Сравнение методов обеззараживания сточных вод

Сравнение методов обеззараживания сточных вод

Отчет об исследовательской работе

по теме:

«Сравнение методов обеззараживания сточных вод»

Введение

Литературный обзор

Хлорирование

Озонирование

Ультрафиолетовое обеззараживание

Результаты исследований

Обсуждение результатов исследований

Выводы

Список использованных источников

хлорирование озонирование канализация сточная вода

Введение

Сточные воды - это воды, загрязнённые бытовыми отбросами и производственными отходами и удаляемые с территорий населённых мест и промышленных предприятий системами канализации. К ним относят также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков в пределах территорий населённых пунктов и промышленных объектов. Содержащиеся в сточных водах органические вещества, попадая в значительных количествах в водоёмы или скапливаясь в почве, могут быстро загнивать и ухудшать санитарное состояние водоёмов и атмосферы, способствуя распространению различных заболеваний. Поэтому вопросы очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод являются неотъемлемой частью проблемы охраны природы, оздоровления окружающей человека среды и обеспечения санитарного благоустройства городов и других населённых пунктов.

Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения - сложный процесс. Сточные воды обычно очищаются на сооружениях механической и биологической очистки, расположенных последовательно, при этом метод очистки и состав очистных сооружений выбирают в зависимости от требуемой степени очистки, состава сточной жидкости, производительности станции, грунтовых условий, мощности водоема. На заключительном этапе очистки сточных вод проводится, как правило, их обеззараживание.

Обеззараживание (дезинфекция) сточных вод производится для уничтожения содержащихся в них патогенных микробов и устранения опасности заражения водоема этими микробами при спуске в него очищенных сточных вод.

В настоящее время существуют различные методы обеззараживания воды:

1. Термический метод обеззараживания - кипячение;

2.      Олигодинамический метод обеззараживания - обработка ионами благородных металлов;

.        Химический метод обеззараживания - воздействие на воду сильными окислителями, такими как хлор, бром, иод, перманганат калия, перекись водорода, озон и их соединениями;

.        Физический способ обеззараживания - воздействие на воду УФ облучения, ультразвук и др.

Термический и олигодинамический способы обеззараживания воды весьма дорогостоящие и не используются в промышленном масштабе. Тогда как химические и физические методы довольно распространены.

В своей работе я хотела бы более подробно разобрать три наиболее применяемых метода и сравнить их по тем или иным показателям. Объектами моего исследования стали следующие методы обеззараживания сточных вод:

·        Хлорирование;

·        Озонирование;

·        Ультрафиолетовое обеззараживание.

Литературный обзор

Хлорирование

Процесс хлорирования представляет собой введение в сточную воду определенного количества хлора, хлорной извести или гипохлорита натрия.

Сущность обеззараживающего действия хлора заключается в окислении и инактивации ферментов, входящих в состав протоплазмы клеток бактерий, в результате чего последние погибают.

Бактерицидный эффект хлора в значительной степени зависит от начального его количества в воде и продолжительности контакта с водой. Количество активного хлора, вводимого при дезинфекции на единицу объема сточных вод, называют дозой хлора, выражаемой в мг/л или г/м³. Жидкий хлор в воде растворяется плохо, поэтому применяют хлор-газ. Взаимодействие газообразного хлора с водой протекает с выделением соляной НСl и хлорноватистой НОСl кислот по уравнению:

С1₂+Н₂О=НС1+НОС1.

Хлорноватистая кислота частично ионизирована. Ионизация ее повышается с повышением рН среды. Так, например, при рН<7 хлорноватистая кислота ионизирована на 20%. Наличие в воде хлорноватистой кислоты НОС1 и особенно гипохлорит-иона ОС1- создает при известных концентрациях такие условия, в которых микробы погибают. Хлорноватистая кислота не устойчива и легко распадается, образуя соляную кислоту и выделяя атом кислорода:

=HCl+O.

Кислород этот окисляет бактерии.

Кроме того, при хлорировании сточной воды собственно хлор непосредственно действует на бактериальную клетку и, соединяясь с веществами, входящими в ее протоплазму, вызывает гибель бактерий.

Если вместо газообразного хлора производить дезинфекцию хлорной известью, то при взаимодействии ее с водой образуются хлорид кальция, хлорноватистая кислота и известь:

2CaCl₂0+2H₂0= Ca(OH)₂+2HOCl+CaCl₃.

