Обоснование технологии очистки поверхностных сточных вод отстаиванием и фильтрованием

Изучена кинетика отстаивания талых и дождевых поверхностных сточных вод (ПСВ) и обоснованы технологические параметры удаления из воды взвешенных веществ отстаиванием, безреагентным и реагентным фильтрованием. Показано, что нефтепродукты и взвешенные вещества находятся в виде двухкомпонентных частиц, одновременно удаляемых в процессе отстаивания и фильтрования. Оптимальное время отстаивания зависит от гидравлической крупности выделяемых загрязнений, которая должна определяться опытным путем. Глубокая очистка ПСВ с селитебных территорий достигается безреагентным двухступенчатым фильтрованием с убывающей крупностью фильтрующей загрузки, с автомагистрали - реагентным фильтрованием.

Основными загрязнениями поверхностных сточных вод (ПСВ) с селитебных и приравненных к ним территорий предприятий первой группы являются взвешенные вещества (в основном, сажа) и нефтепродукты [1]. Концентрация этих загрязнений, периодичность образования ПСВ определяют особенности применяемых технологических схем их очистки, расчета очистных сооружений. Наиболее распространенная схема очистки ПСВ включает накопление, усреднение и статическое отстаивание в прудах-отстойниках, аккумулирующих резервуарах-отстойниках (АРО), многоступенчатое безреагентное или реагентное фильтрование [2-5]. Доочистка ПСВ от растворенных нефтепродуктов обычно осуществляется адсорбцией.

Эффективность очистки ПСВ по данной схеме зависит от содержания и дисперсных характеристик нерастворимых загрязнений [1], продолжительности отстаивания и опорожнения АРО, условий фильтрования.

Анализ многочисленных литературных данных [2-5] показывает, что ПСВ имеют переменный количественный состав, содержание взвешенных веществ в ПСВ изменяется от 20 до 2200 мг/л, нефтепродуктов - в пределах от 0,63 до 100 мг/л (таблица 1).

Таблица 1. Количественный состав ПСВ

Содержание взвешенных веществ в ПСВ многократно превышает содержание нефтепродуктов, вследствие чего нефтепродукты и взвешенные вещества находятся в виде двухкомпонентных частиц, в которых адсорбируемым компонентом могут быть нефтепродукты или неорганические примеси и при отстаивании ПСВ происходит синхронное удаление взвешенных веществ и нефтепродуктов.

Содержание загрязнений в ПВС изменяется в большом диапазоне, что не позволяет получить стабильное качество отстоянной воды после резервуара-отстойника (таблица 2).

Таблица 2. Состав ПВС после резервуара-отстойника

После отстаивания ПСВ наблюдаются значительные колебания содержания взвешенных (от 7,8 до 490 мг/л) и нефтепродуктов (от 0,187 до 6 мг/л). Эффект очистки от взвешенных веществ в прудах-отстойниках зависит от исходной концентрации взвешенных веществ и составляет 18,9% при исходной концентрации 20,1 мг/л и 89,5% при начальной концентрации 184,7 мг/л [2].

При проектировании очистных сооружений для очистки ПСВ с автомагистралей эффективность снижения содержания взвешенных веществ в АРО [9] обычно принимают 80%, нефтепродуктов - 70% при исходном содержании 1000 мг/л и 20 мг/л соответственно. При этом концентрация нефтепродуктов снижается до 6 мг/л, взвешенных веществ - до 200 мг/л.

Нестабильное качество отстоянной сточной воды определяется, прежде всего, переменной исходной концентрацией загрязнений (таблица 1), а также зависит от дисперсности (гидравлической крупности) взвешенных веществ, которая, как правило, не приводится.

В этой связи было изучено влияние содержания и гидравлической крупности взвешенных веществ на продолжительность и эффективность отстаивания талых и дождевых ПСВ, отобранных с селитебных территорий и автомагистрали г. Москвы, характеристика которой представлена в таблице 3.

Таблица 3. Влияние содержания и гидравлической крупности взвешенных веществ на процесс отстаивания талых и дождевых ПСВ

Дисперсность взвешенных веществ, присутствующих в сточной воде, оценивали по гидравлической крупности, И0, скорости осветления слоя воды высотой Н, равной 250 мм, за время отстаивания Т, которое менялось от 2 мин до 5,5 час.

