[1] грубодисперсные системы с частицами размером более 0,1 мкм (суспензии и эмульсии);

[2] коллоидные системы с частицами размером от 0,1 мкм - 1 нм;

[3] истинные растворы, имеющие частицы, размеры которых соответствуют размерам отдельных молекул или ионов [50].

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют гидромеханические процессы (периодические и непрерывные) процеживания, отстаивания (гравитационное и центробежное), фильтрования. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

Процеживание. Сточные воды перед тонкой очисткой процеживают через решетки и сита, которые устанавливают перед отстойниками с целью извлечения из них крупных примесей, которые могут засорить трубы и каналы.

Решетки выполняют из металлических стержней и устанавливают на пути движения сточных вод под углом 60-75°. Они могут быть подвижные и неподвижные. Очистку решетки ведут механическими граблями, которые конструктивно могут быть различно оформлены. Снятые с решеток загрязнения направляют на переработку. Для измельчения отходов используют дробилки. Решетки, совмещенные с дробилками, называются коммутаторами. Они позволяют измельчать отходы, не извлекая их из воды.

Для удаления более мелких взвешенных веществ применяют сита, которые могут быть двух типов: барабанные и дисковые. Первые представляют собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5-1 мм. При вращении барабана сточная вода фильтруется через его внешнюю или внутреннюю поверхность в зависимости от подвода воды (снаружи или внутрь). Задерживаемые примеси смываются с сетки водой и отводятся в желоб.

Для разделения взвешенных веществ на фракции могут быть использованы фракционаторы, представляющие собой емкость, разделяющуюся на две части вертикальной сеткой с диаметром отверстий 60-100 мкм (рис.5.11). Сточная вода через сопло 2 поступает внутрь фракционатора и делится на сетке 3 на грубую и тонкую фракции. При разделении 50-80% взвешенных частиц остается в емкости с грубой фракцией.

Отстаивание - это метод очистки вод от взвешенных в ней частиц путем их осаждения под действием силы тяжести.

Механическое отстаивание применяют для осаждения грубодисперсных примесей. Этот метод обеспечивает лишь грубую очистку сточных вод от взвешенных частиц (до 50-150 мг/л).

Скорость осаждения мелких частиц, включая коллоидные системы, незначительна, они могут долгое время находиться в воде. Это явление объясняется малой начальной массой частиц, отсутствием их самопроизвольной коагуляции, т.е. слипаемости друг с другом из-за наличия одноименных электрических зарядов на их поверхности.

Для ускорения процесса отстаивания и усиления его эффективности применяют химические методы обработки сточных вод - вносят реагенты-коагулянты и флокулянты.

С точки зрения коагулирования мелкие частицы несут одноименные электрические заряды, взаимное отталкивание которых препятствует слипанию частиц. Заряженные частицы отталкиваются друг от друга, если расстояние между ними превышает критическое. При расстоянии, меньшем критического, частицы соединяются и коагулируются. Коагулирование можно усилить вследствие уменьшения поверхностного заряда за счет добавки в сточные воды растворов солей, содержащих многовалентные ионы. Эти ионы, адсорбируясь на поверхности частиц, уменьшают их поверхностный заряд, а броуновское движение способствует сближению частиц на расстояние, при котором происходит их самопроизвольное слипание.

При другом способе коагулирования в сбрасываемую воду вводят растворы сернокислых солей алюминия или железа. В результате их гидролиза образуются коллоидные частицы гидроокиси металла, имеющие заряд, противоположный по знаку заряда взвешенных частиц, что способствует нейтрализации зарядов и интенсивному образованию хлопьев.

В качестве коагулянтов обычно используют неорганические соли: сернокислый алюминий, алюминат натрия, гидроокись алюминия, сернокислое железо, железный купорос, хлорное железо, активированный золь кремниевой кислоты.

Интенсификация осаждения взвесей, особенно при их высокой концентрации (до нескольких десятков граммов в кубическом метре) в большинстве случаев достигается введением в сточную воду флоку-лянтов, которые способствуют образованию механических связей из макромолекул между отдельными частицами, объединяемыми в крупные агрегаты, называемые флокулами.

В процессе осаждения взвесей при разделении твердой и жидкой фаз в гравитационном или центробежном поле условно выделяют три зоны: I - зона осветления, II - зона осаждения, III - зона уплотнения осадка.

В зоне осветления концентрация частиц в воде невысокая и поэтому частицы под действием гравитационных сил свободно осаждаются. В зоне осаждения концентрация частиц шлама увеличивается, осаждение происходит в условиях стесненного падения. В зоне уплотнения осадка концентрация частиц достигает максимума, а скорость осаждения их приближается к нулю. Осадок обезвоживается под действием веса частиц.

В промышленных аппаратах с непрерывной подачей питания выделить зоны разделения фаз практически невозможно. На процесс осветления влияют гранулометрический и минералогический состав твердого компонента, его плотность и концентрация, вязкость, температура и рН пульпы (воды), наличие и состав в ней реагентов. Эффективность осветления воды во многом зависит от правильного приготовления реагента и его дозировки, конструктивных особенностей выбранного аппарата и его удельной производительности. Для осветления воды на карьерах применяют:

устройства и аппараты, в которых расслоение пульпы производится под действием силы тяжести (непрерывного действия - пирамидальные отстойники, конусные и радиальные сгустители; периодического действия - наружные отстойники, шламовые бассейны, пруды); "

аппараты, в которых расслоение происходит тюд действием центробежной силы (гидроциклоны, осадительные центрифуги);

флотационные машины (вывод грубодисперсного шлама).

