Методи очистки стічних вод від целюлозо – паперового виробництва

Очисні системи вторинної та третинної очистки побутових  стічних вод,  основані на елодеї, придатні для використання в помірному кліматі, де можуть цілий рік видаляти біогенні елементи зі стічної води.

За результатами промислово-експериментальних досліджень процесу очистки побутових стічних вод з використання водного гіацинту в США ступінь очистки по БСК5 досягає до 9798%. В Китаї водний гіацинт використовують для очистки стічних вод кінофабрики від срібла. Встановлено, що ступень очистки від срібла, завислих речовин, сполук фосфору та  азоту відповідно складав 100; 91; 53,9 і 92,9% при цьому БСК та ХСК зменшилось на 98,6 і 91%. Автори  повідомляють, що запропонований метод дозволяє відмовитися від використання сорбційних методів очистки [13].

В Росії Інститутом цитології і  генетики розроблена технологія очистки  стоків з використанням водного  гіацинту. Експериментальна робота була проведена для стоків свинокомлексу. Очистка здійснювалася в біопрудах. Концентрація азоту амонійного знижувалась(мг/л) з 3050 до 45, БСК5 – з 150 до 2030, ХСК – з 300 до 2530, концентрація розчиненого кисню зростала від 0,5 до 25 мг/л.

 

 

В Норвегії в 40 км на південь від  Осло для очистки сільськогосподарського поверхневого стоку сконструйовано експериментальне біоплато площею 1200 м2, яке являє собою сконструйований  з 8 паралельних смуг (кожна розміром 3 х 40 м) фільтр, глибиною 0,5 м (рис. 1). Площа водозбору складає 0,8 км2. Попередні дослідження показали ефективність у видаленні завислих речовин 4575 %, фосфору 2144 %, азоту –15 %. Дослідження тривають [20].

Австралійськими вченими  розроблено спосіб очистки поверхневого стоку від автомагістралей. Дороги не облаштовуються бордюрами, збір стоку здійснюється фільтраційними траншеями, заповненими на глибину 0,8 м гравієм. На дні траншеї прокладаються збірні трубопроводи діаметром 150 мм, які транспортують стік на подальшу очистку в біоплато.

Біоплато – це інженерна споруда, яка використовується для очистки  і доочистки господарськопобутових, виробничих стічних вод та забрудненого поверхневого стоку, яка не вимагає (або майже не вимагає) затрат електроенергії та використання хімічних реагентів  при незначному експлуатаційному обслуговуванні.

В основу технології покладені природні процеси самоочищення, властиві водним та новколоводним екосистемам. Принцип  технології „біоплато” полягає у  використання вищих водних рослин (ВВР). До факторів, які найбільше впливають на ефективність очистки, відносяться: температура води та повітря, рН та Еh середовища, період року, гідравлічне навантаження на споруди, аерація; початкова концентрація забруднюючих речовин води, що подається на очистку; наявність розвинених ефективних поверхонь як субстрату прикріплення для різноманітних водних організмів – бактерій, вактиномісцетів, грибів, простіших та одноклітинних водоростей, ракоподібних, червів, комах та мшанок. Помічено, що накопичування рослинами біогенних елементів стимулюється збільшенням їх концентрації в середовищі, збільшується на світлі, залежить від рН води, а також від видових особливостей рослин, густоти біомаси та ряду інших чинників. Таким чином, найбільш важливими характеристиками штучно сформованого біоценозу макрофітів є: загальна площа акваторії, яку займають рослини, їх видовий склад та чисельність на 1 м2; час контакту  потоку води з біоценозом; режим експлуатації [20].