Процесс обеззараживания происходит так же, как и при использовании газообразного хлора.

Для эффективного обеззараживания хлор должен быть хорошо перемешан с дезинфицируемой водой и находиться определенное время в контакте с ней. Контакт хлора со сточной водой осуществляется в сооружениях, называемых контактными (дезинфекционными) резервуарами, и должен продолжаться не менее 30 мин (с учетом времени движения хлорированных вод в лотках и трубах до спуска в водоем).

Необходимость дезинфекции сточных вод и доза хлора устанавливаются органами Государственного санитарного надзора по данным бактериологических анализов и по показателю хлоропоглощаемости сточной воды - величине наибольшей дозы хлора в мг/л, при введении которой после 30-минутного контакта остается избыточного хлора 0,5- 1 мг/л. При повышении дозы избыточного хлора от 1 до 1,5 мг/л бактерии погибают быстрее. Контроль за хлорированием сточной воды осуществляется проверкой фактического количества израсходованных реагентов по массе и определением избыточного хлора в воде после контакта ее с хлором. Состав очищенной сточной воды непостоянен, поэтому нужно регулярно следить за содержанием избыточного хлора и поддерживать его в пределах заданной величины. Определение избыточного хлора в сточной воде производится иодометрическим методом.

Согласно СНиП, в проектах для предварительных расчетов дозы активного хлора следует принимать:

а) для сточной воды после механической очистки 10 г/м³;

б) для неполностью очищенной сточной воды в аэротенках или в высоконагружаемых биофильтрах 5 г/м³;

в) для полностью очищенной сточной воды 3 г/м³.

Дезинфекция больших масс воды, как правило, осуществляется хлор-газом; при малых количествах сточных вод (до 1000 м³/сутки) применяется хлорная известь.

Установка для дезинфекции сточной воды состоит из хлораторной, смесителя и контактных резервуаров.

В хлораторной устанавливают оборудование для приготовления водного раствора газообразного хлора или хлорной извести. Производительность хлораторной установки вычисляют, исходя из максимального расхода дезинфицируемой сточной воды Q_мaкc и дозы хлора [2]. На рис.1 показано устройство вакуумного хлоратора ВНИИГС. В состав его входят: промежуточный баллон с хлором 1; фильтр 2; редукционный клапан 3, который понижает давление в трубке, подающей хлор; манометры 4; измерительная шайба 5; показатель дозы хлора 6; смеситель 7; эжектор 8, создающий разрежение в хлораторе.

Рис.1. Вакуумный хлоратор.

В практике водоочистки применяют иногда хлорирование воды дозами хлора, значительно превышающими обычно требуемые для ее дезинфекции, т. е. так называемое перехлорирование. Дозу хлора в этом случае принимают равной 5-10 мг/л и более.

Если качество воды источника подвержено резким и быстрым изменениям, то хлорирование воды обычным методом может не обеспечить ее надежного обеззараживания. Периодическое ухудшение качества исходной воды может оказаться неучтенным лабораторией, вследствие чего снизится качество спускаемой воды. В таких случаях употребление избыточных доз хлора создает гарантию надежности обеззараживания воды. Перехлорирование применяют и как меру борьбы с цветностью воды, с запахами и привкусами в природной воде.

При перехлорировании хлор вводят в воду перед очистными сооружениями; при этом количество хлора, остающегося в воде после прохождения ею всех очистных сооружений, бывает еще настолько велико, что вызывает ухудшение ее вкуса. Поэтому при перехлорировании требуется последующее удаление избыточных количеств хлора из воды до подачи ее в сеть или спуска в водоем.

Последний процесс называется дехлорированием и осуществляется введением в хлорированную воду веществ, способных связывать избыточный хлор. В качестве таких веществ можно применять гипосульфит натрия (серноватисто-кислый натрий Na₂S₂O₃), сернистый газ SO₂, сульфит натрия Na₂SO₃ и др.

На 1 мг удаляемого хлора требуется 1,8 мг безводного сульфита натрия или 3,6 мг Na₂SO₄*7H₂O.

Гипосульфит подают в воду в виде 1 - 1,5%-ного раствора, приготовляемого в баках, подобных бакам, применяемым при коагулировании.

Сульфит натрия как средство для дехлорирования имеет тот недостаток, что может быть бактериально загрязнен, и, следовательно, при его использовании не исключена возможность повторного загрязнения воды микроорганизмами.

