Подготовка осадка к обезвоживанию, складированию, утилизации

Обработка и утилизация осадка в нашей стране — одна из самых острых и актуальных проблем. В настоящее время применяется много различных методов по обработке осадка с целью его последующего использования в хозяйственной деятельности или ликвидации.

При обработке осадка достигаются его стабилизация (или минерализация), обезвоживание (уменьшение объема) и обеззараживание. Применение одного какого-либо метода, как правило, не позволяет решить проблему, и приходится использовать сочетание методов применительно к конкретному составу сточных вод, технологической схеме очистки, условиям эксплуатации очистных сооружений и практической возможности использования осадка. В табл. 13.1 приведены возможности наиболее распространенных методов обработки осадка, которые следует рассматривать как отдельные процессы в схемах полной обработки осадка.

Таблица 13.1

Методы обработки осадка

Для уменьшения объема активного ила, образующегося на очистных сооружениях, его уплотняют. Уплотнение одновременно с уменьшением объема приводит к увеличению удельного сопротивления и, следовательно, к снижению эффективности обезвоживания. Активный ил без уплотнения из-за его малой концентрации обезвоживать нерационально с экономической точки зрения, но учитывая, что его удельное сопротивление при уплотнении возрастает очень резко, следует выбирать оптимальную степень уплотнения. Наиболее распространенным и экономичным методом уплотнения осадка является гравитационное уплотнение в илоуплотнителях различных конструкций. Продолжительность уплотнения от 5 до 15 ч, влажность активного ила после уплотнения составляет 97…98%.

Стабилизация осадка различными методами применяется для предотвращения его загнивания при хранении в естественных условиях, а также для уменьшения объема осадка в результате разложения органического вещества.

Стабилизация или минерализация органического вещества осадка может осуществляться в анаэробных условиях (метановое брожение) и в аэробных условиях (окисление органического вещества бактериями при аэрации осадка воздухом).

Для обработки и сбраживания сырого осадка применяют септики, двухъярусные отстойники (эмшеры), метантенки, аэробные стабилизаторы, иловые площадки.

Септик — это сооружение, где в одной емкости одновременно происходит осветление воды и перегнивание выпавшего из нее осадка. Ввиду крупных недостатков, свойственных этим сооружениям, в настоящее время их применяют только на установках небольшой производительности.

Двухъярусные отстойники, или эмшеры (рис. 13.1), применяют для отстаивания сточной жидкости, сбраживания и уплотнения выпавшего осадка. Благодаря простоте сооружения подобного типа получили большое распространение в практике очистки бытовых сточных вод, главным образом для небольших и средних установок с расходом до 10 тыс. м3/сут.

Двухъярусный отстойник представляет собой сооружение цилиндрической или прямоугольной формы с коническим или пирамидальным днищем. В верхней части сооружения расположены осадочные желоба глубиной до 2 м, а нижняя часть является иловой (септической, сбраживающей осадок) камерой.

Осадочные желоба, по которым протекает сточная вода, выполняют функции горизонтального отстойника и в них происходит выпадение оседающих взвешенных веществ. Выпавший осадок сползает по наклонным стенкам нижней части желоба в щель шириной 0,15 м и падает в иловую камеру. Нижние грани желоба должны перекрывать одна другую примерно на 0,15 м, чтобы всплывающие при перегнивании частицы ила и пузырьки газа не попадали в осадочный желоб.

Впуск воды в осадочный желоб и выпуск из него выполняют так же, как и в горизонтальных отстойниках: в виде водосливных и сборных лотков на всю ширину желоба. В начале осадочной части устанавливают входную полупогруженную доску для равномерного распределения воды по всему сечению, а в конце — выходную для задержания на поверхности воды всплывающих частиц.

Рис. 13.1. Схема двухъярусного отстойника:

1 — отвод перегнившего осадка; 2 — осадочный желоб; 3 — камера ферментации; 4 — корпус отстойника; 5, 7 — подающий и отводящий лотки; 6' - распределительный лоток Сброженный ил удаляют из септической камеры снизу (как в вертикальных отстойниках) через иловую трубу под гидростатическим давлением столба воды 1,5 м, считая от центра отверстия иловой трубы до уровня воды.

Обычно двухъярусные отстойники устраивают с двумя желобами. Одиночные желоба применяют при малых диаметрах отстойников (до 5…6 м).