Отстаивание воды проводили в литровых цилиндрах. Эффективность удаления взвеси отстаиванием в традиционных отстойниках оценивали по показателю осаждаемости взвеси S. Показатель осаждаемости взвеси S определяли как процентное отношение количества удаляемой взвеси с И0 ≥ 0,85 мм/с (Э0,85 ), к количеству взвеси с И0 ≥ 0,2 мм/с (Э0,2 ): S = Э0,85 /Э0,2.

Содержание взвешенных веществ определяли по мутности воды.

Мутность сточной воды до (Мисх ) и после очистки (Мк ) определяли по величине оптической плотности на фотоколориметре КФК-2 при длине волны = 540 нм. Удельную электропроводность воды X измеряли на кондуктометре «Анион» 7020. Фильтрование воды осуществляли через бумажные и мембранные фильтры разной пористости, которая менялась от 0,2 до 3,5 мкм.

При реагентном фильтровании применяли полиоксихлорид алюминия марки «Аква-Аурат» 18, органические коагулянты ВПК 402, «Биопаг», катионные флокулянты «Праестол» 650, 853 в виде 0,1% водных растворов, с которыми сточная вода перед фильтрованием перемешивалась в течение 1 мин.

Как и следовало ожидать (таблица 3), ПСВ с селитебной территории является менее загрязненным, чем с автомагистрали. Талые поверхностные воды содержат в 2-2,5 раза меньше взвешенных веществ, чем дождевые, имеют низкую электропроводность, а следовательно, содержание минеральных солей. Талая вода имеет более высокий показатель осаждаемости, чем дождевая вода, что свидетельствует о большей однородности взвеси по дисперсному составу. После отстаивания минимальное содержание взвешенных веществ в талой воде составляет 14,7-16 мг/л, а в дождевой - 38,7-53,6 мг/л.

Результаты кинетических исследований представлены на рис 1 - 3.

Как следует из рис. 1, дождевые ПСВ содержат тонкодисперсную взвесь с гидравлической крупностью (И0) менее 0,2 мм/сек. в количестве 68 -79% , в то время как талые воды - в количестве 44-50%.

Рис. 1. Кинетика осаждения взвешенных веществ из талой и дождевой воды

Содержание взвешенных веществ с гидравлической крупностью более 0,2 мм/сек., которое обычно удаляется в отстойнике, в талой воде в 1,5-2,7 раза больше, чем в дождевой воде (рис. 2), и составляет 50-56%, в дождевой воде – только 21-32%.

Рис. 2. Эффективность очистки талой и дождевой воды в отстойнике

При выделении взвеси с одной и той же гидравлической крупностью содержание взвешенных веществ в отстоянной воде увеличивается с увеличением исходной концентрации (рис. 3). Так, при выделении взвешенных веществ с И0 более 0,1 мм/сек. увеличение содержания взвешенных веществ в исходной воде с 334 до 3740 мг/л сопровождается увеличением их содержания в отстоянной воде со 100 до 1500 мг/л.

Рис. 3. Зависимость мутности отстоянной ПСВ от гидравлической крупности взвешенных веществ

Расчетная продолжительность отстаивания при глубине зоны отстаивания в АРО 2 м составит Т отс = Н/И0 = 2000/0,1•3600 = 5,5 часа.

Для обеспечения требуемого и постоянного содержания взвешенных веществ в отстоянной воде перед фильтрами гидравлическая крупность выделяемых в АРО загрязнений возрастает при уменьшении их содержания в исходной сточной воде. Так, для снижения содержания взвешенных веществ с 1470 до 200 мг/л гидравлическая крупность выделяемых в АРО загрязнений составляет 0,04 мм/сек., а при исходном содержании 3740 мг/л - 0,02 мм/сек. (рис. 3). Расчетная продолжительность отстаивания в АРО с глубиной зоны отстаивания 2 м составляет соответственно 14 часов и 28 часов, эффект очистки - 70-94,7%.

Таким образом, для обеспечения эффекта очистки не менее 70% гидравлическая крупность выделяемых в АРО загрязнений должна быть в 5-10 раз ниже, а продолжительность отстаивания соответственно выше, чем в обычном отстойнике. Расчетное время отстаивания в АРО можно выбрать на основе результатов кинетических исследований (рис. 3) с учетом исходного содержания примесей.

