Предприятий железнодорожного транспорта

Методические указания по курсу

«Актуальные проблемы современной экологии»

для практических и самостоятельных занятий для студентов дополнительной подготовки по специализации «Эколог в области железнодорожного транспорта»

 

СОСТАВИТЕЛИ: Трошкина О.А.

Володин П.М.

 

 

Самара 2010

 

УДК 628.16

 

Методические указания по курсу «Актуальные проблемы современной экологии» для практических и самостоятельных занятий для студентов дополнительной подготовки по специализации «Эколог в области железнодорожного транспорта»Самара: СамГУПС, 2010.- 25 с.

 

 

Утверждено на заседании кафедры 04.02.2002 г. Протокол № 5.

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета института.

 

В методических указаниях изложены методы очистки сточных вод, задачи для практической и самостоятельной работы.

 

Составители: Трошкина Ольга Александровна

Володин Петр Михайлович

 

 

Рецензент: Доцент кафедры БЖД Агеева Н.В.

 

 

Редактор:

 

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Производственные сточные воды железнодорожных предприятий представляют собой сложные системы, содержащие минеральные и органические вещества, состав и количество которых, как правило, определяется характером технологических процессов. Загрязнения могут находиться в воде в виде взвешенных частиц различного размера (дисперсные системы — взвеси и коллоидные растворы) и в истинно растворенном состоянии. Взвеси характеризуются размером частиц не более 0,1 мкм (суспензии и эмульсии), а коллоидные растворы - 0,1-0,0001 мкм. В растворах размеры частиц соизмеримы с размерами отдельных молекул или ионов. Взвеси делятся на суспензии — твердая фаза распределена в жидкой и эмульсии — жидкая фаза диспергирована в жидкости.

Очистка сточных вод предприятий железнодорожного транспорта может осуществляться механическими, физико-химическими, химическими, биологическими и другими методами. Взвешенные вещества, плавающие нефтепродукты и т.п. удаляются механическими методами: отстаиванием, фильтрацией, центрифугированием и др. Мелкодисперсные, коллоидно-растворенные и растворенные примеси удаляются физико-химическими способами, которые включают в себя коагуляцию, флотацию, сорбцию, флокуляцию, ионный обмен, ультрафильтрацию, и химическими — озонирование, реагентное воздействие, умягчение и др.

Из-за сложного состава сточных вод при их очистке используются комбинации различных методов. Во всех случаях первой стадией является механическая очистка, способ­ствующая удалению взвешенных частиц.

 

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Механические методы.

Для удаления взвешенных частиц (твердых и жидких) используют гидромеханические способы очистки, а также фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, их свойств, концентрации, расхода сточных вод и необходимой степени очистки. Отстаивание применяется для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей в песколовках, отстойниках, гидроциклонах и осветлителях. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц.

2.1.1. Песколовки (щелевые, горизонтальные, вертикальные) применяют для предварительного выделения минеральных и органических загрязнений. Они устанавливаются перед отстойниками и позволяют выделять минеральные примеси и грубодисперсные частицы, содержащие нефтепродукты. При расходе сточных вод до 100 м³ /ч применяют щелевые песколовки (рис. 1.1), при большом расходе — горизонтальные (рис.1.2) и вертикальные.

 

 

Рис.1.1. Песколовка щелевая: Рис.1.2. Песколовка горизонтальная:

1 - колодец железобетонный; 1 - решетка; 2 - пульпопровод;

2 - труба; 3 - лоток с щелью 3 - напорный трубопровод;

4 - гидроэлеватор; 5 - шибер

 

Горизонтальная песколовка задерживает 15—20% минеральных примесей из сточных вод. Вертикальная песколовка — отстойник из сборного железобетона — по эффективности работы аналогична горизонтальным песколовкам.

2.1.2. Отстойники применяют в качестве первой ступени очистных сооружений для удаленияиз сточных вод основной массы взвешенных веществ и нефтепродуктов. По направлению движения воды они разделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные (рис. 1.3 а, б, в).

