Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Иловые площадки занимают большие площади, поступающие с них дренажные воды загрязняют окружающую территорию, возможно повторное обводнение осадков атмосферной влагой. Сырые осадки с первичных отстойников без предварительной обработки (аэробной стабилизацией, сбраживанием, см. разд. 3.2.4, 3.2.5) на иловых площадках не обезвоживают, так как они быстро загнивают, что приводит к возникновению и распространению неприятных запахов, ухудшению санитарной обстановки вблизи площадок, загрязнению почвы и грунтовых вод. Поэтому в настоящее время все большее предпочтение отдается современным, индустриальным методам обезвоживания непосредственно на очистных сооружениях, а площадки в соответствии с требованиями строительных норм и правил в ряде случаев проектируются в качестве аварийных сооружений, рассчитанных на обработку двухмесячного объема осадка.

Технологические этапы обработки индустриальными методами таких осадков, как активный ил с целью удаления из них влаги и уменьшения объема обычно включают: 1) предварительное уплотнение или сгущение; 2) обезвоживание. Иногда перед обезвоживанием применяют кондиционирование или аэробную стабилизацию ила (см. разд. 3.2.4).

Уплотнение подразумевает увеличение концентрации осадков в отстойникахуплотнителях (гравитационное уплотнение) или с помощью флотаторов.

Сгущение проводят с помощью барабанных, ленточных или шнековых сгустителей, на вибрационных фильтрах, сепараторах, центрифугах и других аппаратах. Осадки, подвергнутые уплотнению или сгущению, сохраняют свою текучесть.

При обезвоживании удаляют влагу из осадков до влажности 70–80%, при которой они становятся сыпучими. В этом состоянии их можно достаточно экономично обрабатывать: пастеризацией, компостированием, термической сушкой, сжиганием. Наиболее часто используют механическое обезвоживание осадков, как много менее затратное по сравнению, например, с упариванием.

Обычно перед механическим обезвоживанием проводят кондиционирование или модификацию осадков, в основном с помощью химических реагентов для улучшения их водоотдающей способности и отделения твердой фазы от жидкой.

Стабилизация используется для устранения неприятных запахов, предотвращения загнивания осадков и частичного или полного их обеззараживания.

Из методов уплотнения осадков наибольшее распространение получил гравитационный. Он самый простой, позволяет уплотнить активный ил до влажности 96,5–97%, сырой осадок первичных отстойников до влажности 92–94%. Но этот метод недостаточно эффективный, так как требует многочасового отстаивания и больших площадей.

Гравитационное уплотнение проводят в специальных вертикальных или радиальных отстойниках – илоуплотнителях (сгустителях). Они имеют больший уклон днища и глубину, чем обычные отстойники. Уплотнение может проводиться как в периодическом, так и в непрерывном режиме. В результате длительной седиментации в течение 12–15 ч активный ил аэротенков с начальной концентрацией 4–7 г/л уплотняется до 20–35 г/л, при этом чем выше индекс ила и влагосодержание, тем легче он уплотняется: активный ил при неполной биологической очистке уплотняется быстрее, чем при полной биологической

очистке, иловая смесь аэротенков уплотняется быстрее, чем активный ил из вторичных отстойников. Снижение концентрации органических веществ в твердой фазе активного ила приводит к улучшению его уплотнения. Этому способствует также увеличение плотности ила.

Для ускорения осаждения ила отстойники могут быть оборудованы различными устройствами с развитой поверхностью (наклонными пластинами, стержнями), которые увеличивают площадь осаждения, способствуют отделению от ила и удалению пузырьков газа, предотвращают слипание твердых частиц, образуют каналы для восходящего тока воды. Могут использоваться модули с тонкослойным осаждением, трубчатые и наклонно-тарельчатые отстойники. Медленно восходящий поток сточных вод проходит между пластинами или тарелками, частицы осаждаются на поверхности и медленно поступают вниз

вбункер для сбора ила. Осветленная жидкость поступает вверх и выпускается через сливное устройство.

Для ила, насыщенного микропузырьками газа, в частности, прошедшего стадию анаэробного сбраживания, перед уплотнением обычно предусмотрены операции удаления газа: применение неглубоких отстойников, быстрое охлаждение, вакуумное дегазирование и аэрация, медленное перемешивание.

