Очистка городских сточных вод. Этап обработки осадка.

Cкачать статью.

Завершая цикл статей об очистке городских сточных вод, мы расскажем про обработку осадка – последний этап всего процесса. Статья получилась большая, однако тема обработки осадка при очистке городских сточных вод настолько же интересна, насколько и масштабна. Она касается многих аспектов: от сложных технологий и множества их видов,  до экономической целесообразности их применения и соблюдения норм экологии. Для начала напомним, что полноценная технологическая схема очистки ГСВ должна включать в себя 4 основных процесса: механическую очистку, биологическую очистку, обеззараживание очищенной воды и обработку осадка. В ряде случаев могут применяться так называемые «урезанные схемы», в которых отсутствует какой-то процесс – это оправдано в  исключительных условиях. 

Рис. 1 Этапы очистки в полноценной технологической схеме ГСВ

Рис. 0 Этапы очистки в полноценной технологической схеме ГСВ

Факт 1. С технической точки зрения сточные воды являются «жидкими отходами»

Сточные воды – это те отходы, которые с помощью воды приобретают текучую консистенцию, позволяющую отводить их в сооружение для очистки сточных вод. Задача очистки сточных вод состоит в том, чтобы надежно и экономично удалять из них нежелательные загрязняющие вещества, которые при спуске их в водоем могут вызвать недопустимые нагрузки на его экосистему. Для этого применяются методы, которые в конечном итоге способствуют разделению изначальных стоков на очищенные сточные воды и на остаточные вещества – осадок.

Возникающие остаточные вещества (рис. 1) можно разделить на следующие группы:

  • Отбросы, задержанные на решетках или ситах;
  • Песок, задержанный на песколовках;
  • Масла и жиры;
  • Осадок сточных вод (первичный, вторичный и третичный).

Отбросы с решеток/сит, песок с песколовок, а также жиры и масла удаляются из сточных вод уже в ходе механической предварительной очистки, чтобы они не мешали дальнейшим процессам очистки. Осадок сточных вод, напротив, является собственно продуктом очистки сточных вод, который содержит вещества, удаляемые из сточных вод путем обработки. По сравнению с другими остаточными веществами осадок сточных вод возникает в существенно больших количествах. Вопрос целесообразного экономического и одновременно экологического использования осадка до сих пор не решен однозначно.

Возникновение остаточных веществ в очистном сооружении в зависимости от стадий процесса

Рис. 1. Возникновение остаточных веществ в очистном сооружении в зависимости от стадий процесса

 

В целом все остаточные вещества очистки сточных вод требуют надежного экологически безопасного удаления. Для всех остаточных веществ верно то, что по естественному закону сохранения материи и энергии они не могут быть уничтожены в собственном смысле этого слова, вследствие чего в распоряжении имеются только два способа:

  • Возвращение в круговорот веществ (переработка);
  • Вывод из круговорота веществ (устранение).

Однако, как правило, остаточные вещества имеют различные критические свойства/компоненты, которые препятствуют их непосредственному возвращению в круговорот веществ, либо изъятию из него. Вследствие этого становится необходима предварительная, «ориентированная на удаление» обработка с целью изменить критические свойства/компоненты таким образом, чтобы остаточные вещества более не вызывали критических нагрузок на окружающую среду.

Факт 2. Тип и объем обработки осадка зависят от количества и структуры осадка сточных вод, а также от имеющихся в распоряжении способов удаления

Задача по обработке осадка состоит в подготовке возникающего при очистке сточных вод осадка таким образом, чтобы он мог быть удален в соответствии с правилами, экономично и безвредно, т.е. без негативного общеэкологического влияния. Целью обработки осадка является изменение или улучшение важнейших свойств осадка (объема, запаха, гигиеничности и т.п.). Уменьшение содержания вредных веществ в осадке при этом не является задачей обработки осадка. Для этого требуются меры со стороны источника, т.е. производителей сточных вод. К важнейшим свойствам осадка, которые могут и должны быть изменены в ходе его обработки, относятся высокие доли воды, органического вещества и возбудителей заболеваний.

