14 Ковальчук Очистка стічних вод

і 25-30 %. Крім цього, у біогазі в невеликих кількостях можуть міститись й інші гази: 2-4 % CO , до 1 % N , до 0,3 % O2 , а також до 1,5 % різних вуг-

леводнів (крім метану) і невелика кількість сірководню H2S . Склад біогазу,

що утворюється на деяких очисних станціях, наведений в табл. 14.17. Таблиця 14.17

Середньорічний склад газу метантенків [21]

За температури 0 °С об’ємна вага біогазу складає 1,17 кг/м3, а за температури 20 °С - 1,07 кг/м3 (тиск 760 мм.рт.ст.). Вологість біогазу, який відводиться з метантенка складає 92-97 %. Коефіцієнт нерівномірності виходу біогазу становить 1,5-2. Суміш біогазу з повітрям у співвідношенні 1:6-1:15 є вибухонебезпечною.

За СНиП 2.04.03-85 теплотворну здатність біогазу слід приймати рівною 5000 ккал/м3 (20,65 МДж/м3). Використання 1 м3 біогазу при ККД 100 % дає економію 0,714 кг умовного палива. Тому основним напрямком утилізації біогазу в наш час є спалювання його в котельних очисних станцій і використання отримуваного тепла для підігрівання осаду в метантенках. На жаль, станом на 1998 р. в Україні біогаз використовувався лише на двох очисних станціях. Є досвід використання біогазу як палива для дизель-повітродувок і дизель-генераторів на ряді очисних станціях у США, Англії і ФРН. Це покриває до 70 % енергетичних витрат систем аерації.

На установки для використання газу метантенків у котельнях каналізаційних очисних споруд розроблені типові проектні рішення 902-09-27.85. Установки рекомендується застосовувати на очисних станціях продуктивністю понад 50 тис. м3/добу. Технологічні схеми установок однотипні для метантенків з виходом біогазу від 1080 до 8800 м3/добу і включають: газові мережі, розміщені окремо газозбірний пункт, газгольдери, пункти управління газгольдерами і газовою свічкою, а також газогорілочні пристрої.

Для використання газу метантенків прокладаються газові мережі - від метантенків до газозбірників і далі до пунктів використання газу. Газові мережі низького тиску влаштовують із стальних труб, з’єднаних зварюванням, із посиленою антикорозійною ізоляцією. Вони прокладаються у землі

521

нижче глибини промерзання грунту (глибше 0,9 м) або по поверхні землі з теплоізоляцією. Швидкість руху газу в газопроводах приймають не більше 10 м/с.

По газовій мережі біогаз надходить у газозбірний пункт, призначений для збирання біогазу від різних метантенків і визначення його витрати, а також для відділення від нього надлишкової вологи. Конденсат, який відводиться із вологовідділювача, збирається в зливний бак звідки, по мірі наповнення, відкачується ручним насосом.

Для регулювання тиску та зберігання біогазу влаштовуються мокрі газгольдери, місткість яких розраховується на 2-4 годинний вихід газу, а тиск під ковпаком складає 1,5-2,5 кПа. Мокрі газгольдери ємністю 100, 300, 600, 1000, 3000 і 6000 м3 (табл. 14.18) складаються із двох основних частин: стального резервуара, заповненого водою, і рухомого дзвону, який плаває у резервуарі й переміщується відносно стінок останнього на роликах по направляючим. Вага дзвону врівноважується протитиском газу. Завдяки цьому при зміні об’єму газу під дзвоном тиск у газгольдері і в газовій мережі залишається постійним.

Таблиця 14.18

Основні розміри типових газгольдерів

Зазвичай газгольдери встановлюються на тупиковому відгалуженні газової мережі (рис. 14.36) й заповнюються технічною водою. Для запобігання замерзанню в зимовий період газгольдери обладнуються системою опалення. Передбачається також можливість спорожнення газгольдерів.

У пунктах управління газгольдерами розміщені газопроводи, арматура, прилади контролю та управління електрифікованими засувками, включеними в систему подачі газу в котельну чи на газову свічку. Газова свічка призначена для спалювання неутилізованого біогазу й застосовується в аварійних ситуаціях, а також при відсутності потреби в біогазі. Для спалювання біогазу в котельнях використовують парові котли типу ДКВР-2,5-13, ДКВР-4-13, ДКВР-6,5-13 і Е-1/9-Г1, а також у секційні котли «Мінськ-1» і «Універсал6М».

