Реконструкция участка обработки осадков очистной станции канализации г. Челябинска

Замораживание и последующее оттаивание осадков сопровождается изменением их структуры, при этом связанная влага частично переходит в свободную, и это приводит к улучшению водоотводящих свойств осадков. Такие осадки можно подвергать механическому обезвоживанию без коагулирования химическими реагентами.

Искусственное замораживание осадков проводится в холодильных установках непосредственного контакта в барабанных или панельных льдогенераторах. Непременным условием, обеспечивающим снижение стоимости процесса за счет уменьшения расхода электроэнергии, является рекуперация теплоты фазовых переходов, обеспечивающая оттаивание осадка за счет теплоты, выделяемой при замораживании. Для искусственного замораживания 1 м³ осадка расходуется около 50 кВт электроэнергии.

После оттаивания осадок обезвоживается на вакуум-фильтрах или на иловых площадках с естественным основанием и дренажом. На вакуум-фильтрах достигается производительность 50-60 кг/(м²ч) по сухому веществу, а влажность кека составляет 70-80%. Нагрузка на иловые площадки принимается 5 м³/(м²год).

Естественное намораживание осадка лучше всего производить на иловых площадках каскадного типа на естественном основании с дренажом и поверхностным удалением талой воды. При этом объем осадка уменьшается в 5 - 7 раз.

2.2.4 Обезвоживание осадков

Наиболее простым способом обезвоживании является подсушивание осадка на иловых площадках, где его влажность может быть уменьшена до 75--80%. При этом осадок уменьшается в объеме и по массе в 4-- 5 раз, теряет текучесть и может легко транспортироваться к месту его использования. Однако способ подсушивания требует больших земельных участков, и, кроме того, влажность подсушенного осадка остается все еще слишком высокой.

В последние годы все более широкое применение находят механические и термические способы удаления влаги. При этом обезвоживанию могут подвергаться как сырые осадки (с последующим обеззараживанием), так и осадки после биохимической обработки. Выбор той или иной схемы обработки осадков диктуется местными условиями и производится с учетом физико-химических свойств осадков, санитарно-эпидемиологических и технико-экономических расчетов.

2.2.4.1 Механическое обезвоживание

Для механического обезвоживания осадков наибольшее применение нашли вакуум-фильтры. Различают обычные барабанные, барабанные со сходящим полотном, дисковые и ленточные вакуум-фильтры.

Барабанный вакуум-фильтр - вращающийся горизонтально расположенный барабан, частично погруженный в корыто с осадком.

Барабан имеет две боковые стенки: внутреннюю сплошную и наружную перфорированную, обтянутую фильтровальной тканью. Пространство между стенками разделено на 16 - 32 секции, не сообщающиеся между собой. Каждая секция имеет отводящий коллектор, входящий в торце в цапфу, к которой прижата неподвижная распределительная головка. В зоне фильтрования осадок фильтруется под действием вакуума. Затем осадок просушивается атмосферным воздухом. Фильтрат и воздух отводятся в общую вакуумную линию. В зоне съема осадка в секции подается сжатый воздух, способствующий отделению обезвоженного осадка от фильтровальной ткани. Осадок снимается с барабана ножом. В зоне регенерации ткань продувается сжатым воздухом или паром. Для улучшения фильтрующей способности ткани через 8 - 24 часа работы фильтр регенерируют - промывают ингибированной кислотой или растворами ПАВ.

Для нормальной работы вакуум-фильтров необходимо вспомогательное оборудование: вакуум-насосы, воздуходувки, ресиверы, центробежные насосы и устройства, обеспечивающие постоянное питание вакуум-фильтра.

Недостатками вакуум-фильтров являются сложность управления, низкая надежность, невозможность использования органических флокулянтов для кондиционирования осадка, громоздкость и загрязненность рабочей среды.

В последнее время фильтр-прессы находят довольно широкое распространение для обезвоживания осадков сточных вод. Их применяют для обработки сжимаемых аморфных осадков. По сравнению с вакуум-фильтрами, при прочих равных условиях после обработки на фильтр-прессах получаются осадки с меньшей влажностью. Фильтр-прессы применяют в тех случаях, когда осадок направляют после обезвоживания на сушку или сжигание или когда необходимо получить осадки для дальнейшей утилизации с минимальной влажностью.

Различают рамные, камерные, мембранно-камерные, ленточные, барабанные и винтовые (шнековые) фильтр-прессы.

Рамный фильтр-пресс имеет набор вертикально расположенных чередующихся плит и рам. Между поверхностями плит и рам проложена фильтровальная ткань. Сначала собирают комплект рам и плит, загружают камеры осадком и отжимают его. Затем рамы и плиты поочередно отодвигают и обезвоженный осадок сбрасывают в бункер. Рамные фильтр-прессы имеют низкую пропускную способность. Кроме того, выгрузка осадка из фильтра обычно производится вручную. В настоящее время эти фильтры практически не применяются.

Фильтр-прессы ФПАКМ (фильтр-пресс автоматизированный камерный модернизированный) находят довольно широкое распространение. Они выпускаются промышленностью серийно и имеют площадь поверхности фильтрования 2,5--50 м².

Фильтр состоит из нескольких фильтровальных плит и фильтрующей ткани, протянутой между ними с помощью направляющих роликов. Поддерживающие плиты связаны между собой вертикальными опорами, воспринимающими нагрузку от давления внутри фильтровальных плит. В натянутом состоянии ткань поддерживается с помощью гидравлических устройств.

Каждая фильтровальная плита (рисунок 8) состоит из верхней и нижней частей. Нижняя часть перекрыта перфорированным листом, под которым находится камера приема фильтрата. На перфорированном листе находится фильтровальная ткань. Верхняя часть представляет собой раму, которая при сжатии плит образует камеру, куда подается осадок. В верхней части расположена эластичная водонепроницаемая диафрагма.

В камеру по коллектору подаются осадок и воздух. По каналам фильтрат и воздух отводятся в коллектор. Затем осадок отжимается диафрагмой, для чего в полость нагнетается вода под давлением. После этого раздвигаются плиты, передвигается фильтровальная ткань и кек снимается с нее ножами, ткань промывается и очищается в камере регенерации ткани.