Осветление воды является необходимым звеном технологического процесса, предназначенного для замыкания водношламовых схем горнопромышленных предприятий и поддержания оптимального уровня содержания твердого компонента в оборотной и в сбрасываемой воде.

Для выделения из карьерных, дренажных и производственных сточных вод взвешенных примесей, осаждения их под действием силы тяжести при небольшой скорости потока, а также для очистки сточных вод с помощью реагентов применяют специальные искусственные резервуары или водоемы, которые подразделяются на песколовки, отстойники и пруды-осветители.

Песколовки (рис.5.12) применяют для предварительного выделения из карьерных и дренажных вод тяжелых минеральных примесей, главным образом силикатов.

Горизонтальные песколовки представляют резервуары с прямоугольным или трапециевидным поперечным сечением. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с. Разновидностью горизонтальных песколовок являются песколовки с круговым движением воды, выполненные в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды. Осадок собирается в коническом днище, откуда его направляют на переработку или в отвал. Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круговую форму. В них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с. По эффекту осветления вертикальные песколовки уступают горизонтальным.

Рис.5.12. Схемы песколовок:

а - вертикальная; б, в - горизонтальные с кольцевым движением воды; г - аэрируемая; 1 - подача сточной воды; 3 - воздухоотвод; 4 - воздухораспределитель; 5 - сборник всплывающих веществ; 6 - отвод всплывающих веществ

Отстойники. В зависимости от назначения отстойники могут служить: для частичного осветления вод (при оборотном водоснабжении), для предварительной очистки воды (в качестве первой ступени очистки при сложном комбинированном способе очистки), для окончательной очистки сточных вод (природоохранные).

Отстойники для предварительной очистки дренажных и карьерных вод устраиваются в водопоннжающих скважинах, у насосных станций главных и участковых водосборников. Для окончательной очистки вод применяют отстойники в виде резервуаров и пруды-осветлители.

Отстойники в виде резервуаров подразделяются на нетиповые и типовые. Нетиповые представляют емкости различных размеров и формы (обычно выполняются в виде прямоугольной формы). После заполнения до предельной высоты осветленная вода откачивается, а осадок периодически удаляется. Иногда используют несколько нетиповых отстойников (обычно из железобетонных конструкций), работающих поочередно.

Типовые отстойники в зависимости от характера движения осветляемой воды подразделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Горизонтальные отстойники представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие две или более одновременно работающие камеры (рис.5.13). В практике чаще всего применяют гидравлические камеры: водоворотные, вихревые (вертикальные), перегородчатые (коридорные). Очищаемая вода поступает через распределительный лоток и дырчатую перегородку в рабочую часть отстойника. Для удаления осадка вдоль рабочих коридоров по грязевому приямку укладываются перфорированные трубы, из которых осадок выдавливается в результате действия давления воды. Осветленная вода собирается лотком или перфорированной трубой. Если для интенсификации процесса осаждения используются различные коагулянты и флокулянты, то в этом случае в отстойнике встраивается камера хлопьеобразования.

В отстойнике каждая частица движется с потоком воды в горизонтальном направлении со скоростью v и под действием силы тяжести вниз - v₀ (рис.5.14). Поэтому скорость и направление перемещения каждой частицы представляют равнодействующую двух этих скоростей. В отстойнике успевают осесть только те частицы, траектория движения которых пересекает дно отстойника в пределах его длины. Следовательно, время прохождения частицы вдоль отстойника t_r должно быть больше либо равно времени опускания частицы на дно отстойника под действием силы тяжести (t_B), т.е. tr t_B. С другой стороны, время t_r и t_B определяются, как:

(5.15)

где L - длина отстойника, м;

Н - высота потока воды, м;

v - горизонтальная скорость перемещения частицы, м/с;

v0 - скорость осаждения частиц (гидравлическая крупность), м/с. Для оседания частиц в отстойнике необходимо обеспечить ламинарный характер движения воды, т.е. V VKp. Критическая скорость при этом определяется по формуле

Vкр= м/с,

где V - кинематическая вязкость жидкости, см2/с;

RеKp - критическое число Рейнольдса;

R - гидравлический радиус, м. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике обычно не превышает V < 0,01 м/с.

Рис.5.13. Варианты оснащения горизонтального отстойника:

а - с регулирующими дырчатыми перегородками; б - с тонкослойными элементами из наклонных перегородок; в - с системой рассредоточенного поверхностного отбора осветленной воды

Важнейшим расчетным параметром, характеризующим процесс осаждения взвесей, является скорость осаждения частиц v₀, которая называется гидравлической крупностью. Она определяется либо расчетным путем, либо экспериментально. По формуле Стокса устанавливают обычно гидравлическую крупность шарообразных частиц одинакового размера, а для учета влияния концентрации взвесей и реолактических свойств системы вводят поправочный коэффициент - R:

м/с (5.17)

, (5.18)

Где, где d - диаметр частицы, м;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

Т, В - плотность твердой частицы и воды, кг/м3;

0, СТ - абсолютная вязкость чистой и сточной воды, Па "с;

- объемная доля жидкой фазы.