Осаждению в первичных отстойниках иногда способствует добавление небольшого количества избыточного активного ила. Хлопья ила, имеющие развитую поверхность, сорбируют и соосаждают взвешенные вещества и загрязнения. И наоборот, добавки осадка первичных отстойников, обладающего большей удельной плотностью, могут ускорять осаждение ила во вторичных отстойниках. Вязкие суспензии ила лучше осаждаются при их разбавлении очищенной сточной водой.

Наряду с гравитационным отстаиванием широкое распространение на стадии предварительного уплотнения активного ила получил метод флотации, отличающийся простотой аппаратурного оформления, незначительной продолжительностью процесса, удовлетворительными показателями сгущения суспензии (степень сгущения 3–5) и отсутствием необходимости предварительной реагентной обработки. Флотация позволяет сгустить ил до влажности 95–96%, при этом скорость уплотнения в 10–15 раз больше, чем при гравитационном способе.

Разделение флотацией основано на способности частиц флотируемого материала прилипать к поверхности раздела фаз, чаще всего «газ – жидкость», обусловленной избытком свободной энергии поверхности пограничных слоев, а также особыми поверхностными явлениями смачивания, возникающими

вместах соприкосновения трех фаз «жидкость – газ – твердое тело». Чем менее гидратирована поверхность частицы, тем хуже она смачивается, тем больше поверхностное натяжение жидкости на границе раздела фаз, легче разрывается гидратная оболочка при приближении к пузырьку воздуха и тем лучше частица прилипает к поверхности воздушного пузырька.

Клетки микроорганизмов и флокулы активного ила флотируют благодаря наличию в них белковых и жировых веществ, снижающих гидрофильность их поверхности. Дополнительная гидрофобизация иловых частиц, усиливающая флотационный эффект, достигается воздействием ПАВ, тепловой обработкой,

Рис. 1.95. Флотационный илоуплотнитель на базе гравитационного (по Б. С. Ксенофонтову, 1992): 1 – эжектор воздуха; 2 – насос подачи иловой смеси; 3 – сатуратор; 4 – илосборный лоток; 5 – пенный слой; 6 – скребки для сбора всплывшего ила; 7 – гребенка; 8 – камера подачи суспензии ила, насыщенной воздухом; 9 – гравитационный уплотнитель; I – иловая смесь; II – воздух; III – уплотненный ил; IV – осветленная вода

Флотаторы представляют собой резервуары круглой (радиальные флотаторы) или прямоугольной формы в плане. На рис. 1.96, 1.97 показаны схемы радиальных флотаторов с подачей иловой смеси, насыщенной воздухом под давлением (рис. 1.96), или рабочей жидкости (рис. 1.97). Внутри резервуара флотатора, конструкция которого представлена на рис. 1.97, в верхней части устраивается кольцевая, не достающая до дна перегородка, разделяющая его на флотационную (рабочую) и отстойную зоны. Избыточный активный ил подается в среднюю часть, а рабочая жидкость – снизу по перфорированным радиальным трубам.

Рис. 1.96. Схема радиального флотационного илоуплотнителя конструкции Академии коммунального хозяйства и треста «Мосочиствод» (по Б. С. Ксенофонтову, 1992): 1 – трубопровод подачи исходной иловой смеси; 2 – щелевые трубы для отбора осветленной воды; 3 – телескопический регулятор; 4 – скребки для сбора всплывшего ила; 5 – редукционный дисковый клапан; 6 – карман для пенного продукта; 7 – скребок для удаления осадка; I – осветленная вода; II – иловая смесь; III – всплывающий ил; IV – жидкость; V – осадок; VI – уплотненный ил

Рис. 1.97. Схема флотационного уплотнителя (по И. С. Туровскому, 2008): 1 – подача рабочей жидкости; 2 – распределительные трубы рабочей жидкости; 3 – иловые распределительные трубы; 4 – подача активного ила; 5 – отвод уплотненного сфлотированного активного ила; 6 – отвод иловой воды; 7 – лоток для сбора уплотненного активного ила; 8 – скребки; 9 – электродвигатель привода скребков; 10 – трубопровод для опорожнения флотатора и удаления осевшего ила; I – зона флотации; II – зона уплотнения сфлотированного активного ила

Типичные параметры процесса флотационного сгущения активного ила:

Несмотря на то что флотационные методы обладают рядом достоинств, их применение без дополнительных приемов не всегда дает высокую степень разделения. При влажности после флотации активного ила 95–97% высок вынос взвешенных веществ (0,3–1,5 г/л). Флотацию целесообразно использовать для уплотнения молодого активного ила, имеющего иловый индекс более 100–120 мл/г, вспухающих активных илов (с высоким иловым индексом) при протекании в иловой жидкости денитрификации, сопровождаемой выделением пузырьков молекулярного азота. Расходы электрической энергии и эксплуатационные затраты при использовании метода флотационного уплотнения выше, чем гравитационного.

