14 Ковальчук Очистка стічних вод

Для селищних очисних станцій продуктивністю від 1400 до 10000 м3/добу застосовують як анаеробну, так і аеробну стабілізацію осадів. При цьому анаеробну стабілізацію здійснюють у двоярусних відстійниках чи осві- тлювачах-перегнивачах, а аеробну - в аеротенках продовженої аерації, аероокислювачах радіального типу, циркуляційних окислювальних каналах чи в окремо виділених аеробних стабілізаторах. Зневоднення осаду при цьому може здійснюватися на мулових майданчиках чи шляхом механічного зневоднення на центрифугах без попереднього кондиціонування осаду.

Для міських і районних очисних станцій можуть застосовуватися послідовно всі методи обробки осадів: попереднє ущільнення; аеробна стабілізація в стабілізаторах при продуктивності станції 64-100 тис. м3/добу чи анаеробна стабілізація в метантенках при продуктивності станції понад 64-100 тис. м3/добу; механічне зневоднення з попереднім кондиціонуванням осадів на вакуум-фільтрах, фільтр-пресах або центрифугах; зневоднення на мулових майданчиках (якщо це можливо); термічна обробка шляхом сушіння і спалювання.

Порівняння економічної ефективності різних варіантів обробки осадів показує, що найбільш доцільним є зневоднення на центрифугах чи ваку- ум-фільтрах сирих незброджених осадів із наступним їх термічним сушінням (рис. 14.4). При обробці сирих осадів скорочується тривалість процесів, зменшується витрата реагентів для їх кондиціонування (в окремих випадках від них можна взагалі відмовитись), не потрібно здійснювати промивання осадів і їх вторинне ущільнення, значно спрощуються самі технологічні схеми обробки осадів.

За експлуатаційними витратами найбільш економічним методом зневоднення сирих осадів є їх центрифугування. Однак при продуктивності очисних станцій більше 40-50 тис. м3/добу різко зростають капітальні та питомі витрати через необхідність застосування великої кількості центрифуг. Використання на таких станціях крупногабаритних центрифуг із високою продуктивністю дозволяє розширити область застосування методу центрифугування сирих осадів стічних вод.

Як слідує з рис. 14.4, питомі витрати на обробку осадів особливо високі для станцій аерації невеликої продуктивності. Тому при їх проектуванні необхідно розглядати можливі варіанти сумісної обробки осадів, які утворюються на очисних станціях, розміщених близько одна від одної, чи влаштовувати пересувні комплекси для зневоднення осаду, наприклад, на базі центрифуг, що встановлюються на мобільний транспорт.

Слід відмітити, що дані по техніко-економічним показникам різних схем обробки осадів слід розглядати як орієнтовні, оскільки методи очистки стічних вод і обробки осадів постійно вдосконалюються, модернізується існуюче і впроваджується нове обладнання, з’являються нові реагенти, зміню-

471

Рис. 14.4. Порівняння відносної економічної ефективності варіантів обробки осадів [3]:

1 - термофільне зброджування суміші з підсушуванням на мулових майданчиках на природній основі; 2 - мезофільне зброджування суміші з вакуум-фільтрацією й термообробкою; 3 - зневоднення сирої суміші на вакум-фільтрах із термообробкою; 4 - центрифугування суміші осаду із стабілізованим активним мулом і фугатом; 5 - роздільне центрифугування осаду й активного мулу з термообробкою; а - капітальні витрати; б - експлуатаційні витрати

ється структура капітальних і експлуатаційних витрат, співвідношення між окремими статтями витрат (зокрема суттєво зростає вартість теплової та електричної енергії при незначному зростанні рівня заробітної плати).

14.3. Ущільнення осадів

Ущільнення - найбільш простий та дешевий метод зниження вологості й об’єму осадів, які підлягають подальшій обробці. Звичайно ущільнюється надлишковий активний мул, в окремих випадках - суміш активного мулу й сирого осаду, досить рідко - сирий осад. Ущільнюватись можуть також анаеробно зброджені й аеробно стабілізовані осади. У наш час використовують гравітаційні, флотаційні та сепараційні методи ущільнення осадів.

