14 Ковальчук Очистка стічних вод

Сирий осад первинних відстійників являє собою драглювату суспензію сірого або світло-коричневого кольору з кислуватим запахом. Внаслідок вмісту великої кількості органічних речовин він швидко загниває, набуваючи темно-сірого або чорного кольору і видаючи неприємний кислий запах. При відстоюванні стічних вод на протязі 2 год вологість утворюваного осаду складає біля 97,5 %; при подальшому відстоюванні осад ущільнюється і його вологість знижується до 93-95 %, а вміст сухої речовини збільшується відповідно від 2,5 до 5-7 %. Вологість осаду первинних відстійників залежить, головним чином, від способу його вивантаження: при вивантаженні під гідростатичним тиском вологість осаду складає в середньому 95 %, при відкачуванні плунжерними насосами - 93-93,8 %.

При середній ефективності первинного освітлення міських стічних вод 60 % і вологості осаду 95 % його питомий об’єм складає 0,8 л/добу на одного жителя. У залежності від вологості питомий об’єм осаду може змінюватись від 0,5 до 2 л/добу на одного жителя. Маса сухої речовини й об’єм осаду, затримуваного в первинних відстійниках, можуть бути встановлені за наведеними раніше формулами (6.27) і (6.28). При вологості до 80 % густину сирого осаду міських стічних вод приймають рівною 1 т/м3.

У первинних відстійниках затримуються також спливаючі домішки, кількість яких у середньому складає 2 л/рік на 1 жителя при вологості 60 % і густині 0,6 т/м3. Плаваючі домішки обробляють спільно з осадом первинних відстійників.

Надлишковий активний мул являє собою суспензію аморфних пластівців сірувато-чорного кольору. При зберіганні й ущільненні він швидко загниває. Вологість надлишкового активного мулу, який вивантажується з вторинних відстійників після аеротенків, складає 99,2-99,7 %, а надлишкової біоплівки, яка вивантажується з вторинних відстійників після біофільтрів, - 96-96, 5 %.

Приріст активного мулу вологістю 99,5 % на міських станціях аерації становить від 2 до 3,8 % об’єму очищуваних стічних вод, або від 8,8 до 20 т за сухою речовиною на кожні 100 тис. м3 стічних вод. Приріст активного мулу в аеротенках на повну або неповну очистку, а також в аеротенках продовженої аерації визначається за даними, наведеними в розділі 10.9.2; приріст біоплівки в біофільтрах різних типів визначається за даними, наведеними в розділі 9.6. Дані К.Імгофа стосовно кількості і вологості осадів, які утворюються на міських очисних спорудах, наведені в табл. 14.1.

Надлишковий активний мул, ущільнений в мулозгущувачах вертикального типу, має середню вологість 98 %, а в мулозгущувачах радіального типу - 97,3 %. Навіть нетривале ущільнення надлишкового активного мулу викликає досить значне зменшення його об’єму. Якщо об’єм осаду вологістю

W1 і масою сухої речовини Oсух складає O1, а об’єм того самого осаду во-

461

462

Таким чином, при зменшенні вологості об’єм осаду зменшується обернено пропорційно вмісту в ньому сухої речовини.

Зброджені осади відрізняються одноріднішою структурою і являють собою суспензії чорного або темно-сірого кольору. Вологість осаду, який вивантажується з метантенків, залежить від співвідношення між сирим осадом і надлишковим активним мулом за сухою речовиною та ступеня розпаду їх беззольної речовини. При зброджуванні суміші осаду первинних відстійників і ущільненого надлишкового активного мулу, середня вологість якої складає 96,2 %, середня вологість суміші, яка вивантажується з метантенків, може прийматися рівною 97 %, із двоярусних відстійників - 90 %, а з освітлюва- чів-перегнивачів - 93-95 %. Вологість осаду, який вивантажується з аеробних стабілізаторів після 1,5-5-годинного ущільнення, складає 96,5-98,5 %.

Вологість осадів визначає їх консистенцію та здатність текти. Осади міських стічних вод (сирі й зброджені) при вологості більше 90 % являють собою рідку текучу масу. При вологості 86-90 % вони мають консистенцію сметани, при вологості 82-86 % - схожі на рідкий бруд, а при ще нижчій вологості - мають вигляд злегка вологої землі. Активний мул вже при вологості 88-91 % має консистенцію сметани, а при вологості 85-87% і нижче має вигляд вологої землі.

