Индивидуальные особенности фильтрата, образующегося на территории полигонов для захоронения различных отходов, и способы его очистки

В соответствии с ТУ 4859 – 002 – 58668292 – 2007«установки серии «Универсал», предназначенные для очистки и обеззараживания промышленных, поверхностных и хоз - бытовых сточных вод» определяется, что для очистки фильтрата до качества воды, пригодной к сбросу в водоемы рыбохозяйственного значения, необходимо реализовать нижеуказанную последовательность этапов его обработки:

- предварительная очистка;

- укрупнение;

- осветление;

- умягчение;

- обессоливание;

- обеззараживание.

Последовательность этапов очистки представлена на рисунке.

Определение воздействий, соответствующих конкретному этапу обработки, подбор очистных устройств для их оптимальной реализации с учетом индивидуальных особенностей фильтрата, образующегося на полигонах для захоронения отходов.

Устанавливаем конкретные воздействия, производимые на очищаемый фильтрат в процессе его обработки на каждом этапе, а так же выбираем очистное устройство для оптимального осуществления каждого установленного воздействия.

 1. Предварительная очистка.

Основным воздействием данного этапа является предварительное осветление (осаждение), т.е. очистка от крупнодисперсных частиц и грубых пленок, которая вначале осуществляется в приемной емкости, а затем на гидроциклоне, т.к. в данном случае достигается компактность очистной системы в целом, а так же отсутствуют фильтрующие материалы склонные к биообрастанию. Кроме того, циклон является защитным элементом,  предохраняющим всю очистную систему от возможного заиливания.

Фильтрат полигонов характеризуется высокой концентрацией высокомолекулярных растворенных веществ (псевдоколлоидных образований) и растворенных молекулярных газов, поэтому целесообразно применить аэрацию воды и осуществить ее в пенном сепараторе с интенсивной продувкой слоя воды атмосферным воздухом. При этом из фильтрата будут извлечены ПАВ и такие газы как: аммиак, сероводород, СО₂ и т.д. Удаление ПАВ необходимо, т.к. данные вещества препятствуют слипанию  ультравзвешенных частиц (мутность) и коллоидов (цветность) на этапе укрупнения, т.о. аэрация является необходимым воздействием.

Введение окислительного агента на данном этапе обработки является нецелесообразным из-за высокого значения показателя ХПК, т.к. для полного окисления загрязнений, содержащихся в исходной воде, потребуется очень большая доза окислителя, что повлечет за собой значительное увеличение стоимости очистки. Основной вклад в численное значение ХПК вносят ультравзвешенные и коллоидные примеси, концентрация которых в фильтрате может достигать величины 1200 (мг/л), поэтому введение окислительного агента возможнотолько после их удаления.

Водородный показатель исходной воды с течением времени может значительно изменяться, поэтому на данном этапе следует предусмотреть рН-корректировку фильтрата (нейтрализацию). Реагент целесообразно вводить перед пенным сепаратором, а одну из его секций использовать в качестве камеры смешения.

Вывод: На этапе предварительной очистки необходимо использовать следующие очистные устройства:

приемная емкость ((колодец) → гидроциклон → пенный сепаратор                                                                               

                                          ↑                                                          

                                 устройство рН-корректировки

ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за очень высокого значения БПК возможность использования метода биологической очистки даже не рассматривалась. Применение аэротенка после предварительного снижения БПК до 200 (мгО₂/л), также не представляется возможным, т.к. получение указанной величины БПК возможно только после обработки фильтрата окислительными агентами, которые одновременно являются высокоэффективными бактерицидными веществами, поэтому после их использования жизнеспособность рабочих микроорганизмов вызывает большие сомнения.

2. Укрупнение.

