Процессы и сооружения для обезвоживания осадков сточных вод

Обезвоживание осадков в естественныхусловиях. Иловые площадки предназначены для естественного обезвоживания осадков, образующихся на станциях биологической очистки сточной воды, и до сих пор остаются самым распространенным в России методом обезвоживания. Работа иловых площадок в большой степени зависит от климатических и других природных факторов. Иловые площадки представляют собой спланированные участки земли, разделенные на карты с земляными валиками.

Иловые площадки на естественном основании без дренажа проектируются на хорошо фильтрующих грунтах при залегании грунтовых вод на глубине не менее 1,5 м от поверхности карт и только тогда, когда допускается фильтрация иловой воды в грунт.

При плотных и водонепроницаемых грунтах устраиваются иловые площадки на естественном основании с трубчатым дренажом, укладываемом в дренажные канавы. Искусственное дренирующее основание иловых площадок должно составлять не менее 10 % их площади.

Схема иловых площадок на естественном основании с дренажом представлена на рис. 3.2.19.

Рис. 3.2.19. Иловые площадки на естественном

основании с дренажом:

1 – кювет оградительной канавы; 2 – дорога; 3 − сливной лоток; 4 – щит под сливным лотком; 5- разводящий лоток;

6 - дренажный колодец;

7 - сборная дренажная труба;

8 - дренажный слой; 9 - дренажные трубы; 10 - съезд на карту; 11 – дренажная канава;

12 - шиберы; К1- К5 – колодцы

Наибольшее распространение получили иловые площадки на естественном основании каскадного типа с отстаиванием и поверхностным удалением иловой воды. После заполнения карт иловой площадки осадком и слива отделившейся иловой воды дальнейшее обезвоживание осадка осуществляется путем испарения с поверхности оставшейся влаги.

Иловые площадки − уплотнители представляют собой прямоугольные железобетонные резервуары (карты) с отверстиями, расположенными в продольной стенке на разных глубинах, и перекрытыми шиберами. Для выпуска иловой воды, выделяющейся при отстаивании осадка, по высоте продольных стен карт-резервуаров устраивают отверстия, перекрываемые шиберами. Иловую воду направляют для очистки в голову сооружений по аналогии с иловыми площадками с отстаиванием и поверхностным удалением воды. Расстояние между выпусками иловой воды устанавливается не более 18 м. Для механизированной уборки высушенного осадка устраивают пандусы с уклоном до 12 %.

Механическое обезвоживание осадков сточных вод. Обезвоживание осадков на иловых площадках требует свободных земельных площадей и нерационально как с экономической, так и с экологической точки зрения. Наиболее перспективным является механическое обезвоживание осадков на вакуумфильтрах, фильтр-прессах и центрифугах. Для улучшения водоотдающих свойств осадки перед механическим обезвоживанием кондиционируют (изменяют структуру осадка).

Методы кондиционирования подразделяются на реагентные и безреагентные. Первой стадией подготовки осадка к обезвоживанию является его промывка. Промывка применяется только для сброженных осадков. В результате промывки из сброженного осадка удаляются коллоидные частицы и мелкая взвесь.

Реагентные методы предполагают использование для обработки осадков неорганических реагентов (хлорное железо, сернокислое железо, известь) или органических высокомолекулярных соединений (полиэлектролитов). И те и другие приводят к снижению удельного сопротивления фильтрации в результате агрегации коллоидных и мелких нерастворенных частиц. Дозы реагентов устанавливаются экспериментально в ходе производственных испытаний обезвоживающего оборудования.

Кондиционирование минеральными реагентами характеризуется рядом существенных недостатков, к которым относятся: большой массовый расход; высокая коррозионная активность; трудности с транспортировкой и хранением; внесение большого количества балластных веществ.

Однако эти проблемы разрешимы при использовании органических реагентов (флокулянтов). Флокулянты − растворимые вводе высокомолекулярные вещества, применяемые для отделения твердой фазы от жидкости и образующие с находящимися в жидкой фазе коллоидными и тонкодисперсными частицами трехмерные структуры (хлопья). Для обезвоживания осадков сточных вод наиболее широко используются синтетические флокулянты - полиакриламид и сополимеры на его основе. В осадках станций биологической очистки сточных вод в основном содержатся отрицательно заряженные частицы, поэтому для флокуляции таких осадков необходимы катионные флокулянты.

