Проблема обработки, возникающая с применением дизельных установок. Обработка в сепараторах гравитационного типа. Флотационный метод. Санитарная обработка сточных вод
Концентрация, рост промышленности и населения приводят к необходимости совершенствовать методы и оборудование для обработки и очистки нежелательных отходов, которые в настоящее время получаются в результате функционирования различных промышленных предприятий. Многие государственные организации были уполномочены на разработку и опубликование правил и руководящих указаний о том, где можно и где нельзя сливать в реки, озера и сточные воды или в другие места различные отходы производства, которые могут оказать вредное влияние на здоровье населения или на природные источники воды.
ПРОБЛЕМА ЗАМАСЛИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД
Большинство железных дорог некоторым образом затрагивается указанными выше правилами и постановлениями. Наиболее вредное влияние оказывает попадание в состав сточных вод масла и других нефтепродуктов из дренажной системы депо, мастерских, платформ для обмывки подвижного состава и других производственных помещений. Количество такого включения масла в сточные воды возрастает с увеличением числа тепловозов, которое на различных железных дорогах непрерывно растет.
Отходы масла получаются при эксплуатации топливных экипировочных устройств тепловозов, вагонных и локомотивных обмывочных установок служебных и деповских помещений и многих других устройств, встречающихся при применении тепловозной тяги. Очистка вагонов цистерн, производимая на ряде железных дорог, является также источником нежелательных сточных отходов, часто содержащих масло. В определенных районах, особенно там, где вода из рек, озер и других естественных источников, включая колодцы, используется для бытового или ирригационного назначения, правила по очистке сточных вод более строги.
Рис. 1. Схема очистки замасленной воды и ее движение с момента поступления (слева) до полного осветления. Осветленная вода спускается в сточную трубу или возвращается для вторичной очистки:
1 — бак с химикатом № 2; 2 — насос для подачи химиката; 3— бак с химикатом № 1; 4 — свободное масло для заливки в цистерны; 5 — клапан, регулирующий струю; 6 — отстойный бак; 7 — подача воздуха; 8 — движущиеся скребки;. 9 — коллоидно-флатационный бак; 10— слив отстоя; 11— фильтровальный насос; 12—сливная яма для отстоя; 13 — осветленная вода; 14 — в санитарный коллектор; 15 — возвратная линия для отфильтрованной воды; 16 — в циклонный коллектор: 17 — камера очищенной воды; 18 — клапан, регулирующий давление; 19 — атмосферный воздух; 20 — насос для подачи коллоидного раствора; 21— откачиваемый колодец; 22—корпус инжектора; 23 — коллекторный бассейн; 24 — маслоотделитель; 25 — контроллер; 26— осадочный бассейн; 27— слив загрязненной воды; 28— подача воздуха; 29— насос для подачи отделенного масла
Такая обстановка иногда приводит к необходимости создавать комбинированное сепарационное оборудование и установки (рис. 1) для обработки сточных вод, чтобы удалить масло и нейтрализовать другие вредные примеси, содержащиеся в сточных водах. На некоторых предприятиях железных дорог на изолированных и разбросанных территориях возможно отвести отдельные удаленные участки, на которых оборудовать сточные канавы, а также коллекторы в виде небольших резервуаров, в которые собирать сточные отходы. Масло, попадающее в эти резервуары, вследствие разности в удельном весе всплывает на поверхность воды, с которой оно собирается скребками или поджигается и сгорает. В конце концов вода из резервуара испаряется до такой степени, что уровень ее в резервуаре поддерживается ниже, чем высота водоподводящих труб.
В областях с наиболее густым населением и перенаселенных районах проблема удаления сточных вод, а в особенности масла, является для железных дорог наиболее актуальной задачей. Те же самые трудности в еще более сложной форме стояли за последние годы перед нефтяной промышленностью, но в результате проведенной исследовательской работы ряда инженеров и химиков были разработаны наиболее эффективные методы по удалению масла и других полутвердых продуктов из очищаемых сточных вод. Проблема также включает в себя вопрос определения методов водообработки для удаления или нейтрализации многих других отходов, встречающихся в рафинирующих или других нефтеперерабатывающих установках.
СЕПАРАТОР ГРАВИТАЦИОННОГО ТИПА
Усилия многих нефтяных компаний были объединены для решения задачи очистки сточных вод. Результатом этого явилось создание почти универсального приспособления в виде сепаратора гравитационного типа, который обычно приспосабливается или дополняется для химической обработки одного или другого вида сточных вод. Благодаря сравнительно низкой стоимости установки, эксплуатации и ремонта, а также гибкости применения как по размерам, так и по производительности сепаратор гравитационного типа применяется на большинстве железных дорог. В частности, сепаратор устанавливается и в таких местах, где основной задачей является удаление масла, а само количество дренируемых сточных вод невелико.