 

Рис. 1.3. Отстойники:

а) - горизонтальный: 1 - входной лоток; 2 - отстойная камера; 3 - выходной лоток;

4 - приямок;

б) - вертикальный; 1 - цилиндрическая часть; 2 - центральная труба; 3 - желоб;

4 - коническая часть;

в ) - радиальный; 1 - корпус; 2 - желоб; 3 - распределительное устройство;

4 - успокоительная камера; 5 - скребковый механизм

2.1.3. Для очистки сточных вод от основной массы нефтепродуктов (более 100 мг/л) применяются нефтеловушки преимущественно горизонтального типа (рис. 1.4). Принцип их работы основан на различии в плотности нефтепродуктов и механических примесей. Всплывающую нефть собирают щелевыми поворотными трубами, а твердый осадок удаляют через донный клапан или гидроэжектором. Для обогрева всплывающего слоя нефтепродуктов в зимнее время предусмотрен паровой подогреватель. Эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов в горизонтальных нефтеловушках составляет 60—70%, а в многополочных достигает 98%.

 

 

Рис. 1.4. Нефтеловушка: 1 - скребковый механизм; 2 - нефтесборная труба;

3- гидроэлеватор.

 

2.1.4. Осветлители (отстойники) (рис. 1.5) применяют для очистки сточной воды, содержащей органические загрязнения, путем предварительной ее аэрации, флокуляции и отстаивания с последующей фильтрацией через образующийся слой взвешенного осадка в восходящем потоке. Осадок удаляется в осадко-уплотнитель, а осветленная вода поступает в желоб, из которого направляется на дальнейшую очистку. Эффективность осветления сточных вод, способных к флокуляции, составляет 70%, в то время как в вертикальных отстойниках она не превышает 40%.

2.1.5. Для выделения из сточных вод тонкодисперсных или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднительно, применяют фильтрование через фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры, барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем. Фильтры с зернистым слоем получили большое распространение. Они подразделяются на медленные и скоростные (скорые), открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1—2 м, в закрытых — 0,5—1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами. Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулированных сточных вод. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц. При содержании взвешенных примесей в сточных водах до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2 - 0,3 м³ /ч; при 25- 50 мг/л 0,1-0,2 м³ /ч. Достоинством таких фильтров является высокая степень очистки, недостатком — большие размеры, высокая стоимость и сложность удаления осадков.

 

Рис. 1.5. Блок осветлителя: 1 - осветлитель; 2 - желоб; 3 – осадкоуплотнитель.

 

2.1.6. Скоростные фильтры (рис. 1.6) могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из однородного материала, у многослойных — из смеси различных материалов (песок, антрацит и др.). Сточная вода проходит через фильтрующий материал и удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят его промывку, подавая промывную воду снизу вверх. Общая высота слоя загрузки составляет 1,5—2,0 м. Скорость фильтрования принимается равной 12—20 м/ч. Для более эффективной очистки фильтров используют водо-воздушную промывку, при которой зернистый слой сначала продувается воздухом для взрыхления, а затем подается вода. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах от 18 до 22 л (м² /с), а воды - от 6 до 7 л (м² /с).

В качестве фильтрующего материала применяют кварцевый песок, керамзит, графит, кокс, полимерные материалы. Для нормальной работы фильтра исходное содержание нефтепродуктов в сточной воде не должно превышать 60—80 мг/л, а механических примесей —50 мг/л.

Фильтры позволяют снизить концентрации взвешенных веществ в стоках с железнодорожных предприятий на 80-90%, 70-85% -БПК_полн, нефтепродуктов - до 2 г/м³. Фильтры в климатических зонах с расчетной зимней температурой -25°С размещают в зданиях. Открытые фильтры можно проектировать в районах с расчетной зимней температурой выше -25°С.

 

Рис. 1.6. Скоростной контактный фильтр: 1 - корпус; 2 - система удаления промывных вод; 3 - система подачи сточных вод; 4 - система подачи промывных вод; 5 - пористый дренаж; 6 - фильтрующий материал.

 

2.1.7. Для очистки нефтесодержащих сточных вод внедрена промышленная установка «Кристалл» (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Установка «Кристалл» для очистки сточных вод:

1 - приемник сточных вод; 2 - насос; 3 - виброфильтр; 4 - устройство для сбора осадка; 5 - подача сжатого воздуха; 6 - коалесцирующий фильтр; 7 - блоки фильтра доочистки из нетканых материалов; 8 - сборник нефтепродуктов; 9 - сборник очищенной воды; 10 - подача нефтеотходов на сжигание;11 - насос воды оборотного использования.

 

На этой установке были испытаны клеевые объемные фильтровальные материалы сипрон и вазопрон, которые показали высокую адсорбционную активность к нефтепродуктам.

