Переработка осадков сточных вод: инновационное предложение для водоканалов. Переработка осадков сточных вод и их утилизация

Основная задача обработки осадков сточных вод заключается в получении конечного продукта, свойства которого обеспечивают возможность его утилизации в интересах народного хозяйства либо сводят к минимуму ущерб, наносимый окружающей среде. Технологические схемы, применяемые для реализации этой задачи, отличаются большим многообразием.

Технологические процессы обработки осадков сточных вод на всех очистных станциях механической, физико-химической и биологической очистки можно разделить на следующие основные стадии: уплотнение (сгущение), стабилизация органической части, кондиционирование, обезвоживание, термическая обработка, утилизация ценных продуктов или ликвидация осадков (схема 2) .

Рисунок 5 - Стадии и методы обработки осадка сточных вод

Уплотнение осадков

Уплотнение осадков связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех технологических схем обработки осадков. При уплотнении в среднем удаляется 60 % влаги и масса осадка сокращается в 2,5 раза.

Для уплотнения используют гравитационный, фильтрационный, центробежный и вибрационный способы. Гравитационный способ уплотнения является наиболее распространенным. Он основан на оседании частиц дисперсной фазы. В качестве илоуплотнителей используют вертикальные или радиальные отстойники.

Уплотнение активного ила, в отличие от уплотнения сырого осадка, сопровождается изменением свойств ила. Активный ил как коллоидная система обладает высокой структурообразующей способностью, вследствие чего его уплотнение приводят к переходу части свободной воды в связанное состояние, а увеличение содержания связанной воды в иле приводит к ухудшению водоотдачи.

Применяя специальные методы обработки, например обработку химическими реагентами, можно добиться перевода части связанной воды в свободное состояние. Однако значительную часть связанной воды можно удалить лишь в процессе испарения.

Стабилизация осадка

Анаэробная стабилизация

Основным методом обезвреживания осадков городских сточных вод является анаэробное сбраживание. Брожение называется метановым, так как в результате распада органических веществ осадков в качестве одного из основных продуктов образуется метан.

В основе биохимического процесса метанового брожения лежит способность сообществ микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности окислять органические вещества осадков сточных вод.

Промышленное метановое брожение осуществляется широким спектром бактериальных культур. Теоретически рассматривают брожение осадков, состоящее из двух фаз: кислой и щелочной.

В первой фазе кислого или водородного брожения сложные органические вещества осадка и ила под действием внеклеточных бактериальных ферментов сначала гидролизуются до более простых: белки -- до пептидов и аминокислот, жиры - до глицерина и жирных кислот, углеводы -- до простых сахаров. Дальнейшие превращения этих веществ в клетках бактерий приводят к образованию конечных продуктов первой фазы, главным образом органических кислот. Более 90 % образующихся кислот составляют масляная, пропионовая и уксусная. Образуются и другие относительно простые органические вещества (альдегиды, спирты) и неорганические (аммиак, сероводород, диоксид углерода, водород).

Кислую фазу брожения осуществляют обычные сапрофиты: факультативные анаэробы типа молочнокислых, пропионовокислых бактерий и строгие (облигатные) анаэробы типа маслянокислых, ацетонобутиловых, целлюлозных бактерий. Большинство видов бактерий, ответственных за первую фазу брожения, относится к спорообразующим формам. Во второй фазе щелочного или метанового брожения из конечных продуктов первой фазы образуются метан и угольная кислота в результате жизнедеятельности метанообразующих бактерий -- неспороносных облигатных анаэробов, очень чувствительных к условиям окружающей среды.

Метан образуется в результате восстановления СО 2 или метильной группы уксусной кислоты:

где АН 2 - органическое вещество, служащее для метанообразующих бактерий донором водорода; обычно это жирные кислоты (кроме уксусной) и спирты (кроме метилового).