Рисунок 8 - Схема фильтр-пресса ФПАКМ

1 - упорная плита; 2 - фильтрующая плита; 3 - нажимная плита; 4 - механизм зажима; 5 - стяжка; 6 - опорная плита; 7 - камера регенерации ткани; 8 - механизм передвижения ткани; 9 - фильтрующая ткань

Рисунок 9 - Схема горизонтального ленточного фильтр-пресса

1 - подача осадка; 2 - камера смешения; 3 - прижимная лента; 4 - емкость для обезвоженного осадка; 5 - фильтрующая лента; 6 - труба ля отвода фильтрата и промывной воды; 7 - сборник фильтрата; 8 - трубопровод для подачи промывной воды

Применяются также ленточные фильтр-прессы. Они относительно просты и по конструкции, и в эксплуатации. Принципиальная схема горизонтального пресса показана на рисунке 9. Пресс имеет нижнюю горизонтальную фильтрующую ленту и верхнюю прижимную ленту. Фильтрование и отжим осуществляются в пространстве между этими лентами. Обезвоженный осадок срезается ножом и сбрасывается в конвейер. Фильтрующая лента промывается водой, подаваемой по трубопроводу 8. Фильтрат и промывная вода отводятся по трубопроводу 6.

Центрифугирование осадков находит все большее распространение. Достоинствами этого метода являются простота, экономичность и управляемость процессом. После обработки на центрифугах получают осадки низкой влажности.

В осадительных центрифугах твердые частицы, имеющие плотность большую, чем плотность жидкой фазы, под действием центробежной силы отлагаются на внутренней поверхности сплошного ротора и удаляются шнеком, а жидкая фаза в виде кольцевого слоя располагается вблизи оси вращения ротора и непрерывно выводится из центрифуги. Принципиальное устройство центрифуги показано на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема устройства центрифуги: 1 -- труба подачи осадка; 2 -- отверстие для слива фугата; З -- сливная труба; 4 отверстие для поступления осадка в полость ротора; 5 -- труба сброса обезвоженного осадка; б -- ротор центрифуги; 7-- шнек; 8-- выгрузочные окна

Получаемый в результате механического обезвоживания осадок содержит еще 75 - 85% воды, составляющей таким образом около 3/4 его массы.

2.2.4.2 Термическая обработка осадков сточных вод

Термическая сушка предназначена для обеззараживания и уменьшения массы осадков сточных вод, предварительно обезвоженных на вакуум-фильтрах, центрифугах или фильтр-прессах. Этот прием упрощает задачу удаления осадков с территорий очистных станций и их дальнейшей утилизации.

Осадок после термической сушки представляет собой незагнивающий, свободный от гельминтов и патогенных микроорганизмов, внешне сухой (влажностью 10-50%) сыпучий материал.

Известны различные способы термической сушки: конвективный, радиационно-конвективный, кондуктивный, сублимационный в электромагнитном поле. Наиболее распространен конвективный способ сушки, при котором необходимая для испарения влаги тепловая энергия непосредственно передается высушиваемому материалу теплоносителем -- сушильным агентом. В качестве сушильного агента могут использоваться топочные газы, перегретый пар или горячий воздух.

Сушилки конвективного типа можно разделить на две группы:

I - при продувке сушильного агента через слой материала частицы его остаются неподвижными -- барабанные, ленточные, щелевые и др.;

II - частицы материала перемещаются и перемешиваются потоком сушильного агента -- сушилки со взвешенным (псевдоожиженным) слоем (кипящим, фонтанирующим, вихревым) и пневмосушилки.

Любая сушильная установка состоит из сушильного аппарата и вспомогательного оборудования -- топки с системой топливоподачи, питателя, циклона, скруббера, тягодутьевых устройств, конвейеров и бункеров, контрольно-измерительных приборов и автоматики.

Термическая сушка осадка позволяет снизить его влажность до 20 - 35%, что значительно облегчает условия перевозки и хранения. Высушенный осадок можно в расфасованном виде доставлять к месту его использования.

Капитальные затраты этого метода достаточно высоки, вследствие чего применение термической сушки оправдано лишь при условии эффективного использования высушенного осадка.

2.2.4.3 Сжигание осадков сточных вод

Для полной ликвидации органических компонентов осадков их сжигают. Метод сжигания применим в тех случаях, когда невозможна или экономически нецелесообразна утилизация осадка. Препятствием к использованию осадка как удобрения может быть наличие в нем токсичных веществ и некоторых других примесей, поступающих в городскую канализацию с производственными сточными водами.

В последние годы метод сжигания находят все большее применение для ликвидация производственных шламов ряда предприятий химической, нефтеперерабатывающей, угольной отраслей промышленности и осадков городских очистных станций.

При сжигании происходит полное окисление органических веществ осадков и образование стерильного остатка -- золы, которая может быть использована в качестве присадочного материала при подготовке осадка к обезвоживанию. Это позволяет снизить расход химических реагентов.

Проектирование новых и реконструкцию существующих комплексов для обработки осадков на очистных станциях и установках рекомендуется выполнять применительно к унифицированным производительностям очистных установок и станций, а также к местным условиям и требованиям, к степени обработки и утилизации осадка [4].

2.2.5 Утилизация осадков бытовых сточных вод

Осадки, выделяемые при очистке сточных вод городов и населенных мест с малой долей неочищенных производственных стоков, по химическому составу относятся к ценным органо-минеральным смесям.

Возможно использование осадков станций аэрации в качестве удобрения непосредственно после процессов их обработки. Кроме этого осадки являются сырьем для получения многих видов продукции промышленного производства. В настоящее время существует много технологических процессов получения из осадков бытовых и близких к ним по составу сточных вод важных продуктов и энергетических ресурсов.

Осадки городских сточных вод целесообразно использовать главным образом, в сельском хозяйстве в качестве азотно-фосфорных удобрений, содержащих необходимые для развития растений микроэлементы и органические соединения. Попадая в почву, осадок минерализуется, при этом биогенные и другие элементы переходят в доступные для растений соединения.