Біоплато з ВВР відзначаються  значною окислювальною спроможністю завдяки високій концентрації активного мулу, який перебуває в комбінованому стані. Активний мул створює плівку на поверхні рослин, занурених у воду, знаходячись з ними у стані симбіотичної взаємодії; перебуває у зваженому стані у вигляді пластівців, а також утворює шар природних відкладень – бентос, в якому проходить активний процес анаеробного розкладу органічних забруднень. Значну роль в процесах доочистки виконують сапрофітні бактерії та мікроскопічні водорості – планктонні організми. Вони збагачують воду киснем в результаті процесу фотосинтезу, що значною мірою компенсує штучну аерацію. Роль дезінфектантів успішно виконують ВВР за рахунок своїх продуктів обміну та кисню, який утворюється в процесі фотосинтезу, що дозволяє уникнути використання систем хлорування або озонування води.

В роботах виділяють поверхневі, інфільтраційні та наплавні конструкції біоплато. В якості поверхневого біоплато використовуються інженерні споруди або природні заболочені території з вільним рухом води через угруповання повітряноводної та укоріненої зануреної рослинності. Інфільтраційні біоплато являють собою земляні фільтруючі споруди з завантаженням зі щебеню, гравію, керамзиту, піску та інших матеріалів. Фільтрація стічної рідини може здійснюватися як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках. На поверхні завантаження висаджуються найбільш стійкі деревночагарникові та/або трав’яні рослини. Очистка стічних вод відбувається за рахунок життєдіяльності судинних рослин, мікрофітів, мікроорганізмів біоплівки і ризосфери, а також грибів і актиномісцетів  ризосфери коренів і у шарі перегною, що поступово формується. Наплавні біоплато є по суті штучними сплавинами. На поверхні плаваючих у воді матів, які виготовляють із синтетичних волокон, висаджуються трав’яні багатолітні рослини, що утворюють розвинену кореневу систему. Наплавні біоплато добре зарекомендували себе у очистці вод від плаваючих домішок.

Відомі штучно створені біоплато з  відкритим дзеркалом води, які  переважно призначені для очистки  стічних вод, де в якості водних рослин використовують: ірис, рогоз, касатік, тростник, рдест, очерет озерний, стрілолист з щільністю посадки  115 рослин на 1 м2.  Вид рослин  вибирають в залежності від природи забруднень. Біоплато заповнюють водою до рівня від 0,3 до1,5 м. при  швидкості течії 0,0050,01 м/с.

Ефективність роботи біоплато дещо знижується в осінньо-зимовий період, але якість очистки не погіршується вище ГДК для випуску очищеної води у природні водойми.

В Україні Науково інженерним центром „Потенціал” разом з Інститутом гідробіології НАНУ запропоновані різні інженернобіологічні споруди на основі закритого біоплато гідропонного типу (ЗБГТ). ЗБГТ  – водоохоронна споруда, яка поєднує основні елементи очистки з використанням іммобілізованої на інертному субстраті мікрофлори та вищих водних рослин. Особливістю ЗБГТ є регулювання якості води за допомогою штучно утвореного гідробіоценозу, якісні та кількісні характеристики складових компонентів якого формуються під безпосередньою дією ВВР, у виконаній згідно інженерних розрахунків споруді без відкритого дзеркала води.

ЗБГТ – інженерна споруда, яка  використовується тільки для доочистки  попередньо очищених в каналізаційній насосній станції з вбудованим блоком очистки (КНС з ВБО) стічних та поверхневих вод. На рис.3 приведена  типова схематична конструкція ЗБГТ. Стічні води від КНС з ВБО подаються в розподільчий колодязь, який часто розміщується безпосередньо в біоплато. Від розподільчого колодязя через систему перфорованих трубопроводів, які в конструктивному плані можуть прокладатися за паралельною або променевою схемою, вода надходить на біоплато. Фільтрація стічної води відбувається у вертикальному напрямі через шар завантаження. Використовуються фракції (мм): 1525, 2540, 4070. Товщина шару завантаження складає в середньому 1,01,5 м. Покриття споруди термоізоляційним матеріалом запобігає її промерзанню у зимовий період, та забезпечує ефективне очищення стічної води на протязі року. Конструктивно створюється природна аерація, що забезпечує дихання кореневищ ВВР та окислення забруднень [20].