Принцип действия сепаратора гравитационного типа основан на различном удельном весе масла и воды или другой жидкости, с которой смешано масло. Теоретическое объяснение этого способа очистки заключается в том, что при скорости струи, сниженной до минимума, масло и вода разделяются в соответствии с их различным удельным весом. Очевидно, что спроектированный соответствующим образом сепаратор будет основан на конструкции, которая согласуется с количеством пропускаемой воды, скоростью потока, временем осаждения и т. д. Последние обстоятельства являются важными факторами, определяющими эффективную характеристику установки. Полную техническую характеристику установки, предназначенной для предприятий нефтяной промышленности, можно найти в руководстве по удалению нечистот из сточных вод, выпущенном и имеющемся в распоряжении Американского нефтяного института. Каждая железная дорога, планируя установку сепараторов гравитационного типа, может получить много полезного благодаря такой информации.
Сепараторы этого типа, которые были построены рядом железных дорог, изготовлены из железобетона с отсеками или камерами, спроектированными так, чтобы понизить скорость и турбулентность подаваемой в них струи воды. Камеры, изготовленные из бетона, имеют стальные или деревянные переборки. Отверстия в нижней части переборок размещены в шахматном порядке, чтобы предотвратить кратчайшую циркуляцию струи воды, но облегчить проход последней из камеры в камеру. Размеры и число камер определяются размерами сепаратора, которые основаны на величине суммарного времени нахождения воды в очистителе, необходимого для сепарации масла и воды при максимальном дебите очищаемой воды; последний определяется предварительно при полевых испытаниях. Скребки, скользящие по поверхности воды в последней камере, из которой поступает очищенная вода, удаляют масло, которое в сепарационном процессе остается на поверхности. Это мае по в основном стекает самотеком по трубам в расположенный вблизи маслосборник, из которого оно откачивается в бак для хранения до времени возможного удаления. Очищенное масло используется для различных целей, например для смазки паровозных дышел и других деталей, попадание песка на которые может привести к их повреждению.
При сравнительно большом количестве технических сточных вод, которые могут поступать из находящихся на открытом воздухе сливных ям вагонных и локомотивных моечных установок, а также из дренажных канав земляного полотна, весьма возможно, что песок, зола или другие тяжелые примеси будут содержаться в этих водах. Для таких случаев целесообразна установка отстойного бассейна перед сепаратором, где тяжелые частицы будут оседать на дно, что предохранит сепаратор от поступления чрезмерного количества песка, золы и т. д. Отстойный бассейн может быть быстро очищен с помощью грязевого или бетонорастворного откачивающего насоса без каких- либо помех для эксплуатации сепаратора.
В районах, где часто встречаются тяжелые осадки в сточной воде, обычно применяют способ обходного регулирования с помощью плотины, чтобы направить нижнюю часть струи воды, которая и несет тяжелые частицы, непосредственно наружу (из сепаратора). При этом отпадает необходимость в увеличении размеров конструкции сепаратора, которые были бы необходимы при максимальном дебите сточных вод при дождевых потоках.
Сепаратор гравитационного типа частично приспособлен для сепарации масло-водяных смесей, в которых масло находится в виде сферической формы капель сравнительно больших размеров- однако сепаратор не соответствует требованиям удовлетворительной сепарации масловодяных смесей, известных под названием эмульсий.
Эмульсии, как известно, являются очень тонкой смесью масла и воды, в которой сферические капли масла так малы, что они не могут быть отсепарированы под влиянием разницы в удельном весе. Эмульсии в больших количествах редко встречаются в практике эксплуатации железных дорог; однако там, где они встречаются, необходимо применить химические и другие добавки, чтобы разрушить эмульсионную связь воды и шлама и осуществить затем процесс сепарации, основанный на разности удельных весов. Сейчас известен ряд торговых фирм, которые конструируют и производят сепараторы. В ряде случаев выпускаемые ими сепараторы являются компактными агрегатами, которые спроектированы и построены согласно специфическим условиям, определяемым областью применения, нуждами предприятия, возможностями устройства водостоков и правилами, относящимися к данной отрасли производства.