Если осадок сточных вод будет использоваться в сельском хозяйстве или земледелии, то он должен быть гигиенически безупречен и стабилен, т.к. не должно происходить образования запаха вследствие быстрого бактериального разложения. Для складирования на свалках органические твердые вещества должны быть удалены практически полностью (ПП < 5%). В обоих случаях осадок сточных вод должен транспортироваться, вследствие чего требуется отделить воду для уменьшения количества и объема. Как можно меньшее содержание воды важно также при термическом удалении в целях экономии применяемой энергии.

Для решения поставленных для обработки осадка задач в распоряжении имеется множество методов, которые могут быть систематически объединены в четыре основные операции (табл. 1.).

Основная операция

Цель

Примеры возможных технологий

Отделение воды

Сокращение объема и массы

Уплотнение, обезвоживание, сушка

Стабилизация

Частичное разложение органических примесей (снижение образования запаха)

Биологическая аэробная (компостирование); биологическая анаэробная (сбраживание)

Дезинфекция / обеззараживание

Уничтожение или сокращение числа микробов

Воздействие высокой температуры. Смещение значения pH, ионизированное облучение

Минерализация / инертизация

Полное разложение органических примесей

Сжигание. Газификация и дегазация. Мокрое окисление

Таблица 1. Основные операции по обработке осадка сточных вод

Многочисленные варианты методов комбинируются как модули процессов удаления с учетом качества и количества осадка сточных вод, а также в соответствии с желаемыми целями удаления. Гибкость процесса удаления при этом важна для безопасности удаления. Она достигается, когда  первые модули выбранного процесса удаления допускают максимальное количество мест включения модулей альтернативных процессов удаления. Как правило, вначале находятся отделение воды и стабилизация. 

Рассмотрим последовательно вышеперечисленные операции.

Факт 3. Осадок образуется в очистных сооружениях при содержании воды от 96 до 99,5% 

Отделение воды.

Образование осадка приводит к техническим проблемам во всех последующих процессах обработки (или при удалении) и повышает издержки на строительство, оборудование и эксплуатацию. Поэтому каждый процесс обработки осадка должен содержать одну или несколько стадий, при которых вода отделяется от осадка в целях обеспечения оптимизированных условий для следующих стадий. Методы отделения воды подразделяются в зависимости от возможности выделять различные типы воды из взвеси осадка сточных вод:

  • На уплотнение (естественное или механическое) – удаление воды промежуточного пространства примерно до 15% СО (85% содержания воды (СВд/WG));
  • Обезвоживание (естественное или механическое) – удаление капиллярной и отчасти поверхностно связанной воды примерно до 45% Со (55% СВд);
  • Сушка – удаление оставшейся поверхностно связанной воды и внутренней воды более чем до 95% СО (5% СВд).

 

Уплотнение.

Уплотнение представляет собой наиболее простой и наименее затратный вид увеличения концентрации твердых веществ либо отделения твердой фракции от жидкой при обработке осадка сточных вод и используется почти на каждом очистном сооружении. Помимо своей основной цели – сокращения объема – уплотнение оказывает положительное воздействие на процесс очистки в области промежуточного накопления, на стабилизацию процесса, а также на оптимизацию результата и затрат (меньшие емкости, насосы, перемешивающие и нагревательные приборы, а также меньшие транспортные затраты).

Обычно методы уплотнения могут различаться в зависимости от того, действуют ли естественные (гравитационные) или искусственные силы (рис. 2). Также разделяют методы по применяемой технике – на статические и механические.

Методы уплотнения осадка сточных вод

Рис. 2. Методы уплотнения осадка сточных вод

Обезвоживание.

Цель обезвоживания – максимально возможное уменьшение объема осадка сточных вод в целях подготовки осадка к последующим процессам утилизации (например, компостированию, сушке, сжиганию) и транспортировке. Чаще всего практикуется обезвоживание стабилизационного осадка. В принципе наряду с обычными механическими методами в распоряжении имеются также естественные, однако они по причине большой потребности в площадях и из-за проблем с запахом теряют свое значение.