14.3.1. Гравітаційне ущільнення осадів

Зменшення вологості й об’єму осадів гравітаційним методом досягається їх тривалим відстоюванням у спорудах типу звичайних вертикальних

472

чи радіальних відстійників, які у цьому випадку називаються мулозгущува-

чами.

Гравітаційне ущільнення надлишкового активного мулу відбу-

вається за закономірностями стисненого осадження, які були розглянуті раніше в розділі 11. У процесі ущільнення активного мулу видаляється лише вільна волога. Ущільнення активного мулу призводить до різкого зростання його питомого опору фільтрації та до збільшення кількості зв’язаної вологи (рис. 14.5 і 14.6). Іммобілізація вільної вологи активним мулом не дозволяє суттєво зменшити його вологість під час гравітаційного ущільнення (рис.

14.7).

Ефективність гравітаційного ущільнення надлишкового активного мулу перед усім залежить від значення його мулового індексу, який визначає питому вагу, структуру й розміри пластівців мулу (рис. 14.8). Важкі компактні пластівці осідають швидше, а тому швидше передають частину своєї ваги на нижні шари осаду при його стисненні. Мулова суміш із аеротенків ущільнюється швидше, ніж активний мул із вторинних відстійників. Активний мул із аеротенків на неповну біологічну очистку ущільнюється швидше і краще, ніж із аеротенків на повну біологічну очистку.

Рис. 14.5. Зростання питомого опору фільтрації r активного мулу при його ущільненні в радіальних (1) і у вертикальних (2) мулозгущувачах

473

Рис. 14.8. Ущільнення надлишкового активного мулу при різних значеннях мулового індексу [10 ]

Встановлено, що ступінь ущільнення мулу залежить від тривалості його перебування в зоні ущільнення та величини тиску в цій зоні. Тривалість перебування мулу в зоні ущільнення визначається навантаженням за сухою речовиною на одиницю поверхні мулозгущувача - питомим поверхневим навантаженням, яке вимірюють у кг сухої речовини на 1 м2 поверхні дзеркала води за добу. Питоме поверхневе навантаження для гравітаційних мулозгущувачів приймають в межах 20-30 кг/(м2.добу). Так як механічний тиск твердої фази зростає із збільшенням висоти шару осаду, то він є другим визначальним параметром при розрахунку мулозгущувачів. У зв’язку з можливістю швидкого загнивання мулу ці два параметри обмежують, виходячи з властивостей і температури осаду.

На процес ущільнення надлишкового активного мулу негативно впливають ті самі чинники, які призводять до погіршання роботи вторинних відстійників, а саме: виділення газів у результаті загнивання мулу, внаслідок денітрифікації чи зміни температури осаду.

Вертикальні мулозгущувачі влаштовуються на базі звичайних первинних вертикальних відстійників із центральною трубою. Подачу мулу та відведення ущільненого мулу здійснюють безперервно, хоча інколи, при задовільному станові мулу, можливий його періодичний випуск (2-3 рази за добу). Для покращання самовільного сповзання ущільненого мулу з стінок конічної частини до дна приямку кут похилу стінок доцільно збільшувати до

70 %.

Для вертикальних мулозгущувачів розрахункова тривалість ущільнення надлишкового активного мулу, який відводиться з вторинних відстійників, складає 10-12 год, із зони освітлення аеротенків-відстійників - 16 год, а з аеротенків на неповну біологічну очистку стічних вод - 3 год [7,8]. Воло-

474

гість ущільненого активного мулу складає при цьому 98 %. Якщо вертикальна швидкість руху рідини в зоні ущільнення не перевищує 0,1 мм/с, то вміст мулу у муловій воді, яка направляється в аеротенки, складає в середньому 100 мг/л.

За висотою у вертикальних мулозгущувачах виділяють наступні зони (зверху-вниз): зону освітленої мулової води (висота 0,4-0,6 м); зону освітлення (висота близько 0,5 м); зону ущільнення; нейтральний шар (висота 0,3-0,5 м); зону накопичення ущільненого осаду. Висоту зони ущільнення можна визначити, виходячи з швидкості руху в ній рідини й тривалості ущільнення: при швидкості 0,1 мм/с і тривалості ущільнення 10-12 год вона складе 3,6- 4,32 м. У закордонній практиці висоту зони ущільнення приймають в межах 1-2 м і збільшують до 2-5 м у випадку, коли мул погано ущільнюється. Для вертикальних мулозгущувачів відстань між центральною трубою і відбивальним конусом приймають рівною 0,5 м.

