Лекция №9. Обработка и утилизация осадков бытовых и производственных сточных вод.

План лекции:

1. Общие сведения об осадках сточных вод.

2. Методы обработки осадков сточных вод:

2.1.уплотнение;

2.2.стабилизация;

2.3. кондиционирование;

2.4. обезвоживание;

2.5. термическая сушка;

2.6. сжигание;

2.7. пиролиз.

3. Утилизация осадков.

1. Осадки сточных вод.

Осадки сточных вод – это суспензии, выделяемые из сточных вод в процессе их механической, биологической и физико-химической (реагентной) очистки.

Обезвреживание осадков сточных вод является острой проблемой крупных городов. По сравнению с очисткой сточных вод обработка осадков представляет значительно большую технологическую и экологическую сложность. Операции по обработке и утилизации осадков сточных вод затруднены из-за их различного состава и высокой влажности.

Осадки сточных вод можно классифицировать следующим образом:

- грубые примеси (отбросы), задерживаемые решетками;

- тяжелые примеси (песок), задерживаемые песколовками;

- плавающие примеси (или жировые вещества), всплывающие в отстойниках;

- сырой осадок, задерживаемый первичными отстойниками;

- активный ил, задерживаемый во вторичных отстойниках (после сооружений биологической очистки);

- осадок, анаэробно сброженный в метантенках, осветлителях-перегнивателях или двухярусных отстойниках.

Объем осадков обычно составляет 0,5 – 1% (в редких случаях до 40%) объема обрабатываемых сточных вод в зависимости от схемы очистки и влажности осадка. Влажность осадков колеблется от 85% (предприятия стройиндустрии) до 99,5% (активный ил сооружений биологической очистки).

Химический состав сухого вещества осадков колеблется в широких пределах. Осадок городских сточных вод содержит ценные компоненты: углерод, азот, фосфор, калий и другие элементы. Основную часть осадков из первичных отстойников представляют органические вещества. Они содержат большое количество микроорганизмов, в том числе патогенных. Осадки и шламы производственных сточных вод в основном состоят из минеральных веществ, они могут содержать канцерогенные и токсичные вещества, в том числе ионы тяжелых металлов. В сыром виде осадок издает неприятный запах, опасен в санитарном отношении и непригоден для перевозки. Перед утилизацией осадок подвергается предварительной обработке в целях:

- уменьшения влажности и объема осадка, неприятного запаха;

- уменьшения количества патогенных микроорганизмов и вредных веществ;

- снижения затрат на транспортировку.

В осадках сточных вод содержится свободная и связанная вода. Свободная вода (60 – 65%) сравнительно легко может быть удалена из осадка, связанная вода (30 – 35%) – коллоидно-связанная и гигроскопическая – гораздо труднее.

2. Методы обработки осадков сточных.

2.1. Уплотнение.

Уплотнение (сгущение) связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех технологических схем обработки осадков. При уплотнении удаляется в среднем 60% влаги, масса осадка при этом сокращается в 2,5 раза. Наиболее трудно уплотняется активный ил. Для уплотнения применяют следующие методы.

а) Гравитационный метод является наиболее распространенным, применяется для избыточного активного ила и сброженных осадков. Метод основан на оседании частиц дисперсной фазы. В качестве илоуплотнителей применяются вертикальные и радиальные отстойники. Метод сам по себе малоэффективен, поэтому для интенсификации процесса применяют:

- коагулирование (с помощью хлорного железа);

- перемешивание ( с помощью стержневых мешалок);

- совместное уплотнение различных видов осадков;

- термогравитационный метод (нагревание осадка до 80 – 90оС).

б) Флотационный метод основан на прилипании частиц активного ила к пузырькам воздуха и всплывании вместе с ними на поверхность (осадки предварительно смешивают с водой). Всплывшие частицы удаляются с помощью скребкового транспортера, на дне камеры устанавливается второй транспортер для удаления выпавшего осадка.

в) Центробежный способ осуществляется в гидроциклонах, центрифугах, сепараторах различных конструкций.

г) Вибрационный метод.

д) Фильтрационный метод.

2.2. Стабилизация.

Стабилизация осадков проводится с использованием микроорганизмов двумя способами.

а) Анаэробное (метановое) сбраживание проводится в септиках, двухярусных отстойниках, осветлителях-перегнивателях и метантенках. Наибольшее распространение получили метантенки (рис. 50). Метантенк конструктивно представляет собой железобетонный или стальной вертикальный резервуар цилиндрической формы, диаметром от 10 до 24 м, с герметичным перекрытием и коническим днищем. В метантенках обычно сбраживают сырой осадок из первичных отстойников. Для ускорения процесса брожения применяется подогрев ила при двух температурных режимах:

- мезофильном (до 30 – 35оС);

- термофильном (50 – 55оС).

