Обычно время пребывания воды во флотокамере составляет от 20 до 30 минут. В большинстве случаев в состав установок напорной флотации, применяемых для очистки воды, входит насос для подачи воды и компрессор для подачи воздуха. В отдельных случаях, воздух подается во всасывающую линию насоса, что вызывает ряд трудностей для работы этого оборудования. Такой метод следует рассматривать как временную меру.

В процессе флотации, в камере образуется различный дисперсный состав пузырьков, обусловленный силами адгезии и когезии. После выделения основной массы пузырьков, остающиеся в жидкости микропузырьки обуславливают повышение эффекта очистки за счет применения противоточной флотации. Повышение эффекта флотационной очистки обеспечивается за счет внутреннего обустройства флотокамеры тонкослойными блоками, работающими также в режиме противоточной флотации.

Важное значение имеет система равномерного распределения воды и водовоздушной смеси. Это исключает возможность образования больших пузырьков при входе жидкости во флотокамеру, снижение кинетической энергии водо-воздушной смеси вводимой в камеру, обеспечивает создание равномерной скорости движения жидкости по живому сечению флотокамеры и т.д.

В условиях флотации требуются меньшие дозы реагентов, чем например при седиментации. Это подтверждается практическими результатами, и особенно в условиях труднооседающих веществ, высоких концентраций органических веществ, создающих проблему пенообразования при седиментации. Работа флотокамеры и сатуратора, ввиду незначительного времени пребывания жидкости в них и отсутствия сложных устройств, легко автоматизируется.

Флотационная установка работает по схеме прямотока, когда насыщается воздухом весь объем нефтесодержащей сточной воды или частично-прямоточной, при которой лишь 20-30% воды насыщается воздухом.

При очистке нефтесодержащих сточных вод применяются флотокамеры различного вида - радиальные, прямоугольные, колонного типов, в том числе с различным внутренним обустройством. Флотокамеры заполняются модулями тонкослойных блоков, секционируются полупогружными цилиндрами на зоны, применяются плавающие насадки, струенаправляющие устройства и т.д. Сооружения оборудованы механическими скребками для непрерывного удаления пены и осадка.

Фильтрование в схемах физико-химической очистки имеет целью удаление взвешенных веществ из воды, очищенной седиментацией или флотацией. Эти взвешенные вещества задерживаются загрузкой фильтра на её поверхности, или проникают в глубину фильтрующего материала. В качестве загрузки применяется материал, гранулы которого имеют размер 0,7-1,2 мм, позволяют задерживать взвешенные вещества, инертные по отношению к обрабатываемой жидкости, легко регенерируются. Фильтрование воды происходит за счет разности давлений жидкости на входе в фильтр и выходе из него. Скорость фильтрования зависит от качества воды, размера и формы пор фильтрующей среды, толщины загрузки, эффективности её регенерации.

В схемах физико-химической очистки получили распространение зернистые фильтры с использованием кварцевого песка. Для глубокой очистки воды в качестве загрузки используется активированный уголь. По скорости фильтрования они подразделяются на медленные (скорость менее 0,5 м/час), скорые (скорость менее 3-14 м/час) и сверхскорые (скорость менее 20-30 м/час). В схемах очистки и доочистки сточных вод используются в основном открытые скорые фильтры и скорые фильтры, работающие в напорном режиме.

Промывки загрузки (регенерация) производится очищенной водой или водовоздушной смесью в условиях взвешенного состояния загрузки, что обеспечивается соответствующей интенсивностью подаваемой промывной воды.

В настоящее время широкое распространение получили фильтры непрерывного действия (самопромывающиеся). По мере эксплуатации зернистой загрузки происходят её потери, что требует ежегодного восполнения в количестве от 5 до 10% от первоначального объема. Работа открытых и напорных зернистых фильтров, как правило, автоматизируется.

Традиционные сооружения биологической очистки, где параллельно с окислением органических веществ осуществляется удаление и биогенных элементов, не позволяют, как правило, обеспечить жесткие нормативные требования ни по содержанию азотных форм, ни по концентрации фосфатов в очищенной воде, поскольку режимы их эксплуатации изначально не рассчитаны на глубокую очистку.[23]

Новизна разрабатываемых в настоящее время технологий очистки сточных вод связана с проведением процессов в различных технологических режимах и с комбинированным применением разнообразных методов очистки. В связи с этим пересматриваются также и используемые подходы к созданию биологических очистных сооружений для реализации новых технологий.

В последние десятилетия в мировой практике достигнуты существенные успехи в области удаления соединений азота и фосфора. Решение этой задачи осложняется весьма неблагоприятным соотношением концентраций БПК и азота, а также повышенной долей биологически трудноразлагаемых органических веществ, которые находятся в городских сточных водах.

Исходя из серьезности этой ситуации в качестве первоочередного шага в направлении улучшения качества очищенных сточных вод предпринимаются усилия, направленные на совершенствование схем очистки с целью доведения качества очищенной воды до требований ПДК по азоту и фосфору при сохранении высокой эффективности очистки по взвешенным веществам и БПК.

Основные тенденции развития в этой области связаны преимущественно с изысканием наиболее эффективных и рациональных конструктивных и технологических приемов, которые обеспечивают снижение строительной стоимости очистных сооружений, эксплуатационных расходов. Они свидетельствуют о стремлении максимально упростить технологические схемы, применяя комбинированные реакторы, совмещающие аэробные, аноксичные и анаэробные зоны и позволяющие в одном объеме осуществлять окисление органических веществ, нитрификацию, денитрификацию и дефосфатацию.

На основании представленных требований к качеству очищенной воды после вторичных отстойников, указывают на необходимость использования более прогрессивной технологии для очистки сточных вод, отличной от традиционной, наиболее распространенной для бытовых стоков, т.к. требуемая степень очистки не достижима на типовых очистных сооружениях.

На стадии биологической очистки, с целью обеспечения нормативов по окисленным формам азота (нитратам и нитритам) применяется технологиянитри-денитрификации, которая обеспечивает параллельное удаление органических загрязнений и соединений азота [23].