Радіальні мулозгущувачі мають певні переваги перед вертикальними, які дозволяють ущільнювати осад до вологості 97,3 %. При обертанні ферми із швидкістю біля 0,03 м/с скребки й стійки перемішують та ущільнюють суміш, запобігаючи тим самим заляганню й загниванню мулу, сприяють виділенню газів бродіння, дають можливість пухирцям повітря й муловій воді вийти з нижніх шарів на поверхню, унеможливлюють зависання мулових частинок і згрібають ущільнений мул до центрального приямка (похил дна 0,01), через який він видаляється із споруди.

Розрахункова тривалість ущільнення в радіальних мулозгущувачах складає: 5-8 год - для мулової суміші з аеротенків; 9-11 год - для активного мулу із вторинних відстійників; 12-15 год - для активного мулу із зони освітлення аеротенків-відстійників.

Питоме поверхневе навантаження для радіальних мулозгущувачів приймають таким само, як і для вертикальних - 20-30 кг/(м2.добу). Розрахунок радіальних мулозгущувачів рекомендується здійснювати за гідравлічним навантаженням на поверхню дзеркала води мулозгущувача та тривалістю ущільнення мулу: при концентрації ущільнюваного мулу 2-3 г/л гідравлічне навантаження на поверхню приймається рівним 0,5 м3/(м2.год), а тривалість ущільнення - 5-8 год; при концентрації ущільнюваного мулу 5-8 г/л гідравлічне навантаження на поверхню приймається рівним 0,3 м3/(м2.год), а тривалість ущільнення - 10 год [9].

При проектуванні радіальних мулозгущувачів приймають: висоту зони освітленої мулової води - 0,4-0,6 м; висоту нейтрального шару - 0,3-0,5 м; висоту зони ущільненого осаду та розміщення скребків - 0,3 м (при застосуванні мулососів її збільшують до 0,7 м. Висоту зони ущільнення визначають за гідравлічним навантаженням на поверхню та тривалістю ущільнення.

475

При застосуванні мулососів для видалення ущільненого осаду ферма радіального мулозгущувача обертається із швидкістю 1-2 год-1. При цьому дно споруди влаштовується з похилом 0,003 до периферії. Ущільнений мул випускається безперервно під гідростатичним тиском 0,5-1 м через водозлив з порогом перемінної висоти.

Мінімальне число мулозгущувачів на очисній станції - 2. Їх доцільно розміщувати у висотному плані таким чином, щоб мулова вода надходила в аеротенки самопливом.

Роботу мулозгущувачів можна інтенсифікувати як шляхом покращання властивостей ущільнюваного осаду (хімічною коагуляцією чи термічною обробкою), так і обладнанням самих мулозгущувачів стрижневими мішалками.

Для коагуляції мулу перед ущільненням може застосовуватись фільтрат чи частина реагентів, які застосовуються для кондиціонування осаду перед механічним зневодненням на вакуум-фільтрах чи фільтр-пресах.

Попередня термічна обробка призводить до руйнування гідратної оболонки, яка обволікає тверді частинки осаду, внаслідок чого процес його ущільнення значно інтенсифікується. Після витримування мулу при температурі 70-90 °С на протязі 30 хв він ущільнюється в термогравітаційному мулозгущувачі до вологості 96,7 % на протязі 30-60 хв. За конструкцією термогравітаційний мулозгущувач подібний до звичайного вертикального мулозгущувача, посередині якого розміщена камера для підігрівання осаду парою [5]. Для запобігання втратам тепла мулозгущувачі влаштовують закритими та ізольованими. Серед переваг споруди слід відмітити, що одночасно з ущільненням в ній відбувається і стерилізація мулу. Однак внаслідок великої вартості процесу термогравітаційні мулозгущувачі знайшли застосування лише у технологіях утилізації мулу, як кормової добавки.