2.1.8. Практическое применение находит эффективный фильтрующий материал пенополиуретан (ППУ), 1 дм² которого поглощает 950—980 г нефтепродуктов. Пенополиуретан регенерирует так же, как нетканые материалы; при этом с него удаляется до 95% нефтепродуктов. Применение этого материала позволяет проводить фильтрование со скоростью 15—30 м³ /ч. На основе пенополиуретана разработаны фильтры «Полимер» для очистки сточных вод от масел и нефтепродуктов. Фильтры представляют собой прямоугольные в плане емкости, заполненные измельченным пенополиуретаном (рис. 1.8).

 

 

 

Рис. 1.8. Фильтр прямоугольный пенополиуретановый с передвижным узлом регенерации: 1 - подающий трубопровод; 2, 3 - распределительная камера с шибером; 4 - водораспределительные окна; 5 - секция фильтра; 6 - пенополиуретановая загрузка; 7 - цепной ковшевой элеватор; 8 - отжимные барабаны; 9 - желоб для отвода отжатых масел; 10 - передвижная тележка; 11,12 - камера с шибером (гидрозатвор); 13 - сетчатое днище; 14 - отводящий трубопровод; 15 - вентиль для опорожнения фильтра.

Сточные воды поступают в верхнюю часть фильтра и равномерно распределяются по всей площади загрузки. Пройдя слой ППУ, стоки освобождаются от масел, нефтепродуктов, взвешенных веществ и по обводному трубопроводу выводятся из фильтра, регенерация которого осуществляется механическим отжимом.

Общая схема очистных сооружений включает песколовки, нефтеловушки и фильтры «Полимер». Работа по такой схеме позволяет получить высокую степень очистки, обеспечивающую возможность использования воды в обороте, а также дает большую экономию средств.

Внедрение фильтров «Полимер» более чем в 20 раз повышает гря-зеемкость кварцевого песка и полистирола, а количество регенерата, образующегося в процессе механического отжатия ППУ, в 30—50 раз меньше количества промывных вод, образующихся при регенерации песчаных и полистироловых фильтров. Производительность такой установки составляет до 600 м³ /ч.

2.1.9. Для механической очистки сточных вод от нефтепродуктов применяются также гидроциклоны и центрифуги. Гидроциклоны рекомендуется применять взамен песколовок или отстойников при недостатке площади для их размещения (около моечных машин для грубой очистки моющего раствора, установок наружной обмывки локомотивов, автомашин и т.п.), а также для концентрирования и отмывки от нефти осадка из отстойных сооружений. В гидроциклонах действуют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к периферии потока. При высокой скорости вращения центробежные силы значительно больше сил тяжести. Из напорных гидроциклонов наибольшее распространение получил аппарат конической формы (рис. 1.9). Сточная вода подается внутрь гидроциклона. При вращении воды под действием центробежной силы внутри гидроциклона образуется ряд потоков.

 

 

 

Рис.1.9. Гидроциклон напорный

 

Жидкость, войдя в цилиндрическую часть, приобретает вращательное движение и движется около стенок по винтовой спирали вниз к сливу. Часть ее крупными частицами удаляется из гидроциклона. Другая, осветленная часть, поворачивает и движется вверх по оси гидроциклона.

В центре образуется воздушный столб, давление которого меньше атмосферного. Он оказывает влияние на эффективность работы гидроциклонов.

Напорные гидроциклоны применяют для выделения из воды грубодисперсных минеральных примесей Эффект очистки от взвешенных веществ в напорных гидроциклонах для щелочных моющих растворов составляет 40—50%, а для стоков от промывки грузовых вагонов - 30—40%.

 

 

Физико-химические методы.

Для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных и коллоидных частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ используются физико-химические методы, к которым относят коагуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, ультрафильтрацию и др.

Выбор метода зависит от технологических и санитарных требований, состава сточных вод, концентрации загрязнений, а также наличия необходимых материальных, энергетиче­ских ресурсов и экономичности процесса.

Различают два вида коагуляции растворов электролитами — концентрационную и нейтрализационную. Концентрационная коагуляция наблюдается при увеличении концентрации электролита, не вступающего в химическое взаимодействие с компонентами коллоидного раствора. Такие электролиты называются индифферентными.

При нейтрализационной коагуляции, ионы прибавляемого электролита нейтрализуют потенциалопределяющие ионы, при этом уменьшается термодинамический и электрокинетический потенциал.