Сушка.

Если остаточную воду необходимо удалить из осадка после механического обезвоживания, то она должна подвергаться испарению или выпариванию путем сушки. В пользу сушки после обезвоживания говорят следующие доводы:

  • Уменьшается количество осадка сточных вод и повышается теплота сгорания;
  • Улучшается сохраняемость и транспортируемость;
  • Улучшаются возможности перемещения и дозирования;
  • Стабилизируется микробиологическая и гигиеническая безопасность;

Для последующего термического удаления, прежде всего, имеет значение последний пункт, так как достигаемого обезвоживанием содержания твердых веществ часто недостаточно для обеспечения автотермичности процесса сжигания. Автотермичность возможна, как правило, для сброженного осадка при СО = 40-45%, а для необработанного – при СО = 35%.

Однако по техническим причинам может потребоваться дальнейшая сушка перед сжиганием.

Типы сушилок для сушки осадка сточных вод в зависимости от области применения

Рис. 3. Типы сушилок для сушки осадка сточных вод в зависимости от области применения

Стабилизация.

Стабилизация осадка сточных вод – наиболее важная из основных операций по обработке осадка. Главной целью стабилизации является воздействие на примеси осадка или их разложение, чтобы при дальнейшей обработке осадка сточных вод можно было избежать образования запаха и прочих гигиенических или эстетических нарушений. Фактически этого можно достичь биологическими, химическими и термическими методами.

Требуемое для этого эффективное сокращение примесей, образующих запах, и органических твердых веществ осадка приносит ряд положительных эффектов, а именно:

  • Сокращение количества осадка/твердых веществ;
  • Улучшение возможности обезвоживания осадка;
  • Уменьшение количества возбудителей заболеваний (частичное обеззараживание);
  • Получение биогаза (только при анаэробной стабилизации).

Биологическая аэробная стабилизация.

Аэробная стабилизация осадка основана на тех же процессах обмена веществ, которые известны по биологической очистке сточных вод (рис.4): разлагаемое органическое вещество при потреблении О2 окисляется до неорганических конечных продуктов (CO2, H2O, NO3) (диссимиляция) или при потреблении энергии применяется для строительства нового клеточного вещества и для образования резервных веществ (ассимиляция). В отличие от очистки сточных вод имеющаяся концентрация субстрата должна быть столь мала, чтобы осадок начинал потреблять сам себя, т.е. чтобы показатель гибели микроорганизмов был больше, чем прирост биомассы.

Процессы обмена веществ при аэробной стабилизации осадка

Рис. 4. Процессы обмена веществ при аэробной стабилизации осадка

Биологическая анаэробная стабилизация (сбраживание).

Анаэробное разложение органических составляющих осадка сточных вод (углеводов, жиров, белков) до неорганических конечных продуктов и газов осуществляется в рамках четырехэтапной системы (гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и матаногенез) при тесном пространственном соседстве различных групп микроорганизмов. Сначала на стадии гидролиза высокомолекулярные, часто нерастворимые субстраты (углеводы, белки и жиры) переводятся при помощи экзоферментов в низкомолекулярные фрагменты (моносахариды, глицерин, остатки жирных кислот и аминокислоты), из которых затем в ходе ацидогенеза ферментативные бактерии (факультативные или облигатно анаэробные) образуют органические кислоты с короткими цепями (например, масляную, пропионовую, уксусную кислоты), а также спирты, двуокись углерода и водород. Из этих промежуточных продуктов только уксусная кислота (ацетат), СО2 и Н2 могут непосредственно преобразовываться ацетотрофными метаногенными бактериями в метан и двуокись углерода. Другие органические кислоты и спирты должны сначала преобразоваться ацетогенными бактериями в уксусную кислоту в процессе ацетогенеза. Затем метаногенные микроорганизмы в процессе метаногенеза образуют из уксусной кислоты, а также из СО2 и Н2 конечный продукт – метан. В целом через промежуточный продукт – уксусную кислоту – метаногенными микроорганизмами до метана разлагается около 60-70% всего преобразуемого углерода. Оставшиеся 30-40% получаются непосредственным преобразованием водородными бактериями промежуточно получаемых СО2 и Н2 в метан.

