудженнях - регенераторах [8].

У процесі біологічного очищення стічних вод в аеротенку під час флокуляції мікроорганізмів відбуваються процеси сокоагуляції колоїдних і дрібнодисперсних речовин, які завжди містяться в стічних водах. Крім того, у рідині зворотного мулу можливе накопичення продуктів метаболізму одних видів мікроорганізмів, швидкість біологічного окислювання яких іншими видами порівняно невелика. При біологічному очищенні, особливо при недостатній глибині очищення чи порушенні режиму очищення, можлива зміна видового складу співтовариства мікроорганізмів (поява нитчастих бактерій, грибів і т.д.).

Анаеробні умови перебування мікроорганізмів у відстійнику сприяють зниженню їхньої фізіологічної активності Регенерація активного мулу обумовлює протікання наступних процесів: 1) часткове чи повне окислювання колоїдних і розчинених важкоокислюваних домішок, що знаходяться в зворотному мулі; 2) прискорення процесу окислювання продуктів метаболізму та інших речовин внаслідок більш високої концентрації активного мулу в регенераторах; 3) зміна видового складу мікроорганізмів внаслідок аерації і розвитку простіших організмів (відмирання факультативних нитчастих бактерій, грибів та інш.); 4) збільшення фізіологічної активності бактерій, обумовлене посиленою аерацією і розмноженням значного числа простіших, що харчуються бактеріями і тим самим сприяють омолодженню бактерій і зміні їхнього видового складу. Збільшення числа життєздатних мікроорганізмів відзначається багатьма дослідниками. Ріст фізіологічної активності бактерій, мабуть, є основною причиною, що обумовлює ефективність процесу регенерації [7].

Необхідно відзначити, що тривале перебування мікроорганізмів у регенераторі, тобто в умовах відсутності живильного субстрату, приводить до загибелі чи зниження їхньої фізіологічної активності.

1.3 Вибір та обґрунтування параметрів технологічного режиму

У процесах термічної переробки кам'яного та бурого вугілля утворюється значна кількість стічних вод, забруднених фенолами та іншими токсичними речовинами. Кількість і склад стічних вод залежать від виду палива, що переробляється у процесі термічної переробки. У проекті розглянуті питання очищення стічних вод процесу високотемпературного коксування вугілля [1].

1.3.1 Норми технологічного режиму

Проведені раніше дослідження показали, що окислювання летучих фенолів в аеротенках протікає ефективно, однак нелетучі феноли окислюються недостатньо повно. У спорудах коксохімічного заводу за міру рівня харчування приймають величину добового навантаження по окремим забрудненням та по ХСК на 1м³ аеротенку, яку прийнято називати окислювальною потужністю споруди. [5].

Ефективність процесу біологічного очищення стічних вод коксохімічних виробництв визначається швидкістю розщеплення роданідів. Концентрація фенолів у воді, що очищується, може вдвічі перевищувати концентрацію роданідів без погіршення ефективності очищення. Норми очищення вказані у таблиці 1.1.

Таблиця 1.1

Норми технологічного режиму

Найменування параметру	Величина
Температура фенольної води, яка надходить на аеротенки, °С	35
Температура оборотної води для охолодження стічної води, °С	28-30
Витрата сірчанокислого заліза г/м3, у перерахунку на безводну сіль	60
Витрати ортофосфорної кислоти (73%) на 1 м3 води, г/м3	20
Витрати поліакріламіду, г/м3	20
Вміст кисню у воді аеротенку, мг/л	1-2
Густина стічної води, кг/м3	1030
Повернення активного мулу в аеротенки, %	50-100

Досвід експлуатації промислової двоступінчатої установки біологічного очищення стічних вод показав, що ступінь очищення від фенолів складає 99,08-99,84% і від роданідів 95,0-99,6% при наступних параметрах процесу:

Температура води, °С:

на I ступені 30-32,

на II ступені 28-30

Оптимальне значення рН:

на I ступені 7,0-7,3,

на II ступені 6,8-7,0

Токсичну дію на біохімічне окислення виявляють як органічні, так і неорганічні сполук, а також метали.

Допустима концентрація токсичних речовин, при якій можливо їх біохімічне окислення, наводиться у таблиці 1.2.

Негативну дію на процес біохімічного очищення стічних вод виявляє підвищена мінералізація стоку [7].