Учитывая глубокую заданную степень нитрификации, на стадии нитрификации при низкой концентрации органических загрязнений (БПК ниже 80 мг/л) и низком приросте активного ила используются сооружения с иммобилизованной на инертной загрузке микрофлорой для обеспечения их надежной и стабильной работы. В качестве загрузочного материала (насадки) в зоне нитрификации используется загрузка из призм типа (ПР-50), обладающая высокой пористостью и значительной удельной поверхностью.

Для перемешивания иловой смеси в аноксичной зоне аэротенка (зоне денитрификации) наиболее используются погружные мешалки. Перекачка возвратного и избыточного активного ила, а также рециркуляция иловой смеси из аноксичной (бескислородной) зоны в аэробную (зону нитрификации) осуществляется эрлифтами.

При такой схеме очистки сточных вод окисление органического субстрата, окисление и восстановление соединений азота происходит циклически, небольшими порциями, в зависимости от степени рециркуляции. В результате процессы нитри-денитрификации протекают практически одновременно, что позволяет удалять соединения азота на 85-98%.

Степень рециркуляции возвратного активного ила из вторичных отстойников в безкислородную зону аэротенка (зону денитрификации) рассчитывается по СНиП 2.04.03-85. Степень рециркуляция иловой смеси из аэробной зоны в аноксичную рассчитывается с учетом эффективности и кинетики денитрификации.

Процессы, протекающие в аэробной зоне, обуславливают необходимость интенсивной аэрации очищаемых сточных вод, которая обеспечивается постоянной подачей в аэрационное сооружение кислорода воздуха из расчета 1,1 кг кислорода на 1 кг удаляемого БПКп и 4,56 кг кислорода на 1 кг окисляемого азота. Общий расход воздуха зависит от эффективности применяемой системы аэрации и глубины расположения аэраторов.

3.ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ СОЕДИНЕНИЙ МАРГАНЦА И ЖЕЛЕЗА

3.1 Марганец как химический элемент и загрязняющее вещество

Марганец - элементпобочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, атомный номер 25. Обозначается символом Mn.

Марганец принадлежит к весьма распространённым элементам, составляя 0,03% от общего числа атомов земной коры. Среди тяжёлых металлов (атомный вес больше 40) марганец занимает по распространению в земной коре третье место вслед за железом и титаном.

Марганец весьма интересен в биохимическом отношении. Точные анализы показывают, что он имеется в организмах всех растений и животных. Содержание его обычно не превышает тысячных долей процента, но иногда бывает значительно выше. Например, в листьях свеклы содержится до 0,03 %, в организме рыжих муравьёв - до 0,05 %, а в некоторых бактериях даже до нескольких процентов марганца.

Марганец принадлежит к числу немногих элементов, способных существовать в восьми различных состояниях окисления. Однако в биологических системах реализуются только два из этих состояний: Mn (II) и Mn (III).

Марганец присутствует в природных водах в различных формах, которые зависят от кислотности среды. В подземных водах при отсутствии кислорода марганец встречается обычно в форме двухвалентных солей. В поверхностных водах марганец находится в форме органических комплексных соединений, коллоидов и тонкодисперсных взвесей.

К основным источникам поступления соединений марганца относятся:

1. Питьевая вода является источником поступления марганца, так как нормативы для очищенного стока для сброса в залив в 10 раз жёстче нормативов по питьевой воде (фактическое содержание марганца в питьевой водопроводной воде до 0,05 мг/дм³) .

2. Грунтовые воды (содержание марганца до 0,5 мг/дм³): в случаях дренирования в самотечную систему хозбытовой канализации.

3. Внешние субабоненты: предприятия, имеющие независимые источники водоснабжения (скважины) (содержание марганца до 0,1 мг/дм³), хозфекальные воды с танкеров (содержание марганца до 0,6 мг/дм³).

В итоге получаем, что концентрация общего марганца на входе очистных сооружений хозбытовых сточных вод составляет 0,3 - 0,4 мг/дм³.

Содержание марганца в поверхностных водных объектах непостоянно и имеет выраженные периодические колебания. Максимумы наблюдаются в зимне-весенний период (февральско-мартовский пик), летний период (августовский пик) и осенне-зимний период. В эти периоды содержание марганца в поверхностных водных объектах может в десятки раз превышать средние значения. Вероятные причины февральско-мартовского пика: снижение концентрации растворённого кислорода и рН воды (при ещё существующем ледовом покрытии), уменьшение роли окислительных процессов в толще воды. Увеличению концентрации свободного марганца в августе способствуют: отмирание фитопланктона, в частности сине-зеленых водорослей, которые выделяют марганец в виде свободных катионов Мn (II) (около 60%) и низкомолекулярных соединений (около 30 - 35%), уменьшение концентрации растворённого кислорода, который расходуется на окисление «органического вещества» разлагающихся гидробионтов. Следует отметить, что разложение высшей водной растительности с последующим выделением в воду Мn (II) протекает в течение 7-8 месяцев. Это обстоятельство, по-видимому, также может быть причастно к февральско-мартовскому пику.

Высокие концентрации растворённого марганца в осенне-зимний период обусловлены поступлением его из иловых вод. Этот период очень близок в зимне-весеннему. В восстановительных условиях содержания растворённых форм марганца в иловых водах составляет 1-3 мг/дм³.

Нейротоксичность марганца не до конца объяснена. Есть данные, говорящие о взаимодействии марганца с железом, цинком, алюминием и медью. На основании ряда работ, нарушение метаболизма железа считается возможным механизмом повреждения нервной системы. При этом возможно окислительное повреждение.

Возможно, долговременное накопление марганца влияет на способность к воспроизведению. В исследованиях на животных, беременность под длительным воздействием больших доз марганца чаще завершалась врожденными уродствами у потомства.

Марганец может нарушать работу печени, однако эксперименты показывают, что порог токсичности очень высок. С другой стороны, более 95% марганца выводится из организма с желчью, и любое повреждение печени может замедлить детоксикацию, повышая концентрацию марганца в плазме крови.