Многие виды метанообразующих бактерий окисляют молекулярный водород, образующийся в кислой фазе Тогда реакция метанообразования имеет вид:

Микроорганизмы, использующие уксусную кислоту и метиловый спирт, осуществляют реакции:

Все перечисленные реакции являются источниками энергии для метанообразующих бактерий, и каждая из них представляет собой серию последовательных ферментативных превращений исходного вещества. В настоящее время установлено, что в процессе метанообразования принимает участие витамин В 12 , которому приписывают основную роль в переносе водорода в энергетических окислительно-восстановительных реакциях у метанообразующих бактерий.

Считается, что скорости превращения веществ в кислой и метановой фазах одинаковы, поэтому при устойчивом процессе брожения не происходят накопления кислот -- продуктов первой фазы.

Процесс сбраживания характеризуется составом и объемом выделяющегося газа, качеством иловой воды, химическим составом сброженного осадка.

Образующийся газ состоит в основном из метана и диоксида углерода. При нормальном (щелочном) брожения водород как продукт первой фазы может оставаться в газе в объеме не более 1 - 2%, так как используется метанообразующими бактериями в окислительно-восстановительных реакциях энергетического обмена.

Выделившийся при распаде белка сероводород Н 2 S практически не попадает в газ, так как в присутствии аммиака легко связывается с имеющимися ионами железа в коллоидный сульфид железа.

Конечный продукт аммонификации белковых веществ -- аммиак -- связывается с углекислотой в карбонаты и гидрокарбонаты, которые обусловливают высокую щелочность иловой воды.

В зависимости от химического состава осадков при сбраживании выделяется от 5 до 15 м 3 газа на 1 м 3 осадка.

Скорость процесса брожения зависят от температуры. Так, при температуре осадка 25 - 27°С процесс длится 25 - 30 дней; при 10°С продолжительность его увеличивается до 4 месяцев и более. Для ускорения сбраживания и уменьшения объема необходимых для этого сооружений применяют искусственный подогрев осадка до температуры 30 -35°С или 50 - 55°С.

Для нормально протекающего процесса метанового брожения характерны слабощелочная реакция среды (рН? 7,б), высокая щелочность иловой воды (65--90 мг-экв/л) и низкое содержание жирных кислот (до 5 - 12 мг-экв/л). Концентрация аммонийного азота в иловой воде достигает 500 - 800 мг/л.

Нарушение процесса может быть результатом перегрузки сооружения, изменения температурного режима, поступления с осадком токсичных веществ и т. д. Нарушение проявляется в накопления жирных кислот, снижении щелочности иловой воды, падении рН. Резко уменьшается объем образующегося газа, увеличивается содержание в газе угольной кислоты и водорода -- продуктов кислой фазы брожения.

Кислотообразующие бактерии, ответственные за первую фазу брожения, более выносливы ко всякого рода неблагоприятным условиям, в том числе и к перегрузкам. Осадки, поступающие на сбраживание, в значительной степени обсеменены ими. Быстро размножаясь, кислотообразующие бактерии увеличивают ассимиляционную способность бактериальной массы и таким образом приспосабливаются к возросшим нагрузкам. Скорость первой фазы при этом возрастает, в среде появляется большое количество жирных кислот.

Метановые бактерии размножаются очень медленно. Время генерации для некоторых видов составляет несколько дней, поэтому они не в состоянии быстро увеличивать численность культуры, а содержание их в сыром осадке незначительно. Как только нейтрализующая способность бродящей массы (запас щелочности) оказывается исчерпанной, рН резко снижается, что приводит к гибели метанообразующих бактерий.

Большое значение для нормального сбраживания осадка имеет состав сточных вод, в частности наличие в них таких веществ, которые угнетают или парализуют жизнедеятельность микроорганизмов, осуществляющих процесс сбраживания осадка. Поэтому вопрос о возможности совместной очистки производственных я бытовых сточных вод следует разрешать в каждом отдельном случае в зависимости от их характера и физико-химического состава.