522

Рис. 14.36. Схема підключення мокрого газгольдера:

1 - гідравлічний затвор; 2 - газовий стояк; 3 - перепускний пристрій; 4 - центральна продувочна труба; 5 - дзвін; 6 - резервуар

Біогазові установки вибухонебезпечні, тому при їх розміщенні на території очисної станції слід передбачити наступні розриви: від газозбірного пункту метантенків до пункту управління газгольдерами - не менше 20 м; між газгольдерами - по діаметру газгольдера; від газової свічки до будь-якої вибухонебезпечної споруди - 10 м; від котельної до будь-якої із споруд газового господарства - 24 м. Територія метантенків огороджується. Відстань від них до основних споруд очисної станції, внутрішніх автомобільних доріг і залізничних шляхів повинна складати понад 20 м, а до високовольтних ліній - не менше 1,5 висоти опори.

14.5. Кондиціонування осадів

Кондиціонування - це покращання водовіддачі осадів шляхом зміни їх структури й форм зв’язку вологи з частинками твердої фази перед зневодненням чи утилізацією. Зазвичай осади кондиціонують перед зневодненням на вакуум-фільтрах, фільтр-пресах чи центрифугах, а в окремих випадках - на мулових майданчиках. Метод кондиціонування в значній мірі визначає продуктивність апаратів для зневоднення осаду, забрудненість мулової води та кінцеву вологість зневодненого осаду.

Кондиціонування осаду може здійснюватись реагентними та безреагентними методами.

При реагентному кондиціонуванні осадів застосовують мінеральні коагулянти й органічні флокулянти. До реагентних відносять також метод зневоднення осаду за допомогою присаджувальних матеріалів (допоміжних речовин).

До безреагентних методів кондиціонування осадів відносять: промивання і ущільнення осадів; високотемпературну обробку, заморожування-та- нення; ультразвукову чи магнітну обробку осадів.

523

У наш час на вітчизняних очисних станціях осади найчастіше кондиціонують промиванням, ущільненням із наступною реагентною обробкою; закордоном знайшли застосування також методи високотемпературної обробки та заморожування-танення.

14.5.1. Промивання і ущільнення осадів

Зменшення питомого опору осадів фільтрації при їх промиванні досягається завдяки видаленню з них колоїдних і мілкодисперсних частинок, а також зменшення лужності осадів. Промивання найбільш ефективне для анаеробно зброджених осадів із питомим опором фільтрації понад 1000.1010 см/г. З цієї причини не здійснюють промивання осадів сирих, аеробно стабілізованих чи анаеробно зброджених у двоярусних відстійниках чи освітлювачахперегнивачах.

Промивання осадів здійснюється технічною водою, в якості якої застосовують біологічно очищену стічну воду. Кількість промивної води складає 1-4 м3 на 1 м3 осаду й залежить від режиму зброджування, співвідношення в суміші між сирим осадом і активним мулом. Кількість промивної води визначають за емпіричною формулою

промивної води приймають (м3/м3): для збродженого сирого осаду - 1-1,5; для суміші сирого осаду й надлишкового активного мулу, збродженої в мезофільних умовах - 2-3, а в термофільних умовах - 3-4.

Промивання осаду здійснюють у спеціальних резервуарах (не менше двох) на протязі 15-20 хв при безперервному перемішуванні. Промивні резервуари повинні мати пристрої для видалення спливаючих домішок і спорожнення. При перемішуванні повітрям його витрата визначається з розрахунку 0,5 м3 на 1 м3 суміші.

Ущільнення суміші промитого осаду та відділення мулової води здійснюють у не менш ніж у двох радіальних (іноді - в горизонтальних) мулозгущувачах. Тривалість перебування суміші осаду й промивної води в робочій зоні мулозгущувача приймають 12-18 і 20-24 год відповідно для мезофільного та термофільного режимів зброджування; об’єм мулової частини мулозгущувачів розраховують на зберігання там осаду вологістю 94-96 % на протязі 2 діб. Варіант розміщення споруд для промивання та ущільнення промитого осаду наведений на рис. 14.37. Промивні резервуари тут розміщені в спеціальному приміщенні - камері промивання осаду. Там само розміщений резервуар мулової води, а також насоси: відцентрові, призначені для перекачуван-

524

Рис. 14.37. Вузол камери промивання й ущільнювачів промитого осаду:

1 - технічний водопровід; 2 - стиснене повітря; 3 - самопливний трубопровід мулової води; 4 - напірний трубопровід мулової води; 5 - фільтрат; 6 - зброджений осад із метантенків; 7 - мулова суміш; 8 - промитий зброджений осад; 9 - осад на мулові майданчики; 10, 11 - плаваючі речовини; 12 - спорожнення мулозгущувачів; 13 - мулозгущувачі; 14 - камера промивки осаду; 15 - резервуар промивки осаду; 16 - резервуар мулової води; 17 - камера переключень; 18 - корпус вакуум-фільтрування; 19 - колодязь для плаваючих речовин

ня мулової води в «голову» очисних споруд, і плунжерні - для перекачування промитого ущільненого осаду в цех механічного зневоднення.

В результаті промивання та наступного ущільнення осадів їх питомий опір фільтрації зменшується до (400-700).1010 см/г.

Мілкі частинки, які переходять у промивну воду при промиванні осаду, зумовлюють високу концентрацію в ній завислих речовин (1000-1500

мг/л) і БПКповн (600-900 мг/л). Для зменшення забрудненості промивної води і навантаження на очисні споруди СНиП 2.04.03-85 рекомендується подавати

фільтрат від вакуум-фільтрів у мулозгущувачі або замінювати промивну воду

525

0,1 %-м розчином хлорного заліза, для приготування якого можна використовувати до 50 % його кількості, необхідної для реагентного кондиціонування осаду. При цьому, як встановив проф. І.С.Туровський, витрата промивної води зменшується в 2 рази, тривалість ущільнення осаду скорочується до 4-6 год, а вміст сухої речовини осаду в промивній воді - у 5-10 разів [3].

14.5.2. Реагентне кондиціонування осадів

Зміна структури та покращання водовіддаючих властивостей осадів за цим методом досягається обробкою їх мінеральними коагулянтами й органічними флокулянтами.

Обробка мінеральними коагулянтами забезпечує агрегацію тон-

кодисперсних та колоїдних частинок осаду, супроводжується руйнуванням гідратних оболонок, а також зміною форм зв’язку вологи з частинками осаду. Це зменшує питомий опір осадів фільтрації до значень, при яких забезпечується стійка робота зневоднюючого обладнання: (10-60).1010 - для зброджених і (5-50).1010 см/г - для сирих осадів стічних вод.

Для кондиціонування осадів використовуються наступні мінеральні коагулянти: FeCl3 , Fe2 (SO4 )3 , FeSO4 , Al2 (SO4 )3 , негашене CaO і

гашене вапно Ca(OH)2 . Дози реагентів обчислюються у відсотках від маси

сухої речовини осаду й залежать від виду осаду, методу його попередньої обробки та способу наступного зневоднення. Чим більший ступінь дисперсності твердої фази і лужність осаду, тим більше реагентів потрібно для його коагуляції. Дози реагентів для зброджених осадів більші, ніж для сирих; дози реагентів для термофільно зброджених осадів більші, ніж для мезофільно зброджених; дози реагентів для мезофільно зброджених осадів більші, ніж для аеробно стабілізованих осадів.

Із перелічених коагулянтів найбільш ефективним є хлорне залізо. При його застосуванні рН осаду зменшується до 4-5, тобто до значення, що відповідає ізоелектричній точці білкових речовин. Завдяки явищу синергізму більш ефективною є обробка осадів послідовно коагулянтами та вапном. Нейтралізуючи кислоти, які утворюються внаслідок гідролізу коагулянтів, вапно вступає в хімічні реакції з кислотами та органічними речовинами, що містяться в осадах. При цьому в 2 рази скорочується витрата власне коагулянтів, припиняється гниття осаду й розповсюдження запахів. Одночасно вапно відіграє роль присаджувального матеріалу, який змінює й підвищує жорсткість структури осаду. З цієї причини застосування хлорного заліза чи інших коагулянтів у поєднанні з вапном отримало найбільше поширення в практиці кондиціонування осадів перед механічним зневодненням.

Орієнтовні дози коагулянтів для кондиціонування осадів перед зневодненням на вакуум-фільтрах можна визначити за емпіричною формулою,

526

яка враховує питомий опір фільтрації вихідного осаду, його лужність і вологість [3]

де Д - доза коагулянту, % маси сухої речовини осаду; K - коефіцієнт, який залежить від виду й хімічного складу коагулянту, а також від типу осаду;

R = r.10− 10 - питомий опір осаду фільтрації, см/г; W - вологість осаду, %; C - концентрація сухої речовини осаду, %; Л - лужність осаду до коагуляції, мг/л.