СЕПАРАТОРНАЯ СИСТЕМА «КОЛЛОИД—ВОЗДУХ» ФИРМЫ БАЛКЛИ ДАНТОН
Муниципальными постановлениями часто предписываются строгие ограничения, относящиеся к сливу сточных вод, которые могут подвергнуть опасности состояние вод коммунального водоснабжения. Для конечных железнодорожных пунктов, имеющих тепловозные депо, и других железнодорожных обустройств, в которых в настоящее время возможны скопления и уносы масла, сточными водами фирмой Балкли Дантон предусмотрена надежная защитная система типа «коллоид—воздух». Этот процесс обработки отходящих вод, содержащих масло, с помощью растворенного воздуха полностью удовлетворяет наиболее жестким и строгим стандартным требованиям к очистке, установленным местными органами самоуправления.
Что представляет собой система «растворенного воздуха», которая применяется так эффективно при обработке сточных вод промышленных предприятий? В основном действие этого метода очистки состоит из введения нейтрализующих количеств воздуха под давлением в сточную воду для достижения хорошей флотационной способности и образования хлопьев (флоккуляции) при выделении воздуха из раствора. Эта флоккуляция ускоряется в некоторых случаях при прибавлении коллоидальных активных добавок, в основном активированного кремния и сульфата алюминия. Добавка этих компонентов усиливает флотационный эффект от действия растворенного воздуха, так как вызывает изменение изоэлектрического потенциала, служащего причиной взаимной коллоидальной флоккуляции, которая не требует значительных изменений концентрации водородных ионов в системе раствора. Величина добавки этих химикатов в растворе не превышает несколько десятитысячных процента и определяется стоимостью в несколько центов на 4 500 л воды.
При работе установки по этому методу эмульсии эффективно разрушаются и частицы коллоидальных размеров, а также некоторые растворенные твердые вещества удаляются вместе со взвешенными частицами, содержащимися в воде.
СТРУЙНЫЙ ПРОЦЕСС ДЛЯ ТИПИЧНОЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ УСТАНОВКИ
На типичной конечной железнодорожной станции, имеющей тепловозное депо, вся вода, отходящая со станционных путей и от мастерских, собирается в канализационную систему, из которой поступает сначала в отстойный бассейн, а затем через плотину в коллекторный бассейн со специальным коллоидарным насосом. В камеру этого насоса, который накачивает воду в задерживающий бак, подается в струю воды точно определенное количество воздуха, который растворяется в воде под давлением более чем 1,75 кг/см2. При очистке воды используется лишь то количество воздуха, которое может быть удержано в растворе, проходящем через удерживающий бак. В то же самое время, когда воздух поступает в раствор, два различных химиката подаются в воду, поступающую для обработки, через корпус инжектора, который установлен перед коллоидарным насосом.
Смесь остается в удерживающем баке такое время, которое необходимо для того, чтобы получить требуемую концентрацию воздуха в растворе. Поддержание установленного давления в баке, независимо от изменения расхода в подводимой струе воды, регулируется автоматически контрольным клапаном давления, смонтированным на сливной (отходящей) стороне бака. Эта регулировка позволяет подавать смесь непрерывно во входную камеру коллоидарного сепаратора, где поток воды успокаивается и распределяется через плотины во флотационные камеры.
Сепарационный эффект осуществляется во флотационной камере и всплывающие частицы (называемые шламом) механически собираются с поверхности воды передвижными скребками, прикрепленными к бесконечной ленте, и удаляются в шламосборную камеру, а оттуда под действием собственного веса в шламовую канаву. Шламовая канава оборудуется сливным насосом, который в дальнейшем уменьшает объем шлама путем слива воды, образовавшейся в результате отстоя. Эта вода стекает обратно в волновой или коллекторный колодец и является рециркуляционной по отношению к отходящей воде. Очищенная вода поступает также на дно флотационной камеры и сливается поверху в специальную камеру. Из этой флотационной камеры очищенная вода самотеком поступает в коллекторную камеру, которая имеет приспособление для отвода воды, или в городские канализационные разделительные системы или в канализационные системы для слива дождевой воды.
СЕПАРАЦИЯ МЕТОДОМ ФЛОТАЦИИ
Одним из наиболее современных и заведомо экономичных методов очистки отходящих жидкостей и удаления твердых частиц из жидких растворов является сепарация. При этом способе используется принцип растворения воздуха для получения флотационных явлений для широкого круга различных суспензий, коллоидов, эмульсий, а также для удаления разнообразных жидкостей и твердых частиц из сточных вод. Как известно, твердые или жидкие частицы с удельным весом меньшим или близким удельному весу жидкости, в которой они находятся, имеют естественную склонность к сепарации флотационным методом.