3. Выбор и обоснование технологической схемы обработки осадков

По сегодняшний день в осадке, который получается после обработки коммунальных сточных вод, самыми опасными факторами являются:

- запахи, сопровождаемые биологической нестабильностью;

- присутствие человеческих патогенов;

- присутствие токсичных веществ (тяжелых металлов);

- присутствие ксенобиотков (хлорированные углеводы, пестициды и т.д.);

- присутствие веществ, способствующих размножению насекомых, червей и грызунов.

В процессе очистки стоков и обработки ила, по возможности только такие химикаты следует применять, которые легко доступны в регионе и дешёвые.

В ходе обработки осадков стабилизация должна достигаться анаэробным сбраживанием. Возникающий биогаз необходимо утилизировать.

При обработке ила необходимо действовать таким образом, чтобы количество возникающего и вывозимого осадка было чем меньше, концентрация выше, и чтобы не испарялись из осадков неприятные запахи.

Объекты, издающие неприятные запахи, необходимо накрыть и вытянутый загрязнённый воздух очистить в биофильтрах.

Задачей способов обработки (технологической схемы) является такая трансформация осадка, чтобы в меньшей мере нагружать окружающую среду не угрожать здоровью людей, и не влиять отрицательно на воду, почву и растительность.

Можно отметить, что задача снижения содержания вредных веществ в осадке имеет два направления:

- снижение вредных, способных к аккумуляции, веществ в осадке путём строгого ограничения их содержания в сточной воды (данное ограничение, в настоящее время, распространяется только на тяжёлые металлы, а ксенобиотические органические загрязнители почти бесконтрольно могут попадать в сточную воду и оттуда в осадок).

- обработка осадка таким способом, чтобы содержание вредных веществ в обработанном осадке было меньше чем в исходном, сыром осадке.

Дальнейшее естественное требование, чтобы все это было недорого, не загрязнялась окружающая среда, оборудование работало надежно.

С технико-технологической точки зрения обработки осадка выбирается тот метод, который в данной среде предоставляет лучшее решение проблемы размещения осадка.

Рассматриваются три варианта размещения осадка:

- сельскохозяйственное использование, где критической точкой является наличие вредных веществ;

- складирование, где обеспечение необходимой площади является весьма трудной задачей;

- сжигание, для которого необходимо дорогостоящее оборудование, возникает проблема очистки дымовых газов, размещение золы, считающейся опасным отходом.

Обработка, предшествующая складированию, служит для того, чтобы осадок:

- занимал наименьшую площадь;

- на занимаемой территории не вызывал эпидемические и экологические проблемы.

Обработка осадка, предшествующая складированию обычно включает:

- уплотнение образующихся осадков;

- анаэробная стабилизация уплотненного осадка;

- обезвоживание стабилизированного ила; [7]

Предлагаемая система обработки осадков показана на рисунке 15.

3.1 Сгущение сырого осадка и избыточного ила

Любая схема технологи обработки осадка начинается с его сгущения.

В различных технологиях обработки осадка, сгущение имеет экономический характер. Значительное снижение количества ила (до 15 - 30 %) позволяет снизить размеры технологического оборудования и объектов обработки осадков, одновременно снизив инвестиционные расходы.

Сгущение должно проводиться быстро, чтобы предотвратить процессы гниения. Попадание в атмосферу запахов может снижаться дозировкой щелочных реагентов (например, гидрата извести).

Для сгущения осадка используются гравитационные сгустители и механические сгустители, работающие по разным принципам. Сегодняшняя практика обработки избыточного ила однозначно отдаёт предпочтение механическому сгущению:

- смешивание сырого и избыточного активного ила в предварительных отстойниках (производство смешанного ила) часто сопровождается всплытием ила, ухудшающим эффективность обработки.

- в процессе гравитационного сгущения ила, в сгустителе ил часто занимает одновременно верхние и нижние слои и препятствует отбору водной фазы.

- в случае гравитационного сгущения смешанного осадка и ила концентрация недостаточно высокая и поэтому значительно увеличивается гидравлическая нагрузка на метантенки.

Избыточный ил труднее поддаётся сгущению и склонен к всплытию. На практике имеются хорошо зарекомендовавшее себя оборудование разных принципов действия, которое решает проблему раздельного сгущения избыточного ила.



Рисунок 11 - Предлагаемая схема обработки осадков

Декантировочные центрифуги непрерывного действия с горизонтальной осью, применяемые для обезвоживания ила, пригодны и для сгущения ила. Однако опыт последнего времени показывает, что их применение сопровождается высоким расходом электроэнергии и высокими инвестиционными расходами.

Более выгодными инвестиционными и эксплуатационными характеристиками обладает оборудование, работающее по принципу фильтрации. Механические сгустители могут иметь разное конструктивное исполнение:

- Барабанные сгустители, в которых поверхность вращающегося барабана является фильтрующей поверхностью.

- Ленточные системы, похожие на ленточные фильтр-прессы, используемые для обезвоживания, но имеющие значительно более простую механическую конструкцию.

В качестве фильтрующей поверхности в обеих системах используется полимерная ткань, схожая с фильтром ленточных фильтр-прессов. Барабанные машины часто оснащаются металлическим фильтрами, похожими на вращающиеся барабанные тонкие решётки.

Пористость фильтрующей поверхности должна составлять 0,2 - 0,5 мм. Из этого следует, что хлопья ила должны быть крупнее прозора фильтра. Поэтому сгущение ила возможно только после предварительной дозировки полиэлектролита.

В основном пористость фильтрующей поверхности определяет гидравлическую нагрузку и нагрузку по сухому веществу. Чем пористее фильтр, тем больше на него нагрузка. Однако увеличение водопропускной способности фильтров (увеличение отверстий или увеличение прозора) ограничено, потому что чем грубее поверхность, тем больше твёрдой массы илостного характера проходит через неё.