Факт 4. Решение в пользу анаэробного сбраживания осадка с использованием биогаза имеет определяющее значение для энергетического баланса очистного сооружения

Получение и использование биогаза.

Получение биогаза и его использование для выработки энергии (тепла и тока) из-за особенностей системы возможно только при анаэробной стабилизации осадка сточных вод. Целью использования биогаза является полное покрытие потребления тепла очистным сооружением и частичное покрытия потребления им электроэнергии.

Обычный сегодня уровень оборудования метатенков и ход технологического процесса при оптимальной эксплуатации обеспечивает высокое газовыделение. Полноценное использование этого энергетического потенциала дает возможность замещения потребляемой от других источников энергии и сокращения результирующего потребления энергии, вследствие чего использование биогаза как вторичного энергоносителя настоятельно рекомендуется с экономической точки зрения.

Обеззараживание.

Осадок сточных вод, особенно первичный или необработанный, содержит множество возбудителей заболеваний в виде бактерий, вирусов, паразитов и грибов, поэтому обращение с осадком сточных вод, а особенно использование его веществ в сельском хозяйстве и земледелии, с точки зрения инфекционной, ветеринарной гигиены и фотогигиены таит в себе риск, которым нельзя пренебрегать.

В целом обеззараживание осадка сточных вод химическими, биологическими и физическими методами возможно при использовании одного из трех следующих механизмов воздействия:

  • Высокой температуры;
  • Повышения значения pH;
  • Сочетания воздействия высокой температуры и повышения значения pH.

Во всех случаях соответствующая продолжительность воздействия этих механизмов является условием инфекционной безопасности осадка. Так как названные механизмы отчасти действуют на других технологических этапах обработки осадка (стабилизации, кондиционирования, сушки), возможно и целесообразно определить обеззараживание как вторичную цель данных технологических этапов. С включением обеззараживания в имеющийся процесс обработки помимо снижения затрат на адаптацию хода процесса никаких других расходов не возникает. Обеззараживание может также осуществляться в отдельном месте со специальными агрегатами (пастеризация).

Инертизация.

Целью инертизации является разрушение либо как можно более полное преобразование органических составляющих и, как следствие, перевод осадка сточных вод в пригодное к хранению или использованию минеральное вещество. Это требуется, прежде всего, когда осадок сточных вод из-за своей структуры и количества не должен использоваться в окружающей местности ни для сельскохозяйственных, ни для земледельческих целей, а должен вывозиться на свалки.

Для инертизации осадка применяются различные термические методы. Вот наиболее известные из них:

  • Сжигание (отдельное и совместное);
  • Газификация;
  • Пиролиз (в сочетании либо со сжиганием, либо с газификацией);
  • Мокрое окисление.

Сжигание.

Сжигание осадка сточных вод дает в основном следующие преимущества:

  • Уменьшение массы и объема путем испарения воды и почти полную минерализацию органической доли в осадке сточных вод;
  • Разрушение содержащихся в осадке вредных органических веществ;
  • Концентрацию и связывание вредных органических веществ в остатке после сжигания и в продуктах газоочистки;
  • Использование собственного содержания энергии в осадке.

Таким образом, в отношении защиты природных ресурсов сжигание осадка сточных вод неоднозначно: с одной стороны, теряются ценные питательные вещества для растений, а с другой – при определенных предельных условиях может накапливаться энергия ископаемых веществ. Использование отходов при сжигании осадка сточных вод может рассматриваться в плане получения энергии и возможного применения образующейся золы либо шлака в производстве строительных материалов.

Газификация.

