Механическое обезвоживание и термическая сушка осадков

Чтобы произвести обезвоживание осадка на иловых площадках, особенно если речь идет о крупных очистных станциях, необходимы большие земельные площади. Поэтому в последнее время широкое распространение получила механическая сушка осадка путем центрифугирования, ленточной вакуум-фильтрации и фильтр-прессования.

Метод вакуум-фильтрации

Вакуум-фильтрация осуществляется в горизонтально расположенном цилиндрическом барабане, поверхность которого покрывают специальной фильтрующей капроновой или хлорвиниловой тканью или капроном. Сам барабан разделен по периметру на особые секторы, каждый из которых имеет свои фильтрующие камеры. Барабан, погруженный примерно на 1/3 в обезвоживаемый осадок, вращается на цапфах с медленной скоростью.

Каждый сектор на барабане поочередно находится или в вакууме, или под повышенным давлением, которое создается компрессором. Это обеспечивается распределительной головкой. Когда секторы работают в вакууме, то осадок налипает на фильтрующую ткань. Когда секторы выходят из сферы погружения, но все еще остаются в вакууме, происходит обезвоживание налипшего на ткань осадка. Процесс длится до тех пор, пока сектор не приблизится к ножу или съемному ролику.

В это время сектор уже находится в зоне повышенного давления, под действием которого осадок разрыхляется, что позволяет облегчить его снятие с барабана. Фугат перекачивается насосом в начало очистных сооружений или направляется в илоуплотнитель. Осадок или смесь осадка с активным илом перед вакуум-фильтрацией подвергается предварительной обработке, которая включает следующие мероприятия:

• промывку технической водой в течение 15–20 минут из расчета 2–4 м³ воды на 1 м³ осадка;
• продувку воздухом из расчета 0,5 м³ на 1 м³ смеси осадка и воды;
• уплотнение осадка в течение 12–24 ч.

В результате уплотнения осадка образуется сливная вода, которая содержит 1–1,5 г/л взвешенных веществ и имеет БПК 2.0 600–900 мг/л. Такая жидкость направляется из уплотнителя на биологические очистные сооружения. Осадок, имеющий влажность 94–96 %, удаляется из уплотнителя плунжерными насосами. Перед подачей на вакуум-фильтр осадок подвергают коагулированию.

В качестве реагента может использоваться сульфат или хлорид железа и негашеная известь в виде 10 % раствора. Средняя дозировка солей железа составляет 4–6 % массы сухого вещества осадка, а извести – 10–15 %. Материалом, обеспечивающим наилучшую производительность вакуум-фильтров, является хлорвиниловая ткань. Влажность фильтрованного осадка в среднем составляет 78,5—80 %.

Довольно востребован метод механического обезвоживания осадка, когда полностью исключается сбраживание в метатенках. Такую технологию довольно часто применяют в очистных сооружениях с ограниченной территорией. Сырой осадок из первичных отстойников высасывается насосами и направляется в резервуар, где он соединяется с химическими реагентами. После этого осадок поступает на вакуум-фильтрацию.

При обезвоживании осадка фильтровальная ткань быстро заиливается, причем ее фильтрующие способности зачастую восстановлению не подлежат даже после промывки. Поэтому в вакуум-фильтрах должны быть предусмотрены более эффективные приспособления для регенерации ткани, например в них может происходить непрерывный процесс восстановления свойств фильтрующей ткани. Принципиально схема выглядит так.

1. При вращении барабана фильтровальная ткань сходит на систему роликов.
2. При прохождении ткани через разгрузочный ролик кек отделяется от нее путем отдувки и снимается ножом. Одновременно ткань очищается сжатым воздухом, который подается на данный ролик.
3. Во время движения разгрузочного ролика к возвратному и натяжному роликам ткань с обеих сторон промывается водой, которая подается из насадок под давлением.
4. Промывочная вода собирается в желобе и отводится по трубе.

Осадок после обезвоживания имеет влажность 70–80 %. Чтобы уничтожить в нем яйца гельминтов, его подогревают до температуры +60 °C или обрабатывают термически. При проектировании установок вакуум-фильтрации в комплекс расчетов включается расчет сооружений по уплотнению и промывке осадка, дозы реагентов, а также определяется количество вакуум-фильтров.