Сточные воды представляют собой зачастую полидисперсные системы. В них содержатся частицы от сравнительно крупных до мелких размеров, вплоть до коллоидных. Скорость осаждения последних незначительная, они могут долго находиться в воде. Это объясняется не только малой начальной массой частиц, но также отсутствием их самопроизвольной коагуляции, т.е. неслипаемостью друг с другом из-за наличия одноименных электрических зарядов на их поверхности. Поэтому скорость осаждения частиц в них непрерывно изменяется во времени. На практике ее определяют экспериментально, исследуя кинематику осаждения взвесей. Для этого через определенное время - t устанавливают количество осевшей твердой фазы - М (в процентах от общего количества твердого, содержавшегося в воде до ее отстаивания). Результаты наблюдений наносят на график и отстраивают кривую осаждения (рис.5.15), по которой можно определить количество осевшей твердой фазы взвеси (требуемую эффективность работы отстойного устройства) в любой момент времени t. После этого вычисляют гидравлическую крупность частиц в расчетный момент времени через соотношение высоты слоя жидкости - he отстойнике и времени - t, т.е. vo = h/t.

Рис.5.15. Кинетика процесса осаждения полидисперсной смеси

В конкретных условиях выбор методики определения v0 зависит, прежде всего, от назначения отстойника. Например, если он предназначен для улавливания частиц определенного размера независимо от общего эффекта осветления, то гидравлическую крупность частиц определяют по формуле Стокса. Это случай, когда проводится очистка воды в технических целях, например, для уменьшения гидроабразивного износа оборудования при использовании оборотной воды или при проектировании очистных сооружений новых карьеров, когда получить значение v0 экспериментальным путем не представляется возможным, но известен гранулометрический состав частиц.

Если отстойник предназначен для улавливания определенного количества частиц с учетом требуемого эффекта осветления воды, значение v0 находят опытным путем.

Необходимая длина отстойника устанавливается из выражения

L, м (5.19)

Поскольку частицы осаждаются в турбулентном потоке, в котором скорость осаждения частиц замедляется действием вертикальной составляющей горизонтальной скорости, в формулу (5.19) вводят поправочный коэффициент , равный 1,7 2:

м (5.20)

Обычно глубина отстойника равна Н - 1,5-4 м, длина (8-И2) Н. Ширина отстойника определяется по формуле:

м (5.21)

где Q - производительность отстойника, м3/ч.

Основным показателем осаждающей способности отстойника является объем активной зоны, под которым понимается объем фиктивного отстойника с параллельно струйным движением воды и осаждающей способностью, соответствующей естественному объему.

Объем активной зоны отстойника можно увеличить подбором рационального контура отстойника, устройством струераспредели-тельных сооружений в месте входа промстоков в отстойник и подбором рационального слива отстоявшейся воды.

Горизонтальные отстойники ввиду их простоты конструкции и небольших капитальных затрат широко используются на горных предприятиях. Вместе с тем, они характеризуются относительно низкими гидравлическими и технологическими показателями. Эффективность отстаивания не превышает 60%, продолжительность отстаивания - 1-3 часа.

Наряду с горизонтальными отстойниками на горно-обогатительных предприятиях применяют радиальный и вертикальный отстойники.

Радиальный отстойник (рис.5.16) представляет собой круглый резервуар диаметром до 100 м с коническим днищем с уклоном к центру порядка 0,03-0,08. Очищаемая вода подается в специальное приемное устройство в центре отстойника, из которого затем растекается в радиальном направлении, переливается в кольцевой сливной желоб и отводится к месту дальнейшего использования. Осадок непрерывно удаляется к центру отстойника вращающейся металлической гребковой фермой со скребками, откуда он непрерывно или периодически удаляется самотеком или с помощью насоса.

В радиальных отстойниках твердые частицы выпадают из потока так же, как в горизонтальных отстойниках. Однако в последних скорость потока постоянна, а в радиальных переменна и убывает от центра к стенкам отстойника. Это объясняется увеличение площади поперечного сечения потока от центра.

Требуемая площадь осветления радиального отстойника может быть определена по формуле:

F=2 (5.24)

где Q - производительность отстойника, м3/с;

Uo - гидравлическая крупность частиц, м/с;

в - коэффициент, учитывающий использование объема отстойника в - 1,5ч2).

Такие отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20000 м3/сут. Эффективность осаждения 60%. Главное преимущество такого отстойника - относительно большая площадь осветления при малой ее высоте. Фактическое отношение диаметра к высоте составляет 6 - 5-30. Обычно используют отстойники диаметром 16 - 5-60 м. Глубина проточной части отстойника от 1,5 до 5 м.



Рис.5.16. Принципиальная схема вертикального отстойника:

1 - водосборный канал; 2 - гаситель; 3 - труба для удаления осадка

Вертикальный отстойник (рис.5.17) представляет собой круглый (диаметр 5-10 м или квадратный в плане резервуар (14x14 м) с коническим (пирамидальным) днищем с наклоном стенок 50-70°. Очищаемая вода движется снизу вверх и после отстоя сливается в кольцевой желоб. Осадок собирается в нижней конической части отстойника, откуда периодически удаляется самотеком при открытых задвижках на выпускной трубе. В центральной части отстойника может размещаться труба, используемая как водоворотная или вихревая камера хлопьеобразования.

Осаждение частиц происходит в восходящем потоке, скорость которого равна 0,5-0,6 мм/м. Высота зоны осаждения 4-5 м. Для выпадения твердой фазы в осадок необходимо условие, при котором гидравлическая крупность частиц была бы больше скорости восходящего потока воды, т.е. U0 ?V. Так как скорость восходящего потока неравномерна по сечению отстойника, но вводится коэффициент - k.