Для сирого та збродженого осадів при коагулюванні хлорним залізом коефіцієнт K = 0,25. При коагулюванні хлорним залізом і вапном, доза вапна (за CaO ) також визначається формулою (14.12): для збродженого осаду K = 0,25, для сирого осаду й надлишкового активного мулу K = 0,30. Доза хлорного заліза в цьому випадку складає 30-40 % визначеної дози в перерахунку на CaO . При відсутності даних про питомий опір осадів фільтрації дозу коагулянтів приймають за даними, наведеними в табл. 14.19.

Таблиця 14.19

Витрата коагулянтів для кондиціонування осадів перед зневодненням на вакуум-фільтрах [7]

Примітки: 1. Більші значення доз реагентів належать приймати для осаду, збродженого в термофільному режимі.

2.При зневоднюванні аеробно стабілізованого осаду доза реагентів на 30

%менша дози для мезофільно збродженої суміші.

3.Доза Fe2 (SO4 )3 у всіх випадках збільшується в порівнянні з дозами

хлорного заліза на 30-40 %.

4. При зневодненні осаду в камерних фільтр-пресах доза вапна у всіх випадках приймається більшою на 30 %.

Мінеральні коагулянти зазвичай дозуються у вигляді 10 %-х розчинів чи суспензій. Вони поставляються на очисні станції в твердому вигляді чи у

527

вигляді концентрованих розчинів. Коагулянти, особливо хлорне залізо, викликають корозію металів. Тому вони повинні поставлятися в стальних барабанах, покритих всередині лаком етиноль, у поліетиленовій тарі, дерев’яних бочках, в гумованих цистернах чи у титанових резервуарах. Коагулянти можуть зберігатися безпосередньо в тарі чи в резервуарах з антикорозійним покриттям, об’єм яких розраховується на зберігання 15-20-добового запасу розчину 30-45 %-ї концентрації. При поставці коагулянтів у залізничних цистернах об’єм резервуарів повинен розраховуватись на приймання всієї поставки або повинні проектуватись прирейкові склади-ємності.

Ефективним замінником мінеральних коагулянтів можуть бути відходи деяких виробництв, що містять у своєму складі хлорне чи закисне сірчанокисле залізо: травильні розчини електромеханічних заводів, відходи вироб-

ництв брому й хлору або інших виробництв. Так, наприклад, вміст FeCl3 у

плаві Березниківського хімкомбінату складає 57,8 %, а в хлоридному плаві Запорізького титано-магнієвого комбінату - 6-11 % [3]. Дози цих реагентів звичайно у 1,5-2 рази вищі, ніж хлорного заліза, але їх вартість набагато менша.

Технологічна схема реагентного кондиціонування зброджених осадів стічних вод представлена на рис. 14.38. При кондиціонуванні сирих осадів схема значно спрощується за рахунок виключення з неї споруд для промивки й ущільнення промитого осаду.

Не дивлячись на широке розповсюдження, кондиціонування осадів мінеральними коагулянтами має, однак, і суттєві недоліки. Це, перед усім, велика доза коагулянтів і значна їх вартість. Крім того, через велику корозійну здатність викликають певні труднощі при їх транспортуванні, зберіганні, приготуванні й дозуванні. Певні труднощі виникають і при утилізації зневоднених осадів, які вміщують багато заліза. Тому все широке застосування, особливо закордоном, знаходять органічні синтетичні флокулянти, які забезпечують високу ефективність кондиціонування й зменшують кошти на експлуатацію установок зневоднення осадів.

Синтетичні органічні флокулянти являють собою лінійні водороз-

чинні макромолекули із ступенем полімеризації до (50-200).103. За своїми фізико-хімічними властивостями вони поділяються на неіоногенні та іоногенні (аніонні й катіонні). Механізм дії флокулянтів полягає в прискоренні процесу утворення колоїдних структур і в підвищенні їх міцності, а також у зв’язуванні цих структур у більш крупні агрегати.