Оборудование отечественных производителей не нашло серийного спроса в РФ, поэтому до сих пор импортные аппараты считаются одними из самых надежных.

Метод вакуум-фильтрации имеет ряд минусов. К ним относятся сложность предварительной подготовки осадка к обезвоживанию, большой расход реагентов, коррозионная активность материалов трубопроводов и оборудования.

В некоторых странах (Швейцарии, ФРГ, Англии) применяют тепловую обработку осадков перед их обезвоживанием. Сущность мероприятия заключается в их прогревании в теплообменнике при температуре +140…+200 °C и последующей подаче в реактор для прогревания в течение определенного промежутка времени. Обработанный осадок вновь поступает в теплообменник и там отдает часть своего тепла. После отстаивания в уплотнителе осадок направляется на вакуум-фильтрацию.

В МИСИ им. В. В. Куйбышева исследовали различные методы тепловой обработки. Доказано, что оптимальный температурный режим и время обработки должны напрямую зависеть от характера обрабатываемого осадка. Например, для уплотненного активного ила требуется прогревание при температуре +180…+190 °C в течение 60–75 минут. В таких условиях он будет хорошо уплотняться и отдавать влагу.

Каждый из реакторов для тепловой обработки имеет вид вертикальной колонны, в верхней части которой есть свободное пространство, где происходит накопление парогазовой смеси (водяного пара и продуктов распада органического вещества осадка), которая периодически удаляется в сепаратор для проведения дезодорации. Осадок поступает в реактор непрерывно, а удаляется периодически с помощью редуцирующих устройств.

Одним из главных достоинств данного метода является абсолютная стерильность обработанного осадка. При его обезвоживании на вакуум-фильтре образуется кек, имеющий влажность 55–70 %. Это позволяет отказаться от термической сушки осадка. К недостаткам метода следует отнести сложную конструкцию реактора и высокую концентрацию органических веществ в иловой воде, что требует направления жидкости на биологическую очистку. Упрощение схемы обработки осадков (исключение метантенков, отказ от промывки и обработки реагентами) делает метод весьма перспективным.

Линия по тепловой обработке осадков работает на Люберецкой станции аэрации (Москва). В производственных условиях проведены опыты по обезвоживанию осадков городских сточных вод в непрерывно действующих осадительных горизонтальных центрифугах со шнековой выгрузкой обезвоженного осадка. Применение центрифуг рекомендуется для станций пропускной способностью до 100 000 м³/сут. Влажность обезвоженного осадка составляет 65–75 %. Фугат (отделившаяся вода) содержит много взвешенных частиц и имеет высокую ВПК, поэтому направляется на очистные сооружения. Если по условиям транспортирования и хранения осадка необходима дальнейшая сушка его до влажности 20–25 %, то его подвергают термической обработке.

Метод центрифугирования

Тепловая обработка осадков используется на Люберецкой аэрационной станции. В производственных условиях проводились исследования по обезвоживанию осадков городских стоков в непрерывно действующих осадительных горизонтальных центрифугах со шнековой выгрузкой обезвоженного осадка. Использовать центрифуги для обезвоживания осадка рекомендуется для станций, имеющих пропускную способность до 100 000 м³/сут. Влажность осадка на выходе составляет 65–75 %. В отделившейся воде (фугате) содержится много взвешенных частиц, она имеет высокую ВПК, поэтому нуждается в очистке. Если транспортировка и хранение осадка требуют дальнейшей его сушки до влажности 20–25 %, то он подвергается термической обработке.

Основные элементы центрифуги – конический ротор со сплошными стенками и полый шнек – вращаются в одну сторону, но имеют разные скорости. Под влиянием центробежной силы происходит отбрасывание нерастворенных частиц к стенкам ротора, а за счет разности частот вращения они перемещаются к отверстию в роторе. Обезвоженный осадок и попадает в бункер кека. Фугат отводится через отверстия, которые расположены с противоположной стороны ротора.