Тогда условие записывается как:

(5.25)

к (5.25) Значение коэффициента k принимается равным 1,5ч1,8. Производительность вертикального отстойника:

м3/с (5.26)

Рис.5.17. Принципиальная схема вертикального отстойника: 1 - водосборный канал; 2 - гаситель; 3 - труба для удаления осадка

Повышение эффективности отстаивания взвесей в воде достигается за счет увеличения площади отпаивания и проведения процесса осаждения частиц в тонком слое жидкости. На практике применяют наклонные модули с прямоточным, противоточным и перекрестным движением воды и осадка. Рабочими элементами таких модулей являются трубки (для трубчатых модулей) диаметром 25-50 мм и длиной 0,6-1 м или параллельные пластины (для пластинчатых модулей), расстояние между которыми 10-15 мм. Трубки или пластины устанавливают с малым (до 5°) или большим (45-60°) наклоном. Благодаря многопластинчатой структуре модуля поток воды разбивается на ряд упорядоченных струек, в результате чего при неизменной скорости движения уменьшается гидравлический радиус в каждом канале, формируется ламинарная структура потока и тем самым создаются благоприятные условия для осаждения частиц. Осадок под действием сил тяжести постоянно сползает по наклонной поверхности в илонакопи-тель.

При одинаковой гидравлической крупности осаждаемых частиц удельная нагрузка на рабочую площадь наклонных модулей при принятых параметрах почти в 50 раз больше, чем горизонтальных отстойников. Благодаря высокой производительности отстойники с наклонными модулями имеют небольшие габариты. В связи с этим они получают все большее распространение. Их используют для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных веществ при расходах от 100 до 10000 м3/сут. Гидравлическая нагрузка у отстойников 2,4-10 м3/ч на 1 м2 входного сечения трубок. Эффективность очистки 80-85%.

Прогрессивным направлением является удаление взвешенных веществ под действием центробежных сил. Силы, действующие на выделяемые частицы в центробежных устройствах, больше сил тяжести, действующих в отстойниках. Вследствие этого повышается в несколько раз их производительность, уменьшаются их размеры. Поэтому применение таких устройств наиболее целесообразно для очистки карьерных и дренажных вод, содержащих большое количество крупных тяжелых взвесей, а также в условиях стесненных производственных площадей (например, в подземных дренажных выработках).

К устройствам центробежного типа относятся гидроциклоны и центрифуги. На горных предприятиях широко распространены напорные гидроциклоны, из которых наиболее распространен конический гидроциклон (рис.5.18). Загрязненная вода подается под давлением 0,05-0,3 МПа внутрь гидроциклона, поступает в цилиндрическую часть и вращательно движется в ней вместе с примесями. Крупные примеси отжимаются возникающей центробежной силой к стенкам и вместе с жидкостью по винтовой спирали поступают к сливу. Осветленная вода движется вверх по оси гидроциклона. Из-за возникновения в потоках гидроциклона радиальных и замкнутых циркуляционных токов, вызывающих турбулентное перемешивание жидкости, эффективность гидроциклонов составляет в среднем 70-80% (в отдельных случаях достигает 100%).

в)

Рис.5.18. Гидроциклоны: а - напорный; б - с внутренним цилиндром и конической диафрагмой; 1 - корпус; 2 - внутренний цилиндр; 3 - кольцевой лоток; 4 - диафрагма; в - блок напорных гидроциклонов; г - многоярусный гидроциклон с наклонными патрубками для отвода очищенной воды; 1 - конические диафрагмы; 2 - лоток; 3 - водослив; 4 - маслосборная воронка; 5 - распределительные лотки; 6 - шламоотводящая щель.

На эффективность работы напорных гидроциклонов влияют скорость движения воды на входе, масса частицы, физические свойства воды, конструктивные параметры (диаметр гидроциклона, выпускных и сливных патрубков). Производительность напорных гидроциклонов определяется по формуле:

м3/с (5.27)

где k - безразмерный коэффициент;

D - диаметр гидроциклона, м;

DBX - диаметр впускного патрубка, м;

Н - перепад давления между сливом и впуском воды, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с2.

Для удаления из воды тонкодисперсных примесей применяют также гидроциклоны малого диаметра (10, 15,20 мм), устанавливаемые параллельно в большом количестве. Установки такого типа называются мультициклонами. Повышение эффективности эффективности достигается за счет увеличения величины центробежной силы при уменьшении диаметра аппаратов.

Пруды-осветлители принимают в тех случаях, когда рельеф местности создает необходимые условия для сооружения пруда, а содержание взвешенных веществ в очищенной воде не превышает 30 мг/л. Содержание частиц с гидравлической крупностью менее 0,1 мм/с не превышает 50 мг/л. Процесс очистки сточных вод от взвешенных веществ заключается в следующем.

Рис.5.19. Пруд-отстойник трехкаскадный: 1 - первый каскад; 2 - второй каскад; 3 - третий каскад; 4 - плотина; 5 - хлораторная

Сточная вода поступает в первый каскад пруда 1 (рис.5.19), где происходит отставание основной массы взвешенных веществ. Предварительно осветленная вода через регулируемый водослив поступает во второй каскад 2, где также продолжается процесс отстаивания. При выпуске воды через регулируемый водослив второго каскада в нее вводят обеззараживающий реагент - хлорную воду. Третий каскад 3 выполняет роль контактного резервуара и осветлителя. Объем пруда-отстойника принимают таким, чтобы периодичность его очистки от осадка была не менее 10 лет. В период очистки первого каскада сточная вода подается непосредственно во второй каскад. На период очистки второго или третьего каскадов предусматриваются обводные водоводы (трубопроводы). Основным недостатком прудов-осветлителей является необходимость занятия больших площадей земли и неуправляемость процесса осветления.