Концентрация взвеси в отстоянной сточной воде после АРО будет определять максимальную допустимую концентрацию взвеси перед фильтрованием. Дополнительное отстаивание сточной воды в АРО происходит в процессе опорожнения резервуара в течение 1-3 суток [1] и сопровождается монотонным уменьшением содержания взвешенных веществ в отстоянной воде.

Диапазон уменьшения содержания взвешенных веществ в отстоянной сточной воде, поступающей на фильтрование, будет тем больше, чем меньше принятая продолжительность отстаивания в АРО, больше исходная концентрация загрязнений и время опорожнения. Так, опорожнение АРО, рассчитанного на удаление взвешенных веществ с гидравлической крупностью более 0,05 мм/сек., в течение трех дней сопровождается уменьшением содержания взвешенных веществ в дождевой воде с автомагистрали с 680 мг/л до 38,7 мг/л.

Если гидравлическая крупность выделяемых в АРО взвешенных веществ уменьшается в два раза (до 0,025 мм/сек.), то концентрация взвешенных веществ в отстоянной воде на начальный момент фильтрования составит 230 мг/л (рис. 3).

Следовательно, на фильтровальные сооружения глубокой очистки будет поступать отстоянная сточная вода с убывающей концентрацией взвешенных веществ, что следует учитывать при подборе фильтрующих загрузок, условий эксплуатации фильтров. Максимальная концентрация взвешенных веществ будет определяться расчетным временем отстаивания ПСВ в АРО, а минимальное содержание - временем завершения опорожнения резервуара-отстойника.

Было установлено (рис. 4), что колебания содержания взвешенных веществ от 13 до 174 мг/л в отстоянной талой воде с селитебной территории практически не сказываются на качестве фильтрованной воды. Содержание взвешенных веществ после фильтрования через фильтр с пористостью 3,5 мкм уменьшается до 4,7- 6,7 мг/л. После фильтрования отстоянной талой воды с автомагистрали содержание взвешенных веществ изменяется в большем диапазоне, чем с селитебной территории, и составляет 7,3-27 мг/л (рис. 5).

Рис. 4. Зависимость мутности фильтрованной талой воды с селитебной территории от исходной мутности

Для обеспечения минимального содержания взвешенных веществ в очищенной воде перед подачей воды на адсорбционные фильтры необходимы дополнительные стадии фильтрования с применением фильтрующих материалов с меньшей крупностью загрузки. После второй ступени фильтрования через фильтр с пористостью 1,5 мкм содержание взвешенных веществ в очищенной сточной воде с селитебной территории составляет менее 0,5 мг/л, а в талой и дождевой воде с автомагистрали - 3,3-4,7 мг/л и 16-59 мг/л соответственно (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость мутности фильтрованной ПСВ с автомагистрали от исходной мутности и пористости фильтров

Только третья ступень фильтрования сточной воды с автомагистрали через фильтр с пористостью 0,2 мкм обеспечивает содержание взвешенных веществ менее 0,5 мг/л.

Поэтому, если для фильтрования воды с селитебной территории достаточно двух ступеней фильтрования, то для ПСВ с автомагистрали необходимы три ступени фильтрования с убывающей пористостью фильтров и, соответственно, крупностью фильтрующей загрузки.

Для обеспечения стабильного и высокого качества фильтрованной воды в схемах очистки ПСВ с территории автомагистралей обычно предусматривается предварительная обработка воды коагулянтом самостоятельно или совместно с флокулянтом [9], «Биопаг» при низкой оптимальной дозе 0,4 мг/л снижают содержание взвешенных веществ в фильтрованной талой воде до 2,5-3 мг/л (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость мутности фильтрованной воды с автомагистрали от дозы коагулянта. Мисх = 174мг/л

При коагуляции кинетически устойчивых загрязнений дождевой воды полиоксихлорид алюминия марки «Аква-Аурат» 18 дозой 1,2-2 мг/л (по оксиду алюминия) совместно с флокулянтом «Праестол» 650 (рис. 7) позволяют снизить содержание взвешенных веществ в фильтрованной воде до 8-9,5 мг/л. Полученные результаты подтверждают эффективность применения данных реагентов на действующих очистных сооружениях [9, 10]. Органический коагулянт «Биопаг» в тех же условиях снижает содержание взвешенных веществ до 10 мг/л при более высокой дозе (3 мг/л).