Перед подачей на центрифугу осадок направляется на напорные гидроциклоны для выделения песка. В центрифугах с диаметром ротора менее 500 мм осадок также нужно пропускать через решетки-дробилки. Если перед подачей на центрифугу в осадок добавляются высокомолекулярные флокулянты катионного типа в количестве 2–7 кг/т сухого вещества, то эффективность задержания увеличивается до 90–95 %. Пропускная способность серийно выпускаемых центрифуг составляет от 4 до 35 м³/ч по исходному осадку.

Метод фильтр-прессования

По конструкции фильтр-пресс для обезвоживания осадка представляет собой несколько плит, между поверхностями которых при помощи направляющих роликов протянута фильтровальная ткань. Поддерживающие плиты связываются между собой четырьмя вертикальными опорами. Гидравлические устройства позволяют поддерживать ткань в натянутом состоянии. Цикл фильтр-прессования включает следующие этапы.

1. Сборка фильтра.
2. Загрузка осадком.
3. Отжим.
4. Просушка.
5. Раскрытие фильтра.
6. Выгрузка обезвоженного осадка.

На выходе осадок городских сточных вод имеет влажность 42–56 % (при условии, что в него предварительно были введены химреагенты). Площадь фильтрования выпускаемых фильтр-прессов составляет от 2,5 до 50 м². Пропускная способность оборудования при обезвоживании осадков городских сточных вод – 7–16 кг/(м²·ч).

Приемы термической обработки осадка

Наиболее рациональным методом обработки является сушка осадка в барабанной пневматической или вальцовой сушилке. Сушилка барабанного типа состоит из сушильного агрегата, топки, сушильной камеры и вентиляционного устройства. Со стороны входа располагается загрузочная камера, а со стороны выхода – разгрузочная. Топка находится со стороны входа в сушильную камеру. Вентилятор устанавливается для отсоса отработавших газов. Барабан стоит на катках и имеет привод, от которого производится его вращение.

Температура топочных газов поддерживается в пределах +500…+800 °C. Перед загрузкой в барабан осадок требует определенной обработки. Так, влажность поступающего в барабан вещества должна быть не более 50 %, в противном случае оно начнет прилипать к поверхности установки. Для снижения влажности осадка с 75 до 50 % к нему добавляется ранее высушенный осадок, имеющий влажность 20 %.

За счет движения топочных газов и вращения барабана с частотой 1,5–8 об./мин осадок перемешивается. Чтобы распределить осадок по сечению барабана, внутри устройства располагаются насадки. Для его перемешивания и измельчения внутри барабана находятся свободно подвешенные корабельные цепи. После сушки в барабанной сушилке осадок имеет влажность 10–40 %, он не подвержен гниению, в нем не содержится гельминтов и патогенных микроорганизмов.

Пневматическая сушилка имеет вид вертикальный трубы-шахты, через которую непрерывно, со скоростью 7—10 м/с, нагнетаются горячие дымовые газы. Шахта размещается над мельницей-дробилкой – в ней осадок дробится до порошкообразного состояния, затем его подхватывает ток горячих газов и уносит в трубу. После дробления осадка суммарная поверхность его частиц становится большой, поэтому сушка происходит практически мгновенно. Вместе с газом удаляется испарившаяся влага.

Широко используются и сушилки с кипящим слоем. В таких установках находится слой инертного материала (песка или щебня). Через него снизу вверх с определенной скоростью пропускается поток газа-теплоносителя. Этот слой переходит во взвешенное состояние и напоминает кипящую жидкость. Активный ил, который подвергают сушке, при помощи форсунки вводится в слой инертного материала и, попадая на кипящую поверхность, быстро высушивается. Вместе с потоком отработавшего газа высушенный осадок выносится из установки в циклон, где происходит разделение веществ.

Все большее распространение получают сушилки с встречными струями, которые подходят для сушки осадков, обезвоженных на вакуум-фильтрах или центрифугах. Осадок подается шнековыми питателями и ленточным транспортером в сушильную камеру. Она состоит из горизонтальных разгонных труб, соединенных с вертикальным стояком. Сухой осадок в виде гранул выгружается из аэрофонтанного устройства. Ретур (часть высушенного осадка) возвращается из устройства и смешивается с подаваемым на сушку осадком в питателе. Такие сушилки имеют производительность по испаряемой влаге 0,7—3 т/ч.