В этом отношении имеет преимущество применение для дехлорирования сернистого газа как химически чистого продукта. Дозирование его производится газодозаторами той же конструкции, что и для хлора.

Для дехлорирования применяют также фильтрование на угольных фильтрах. Для загрузки угольных фильтров может быть использован активированный уголь. Активированный уголь (изготовляемый различными способами) имеет благодаря своей большой пористости весьма значительную поверхность и, следовательно, повышенную активность в отношении задержания хлора, содержащегося в фильтруемой через него воде. Высоту слоя угля назначают в зависимости от заданных начальной и конечной концентраций содержащегося в воде хлора и скорости фильтрования. Практически высоту слоя угля принимают около 2,5 м, скорость фильтрования - в пределах 20-30 м/ч, крупность зерен угля - 1,5-2,5 мм.

Так как на угольном фильтре протекают и процессы адсорбции, поверхность зерен угля после некоторого времени его работы покрывается слоем сорбированных веществ, препятствующих работе фильтра, вследствие чего требуется его регенерация. Для регенерации фильтр промывают горячим раствором кальцинированной соды или едкого натра примерно 1 раз в месяц.

Хлорирование большими дозами хлора применяют также в системах водоснабжения промышленных предприятий, использующих воду для охлаждения (в частности, на тепловых электростанциях). Здесь хлорирование имеет целью борьбу с биологическим обрастанием стенок труб охладительных устройств и аппаратуры. При громадных количествах охлаждающей воды, подвергаемой хлорированию, более экономичным оказывается применение не непрерывного, а периодического хлорирования. В зависимости от качества воды и интенсивности процессов биологического обрастания хлорирование может производиться ежедневно при промежутках в несколько часов или с интервалом в несколько дней. Доза хлора назначается в зависимости от окисляемости воды и находится в пределах 1,5-6,5 мг/л (а иногда и выше). Дозу и режим хлорирования в каждом отдельном случае следует назначать после проведения пробного хлорирования воды используемого источника. При хлорировании охлаждающей воды нужно, чтобы содержание остаточного хлора в воде, выходящей из наиболее удаленного теплообменного аппарата, равнялось 0,5-1 мг/л. В большинстве случаев в подобных установках осуществляется непрерывное приготовление хлорной воды (обычным путем) и накопление ее в баке, емкость которого рассчитана на один период хлорирования.Из бака хлорная вода в заданное время подается в охлаждающую воду.

Как было сказано выше, введение в воду хлора вызывает появление в ней специфических хлорных запахов и привкусов. Они ощущаются уже при содержании в воде хлора в количестве 0,3-0,4 мг/л. Кроме того, если в исходной воде содержатся некоторые вещества (хотя бы в самых ничтожных дозах), например фенолы, введение в нее хлора вызывает появление в ней сильных неприятных запахов и привкусов. Для борьбы с этими запахами и привкусами применяют аммонизацию воды, т. е. вводят в воду аммиак или его соли одновременно с хлором. Для обеспечения более длительного бактерицидного действия хлора, а также для предотвращения появления в воде хлорфенольных запахов и привкусов применяют предварительную аммонизацию, т.е. аммиак вводят в воду раньше хлора. Для борьбы с хлорными запахами и привкусами аммиак вводят в воду позже хлора, перед ее поступлением в резервуар чистой воды.

При аммонизации процесс хлорирования протекает несколько иначе. При взаимодействии аммиака (его водного раствора NH₄OH) с хлорноватистой кислотой НОС1, образующейся при хлорировании воды, получаются хлорамины, например:

NH₄OH + НОС1 = NH₂C1 + 2Н₂О

или₄OH + 2НОС1 = NHC1₂ + 3Н₂О.

Хлорамины изменяют характер взаимодействия хлора с фенолами и препятствуют образованию хлорфенольных запахов. В то же время они в известной мере ослабляют бактерицидное действие хлора, но удлиняют период этого действия. Соотношение доз аммиака и хлора зависит от физико-химических свойств воды и устанавливается в каждом случае опытным путем.

При аммонизации должен быть обеспечен контакт воды с хлором продолжительностью не менее 1 ч, т. е. более длительный, чем при использовании одного хлора.

Применение хлорирования с аммонизацией является также эффективным средством борьбы с развитием бактериальной жизни в трубах водопроводной сети и, в частности, с железобактериями, вызывающими зарастание труб [1].