Таблиця 1.2

Допустима концентрація токсичних речовин у стічній воді

Токсична речовина	Допустима концентрація, мг/л
Аміак летючий	250
Аміак зв'язаний	2000
Гідрохінон	15
Мідь	0,5
Миш'як	0,2
Олії	35
Нікель	1,0
Нафтопродукти	25
Свинець	1,0
Сульфіди	20
Толуол	7
Хлорбензол	10
Хром	2,7
Цианістий калій	9,0
Цинк	11

Після попереднього очищення від смол та олій, стічні води проходять очищення від фенолів, роданідів та цианідів у аеротенках. Відстояна у вторинних відстійниках вода використовується для гасіння розпеченого коксу. При подачі до розпеченого коксу значна кількість води випаровується з вежі гасіння. У зв'язку з цим склад стічних вод згідно з регламентом базового підприємства - ВАТ «Дніпрококс» відповідає наступним показникам у таблиці 1.3.:

Таблиця 1.3

Характеристика стічних вод до та після біологічного очищення

Показник	Концентрація, кг/м3
	до очищення	після очищення
Феноли	0,4	0,06
Роданіди та цианіди	0,02	0,003
ХСК	30	2
БСК	0,7	0,015
Аміак загальний	0,6	0,07
Смоли та олії	0,035	0,005
рН	7-9	7,6-8,0

1.3.2 Характеристика реагентів

Для переробки стічних вод, які надходять на біохімічне очищення, та для інтенсифікації процесу на установці використовують коагулянт у вигляді розчину сіркокислого заліза, флокулянт у вигляді розчину поліакриламіду, а також біогену добавку ортофосфорної кислоти.

На біохімічній установці використовується сіркокисле залізо (залізний купорос) у відповідності з ГОСТ 6981-93 (табл.1.4.).

Таблиця 1.4

Показники якості сіркокислого заліза

Назва показників	Норми для сортів
	1-го	2-го
Зовнішній вигляд	Зелено-блакитні кристали
Вміст закисного сіркокислого заліза (FeSO4) не менше %	52	47
Вміст вільної сірчаної кислоти, % не більше	0,03	1,0
Вміст нерозчинного осаду, % не більше	0,2	1,0

Сіркокисле залізо - пожежо- та вибухобезпечне та малотоксичне.

Поліакриламід, який надходить на біохімічну установку, по фізико-хімічним властивостям повинен відповідати ТУ 60-01-1049-91 (табл.1.5.).

Таблиця 1.5

Показники якості поліакриламіду

Назва показників	Норма
Зовнішній вигляд та колір	Гелеобразна, в'язка маса, колір від жовтого до зеленого
Вміст основної речовини г/м3	5,0-7,0
В'язкість, мм/сек, при 30°С не менше	2,2-4,6
Швидкість осадження по окису міді, мм /сек., не менше	4-12

Ортофосфорна кислота, яка надходить на біохімічну установку, по своїм фізико-хімічним властивостям повинна відповідати ГОСТ 10678-86(табл.1.7.).

Таблиця 1.6

Показники якості ортофосфорної кислоти

Назва показників	Норма для марок
Зовнішній вигляд	Прозора рідина у слою 15-20мм. на білому фоні	Прозора або слабо жовта рідина у слою 15-20мм. на білому фоні	Прозора або фарбована рідина з відтінком від жовтого до коричневого не прозора у слою 15-20мм. на білому фоні
Масова частка орто-фосфорної кислоти (Н3Р04), %, не менше	73	73	73
Масова частка хлоридів, %, не більше	0,005	0,01	0,02
Масова частка сульфатів, %, не більше	0,01	0,015	0,02
Масова частка нітратів, %, не більше	0,0003	0,0005	0,001
Масова частка заліза, %, не більше	0,005	0,01	0,015
Масова частка важких металів сірководневої групи(РЬ), %, не більше	0,0005	0,02	0,05
Масова частка миш'яку, %, не більше	0,0001	0,006	0,008



1.4 Опис технологічної схеми очищення

На біохімічну установку з фенольної каналізації подаються стічні води з цеха уловлювання (надмірна надсмольна вода після аміачних колон, продувка кінцевих газових холодильників, стічні води хімічної установки для видобування германію); продувні води котлів паросилового цеху; зливні води з забрудненої території заводу (зливна каналізація уздовж цеху уловлювання та з машинного боку коксового цеху) та забруднений конденсат пару.

Схема очищення стічних вод надана на рис. 1.3. Стічні води самопливом надходять у відстійники фенольних вод 1, перед якими стік підприємства розділяється на два потоки: один потрапляє у збірники 1. Для того щоб передати стічні води на очищення виконують два насоси: зі збірників 1. Насоси які установлені у фенольній насосній 2, подають стічну воду у збірник 4 або, в разі необхідності, у аварійну ємність 3.

У предаєраторах відбувається попереднє насичення води повітрям та змішання ії з коагулянтом (2-5% розчином сірчистокислого закисного заліза) [12].

Для обезсмолювання виробничих стічних вод використовується метод флотації. Для поліпшення обезсмолювання стічних вод використовується коагулянт - залізний купорос. Обробка стічної води залізним купоросом у кількості 60г/м³ (у розрахунку на FeSO4) дозволяє майже в два рази знизити вміст.

З предаєраторів вода вирушає на очищення від смол та олій. Комплекс споруд для механічного очищення стічних вод містить в собі три первинних відстійника - смолоуловлювача 5, два проміжних збірника 7, два флотатора які працюють паралельно 9, та три збірника для смол та олій 6.