Гидравлическая нагрузка и нагрузка по сухому веществу данного сгустителя находятся в обратной зависимости. Чем ниже концентрация исходного ила, тем меньше нагружаемость сгустителя по сухому веществу.

Количество дозировки полиэлектролита перед сгущением ила зависит от показателей осаждаемости и обезвоживаемости ила. На практике очистных сооружений при благоприятных условиях потребность полиэлектролита составляет около 4-5 г/кг, а в случае плохо осаждаемого ила это значение может достичь 10 г/кг.

Сгустители фильтрующего типа должны регулярно промываться водой под напором. Для промывки используется вода без содержания взвешенных веществ (вода

после сгустителя, очищенная сточная вода, водопроводная вода).

Механическое сгущение сырого осадка считается нецелесообразным по следующим причинам:

- сырой ил без добавления полиэлектролита эффективно сгущается в традиционных гравитационных сгустителях. Содержание сухого вещества в иле составляет 4 - 6%, таким образом, ил соответствует условиям сбраживания.

- трудно и дорого предотвращать возникновение неприятного запаха в процессе механического сгущения.

- повышенное содержание жира в иле приводит к более частому засорению поверхности фильтра.

С учётом всего этого выбираем механическое сгущение избыточного ила с предварительным полиэлектролитным кондиционированием. Аппарат для сгущения барабанного типа.

Для сгущения отдельно полученного сырого осадка предлагаем использовать традиционный гравитационный сгуститель с тангенциальным протоком. Для избежания распространения запахов объект предлагается накрыть. Удаляемый воздух нужно откачивать и чистить в биофильтре [8].

3.2 Сбраживание (стабилизация) смешанного, сгущённого ила

Ил, возникающий в процессе очистки сточных вод, может быть стабилизированный или нестабилизированный. Данное свойство зависит от септичности ила (присутствие различных микроорганизмов) и содержания в нём органических веществ, являющихся питательной средой для микроорганизмов. Ил является тем менее стабильным, чем больше в нём содержание биологически разлагаемых веществ, то есть раньше начинается процесс сбраживания, сопровождаемый неприятными запахами.

Стабилизация осадков это не что иное, как ограничение возможности протекания вредных микробиологических процессов, вызывающих неприятные запахи (в значительной части процессов это означает уменьшение количества ила). Стабилизация достигается двумя принципиальными решениями:

- эффективным удалением содержания биологически разлагаемой органики в осадке;

- уничтожением микроорганизмов (обеззараживание).

В многоступенчатом процессе обработки осадка, направленного на снижение его количества и негативного воздействия, два способа стабилизации не всегда могут быть разделены. Так называемые термофильные методы биологической стабилизации одновременно решают обе задачи, тогда как остальные методы (сбраживание при мезофильной температуре, сушка и т.д) могут решить только одну из этих задач.

Стабилизации ила главным образом основана на удалении разложении органических веществ, то есть на уничтожении органики, служащей пищей для микроорганизмов. Существует два главных направления:

Снижение количества биологически разлагаемой части органики ила чаще всего проводится после сгущения.

На больших очистных сооружениях сточных вод традиционным методом стабилизации сырого и избыточного ила является сбраживание. В этом случае биологически разлагаемую органическую часть ила анаэробные микроорганизмы перерабатывают в биогаз. В результате процесса стабилизации ила коммунальных сточных вод 50% исходного количества органики разлагается, с образованием биогаза, содержащего 65% метана, около 33 - 34% С0₂, немного азота, сероводорода, водорода. Из 1 кг разложенной органики образуется около 700 - 900 л биогаза [9].

Сбраживание может происходить в двух температурных интервалах. В традиционных системах температура мезофильного сбраживания 30 - 38°С. При такой температуре сбраживание выполняет только функцию стабилизации, потому что за 15 - 25 дней нахождения ила при такой температуре соотношение гибели патогенных микроорганизмов и яиц составляет пропорцию 1:2.

С точки зрения эффективности уничтожения патогенов, термофильный метод сбраживания (при температуре 50 - 60°С) является более совершенным. При такой температуре процесс сбраживания протекает быстрее (необходимое время нахождения ила всего 8 - 10 дней), чем при мезофильной температуре, при этом патогенные микроорганизмы практически полностью погибают.

Стабилизация ила сбраживанием имеет следующие традиционные преимущества:

- значительный объём метантенка сглаживает все количественные и качественные колебания поступающего осадка;

- обезвоживаемость стабилизованного ила значительно лучше, чем необработанного;

- использование биогаза в газовом двигателе значительно может снизить расход электроэнергии очистных сооружений;

- в результате сбраживания значительно сокращается количество обезвоживаемого и в последствии складируемого осадка;

- в связи с закрытостью метантенка легко справиться с неприятным запахом, который образуется при обработке осадка (при дальнейшей обработке ила запахи будут возникать также в минимальном размере).

Образующийся на очистных сооружениях смешанный осадок с точки зрения сбраживания относится к хорошо сбраживаемому.

Эффективность процесса анаэробного сбраживания оценивается по степени распада органического вещества, количеству и составу образующегося биогаза, которые, в свою очередь, определяются химическим составом осадка, а также такими основными технологическими параметрами процесса, как доза загрузки метантенка, температура, концентрация загружаемого осадка. Кроме того, существенную роль играют такие факторы, как режим загрузки и выгрузки осадка, система его перемешивания и другое

В органическом веществе основную часть (до 80%) составляют жиры, белки и углеводы. Именно за счет их распада образуется все количество выделяющегося биогаза, в том числе 60--65% за счет распада жиров, остальные 40--35% приходятся примерно поровну на долю углеводов я белков. Отсюда следует, что при сбраживании осадков первичных отстойников, содержащих больше жиров, образуется больше газа, чем при сбраживании активного ила, в котором больше белков, даже при очень длительной продолжительности пребывания осадка в метантенке указанные компоненты органического вещества распадаются не полностью. Имеется максимальный предел сбраживания и, следовательно, максимальный выход газа

Пределы распада не зависят от температуры, но скорости распада каждого компонента с повышением температуры возрастают.