Вибір оптимального типу флокулянта для конкретного виду осаду здійснюється шляхом порівняння дії різних зразків. Зазвичай, при кондиціонуванні осадів з великим вмістом органічних речовин (зольність 25-50 %) доцільно застосовувати тільки катіонні флокулянти; для осадів із зольністю 55-65 % слід комбінувати катіонні й аніонні флокулянти; для осадів зольністю

528

Рис. 14.38. Схема реагентного кондиціонування зброджених осадів 1 - зброджений осад; 2 - резервуар-накопичувач осаду; 3 - насос; 4 - повітря; 5 - про-

мивна вода; 6 - камера промивки осаду; 7 - реагенти; 8 - змішувач; 9 - вакуум-фільтр; 10 - кек; 11 - фільтрат; 12 - плунжерний насос; 13 - мулозгущувач; 14 - промитий осад; 15 - резервуар-накопичувач мулової води; 16 - мулова вода; 17 - подача мулової води в «голову» очисних споруд

65-70 % використовуються виключно аніонні флокулянти. Флокулянти вводяться в осади у вигляді розчинів із концентрацією за активною частиною сухої речовини 0,01-0,5 %.

Вітчизняна промисловість випускає катіонні флокулянти марок ВПК101, ПЭИ, ППС, ПАА, ВА, ВА-2, ВА-3 й ін. Ведучі світові фірми-поставники («Штокхаузен», «Еллайд Коллоідз», «Налко», «Дау» й ін.) випускають широкий спектр флокулянтів, що дозволяє вибрати оптимальну марку для будьякого типу осаду.

Найчастіше флокулянти використовуються при зневодненні осадів стічних вод на центрифугах. Доза флокулянта при цьому складає 0,05-0,2 - для сирих і 0,15-0,4 % маси сухої речовини осаду - для зброджених осадів. Вологість зневоднених осадів при цьому становить 74-80 % - для сирих, 72-80 % - для зброджених осадів і 82-88 % - для активного мулу.

Задовільні результати дає комбіноване застосування при кондиціонуванні осадів мінеральних коагулянтів і синтетичних флокулянтів. На ряді установок у ФРН в якості присаджувального матеріалу використовують золу, яка утворюється при спалюванні осаду. Це дозволяє збільшити продуктив-

529

ність фільтр-пресів на 40-50 %. Дослідженнями НДІ ВОДГЕО встановлено, що продуктивність вакуум-фільтрів збільшується у 2-3 рази при змішуванні сирих осадів із золою і наступним кондиціонуванням суміші хлорним залізом і вапном.

14.5.3. Теплова обробка осаду

Теплова обробка розглядається у наш час, як найбільш перспективний метод безреагентного кондиціонування, який забезпечує повну стабілізацію органічної речовини, стерилізацію осадів і дозволяє відмовитись від їх зброджування.

Теплова обробка полягає в нагріванні осаду до 170-200 °С та витримуванні його при цій температурі протягом 0,5-2 год у закритих ємностях типу автоклавів. При цьому до 40 % сухої речовини осаду переходить у розчинний чи газоподібний стан, а осад стає стерильним і набуває хороших водовіддаючих властивостей внаслідок різкого зменшується його питомого опору фільтрації з (800-2500).1010 до (5-30).1010 см/г. Після теплової обробки осад швидко ущільнюється до вологості 92-94 %, а далі легко зневоднюється до вологості 65-70 % на вакуум-фільтрах чи фільтр-пресах.

Ступінь розпаду беззольної речовини при тепловій обробці осаду залежить від його виду й температури процесу (табл. 14.20). Розпаду піддаються всі основні класи органічних речовин, що входять до складу осаду: макромолекули гідролізуються до простих складових, білки - до амінокислот, жири - до вільних жирних кислот і стиролів, крохмаль - до нижчих сахарів. Найлегше розпадається крохмаль, а найважче - жири.

Таблиця 14.20

Ступінь розпаду беззольної речовини осаду при тепловій обробці

Метод теплової обробки осаду, названий за прізвищем власника патенту на цей метод «методом Портеуса», був вперше реалізований на практиці в Англії. Далі метод вдосконалювався рядом фірм-поставників обладнання, зокрема фірмами «Фон Ролл» і «Техфіна» (Швейцарія), «Фаррер» (Англія), «Дегремон» (Франція), «Дорр-Олівер» (США) та ін.

Схема теплової обробки осаду за методом Портеуса зображена на рис. 14.39. Насосом високого тиску осад подається в теплообмінник типу «труба в трубі», де протягом 5-10 хв відбувається його нагрівання осадом, що

530