 

Коагуляцию широко используют при очистке воды для удаления взвешенных веществ. В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их смеси. При использовании смесей А1₂ (S0₄)₃ и FеС1₃ в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании этих реагентов. Кроме этих коагулянтов, для обработки сточных вод могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства и др. Очистка сточных вод коагуляцией состоит из следующих стадий: дозирование и смешение реагентов со сточной водой, хлопьеобразование и осаждение хлопьев.

2.2.1. Наиболее эффективным методом для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, а также нефтепродуктов, является флотация. Достоинством флотации является непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, простота аппаратуры, селективность выделения примесей по сравнению с отстаиванием, большая скорость процесса, высокая степень очистки (95—98%), возможность рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ), легкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Все это способствует успешному проведению последующих стадий очистки сточных вод.

Процесс, на котором основана флотация, состоит в том, что при сближении поднимающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс «пузырек-частцица» поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются, и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде. Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. Наиболее распространены напорные установки. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвеси до 4—5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют коагулянты.

Процесс напорной флотации осуществляется в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением и выделение растворенного газа под атмосферным давлением. Напорные флотационные установки имеют производительность от 5 до 2000 м³ /ч. Схема установки напорной флотации показана на рис. 1.10.

 

Рис.1.10. Схема установки флотации: 1 – емкость; 2 – насос; 3 – напорный бак; 4 – флотатор.

В зависимости от объема и степени загрязнения сточных вод нефтепродуктами используются горизонтальные (рис. 1.11), вертикальные и радиальные (рис. 1.12) флотаторы.

 

Рис. 1.11. Горизонтальный флотатор:

1 - флотационная камера; 2 - выделительная камера; 3 - скребковое устройство; 4 - сборник очищенной воды; 5 - пеносборная камера; 6 - выпуск пенной массы; 7 — выпуск воды; 8 - дросселирующее устройство.

 

Производительность горизон­тальных и вертикальных флотаторов составляет до 100 м³ /ч, радиальных - более 100 м³ /ч Напорные флотационные установки рекомендуется устанавливать после нефтеловушек и отстойников для дополнительной очистки от нефтепродуктов сточных вод перед выпуском их в бытовую канализацию или при использовании очищенной воды в обороте. Для очистки сточных вод железнодорожных предприятий от синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ) используются установки пенной флотации. Отличие данного типа флотации от напорной заключается в том, что загрязняющие частицы выносятся не с пузырьками воздуха, а с пеной. Такие установки получили название - барботажных. Для барботажа рекомендуется применять мелкопористые аэраторы - фильтросные пластины или трубы - с подачей сжатого воздуха от воздухопроводов. Наряду с извлечением из биологически очищенных сточных вод СПАВ, установки пенной флотации обеспечивают ткже снижение концентраций взвешенных примесей и остаточных органических соединений. Содержание СПАВ уменьшается с 2-8 мг/л в исходной воде до 0.5-1.5 мг/л в очищенной воде, взвешенных веществ - на 45-50%, БПК, - на 50-60%, ХПК - на 55-65%.

 

 

Рис. 1.12. Радиальный флотатор: 1 - зона флотации; 2 - зона разделения; 3 - сборник пены; 4 - скребки; 5 - отвод очищенное воды; 6 - кольцевая перегородка; 7 - вращающийся распределитель; 8 - отвод осадка..

 

Для повышения эффективности флотационной очистки применяют коагулянты в виде растворов сернокислого алюминия, сернокислого и хлорного железа, образующих в щелочной среде нерастворимые гели гидроксидов металлов. Остаточное содержание нефтепродуктов в сточных водах после механической или физико-химической очистки составляет 10—20 мг/л, поэтому дальнейшую очистку проводят химическим или биохимическими методами.

2.2.2. При электрокоагуляционной очистке сточных вод от таких высокоустойчивых загрязнений, как эмульсии нефтепродуктов, масел и жиров проводят электролиз с использованием стальных и алюминиевых анодов

(рис. 1.13). Под действием тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа и алюминия, которые, гидролизуясь, образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев. Наступает коагуляция и происходит очистка воды.

 

Химические методы.

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисление и восстановление. Их применяют для удаления растворенных веществ, а также в замкнутых системах водоснабжения. Для химической очистки сточные воды, содержащие нефтепродукты, хлорируют и озонируют. После механической и физико-химической очистки сточные воды, содержащие нефтепродукты и другие растворенные загрязнения (например, фенолы), направляются на биологическую очистку., которая заключается в окислении органических загрязнений микроорганизмами.