На рисунку 14.9 зображений мулозгущувач із мішалками з вертикальних стержнів діаметром 10-12 мм, які закріплюються до ферми на відстані 30 см один від одного на глибину зони ущільнення. При обертанні ферми із швидкістю 2-4 год-1 в осаді за стержнями утворюються «канавки» (зони низького тиску), по яким із товщини осаду видаляються вода та гази. Це дозволяє знизити вологість ущільненого мулу до 93,6 % при тривалості ущільнення 6 год і питомому поверхневому навантаженні до 50 кг/(м2.добу).

В країнах Заходу найбільшого поширення набуло сумісне ущільнення сирого осаду первинних відстійників із надлишковим активним мулом (надлишковий активний мул часто подається безпосередньо в первинні відстійники). Вважається, що при сумісному ущільненні об’єм ущільненого осаду не перевищує об’єм активного мулу, ущільненого окремо, Це відбувається тому, що тверді частинки осаду розміщуються у просторовій структурі пластівцевидних утворень активного мулу, витісняючи звідти частину вологи [10].

476

Рис. 14.9. Гравітаційний мулозгущувач із стержневою мішалкою: 1 - підвідний трубопровід; 2 - мулоскреб з вертикальною решіткою

Іноді ущільненню піддають і сирий осад первинних відстійників. При питомому поверхневому навантаженні 50-70 кг/(м2.добу) вологість ущільненого осаду складає 93-95 %, а при навантаженні 80-120 кг/(м2.добу) - 90 % [11].

Крім відмічених раніше, суттєвими недоліками гравітаційних мулозгущувачів є їх значні розміри та порівняно велика вологість ущільненого осаду.

14.3.1. Флотаційне ущільнення осадів

Вивільнення вологи із структурних порожнин активного мулу можна інтенсифікувати на рівні поверхневих явищ, наприклад, шляхом здійснення флотаційної обробки мулової суспензії: повітря, що вводиться у вигляді мілких пухирців, вступає в конкурентну взаємодію із зв’язаною вологою на поверхні частинок мулу, витісняючи і переводячи її у вільний стан. Застосування флотації дозволяє за 10-20 хв досягнути такого самого ступеня ущільнення мулу, як і після його гравітаційного ущільнення на протязі 2 год (рис. 14.10).

Вологість флотованого мулу й вміст зависі в муловій воді залежать від багатьох чинників, у тому числі від концентрації і якості ущільнюваного мулу, рециркуляційного відношення, тривалості обробки, відношення кількості повітря та сухої речовини мулу, тиску насичення робочої рідини повітрям, навантаження за сухою речовиною й гідравлічного навантаження на флотаційну камеру, типу флотаційної камери тощо.

Дослідженнями НДІ ВОДГЕО встановлена пряма залежність між концентрацією і якістю мулу та його здатністю до флотаційного ущільнення:

із зменшенням значення безрозмірного критерію ai Ji продуктивність флотаційної камери зростає і навпаки (табл. 14.6).

477

Рис. 14.10. Графік ущільнення мулу за часом при різному тиску насичення його повітрям у напірному баку [12]

Таблиця 14.6

Залежність гідравлічного навантаження на поверхню флотаційної камери від значення безрозмірного критерію ai Ji

Вітчизняні і закордонні дослідження процесу флотаційного ущільнення мулу показують, що збільшення тиску насичення повітрям, відношення кількості повітря до сухої речовини мулу та рециркуляційного відношення призводять, у більшості випадків, до збільшення концентрації флотованого мулу й зменшення вмісту завислих речовин у муловій воді.

Найкращі результати забезпечуються при напірній флотації мулу за схемою з рециркуляцією робочої рідини, дослідженою в Українському інституті інженерів водного господарства під керівництвом проф. А.І.Мацнєва [12]. У запропонованому флотаційному мулозгущувачі (рис. 14.11) насичення робочої рідини повітрям здійснюється за схемою, аналогічною до зображеної на рисунках 6.23 і 11.15. Як робоча рідина може використовуватись очищена стічна вода після вторинних відстійників чи мулова вода, що виходить із флотаційної камери. Насичення робочої рідини повітрям здійснюється в напірному баку на протязі 2-3 хв під тиском 0,2-0,4 МПа. Відношення витрати робочої рідини до витрати ущільнюваного мулу складає (2-3):1 і визначається в залежності від тиску й тривалості насичення в напірному баку таким чином, щоб питома витрата повітря, яке виділяється в флотаційній камері, складала 10-12 л на 1 кг сухої речовини активного мулу.