Процесс брожения необходимо осуществлять при выбранном оптимальном температурном режиме, даже кратковременное нарушение которого, особенно в сторону снижения температуры, приводит к торможению стадии метаногенеза, накоплению кислот за счет активной работы более устойчивых гидролитических организмов, нарушению трофических связей и процесса в целом.

Температурный режим сбраживания тесно связан со временем пребывания осадка в метантенке или суточной дозой загрузки метантенка по объему (%), а также количеством органического вещества загружаемого 1 осадка на единицу рабочего объема метантенка (кг/м³). Если максимальный распад органического вещества, как указывалось выше, зависит только от его химического состава, то с уменьшением продолжительности сбраживания, т.е. с повышением дозы загрузки, распад органического вещества и выход газа снижаются при всех температурных режимах. В зоне термофильных температур это снижение происходит медленнее, чем в зоне мезофильных температур. Отсюда следует, чем выше доза загрузки, тем выше преимущества температурного процесса по степени распада и выходу газа [10].

В связи с этим термофильный режим сбраживания, в основном применяемый в нашей стране, имеет преимущества перед мезофильным, так как. позволяет уменьшить объемы метантенков, кроме того, обеспечивает глубокое обеззараживание осадков не только от поточной микрофлоры, но и от гельминтов. Однако, недостатком термофильного сбраживания является низкая водоотдающая способность сброженного осадка, что требует его промывки при последующем механическом обезвоживании. В свою очередь, мезофильный режим сбраживания не обеспечивает обеззараживания осадка, требует больших объемов метантенков, но позволяет получить сброженный осадок, лучше поддающийся последующему обезвоживанию.

С экономической точки зрения самым значительным недостатком термофильного технологического способа является потребность в тепловой энергии, которая по сравнению с мезофильным способом приблизительно в два раза больше. Эту тепловую энергию нужно будет выплачивать в качестве эксплуатационных расходов ежедневно.

Значительным недостатком термофильного решения является также и то, что для этого решения требуется более сложное технологическое оборудование, которое по этой причине представляет собой более существенный эксплуатационный риск, а также

означает более существенную чувствительность термофильных микробиологических процессов. Это является существенной проблемой особенно по той причине, что в настоящее время в сточных водах и в иле еще могут присутствовать токсичные металлы и другие химикаты.

С учетом вышеуказанных аргументов за и против в рамках данной модернизации, считаем, что более выгодным является применение мезофильного процесса сбраживания.

Перемешивание содержимого метантенка необходимо проводить с целью обеспечения эффективного использования всего объема метантенка, исключения образования мертвых зон, предотвращения расслоения осадка, отложения песка и образования корки, выравнивания температурного поля. Кроме того перемешивание должно обладать способностью выравнивания концентраций метаболитов, образующихся в процессе брожения и являющихся промежуточными субстратами для микроорганизмов или ингибиторами их жизнедеятельности, а также поддержанию необходимого контакта между ферментами и субстратами, разными группами бактерий. Вместе с тем, как было упомянуто выше, существует некоторый предел интенсивности перемешивания, превышение которого может привести к механическому отрыву отдельных групп бактерий друг от друга, а также от частиц потребляемого ими субстрата.

При плохом перемешивании снижается эффективный объем метантенка, сокращается время пребывания в нем осадка, а, следовательно, рас ход органического вещества и выход биогаза.

Метантенки могут работать в периодическом, непрерывном и полунепрерывном режимах. При загрузке один раз в сутки скорость распада органического вещества и выход биогаза значительно меняется в период между загрузками. После загрузки выход газа в 2 раза превышает выход газа перед следующей загрузкой. Это свидетельствует о существенном изменении скорости биохимического распада за счет неравномерной подачи субстрата клеткам бактерии. Непрерывная загрузка и выгрузка метантенка снимает эту неравномерность. При непрерывной подаче предварительно подогретого сырого осадка, его хорошем смещении с массой бродящего осадка обеспечиваются равномерный тепловой режим сооружения, равномерное поступление питательных субстратов и возможность работы с повышенными дозами загрузки. Наконец, перевод метантенков на непрерывный режим загрузки делает возможным автоматизацию и механизацию процесса, обеспечивает уменьшение эксплуатационных затрат, равномерность газовыделения в однородность выгружаемого осадка.

Вместе с тем, как показывает теория непрерывных процессов, при имеющейся загрузке одноступенчатого термофильного метантенка, работающего в режиме смесителя, следует ожидать присутствие в выгружаемом осадке хотя бы незначительной части несброженного, следовательно, необеззараженного осадка.

На процесс брожения оказывают ингибирующее действие некоторые органические и неорганические вещества, которые могут содержаться в осадках в значительных концентрациях. К нм в первую очередь относятся тяжелые металлы, сульфиды, СПАВ.

Эксплуатация метантенков требует организации четкого и постоянного контроля за основными показателями процесса брожения. К этим показателям относятся:

* выход и состав биогаза, в котором обычно содержится 60--65% метана, 32--35% диоксида углерода а также некоторые количества водорода, сероводорода, азота и др.;

* степень распада органического вещества;

* содержание летучих жирных кислот, аммонийного азота и щелочность вловой жидкости;

* влажность я зольность загружаемого сброженного осадка;

* рН

С точки зрения режима подачи осадков наиболее рациональной является эксплуатация метантенков по прямоточной схеме, при которой загрузка и выгрузка осадков происходит одновременно и непрерывно (или с минимальными перерывами). Такой режим создает благоприятные температурные условия в метантенке, так как исключается охлаждение бродящей массы вследствие залповых поступлений более холодных сырого осадка и избыточного ила. Кроме того, такой режим обеспечивает равномерность газовыделения в течение суток.

В различных конструкциях метантенков подача осадка на сбраживание может осуществляться либо через общую для всех метантенков загрузочную камеру, либо насосом непосредственно в каждый метантенк. В том в другом случае должна быть обеспечена равномерность распределения нагрузки между отдельными сооружениями и возможность ее регулирования.

