Очистка сточных вод

В водоемах, содержание кислорода в которых слишком мало или прием кислорода, например, из воздуха недостаточен, очищающее действие аэробных бактерий все более и более уменьшается в пользу работы анаэробных бактерий и, наконец, совсем прекращается. Этот процесс, который уже нельзя повернуть обратно, называется «опрокидыванием» водоема.

Очистные сооружения

Для очистных сооружений необходимы особые сооружения и установки, которые ускоряют во времени природные процессы очистки воды и уменьшают требуемое для этого водное пространство. Очистка сточной воды происходит в три ступени, механической, биологической и химической очистки. Попадающий в осадок ил (шлам) обрабатывается отдельно (рис. 1).

Рис. 1. Очистные сооружения (схема)

Механическая очистка сточных вод

Процессы очистки, основанные на физических процессах, как, например, просеивание через сита, отстаивание и всплытие, называются механической очисткой. При механической очистке осаждающиеся или всплывающие нерастворенные вещества удаляются из стоков. К сооружениям этой ступени очистки принадлежат, например, решетки, пескоприемники, отделители бензина и жиров, а также бассейны предварительной очистки. Прежде чем стоки могут быть направлены на механическую очистку, необходимо иметь дополнительные сооружения, как, например, аварийный выпуск и насосную станцию.

Подводка к очистным сооружениям

Канализация отводит стоки в большинстве случаев по естественному уклону к очистным сооружениям. Если каналы располагаются так низко, что дальнейшая проводка стоков через очистные сооружения по естественному уклону невозможна, то эти стоки надо поднимать. Для подъема неочищенных стоков особенно подходят шнековые (улиточные) насосы.

В очистных сооружениях, которые могут быть нагружены также и дождевой водой, необходимо предусматривать аварийный выпуск. Это сооружение устроено таким образом, что даже при очень сильных ливнях в очистные сооружения попадает только то количество воды, на которое рассчитаны эти очистные сооружения. Если нет промежуточно подключенного бассейна для дождевой воды, то разбавленные дождевой водой стоки приходится спускать неочищенными прямо в водоприемник, например в реку.

Решетка

Решетками задерживаются грубые материалы, как, например, текстильные отбросы, консервные банки, части из пластмассы и куски дерева. Решетки устанавливаются в большинстве случаев в крытых сооружениях. Это является важной предпосылкой для их бесперебойной работы в зимние месяцы. В зависимости от расстояния между стержнями решетки различают грубые решетки и тонкие решетки. Чтобы предотвратить переполнение установки с решетками, требуется обходной канал безопасности с грубой решеткой (рис. 2).
Решетки, как правило, очищаются от задержанных отбросов машинным способом. По виду очистки решетки называются, например, захватными (грейферными) решетками, грабельными решетками или гребневыми решетками.

Рис. 2. Автоматическая решетка

Пескоприемник

В пескоприемнике отделяются минеральные твердые вещества, такие, как песок, гравий и щебень (рис. 3). Это требуется, так как они будут мешать дальнейшему процессу очистки и, кроме того, их больше не надо обрабатывать. Пескоприемник с точки зрения строительной техники устраивается таким образом, что скорость протекания стоков через него составляет 0,3 м/с. При такой скорости твердые минеральные частицы осаждаются, однако органические взвеси не задерживаются.

Рис. 3. Аэрированный пескоприемник

Также и при сильно меняющихся количествах стоков скорость течения не должна сильно изменяться как в ту, так и в другую сторону. Пескоприемники могут быть выполнены в виде продольных пескоприемников, круглых пескоприемников и аэрированных пескопри-емников. Пескоприемники должны иметь пескосборное пространство, оснащенное пескозасасывающим устройством.

Аэрированные пескоприемники более предпочтительны, так как они наряду с освежением сточной воды для предотвращения гниения заставляют всплывать легкие вещества, например, масла и жиры. Такие сооружения могут одновременно служить сепараторами (отделителями) таких веществ.

Сепаратор

В сепараторе все вещества, которые легче воды, например, бензины, жиры и масла, отделяются путем всплытия. Поэтому перед бассейном предварительной очистки следует подключать сепаратор. Процесс отделения загрязняющих веществ может быть улучшен путем вдувания воздуха.