Указанные обстоятельства свидетельствуют в пользу ужесточения нормативов содержания солей этого тяжелого металла в сточных водах.

3.2 Основные способы очистки сточных вод от соединений марганца

Железо и марганец присутствуют в природных водах в форме минеральных или органических соединений гуминовых или некоторых жирных кислот (воды с повышенной окисляемостью, имеющие, как правило, агрессивный характер). В настоящее время не существует универсального оправданного экономически методаочистки сточных вод от соединений марганца, применимого во всех случаях. Каждый существующий метод применяется только в определенных случаях, и имеет как достоинства, так и существенные недостатки. Выбор технологии очистки воды от железа и марганца зависит от природы соединений железа и марганца, их концентрации, щёлочности, окисляемости, рН воды и других показателей и применяется специалистами индивидуально к каждому конкретному случаю. Ниже на рис 3.1приведен обзор методов удаления марганца.

Рис 3.1. Методы удаления марганца

Метод окисления кислородом воздуха или аэрацией, перманганатом калия, хлором, перекисью водорода, озоном с последующим осаждением с коагуляцией или без нее и фильтрацией. Это традиционный метод, который применяется уже много десятилетий.Реакция окисления марганца требует довольно длительного времени, поэтому использование для окисления воздуха требует объемных резервуаров, в которых можно выдержать нужное время контакта. Это один из самых старых способов окисления и используется на крупных водоочистных системах. Ускорить процесс можно добавлением специальных окислителей. Шире всегоиспользуется хлорирование.Оно позволяет параллельно решать проблему с дезинфекцией. Одним из самых сильных окислителей на сегодняшний день является озон. Тем не менее, установки для его производства весьма сложны, дорогостоящие и требуют значительных затрат энергозатрат, что существенно ограничивает его применение. Следует отметить, что в концентрированном виде озон является ядом и требует очень осторожного отношения с собой.

Частицы марганцав окисленной форме имеют весьма малые размеры (1-3 мкм) и осаждаются поэтому достаточно долго. Вследствие этогодля очистки воды приходится применять специальные химические вещества, называемые коагулянтами.Коагулянты способствуют укрупнению частиц и их за счет этого ускоренному осаждению их. Использование коагулянтов необходимо еще и потому, что процессы фильтрации на муниципальных очистных сооружениях главным образом осуществляется на устаревших песчаных или антрацитовых фильтрах, которыене способны задерживать столь мелкие частицы. Тем не менее, даже использование более современных фильтрующих засыпок, таких как алюмосиликатные, не обеспечивает фильтрацию частиц размером менее 20 микрон. Эту задачу можно решить применением специальной керамики, но она весьма дорогостояща и не производится в России.

У перечисленных выше способов окисления соединений марганца и железа есть ряд общих недостатков.

1) Если отказаться от применения коагулянтов, то процесс осаждения окисленного железа и марганцапротекает очень длительно, в ином случае фильтрация некоагулированных частиц весьма затрудняется из-за их малого размера.

2) Перечисленные методы окисления, кроме использования озона,мало эффективны в случае с органическим железом.

3) Присутствие в воде железа практически всегда сопровождается присутствием соединений марганца. Марганец по сравнению с железом окисляетсягораздо труднееи требует значительно более высоких уровней рН.

Перечисленные выше недостатки сделали невозможным применение метода окисления в относительно небольших бытовых и промышленных системах, которыеработают на больших скоростях.

Наиболее распространенный на данный момент метод удаления марганца, который применяется в высокопроизводительных компактных системах - каталитическое окисление с последующей фильтрацией. В этом методе реакция окисления марганца происходит на поверхности гранул особой фильтрующей среды, которая обладаеткаталитическими свойствами. В современной водоподготовке чаще всего применяются фильтрующие среды с использованием диоксида марганца MnO₂. Эти фильтрующие "засыпки" различаются между собой как по физическим характеристикам, так и по содержанию диоксида марганца.Они способны весьма эффективно работать в разных диапазонах физико-химических параметров очищаемой воды. В основе работы этих засыпок лежат различные принципы.

При присутствии в среде диоксида марганца марганец довольно быстро окисляется и адсорбируется на поверхности гранул фильтрующей засыпки. В дальнейшемосновная часть окисленного марганца при обратной промывке вымывается в дренаж. Следовательно, слой гранулированного катализатора одновременно является фильтрующей средой. Оптимизация процесса окисления может осуществляться путем добавления в воду тех или иных дополнительных химических окислителей. Чаще всего для этих целейприменяют перманганат калия KMnO₄.Он не только ускоряет реакцию окисления, но и компенсирует потери марганца с поверхности гранул фильтрующей среды.Следовательно, выступает в роли регенератора фильтрующей среды.В практике применяют периодическую и непрерывную регенерацию.

Фильтрация. Все фильтры, которые на сегодняшний предлагает рынок, можно разделить на 5 групп:

1) "Психологические фильтры" - небольшие, изящные, блестящие (металлизированная пластмасса корпуса) устройства. Крепятся, как правило, к кухонному крану. Площадь фильтрующей поверхности - очень скромная, объем сорбента (чаще всего активированного угля) гомеопатический. Действие таких фильтров целиком основано на вере в то, что они должны очищать воду.

2) "Адсорбционные фильтры" - фильтрующий элемент содержит активированный уголь. По мере использования качество очистки падает. Требует регулярной замены фильтрующих элементов, что приводит к удорожанию стоимости фильтрованной воды. Если фильтрующий элемент вовремя не заменить, сам фильтр становится источником загрязнения.

3) "Ионно-обменные фильтры" - действие таких фильтров основано на реакции замещения нежелательных веществ на менее вредные. Ионный обмен в качестве метода обработки воды применяется давно и используется главным образом для умягчения воды. Ранее для этих целейприменяли природные иониты. Но с изобретением синтетических ионообменных смол эффективность использования этого способа водоочистки резко возросла.