Рис. 7. Зависимость мутности дождевой фильтрованной воды автомагистрали от дозы коагулянта. Мисх = 160 мг/л

Таким образом, применение коагулянтов перед фильтрованием отстоянной сточной воды с автомагистрали позволяет уменьшить содержание взвешенных веществ до 2,5 10 мг/л при исходном содержании 160-174 мг/л и получить стабильное и высокое качество фильтрованной сточной воды.

Выводы:

Экспериментально показано, что эффективность и параметры очистки ПСВ статическим отстаиванием в АРО с последующим фильтрованием отстоянной воды зависят от содержания и кинетической устойчивости взвешенных веществ в ПСВ, продолжительности опорожнения АРО. Расчет оптимального времени отстаивания в АРО следует проводить исходя из гидравлической крупности выделяемых загрязнений, которая должна быть не более 0,05 мм/сек. Для ПСВ с содержанием взвешенных веществ не менее 670 мг/л и определена опытным путем.

Глубокая очистка ПСВ с селитебных территорий достигается безреагентным двухступенчатым фильтрованием с убывающей крупностью фильтрующей загрузки, с автомагистрали - реагентным фильтрованием. Применение коагулянтов перед первой ступенью фильтрования обеспечивает стабильную и высокую степень очистки поверхностных сточных вод с территории автомагистралей.

Литература:
1. Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного сто ка с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты», Дополнения к СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.0385.М., ОАО «НИИ ВОДГЕО», 2014, 86 с.
2. Карпова Н.Б. Разоренов А.А. Качество поверхностных вод, поступающих с территории города в р. Москву // Водоснабжение и санитарная техника. 1999. № 8. С. 910.
3. Говорова Ж.М., Говоров О.Б. Гандурина Л.В., Буцева Л.Н. Очистка ливневого поверхносного стока на осветлительно-сорбционных фильтрах с применением катионных флокулянтов / Очистка сточных вод: сборник трудов НИИ ВОДГЕО. Москва. 2004, вып. 7. С.5261.
4. Пономарев В.Г., Боев В.Ф., Чучалин И.С. Очистка поверхностного стока / Очистка сточных вод: сборник трудов НИИ ВОДГЕО. Москва. 2004, вып. 7. С.6268.
5. Калинин А.В. Физикохимический состав поверхностного стока городов Тольятти и Самары. // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 4. С. 4650.
6. Шувалов М. В., Стрелков А.К., Тараканов Д.И., Шувалов И.С. К вопросу о расчете производительности очистных сооружений поверхностных сточных вод// Водоснабжение и санитарная техника. 2014. № 8. С. 5154.
7. Баринов А.М., Баринов М.Ю. Оптимизация режимов работы и улучшение условий эксплуатации очистных сооружений поверх ностного стока // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. № 4. С. 5357.
8. Очистная установка ливневых и талых сточных вод «Волна 11» Стройспецмонтаж+21 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://spetsstrojmontazh21.tiu.ru (дата обращения 19.03.2018).
9. Регламент эксплуатации очистных сооружений дождевой канализации МКАД и третьего транспортного кольца. Утвержден распоряжением ДЖКХиБ г. Москвы № 05143666/1 от 24.06.2011 г.
10. Меньков Л.Л., Душко А.О., Плешков А.П., Корнилова Е.Г. Технологические решения для очистки поверхностного стока со скоростных автомагистралей // Сантехника. 2011. № 1. С. 3440.

Substantiation of the technology of surface wastewater treatment by settling and filtration

The kinetics of sedimentation of melt and rain surface wastewater (WW) has been studied and the technological parameters of removal of suspended substances by sedimentation, reagentless and reagent filtration have been substantiated. It is shown that oil products and suspended substances are in the form of two-component particles simultaneously removed during settling and filtering. The optimal settling time depends on the hydraulic size of the released contaminants, which must be determined experimentally. Deep cleaning of PSV from residential areas is achieved by reagent - free two; stage filtering with decreasing filter loading size, and reagent filtering from the motorway.

Gandurina Lyudmila Vasilievna, doctor of technical Sciences, chief researcher of JSC «Research Institute VODGEO». 119435, Russia, Moscow, B. Savvinskiy lane, 9, p. 1. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №6 (130), 2018 г.