Для очистки дренажных и карьерных вод, когда количество взвешенных веществ в исходной воде не лимитируется, отстаивание может осуществляться в горизонтальном отстойнике и в пруде-отстойнике (рис.5.20). Сточная вода подается в регулирующую емкость 1, откуда самотеком поступает в горизонтальный отстойник 2. Предварительно очищенная вода проходит хлорирование при выходе из горизонтального отстойника и далее поступает в пруд-отстойник.

Осадок удаляют с помощью шламовых насосов с предварительной размывкой его гидромонитором.

Для очистки вод, загрязненных мелкодисперсной взвесью, в данную схему вводят реагентную обработку. Вода из резервуара (усреднителя) поступает в смеситель, куда вводится раствор коагулянта. На выходе из смесителя вода смешивается с флокулянтом и самотеком через камеру хлопьеобразования подается в отстойник. Достоинством данных схем очистки является простота конструктивных решений и обслуживания, надежность работы. К недостаткам можно отнести необходимость выключения из работы секции остойника в период очистки от осадка. Этот недостаток может быть устранен в случае замены горизонтального отстойника на вертикальный, радиальный или наклонный отстойники.

Рис.5.20. Схема отстаивания шахтной воды в горизонтальной отстойнике и в пруде-отстойнике:

I - регулирующая емкость; 2 - горизонтальный отстойник; 3 - хлораторная; 4 - пруд-отстойник; 5 - иловая площадка

3.6 Очистка кислых и щелочных карьерных и дренажных вод

Значительный ущерб окружающей природной среде наносит сброс в открытые водоемы минерализованных, кислых и щелочных карьерных и дренажных вод. Основными методами очистки минерализованных вод являются: термический, мембранный, ионообменный и гидротехнический.

К термическому методу опреснения относятся процессы с использованием высоких температур (дистилляция) и низких температур (вымораживание). Процесс дистилляции является в настоящее время наиболее разработанным, поэтому он получил наиболее широкое распространение. Термическое опреснение связано с изменением агрегатного состояния минерализованной воды при ее нагревании. При кипении воды образуется пар, а ионы солей ввиду их малоподвижности остаются в рассоле. Промышленностью создано несколько различных типов дистилляционных аппаратов, отличающихся условиями процесса, регенерацией тепла, конструкцией и т.д.

Процесс вымораживания заключается в том, что при температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы пресного льда, а рассол с растворенными в нем солями размещается в ячейках между этими кристаллами. Температура замерзания рассола всегда ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации растворенных солей.

Ионный обмен распространен при обессиливании воды в процессе водоподготовки для извлечения из сточных вод ряда металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки. Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Процессы ионообменной очистки сточных вод проводят в ионообменных установках и аппаратах, изготовляемых промышленностью.

Разделение ионов солей в минерализованных водах возможно при помощи ионоселективных мембран под действием постоянного тока. Этот процесс осуществляется в специальных аппаратах - электродиализаторах.

Наиболее простым методом очистки минерализованных вод является гидротехнический, который предусматривает использование процессов естественного испарения или вымораживания или разбавление их чистой водой до нормативного уровня.

Естественное вымораживание осуществляют буртовым способом или наливным. В первом случае создают с помощью разбрызгивающих форсунок ледяные бурты. Во втором случае производят послойное намораживание.

Этот метод достаточно широко применен на горных предприятиях, карьерные и дренажные воды которых содержат сульфаты, хлориды кальция и магния. Это объясняется, прежде всего, отсутствием в стране и за рубежом промышленно освоенных методов очистки сточных вод от этих ингредиентов. Поэтому метод разбавления может рассматриваться как временный.

Технология очистки кислых и щелочных карьерных и дренажных вод предусматривает перевод растворенных солей в твердую фазу, отделение твердой фазы от воды, уплотнение и обезвоживание твердой фазы. Первый этап очистки осуществляется химическими методами нейтрализации, окисления и восстановления.

Нейтрализацию можно проводить различными способами: смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами.

Если на одном предприятии или на соседних предприятиях имеются кислые и щелочные воды, не загрязненные другими ингредиентами, то применяют нейтрализацию вод смешиванием. Кислые и щелочные воды смешивают в емкости (рис.5.21) с мешалкой и без мешалки. В последнем случае перемешивание ведут воздухом. При переменной концентрации сточных вод в схеме предусматривают установку усреднения. При избытке кислых или щелочных сточных вод добавляют соответствующие реагенты. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки.

Для нейтрализации кислых вод путем реагентной обработки могут быть использованы: едкий натр, едкий калий, известь, известняк, доломит, мрамор, мел, магнезит, сода, отходы щелочей, отходы ацетиленного производства, зола, цемент. Однако наиболее дешевым реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести Са (ОН) г 5-10%. Соду и гидроксид натрия используют, если они являются отходами производства. Иногда для нейтрализации вод, содержащих серную кислоту, применяют различные отходы (например, шлаки сталеплавильного, феррохромового и доменного производства, содержащие достаточное количество окиси кальция и других щелочей).

Основными нейтрализующими реагентами, наиболее распространенными на горных предприятиях, является известь и известняк.

При нейтрализации кислых вод, содержащих растворенные соли железа и алюминия, с помощью извести образуются легкие желатинообразные хлопья гидроокисей железа и алюминия, выпадающие в осадок, и сульфат кальция (гипс), который в зависимости от его количества растворяется в воде или частично выпадает в осадок.

Для перемешивания кислых вод с реагентом (например, известковым молоком) на очистных сооружениях используют различного рода смесители: ершовые, вихревые, диафрагмовые, эжекторные и др. Нейтрализованная вода в простейших схемах очистки (рис.5.22) поступает в пруд-отстойник, где происходит ее осветление с одновременным накоплением осадка на дне водоема. На практике применяются также более сложные схемы очистки, включающие многоступенчатую обработку кислых вод. В качестве реагента широкое применение может найти известняк как распространенный в природе и недорогой материал или совместное использование известняка и извести.