Однако, как уже отмечалось в предыдущем пункте, остаточное загрязнение после этапа предварительной очистки составляют вещества II пограничной (ультравзвешенные частицы) и III основной (коллоидные образования) групп, а их выделение из воды с помощью контактных осветлителей или фильтрующих устройств, без предварительного укрупнения, не не представляется возможным. Укрупнение данных загрязнений достигается при использовании флокулянтов(II группа) и коагулянтов (II и III группы) и, т.к. в составе фильтрата содержаться вещества, принадлежащие к обеим названным группам, то наиболее оптимальным становится применение коагулянтов.

В качестве коагулянтов используют либо растворы солей металлов (реагентное коагулирование), либо непосредственно растворяют сам металл электрохимическим способом (электрокоагулирование).

Применение электрокоагулирования является более предпочтительным, особенно в локальных, небольших очистных системах, так как электрокоагуляторы отличаются компактностью и простотой управления, в процессе эксплуатации максимально надежны и требуют меньших трудозатрат при их обслуживании. Кроме того, после осуществления процесса электрокоагуляции солевой состав (сухой остаток) и рН обработанной воды практически не изменяются. Для наших условий использование электрокоагуляции имеет еще одно, очень существенное преимущество. В исходной воде наблюдается достаточно высокая концентрация хлоридов, а именно каменной соли NaCl. При электрообработке с такой концентрацией хлоридов наряду с насыщением воды коагулянтом (аноднорастворенным металлом), наблюдается анодный разряд хлорид-ионов с образованием в объеме электрокоагулятора гипохлорита натрия NaOCl и хлорноватистой кислоты HOCl (активный хлор), которые являются высокоэффективными обеззараживающими и окисляющими агентами. Присутствие в исходной воде аммиака и ионов аммония играют положительную роль, так как их наличие стабилизирует процесс коагуляции и, кроме того, аммиак окисляется хлорноватистой кислотой с получением хлорамина NH₂Cl, который также является высокоэффективным бактерицидным агентом, но обладает более длительным (пролонгированным) действием, чем активный хлор. Данный прием называется в водоподготовке хлорированием с преаммонизацией.

Итак, электрокоагуляция имеет двойное назначение, также как и отдувка. Во-первых, осуществляется введение в обрабатываемую воду коагулянта и, во-вторых, в объеме электродного  блока производится синтез бактерицидного и окисляющего агента, гипохлорита натрия, следовательно, обеспечивается предварительное обеззараживание и доокисление поступающего стока. Таким образом, применение электрокоагулятора уменьшает количество применяемых устройств, тем самым упрощается очистная система в целом и значительно уменьшаются ее габаритные размеры. Как было отмечено в п.3.18 Настоящего документа, укрупнение загрязнений II и III групп является ядром всего процесса очистки, т.к. от эффективности его проведения всецело зависит работоспособность всех последующих очистных устройств, поэтому электрокоагуляция будет подробно рассмотрена в разделе расчетов.

После введения коагулянта (как правило,  в качестве коагулянта используются ионы алюминия) необходимо некоторое время для проистекания гидролиза ионов металла и выделения его из растворенного состояния в форме гидроокиси, например, Al(OH)₃ или, так называемых, хлопьев. Гидроокиси или хлопья имеют объемную, развитую поверхность, обладающую хорошими адсорбционными свойствами. Мелкодисперсные и коллоидные частицы адсорбируются на поверхности хлопьев за счет чего, собственно, и происходит процесс их укрупнения. Поэтому после электрокоагулятора необходимо предусмотреть отстойник,  предназначенный для пребывания воды, с целью осуществления хлопьеобразования, максимальная интенсивность которого наблюдается при малоинтенсивном перемешивании воды.

Кроме того, в отстойнике осуществляется гравитационное осаждение полученных хлопьев с образованием осадка, который затем возвращается на полигон захоронения отходов. Осадок является смесью загрязнений, выделенных из воды и нерастворимых в органических кислотах.