Основное преимущество ионного обмена в том, что этот способ позволяет удалять из воды железо и марганец, находящиеся в растворенном состоянии. Следовательно, полностью отпадает необходимость в технически проблемной стадии окисления.

4) "Мембранные фильтры" - действие мембранных фильтров основано на прохождении воды через "молекулярное сито" - микроканалы в материале мембраны. Диаметр микроканалов сравним с размерами молекул воды. В результате, примеси и молекулы имеющие больший размер, чем молекула воды, не проходят через мембрану. Имеет значение материал фильтроэлемента, его коррозионная стойкость, способность образовать калиброванные поры, иные полезные свойства.

Степень очистки (практически для любых примесей) на мембранных фильтрах выше, чем для адсорбционных фильтров.

5) "Осмотические фильтры" - фильтры, использующие метод обратного осмоса. В основе метода лежит явление осмоса. Обратный осмос - метод разделения растворов, заключающийся в том, что раствор под давлением 3-8 МПа подается на полупроницаемую перегородку (мембрану), пропускающую растворитель (обычно воду) и задерживающую полностью или частично молекулы или ионы растворенного вещества. Применяют для опреснения соленых и очистки сточных вод, концентрирования растворов и др.

Основной недостаток - имеют малую производительность, что компенсируется использованием накопительной емкости.

4) Биохимический метод. Этот метод заключается в очистке воды через фильтр, на котором высаживают марганец потребляющие бактерии (например, Metallogeniumpersonatum). Эти бактерии поглощают марганец из воды в процессе их жизнедеятельности, а отмирая, образуют на зернах песка пористую массу, содержащую MnO. При скорости фильтрования до 22 м/ч фильтры полностью удаляют из воды марганец.

Схема очистки от марганца на очистных сооружениях ООО «СМНП «Приморск» предусматривает снижение концентрации растворённого марганца до допустимых нормативов методом разбавления поверхностным стоком (производственно-ливневая канализация) из резервуара сбора ливневого стока ёмкостью 5000 м³. Однакоданная схема эффективна только в период интенсивного таяния снега (разбавление талыми водами) и при кратковременных дождях, которые не вызывают подъем грунтовых вод с высоким содержанием марганца и попадание их в самотечные сборные коллекторы. В связи с этим остро встал вопрос оптимизации работы линии очистки хозяйственно - бытовых стоков для повышения качества очистки от марганца, так как нормативы по сбросу очищенных сточных вод в Финский залив по содержанию марганца в 10 раз жестче, чем для питьевой воды (0,01 мг/дм³ и 0,1 мг/дм³ соответственно).

На рис 3.2. приводится схема, позволяющая определить оптимальные пути борьбы с соединениями марганца в водных экосистемах.

Одним из методов снижение концентрации марганца в очищенной сточной воде является ее разбавление водой условно чистых источников. Как видно из схемы, к условно чистым источникам относятся:

1. Дождевые воды: достаточно чистые (содержание марганца в пределах 0,01 мг/дм³ и менее) могут быть приняты на очистные сооружения только во время кратковременных ливней. При затяжных дождях ливневые стоки содержат 0,03 - 0,04 мг/дм³ соединений марганца (смывы почвы, дренирование грунтовых вод в самотечные сборные коллекторы производственно-ливневой канализации резервуарного парка).

2. Талые воды: эффективное использование возможно в периоды резкого потепления, когда основная масса тающего снега попадается в систему производственно-ливневой канализации, а не впитывается в почву, поднимая уровень грунтовых вод и связанных с этим проблем дренажа.

Рис. 3.2. Схема проработки путей решения проблемы

3.3 Основы законодательства России в области обращения с отходами производства и потребления

Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» от 24.06.1998 №89-ФЗ определяет правовые основы обращения с отходами производства и потребления на территории РФ в целях предотвращения вредного воздействия отходов производства и потребления на здоровье человека и окружающую среду, а также вовлечения таких отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья.

В частности в законе указано, что:

1. Право собственности на отходы принадлежит собственнику сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, а также товаров (продукции), в результате использования которых эти отходы образовались.

2. Индивидуальные предприниматели и юридические лица, в процессе деятельности которых образуются отходы I - IV класса опасности, обязаны составить паспорта отходов. Паспорт отходов I - IV класса опасности составляется на основании данных о составе и свойствах этих отходов, оценки их опасности.

3. Собственник отходов I - IV класса вправе отчуждать их другому лицу, если у такого лица имеется лицензия на осуществление деятельности по обращению с отходами не меньшего класса опасности.

4. Отходы в зависимости от степени негативного воздействия на окружающую среду подразделяются в соответствии с критериями, установленными федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим государственное регулирование в области охраны окружающей среды, на пять классов опасности:

I класс - чрезвычайно опасные отходы;

II класс - высокоопасные отходы;

III класс - умеренно опасные отходы;

IV класс - малоопасные отходы;

V класс - практически неопасные отходы.

5. Индивидуальные предприниматели и юридические лица при эксплуатации предприятий, зданий, строений, сооружений и иных объектов, связанной с обращением с отходами, обязаны:

· соблюдать экологические, санитарные и иные требования, установленные законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей среды и здоровья человека;

· разрабатывать проекты нормативов образования отходов и лимитов на размещение отходов в целях уменьшения количества их образования;

· внедрять малоотходные технологии на основе новейших научно-технических достижений;

· проводить инвентаризацию отходов и объектов их размещения;

· проводить мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды на территориях объектов размещения отходов;

· предоставлять в установленном порядке необходимую информацию в области обращения с отходами;

· соблюдать требования предупреждения аварий, связанных с обращением с отходами, и принимать неотложные меры по их ликвидации;

· в случае возникновения или угрозы аварий, связанных с обращением с отходами, которые наносят или могут нанести ущерб окружающей среде, здоровью или имуществу физических лиц либо имуществу юридических лиц, немедленно информировать об этом федеральные органы исполнительной власти в области обращения с отходами, органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации, органы местного самоуправления.

4. ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ ЛИНИИ ОЧИСТКИ ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВОГО СТОКА

4.1 Выбор фильтрующего материала

При выборе метода очистки сточных вод от марганца перед нами стояла задача добиться максимального результата без дорогостоящей реконструкции линии биологической очистки и замены существующего, либо приобретения дополнительного, оборудования.

Исходя из анализа описанных выше методов удаления марганца, существующейна предприятии технологической схемы и условий эксплуатации очистных сооружений ООО «СМНП Приморск» нами был выбран метод каталитического окисления с последующей фильтрацией. Как уже указывалось в предыдущем разделе, суть метода заключается в том, что при прохождении воды через фильтрующий материал происходит быстрое окисление ионов железа и марганца, в результате которого они переходят в нерастворимую форму и механически задерживаются в фильтре. Накопленный осадок через определенные промежутки времени следует удалять промывкой фильтра обратным потоком воды. Фильтрующий материал является катализатором и поэтому не подвержен необратимому насыщению.

Далее перед нами встала задача определиться с фильтрующим материалом. С целью выбора эффективного фильтрующего материала проведен обзор рынка фильтрующих загрузок.

В настоящее время на рынке предлагается достаточно широкий ассортимент фильтрующих загрузок, рассчитанных на доокисление марганца. Проведем небольшой обзор:

1. Birm - катализатор реакции окисления соединений железа и марганца растворенным в воде кислородом,является эффективной загрузкой для удаления растворенных в воде соединений железа и марганца. Нерастворимые соединения железа и марганца, являющиеся результатом окисления, осаждаются в слое загрузки и могут быть легко отфильтрованы. Birm не расходуется в процессе удаления железа и марганца и является более экономичным по сравнению с другими загрузками. Физические свойства Birm обеспечивают качественную фильтрацию, и фильтр легко очищается от осажденных частиц путем обратной промывки. Birm может использоваться как в напорных, так и в безнапорных системах очистки воды. Другими преимуществами применения Birm являются: долгий срок службы загрузки и низкая истираемость, широкий температурный диапазон использования и высокая эффективность удаления железа и марганца. В отличие от других фильтрующих загрузок Birm не требует химических реагентов для восстановления, необходима только периодическая обратная промывка. Одним из важнейших условий применения Birm является поддержание рН в промежутке от 8,0 - 8,5. Birm эффективно удаляет марганец при значении рН 8,0 - 9,0, но так как помимо марганца стоки содержат соединения железа, рН не должен превышать 8,5, так как высокое значение рН может быть причиной образования трудноудаляемого коллоидного железа.

Физические свойства:

· цвет: черный.

· плотность: 0,7-0,8 г/куб.см.

· Удельный вес 2,0 г/см3

· коэффициент однородности: 1,96.

· Размер гранул 0,5-2,14 мм

· Расширение слоя в режиме обратной промывки 20-40%

Условия применения:

· рН воды: 6,8-9,0.

· щелочность: в два раза больше суммы концентрации сульфатов и хлоридов.

· отсутствие нефтепродуктов и сероводорода.

· перманганатная окисляемость не выше 4-5 мг/л.

· концентрация растворенного кислорода в воде - не менее 15% от содержания железа в воде.

· концентрация свободного хлора: менее 0,5 мг/л (хлорирование воды значительно снижает активность Birm: высокие концентрации соединений хлора в воде могут истощить каталитическое покрытие гранул).

· высота слоя: 75-90 см (30-36 дюймов).

· скорость: в режиме сервиса: 8,6-12 м/час, при определенных условиях может быть выше в режиме обратной промывки: 24-29 м/час.

2. МТМ - гранулированная фильтрующая загрузка, обогащенная оксидом марганца (II). Активная поверхность гранул МТМ окисляется и осаждает растворенное железо и марганец. Сероводород окисляется до серы. Осадок задерживается слоем фильтрующей загрузки и удаляется при обратной промывке. МТМ легковесен, поэтому требует меньших потоков воды для обратной промывки. Когда окислительный потенциал МТМ уменьшится, следует провести его регенерацию раствором перманганата калия для восстановления окислительной способности. Перед регенерацией МТМ должен быть подвергнут обратной промывке потоком, который не вымоет легкие гранулы в дренаж.

3. Manganese Greensand (далее - марганцевый зеленый песок) - глауконитовый песок, обогащенный оксидами марганца (II), который способен удалять из воды железо, марганец и сероводород. Он окисляет и осаждает растворенное железо и марганец за счет контакта с высшими оксидами марганца на гранулах марганцевого зеленого песка. Сероводород окисляется до серы. Осадок задерживается слоем фильтрующей загрузки и удаляется посредством обратной промывки. Для восстановления окислительной способности марганцевого зеленого песка следует провести его регенерацию слабым раствором перманганата калия.

4. ГЛИНТ - активированный алюмосиликатный адсорбент. Предназначен для очистки промышленных сточных вод от катионов тяжёлых металлов и сопутствующих загрязняющих примесей, природных подземных вод (обезжелезивание, деманганация, снижение цветности, мутности и др.). Сорбент представляет собой искусственный пористый гранулированный материал, получаемый на основе природных компонентов.

Сорбент представляет собой искусственный пористый гранулированный материал, получаемый на основе природных компонентов.

Особенности адсорбента ГЛИНТ:

· не требует применения коагулянтов и флокулянтов;

· обеспечивается экологическая безопасность отходов за счёт эффективного обезвоживания образующегося осадка;

· ГЛИНТ - адсорбент длительного использования (срок службы более 10-ти лет). Восстановление активности адсорбента происходит непосредственно в фильтре в течение 40-50 минут, раствор активатора используется многократно;

· применение адсорбента ГЛИНТ снижает коррозионную активность воды, что позволяет уменьшить эксплуатационные и капитальные затраты;

· весь процесс очистки происходит в обычном фильтре (напорного либо открытого типа), загруженном адсорбентом ГЛИНТ;

· возможна организация замкнутого цикла повторного использования воды.