Бассейн предварительной очистки

В бассейне предварительной очистки отделяются осаждающиеся взвешенные вещества. Бассейны предварительной очистки — это отстойные бассейны, которые в большинстве имеют форму прямоугольных бассейнов (рис. 4). Отстойные бассейны, как правило, подразделяются на область впуска, область отстоя, область выпуска, воронку для шлама и устройства очистки от шлама. Стоки протекают через бассейн горизонтально в продольном направлении. Скорость течения уменьшается таким образом, чтобы было обеспечено осаждение частичек вещества на дно бассейна. При этом выпадает свежий шлам (ил), который собирается в воронку бассейна и посредством насосов подается к месту обработки. Очистка от шлама может происходить, например, посредством щитового очистителя, ленточного очистителя или отсасывающего очистителя. Она должна происходить таким образом, чтобы осевший шлам снова не был взбаламучен.

Рис. 4. Бассейн предварительной очистки

Биологическая очистка стоков

При биологической очистке находящиеся в стоках, не осаждающиеся и растворенные органические вещества разлагаются с помощью микроорганизмов. Стоки оцениваются по степени загрязнения, причем она в большинстве выражается в биохимической потребности в кислороде (BSB). Под BSB понимают количество кислорода в г/м³, которое необходимо для аэробного разложения органических веществ в стоках. В качестве измерителя органической нагрузки стоков служит, как правило, биохимическая потребность в кислороде за 5 дней (BSB5).

Биологическая очистка стоков может происходить естественно-биологическим или искусственно-биологическим путем. Из-за большой потребности в площадях естественная биологическая очистка, как, например, сточные пруды, представляет собой исключение. Искусственная биологическая очистка — это метод оживления и капельный метод.

Метод оживления

Метод оживления, называемый также методом оживляющего шлама, требует устройства оживляющего бассейна и бассейна последующей очистки, которые образуют функциональную единицу.

В оживляющем бассейне, который в большинстве имеет форму прямоугольного бассейна, поселяются микроорганизмы (рис. 5). Находящиеся в стоках коллоидно-растворенные органические вещества служат для них питанием. При введении кислорода часть загрязняющих веществ минерализуется, другая часть преобразуется в материальную субстанцию. При этом образуется «живой» шлам с хлопьеобразной структурой. К такому «оживленному» шламу необходимо подводить достаточно кислорода, постоянно перемешивать содержимое бассейна и тем самым следить за хорошим перемешиванием стоков и оживленного шлама.

Рис. 5. Оживляющий бассейн (схема)

Для регенерации микроорганизмов осажденный шлам, который называется обратно поступившим шламом, отводится обратно из бассейна последующей очистки. С помощью перемешивания отложения шлама разделяются так, что бактерии остаются во взвеси.

Внесение кислорода воздуха в оживляющий бассейн и перемешивание смеси шлама и стоков может происходить с помощью поверхностного обдува воздухом или с помощью вдувания воздуха под давлением. Поверхностный обдув происходит с помощью ротора, турбины или щеток и вальцов. Регулирование поступления кислорода происходит путем изменения скорости вращения или глубины погружения рабочего органа. Вдувание воздуха под давлением происходит через перфорированные трубы в районе дна бассейна.

В бассейне последующей очистки, который в большинстве случаев выполнен в виде плоского круглого бассейна, оживленный шлам осаживается из очищенной воды и стекает вниз по лотку (рис. 6). Часть осажденного шлама обратно закачивается в оживляющий бассейн в качестве обратно поступающего шлама, оживленная часть откладывается как избыточный шлам на наклонном днише бассейна. С помощью очистителей откладывающийся шлам перемещается к воронке для шлама и оттуда передается на переработку.

Рис. 6. Бассейн последующей очистки (схема)

Метод капельного тела

При методе капельного тела, в противоположность методу оживления, микроорганизмы не остаются во взвеси стока, а поселяются на твердой поверхности, капельном теле, как на биологическом газоне (рис. 7). Капельное тело состоит в большинстве случаев из грубозернистого, пористого материала, например из погодоустойчивой породы в виде щебня, коксовых шлаков, лавовых шлаков или из пластмассовых плит. Материал заполнения укладывается слоями в открытом сверху круглом резервуаре. Над аэрируемым днищем. С помощью вращающегося распылителя предварительно очищенная механическим способом сточная вода распыляется поверх биологического газона, на котором происходит биологическая очистка. Если газон бактерий имеет определенную толщину, то сила распыления стекающей вниз воды достаточна для того, чтобы отвести хлопья ила и части газона в бассейн последующей очистки. Бассейн последующей очистки в этом случае служит бассейном для осаждения. Метод капельного тела имеет недостаток в том, что различные количества стоков и колебания в степени загрязнения затрудняют процесс очистки.