Под газификацией понимается преобразование содержащегося углеводород твердого или жидкого вещества (например, угля, биомассы, масла) с газификационным средством (кислородом/воздухом, водяным паром) в газообразные продукты. При этом образуется синтез-газ, который в качестве основных компонентов содержит H2, H2O, CO, CO2, CH4. В качестве прочих компонентов там содержатся H2S, COS, HCl, NH3, HCN и – в зависимости от способов – более высокие концентрации углеводородов или смоляных масел. Точный состав синтез-газа зависит от:

  • Состава применяемого вещества;
  • Типа и количества средств(-а) газификации;
  • Условий реакции – температуры и давления;
  • Кинетических предельных условий, определяемых выбранным методом газификации.

При газификации осадка сточных вод по причине наличия в нем минеральной доли наряду с синтез-газом возникают также склонные к образованию отложений и пригодные к применению (например, в производстве стройматериалов) грануляты либо шлаки. Температура должна составлять не менее 850 оС, а при газификации с последующим расплавление шлака – не менее 1300 оС. Обычно трубется сушка осадка до СО > 90%. В зависимости от того, какой метод применяется, осадок сточных вод должен подготавливаться по-разному (табл. 2). 

Метод

Применяемый материал

Температура, ОС

Характерное давление, бар

Газификация с неподвижным слоем

Кусковой (5-80 мм)

До 1500

До 30

Газификация с кипящим слоем

Мелкозернистый (<5 мм)

До 900

До 30

Газификация с летучим потоком

Пылевидный (<100 мкм)

До 1800

До 60

Таблица 2. Методы газификации осадка сточных вод

Дегазация/пиролиз.

Дегазацией или пиролизом (а также полукоксованием, швелеванием или сухой перегонкой) называется термическое разложение органического материала при удалении кислорода. Продукты реакции пиролиза – это, с одной стороны, газы и газообразные углеводороды (пиролизный газ), а с другой стороны, твердый коксообразный остаток, содержащий остающиеся инертные материалы (пиролизный кокс). Пиролизный газ не может храниться долго, а пиролизный кокс нельзя размещать на свалках, поэтому тот и другой сразу после дегазации должны подвергаться сжиганию или газификации. Итак, что касается возникающих продуктов, то дегазация должна рассматриваться как этап предварительной обработки, который ведет к комбинации методов в целях конечной обработки только в сочетании со вторым термическим этапом обработки. 

Существуют две основные реализованные комбинации методов: метод полукоксования-сжигания (пиролиз + сжигание) (рис. 5) и метод «Термоселект» (Thermoselect) (пиролиз + газификация) (рис. 6).

Метод полукоксования и сжигания

Рис. 5. Метод полукоксования и сжигания

Метод полукоксования и сжигания стал первым комбинированным методом, который был успешно опробован в опытных сооружениях.

Метод «Термоселект»

Рис. 6. Метод «Термоселект»

Методы мокрого окисления.

Понятием «мокрое окисление» в целом описывается беспламенное окисление веществ в водных растворах или в диспергированном виде кислородом, воздухом или другими окисляющими веществами при повышенном давлении и температуре. Основные этапы реакции мокрого окисления – это термическое разложение, гидролиз и последующее окисление. Вместо мокрого окисления методы кратко называются ОНД (LoPrOx) и ФерТех (VerTech). 

По методу ФерТех реакция протекает в расположенном под землей реакторе на глубине 1200 -1500 м (рис. 7).

Метод ФерТех

Рис. 7. Метод ФерТех

***

Мы рассмотрели 4 основных операции по обработке осадка городских сточных вод, включающих в себя множество различных методов и технологий. Использование каждого из этих методов требует экономического и экологического обоснования в каждом отдельном случае применения.

***

Завершается цикл статей, посвященных очистке городских сточных вод. Мы рассказали о 4 основных этапах очистки сточных вод в полноценной технологической схеме: механическая очистка, биологическая очистка, обеззараживание очищенной воды и обработка осадка – и подробно рассмотрели методы и технологии каждого из них.

 

При написании статьи использовались материалы пособий: «Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов», «Очистка промышленных сточных вод», СпБ: Новый журнал

Полезная рассылка компании

Нам
10 лет!