Однако многие материалы с удельным весом, превышающим удельный вес несущей их жидкости, обычно остаются в суспензии. Часто эти материалы могут быть успешно удалены с помощью воздушно-флотационной системы. Многие из этих материалов сами обладают способностью к химической коагуляции или имеют хлопьевидный характер при нахождении в сточной воде. Подобные вещества могут быть сепарированы в высокой степени, причем установлено повышение эффективности очистки путем снижения удельного веса отдельных частиц при их взаимодействии с пузырьками подаваемого в воду сжатого воздуха.
Применение этого процесса целесообразно для восстановления жидкостей и удаления из них волокнистых материалов, масел и консистентных смазок всех типов, твердых веществ в состоянии тонкой суспензии, красок и коллоидальных веществ.
Система очистки, работающая по описанному выше принципу, состоит из волнового бака или коллекторного бассейна, воздушного инжектора, насоса, удерживающего бака, входной камеры, флотационной камеры, подвижных скребков, плавающей наклонной аппарели для стока, возвратной камеры и выпускной камеры для очищенной воды, а также устройства для автоматического управления. Когда неочищенная жидкость накачивается в коллекторный бассейн, определенное количество воздуха под давлением не ниже 1,75 кг/см2 подается в струю жидкости через воздушную инжекционную систему и растворяется в ней. Воздух подается лишь в таком количестве, которое может быть удержано в растворе в то время, когда его струя проходит через отражательные перегородки замедлительного бака. Свободный воздух собирается в верхней части этого бака и выпускается через клапан, установленный в верхней крышке бака.
Струя воды из задерживающего бака поступает во входную камеру, где заканчивается флотация частиц под действием воздуха, который находится в растворе в виде микроскопических пузырьков. Эти пузырьки воздуха присоединяются к взвешенным в воде частицам и поднимают их на поверхность жидкости. Флотационные явления наблюдаются равномерно и по всей поверхности входной и флотационной камер в виде однообразного ламинарно-движущегося слоя всплывших частиц. Сконцентрированный слой всплывших веществ, образующийся во флотационной камере, непрерывно собирается со всей поверхности бака подвижными скребками и плавающей наклонной сточной аппарелью. Эти скребки непрерывно собирают всплывающий слой с поверхности очищаемой воды на наклонную сточную аппарель, с которой эти отходы очистки поступают в возвратную камеру.
Гидравлика флотационной камеры является очень важным фактором в деле достижения ее хорошей флотационной способности. Процесс с применением растворенного воздуха дает регенерированные материалы с высокой концентрацией твердых частиц. Большим преимуществом данного процесса очистки является то, что регенерированная вода или жидкость может быть возвращена для дальнейшего использования в процессе. Там, где требуется удаление отходов очистки воды, высокая концентрация шлама позволяет уменьшить размеры конструкции фильтрующей системы. Очищенная вода собирается в отдельной камере, которая предназначена как емкость для хранения жидкости, причем уровень последней поддерживается неизменным. Эта вода может быть возвращена в процесс или подана в отводящую магистраль, так как после очистки она будет удовлетворять самым высоким требованиям для очищенных вод.
Во многих случаях для достижения высокой степени регенерации целесообразно добавлять в раствор некоторые химикаты. В этих случаях рекомендуется выполнять систему подачи химикатов, которая вводит последние в раствор в хлопьевидном состоянии как единую часть сепаратора. Одним из преимуществ очистки по этому сепарационному методу является то, что он требует минимального времени нахождения жидкости в очистительных устройствах ввиду высокоразвитой поверхности контакта взвешенных в воде частиц с воздухом. Вместе с этим этот метод также обеспечивает возможность интенсификации процесса путем изменения температуры, количества добавляемых химикатов, изменения концентрации, вязкости, кислотности или щелочности среды, а также изменения удельного веса и размеров частиц. Там, где позволяют климатические условия, это оборудование может быть установлено на открытом воздухе, однако соответствующее здание является желательным, ввиду возможных длительных периодов года с низкой температурой.
Несколько подобных очистительных устройств установлено на тех железных дорогах, где отходящие воды имеют сложный состав примесей, а требования к очистке сточной воды очень высоки. Полученные при их эксплуатации результаты весьма удовлетворительны.
УДЕЛЬНЫЙ ВЕС ИЛИ ДАВЛЕНИЕ
Возможно применение для той же цели другого типа сепаратора, предназначенного специально для быстрого удаления масел из отходящей воды. Такие сепараторы применяются на большой протяженности сети железных дорог, где необходима быстрая очистка воды, стекающей от различных обустройств тепловозных депо и устройств для обслуживания тепловозов. Эти сепараторы изготовляются для различной производительности от 450 л/мин до любой производительности, которая может потребоваться для данных условий. Сепаратор выполняется из стали при малой производительности и из бетона или стали при большой производительности. Сепаратор имеет внутренние отражательные перегородки; это оборудование позволяет производить ускоренную сепарацию масел.