Осадок подают в верхнюю зону метантенка, а выгружают из самой нижней точки

днища. Максимальное удаление друг от друга трубопроводов подачи и выгрузки предотвращает попадание несброженного осадка в выгружаемую массу. Кроме того, при постоянной выгрузке сброженной массы из нижней части удается замедлить процесс накопления песка, который вместе с осадком из первичных отстойников попадает в метантенк.

В метантенках тепло расходуется непосредственно на подогрев загружаемого осадка до необходимой расчетной температуры, на возмещение потерь тепла, уходящего через стенки, днище и перекрытие метантенка, на возмещение потерь тепла, уносимого с отводимым из метантенка газом.

В отечественной практике подогрев осадка наиболее часто осуществляют острым паром. Пар низкого давления с температурой 110-112?С подается во всасывающую трубу насоса при подаче и перемешивании осадка или непосредственно в метантенк через паровой инжектор. Инжекторы устанавливаются в каждом метантенке. Забирая в качестве рабочей жидкости осадок из метантенка и подавая смесь его с паром снова в метантенк, паровой инжектор обеспечивает и подогрев осадка в частичное перемешивание бродящей массы.

За рубежом получили распространение спиральные теплообменники типа "осадок-осадок" и " вода - осадок ". Обобщенная принципиальная схема подогрева осадка для анаэробного сбраживания представлена на рисунке 12.

Установка на линии выпуска сброженного осадка рекуперативного теплообменника типа "осадок-осадок" обеспечивает использование теплоты сброженного осадка для частичного подогрева осадка, подаваемого в метантенк, что сокращает расход энергии котельной установки на сбраживание осадков. Применение на второй ступени подогрева теплообменника типа "вода-осадок" обеспечивает дополнительный нагрев осадка. На рисунке 13 представлен вариант схемы подогрева осадка, в котором нагрев осадка совмещен с гидравлическим перемешиванием бродящей массы. Содержимое метантенка перемешивается насосом, обеспечивая, как минимум, трехкратный оборот осадка за 20 ч. Установленный на нагнетательной линии насоса теплообменник типа "вода-осадок" обеспечивает подогрев осадка и компенсирует все теплопотери метантенка (для мезофильного процесса). Подогрев осадка полностью автоматизирован и управляется датчиком температуры, установленным на всасывающем патрубке циркуляционного насоса.

Рисунок 12 - Принципиальная схема подогрева осадка для анаэробного сбраживания: 1 - загрузка осадка; 2 - паровой инжектор; 3 - метантенк; 4 - теплообменник "осадок-осадок"; 5 - пар; 6 - биогаз; 7 - котельная; 8 - горячая вода; 9 - теплообменник "вода-осадок"; 10 - охлажденная вода; 11 - подогретый осадок; 12 - сброженный осадок

Рисунок 13 - Схема подогрева циркулируемого осадка

1 - загрузка осадка; 2 - метантенк; 3 - циркуляционный насос; 4 - теплообменник "вода-осадок"; 5 - сброженный циркулируемый осадок; 6 - горячая вода; 7 - охлажденная вода

Перемешивание бродящей массы обеспечивает ее однородность во всем объеме метантенка. При загрузке холодного осадка в верхнюю зону метантенка, он как более холодный устремляется вниз. Одновременно пузырьки выделяющегося газа поднимаются вверх. В результате происходит перемешивание бродящей массы в вертикальном направлении. Если метантенк оборудован инжектором, его работа приводит к перемешиванию осадка в горизонтальной плоскости. Однако эти процессы, сопровождающие процесс сбраживания, не могут обеспечить полного перемешивания содержимого метантенка.

Специальные системы перемешивания используют для этой цели циркуляционные насосы, пропеллерные мешалки или перемешивание с помощью газа.

Для сбора газа на горловине метантенка устанавливают газовые колпаки. Для транспортирования газа прокладывается специальная газовая сеть из стальных труб с усиленной противокоррозионной изоляцией.

В процессе сбраживания осадков выделение газа неравномерно. для поддержания постоянного давления в газовой сети на тупиковых концах ее устанавливают аккумулирующие газгольдеры. Мокрый газгольдер состоит из резервуара, заполненного водой, и колокола, перемещающегося на роликах по вертикальным направляющим. Вес колокола уравновешивается противодавлением газа. Благодаря этому при изменении объема газа под колоколом давление в газгольдере и газовой сети остается постоянным. При невозможности сбора газа метантенков, предусматривают его сжигание, используя специальное устройство - газовую свечу.

Сброженный осадок, выходящий из башен метантенков приблизительно с той же скоростью, с которой он поступает в них, должен отводиться в так называемые дегазаторы, представляющие собой буферные емкости, в которых одновременно с буферным хранением ила происходит процесс дегазации ила. Этот процесс имеет несколько положительных сторон:

- отведение сброженного осадка может выполняться независимо от процесса обезвоживания осадка;

- благодаря удалению биогаза, содержащегося в иле, обеспечивается защита оборудования системы обезвоживания от вредного воздействия биогаза;

- благодаря уменьшению температуры в процессе дегазации улучшается способность обезвоживания ила [12].

3.3 Обезвоживание сброженного осадка.

Обезвоживание осадков является решающим процессом его обработки. Основной задачей обезвоживания осадка является эффективное уменьшение объема осадка. С этим повышается экономичность размещения или дальнейшей обработки осадков.

По сложившейся практике последних 20 - 25 лет уплотненный свежий ил или осадок, отобранный из метантенков, после уплотнения, гомогенизации и дегазации обезвоживается на:

- непрерывно работающей горизонтальной центрифуге:

- ленточном фильтр-прессе

- камерном фильтр-прессе

Разнообразие таких машин на рынке широкое, сегодня много заводов мира производят оборудование пригодное для этих целей.

Несмотря на большое разнообразие таких машин, одним из самых сложных вопросов технической концепции данного проекта является определение типа оборудования для обезвоживания.

Главным критерием выбора является не технические или экономические особенности машин обезвоживания, а возможности размещения обезвоженного осадка, т.е. главным критерием можно считать консистенцию ила. В результате обезвоживания необходимо получить такой ил, который имеет твердую, не грязевидную консистенцию. Дальнейшим условием является, чтобы осадок не содержал человеческих патогенных микроорганизмов.