Физические свойства адсорбента ГЛИНТ:

· внешний вид: пористые гранулы светло-коричневого цвета;

· зерновой состав зернистого адсорбента, мм: 0,63 - 2,0;

· объемная (насыпная) масса, г/см³: 0,95 - 1,0;

· пористость: 65%.

5. Catalox - каталитический материал для удаления железа и марганца (аналог материала Aqua-Mandix). Активированный алюмосиликатный адсорбент ГЛИНТ предназначен для очистки промышленных сточных вод от катионов тяжёлых металлов и сопутствующих загрязняющих примесей, природных подземных вод (обезжелезивание, деманганация, снижение цветности, мутности и др.).

Материал рекомендуется использовать в многослойных загрузках в смеси с инертными материалами - песком, антрацитом и др. (обычно до 30% от общего объема фильтрующих материалов в фильтре).

Материалах Catalox эффективен при удалении из воды сероводорода. Еще одним достоинством этого материала является возможность его работы при низком рН - до 6,5.

Проведя анализ предлагаемых на рынке фильтрующих материалов, выбор был сделан в пользу загрузок ГЛИНТ и Birm, главным преимуществом которых является то, что они для восстановления (регенерации) своих первоначальных свойств не требуют реагентной промывки. Обратная промывка этих загрузок позволяет практически полностью восстановить исходные качества материала. Это позволило не производить никаких изменений в технологической схеме линии очистки и тем самым избежать существенных капиталовложений.

4.2 Оптимизация процесса очистки

Исходя из всех вышеперечисленных условий и произведя выбор фильтрующих материалов, оптимизация работы линии очистки хозяйственно-бытовых стоков может быть сведена к следующим мероприятиям:

· Возраст активного ила в аэротенках следует увеличить до 20 дней;

· Следует поддерживать температуру сточных вод в аэротенках на уровне 23°С;

· Поддержание постоянного уровня рН среды 7,0 - 7,5 в аэротенках;

· В самопромывающиеся фильтры следует поместить активированный алюмосиликатный адсорбент ГЛИНТ;

· В напорные сорбционные фильтры следует поместить фильтрующую каталитическую загрузкуBirm;

· В промежуточную емкость, установленную непосредственно перед блоком фильтров при помощи насоса - дозатора следует производить подачу раствора каустической соды для поддержания необходимой щелочности раствора.

4.3Оптимизация работы аэротенка

Аэротенк предназначен для очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод в количестве 40-50м³/сут.

Специальная конструкция аэротенка позволяет реализовать технологию нитри-денитрификации, которая обеспечивает параллельное удаление органических загрязнений и соединений азота.

Таблица 4.1. Основные параметры аэротенка

Основные параметры	Величина
1	2
Производительность, м3/сут	40-50
Габаритные размеры, мм длина х ширина х высота	8000 х 2500 х 2500
Количество подаваемого воздуха, м3/час, в том числе: количество воздуха на аэрацию, м3/час количество воздуха на эрлифт, м3/час	180-200 140-150 40-50
Номинальный объем, м3	50
Рабочий объем, м3, в том числе: объем нитрификатора, м3 объем денитрификатора, м3	42 12 30
Загрузочный материал	призмы ПР-50
Объем загрузочного материала, % от общего объема аэротенка	10-12
Температура рабочей среды, оС	от + 10 оС до+ 25оС
Концентрация активного ила, г/л в том числе в свободном объеме	2,0-3,0 0,5-1,5
Концентрация растворенного кислорода: в нитрификаторе, мг/л в денитрификаторе, мг/л	2,0-6,0 0-0,8
Расход циркуляционного потока иловой смеси между денитрификатором и нитрификатором, м3/час	3,5-7,5

Рис. 4.1. Принципиальная схема аэротенка-нитри-денитрификатора

I - зона денитрификации; II - зона нитрификации; 1-подача сточной воды; 2 - подача возвратного ила из вторичного отстойника; 3- подача воздуха; 4- эрлифт; 5 - система аэрации; 6 - отвод иловой смеси во вторичный отстойник; 7 - канал возврата иловой смеси из зоны нитрификации в зону денитрификации, 8-загрузочный материал; 9-система перемешивания.

Сточная вода и возвратный ил из вторичного отстойника вместе с циркуляционным потоком иловой смеси из нитрификатора поступают в денитрификатор. Далее иловая смесь эрлифтом направляется в нитрификатор. Часть иловой смеси поступает во вторичный отстойник, а другая (циркуляционный расход) - вновь возвращается в денитрификатор.

Процесс биологической очистки может быть описан как непосредственный контакт загрязнений с оптимальным количеством организмов активного ила в присутствии соответствующего количества растворённого кислорода в течение необходимого периода времени с последующим эффективным отделением активного ила от очищенной воды.

Окисление органических загрязнений в аэротенках происходит за счёт жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, образующих хлопьевидные скопления - активный ил. Часть органического вещества, непрерывно поступающего со сточными водами, окисляется, а другая обеспечивает прирост бактериальной массы активного ила.

Активный ил - это биоценоз организмов-минерализаторов, способных осаждать на своей поверхности и ферментативно окислять в присутствии кислорода органические вещества в сточных водах. Большая насыщенность сточной воды активным илом и непрерывное поступление кислорода обеспечивают интенсивное биохимическое окисление органических веществ, поэтому аэротенки являются одним из наиболее совершенных сооружений для биохимической очистки.

Наиболее важными факторами, влияющими на развитие и жизнеспособность активного ила, а также качество биологической очистки, являются температура, наличие питательных веществ, содержание растворённого кислорода в иловой смеси, значение рН, присутствие токсинов. Удовлетворительная работа аэротенков в значительной степени определяется также технологическим режимом эксплуатации, где основное значение имеют:

· оптимальное соотношение между концентрацией загрязнений в поступающей воде и рабочей дозой активного ила (при уменьшении дозы ила возникает эффект повышения нагрузки и снижения качества очистки, при увеличении - затрудняется эффективность разделения ила и очищенной воды во вторичных отстойниках);

· необходимое время контакта загрязнений с активным илом;

· достаточная аэробность системы.