Вищі водні рослини висаджуються з густиною 46 рослин на 1 м2. Стічні води транспортують через гравійне завантаження фільтраційного басейну, кореневища вищих водних рослин та бактеріальний препарат, що сприяє розкладу важко окислювальних органічних речовин. При високій забрудненості органічними речовинами стічні води перед подачею в ЗБГТ попередньо насичують киснем до концентрації вище 6 мг/л, що необхідно як для аеробного окислення органічних забруднень мікроорганізмами та перифітоном, так і для дихання кореневищ вищих водних рослин.

Конструкції ЗБГТ виконують різної у плані форми: прямокутної, овальної, довільної форми. Використання принципів  ландшафтного дизайну при проектування та будівництві споруд біоплато дозволяє широко використовувати декоративні  можливості споруд для покращення естетичних характеристик промислових майданчиків та інших територій.

Розроблені різні конструкції  біоплато, які дозволяють здійснювати  ефективне очищення та водовідведення доочищених вод у потік ґрунтових  вод або безпосередньо у водойми. На рис.4 і рис.5 представлені фото ЗБГТ на етапах введення в експлуатацію та на третьому році експлуатації.

Окрім своїх функцій як біоінженерної  споруди, біоплато як високопродуктивна  екосистема створює просторову неоднорідність в існуючих збіднілих антропогенноприродних ландшафтах, надає додаткові місця існування та харчові ресурси для багатьох видів флори і фауни, що, у свою чергу, створює сприятливі умови для підтримки біорізноманіття. Використання принципів ландшафтного дизайну при проектування та будівництві споруд біоплато дозволяє широко використовувати декоративні можливості споруд для покращення естетичних характеристик промислових майданчиків та інших територій [20].

 

5. Очищення стічних вод від  целюлозно-паперового виробництва

 

Целюлозно-паперова промисловість є однією з найбільш водоємких галузей народного господарства, тому що щорічно на цих підприємства на території СНД утворюється близько 34 млрд. м3 стічних вод. На Жидачівському картонно-паперовому комбінаті утворюється в середньому 12,775 млн м3 стічних вод на рік, які направляються на очисні споруди підприємства, і ступінь їх очистки по БПК5 складає 80-90%, що вказує на недостатнє виділення органічних речовин та завислих. Аналізом існуючих методів очистки стічних вод цієї галузі встановлено, що основні технології включають стадії, які об'єднані в різні технологічні схеми очищення цих вод. Сучасні схеми очищення стічних вод ЦБК описані в. Згідно з, схема очищення промислових стічних вод на підприємстві ЖКПК відповідає приведеній технології очищення. Стічні води після механічного очищення подаються в первинні радіальні відстійники, а потім в камери змішування з біогенними речовинами та реагентами нейтралізації з наступною подачею в аеротенки біологічного очищення. Очищену воду подають у вторинні радіальні відстійники для додаткової очистки від активного мулу та механічних домішок, а після цього у відкриту водойму через глибинний розсіюючий випуск, а активний мул частково повертають у первинний відстійник. Основну масу мулу разом з осадом перекачують у муло ущільнювач, а потім в цех обробки осаду - на обезводнення в вакуум-фільтрі і подають для захоронення [19].

На ЖКПК очищення стічних вод  в основному проводять біологічним  методом, який потребує великих енергетичних та експлуатаційних затрат. Стічні води, що поступають на очисні споруди комбінату, до і після очищення повинні відповідати нормативним величинам для скидання у водойми.

-  До очищення:

завислих  - 650-И200 мг/дм3;

ХСК -  300-500 мг/дм3;

БПК5 - 400-500 мг/дм3;

рН - 9-12;

розчинений кисень - 0,0 мг/дм3;

- Нормативні:

завислих - не більше 15 мг/дм3;

ХСК -  200 мг/дм3;

БПК5 -  15 мг/дм3;

рН - 8;

розчинений кисень - 4 мг/дм3;

-  Після очищення:

завислих - 15,4 мг/дм3;

ХСК - 216,1  мг/дм3;

БПК5 - 14,5 мг/дм3;

рН - 7;

розчинений кисень - 3,8 мг/дм3 [19].