Хімічний і гранулометричний склад осадів. Більшу частину сухої речовини сирого осаду первинних відстійників (в середньому 60-75%) і надлишкового активного мулу (в середньому 70-75%) складає органічна речовина. Вона представлена білками, жирами та вуглеводами, які у сумі складають 80-85 %, а також гумусоподібними, які складають відповідно 15-20 %. Кількісне співвідношення між окремими компонентами в осадах різне. Якщо в органічній речовині осаду переважають жироподібні речовини й вуглеводи, то в активному мулі значну частину органічної речовини складають білки (табл.

14.2).

Осади стічних вод вміщують цінні поживні речовини (азот, фосфор, калій, макро- і мікроелементи) і можуть бути використані в якості добрив. У всіх видах осадів міських стічних вод містяться іони важких металів (свинець, кобальт, кадмій, ртуть тощо). Хімічний склад мінеральної частини осадів наведений у табл. 14.3.

Хімічний склад осадів має суттєвий вплив на їх властивості і в кінцевому рахунку визначає можливі методи їх обробки. Сполуки заліза, алюмінію,

463

Таблиця 14.2

Хімічний склад осаду первинних відстійників і активного мулу, % [2]

хрому, міді, а також кислоти й луги сприяють інтенсифікації процесів ущільнення та зневоднення осадів, зменшують витрату хімічних реагентів на їх коагуляцію перед зневодненням. Масла, жири й азотисті сполуки посилюють газовиділення при зброджуванні осадів, але, оточуючи частинки осаду, вони порушують процеси його ущільнення та коагуляції. Іони важких металів, барвники та поверхнево-активні речовини зменшують газовиділення, погіршують процеси аеробної стабілізації й особливо анаеробного зброджування осадів, зменшують цінність осаду як добрива.

Водовіддача осадів багато в чому залежить від розмірів частинок їх твердої фази. Із зменшенням розмірів частинок осад гірше віддає вологу і навпаки. Осад первинних відстійників має неоднорідний фракційний склад: частинки крупністю більше 7-10 мм складають 5-20 %, крупністю 1-7 мм - 9- 33 %, а крупністю менше 1 мм - 50-88 % маси сухої речовини. В активному мулі кількість частинок розміром менше 1 мм досягає 98 %, розміром 1-3 мм - 1,6 %, більше 3 мм - 0,4 % маси сухої речовини. У порівнянні із сирим, осад,

464

зброджений в метантенках, стає більш однорідним, розміри його частинок при цьому зменшуються (частинки розміром менше 1 мм складають 85 %). Дисперсійний склад твердої фази осадів однієї з Московських станцій аерації наведений на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Залежність сумарного вмісту частинок від їх розміру [3]: 1 - для сирого осаду первинних відстійників; 2 - для збродженої суміші сирого осаду й активного мулу; 3 - для ущільненого активного мулу

Здатність осадів віддавати воду характеризується питомим опором фільтрації. Питомий опір осаду фільтрації - це опір одиниці маси твердої фази осаду, що відкладається на одиниці площі фільтра при фільтруванні під постійним тиском осаду, в’язкість рідкої фази якого дорівнює одиниці. Питомий опір осадів фільтрації виражається в см/г і визначається на спеціальних лабораторних установках [4].

Питомий опір залежить від числа, діаметра, довжини капілярів і їх взаємного розташування, дисперсності, хімічного складу, динамічної в’язкості, співвідношення вільної й зв’язаної води в осаді та інших чинників. Він визначає необхідність і ступінь обробки осадів перед їх механічним зневодненням, метод обробки осадів і розрахункові параметри відповідних пристроїв та споруд.

Питомий опір осадів фільтрації визначається за формулою

де p - тиск (вакуум), при якому відбувається фільтрування; F - площа пове-

фільтрування; V - об’єм виділеного фільтрату).