Кроме гравитационного метода осветления воды и уплотнения осадка могут быть использованы флотационные методы.

Обезвоживание образующегося осадка после его уплотнения может осуществляться на типовых аппаратах заводского изготовления: вакуум-фильтрах. В последнем случае процесс очистки ведется с применением флокулянтов.

Для нейтрализации кислых вод в некоторых случаях проводят их фильтрование через слой магнезита, доломита, известняка, твердых отходов (шлак, зола).

Процесс ведут в фильтрах - нейтрализаторах, заполненных кусками известняка или доломитом размером 30-80 мм. При высоте слоя материала 0,85-1,2 м скорость течения сточных вод не должна превышать 5 м/с.

Рис.5.22. Принципиальная схема нейтрализации кислых шахтных вод:

1 - смеситель; 2 - погружной датчик; 3 - приборы автоматического регулирования; 4 - дозатор; 5 - резервуар известкового молока

Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различные кислоты. В последнее время начинают использовать отходящие кислые газы, содержащие СО2, SO2, NO2, N2O3 и др. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные щелочные воды, но и одновременно производить высокоэффективную очистку и самих газов от вредных компонентов. При этом нейтрализация осуществляется в реакторах с мешалкой (рис.5.23), пленочных и тарельчатых колоннах.

3.7 Очистка хозяйственно-бытовых сточных вод.

Для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ применяют биохимические методы. Этот способ основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе их жизнедеятельности. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит - сульфат - ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением.

В зависимости от вида микроорганизмов, участвующих в разрушении органического вещества, различают аэробный и анаэробный процессы очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20-40°С. Аэробный процесс является окислительным и может нормально протекать, если концентрация органического вещества в сточной воде (выраженная в биохимической потребности в кислороде - ВПК) не будет превосходить некоторые предельные величины. В противном случае высоко концентрированные сточные воды приходится разбавлять слабо концентрированными или в отдельных случаях даже чистой водой.

Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода. Анаэробный процесс является восстановительным и может протекать практически при любых концентрациях органического вещества. До недавнего времени их использовали для обезвреживания осадков. Сейчас его начинают применять для разрушения органических веществ в сильноконцентрированных сточных водах.

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать как в естественных условиях (на полях орошения, полях фильтрации, биохимических прудах), так и в искусственных очистных сооружениях (в аэротенках, биофильтрах), в которых процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

Поля орошения. Это специально подготовленные и спланированные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей. Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации.

Очистка сточных вод в этих условиях идет под воздействием почвенной микрофлоры, солнечной радиации, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений. В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта пленку, населенную множеством микроорганизмов. Эта пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества, и они под действием аэробных микроорганизмов переходят в минеральные соединения. Непременным условием протекания аэробных процессов является наличие кислорода. Наиболее интенсивное биологическое окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м). На глубине, где ощущается недостаток кислорода, преобладают анаэробные процессы. Процессы очистки протекают на глубине до 1,5 м.

Поля орошения желательно устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. В противном случае необходимо устраивать дренаж.

Устройство полей орошения не разрешается на территориях, находящихся в пределах I и II поясов зон санитарной охраны источников централизованного водоснабжения и минеральных источников; в непосредственной близости от мест выклинивания водоносных горизонтов, а также при наличии трещиноватых пород и закарстовых, не перекрытых водоупорным слоем. На земледельческих полях орошения запрещается выращивание овощных культур, употребляемых в пищу без термической обработки, а также бахчевых культур и ягод (земляника и клубника).

При организации полей орошения предусматривают устройство резервных полей фильтрации (до 25-30% площади орошаемой территории) для приема сточных вод в неблагоприятные периоды года, во время уборки урожая и в других случаях, когда сточные воды не могут быть использованы для орошения.

В зимнее время сточную воду направляют только на резервные поля фильтрации. Так как в этот период фильтрация сточной воды прекращается полностью или замедляется, то резервное поле фильтрации проектируют с учетом площади намораживания.

При выборе территории для полей фильтрации руководствуются теми же правилами, что и при выборе территории для полей орошения. Наиболее подходящими грунтами для полей фильтрации являются пески и супеси. Поля фильтрации располагают ниже водозаборных сооружений по течению грунтового потока (не менее 200 м для легких суглинков, 300 м - для супесей и 500 м - для песков).

Вследствие того, что на поля фильтрации допускается нагрузка значительно большая, чем на поля орошения, обязателен дренаж. Кроме того, в целях повышения фильтрационной способности почвы и поддержания процесса окисления органических веществ в непрерывном режиме необходимо перепахивание и боронование участков.