У відповідності до наведеної схеми, надлишковий мул подається у верхню частину камери, а робоча рідина - в нижню. Мул і робоча рідина рівномірно розподіляються по площі камери за допомогою радіальних розподільних труб із отворами діаметром 5-10 мм, які в мулових трубах влаштовуються згори, а в трубах робочої рідини - збоку (швидкість виходу рідини з

478

отворів повинна складати відповідно 0,7-1 і 1,8-2,3 м/с). Мулова вода видаляється з нижньої частини флотаційної камери. Шлам, який накопичується на поверхні, періодично (через 3-4 год, після досягнення вологості 94,5-95 %) скидається у шламовідвідний лоток за допомогою спірального скребка.

Висота робочої зони флотаційної камери (між розподільними трубами мулу та робочої рідини) приймається рівною 2-3 м, а її об’єм визначається за тривалістю перебування в ній суміші мулу та робочої рідини (приймається в межах 40-60 хв). Висоту шару шламу звичайно приймають рівною 0,3-0,7 м; таку саму висоту повинна мати й захисна зона між шламом і розподільними трубами мулу. Об’єм зони мулової води (між розподільними трубами робочої рідини та отворами для випуску мулової води) повинен складати 20-40 % об’єму робочої зони, але її висота не повинна бути менше 1 м. Фактична концентрація завислих речовин у муловій воді складає 80-100 мг/л.

Крім надлишкового активного мулу флотаційному ущільненню мо-

Рис. 14.11. Флотаційний мулозгущувач продуктивністю 100 м3/год (за сумарною витратою мулу і робочої рідини):

I - зона флотації; II - зона ущільнюваного шламу; III - зона ущільненого шламу; IV - зона підмулової води; 1 - подача робочої рідини; 2 - подача мулу на ущільнення; 3 - видалення шламу; 4 - радіальні дірчасті труби для розподілу мулу; 5 - кільцевий жолоб для видалення шламу; 6 - мотор-редуктор; 7 - скребок-спіраль Архімеда; 8 - скребок у середині жолоба; 9 - регулятор рівня при випуску підмулової води та робочої рідини; 10 - приймальна камера; 11 - випуск підмулової води та робочої рідини; 12 - скидний трубопровід; 13 - центральна розподільна труба; 14 - радіальні дірчасті труби для розподілу робочої рідини

479

жуть піддаватись й інші види осадів чи їх суміші. У таблиці 14.7 наведені технологічні параметри процесу флотаційного ущільнення осадів, встановлені закордонними дослідниками. Попередня обробка осадів флокулянтами дозволяє зменшити вологість флотованого мулу з 95-96 % до 94-95 % і збільшити ефективність затримання сухої речовини до 95-99 %.

Таблиця 14.7

Технологічні параметри процесу флотаційного ущільнення осадів

Головними перевагами флотаційних мулозгущувачів у порівнянні з гравітаційними є менша тривалість процесу ущільнення, їх менші розміри, нижча вологість ущільненого мулу й значно менший його об’єм, що дозволяє зменшити об’єми наступних споруд для обробки осадів. Проте флотаційні мулозгущувачі мають також і суттєві недоліки, а саме: великі витрати електроенергії флотаційними насосами, певна складність конструкції й експлуатації, необхідність розміщення флотаційних мулозгущувачів у будівлі для зручності експлуатації в зимовий час.

14.3.3. Відцентрове згущення осадів

Відцентрове згущення мулових суспензій здійснюється в компактних високопродуктивних сепараторах чи центрифугах. Швидкість розділення суспензій при цьому в 1000 разів більша, ніж при гравітаційному ущільненні.

Для згущення надлишкового активного мулу знайшли застосування сепаратори з тарілчастими вставками, схема одного з яких наведена на рис. 14.12. Після надходження в сепаратор і попадання в простір між тарілками, частинки мулу опиняються під дією двох складових відцентрової сили: сили, діючої перпендикулярно поверхні тарілки, що притискає до неї частинку, і сили, направленої вздовж тарілки, під дією якої частинка ковзає вниз по тарілці. Освітлений мул (фугат) рухається вгору в просторі між тарілками й видаляється через верхню кільцеву щілину. Згущений мул, який зісковзує з тарі-

480