465

Сирий осад і неущільнений активний мул мають питомий опір фільтрації в середньому (50-1000).1010 см/г. Ущільнений активний мул, анаеробно зброджений й аеробно стабілізований осади мають значно більший питомий опір фільтрації - (400-10000).1010 см/г, тобто, не дивлячись на мінералізацію органічної речовини, зброджування осадів погіршує їх водовіддачу. За зростанням питомого опору фільтрації осади можна розташувати наступним чином: сирий осад; надлишковий активний мул; ущільнений надлишковий активний мул; аеробно стабілізований осад; осад зброджений у мезофільних умовах; осад зброджений у термофільних умовах (табл. 14.4).

Форми зв’язку вологи з частинками твердої фази. Волога може знаходитися в хімічному, фізико-хімічному та фізико-механічному зв’язку з твердими частинками осаду, а також існувати в формі вільної води. Хімічно зв’язана вода (гігроскопічна волога) входить до складу речовини й не виділяється навіть при термічному сушінні осаду; фізико-хімічним зв’язком утримується адсорбційна й осмотична волога, а фізико-механічним - капілярна вода, вода змочування й структурна волога. Чим більше зв’язаної вологи в осаді, тим більше енергії необхідно витратити для її видалення. В середньому

466

в осаді вільна волога складає 60-65 %, фізико-хімічно і фізико-механічно зв’язана - 22-30 %, хімічно зв’язана - 4-10 % (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Залежність об’єму, концентрації та вологості осадів від методів їх обробки:

1, 6 - зона видалення вологи ущільненням; 2, 5 - зона видалення вологи механічним зневодненням; 3, 6 - зона видалення вологи термічним сушінням; 7 - тверда фаза

Вільна вода не зв’язана з твердими частинками й значна її частина легко видаляється при зневодненні осаду будь-якими методами. Фізикомеханічно зв’язана волога знаходиться в середині макрота мікрокапілярів. Фізико-механічний зв’язок вологи з твердою фазою відносно легко порушується внаслідок випаровування, під вакуумом чи під тиском більшим від капілярного. Частина цієї вологи може видалятися з осаду при гравітаційному ущільненні, сушінням на мулових майданчиках, вакуум-фільтруванням, центрифугуванням або фільтр-пресуванням.

Фізико-хімічно зв’язана волога обволікає тверді частинки тривкою гідратною оболонкою, яка не дозволяє частинкам з’єднуватися у великі агрегати. Для збільшення водовіддачі необхідно змінити структуру твердої фази осадів, що досягається їх коагуляцією хімічними реагентами, введенням присадочних матеріалів, заморожуванням із наступним таненням, а також термічною обробкою. Здійснення цих операцій призводить до кількісного перерозподілу форм зв’язку вологи в напрямку збільшення вмісту вільної води через зменшення загальної кількості зв’язаної води. Окремі тверді частинки звільняються від гідратної оболонки й з’єднуються разом, утворюючі пластівці. Вивільнена частина зв’язаної вологи може бути видалена механічними засобами зневоднення осаду разом із вільною вологою. Досить повне вилучення всієї фізико-хімічно зв’язаної вологи з осаду досягається лише сушінням при підвищених температурах.

467

На відміну від інших типів осаду, активний мул змінює свої властивості при ущільненні. Вологість активного мулу не вдається знизити гравітаційним ущільненням нижче 96,5-97 % оскільки він має високу структуроутворюючу спроможність і його ущільнення призводить до іммобілізації великої кількості води, не зв’язаної раніше. Крім цього, тривалість гравітаційного ущільнення активного мулу обмежена часом, на протязі якого він не загниває.

Теплофізичні характеристики осадів визначають, головним чином,

для розрахунку процесів їх термічної обробки (дегельмінтизації, термічного сушіння чи спалювання) (табл. 14.5).

Теплота згоряння сухої речовини осаду в середньому складає 16,7- 18,4 МДж/кг, а вища теплота згоряння горючої маси - 24,3-36,4 МДж/кг. При збільшенні вологості й зольності осадів зростає їх питома теплоємність, зменшується теплота згоряння та вихід летючих речовин.