В процессе анаэробного сбраживания осадков образуется биогаз, который отводится из метантенка через специальное устройство, накапливается в газгольдерах, а затем применяется для бытовых и промышленных целей. Его можно направлять в котельные очистных сооружений для сжигания в качестве топлива.

б) Аэробная стабилизация осадков – это процесс окисления органических веществ аэробными микроорганизмами в присутствии кислорода воздуха. Метод применяется для активного ила или смеси осадков из первичных отстойников и активного ила. Для аэробной стабилизации осадков могут применяться любые емкостные сооружения (переоборудованные отстойники, аэротенки). Осадки в течение нескольких суток аэрируют воздухом.

2.3. Кондиционирование.

Кондиционирование осадков – это предварительная подготовка их перед обезвоживанием. Целью кондиционирования является улучшение водоотталкивающих свойств осадков путем изменения их структуры и форм связи воды. Кондиционирование осуществляется следующими способами.

а) Реагентная обработка коагулянтами (сернокислым алюминием, хлорным железом, известью) и флокулянтами (используется ПАА – полиакриламид). К недостаткам метода относятся:

- высокая стоимость;

- повышенная коррозия материалов;

- сложность транспортирования, хранения и дозирования реагентов.

б) Тепловая обработка применяется для осадков городских и промышленных сточных вод с зольностью 30 – 40%. Осадки нагревают в автоклавах острым паром до температуры 170 – 200оС при давлении 2 – 2,5 МПа в течение 1 ч. При этом происходит резкое изменение структуры осадка, около 40% сухого вещества переходит в раствор, а остальная часть приобретает хорошие водоотталкивающие свойства. Осадок интенсивно уплотняется до влажности 92 – 94%, его объем составляет 20 – 3-% первоначального. Недостаток метода – сложность эксплуатации установки.

в) Замораживание и оттаивание проводится при температуре от -5 до -10оС в течение 50 – 120 минут. В резервуары с осадком подают жидкий аммиак, который, испаряясь в трубах, замораживает осадок. При замораживании часть связанной влаги переходит в свободную, при последующем оттаивании осадки образуют зернистую структуру, их влагоотдача повышается. В отечественной практике метод не получил широкого распространения из-за высокой стоимости.

г) Жидкофазное окисление органической части осадков кислородом воздуха при температуре 200 – 300оС и давлении в несколько десятков мегапаскалей. Процесс осуществляется в специальных реакторах. При этом ХПК осадков снижается на 50 – 70%.

2.4. Обезвоживание.

Обезвоживание осадков – процесс снижения влаги до 70 – 80%. Различают два вида обезвоживания.

а) Обезвоживание на иловых площадках, которые представляют собой участки земли (карты) глубиной 0,7 – 1 м, окруженные со всех сторон земляными валиками и оборудованные системой дренажа. Их устраивают на естественном или искусственном основании. Часто используют песчаное основание, при этом слой песка является первичным дренирующим материалом. Ил напускается слоями толщиной 0,2 – 0,25 м. Осадок теряет влагу за счет испарения, большая часть влаги фильтруется через грунт. Дренажная система иловых площадок обычно включает: - верхний слой песка высотой 15 – 23 см;

- нижний слой гравия высотой 20 – 46 см.

Дренажные трубы используют керамические или пластмассовые. Иловую воду после уплотнения направляют на очистные сооружения. К недостаткам способа относятся:

- необходимость отторжения значительных площадей;

- вредные выделения в атмосферу;

- возможность загрязнения подземных вод вследствие миграции вредных веществ;

- антисанитарные условия труда, т.к. осадки небезопасны в санитарном отношении.

б) Механическое обезвоживание осадков является более совершенным методом. Оно осуществляется с использованием специальных установок:

- вакуум-фильтров;

- фильтр-прессов;

- центрифуг и сепараторов.

Метод применяется на станциях большой производительности. В результате обезвоженный осадок уменьшается в объеме в 7 – 15 раз и имеет влажность 50 - 80%.

2.5. Термическая сушка.

Термическая сушка осадков – это процесс снижения влаги до 5 – 40%. Он является заключительным этапом для подготовки осадков к утилизации или ликвидации путем сжигания. В процессе термической сушки происходит обеззараживание и уменьшение массы осадков. Осадки должны быть предварительно обезвожены механическим способом.

Процесс осуществляется в сушилках барабанного типа или со встречными струями осадка и сушильного агента (теплоносителя). В качестве сушильного агента обычно используются топочные газы, горячий воздух, перегретый пар. Влажность осадков после сушки составляет 30 – 35%. Этот метод позволяет отказаться от строительства громоздких метантенков и иловых площадок. Однако он является экономически оправданным в том случае, если осадок затем используется в качестве удобрения, поскольку при этом сохраняются все органические вещества.