Выполнение перечисленных требований обеспечивается в основном дозировкой гашеной извести, гидрата извести или негашеной извести. Негашеная известь, используемая в качестве коагулянта, улучшает обезвоживаемость осадка, увеличивает значение рН и этим самым уничтожает человеческие патогенные микроорганизмы, увеличивая содержание сухого вещества обезвоженного осадка.

Дозировка извести проводится в один ли два этапа. Одноэтапная технология означает, что известь в виде известкового молока подается непосредственно в обезвоживаемый осадок и обезвоживание проводится после этого. По этой технологии могут работать только камерные фильтр-прессы.

Другие две технологии обезвоживания подобный результат могут обеспечить только в два этапа. При работе с двухэтапной технологией, на первом этапе производится кондиционирование реагентами, затем полученный обезвоженный ил перемешивается с негашеной известью.

Центрифуга и ленточный фильтр-пресс имеют приблизительно одинаковую производительность. Оба оборудования работают в непрерывном режиме и надежно выполняют задачи обезвоживания осадка. Выбор между ними зависит от инвестиционных и эксплуатационных расходов, надежности, долговечности, удобства эксплуатации и доступности сервиса [9].

В большинстве случаев решение определяется с учетом местных условий. Возможное затягивание реконструкции или строительства песколовок и значительная потребность центрифуг в регулярном сервисном обслуживании, практически исключает ее использование.

В отличие от центрифуги, ленточный фильтр-пресс выглядит технически более сложным, однако расходует значительно меньше электроэнергии. Главной проблемой можно считать регулярную замену ленты (в каждые 1 - 2 года, в зависимости от интенсивности эксплуатации). Ленточные фильтр-прессы не чувствительны к песку. К отрицательным сторонам относятся: большое количество деталей, острые частицы осадка могут прорезать ленту, не закрытые поверхности, из-за чего сложнее обеспечить чистоту воздуха машинного отделения обезвоживания ила.

Помимо вышеупомянутых двух главных групп оборудования, меньший, но устойчивый сегмент рынка занимают фильтр-прессы с камерами, работающими под давлением. Главное их преимущество заключается в том, что с применением кондиционирующих средств соли железа (III) и извести (а в случае сброженного осадка также и полиэлектролита), при давлении 10 - 16 бар можно достичь 30 - 50%-ое содержание сухих веществ в обезвоженном иле. Трудоемкость периодической операции уменьшается за счет применения механизированного удаления кека. Из-за значительных инвестиционных расходов и относительной сложности эксплуатации системы такое оборудование эксплуатируется только на крупных очистных сооружениях или при предъявлении специальных требований. С учетом челябинских условий, преимущества этого метода могут быть значительными.

Большая разница находится между камерным фильрт-прессом и ленточным фильтр-прессом. Мощный камерный фильтр-пресс является надежным, не слишком дорогим и простым оборудованием. К недостаткам можно отнести циклический режим работы и инвестиционные расходы, превышающие затраты на оборудование других систем.

В качестве вывода можно заключить, что преимущества применения камерного фильтр-пресса проявляются в основном не на стадии очистки стоков. А при дальнейшей обработке и депонировании. В таком случае выбор в основном аргументируется тем, что снижается количество вывозимого осадка и значительно проще размещать осадок на иловой площадке обработанной неорганическим кондиционером [11].

3.4 Обеззараживание обезвоженного осадка

Самым важным вопросом размещения и утилизации осадков, образующихся на очистных сооружениях, является присутствие человеческих или животных патогенных микроорганизмов. Санитарно-эпидемиологические службы во всем мире отрицательно оценивают такое свойство осадков, поэтому обеззараживание его является важным решением проектировщиков и инвесторов, на которое влияют также и требования и возможности на месте работ.

Удаление патогенных микроорганизмов может проводиться несколькими методами:

1. Методы, основанные на термообработке.

Делятся на три вида по выбору источника энергии для нагревания осадка:

- тепловая энергия, обеспечиваемая традиционными источниками энергии (включая биогаз, образующийся при сбраживании в метантенках);

- тепловая энергия, образующаяся в процессе аэробного биологического разложения (аэробное компостирование в твердой или в жидкой фазе);

- тепловая энергия, образующаяся в процессе прочих химических реакций.

2. Химические способы, или обеззараживание облучением.

Менее распространены в практике обработки осадков, по причине высоких расходов и опасности.

Способы обеззараживания осадков теплом весьма разнообразны:

- различными, прямыми и косвенными способами сушки осадков;

- сжиганием осадка

Сушка и сжигание вместе с обеззраживанием имеет разные специфические преимущества и недостатки. В обоих случаях уменьшается объём осадка, с этим могут снижаться и расходы на его размещение. Облегчается сельскохозяйственное размещение высушенного осадка.

Среди недостатков можно перечислить высокие расходы и сложность систем для сжигания. Решающим фактором является то, что в пепле после сжигания концентрация тяжёлых металлов будет всегда больше, чем в иле. Поэтому зола будет относиться к опасным отходам.

Тепловая стерилизация осадка перед обезвоживанием в некоторых случаях может давать значительные преимущества. Суть процесса заключается в том, что в сгущённом осадке, разогретом до 140°С, под действием температуры погибают все живые существа. Белки денатурируются при высокой температуре, поэтому обезвоживаемость осадка будет значительно лучше, чем после кондиционирования полиэлектролитом. После такой обработки, в зависимости от системы обезвоживания можно получить осадок с содержанием сухих веществ 40 - 50%. Значительным недостатком процесса является, что под действием высокой температуры значительная часть органики переходит в раствор и этим нагружает систему очистки сточных вод.

Главным источником тепла различных способов компостирования является тепловая энергия, полученная путём аэробного биологического окисления органических веществ осадка.

В международной практике распространен способ компостирования, применяемый в сельском хозяйстве. Преимущества данного способа проявляются только при наличии определённых качественных параметров осадка. В нашем случае содержание тяжёлых металлов в осадке относительно высокое, поэтому преимущества вышеописанного способа не могут быть использованы.