Наряду с гравитационным уплотнением и флотацией для сгущения осадков могут использоваться центрифуги, сепараторы, барабанные и ленточные сгустители, гидроциклоны, вибрационные и акустические сгустители, мешочные и рукавные фильтры, порофильтры. Для повышения эффективности сгущения в осадки добавляют флокулянты (см. ниже).

На сепараторах и в шнековых центрифугах осадки осаждаются под действием центробежной силы 500–2000 g. На сепараторах без применения флокулянтов можно достичь сгущения до влажности 95% и более. Однако необходимо предварительно выделить из активного ила крупные и абразивные включения на фильтрах или гидроциклонах. Эффективность задержания сухого вещества на сепараторах 90–95%. При этом слив содержит всего 300–500 мг/л взвешенных веществ.

Рис. 1.98. Схема осадительной горизонтальной шнековой прямоточной центрифуги для сгущения активного ила (по И. С. Туровскому, 2008): 1 – подача осадка; 2 – масляная ванна; 3 – подушка; 4 – шнек центрифуги; 5 – ротор центрифуги; 6 – коническая часть ротора; 7 – выгрузка фугата (жидкой фазы); 8 – удаление сгущенного осадка; 9 – дифференциал; 10 – блок привода; 11 – амортизаторы; 12 – рама

Осадительные шнековые центрифуги (рис. 1.98) состоят из сплошного ци- линдро-конического ротора и соосно расположенного в нем шнека, установленного в подшипниках на станине. Шнек и ротор вращаются в одну сторону, но с разными угловыми скоростями. Частицы твердой фазы сгущаемой суспензии под действием центробежной силы осаждаются на внутренней поверхности ротора и вращающимся шнеком перемещаются к выгружному отверстию в роторе; осветленная жидкая фаза (фугат) непрерывно выводится из ротора через сливное отверстие. Такие центрифуги отличаются высокой производительностью при низком удельном расходе энергии. Их недостатки – невысокая степень сгущения осадка, быстрый износ шнека и ротора. При увеличении частоты вращения ротора и шнека производительность центрифуги по сухому веществу увеличивается, но степень обезвоживания уменьшается, так как при боqльших оборотах в осадок выпадают и более мелкие обводненные фракции. Эффективность задержания сухого вещества и концентрация сгущенного осадка регулируются изменением диаметра сливных отверстий. При сгущении активного ила на осадительных шнековых центрифугах с добавлением флокулянта концентрация ила повышается с 0,4–1,0 до 5–7% при эффективности задержания сухого

вещества 90–97%. При концентрации сгущенного ила более 7% затрудняется его выгрузка из центрифуги.

Вбарабанных или на ленточных сгустителях осадок, обработанный флокулянтом, сгущается под действием сил гравитации. В барабанных сгустителях осадок вводится внутрь вращающегося барабана, фильтруется через сито и в сгущенном виде с помощью шнека удаляется с внутренней поверхности барабана.

Вленточных сгустителях осадок подается на поверхность движущейся фильтровальной ленты, проходя по которой под действием сил гравитации сгущается. На барабанных и ленточных сгусителях осадок первичных отстойников может сгущаться с концентрации 3–6% до 7–9% при эффективности задержания сухого вещества 93–98%, активный ил – с концентрации 0,5–1,0% до 4–9% при эффективности задержания сухого вещества 93–99%. При концентрации более 8% сгущенный активный ил имеет консистенцию густой сметаны и трудно транспортируется. Сгущение на барабанных и ленточных сгустителях требует использования флокулянтов, большого количества промывной воды для промывки сит и фильтровальных лент, сопровождается возникновением неприятных запахов.

Впорофильтрах осадки сгущаются с помощью пористого влагопоглощающего фильтрующего материала. Он поглощает избыточную влагу, одновременно на его поверхности образуется слой сгущенного осадка. Затем осадок собирают, влагу отжимают и материал используют снова.

При кондиционировании (модификации) осадков для ускорения осаждения, уменьшения влагосодержания осадков и улучшения их влагоотдачи при последующем обезвоживании применяют реагентную обработку минеральными кислотами, коагулянтами, флокулянтами, присадочными материалами и безреагентные методы: аэробную стабилизацию, а также физические – тепловую (нагрев, замораживание-оттаивание), радиационную обработку, наложение внешних электромагнитных полей. Они вызывают укрупнение частиц осадков и улучшают их седиментационные характеристики.