Отечественные флокулянты катионного типа, такие как КФ, ВПК, КО, ППС, ВА − 2, ОКФ и др., недостаточно эффективны и используются пока редко. Наилучшие результаты были получены при применении катионоактивных флокулянтов фирм "Штокхаузен", "Аллайд коллоидз" (обе Германия), "Магнифлок" (США) и "Кемира" (Финляндия). При дозах 3,5 − 4,5 кг/м³ сухого вещества осадка происходило интенсивное флокулообразование и выделение свободной воды.

Безреагентное кондиционирование осуществляется методами тепловой обработки и замораживания − оттаивания.

Процессы и оборудование для механического обезвоживания осадков.

Обезвоживание осадков на вакуум − фильтрах. Различают обычные барабанные, барабанные со сходящим полотном, дисковые и ленточные вакуум-фильтры.

Барабанный вакуум-фильтр − вращающийся горизонтально распо­ложенный барабан, частично погруженный в корыто с осадком. Барабан имеет две боковые стенки: внутреннюю сплошную и наружную перфорированную, обтянутую фильтровальной тканью. Пространство между стенками разделено на 16 − 32 секции, не сообщающиеся между собой. Каждая секция имеет отводящий коллектор, входящий в торце в цапфу, к которой прижата неподвижная распределительная головка. В зоне фильтрования осадок фильтруется под действием вакуума. Затем осадок просушивается атмосферным воздухом. Фильтрат и воздух отводятся в общую вакуумную линию. В зоне съема осадка в секции подается сжатый воздух, способствующий отделению обезвоженного осадка от фильтровальной ткани. Осадок снимается с барабана ножом. В зоне регенерации ткань продувается сжатым воздухом или паром. Для улучшения фильтрующей способности ткани через 8 − 24 ч работы фильтр регенерируют, промывают ингибированной кислотой или растворами ПАВ.

В последнее время находят применение барабанные вакуум-фильтры со сходящим полотном. В этих фильтрах регенерация фильтровальной ткани производится непрерывно. Применение их особенно эффективно в тех случаях, когда осадки сточных вод по своей структуре способны быстро заиливать фильтровальную ткань, в частности сырые осадки из первичных отстойников.

Недостатками вакуум-фильтров являются сложность управления, низкая надежность, невозможность использования органических флокулянтов для кондиционирования осадка, громоздкость и загрязненность рабочей среды.

Кроме барабанных вакуум-фильтров, ис­пользуются (в основном для обезвоживания осадков производственных сточных вод) ленточные вакуум-фильтры и листовые фильтры. Ленточные вакуум-фильтры применяют для обезвоживания быстро расслаивающихся осадков, преимущественно минерального происхождения, таких как окалина, осадки газоочисток доменного и конвертерного цехов. Фильтр (рис. 3.2.20) имеет бесконечную резиново-тканевую ленту, натянутую на двух барабанах, и фильтровальный стол. Щелевое отверстие, расположенное посередине стола, сообщается с вакуум-камерой. Лента имеет поперечные рифления и продольные сквозные прорези. Фильтровальная ткань укладывается на ленту и закрепляется в пазах резиновым шнуром. Верхняя рабочая ветвь ленты протягивается по столу так, что ее продольные прорези совпадают с щелевым отверстием стола. Фильтрат отводится с внутренней стороны ткани по поперечным пазам и через продольные отверстия поступает в вакуум-камеру и сборный коллектор. При фильтровании быстроосаждающиеся крупные частицы образуют подслой, который улучшает условия фильтрования и повышает пропускную способность фильтра.

Рис.3.2.20. Ленточный вакуум-фильтр:1 − фильтровальная ткань; 2 − направляющие для фильтровальной ткани; 3 − барабан; 4 − лоток для подачи осадка; 5 − фильтровальный стол; 6 − прорезиненная лента; 7 − сборный коллектор фильтрата; 8 − поперечный желоб для отвода фильтрата; 9 − продольная прорезь; 10 − направляющие для ленты; 11 − резиновый шнур

Обезвоживание осадков сточных вод на фильтр − прессах. В по­следнее время фильтр − прессы находят довольно широкое распространение для обезвоживания осадков сточных вод. Их применяют для обработки сжимаемых аморфных осадков. По сравнению с вакуум-фильтрами, при прочих равных условиях после обработки на фильтр − прессах получаются осадки с меньшей влажностью. Фильтр − прессы применяют в тех случаях, когда осадок направляют после обезвоживания на сушку или сжигание, или когда необходимо получить осадки для дальнейшей утилизации с мини­мальной влажностью.