Эффективность очистки зависит, как известно, от структуры и биологических свойств активного ила. Структура хлопьев ила - это компактность, плотность, размер и флоккулирующие свойства. Биологические свойства ила - это количество и качество жизни в нём, биологическая активность, типы организмов, видовое разнообразие и т.д.

Активные свойства ила зависят от его возраста. Возраст активного ила - среднее время пребывания хлопьев ила в системе «аэротенк - вторичный отстойник». Его величина обратно пропорциональна скорости прироста ила. Чем больше нагрузки на ил, тем больше его прирост и больше объём избыточного ила, поэтому быстрее обменивается весь ил в аэротенках и, следовательно, уменьшается его возраст. При возрастании выноса ила уменьшается его прирост, ослабляются окислительные свойства и сокращается скорость извлечения субстрата: возраст ила увеличивается.

Если время пребывания жидкости в аэротенке колеблется от 3 до 10 часов, то время пребывания активного ила намного больше и измеряется сутками. Другими словами, если сточная вода проходит через аэротенк только один раз и довольно быстро, образующаяся биомасса неоднократно возвращается из вторичного отстойника.

К хлопьям активного ила предъявляются следующие требования: они должны извлекать загрязняющие вещества из воды, а сами хорошо отделяться от очищенной воды осаждением.

Молодые, активно растущие хлопья, способны быстро извлекать загрязняющие вещества, но могут иметь недостаточные свойства осаждения; вместе с тем, хорошо оседающий ил, может иметь пониженные силы окисления.

Оптимальный возраст ила учитывает и активность хлопьев, и способность их к осаждению. Молодые хлопья плохо флоккулируют, старые хлопья менее активны, но хорошо оседают.

В нашем конкретном случае оптимум был найден при 20-дневном возрасте активного ила.

Температура очищаемой сточной воды - важнейший фактор, воздействующий на скорость изъятия загрязняющих веществ при механическом отстаивании, интенсивность обмена веществ у организмов активного ила, потребление растворённого кислорода, и, следовательно, в целом на эффективность процесса биохимического окисления.

Оптимальные значения для удовлетворительного процесса биологической очистки находятся в диапазоне 16-23°С. Максимально допустимая температура для обеспечения жизнедеятельности аэробных организмов 40°С. От температуры сточной воды зависит эффект первичного отстаивания.

При понижении температуры скорость биохимических процессов в аэротенках замедляется. Повышение температуры влияет на увеличение скорости потребления кислорода активным илом, на уровень обмена и проницаемость оболочек бактериальных клеток. Успешнее протекают процессы не только окисления углеродсодержащих соединений, но и нитрификации и денитрификации. Для обеспечения удовлетворительной нитрификации оптимальная температура находится в диапазоне 20-25°С. При 9°С скорость нитрификации существенно снижается, а при 6°С она прекращается. Увеличение температуры более 25°С благоприятно влияет на процесс нитрификации, однако он начинает лимитироваться содержанием кислорода, растворимость которого при этом резко снижается. Скорость процесса денитрификации непрерывно возрастает при повышении температуры сточных вод вплоть до 40°С.

Работа вторичных отстойников ухудшается зимой (без подогрева) на 20 -30% в связи с понижением температуры воды, поступающей на очистку.

В нашем случае следует подогревать сточные воды до 22-23°С.

Изменение активной реакции среды в ту или иную сторону от 6,5 до 9,0 недопустимо при приёме сточных вод на очистные сооружения. Для удовлетворительной работы активного ила необходима нейтральная реакция среды 6,5 - 8,0. Понижение величины рН сточной воды приводит к снижению интенсивности обмена у бактерий, дефлоккуляции и плохой осаждаемости активного ила, а при падении рН ниже 5,0 бактерии антагонистически вытесняются грибами. Увеличение рН приводит к повышению интенсивности обмена у активного ила, а при сильно щелочной среде (рН более 8,5) клетки активного ила гибнут. Поддержание оптимальной реакции среды (6,7 - 7,8) очень важное условие для процессов биологической очистки.

Контроль рН ведётся постоянно и поддерживается в аэротенках на уровне 6,8 - 7,5 с помощью добавления кальцинированной соды.

Оптимизация необходима и в работе самопромывающихся фильтров ФС-700. Фильтры предназначены для глубокой доочистки хозбытовых сточных вод.

Таблица 4.2 Основные параметры фильтров ФС-700

Основные параметры	Величина
1	2
Номинальный объем, м3	2,1
Рабочий объем, м3	1,8
Скорость фильтрации м/час	не более 8,0
Фильтрующая площадь, м2	0,7
Высота слоя угля, м	2
Температура рабочей среды, оС	от + 2оС до+ 30оС
Габаритные размеры, мм: диаметр высота	960 4300
Наличие внутреннего антикоррозионного покрытия	да

Перед началом процесса фильтрации в фильтре DynaCarbon необходимо удалить взвешенные твердые частицы, если они имеются, из воды, подаваемой в фильтрационную установку на активированном угле.

Кроме того, каждый фильтр (рис.4.2) должен быть оборудован отсечным клапаном (1), устанавливаемым на впускной трубе. Вода входит в фильтр через впускную трубу (2) и распределитель (3). Вода поднимается, проходя через опускающуюся ей навстречу угольную набивку (4), и, очищенная, через перелив (5) и выпускное отверстие (6) в верхней части фильтра выходит из фильтра. Из нижней части фильтра загрязнённый уголь поднимается эрлифтным насосом (7) в верхнюю часть углепромывного устройства (9) и, проходя через углепромывное устройство, ополаскивается встречным потоком чистого фильтрата. Очищенный уголь опускается на поверхность фильтрующего слоя (10) и снова участвует в процессе фильтрации. Промывная вода сливается через выпускное отверстие (11) для промывной воды.