Обработка кислотами со снижением рН до 2,0–4,0 приводит к укрупнению хлопьев и к гибели гнилостной микрофлоры. Однако при этом необходимо использовать более дорогое кислотостойкое оборудование, проводить последующую нейтрализацию удаленной воды, повышается ее минерализация.

Коагуляция является распространенным приемом подготовки осадков к механическому обезвоживанию. Она происходит при введении в осадок электролитов. Коагулирующей частью электролита является один из его ионов, который несет заряд, противоположный по знаку заряду тонкодисперсной или коллоидной частицы. Эффективность коагулянта тем выше, чем выше валентность коагулирующего иона. Нейтрализация заряженных частиц загрязнений приводит к их укрупнению и объединению в хлопья. Увеличению объема, массы и способности к слипанию хлопьев способствует медленное и равномерное перемешивание суспензии.

Вкачестве химических реагентов для коагуляции используются соединения

алюминия (оксигидрат, оксихлорид), железа (FeCl3, Fe2(SO4)3 или их смесь), кальция, в первую очередь известь, и смеси коагулянтов. Коагулянт выбирают с учетом безвредности действия и способа последующей утилизации обезвожен-

ных осадков. Например, использование извести целесообразно, если осадки применяются в качестве удобрения.

Доза реагента в зависимости от его типа составляет 0,5–20% от массы сухого вещества осадка. Избыток коагулянта может изменить заряд коллоидных частиц на противоположный и вследствие этого снизить степень коагуляции. Поэтому очень важно выдерживать дозы химических реагентов, условия их приготовления, введения и смешивания.

Применение больших доз коагулянтов для обработки осадка повышает транспортные расходы, затраты на хранение и подачу реагентов, ускоряет коррозию обезвоживающего и насосного оборудования, увеличивает себестоимость обработки осадков. Кроме того, значительно увеличивается стоимость вывоза и захоронения осадка, сокращается полезный объем полигонов захоронения. Существенно уменьшить расход коагулянтов позволяет использование флокулянтов.

Флокулянты – водорастворимые, высокомолекулярные ионогенные соединения, полиэлектролиты, которые способствуют повышению эффективности коагуляции и снижению расхода коагулянтов, ускоряют осветление сточных вод и увеличивают степень очистки воды. Добавление флокулянтов способствует задержанию сухого вещества при последующем обезвоживании активного ила на ленточных фильтр-прессах, центрифугах, снижает удельное сопротивление при фильтрации осадка и его объем. Флокулянты, внесенные непосредственно

ваэротенк, часто увеличивают осаждаемость ила во вторичном отстойнике.

Взависимости от природы ионогенных групп флокулянты могут быть катионными и анионными. Также существуют неионогенные флокулянты (в основном полиакриламиды), но они редко дают положительный результат. Молекулы флокулянтов взаимодействуют с коллоидными частицами, образуют мостики между ними, что ускоряет образование и повышает прочность коллоидных структур, приводит к связыванию микрохлопьев в крупные агрегаты. Эти процессы зависят, главным образом, от молекулярной массы флокулянта, а не его заряда. При одинаковом заряде частиц осадка и полиионов полимера флокуляция неэффективна. Поэтому при обработке осадков сточных вод, частицы которых несут, как правило, отрицательный заряд, анионные полиэлектролиты применяют в сочетании с неорганическими коагулянтами, катионные – без неорганического коагулянта. Для сгущения активного ила более эффективны катионные флокулянты. Обработка синтетическими флокулянтами катионного типа позволяет удалять до 95–99% взвешенных и коллоидных веществ методами седиментации и центрифугирования. Современные синтетические полимерные флокулянты действуют в концентрациях, намного меньших, чем коагулянты, малотоксичны, биоразлагаемы.

Рабочие растворы флокулянтов применяются с концентрацией 0,1–0,2%. Ориентировочные дозы флокулянтов при уплотнении (сгущении) осадков составляют 1–3 г/кг сухих веществ (от 0,5 до 2 мг на 1 л сточной воды с илом). При совместном использовании соотношение доз коагулянта и флокулянта составляет 50–300.

Присадочные материалы – инертные, легкофильтрующиеся вещества, которые существенно не изменяют заряд частиц, но создают крупнопористую струк-

туру, что важно при фильтрационном обезвоживании осадка. Изменение структуры осадка достигается введением в него извести, опилок, древесной муки, диатомита, шлака, золы, кремнезема и других материалов.