Рис. 7. Капельное тело (схематично)

Химическая очистка стоков

Стоки, которые очищаются в механобиологических очистных сооружениях, имеют остаточные загрязнения, которые могут отягощать водоприемник. В большинстве случаев это растворенные органические вещества, которые трудно разлагаются или вообще не разлагаются биологическим способом, а также минеральные вещества, в основном соединения азота и фосфора. Минеральные вешества способствуют росту водных растений. Чрезмерные заросли водорослей уменьшают содержание кислорода в воде и тем самым снижают ее качество. Поэтому очищенные механикобиологическим путем стоки проходят дополнительную обработку физико-химическими методами. Большинство остаточных загрязнений могут быть удалены химическими методами. Эта последующая обработка, называемая 3 ступенью очистки, достигается, например, с помощью добавки осадителя в реакторном бассейне, который подключается последовательно за бассейном последующей очистки (рис. 8 и 9).

Рис. 8. Установка — дозатор осадителя

Рис. 9. Реакторный бассейн

Обработка шлама

При механической очистке сточных вод в бассейне предварительной очистки, а при биологической очистке — в бассейне последующей очистки, выпадает шлам, который называют сырым шламом. Сырой шлам имеет цвет от серого до серожелтого, запах фекалий и имеет содержание воды до 98%.

Очистной шлам может подвергаться естественной или искусственной обработке. Естественный метод включает отделение воды на местах просушки шлама и препровождение его в шламовые пруды. Из-за большой потребности в площадях при естественной обработке шлама более предпочтительным является искусственная обработка шлама.

Искусственная обработка шлама

При искусственной обработке шлама речь идет о том, что объем шлама уменьшается за счет снижения содержания воды, шлам перегнивает и его подготавливают к использованию или к удалению на свалку.

Загущение шлама производится в большинстве случаев в цилиндрическом резервуаре, который называется предварительным загустителем (рис. 10). Его задачей является удаление воды из сырого шлама, т.е. отделение балластной воды. При снижении водосодержания, например, с 98 до 95% уменьшается, и объем шлама со 100 до 50%.

Рис. 10. Загуститель шлама

После добавления загустителя к сырому шламу густой шлам осаживается под действием силы тяжести в нижнюю часть резервуара. Вода из шлама остается в верхней части. Процесс осаждения может быть поддержан и ускорен подключением мешалки. Густой шлам направляется на дальнейшую обработку, а вода из шлама, как правило, в оживительный бассейн.

Отделение воды от шлама может производиться также с помощью вакуумных фильтров за счет засасывающего давления, с помощью фильтров вод давлением за счет давления отстоя, или с помощью центрифуги. При добавке химических средств, извести или золы, процесс обезвоживания может быть улучшен. Это называется кондиционированием. Загустевший шлам далее обрабатывается в большинстве случаев перегниванием.

Перегнивание шлама происходит в больших закрытых емкостях, перегнойных резервуарах, которые образуют картину многих очистных сооружений (рис. 11). Сырой шлам начинает очень быстро перегнивать. При этом происходит биохимический процесс, при котором анаэробные бактерии без притока кислорода воздуха производят разложение органических веществ. При этом высвобождается гнилостный газ, который примерно на 70% состоит из метана и имеет хорошие качества как топливо. Перегнойные резервуары отапливаются, так как наилучшие условия для жизни бактерий имеют место при температуре от 30 до 35 °С. Время перегнивания заполнения резервуара составляет тогда от 25 до 30 дней, при температуре от 8 до 120 °С. Чтобы процесс гниения происходил без помех, необходимо перемешивание шлама и его переворачивание, а также регулярный отбор плавающего шлама и отведение гнилостной воды.

Рис. 11. Резервуар для перегнивания шлама (схема)

Перегнойный шлам для уменьшения водосодержания далее перерабатывается в последующих установках для загущения, фильтровальных камерных прессах или центрифугах без кондиционирования или с кондиционированием. После этого он транспортируется на свалку или утилизируется путем сгорания (превращается в золу).

Газгольдер в очистных сооружениях требуется тогда, когда количество газа, выделяющегося при гниении, так велико, что он может быть использован для отопления резервуара для перегнивания или для отопления здания предприятия. Газ хранится в резервуарах из стали или из бетона и, таким образом, обеспечивает равномерное давление газоснабжения в подключенных установках. Избыток, как правило, сжигается в факелах.

Производственные установки

Для функционирования очистного сооружения кроме собственно очистных сооружений требуется наличие других строительных сооружений.