Процесс сепарирования происходит или в струе воды под действием разности удельных весов, причем для этих условий работы оборудование устанавливается в бетонном колодце под землей, или в системе под давлением, которая монтируется над поверхностью земли. Система очистки, установленная над землей, может быть расположена на открытом воздухе (рис. 3) или в специальном здании в зависимости от климатических условий. Эта система предусматривает подачу сточной воды насосом из коллекторного бассейна через волновой бак, в котором снижается турбулентность потока, вызванная насосом. Из волнового бака струя жидкости самотеком подается в сепаратор. Масла, которые удаляются в сепараторе, стекают под действием собственного веса в масляную камеру, расположенную ниже уровня воды в сепараторе, а затем по трубе небольшого диаметра — в бак для хранения масел довольно большой емкости, который размещен внизу сепаратора. Бак для хранения масел оборудован нефтемером, который визуально указывает количество масла в баке. На дне сепаратора смонтированы трубчатые распылители, используемые для периодической очистки сепаратора. При этом включается промывочный насос, который подает воду под высоким давлением через трубчатые распылители, что является причиной турбулизации движения потока для удаления всех осадков и отстоя. Эти осадки поступают в сливную яму, которая периодически очищается с помощью грязевого насоса. Отделенное масло откачивается из коллекторного бака в бак для хранения и последующего удаления или для применения с различной целью. Как и в других очистительных системах, рассчитанных на определенную производительность, так и в данном случае предусмотрен обходной путь воды для случаев сильных дождей.
Рис. 3. Общий вид системы очистки, расположенной на открытом воздухе
Другой тип очистительного оборудования был установлен недавно на одной из наиболее важных конечных станций большой железной дороги. Эта очистительная система включает в себя комбинацию первичного осаждения частиц под действием собственного веса и последующую обработку воды химикатами для отделения и осаждения масел из тонких эмульсий.
Установка состоит в основном из устройств первичной очистки, в которых происходит отделение склонных к осаждению твердых частиц и всплывающих на поверхность воды масел, и последующей химической обработки для отделения тонких масел и тонких масляных эмульсий. Оборудование состоит из двух первичных отстойных резервуаров, резервуаров быстрого смешивания, двух резервуаров медленного смешивания, двух резервуаров вторичного осаждения, здания для насосного оборудования и лаборатории и сливных канав для удаления возможных продуктов очистки, образующихся при работе установки.
Основной принцип действия, применяющийся при эксплуатации данного очистительного устройства, заключается в следующем. Струя отходящей воды подается в очистительную установку самотеком и там вначале проходит над очистительным порогом, перед которым осаждаются наиболее крупные из взвешенных в воде частиц. Затем струя воды поступает в какой-либо один из двух первичных отстойных резервуаров, где выделяются из раствора легко осаждаемые, твердые частицы и всплывающие на поверхность воды масла, а также удаляются грязевидные осадки. Из первичных отстойных резервуаров поток воды проходит в резервуар быстрого смешения, где он тщательно смешивается с квасцами и известью, которые были поданы туда предварительно. После этого поток поступает во вторичные или окончательные отстойные резервуары, где задерживаются взвешенные в воде твердые очень мелкие частицы, а также масляные эмульсии. Окончательно поток поступает в соответствующую камеру, откуда он спускается в реку или подается в другие водостоки.
В описанных выше установках не было предпринято попыток утилизации масел, удаляемых из отходящей воды, и последние просто откачивались насосом вместе со шламом в одну из двух сливных канав, из которых находящийся сверху раствор может быть выкачан насосом обратно в очистительную установку для повторной обработки. Предполагается, что когда концентрация раствора в сливных канавах станет настолько высокой, что повторная очистка будет уже неэкономичной, то на определенное время вся вода из сливных канав откачивается насосом, а остающиеся жидкие и твердые масла поджигаются; после этого остатки твердых отходов очистки могут быть удалены.
ЖИДКИЕ КАНАЛИЗАЦИОННЫЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Жидкие канализационные хозяйственно-фекальные сточные воды или воды, содержащие какие-либо гниющие отбросы, не должны проходить через очистительные системы типов, описанных в предыдущей главе. Такие канализационные воды должны поступать в независимую систему и затем сливаться в местные санитарные магистрали канализации или, если такой выход невозможен, — в соответствующие септические баки (загниватели) в полном соответствии с постановлениями местного самоуправления и правилами, регламентирующими размещение и удаление таких баков, а также их очистку.