Тепловой обработке могут подвергаться сырые и сброженные осадки, активный ил аэробной очистки. Предварительный нагрев иловой суспензии до 80–85 °С или нагрев в сочетании с реагентной обработкой позволяет существенно улучшить седиментационные характеристики активного ила, его способность к обезвоживанию. В результате получаются стабильные и инертные твердые частицы, снижается инфицированность иловой суспензии. Термообработка при высоком давлении (2–2,5 МПа) и температуре (200–220 °C) может снизить удельное сопротивление фильтрования активного ила в 1000 раз, а сброженного ила в 20 раз, что позволяет обезвоживать осадки на вакуум-фильтрах и фильтр-прессах без обработки химическими реагентами и получить полностью обеззараженные осадки, имеющие низкую влажность и не загнивающие при хранении. Активный ил термообрабатывают предварительно уплотненным, поскольку для обработки неуплотненного ила требуется слишком большой расход греющего пара. Однако такая обработка приводит к увеличению содержания растворимых веществ в иловой воде, образованию газов и запахов, уменьшению удобрительной ценности обработанных осадков. Сливная вода из уплотнителей и фильтрат содержат 2000–6000 мг/л взвешенных веществ, ХПК – 5000–16000 мг/л, БПК5 – 2000–10000 мг/л. В связи с указанными недостатками установки по тепловой обработке осадков в настоящее время имеют ограниченное применение.

Достигнутая после уплотнения и сгущения концентрация избыточного активного ила не позволяет эффективно его утилизировать из-за все еще высокого содержания воды. В связи с этим суспензию уплотненного ила обезвоживают. Обезвоживание позволяет получить сыпучую массу ила или других осадков

ссодержанием сухих веществ от 8–12 до 35–50%, которую можно транспортировать, смешчивать с каким-либо наполнителем, например торфом, получать смесь для компостирования или подвергать другой переработке (см. разд. 3.2.7).

Из методов обезвоживания наиболее распространены фильтрование и центрифугирование.

Фильтрование проводят на фильтр-прессах (камерных, рамных), ленточных прессах, вакуум-фильтрах (барабанных, дисковых, наливного типа) с термической сушкой или без нее, на шнековых фильтрах, мембранных фильтрах (микрофильтрацией).

Камерный фильтр-пресс состоит из набора плит с углублениями, между которыми образуются камеры. Плиты подвешены на боковых брусьях или верхней балке (рис. 1.99). На каждую плиту натягивается фильтровальная ткань или металлические сетки, и вся конструкция фиксируется болтами или с помощью гидравлического давления. Иловая суспензия закачивается насосами между плитами над фильтровальной тканью и фильтруется под давлением до 0,3–1,7 МПа

спродолжительностью фильтрации от нескольких минут до 4–6 ч. В конце цикла после прекращения стока воды давление снимается, плиты разделяют и удаляют осадок.

Поскольку обычно фильтрование является конечной стадией при обезвоживании ила перед складированием или сушкой, пытаются достичь наибольшей концентрации твердой фазы в осадке (кеке) и наименьшей – в фильтрате. Для этого совместно фильтруют смесь сырого осадка сточных вод и избыточного активного ила, промывают осадок очищенной сточной водой, перед фильтрацией добавляют присадочные материалы, коагулянты (FеСl3, Ca(OH)2 или их смесь), нагревают суспензию ила. Такая предобработка приводит к образованию в суспензии агрегатов размером не менее 1–5 мм, резко снижает удельное сопротивление фильтрации, уменьшает заиливание фильтрующей ткани и интенсифицирует обезвоживание.

Рис. 1.99. Камерный фильтр-пресс для обезвоживания избыточного активного ила (фото ЭнвироХеми)

Использование камерных фильтр-прессов при добавлении коагулянтов и присадочных материалов позволяет получать кек с высокой степенью обезвоживания (содержание твердых веществ до 30–35%). Их применяют для обработки осадков на крупных станциях аэрации (см. рис. 1.102) с целью сокращения транспортных расходов, для обезвоживания осадков, содержащих загрязнения минерального происхождения, при предварительной тепловой безреагентной обработке осадков или когда обезвоженные осадки подлежат сжиганию. Фильтр-прессы обеспечивают значительно меньшую влажность получаемого осадка, чем это достигается другими методами обезвоживания. Недостатки ка-