2.6. Сжигание.

Сжигание осадков производят в тех случаях, когда их утилизация технически невозможна или экономически нецелесообразна, или при отсутствии условий для складирования. Сжигание производят в печах различных конструкций. Первый в России завод по сжиганию осадков сточных вод был построен в С.-Петербурге (в 1997 г. была введена в эксплуатацию первая очередь завода).

К преимуществам метода сжигания осадков относятся следующие:

- происходит глубокое обезвреживание осадка и сокращение его объема в 80 – 100 раз;

- прекращается вывоз необеззараженного осадка, поэтому не требуется новых площадей для его складирования;

- в печах в качестве топлива используются осадки сточных вод (природный газ необходим лишь для розжига печей);

- тепловая энергия, образующаяся при сжигании осадков, рекуперируется в котлах-утилизаторах и используется для производственных нужд (отопления, производства электроэнергии), а также для нагревания и высушивания сырого осадка;

- образующаяся зола используется в качестве добавок при изготовлении кирпича, легких бетонов, облицовочных материалов, дорожных покрытий;

- годовые эксплуатационные расходы на сжигание осадка в 1,9 раза ниже, чем на обработку осадка на полигонах.

Вместе с тем метод сжигания осадков сточных вод обладает существенными недостатками:

- полное уничтожение полезных компонентов отходов;

- загрязнение воздушного бассейна дымовыми газами (для предотвращения загрязнения должна использоваться многоступенчатая система очистки газов);

- проблемы вывоза в отвал продуктов сгорания (золы).

2.7. Пиролиз.

Пиролиз осадков – процесс термического разложения без доступа воздуха. За рубежом (в США, Германии, Японии) действуют промышленные установки для пиролиза осадков вместе с мусором и различными промышленными отходами. На С.-Петербургском МПЗ некомпостируемая часть мусора и отходов подвергается пиролизу.

3. Утилизация осадков.

К основным направлениям утилизации осадков сточных вод относятся следующие.

1) Осадки сточных вод содержат биогенные элементы: азот, фосфор, калий, их соединения, микроэлементы для растений, поэтому могут быть использованы в качестве удобрения. В СССР осадки коммунальных сточных вод с успехом применялись в сельском хозяйстве вплоть до 90-х годов 20 века. Затем в России было законодательно запрещено использование осадков городских сточных вод в качестве удобрения в сельском хозяйстве, поскольку через систему водоотведения в осадок попадают вредные вещества от промышленных предприятий, в том числе тяжелые металлы и их соединения. Поэтому более целесообразно осуществлять биокомпостирование твердой фазы станций аэрации городских сточных вод.

2) Активный ил может быть применен в качестве кормового продукта в составе комбикорма.

3) Осадок может быть использован в качестве заполнителя при производстве строительных материалов и конструкций, при строительстве дорог, для оснований, засыпки пазух фундаментов и т.д., зола после сжигания осадков может использоваться в производстве кирпича и строительных материалов.

4) Осадок может быть использован для производства сорбентов (реагентов для очистки сточных вод).

5) Выделяющийся при сбраживании осадков в метантенках биогаз может быть использован в качестве источника энергии, например, для получения пара в котлах.

6) Осадок может быть использован в качестве материала для рекультивации полигонов.

7) Осадок может быть использован в химической промышленности. Различными методами из него можно получить ценные продукты, однако это требует больших затрат. В России, по разным оценкам, образуется около 2 млрд. м3в год осадков с влажностью 96 – 97%.

Уровень их использования оценивается в 1 – 1,5 %.

Вопросы для самоконтроля:

1. Общие сведения об осадках сточных вод.

2. Методы обработки осадков сточных вод.

3. Уплотнение.

4. Стабилизация.

5. Кондиционирование.

6. Обезвоживание.

7. Термическая сушка.

8. Сжигание.

9. Пиролиз.

10. Утилизация осадков.

Список литературы

а) основная

Мамонтова Р.П.Санитарная гидротехника. Москва: Моркнига, 2012. - 496 с.

Демидова А.Г. Основы санитарной гидротехники: Учебное пособие для студентов вузов.-Калининград: КТИРПХ, -1988, 76 с.

б) дополнительная

Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод/ учебник для вузов: М.:-Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006.- 704 с.

Калицун В.И. Основы водоснабжения и канализации. Учебное пособие для техникумов. Изд. 2-е перераб. и дополн. Москва: Стройиздат, 1977.

Николадзе Г.И. Водоснабжение. Учебное пособие для техникумов. Изд. 3-е перер. и доп.- М.:Стройиздат.- 1989.- 596 с.