 На целюлозних заводах в  Калінінградській області використовують  також біологічні методи очищення, які потребують великих затрат електроенергії для подачі повітря в аеротенки.

Методи фізико-хімічного очищення не потребують великих енергетичних та експлуатаційних затрат і ефективність очищення при цьому досить висока (90-98%), атому проведено дослідження цього методу з очищення промислових стоків ЖКПК.

Апробаційні дослідження з очищення реальних стічних вод - ЖКПК проводили в однолітрових циліндрах і використовували розчини коагулянтів:

гідроксохлорид алюмінію (ОХА);

суміш хлоридів алюмінію та заліза (ХАЗ);

хлорид алюмінію (ХДА) з 10% концентрацією  основного компонента.

Для визначення оптимальної дози коагулянта використовували методику, описану в, згідно з якою збільшували дозу коагулянту і визначали вміст невідцілених шкідливих компонентів за величиною ХСК в пробі, взятої з верхнього шару стічної води в скляному циліндрі після відстою протягом 1 години від часу її змішування з коагулянтом, а також ступінь ущільнення шламу через 2 години після відбору проби.

Проба реальної стічної води (20 л) мала показники:

рН - 7,3,

завислі - 1108 мг/дм3,

ХСК - 650 мг/дм3,

БПК5 -  300 мг/дм3,

сульфати -  235,1 мг/дм3,

хлориди - 53,6 мг/дм3.

Дослідження впливу дози коагулянту на ХСК, об'єм шламу і його ущільнення приведено в табл. 1. [19]

 

Результати, одержані під час апробаційних досліджень, наведено на рисунку і  показано, як змінюється ступінь очищення стічних вод за ХСК для проб води, взятих з верхнього шару в скляному циліндрі.

 

Рисунок 1. Залежності ступеня очищення стічної води від кількості коагулянту, Д (1 - ОХА; 2 - ХАЗ; 3-ХДА)

На основі результатів проведених апробаційних дослідів встановлено, що оптимальна кількість коагулянту - суміші хлоридів алюмінію і заліза складає 0,6 мл на 1,0л води, для ОХА -  0,8 мл і ХДА - 0,9 мл, а рН зменшується до 5.

Найменша кількість осаду-шламу  та найбільша ступінь ущільнення утворюються при використанні коагулянту ХАЗ. Оскільки оптимальна кількість коагулянтів різна, а ефективність очищення майже однакова, то для очищення стічних вод вибрано суміш хлоридів алюмінію та заліза.

На другому етапі досліджень проведено очищення стічних вод  в динамічних умовах. Для цього  була створена установка, яка складається з місткості - тригорлої колби з пропелерною мішалкою, в якій інтенсивність перемішування регулювали автотрансформатором, відстійника, двох фільтрувальних колонок і збірника очищеної води. Стічну воду в кількості 20 л заливали в місткість з нижнім відводом, яка встановлювалась на висоті. В одну з горловин колби з мірної бюретки дозували відповідний коагулянт, а в іншу подавали стічні води в кількості 0,3 л/год. З колби після змішування з коагулянтом вода подавалася у відстійник і поступала у збірник очищеної води. До цього процесу відділення у відстійнику для доочищення стічних вод включили і процес фільтрації на вуглецево-мінеральних матеріалах (ВММ) - різного гранулометричного складу за наступною методикою. Нижче місткості з стічною водою розміщали дві скляні колонки з нижнім підводом стічної води та верхнім зливом або навпаки, які заповнювали гранулами ВММ розміром 3-5 мм в одній та 5-7 мм в другій. Стічна вода поступала з місткості в нижню частину колонок, фільтрувалась через сорбційні гранули та зливалась зверху в місткість очищеної води [19].