В Японии США и ФРГ осадок сжигают в многоподовых печах. Корпус такого агрегата имеет вид стального цилиндра диаметром от 1 до 7 м. Его внутренняя поверхность футерована материалом с огнеупорными свойствами. В печи может присутствовать от 4 до 11 огнеупорных подов. К вращающемуся вертикальному валу над каждым подом прикрепляются радиальные скребковые мешалки. Сначала осадок подается на верхний под, где происходит его перемешивание мешалками. Потом он ими же перемещается к центральному отверстию пода и попадает на следующий нижележащий под. По нему осадок перемещается уже в противоположном направлении. На очередной под осадок попадает сквозь кольцевое отверстие, которое располагается на периферии пода. Сгорание осадка происходит в средней зоне печи, где температура может достигать +770…+925 °C. Воздух сюда нагнетается через вал при помощи воздуходувки. Воздух, нагретый до +200 °C, по рециркуляционному трубопроводу вновь возвращается в зону сгорания. На нижних подах происходит охлаждение золы и ее выгрузка в специальный бункер.

На станциях биологической очистки, имеющих пропускную способность не более 50 тыс. м³/сут., сырой осадок, активный ил или их смесь подвергают вакуумной сушке. Она осуществляется в вакуум-сушилках гребкового типа при помощи водяного пара температурой +150 °C, который подается в обогревающие рубашки установки.

Чтобы обеспечить определенное санитарное состояние осадка для его дальнейшего применения, например в виде удобрения, требуется проводить дегельминтизацию как исходного, так и механически обезвоженного осадка. Она происходит в установках, состоящих из пластинчатого транспортера и газовых горелок инфракрасного излучения, установленных над ним. Он подается в приемный бункер при помощи роликов и направляется слоем 10–25 мм на движущуюся транспортерную ленту, где прогревается горелками до +60 °C. Подобные установки рекомендованы для эксплуатации на станциях, имеющих пропускную способность 20–30 тыс. м³/сут. сточной воды.

Иногда сырой или сброженный осадок до механического обезвоживания требуется транспортировать на довольно большое расстояние от очистных сооружений. В этом случае производится его перекачка по напорным трубопроводам. Такой способ перемещения жидкого осадка представляется наиболее дешевым и гигиеничным.

Осадки стоков, равно как и некоторые другие вещества (торфяная и угольная гидромассы, меловые суспензии, строительные растворы и пр.), относятся к пластичным или структурным телам, которые являются промежуточными между вязким и упругим телами. При малой скорости движения осадка по трубопроводам потери напора намного превышают те потери напора, которые имеют место при движении однородных жидких сред, а при больших скоростях эти показатели оказываются близки. Чтобы оценить характер и закономерность движения вязкопластичных жидкостей (например осадков сточных вод, глинистых растворов и т. д.) используют критерии подобия.

Ленточный фильтр-пресс позволяет обеспечить глубокое непрерывное обезвоживание минеральных и биологических осадков. Установка нашла свое применение для обезвоживания осадков бытовых, городских, сельскохозяйственных, производственных сточных вод. Конструктивно фильтр-пресс представляет собой несколько валов, на которые сверху и снизу натянуты бесконечные фильтровальные ленты. На поверхность лент подается сток, а при их сжатии происходит отжим. Такая модель отличается компактными габаритами.

Принцип работы фильтр-пресса очень прост и надежен. Он основан на использовании верхней и нижней ленты, которые играют роль сита. Загрязненный сток подается на ленты и фильтруется через них, когда они сжимаются друг с другом. Отфильтрованная вода поступает на выход, а осадок, зажатый между лентами, остается. После разжима лент осадок удаляется с их поверхности. Такой метод практикуется и небольшими локальными очистными сооружениями, и крупными промышленными объектами с пропускной способностью до 10 000 кубометров сточных вод в час.

Сам процесс просушивания осуществляется на ленточных сушилках KLEIN (Германия). Полученный осадок можно сжигать в специальных установках, что позволяет полностью отказаться от захоронения. Последние десятилетия такие технологии довольно широко применяются в ряде европейских стран, а также в Японии и США.