Различают рамные, камерные, мембранно − камерные, ленточные, барабанные и винтовые (шнековые) фильтр − прессы.

Рамный фильтр − пресс имеет набор вертикально расположенных чередующихся плит и рам. Между поверхностями плит и рам проложена фильтровальная ткань. Сначала собирают комплект рам и плит, загружают камеры осадком и отжимают его. Затем рамы и плиты поочередно отодви­гают и обезвоженный осадок сбрасывают в бункер. Рамные фильтр − прессы имеют низкую пропускную способность. Кроме того, выгрузка осадка из фильтра обычно производится вручную. В настоящее время эти фильтры практически не применяются.

Фильтр − прессы ФПАКМ (фильтр − пресс, автоматизированный ка­мерный модернизированный) находят довольно широкое распространение. Они выпускаются серийно и имеют площадь поверхности фильтрования 2,5 – 50 м.

Фильтр состоит из нескольких фильтровальных плит и фильтрующей ткани, протянутой между ними с помощью направляющих роликов. Поддерживающие плиты связаны между собой вертикальными опорами, воспринимающими нагрузку от давления внутри фильтровальных плит. В натянутом состоянии ткань поддерживается с помощью гидравлических устройств.

Каждая фильтровальная плита (рис. 3.2.21) состоит из верхней и нижней частей. Нижняя часть перекрыта перфорированным листом, под которым расположена камера приема фильтрата. На перфорированном листе находится фильтровальная ткань. Верхняя часть представляет собой раму, которая при сжатии плит образует камеру, куда подается осадок. В верхней части расположена эластичная водонепроницаемая диафрагма.

В камеру по коллектору подаются осадок и воздух (положение А). По каналам фильтрат и воздух отводятся в коллектор. Затем осадок отжимается диафрагмой, для чего в полость нагнетается вода под давлением (положение Б). После этого раздвигаются плиты (положение В), передвигается фильтровальная ткань, и кек снимается с нее ножами, ткань промывается и очищается в камере регенерации ткани.

При необходимости перед подачей на фильтр-пресс в осадок вво­дятся химические реагенты - хлорное железо, известь, полиакриламид и др.

Наиболее эффективно обезвоживаются на камерных фильтр-прессах осадки производственных сточных вод минерального происхожде­ния. Осадки городских сточных вод обезвоживаются хуже.

Рис. 3.2.21. Схема фильтр − пресса ФПАКМ:1 − верхняя часть плиты; 2 − перфорированный лист; 3 − камера для приема фильтрата; 4 − нижняя часть плиты в виде рамы; 5 − камера для осадка; 6 − эластичная водонепроницаемая диафрагма; 7 − фильтровальная ткань; 8 и 10 − каналы; 9 − коллектор для подачи осадка; 11 − коллектор для отвода фильтрата и воздуха; 12 − полость для воды

В настоящее время все большее распространение получают мембранно-камерные фильтр − прессы. Схема установки мембранно − камерного фильтр- пресса приведена на рис 3.2.22.

Рис. 3.2.22. Технологическая схема механического обезвоживания осадков на

мембранно-камерном фильтр-прессе: 1 − система приготовления флокулянта;

2 − система дозирования флокулянта; 3 − система подачи осадка; 4 – система

смешения осадка с флокулянтом; 5 − система промывки фильтровального полотна;

6 − система дожима мембран; 7 − система отвода капельных утечек и воды от промывки ткани; 8 − система отвода обезвоженного осадка; 9 − резервуар исходного осадка; 10 − подача воды питьевого качества; 11 − мембранно-камерный фильтр-пресс; 12 − отвод фильтрата; 13 − подача технической воды

Мембранно-камерный фильтр-пресс представляет собой серию вертикальных плит, имеющих каналы и покрытых тканью для поддержания кека. Плиты смонтированы в корпусе, верхние опоры которого соединены двумя тяжелыми горизонтальными и параллельными брусьями или рельсами. Конструктивно фильтр − прессы подразделяются на: прессы с верхней подвеской плит и с боковой подвеской плит.