Бактеріальна забрудненість осадів. В осадах, як і в стічних водах,

містяться всі основні форми бактерій. Бактеріальна забрудненість осадів на порядок вища, ніж стічних вод. В 1 см3 сирого осаду первинних відстійників вологістю 94,3 % міститься біля 42 млн. бактерій, а в 1 г сухої речовини - від 740 тис. до 1 млн. Якщо прийняти середній діаметр бактеріальної клітки рівним 0,001 мм, то сумарний об’єм 42 млн. бактерій, що містяться в 1 см3 осаду, складе біля 0,4 см3, а їх маса - приблизно 400 мг. При вмісті води в бактеріях, рівному 80-85 %, маса їх сухої речовина складає 60-80 мг/см3 осаду [5].

В 1 кг сирих і зброджених у мезофільних умовах осадах міських стічних вод, а також у надлишковому активному мулі, міститься декілька сотень яєць гельмінтів; в механічно зневоднених осадах число яєць гельмінтів досягає декількох тисяч на 1 кг осаду. Основну масу складають яйця аскарид, зустрічаються й інші види гельмінтів (власоглав, широкий лентець, солітер й ін.). Віруси виділяються в 29,1 % проб сирих осадів первинних відстійників, у 17,5 % проб надлишкового активного мулу й у 12,6 % проб зброджених осадів стічних вод [6].

468

14.2. Вибір технологічної схеми обробки осадів

Основне завдання обробки осадів стічних вод полягає в отриманні кінцевого продукту, властивості якого забезпечують можливість його утилізації або зводять до мінімуму збитки довкіллю.

Як вказувалося раніше у розділі 3, на очисних спорудах застосовують наступні процеси обробки осадів стічних вод: ущільнення (згущення), стабілізацію, кондиціонування, зневоднення, сушіння, термічну обробку, утилізацію цінних продуктів або ліквідацію осадів (рис. 14.3).

Ущільнення й зневоднення забезпечують зменшення вологості, об’єму та маси осадів і є, як правило, невід’ємною частиною будь-якої технологічної схеми їх обробки. При ущільненні видаляється в середньому до 60 %, а при механічному зневодненні - до 25 % загальної кількості вологи, що міститься у вихідному осаді (див. рис. 14.2). Термічне сушіння й спалювання забезпечують видалення з осаду ще до 15 % вологи. Маса осаду в процесі ущільнення зменшується в середньому в 2,5, при зневодненні - в 12,5, при сушінні - в 60, а при спалюванні - в 150 разів. При цьому витрати на видалення одиниці об’єму вологи при ущільненні приблизно в 10 разів нижчі, ніж при механічному зневодненні (з урахуванням витрат на кондиціонування) і в 1520 разів нижчі, ніж при термічному сушінні.

Вибір раціональної технологічної схеми обробки осадів є склад-

ною інженерно-економічною та екологічною задачею, правильне вирішення якої вимагає обов’язкового врахування продуктивності очисної станції, місцевих умов (кліматичних, гідрогеологічних, містобудівельних, агротехнічних, забезпеченості реагентами, паливом, технологічним транспортом тощо), виконання попередніх експериментальних досліджень здатності осадів до водовіддачі, їх фізико-хімічних, теплофізичних і агрономічних характеристик. Але в будь-якому випадку технологічна схема грунтується на комбінації різноманітних методів обробки осадів.

На місцевих і малих очисних станціях застосовують анаеробну або аеробну стабілізацію з наступним вивезенням осадів на звалище автоцистернами, або сушінням на мулових майданчиках і подальшим використанням на добриво.

При очистці стічних вод у септиках (витрати до 25-50 м3/добу) там само відбувається і анаеробне зброджування утворюваного осаду. При витратах від 50 до 1400 м3/добу стічні води освітлюють у двоярусних відстійниках чи освітлювачах-перегнивачах, в яких одночасно здійснюється анаеробне зброджування затримуваного осаду, надлишкового активного мулу чи надлишкової біоплівки.

Аеробну стабілізацію осаду застосовують при здійсненні біологічної очистки стічних вод в аеротенках. На очисних станціях продуктивністю до

469

700 м3/добу аеробну стабілізацію осаду здійснюють безпосередньо в аеротенках продовженої аерації чи в окремо виділених аеробних стабілізаторах.

Рис. 14.3. Методи обробки осадів

470