Метантенк — специальное сооружение, служащее для сбраживания осадка при его искусственном подогреве и перемешивании. Он представляет собой цилиндрический или прямоугольный железобетонный резервуар с коническим днищем и герметическим перекрытием, в верхней части которого имеется колпак для сбора газа, откуда он отводится для использования (рис. 13.2). Устройство на очистных станциях сооружений для сбраживания осадка дает возможность уменьшить его количество и подготовить его для дальнейшего использования в качестве удобрения или для утилизации.

Метантенки устраивают с неподвижным затопленным, с неподвижным незатопленным и с подвижным (плавающим) перекрытием. Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижными незатопленными перекрытиями. Перемешивание осадка производят насосами, забирающими ил из нижней части камеры и подающими его в верхнюю часть, гидроэлеваторами или специальными мешалками, или осуществляют с помощью тепловой циркуляции.

Рис. 13.2. Схема метантенка:

1 — корпус; 2, 11 — подача свежего и отвод сброженного осадка; 3 — нагревательные элементы; 4 — центральная труба с мешалкой внутри для циркуляции осадка; 5 — электродвигатель мешалки; 6 — газовый колпак; 7 — уровень осадка; 8 — перелив сточной воды под осадком; 9 — обогревательная печь; 10 — насос для циркуляции теплоносителя; 12 — отражательный диск На современных очистных станциях в метантенк на сбраживание поступает не только осадок из первичных отстойников, но и избыточный активный ил.

Осадок в метантенке подогревают различными способами: непосредственным впуском в метантенки острого пара, распределением его с помощью эжектирующих устройств; подачей пара во всасывающую трубу насоса, перекачивающего сырой осадок в метантенки; подачей горячей (до 60 °С) воды по теплообменникам, уложенным внутри метантенка, а также комбинированными способами.

Сбраживание осадка в метантенках осуществляется в мезофильном (при 33 °С) или термофильном (53 °С) режиме, что определяется способом дальнейшей обработки осадка. Для нормальной работы метантенков осадок в них должен поступать равномерно и при сбраживании подогреваться до заданной температуры. Количество осадка, подаваемого ежесуточно в метантенки, должно составлять при мезофильном режиме 7…10% объема метантенка, при термофильном режиме — 14…19% в зависимости от влажности сбраживаемого осадка, т. е. продолжительность сбраживания в мезофильных условиях 10…14 сут, в термофильных — 5…7 сут. Величина максимально возможного сбраживания для разного по химическому составу осадка в среднем составляет для осадка первичных отстойников до 53%, для активного ила — до 44%.

При сбраживании осадка в метантенках образуется метансодержащий газ, весовое количество которого составляет примерно 1 г на 1 г разложившегося органического вещества, теплотворная способность — 5000 ккал/м3.

В состав газа входят: метан (до 70%), углекислый газ, азот, водород, оксид углерода. Получаемый газ после соответствующей обработки может использоваться для подогрева метантенков. Термофильное сбраживание требует большего расхода теплоты, а образующийся осадок плохо отдает воду и требует более тщательной подготовки к обезвоживанию, чем осадок, полученный в мезофильных условиях. С другой стороны, при термофильном сбраживании происходит обеззараживание осадка.

Сброженный осадок имеет высокую влажность (95…98%), что крайне затрудняет применение его даже в сельском хозяйстве для удобрения и требует дальнейшего обезвоживания. Наиболее простой способ обезвоживания — подсушивание осадка на иловых площадках, где его влажность может быть уменьшена с 95 до 80…75%.

Основными путями интенсификации технологии анаэробного сбраживания являются оптимизация исходной влажности осадка и нагрузки на метантенки; конструктивное разделение двух свойственных процессу фаз: кислого и метанового брожения — на две и более ступени; повышение температуры сбраживания и улучшение условий перемешивания содержимого метантенков.

При фазовом разделении анаэробного сбраживания на две и более ступеней общая продолжительность процесса может быть сокращена до 3…4 сут. В целом анаэробное сбраживание целесообразно применять для крупных очистных станций.

Аэробные стабилизаторы осадка значительно проще и безопаснее метантенков с анаэробными процессами как конструктивно, так и в эксплуатации. Аэробная стабилизация осуществляется в резервуарах типа аэротенков при длительной аэрации осадка воздухом. При аэробной стабилизации осадок приобретает хорошую водоотдачу. Стабилизации подвергается, как правило, активный ил или смесь активного ила с осадком первичных отстойников. Процесс при температуре около 20 °C длится от 2 до 15 сут. в зависимости от вида осадка. При изменении температуры на 10 °C аналогично другим биологическим процессам продолжительность стабилизации изменяется в 2…2,5 раза.