Центрифугирование осадка городских сточных вод получило широкое распространение после начала промышленного выпуска синтетических высокомолекулярных органических флокулянтов катионного типа и использование их для повышения эффективности процесса обезвоживания, так как при центрифугировании осадков без применения флокулянтов образующийся фугат имеет вы­сокие значения БПК, ХПК и содержание взвешенных веществ.

Основные преимущества метода:

- широкий диапазон производительности центрифуг – от 6 до 60 м³/ч;

- высокая эффективность задержания сухого вещества – до 98 − 99 % и удовлетворительная влажность кека – 78 − 82 %;

- герметичность машин и невысокий уровень шума;

- простота, надежность в эксплуатации и управляемость процессом.

Основной недостаток метода − относительно высокая стоимость флокулянтов.

Основными элементами центрифуги являются конический ротор со сплошными стенками и полый шнек. Ротор и шнек вращаются в одну сторону, но с разными скоростями. Под действием центробежной силы нерастворенные частицы осадка отбрасываются к стенкам ротора и вследствие разности частоты вращения ротора и шнека перемещаются к отверстию в роторе, через которое обезвоженный осадок попадает в бункер кека. Образовавшаяся в результате осаждения нерастворенных частиц исходная фаза (фугат) отводится через отверстия, расположенные с противоположной стороны ротора (рис. 3.2.23) В настоящее время налажен выпуск центрифуг этого типа с расчетной производительностью по суспензии до 30 м³/ч.

Рис.3.2.23. Осадительная центрифуга: 1 − трубопровод для подачи осадка; 2 − отверстия для выгрузки фугата; 3 − выпуск фугата; 4 − отверстие для поступления осадка в ротор; 5 − выгрузка кека; 6 − ротор;

7 − полый шнек; 8− выгрузочные окна

В настоящее время в отечественную практику кроме центрифуг типа ОГШ широко внедряются центрифуги и центрипрессы зарубежного производства.

Проблема утилизации осадков. В конце ХХ в. в числе обострившихся экологических проблем существенное место заняла утилизация осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод населенных пунктов.

Наиболее реально утилизировать осадок как удобрение в сельском и садово-парковом хозяйствах, а также для приготовления растительных грунтов. Однако этому должна предшествовать работа по сокращению содержания токсичных веществ в сточных водах и осадках. В результате проведенных исследований были установлены нормативные ПДК тяжелых металлов в осадках сточных вод для использования последних в качестве удобрений, даны методики расчета объемов внесения таких удобрений на сельскохозяйственные поля и в зеленые строительства. Однако в настоящее время осадки с городских очистных сооружений в сельском хозяйстве не используются из-за присутствия в них в очень высоких концентрациях тяжелых металлов. В ограниченном количестве осадки применяются в садово-парковом хозяйстве.

Осадки сточных вод могут быть применены как выгорающая добавка при производстве строительных материалов − кирпича, керамзита. При производстве бетонов и в дорожном строительстве можно использовать золу от сжигания осадков.

Одним из наиболее разработанных процессов промышленной пе­реработки осадков сточных вод, отдельно и в комплексе с переработкой твердых бытовых отходов (ТБО) является пиролиз − процесс переработки углеродсодержащих веществ путем высокотемпературного нагрева без доступа кислорода.

В результате пиролиза осадков остается полукокс, представляющий собой черную массу, легко рассыпающуюся в порошок. Содержание золы и беззольного вещества в этой массе примерно одинаковое. Полукокс, или пирокарбон, широко используется в промышленности. Его можно утилизировать как топливо, а также использовать в процессе получения азота и фосфора.

Наибольший интерес представляет образуемый при пиролизе пер­вичный деготь, который при фракционной разгонке может дать такие ценные продукты, как парафины, асфальтены, карбоновые кислоты, фенолы, коксовую пыль, органические основания.

Все технологии по термообработке осадков подразделяются на две категории: термическая сушка и сжигание. Основным преимуществом термической сушки является сохранение в высушенном осадке органических веществ – ценных компонентов удобрений. При сжигании осадков органические вещества превращаются в газообразные продукты сгорания, при этом значительно сокращается общий объем осадков.