 

 

Рис. 1.13. Схема электрокоагуляционной установки: 1 - усреднитель; 2 - бак для приготовления раствора; 3 - источник; 4 - электрокоагулятор; 5 - отстойник; 6 - аппарат для обезвоживания.

Биохимические методы.

Биологическое окисление проводят как в естественных условиях на полях фильтрации, орошения и в биологических прудах, так и в искусственно созданных условиях на биофильтрах и в аэротенках. Поля фильтрации, орошения и биофильтры функционируют за счет почвенных биоценозов, биологические пруды и аэротенки — за счет биоценозов этих водоемов. Биоценоз состоит из множества различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов — водорослей и т.д., связанных между собой в единый комплекс. На объектах, где происходит утечка нефтепродуктов, используют капельные и высоконагруженные биофильтры. В качестве фильтрующего материала используют шлак, гранитный щебень, кокс, известняк, антрацит и другие водоустойчивые материалы. Очищенную в биофильтре воду хлорируют, и она поступает во вторичный отстойник. Очищенную воду спускают в водоем. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности микроорганизмов биологические фильтры вводят в эксплуатацию при температуре около 20°С.

2.4.1. Аэротенки применяются для очистки сточных вод шпалопропиточных заводов, дезинфекционно-промывочных станций и при совместной доочистке бытовых и производственных вод других предприятий. В основу работы аэротенков положена деятельность микроорганизмов, обитающих в природных водоемах. Они носят название активного ила. Аэротенки подразделяются на аэротенки с регенерацией и без регенерации активного ила, аэротенки-смесители, аэротенки-вытеснители и аэротененки-отстойники. В зависимости от применяемых аэрационных устройств имеются аэротенки с механической, пневматической и пневмомеханической аэрацией.

 

 

Методы удаления

Поверхностно – активных веществ (ПАВ) и фенолов.

Предприятиями железнодорожного транспорта ежегодно выбрасывается в водоемы более 100 тыс. т ПАВ. В поверхности воды, содержащей ПАВ, образуется устойчивая пена, которая препятствует поступлению кислорода из воздуха в загрязненные бассейны и, тем самым, ухудшает процессы самоочищения и наносит большой вред как растительному, так и животному миру. Кроме того, некоторые из них придают воде неприятный запах и привкус.

Для очистки сточных вод от ПАВ применяют биохимическое окисление, сорбцию, пенное фракционирование, коагуляцию, выпаривание, ультрафильтрацию, озонирование и др. Выбор метода очистки зависит от концентрации ПАВ в сточных водах, химической природы ПАВ, от наличия в стоках органических и неорганических примесей, стоимости и необходимой степени очистки.

Для очистки сточных вод до норм ПДК обычно используется комплекс методов, конечной стадией которого является биологическая очистка.

Для удаления небольших количеств ПАВ из сточных вод (не более 100—200 мг/л) применяется адсорбционная очистка на активированных углях. Получить воду требуемого качества и повторно использовать ПАВ после регенерации позволяет применение ионообменных смол.

2.5.1. Для очистки воды от ПАВ используют также метод пенного сепарирования. Сущность его заключается в адсорбции ПАВ на границе раздела фаз сточная вода — воздух при непрерывном снятии поверхностного слоя. Для этой цели через сточную воду барботируют воздух, что создает стабильную пену, состоящую из пузырьков газа различного размера. Схема процесса показана на рис. 1.14.

Процесс разрушения пенного слоя происходит медленно. Для ускорения разрушения пены используют пеногасители, в качестве которых применяются кремний- и германийорганические соединения. Однако использование их приводит к дополнительному загрязнению пеноконденсата. Поэтому чаще применяют термические, электрические и ме­ханические способы гашения пены.

 

 

Сточная вода

 

Рис. 1.14. Схема установки очистки сточных вод методом пенной сепарации:

1 — емкость; 2 — насос; 3 — промежуточный сборник; 4 — расходомер; 5 — сепаратор; 6 — воздуходувка; 7 — сборник; 8 — вентилятор; 9 — циклон; 10 — отстойник; 11— камера концентрирования пены.

 

Сточные воды шпалопропиточных заводов содержат фенолы. Для их очистки применяется метод озонирования. Фенолсодержащие сточные воды дополнительно очищаются на биологических очистных сооружениях. Доочистка производится в аэротенках и на биофильтрах по одно- и двухступенчатым схемам. Степень биологической очистки воды от фенолов достигает 99,9%.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

ЗАДАЧА 1. Рассчитать радиальную флотационную установку.