Нижняя часть фильтра представляет собой распределительный конус (12), обеспечивающий равномерное продвижение угля через область фильтрации. Угольная загрузка фильтра движется вниз.

В качестве фильтрующей загрузки был выбран активированный алюмосиликатный адсорбент ГЛИНТ, описание которого приведено выше.

Работа напорных сорбционных фильтров ФНС-900 также должна происходит в строго определенных технологических рамках. Фильтр сорбционный предназначен для глубокой доочистки очищенных хозбытовых сточных вод перед сбросом в резервуар чистой воды.



Рис. 4.2. Схема самопромывающегося фильтра ФС-700

1.Отсечной клапан; 2.Впускная труба; 3.Распределитель; 4.Угольная набивка; 5.Перелив; 6.Выпускное отверстие; 7.Эрлифтный насос; 8,9.Углепромывное устройство; 10.Фильтрующий слой; 11.Выпускное отверстие промывной воды; 12.Распределительный конус.

Таблица 4.3 Основные параметры фильтров ФНС-700

Основные параметры	Величина
Номинальный объем, м3	1,2
Рабочий объем, м3	0,7
Скорость фильтрации м/час	не более 8,0
Высота загрузки, м	1,0
Производительность, м3/час	8
Габаритные размеры, мм: диаметр корпуса высота	900 2310

Очищенные хозбытовые сточные воды тщательно фильтруются через загрузку фильтра, которая сорбирует осаждаемые примеси (растворенные органические вещества, тяжелые металлы).

Собранные примеси промываются в дренаж посредством водяной промывки. Панель управления настраивается таким образом, чтобы активизировать промывки в предварительно установленные дни и часы. Промывка напорного фильтра требуется через каждые 24 часа работы.

Промывка фильтра должна выполняться в периоды отсутствия потребления или минимального потребления водопроводной воды, т.к. для промывки фильтра используется насос для чистой воды.

Расход промывной воды составляет 7,5 м³/час, время промывки 6-8 мин.

Во время работы насос неочищенной воды контролируется системой контроля уровня в баке для чистой воды, а во время промывки он выключается по сигналу с панели управления.

В качестве наполнителя для напорных фильтров нами была выбрана каталитическая фильтрующая загрузка Birm, описание и характеристики которой были приведены выше.

Исходя из свойств каталитических загрузок одним из условий достижения отличных результатов в борьбе с марганцем является поддержание водородного показателя обрабатываемой воды в пределах 8,0 - 9,0. Но так как помимо марганца вода содержит еще и железо, то водородный показатель должен быть ниже 8,5, более высокий водородный показатель может стать причиной образования коллоидного железа, которое очень трудно отфильтровать. Необходимый водородный показатель 8,0 - 8,5 поддерживается подачей в промежуточную емкость, стоки из которой перекачиваются на очистку в блок фильтров, раствора каустической соды при помощи насоса-дозатора.

Подщелоченный сток с содержанием растворенного кислорода не менее 3 мг/л поступает на очистку сначала в самопромывающийся фильтр, загруженный адсорбентом ГЛИНТ, а затем в напорный сорбционный фильтр, загруженный фильтратом Birm.

В фильтрах в присутствии катализаторов происходит окисление растворенных железа и марганца, которое протекает по реакции:

4 Fe²⁺ + O₂ + 10 H₂O = 4 Fe(OH)₃ + 8 Н⁺

2 Mn²⁺ + O₂ + 2 H₂O = 2 MnO₂ + 4 H⁺

В результате окисления гидрооксид железа трехвалентного и оксид марганца двухвалентного выпадают в осадок и легко задерживаются в фильтрах. Обратная промывка фильтров легко позволяет удалить осажденные железо и марганец.

Таким образом в результате проведенного анализа нами было установлено, что первоочередной задачей, связанной с очисткой сточных вод, является модернизация системы очистки сточных вод от соединений марганца и железа.

Для этого надлежит:

· В уже установленные на терминале самопромывающиеся фильтры поместить активированный алюмосиликатный адсорбент ГЛИНТ;

· В уже установленные на терминале напорные сорбционные фильтры поместить фильтрующую каталитическую загрузку Birm;

Указанный путь модернизации линии очистки хозяйственно-бытовых сточных вод очистных сооружений ООО «Спецморнефтепорт Приморск» может по сравнению с рассмотренными выше альтернативами позволить отказаться от затрат, связанных с периодической закупкой и монтажом мембранных фильтров. Закупка необходимых фильтров,производство работ по их монтажу и вводу в эксплуатацию потребовало бы капитальных вложений в размере 9677400 рублей.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ВОДООТВЕДЕНИЯ

Исходя из выводов предыдущего раздела очевидно, что затраты на оптимизацию работы линии очистки хозяйственно-бытового стока сводятся к закупке адсорбирующего алюмосиликатного сорбента ГЛИНТ и катализирующей фильтрующей загрузки Birm общей стоимостью в 240000 рублей.

При условии того, что срок эксплуатации, как фильтров, так и фильтрующих загрузок составляет 7 лет, был произведен расчет экономической эффективности, приведенный в табл.5.3.

Применение указанных реагентов позволит практически полностью удалить из хозяйственно-бытовых сточных вод соединения железа и марганца, что существенно снизит платежи за загрязнение окружающей среды.

Эффективность работы фильтров с новым типом загрузки составит

Э_{очистки}=98%

Это позволит кардинально снизить количества поступающих в акваторию соединений железа и марганца и тем самым привести сбросы к нормативно допустимому уровню. В свою очередь это приведет к многократному снижению затрат на платежи за загрязнение окружающей среды.

Порядок определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия, утвержден постановлением Правительства Российской Федерации от 28 августа 1992 года №632 (с изменениями на 12 февраля 2003 года). Постановлением Правительства РФ от 12 июня 2003 года №344 установлены два вида нормативов платы по каждому ингредиенту загрязняющего вещества (отхода), с учетом степени опасности для окружающей природной среды и здоровья населения:

· за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления в пределах допустимых нормативов;