Стічні води надходять до смоловідстійників, які обладнані пристроями скребкового типу для збору та видалення масел. Смоли, які осідають в нижній частині смоловідстійників, видаляються скребковим транспортером у зумпф, звідки викачуються насосами. Олії та смоли надходять до збірників смол та олій. Після смоловідстійників вода надхожить в проміжні збірники 7 стічних вод, звідки через теплообимінювач 8 та напірний бак надається на флотатори 9. До флотаторів здійснюється подача поліакріламіду.

Повітря для флотації олій подається до насосу та змішується з водою турбиною насоса. При виході із напірного баку бульбашки повітря, які знаходяться у воді, збільшуються в розмірі (із-за зниження тиску), спливають та захоплюють за собою (флотирують) частки смолистих речовин. Олії із флотаторів надходять у відповідні збірники 6.

Загальний проектний час перебування стічних вод у спорудах механічного очищення становить 8-13 годин, він залежить від навантаження та кількості ємностей, які працюють.

На ділянці механічного очищення стічних вод передбачено подачу пару та місця для відбору проб.

Стічна вода, яка була очищена від смол та олій, надходить до усереднювачей 11, до них також подають 5-10% розчин ортофосфорної кислоти для харчування мікроорганізмів. Після охолодження у кожухотрубних холодильниках 8 вода по напірним лініям надходить до чотирьох паралельно працюючих аеротенків 12, 15. Проектний час перебування води у аеротенках складає 18-19 годин.

Аеротенки зблоковані у дві паралельні лінії, кожна з яких складається із двох аеротенків з загальними лініями викиду водомулових сумішей у вторинні відстійники 13, 16, які відповідають кожній лінії, та повернення активного мулу за допомогою ерліфтних насосів через регенератор 14.

Процес очищення стічних вод від фенолів та роданидів є аеробним [11]. Для підтримання оптимального режиму окислення - забруднень у аеротенки подається повітря від двох повітродувок через спеціальні аераційні системи. Аераційна система у кожному аеротенку складається з 11-ти ерліфтних аераторів з повітрярозподільними пристроями. Окислення органічних сполук відбувається до утворення вуглекислого газу та води.

У вторинних відстійниках 13, 16 відбувається відділення води від мулу. Частина активного мулу через регенератори 14 повертається до аеротенків, а надлишок активного мулу відводиться до мінералізаторів 18. Обидва вторинних відстійника забезпечені скребковими пристроями, відповідними з встановленими у смоловідстійниках. Очищена вода надходить у збірники очищеної води. Із збірників воду, яка була очищена, насосами подають на повторне використання - мокре гасіння коксу.

1. Збірник стічних вод з фенольної каналізації10. збірник

2. фенольна насосна 11. усреднювач

3. аварійна ємкість12. аеротенки І ступеню

4. проміжна ємкість 13. вторинні відстійники І ступеню

5. смоловідстійник14. регенератори

6. збірник смол і масел15. аеротенки ІІ ступеню

7. проміжний збірник16. вторинні відстійники ІІ ступеню

8. теплообмінник17. збірник очищеної води

9. флотатор;18. мінералізатори мулу

1.5 Матеріальні розрахунки процесу очищення.

1.5.1 Матеріальний баланс аеротенку

Вихідні дані:

Задана продуктивність установки БХО Q = 1920 м³ за добу

Домішки та їх концентрації , що надани у таблиці 1.3:

С^нБСК = 0,7 кг/м³С^нХСК = 30 кг О2/м³

С^кБСК = 0,015 кг/м³ С^кХСК = 2 кг О2/м³

С^нфен = 0,4 кг/м³С^нрод+ц = 0,02 кг/м³

С^кфен = 0,06 кг/м³С^крод+ц = 0,003 кг/м³

С^нам = 0,6 кг/м³С^кол+м = 0,035 кг/м³

С^кам = 0,07 кг/м³ С^нол+м = 0,005 кг/м³

Виконуємо перерахунок продуктивності в години: 1920/24 = 80м³/годин.

Перерахуємо концентрацію домішок у їх витрати за годину:

G^нБСК = 0,7 ^. 80 = 56 кг/годинG^нХСК = 30 ^. 80 = 2400кг О2/годин

G^кБСК = 0,015 ^. 80 = 1,2 кг/годинG^кХСК = 2 ^. 80 = 160кг О2/годин

G^нфен = 0,4 ^. 80 = 32 кг/ годинG^нрод+ц = 0,02 ^. 80 = 1,6 кг/годин

G^кфен = 0,06 ^. 80 = 4,8 кг/годинG^крод+ц = 0,003 ^. 80 = 0,4 кг/годин

G^нам = 0,6 ^. 80 = 48 кг/годинG^нол+м = 0,005 ^. 80 = 2,8 кг/годин

G^кам = 0,07 ^. 80 = 5,6 кг/годин G^кол+м = 0,035 ^. 80 = 0,24 кг/годин

Матеріальний баланс складається з витрат речовин прибутку та витрат речовин видатку:

G_пр = Gвиб, (1.8)

де Gпр, Gвиб - прибуток та видаток домішок у стічних водах, кг на 1 м³ води.

Gпр = G^нБСК + G^нХСК + G^нфен + G^нрод+ц + G^нам + G^нол+м (1.9)