Сбор и отвод профильтровавшейся очищенной воды с полей орошения и фильтрации осуществляют с помощью дренажных устройств, которые могут быть открытыми (канавы) и закрытыми (дренажные трубы). Количество сточных вод, которое может быть очищено на единице площади полей орошения, зависит в основном от фильтрующей способности грунта и потребности выращиваемых культур во влаге. Для успешной эксплуатации полей сточную воду предварительно осветляют. Очистка сточных вод с одновременным их использованием для орошения и удобрения может быть проведена по разным вариантам (рис.5.24). Например, сточные воды после механической очистки поступают в пруды накопители, а затем по каналу - в пруды-испарители и на поля орошения. Ил и сточные воды после механической, физико-химической и биохимической очистки направляют на поля орошения, а в неполивной период сбрасывают в водоем. В последнее время распространение получило" подпочвенное орошение сточными водами, распределяемыми через ""рубчатые асбестоцементные или полиэтиленовые трубчатые увлажнштели. Такое орошение позволяет наиболее полно использовать удобр-ительные свойства сточных вод, автоматизировать процессы полива и обеспечить санитарно-гигиенические требования

Рис.5.24. Варианты естественной биохимической очистки сточных вод:

1 - сооружения механической очистки; 2 - сооружения физико-химической очистки; 3 - сооружения биохимической очистки; 4 - пруды-ило-уплотнители или биологические пруды; 5 - отводной канал; 6 - пруд-испаритель; 7 - поля фильтрации; 8 - земледельческие поля орошения

Биологические пруды. Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Они представляют собой земляные сооружения (каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней), через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.

Под действием бактерий происходит окисление органических примесей сточных вод. При этом бактерии используют кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли в свою очередь могут усваивать продукты распада, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ.

При естественной аэрации время пребывания сточной воды в прудах - до 10 суток и более. Для повышения скорости растворения кислорода, а следовательно, и повышения скорости окисления сооружают аэрируемые пруды. Для подачи воздуха при пневматической аэрации используют компрессоры низкого давления. При этом кроме насыщения воды кислородом происходит и ее перемешивание. Аэрация позволяет в 3-3,5 раза повысить нагрузку по загрязнениям, увеличить глубину пруда до 3,5 м. В прудах с искусственной аэрацией достаточная степень очистки может быть достигнута за 1-3 суток.

Пруды работают круглогодично в районах со среднегодовой температурой +10°С и выше, в средней полосе - сезонно. В последнем случае весной, перед вводом биологических прудов в эксплуатацию, производят вспашку их дна. После вспашки пруды заполняют сточной водой, которую выдерживают почти до полного исчезновения из нее аммонийного азота. Срок "созревания" прудов для средней полосы России не менее одного месяца. Осенью, после окончания работы, воду из них выпускают. В зимнее время производят намораживание воды.

В искусственных условиях процесс биологической очистки сточных вод проводят в биофильтрах или аэротенках с использованием биопленки или активного ила.

Очистка в биофильтрах. Биофильтры представляют собой достаточно большую емкость (обычно цилиндрической формы диаметром от 6 до 30 м, изготовленную из кирпича или железобетона), внутри которой размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха.

В биофильтрах сточная вода, проходя через фильтрующую загрузку, оставляет в ней, вследствие адсорбции, взвешенные и коллоидные органические вещества, которые образуют биопленку, густо заселенную микроорганизмами. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источники питания и энергии. В ходе потребления и превращения клетками биопленки органических веществ и кислорода биомасса пленки увеличивается. Часть микроорганизмов остается в биопленке, а часть, отмирая, выносится потоком жидкости. Биопленки имеют толщину до 3 мм и более. Площадь поверхности 1 кг биопленки достигает 4000 м. Окислительная мощность биофильтров зависит от количества биопленки, удерживаемой загрузкой, и конструктивных особенностей биофильтра. Прирост биопленки регулируется удельной гидравлической нагрузкой на фильтр. Если нагрузка мала, то происходит самоокисление биопленки, если повышена, то происходит прирост биомассы до критических размеров и отрыв ее от материала загрузки. В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и большой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит и т.п.

В настоящее время предложено большое число конструкций биофильтров, которые делят на биофильтры: работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляции сточных вод; на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые, капельные, вы-соконагружаемые (орошаемые), башенные (большой высоты) н т.д.

Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую производительность, но обеспечивают полную очистку. Гидравлическая нагрузка их равна 0,5-3 м3/ (м2 *сут). Их используют при объеме сточных вод до 1000 м3/сут при БПК не более 200 мг/л. Высоконагружаемые биофильтры работают при гидравлической нагрузке 10-30 м3/ (м2, сут), т.е. очищают в 10-15 раз больше сточной воды, чем капельные. Однако они не обеспечивают полную очистку. Двухступенчатые биофильтры применяются в том случае, когда для достижения высокой степени очистки нельзя увеличить высоту биофильтров.

Эффективность очистки сточных вод на биофильтрах от патогенных микроорганизмов (вирусы, бактерии) достаточно высока и составляет не более 90%, поэтому жидкую фазу хлорируют, а твердую - обеззараживают на иловых площадках или в метантенках.

Очистка сточных вод активным илом. Для большинства сточных вод эффективно используется способ очистки сточных вод активным илом. Основной принцип способа очистки сточных вод активным илом заключается в следующем.

После соответствующей механической и (или) химической предварительной обработки, возможно с добавленными питательными веществами, сточные воды направляются в биологический реактор, так называемый аэротенк, где растворенные органические вещества, насколько это возможно биологически, посредством активной биомассы, так называемого активного ила, частично преобразуются в новую биомассу, частично окисляются в воду и двуокись углерода (СО2). Для этого кислород искусственно вводят в аэротенк и содержимое аэротенка хорошо перемешивают при помощи механических аэрационных устройств. Существуют и другие системы, например, газация сжатым воздухом или инжекторная аэрация.

В результате поступления сточной воды эквивалентное количество смеси активного ила - сточной воды вытесняется во вторичный отстойник, где разделяются ил и вода. В то время, как очищенная вода стекает в ступень последующей очистки (например, нитрификацион-ное сооружение, осветляющий бассейн) или к приемнику сточных вод, ил, так называемый возвратный активный ил, перекачивается обратно в аэротенк или частично выводится и удаляется в виде избыточного активного ила.