Необходимо здание предприятия, чтобы разместить, например, управление установками, контрольно-измерительные приборы, пульт включения, лаборатории, бюро, помещения для пребывания людей, а также санитарные помещения и гардеробные домашней и рабочей одежды. В центральном пульте включения, как правило, устанавливается схема всех установок с оптически показываемыми сообщениями о рабочем и аварийном состоянии отдельных агрегатов и установок (рис. 12). Процессор ЭВМ рассчитывает, накапливает и протоколирует все результаты измерений и состояния функциональных процессов, как, например, количество стоков в притоке и выпуске, температура выпускаемой воды и воздуха, количество свежего шлама, энергопотребление. В лаборатории проводятся исследования, измерения и анализы, как, например, определение BSB5 осаждаемых веществ, сухой субстанции и соединений тяжелых металлов (рис. 13). Автоматически работающие установки для забора проб на подходе к биологической ступени и в выпуске бассейна последующей очистки служат для забора проб воды (рис. 14).

Рис. 12. Центральный пункт управления

Рис. 13. Лаборатория

Рис. 14. Пробы стоков до очищенного стока

При планировании очистного сооружения необходимо исходить из величин подключения, количества жителей подключаемого района, положения водоприемника и имеющейся в распоряжении формы и площади участка земли. Гармоничное вписывание в ландшафт и окружение является таким же необходимым условием, как и хорошее транспортное обеспечение, особенно в том случае, если очистной шлам должен транспортироваться на свалку или на завод по его сжиганию.

Проводка очищенной воды в водоприемник, например в реку, должна обеспечиваться также и в период половодья. Для этого может быть необходимым, например, поднимать воду с помощью шнековых насосов. Площадку очистных сооружений необходимо защищать от затопления при половодье с помощью особых защитных мероприятий.

Малые очистные сооружения

Если водоотведение здания путем подключения к общественной канализации невозможно, необходимо обеспечить очистку большинства домашних стоков на месте, например, в малом очистном сооружении согласно DIN 4261. В малых очистных сооружениях различают между сооружениями без аэрирования стоков и с аэрированием. Поверхностная вода, например дождевая вода, не должна попадать в эти сооружения. Очистные сооружения необходимо регулярно очищать, они должны быть водонепроницаемы и достаточно вентилироваться через крышку. Малые очистные сооружения часто делаются из железобетонных сборных элементов и устанавливаются на место готовыми к применению. Установки из сборных элементов должны быть снабжены знаком о проведенных испытаниях, который выдается Институтом строительной техники в Берлине. Малые очистные сооружения как составная часть водоотведения с участка, являются обязательными при получении разрешения на строительство.

Малые очистные сооружения без аэрирования стоков допускаются только тогда, когда подключение к коммунальной канализационной сети запланировано. При этом применяются преимущественно многокамерные ямы и многокамерные перегнойные ямы с последовательно подключенным подземным орошением. Они, как правило, состоят из трех камер, которые сообщаются друг с другом с помощью переливов (рис. 15). С помощью такого устройства они уменьшают скорость течения стоков, при котором взвешенные вещества могут осаждаться.

Рис. 15. Малое очистное сооружение из сборных элементов (схема)

Малые очистные сооружения с аэрированием стоков должны удовлетворять требованиям строительных и испытательных положений Института строительной техники в Берлине.
Преимущественно находят применение установки оживления и капельного тела, в которых стоки очищаются механически и биологически.

Современному состоянию техники соответствуют малые очистные сооружения с мембранной технологией. Они подходят для величин подключения между 4 и 500 жителей, имеют допуск стройнадзора и могут использоваться для получения разрешения на строительство. Комбинация из механической, биологической и физической очистки стоков позволяет экономично очищать даже сильно загрязненные стоки так, что она будет подходить для повторного применения, например доя смыва туалетов и для полива сада.

Механически предварительно очищенная сточная вода течет в оживляющий бассейн с интегрированной мембранной системой и очищается по методу оживления шлама (т. II, с. 287). Вода и оживленный шлам затем разделяются с помощью мембранной фильтрации. Для снабжения микроорганизмов кислородом и для предотвращения засорения мембраны остающимися материалами смесь из воды и пузырьков воздуха проводится через поверхность мембраны (метод поперечного тока). Возникающие при этом силы постоянно очищают поверхность мембраны и обеспечивают стабильную производительность фильтрации. Биологически очищенная вода посредством насоса под низким давлением засасывается через мембрану. Она достигает качества, соответствующего требованиям к водоемам для купания Европейского Союза.