После укрупнения и выделения в осадок мелкодисперсных и коллоидных частиц, показатели БПК и ХПК обработанной воды будут значительно снижены, но этого, как показывает опыт очистки фильтрационных вод полигонов, недостаточно. Величина остаточного загрязнения по ХПК, после коагуляции и отделения полученных хлопьев, составляет не менее 500 (мгО₂/л), причем ни увеличением дозы коагулянта, ни изменением продолжительности отстаивания, добиться снижения указанной величины не возможно, т.е. данное численное значение ХПК, в этом случае, является предельным для метода коагуляции (данные по эксплуатации аналогичных устройств в подобных условиях). Установленный факт объясняется наличием в фильтрате значительной концентрации примесей из IV пограничной группы (псевдоколлоидов). Данные вещества являются высокомолекулярными растворами и в пенном сепараторе, на этапе предварительной очистки удаляются лишь те из них, которые обладают свойством поверхностной активности, т.е. могут оказывать влияние на силу поверхностного натяжения жидкости. Однако, большая группа высокомолекулярных органических соединений данного свойства не имеет и, поэтому, остается в растворе после предварительной очистки воды и ее обработки коагулянтом. При этом фильтрация или контактное осветление на концентрацию загрязнений из IV группы практически не влияют, а их очистка сорбентами экономически нецелесообразно по причине быстрой утраты сорбционной активности у дорогостоящих активированных загрузок.

Таким образом, возникает необходимость в использовании дополнительного воздействия, а именно, окисления. В качестве окислителя возможно применение следующих агентов: озон, гипохлорит, пероксид, перманганат и бихромат. Выбор конкретного вещества из указанного ряда связан со специфическими особенностями фильтрата определенного полигона и производится в процессе реальной эксплуатации.

После введения окислительного агента необходимо предусмотреть контактную емкость, причем данная емкость предназначена не только для пребывания воды с целью завершения химических реакций, но и для осаждения окисленных загрязнений, которые,  выделяясь из раствора также укрупняются на остаточных хлопьях гидроокиси алюминия и выпадают в осадок, т.е. названная емкость выступает и в качестве отстойника.

Вывод: На этапе укрупнения необходимо использовать следующие очистные устройства:

Электрокоагулятор → отстойник → отстойник                                                          

                              ↑                         

                              Окислитель

ПРИМЕЧАНИЕ: Повторное коагулирование продуктов окисления не оптимально по причине чрезмерного увеличения габаритных размеров системы очистки. Гораздо проще сразу предусмотреть некоторый избыток коагулянта, вводимого в начале этапа укрупнения.

3. Осветление.

Основными воздействиями для данного этапа являются контактное осветление или фильтрация, а так же сорбция. Остаточные хлопья эффективно отделяются на поверхности зернистых загрузок методом контактного осветления. В качестве устройства контактного осветления используются фильтры загруженные фильтроагрегатом на основе дегидратированного алюмосиликата, тем самым достигается максимальная компактность названных устройств.

После контактного осветления оптимально использовать устройство на основе метода сорбции. Сорбция обеспечивает доочистку воды от молекулярно растворенных (слабоокисляемых) органических веществ, остаточного сероводорода и аммиака, а так же от растворенных нефтепродуктов и прочих техногенных загрязнений.

Наличие в воде остаточного активного хлора, электрохимически полученного на этапе укрупнения в блоке электродов электрокоагулятора, препятствует биообрастанию зернистых загрузок, трубопроводов и стенок корпусов очистных элементов.

Вывод: На этапе осветления необходимо использовать следующие очистные устройства:

контактный осветлитель → сорбционный фильтр

4. Умягчение.

Умягчением воды является процесс удаления из нее солей жесткости.