Озонирование

Использование озона для обработки воды, в частности для ее обеззараживания, получает в настоящее время широкое распространение. Озонирование осуществляется пропуском через воду озонированного воздуха, т. е. воздуха, в котором кислород частично переведен в трехатомную форму (Оз).

Озон обладает высокой бактерицидностью и обеспечивает надежное обеззараживание воды (после ее осветления). Он обладает рядом преимуществ по сравнению с хлором - получается непосредственно на станции очистки воды, не ухудшает вкусовых качеств воды, не ведет к возникновению в ней запахов.

Озон токсичен: предельно допустимое содержание его в воздухе помещений, где находятся люди, составляет 0,00001 мг/л. В связи с этим в озонаторных установках должны быть приняты все меры по предотвращению возможности проникновения озона в помещение.

Доза озона для обеззараживания воды колеблется в пределах от 0,6 до 3,5 мг/л (в зависимости от свойств обрабатываемой воды).

Атмосферный воздух, забираемый для производства озона, должен быть очищен от пыли, а также осушен.

Упрощенная схема озонаторной установки показана на рис.2.

Рис.2. Озонаторная установка.

Воздух забирается через фильтр и компрессором 2 подается в охладитель 3, проходит через устройства для осушения 4 и поступает в озонаторы 5. Охлаждение и осушение воздуха осуществляются различными методами. Озон получается в результате тихого электрического разряда в воздухе. Ток подается к озонаторам через трансформаторы 6. Генераторы озона различных систем серийно изготовляются промышленностью.

Для смешения воды с озоном служат смесители (контактные резервуары) 7. Озон (вместе с воздухом) подается туда по трубопроводу 8 через распределительную систему 9. Подача озона в воду может осуществляться через систему пористых труб, эжекторами и др. Обрабатываемая вода поступает в смеситель по трубе 10. Контакт воды с мельчайшими пузырьками озона происходит в условиях противотока.

Озонированная вода поступает в карман (отсек) и отводится по трубе 12 в резервуар чистой воды.

Расход электроэнергии на производство озона колеблется в широких пределах и в значительной степени зависит от применения и степени осушения воздуха. При хорошо осушенном воздухе расход энергии составляет 13-29 квт-ч на 1 кг озона; при отсутствии осушения он возрастает в 2-3 раза.

Проведенные исследования и опыт показывают возможность использования озона для борьбы с вирусами. Озонирование успешно используется также для обесцвечивания воды, борьбы с запахами и привкусами в ней. В ряде случаев применение озона является целесообразным: для комплексного решения указанных задач- обеззараживания, обесцвечивания, борьбы с привкусами и запахами.  Наконец, озонирование может использоваться для удаления из воды солей железа и марганца[1].

Ультрафиолетовое обеззараживание

Уничтожение бактерий, находящихся в воде, может быть достигнуто путем обработки воды ультрафиолетовыми лучами. Бактерицидным действием обладают в основном ультрафиолетовые лучи с длиной волны в промежутке 2200-2800 А.

Различные виды бактерий имеют различную степень сопротивляемости действию бактерицидных лучей, что учитывается коэффициентом сопротивляемости бактерий, определяемым в результате исследований.

Процесс обеззараживания воды бактерицидными лучами осуществляется на специальных установках, в которых вода относительно тонким слоем обтекает источники бактерицидного излучения - ртутно-кварцевые или аргонно-ртутные лампы. Вода, подвергаемая облучению, должна обладать наибольшей проницаемостью для бактерицидных лучей, т. е. быть возможно более прозрачной.

Академией коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова разработаны технологические схемы, методы расчета и ряд аппаратов для обеззараживания воды ультрафиолетовыми лучами (для станций небольшой производительности).

Обеззараживающие установки устраиваются напорными и безнапорными.

На рис.3 представлено схематическое устройство напорной обеззараживающей установки, состоящей из нескольких (двух-пяти) камер 1, по которым последовательно проходит обрабатываемая вода. В каждой камере установлена ртутно-кварцевая лампа 2, заключенная в цилиндрический кварцевый кожух 3. Вода, попадая в камеру, направляется радиально расположенными перегородками 4, обеспечивающими ее перемешивание и прохождение вблизи ламп.

Метод обеззараживания воды бактерицидными лучами имеет ряд преимуществ по сравнению с методом хлорирования: относительная простота эксплуатации, отсутствие необходимости введения в дезинфицируемую воду каких-либо реагентов, отсутствие ухудшения вкусовых качеств воды.