Длительность процесса зависит от состава осадка, температуры, интенсивности аэрации и необходимой степени распада органического вещества для получения максимальной зольности и улучшения водоотдачи. Распад органического вещества колеблется в широких пределах в зависимости от свойств осадка — от 5 до 50%.

Расход воздуха, подаваемого в аэробные стабилизаторы системой пневматической аэрации, принимается 1…2 м3/ч на 1 м³ объема стабилизатора. Интенсивность аэрации — не ниже 6 м3/(м2/ч) для поддержания осадка во взвешенном состоянии.

Объем V аэробного стабилизатора для активного ила определяется из соотношения.

V= Gt/C,.

где G — суточное количество сухого вещества осадка, подаваемого в стабилизатор, т/сут; t — требуемая продолжительность сбраживания, сут; С — концентрация сухого вещества, поддерживаемая в сооружении, т/м3.

Наиболее простой и распространенный способ обезвоживания сырого и сброженного осадка — сушка его на иловых площадках. Они представляют собой спланированные карты, оборудованные дренажем участки земли (рис. 13.3). На иловых площадках осуществляются уплотнение осадка и удаление жидкости с поверхности, фильтрация ее через слой осадка, удаление с помощью дренажа, испарение с поверхности осадка. Применяются различные типы иловых площадок: на естественном основании с дренажом или без дренажа, на искусственном асфальтобетонном основании с дренажом, каскадные с отстаиванием и удалением воды с поверхности.

Рис. 13.3. Иловые площадки:

1 — илоразводящий лоток; 2 — шибер; 3 — сливной лоток; 4 — дренажные трубы; 5 — деревянный щит под сливным лотком; 6 — съезд на карту; 7 — дорога; 8 — кювет оградительной канавы; 9 — сборная дренажная груба; К-1 — К-5 — колодцы Сырой осадок из отстойников или сброженный осадок из метантенков, двухъярусных отстойников либо других сооружений, имеющий влажность от 90% (из двухъярусных отстойников) до 99,5% (несброженный активный ил), периодически наливается небольшим слоем на эти участки и подсушивается до влажности 75…80%. Фильтрация идет интенсивно первые 3…4 сут, влажность осадка при этом уменьшается до 91…87%. Нагрузка на иловые площадки в зависимости от климатических условий, вида осадка, метода его предварительной подготовки и типа иловых площадок составляет 0,8…2,5 м3/(м2 • год).

На малых очистных станциях для удобства эксплуатации ширину отдельных карт принимают не более 10 м. Па средних и больших станциях ширина карт может быть увеличена до 35…40 м. Карты отделяют друг от друга оградительными валиками. Размеры карт на средних и больших станциях целесообразно назначать с учетом размещения ила, выпускаемого за один раз, при толщине слоя летом 0,25…0,3 и зимой 0,5 м.

Ил к площадкам подводится по трубам, укладываемым по большей части в теле разделительного валика с уклоном 0,01…0,03 и снабжаемым выпусками. Иловые площадки необходимо своевременно освобождать от подсушенного осадка для использования в качестве удобрения.

Длительность процесса, неблагоприятные для естественной сушки атмосферные условия, перегрузки по количеству поступающего осадка и отсутствие достаточного уровня эксплуатации в связи с несовершенством или отсутствием уборочных механизмов зачастую определяют неудовлетворительную работу иловых площадок, независимо от их конструкции, что приводит к развитию методов механического обезвоживания.

Для механического обезвоживания осадка могут быть применены центрифугирование, фильтр-прессование и вакуум-фильтрование.

При центрифугировании и (или) фильтр-прессовании возможно разрушение прочностных связей влаги, находящейся в осадке, это подтверждается практикой по обезвоживанию осадка городских сточных вод на фильтр-прессах и центрифугах, где отфильтрованный осадок имеет более низкую влажность по сравнению с его влажностью после вакуум-фильтрования. Процесс удаления воды из осадка центрифугированием основан на действии центробежной силы. Он завершается в течение нескольких минут.

Для обезвоживания осадка большое распространение получили осадительные горизонтальные центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой кека (продукта низкой влажности). Работу центрифуги характеризуют ее производительность, эффективность задержания сухого вещества осадка и влажность получаемого кека. Эффективность задержания сухого вещества в зависимости от вида осадка варьируется от 10 до 65%, влажность кека — от 60 до 85%. Для повышения эффективности центрифугирования используют катионные флокулянты, которые позволяют повысить эффективность задержания сухого вещества до 90…95%, а в некоторых случаях до 99%, тогда как минеральные коагулянты повышают этот показатель до 70…80%. Учитывая большое количество сухого вещества, остающегося в фугате (отделяемая влага), при использовании центрифуг приходится предусматривать дополнительную обработку фугата, кроме случаев эффективного применения флокулянтов.