Умягчение осуществляется следующими способами и устройствами:

·  Реагентный способ подразумевает введение определенных веществ (растворы извести, соды, едкого барита и т.д.), которые при взаимодействии с катионами Са²⁺, Mg²⁺и анионами CO₃^2-, SO₄^2-, образуют соединения нерастворимые в воде (CaCO₃, Mg(OH)₂, BaSO₄и т.д.). Полученные соединения выделяют из воды путем их осаждения или фильтрования. По сути реагентное умягчение можно применять как перед этапом предварительной очистки, так и перед осветлением. Однако, данный способ подразумевает наличие развитого реагентного хозяйства, а так же дополнительного  отстойника и блока засыпных фильтров. Кроме того, после умягчения реагентным способом, вода приобретает высокий рН (>10), а, следовательно, необходима ее дополнительная обработка кислотой, что увеличивает и без того развитое реагентное хозяйство. Таким образом, реагентный метод умягчения не пригоден для очистных систем компактного блочно-модульногоисполнения.

·  При ионообменном способе, вода подвергается обработке на специализированных загрузках (ионообменные смолы, сульфоуголь). В процессе ионообмена осуществляется замещение находящихся в воде катионов Са²⁺и Mg²⁺, NH₄⁺и т.д.  на другие катионы, содержащиеся в загрузке, например, ионы Na⁺ или Н⁺.

·  Применение методов обратного осмоса, дистилляции и электродиализа ограничивается возможностью выхода из растворенного состояния таких соединений, как гипс (CaSO₄•2H₂O) и ландсфордит (MgСО₃•5Н₂О) за счет увеличения их концентраций в процессе очистки воды на обратноосмотических мембранах, в дистилляторе или электролизере. Причем выделение данных веществ протекает на поверхностях мембран, термических элементов или электролитических пластин, что приводит к поломке названных элементов. Для удерживания концентрации перечисленных соединений ниже предела их растворимости, необходимо наличие непрерывного дренажа в обратноосмотической установке или периодической продувке камер дистиллятора и электролизера. Объемы дренажных  и продувочных вод могут составлять до 50% от общего потока очищаемой воды.

Таким образом, использование для умягчения воды обратноосмотических и электродиализных установок, а также дистилляторов нецелесообразно.

На основании изложенной информации можно сделать вывод, что ионообменное и реагентное умягчение можно использовать при создании условий для устойчивого функционирования обратноосмотических и электродиализных установок, а так же дистилляторов. Предварительное умягчение позволяет значительно уменьшить объемы дренажных вод, образующихся в процессе эксплуатации названных устройств.

5. Обессоливание.

Обессоливанием называется процесс полного или частичного удаления из воды катионов Na⁺, NH₄⁺и др. и анионов Cl^-, SO₄^2-, NO₃^- и т.д.

Существуют следующие методы обессоливания:

·  Дистилляция (переиспарение) – требует предварительного умягчения воды (см.выше), весьма энергозатратный способ, устройство имеет значительные габаритные размеры (установка производительностью 1 (м³/ч) размещается в контейнере 9м х 2,5м х 2,56м). Объем концентрата (рассола), не менее 15% от общего потока очищаемой воды (при условии предварительного умягчения). После очистки необходимо охлаждение воды. Применяется для источников с исходным солесодержанием свыше 10 (г/л).

• Обратный осмос – требует предварительного умягчения воды (см.выше), объем дренажа (рассола) составляет не менее 20% от общего потока очищаемой воды (при условии предварительного умягчения). Необходима мощная предварительная очистка, т.к. оборудование очень чувствительно к качеству исходной воды. Применяется для источников с исходным солесодержанием до 10 (г/л).

• Электродиализ – требует предварительного умягчения (см.выше). Наиболее целесообразно использовать для опреснения воды с концентрацией NaCl 5÷7 (г/л), при этом предельная остаточная концентрация NaCl в очищенной воде составляет ~ 1 (г/л), т.е. обработанная вода требует дополнительного обессоливания. Объем дренажа (рассола) составляет не менее 15% от общего потока очищаемой воды (при условии предварительного умягчения).

• Ионный обмен – не требует предварительного умягчения воды, т.к. сам является одним из способов удаления ионов Са²⁺ и Mg²⁺ (см.выше). Применяется для обессоливания источников с исходным общим солесодержанием не более 3 (г/л). Объем концентратов (отходов) составляет ~ 5÷7% от общего объема очищаемой воды (без предварительного умягчения).