Другой способ обеззараживания осадка, не требующий дорогого оборудования, специальных знаний и значительных инвестиций, это перемешивание обезвоженного ила с негашеной известью (СаО). Известь вступает в реакцию с остаточным содержанием воды и всегда присутствующим углекислым газом. При этом высвобождается значительное количество тепловой энергии химического происхождения.

Важным является то, что ил, смешанный с СаО, относительно быстро затвердевает и превращается в такой материал, по которому можно ходить, что облегчает его складирование.

В экзотермической реакции между водой и СаО высвобождается энергия 273 ккал/кг СаО. Если известь вступает в реакцию с С0₂, возникает теплота 773 ккал/кг СаО. В результате химических реакций настолько повышается температура смеси ила и извести, что погибают патогенные микроорганизмы, присутствующие в осадке. Второе влияние тепловой энергии, что в результате испарения снижается влажность смеси.

Важно с точки зрения обеззараживания, что под действием извести увеличивается рН смеси и это также способствует гибели микроорганизмов.

Потребность процесса в СаО зависит от:

- содержания СаО в материале, использованного в качестве источника СаО. (В процессе могут быть использованы материалы, содержащие СаО, являющиеся в других местах отходом производства);

- химической характеристики органических и неорганических составляющих обработанного осадка;

- содержания влаги и вязкости обработанного осадка.

- возможности перемешивания осадка и материала, содержащего СаО.

При перемешивании СаО со сброженным обезвоженным осадком относительно большое количество аммиака может попасть в окружающую среду. Поэтому нужно обеспечить вытяжку для системы перемешивания, а аммиак нужно удалить из воздуха [5].

3.5 Утилизация биогаза, образующегося в процессе сбраживания осадка

Ожидаемая теплотворная способность биогаза, возникающего в процессе сбраживания осадка, составляет 6,2 - 6,4 кВтч/Нм³. Эту энергию биогаза, скапливающуюся в значительных количествах, следует использовать, во-первых, для разогрева обрабатываемого осадка, а во-вторых, для восполнения тепловых потерь метантенков. Остающаяся после этого энергия может быть свободно использована. С самым лучшим коэффициентом полезного действия биогаз используется в газовом двигателе. В этом случае из сожженного биогаза вырабатывается электроэнергия (35 - 39%) и тепловая энергия для отопления (максимум А - 50%). Потери в случае утилизации биогаза в газовом двигателе в лучшем случае составляют около 15%.

С точки зрения безопасности, наряду с утилизацией биогаза в газовом двигателе следует предусмотреть возможность сжигания биогаза в газовом факеле и в котельной [7].

4. Расчетная часть

4.1 Расчет количества образующегося осадка

4.1.1 Сырой осадок

Количество сырого осадка первичных отстойников определяется по формуле (1) [3]:

, т/сут (1)

где С - начальная концентрация взвешенных веществ;

Э - эффект задержания взвешенных веществ в первичных отстойниках в долях единицы (обычно принимают 0,5 - 0,6);

К - коэффициент, учитывающий увеличение объема осадка за счет крупных фракций взвеси, не улавливаемых при отборе проб для анализа, принимают равным 1,1 - 1,2;

Q - приток сточных вод на очистную станцию, м³/сут.

т/сут

Объем осадка в сутки влажностью 97% по формуле (2) составит:

, м³/сут (2)

где W_ос - влажность сырого осадка;

?_ос - плотность сырого осадка, которую для упрощения принимают равной 1

 м³/сут

4.1.2 Избыточный активный ил

Количество избыточного активного ила по сухому веществу определяется по формуле (3):

, м³/сут (3)

где Пр - прирост активного ила, м³/сут;

а - вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников, мг/л;

Q - расход сточных вод, м³/сут;

Прирост активного ила составит:

, мг/л (4)

где В - количество взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в аэротенк, мг/л;

Lа - БПК_полн поступающих в аэротенк сточных вод, мг/л

мг/л

Тогда количество избыточного активного ила по весу во вторичных отстойниках по формуле (3) составит:

т/сут

Количество избыточного активного ила по объему составит:

, м³/сут (6)

где - объемный вес активного ила, 1,001.

W_изб.ос - влажность активного ила, равная 99,4%;

м³/сут

4.1.3 Химический ил

В случае последующей очистки воды, уже очищенной биологически, в связи с добавлением соли железа (III) образуется также осадок гидроокиси - фосфата железа. Предполагаемое суточное количество химического ила составляет 10 т/сут.

В случае предполагаемого среднего содержания сухого вещества 2% объем ила, отбираемого из систем флотации, аналогично по формуле (6) составит:

м³/сут

4.2 Расчет оборудования для обработки осадков

4.2.1 Расчет гравитационных сгустителей для обработки сырого осадка

Сырой осадок, образующийся в первичных отстойниках, перекачивается насосом для сгущения в гравитационные сгустители.

Полезная площадь радиального илоуплотнителя определяется по формуле (7) [13]:

, м² (7)

где q_max - часовой приток сырого осадка, кг/ч;

q₀ - нагрузка по сухому веществу осадка, принимаем равной 2,5 кг/ч·м² по таблице 57 [6].

м²

Диаметр илоуплотнителя по формуле (8):

, м (8)

м

Сгущение ила осуществляется с помощью вращающегося по кругу так называемого скребкового механизма с центральным приводом. Внутренний диаметр сгустителя составляет 22 м, а полезная глубина вдоль стены составляет 3,5 м. Рекомендуемый уклон дна составляет 10%. Сгущенный ил откачивается из зумпфа, находящегося в центре сгустителя, а осадок, поступающий на сгущение подается в распределитель, находящийся в центральной части сгустителя.

Объем уплотненного сырого осадка составит по формуле (9):

, м³/сут (9)

где V_ос - объем сырого осадка, м³/сут;

W_ос - влажность осадка, поступающего на уплотнение, %;

- влажность уплотненного осадка, %