При применении для обезвоживания осадка фильтр-прессов получают осадок влажностью 50…70%. Рамные и камерные фильтр-прессы являются установками периодического действия, ленточные горизонтальные, вертикальные, барабанные фильтр-прессы — непрерывного действия. Производительность фильтр-прессов: для сброженных осадков из первичных отстойников — от 7 до 17 кг/(м2 — ч), для активного ила — от 2 до 7 кг/(м2 • ч).

Перед механическим обезвоживанием осадка для снижения его удельного сопротивления необходимо применять реагентную обработку, например хлорное железо (FeCl3) и известь (СаО). Метод обработки осадка флокулянтами прост и безопасен в эксплуатации, не вносит посторонних дополнительных компонентов, а по сравнению с хлорным железом значительно меньшие дозы флокулянтов снижают удельное сопротивление осадка до величин, позволяющих обрабатывать его на вакуум-фильтрах и фильтр-прессах, и при том не требуют применения извести.

Периодически требуется регенерация фильтровальной ткани 10%-ным раствором ингибированной соляной кислоты.

Вакуум-фильтр представляет собой горизонтально расположенный барабан, обтянутый фильтрующей металлической или пластмассовой сеткой или тканью. Примерно на 1/3 диаметра он погружен в корыто, в которое поступает подлежащий обезвоживанию осадок.

Внутренними продольными перегородками, расположенными радиально, барабан разделен на несколько секторов — самостоятельных камер. При вращении барабана камеры входят поочередно в соприкосновение с трубами от вакуум-насоса или компрессора, присоединенными к неподвижному диску, находящемуся у одной из торцовых стенок барабана. В камерах, погруженных в корыто с осадком, последний вследствие вакуума присасывается к поверхности барабана и налипает на нее слоем 10…30 мм. В этих же камерах (при выходе их из корыта) также под действием вакуума происходит отделение воды от твердого вещества, т. е. собственно процесс обезвоживания осадка. Далее камеры соединяются с компрессором, который отдувает обезвоженный налипший осадок.

Обезвоженный осадок, снятый с поверхности барабана специальным ножом, поступает на конвейер, откуда его направляют на последующую сушку или к месту использования (рис. 13.4). Профильтровавшаяся вода (фильтрат) перекачивается центробежным насосом на биологическую очистку. Скорость вращения барабана равна в среднем 4 об/мин.

Рис. 13.4. Схема установки механического обезвоживания осадка:

1 — метантенк; 2 — мерный резервуар; 3 — повысительный насос; 4,5 — подача воды и сжатого воздуха; 6 — резервуар для промывки осадка; 7 — уплотнитель; 8 — сборник уплотненного осадка; 9 — емкость для коагулирования осадка; 10 — вакуум-фильтр; 11 — конвейер; 12 — передача осадка в отделение термической сушки Производительность вакуум-фильтра зависит от состава осадка, влажности, способа коагуляции, фильтрующего материала и др. Хорошо фильтруется сброженный осадок из первичных отстойников. Снижение влажности до 93,2% повышает производительность фильтра до 32,5…35 кг/м2, повышение влажности до 96% понижает его производительность до 15…17,5 кг/м2.

Величина требуемого вакуума при обезвоживании осадка из первичных отстойников равна 53…67 кПа, при обезвоживании активного ила 33…47 кПа. Количество отсасываемого воздуха составляет 0,5…0,6 м3/мин на 1 м² поверхности фильтра. Расход сжатого воздуха с давлением 40…50 кПа равен 0,1 м³ на 1 м² поверхности фильтра. В зависимости от качества осадка и наличия в нем активного ила производительность вакуум-фильтра колеблется в пределах 15…40 кг/м2 • ч по сухому веществу при вакууме 40…67 кПа. Обезвоженный осадок имеет влажность 70…80%. Для уничтожения яиц гельминтов его подогревают до 60 °C или подвергают термической сушке.

Термическая сушка позволяет получить незагнивающий продукт при влажности всего только 20…25%, что значительно облегчает условия его перевозки и хранения. Обезвоженный этим способом осадок можно в расфасованном виде доставлять к месту его использования.

Для термической обработки осадка применяют сушилки мельницы, вращающиеся сушилки барабанного тина, шахтные или вальцовые сушилки и сушку с последующим сжиганием в печах.

Осадок сушится проходящими через сушилку топочными газами, полученными путем сжигания в специальной топочной камере газом из метантенков. Температура поступающих топочных газов около 800 °C, выходящих — 246 °C.