В нашем случае, использование метода ионного обмена не представляется возможным, т.к. общее солесодержание превышает 3 (г/л) [~7 (г/л)].

• Метод дистилляции, как было отмечено, отличается высокими энергозатратами, поэтому используется только для деминерализации воды, имеющей сухой остаток свыше 10 (г/л), т.е. в том случае, когда другие методы обессоливания не применимы.

• После очистки воды электродиализным методом наблюдается высокая остаточная концентрация солевых растворов, что, в нашем случае, потребует наличия дополнительного блока обработки ионообменном или обратным осмосом. Таким образом, система водоподготовки значительно усложняется как в изготовлении, так и при эксплуатации.

• При обессоливании с помощью мембран, необходимо обеспечить определенное качество воды, подаваемой в обратноосмотическую установку, т.е. на этапе предварительной очистки и осветления из фильтрата должны быть удалены взвешенные вещества, ионы тяжелых металлов, ПАВ, коллоидные растворы, а также ионы Са²⁺ и Mg²⁺ и т.д. При выполнении названных условий обратноосмотическая установка работает достаточно надежно и устойчиво с постоянным дренажом ~ 20% от расхода, вне зависимости от периодического изменения солевого состава исходной воды. Другими словами, если обеспечить отсутствие указанных загрязнений в воде подаваемой на установку, то потребуется только ее разовая наладка (пусконаладка), а далее процесс обессоливания осуществляется автоматически и не требует дополнительной настройки системы, в случае изменения концентрации солевых растворов в исходной воде. Таким образом, обратный осмос выделяется меньшими эксплуатационными затратами и не требует постоянного присутствия квалифицированного обслуживающего персонала.

Обозначенные выше этапы предварительной очистки и осветления, позволяют получить устойчивое качество осветленной воды вполне позволяющее использовать для ее опреснения обратный осмос. Однако, перед обратноосмотической обработкой необходимо предусмотреть наличие дополнительного устройства водоумягчения (см.выше).

Наиболее оптимально использование Na-катионитовых фильтров, как наиболее компактного и надежного оборудования. При этом регенерация данных загрузок производится раствором поваренной соли NaCl.

Вывод:Наиболее целесообразным, как с экономической точки зрения, так и с технической, является последовательное использование Na-катионитового фильтра, с целью водоумягчения, и обратноосмотической установки, для ее обессоливания.

ПРИМЕЧАНИЕ: Производительность обратноосмотической установки, объем дренажных вод, площадь и селективность мембран взаимосвязаны, поэтому, например, для снижения объема дренажных вод до 10%  следует увеличить площадь мембраны ~ в 2 раза, т.е. допустим, взять установку с номинальной производительностью 3 (м³/ч) и эксплуатировать ее с расходом не более 1,5 (м³/ч), но при этом уменьшить дренаж до 10% от объема воды, подаваемой на очистку (0,15 м³/ч). При этом, учитывая, что все катионы были замещены на катионы Na⁺в ионообменном фильтре, а их концентрация в дренаже возрастает в 10 раз, дренажные воды вполне можно использовать в качестве реагента для восстановления ионообменных свойств Na-катионитовой смолы. Кроме того, дренаж так же можно использовать для обратной промывки загрузки контактного осветлителя и сорбента. Данные воды представляют собой концентрированный ионный раствор, в котором полностью отсутствуют взвешенные вещества, коллоиды и молекулярные растворы, поэтому дренаж никак не может повредить указанным загрузкам.

6. Обеззараживание.

Обеззараживание является обязательным этапом при очистке любой исходной воды. Качество очищенной воды, в данном случае, позволяет применить устройство УФ-облучения.

ПРИМЕЧАНИЕ:Консервацияобеззараженной воды не требуется.