На практике возникает ряд технических и экономических проблем при использовании данного способа очистки. Например, большие объемы сточных вод с высоким наличием загрязнением предполагают использование значительного количества биомассы, требуются большие объемы аэротенков.

Многие же промышленные сточные воды вследствие либо одностороннего состава, либо наличия легких веществ склонны к образованию слабо концентрированных илов. Для утяжеления ила используются соли железа или алюминия.

Необходимость ввода кислорода в аэротенк, невысокая растворимость его в воде, особенно в теплых промышленных сточных водах, связаны с высокими затратами энергии.

Высокие затраты на ввод кислорода приводят к высокой плотности энергии в аэротенке и вызывают в сточных водах, и без того склонных к вспениванию, часто не поддающиеся управлению, проблемы вспенивания. Высокая пропускная способность воздуха приводит к высокому выделению отходящих газов с последствиями отрицательного воздействия пахучих веществ и распространения бактериосодержащих аэрозолей в окружающей среде. Кроме того, в зонах с морозными периодами создаются значительные проблемы с сильным образованием тумана и оледенением аппаратов и сооружений в результате замерзающего конденсата.

Для устранения этих недостатков в зарубежной практике вместо открытых аэротенков воздушной аэрацией используются закрытые и, как правило, разделенные на несколько камер (2-6) реакторы с аэрацией техническим кислородом. Отвечающая требованиям предварительно обработанная сточная вода вместе с возвратным активным илом направляется в 1-ю камеру реактора. В газовом пространстве 1-й камеры технический кислород подается под давлением. Он промывает реактор в том же направлении, как и поток жидкости, и расходуется при этом примерно на 90%. Из последней камеры реактора выходит поток отходящего газа, состоящий из кислорода, двуокиси углерода, азота и водяных паров.

На горных предприятиях сточные воды могут быть насыщены сульфидами, которые перед подачей их в биологическую ступень очистки должны быть в значительной мере очищены от сульфидов. Для этого существует большое количество способов. Например, для физически растворенного H2S применяются десорбционные процессы, для сульфидов, связанных со слабыми основаниями, как например, сульфид аммония - термические процессы отгонки. Для сточных вод, в которых имеются сульфиды с сильными основаниями, как правило, раствор едкого натра, необходима химическая ступень для отделения H2S. При выборе способа большее значение имеют компоненты, содержащиеся в сточных водах наряду с сульфидами.

3.8 Обезвоживание осадков и обеззараживание сточных вод

При очистке карьерных и дренажных вод от механических примесей образуются большие объемы осадков, состоящие на 80-90% и более из воды. Для обезвоживания осадков в горнодобывающих отраслях в основном используются иловые площади и метантенки, а складирование осадков осуществляется в илонакопителях, прудах, в выработанном карьерном пространстве.

Иловые площадки состоят из спланированных участков (карт), окруженных по периметру земляными оградительными валиками, высота которых выше рабочего уровня на 0,3 м. Если имеется угроза загрязнения грунтовых вод, то площадку устраивают на искусственном основании, препятствующем попаданию профильтровавшейся загрязненной воды в грунтовой поток. Если грунт плотный и водонепроницаемый (суглинок, глина), площадки делают на естественном основании со специально устроенным трубчатым дренажем, уложенным в канавы, заполненные щебнем. Осадок, выгружаемый из отстойников, метантенков и других сооружений, последовательно заполняет карты площадки, в которых он подсушивается естественным путем в среднем до влажности 75%, вследствие чего объем его уменьшается в три-восемь раз. После подсушки осуществляется его погрузка и транспортировка Метантенк представляет собой резервуар (обычно железобетонный цилиндрической или прямоугольной формы) с коническим днищем, предназначенным для сбраживания осадка. Для ускорения процесса брожения осадок подогревают обычно до температуры 33 или 55°С паром, который вводят в метантенк через эжектирующие устройства, или водой с температурой до 60°С, циркулирующей по змеевикам, уложенным внутри метантенка, а также в теплообменных аппаратах вне метантенка. Газ, образующийся в метантенках в результате брожения, собирается в газовом колпаке, расположенном в верхней части газонепроницаемого перекрытия. Из колпака этот газ отводится для дальнейшего использования. Осадок, выгружаемый из метантенков, имеет влажность 96-97%.

На практике достаточно широко используются фильтры с зернистой загрузкой различной конструкции. В будущем для этих целей будет широко применяться центробежно-реверсивное фильтрование. Достаточно широкое распространение получили открытые и напорные гидроциклоны.

За рубежом для механического обезвоживания осадка сточных вод в последнее время начали широко применяться ленточные пресс-фильтры, отличающиеся относительной несложностью конструкции, надежностью и удобством в эксплуатации.

Если сточные воды имеют бактериальное загрязнение, то они подвергаются обеззараживанию.

Все известные методы обеззараживания сточных вод подразделяются на: химические - хлорирование, коагуляция, флотация; электрохимические - электролиз, озонирование, электрофлотация; физические - воздействие ультразвуком, обработка ультрафиолетовыми лучами, кипячение, ультрафильтрация; методы электрообработки - электрофорез, электрический разряд, электрокоагуляция.

Наибольшее распространение на горнодобывающих предприятиях получило хлорирование жидким хлором и гипохлоритом натрия. Способ обеззараживания жидким хлором надежен, прост по аппаратурному оформлению, легко поддается контролю по остаточному хлору, позволяет использовать готовое к употреблению бактерицидное вещество. В то же время применение хлора для обеззараживания сточных вод имеет свои недостатки, связанные с его токсичностью и дефицитностью во многих регионах страны.