Рис.3.Напорная УФ-обеззараживающая установка.

Расход электроэнергии на облучение составляет для подземных вод 10-15 Вт-ч/м³, для осветленных поверхностных вод - до 30 Вт-ч/м³.

Стоимость обеззараживания воды бактерицидными лучами не превышает стоимости хлорирования.

К недостаткам метода следует отнести отсутствие простых и надежных способов контроля за эффектом обеззараживания и невозможность использования метода для обеззараживания вод, отличающихся повышенной мутностью и цветностью[1].

Результаты исследований.

В результате исследований был выявлен ряд достоинств и недостатков вышеперечисленных методов.

Обеззараживание воды хлорированием.

Метод обеззараживания воды путем добавления в нее хлора используется в нашей стране с давнего времени как наиболее дешевый способ. Добавление хлора в воду приводит к химическим реакциям с веществами, находящимися в воде. Обеззараживание микроорганизмов (их отравление) происходит в результате химических реакций взаимодействия хлора с органическими веществами, из которых состоят микроорганизмы. Концентрации хлора в воде для обеззараживания от различных видов микроорганизмов отличаются в 50 раз.

Достоинства хлорирования воды:

.   Простота метода;

2.      Эффективность хлорирования;

.        «Попутное» удаление неприятного привкуса и запаха воды;

.        Предотвращение роста водорослей и биообрастание фильтров;

.        Высокая экономичность метода (по сравнению с озонированием).

Недостатки метода обеззараживания воды хлором:

.   Наличие хлорорганических веществ в питьевой воде, являющихся результатом взаимодействия хлора с органическими веществами, что весьма опасно и может приводить, в частности, к канцерогенным заболеваниям.

2.      Хлор в допустимых дозах убивает не все виды микроорганизмов. Стойкими к хлору являются, например, вирусы. Если выбирать дозу хлора для уничтожения всех микроорганизмов, то превышение допустимых концентраций остаточного хлора будет опасным и для здоровья человека.

.        Хлорированная вода подается потребителю по трубам от места хлорирования. Трубопровод вносит дополнительное заражение, что требует повышение доз хлорирования.

.        Эффективность обеззараживания хлором зависит от рН и температуры воды.

.        Экологическую опасность для обслуживающего персонала и окружающих представляет реагентное хозяйство, подвоз и хранение хлора.

Обеззараживание воды озонированием.

Для обеззараживания воды используются озонаторы, создающие озон в результате высоковольтного разряда. Озон уничтожает микроорганизмы в результате повреждения их клеточных оболочек.

Достоинства обеззараживания воды озоном:

1. Экологичность. После использования газ сам распадается на молекулы кислорода и не оказывает пагубного воздействия на окружающую среду;

2.      Отсутствие дополнительных запахов и вкусов. Обладая специфическим запахом, озон не передает его обрабатываемой среде;

.        Сильные окислительные свойства. Озон способен уничтожать бактерии, вирусы, плесневые грибы патогенные микроорганизмы. Он эффективен даже при условии его невысокой концентрации в обрабатываемом пространстве;

.        Не требует транспортировки. Озон, в отличие от других химических дезинфекторов, не требует транспортировки и вырабатывается непосредственно на месте его применения.

Недостатки технологии обеззараживания воды озонированием:

1. Использование опасного высоковольтного (до 3 кВ) и сложного оборудования.

2.      Высокая стоимость озонаторов.

.        Воду нельзя употреблять сразу. В течение одного-двух часов в воде сохраняется остаточный озон.

.        При наличии в воде растворенной органики могут образовываться так называемые «озониды», некоторые из которых опасны для здоровья.

Обеззараживание УФ облучением.

В отличие от приведенных выше методов обеззараживания, этот метод является физическим. Вода проходит через камеру обеззараживания установки, в которой подвергается воздействию бактерицидного УФ облучения. Гибель микроорганизмов происходит в результате поражения структуры ДНК, ответственной за наследственные механизмы.

Особенности УФ обеззараживания воды:

.   Все виды микроорганизмов, включая вирусы, уничтожаются УФ излучением. Безвредно для потребителя применяются большие дозы УФ облучения воды для уничтожения самых устойчивых форм микроорганизмов.

2.      Обладает мгновенным действием - не требует контактных резервуаров. Обеззараженная УФ излучением вода пригодна к использованию сразу же.

.