Необходимо отметить, что если осадок сжигается, то нецелесообразно его предварительно сбраживать. Сбраживание приводит к минерализации части органических веществ и снижению теплотворной способности осадка.

Таким образом, для крупных очистных сооружений, осадки которых могут быть использованы в качестве удобрений, наиболее рациональный метод их окончательной обработки – термическая сушка. Если же применение осадков в сельском хозяйстве недопустимо из-за повышенного содержания в них опасных загрязнений, то единственным способом, позволяющим максимально сократить объем осадков, является их сжигание.

Установки для термической сушки и сжигания осадков. Термическая сушка предназначена для обеззараживания и умень­шения массы осадков сточных вод.

Осадок после термической сушки представляет собой незагнивающий, свободный от гельминтов и патогенных микроорганизмов, внешне сухой (влажностью 10 − 50 %) сыпучий материал.

Наиболее распространен конвективный способ сушки, при котором необходимая для испарения влаги тепловая энергия непосредственно передается высушиваемому материалу теплоносителем — сушиль­ным агентом. В качестве сушильного агента могут использоваться топоч­ные газы, перегретый пар или горячий воздух.

Сушилки конвективного типа можно разделить на две группы: I − при продувке сушильного агента через слой материала частицы его остаются неподвижными — барабанные, ленточные, щелевые и др.; II − частицы материала перемещаются и перемешиваются потоком сушильного агента — сушилки со взвешенным (псевдоожиженным) слоем (кипящим, фонтанирующим, вихревым) и пневмосушилки.

Сначала для сушки обезвоженного осадка применяли вращающиеся барабанные сушилки, но опыт их эксплуатации на станциях аэрации Москвы заставил отказаться от сушилок такой конструкции. Было рекомендовано использовать сушилки со встречными струями (СВС). Однако сушилки потребляли большое количество топлива, при работе становились источниками зловонных запахов и были взрывоопасны. По этим причинам от СВС пришлось отказаться.

Сложившаяся ситуация, а также неудачные попытки использования отечественных технологий термической обработки осадка заставили обратиться к опыту наиболее развитых стран мира. Самым эффективным методом было признанно сжигание осадков. В мире существует несколько основных вариантов технологий сжигания осадков, технические решения которых заимствованы из технологии работы металлургических печей и энергетических твердотопливных установок. Пример тому – многоподовые печи.

Другое устройство, достаточно часто применяющееся для сжигания осадков, − барабанная вращающаяся печь. Устройства подобного типа установлены на Курьяновской станции аэрации в Москве.

Часто используются технологии совместного сжигания осадка и твердых бытовых отходов. Однако во второй половине ХХ в. проблема утилизации осадка в крупных городах обострилась настолько, что применение заимствованных или гибридных технологий стало экономически нецелесообразным. Потребовались новые технические решения. Наиболее рациональным методом сжигания осадков, который сегодня получил наибольшее распространение в мире, было признанно сжигание в псевдоожиженном слое.

Печь представляет собой металлическую обечайку, обмурованную изнутри тяжелым огнеупорным кирпичом. Внутренняя полость труба разделена на две части сводом псевдоожижения – дутьевую камеру и реактор. Свод псевдоожижения выполнен из огнеупорных кирпичей, оборудован стальными соплами, на него нагружается подушка высокопрочного кварцевого песка. В дутьевую камеру подается большой расход воздуха, нагретого отходящими дымовыми газами. Конструкция сопел такова, что они позволяют воздуху подниматься в реактор, но удерживают песок от попадания в дутьевую камеру. Частицы песка в высокоскоростном турбулентном потоке воздуха находятся во взвешенном состоянии, не опускаясь на свод, но и не поднимаясь под купол реактора, образуя так называемый псевдоожиженный слой.

Обезвоженный осадок подается непосредственно в слой песка, смешиваясь с ним. Частицы осадка, попадая в зону высоких температур, отдают остаточную влагу и, истираясь в турбулентном потоке частиц песка, превращаются в мелкодисперсную пыль. Удельный вес частиц осадка меньше, чем у песка, поэтому они поднимаются в верхнюю часть реактора, где и происходит горение. Органическая часть осадка превращается в газообразные продукты, а минеральная выносится потоком дымовых газов в газоход в виде мелкодисперсной золы.