При смешивании бытовых сточных вод с производственными необходимо, чтобы смесь сточных вод имела рН=7 - 8 и температуру не ниже 6°С и не выше

30°С. Содержание ядовитых или вредных веществ не должно превышать предельно допустимой концентрации для микроорганизмов, развивающихся в анаэробных условиях. Например, при содержания меди в осадке более 0,5% сухого вещества ила происходит замедление биохимических реакций второй фазы процесса сбраживания и ускорение реакций кислой фазы. При дозе гидроарсенита натрия 0,037% к массе беззольного вещества свежего осадка замедляется процесс распада органического вещества.

Для обработки и сбраживания сырого осадка применяют три вида сооружений: 1) септики (септиктенки); 2) двухъярусные отстойники; 3) метантенки.

В септиках одновременно происходит осветление воды и перегнивание выпавшего из нее осадка. Септики в настоящее время применяют на станциях небольшой пропускной способности.

В двухъярусных отстойниках отстойная часть отделена от гнилостной (септической) камеры, расположенной в нижней части. Развитием конструкции двухъярусного отстойника является осветлитель-перегниватель.

Для обработки осадка в настоящее время наиболее широко используют метантенки, служащие только для сбраживания осадка при искусственном подогреве и перемешивании.

Сброженный осадок имеет высокую влажность (95 - 98%), что затрудняет применение его в сельском хозяйстве для удобрения (из-за трудности перемещения обычными транспортными средствами без устройства напорных разводящих сетей). Влажность является основным фактором, определяющим объем осадка. Поэтому основной задачей обработки осадка является уменьшение его объема за счет отделения воды и получение транспортабельного продукта.

При проведении процессов очистки сточных вод происходит образование различных осадков. Они содержат большое количество элементов и веществ, которые при грамотном использовании, могут нести существенную пользу. Но перед продуктивным применением, осадки нужно привести в подходящее качественное состояние. Для решения этой задачи применяются различные мероприятия подготовки и обработки.

Утилизация осадка сточных вод необходимо для экологической безопасности

После того как проведена качественная обработка осадка, его свойства приведены к нужным параметрам, он может быть утилизирован. Обработка и утилизация осадков сточных вод имеет существенное значение для экологии и требует детального рассмотрения.

Осадки стоков: что это такое?

В канализационных системах скапливаются жидкие стоки с содержанием твёрдых загрязнителей и нейтральных веществ. Их концентрация может достигать 10% от общего объёма. Все сточные воды, независимо от источника происхождения (система водоснабжения, производство и т. д.) и степени загрязнения, должны проходить процедуру удаления загрязнений. Перед выводом в окружающую среду они должны быть очищены на 95-98%. Во время проведения различных процессов удаления загрязнений образуются осадки.

Осадки сточных вод (ОСВ) – твёрдые вещества и элементы, возникающие во время отстаивания и очистки в накопителях, отстойниках, аэротенках, метатенках, других резервуарах удаления загрязнений сточных жидкостей.

В процессе удаления загрязнений образуются осадки общим объёмом от 0,5 до 10% от начального количества поступивших жидких веществ.

В зависимости от концентрации структурных соединений выделяются три основных вида осадочных образований: с преимущественно минеральным составом, с преобладанием органических составляющих, комплексные.

ОСВ подразделяются на шесть групп, в зависимости от источника поступления:

• крупные твёрдые осадки, выбранные решётками;
• элементы, отложившиеся в песколовках;
• тяжёлые отходы из резервуаров первичного отстаивания;
• донные отложения из резервуаров с флокулянтами (вещества, под действием которых в жидкостях образуются рыхлые хлопьевидные агрегаты) и коагулянтами (вещества, вызывающие в жидкостях сгущение, слипание в крупные структуры твёрдых веществ);
• отработанный ил из аэротенков;
• отработанная плёнка из биофильтров.

ОСВ из решёток, песколовок и первичных отстойников имеют неизменённую структуры. Отложения из остальных блоков очистки имеют изменённую структуру и состав в результате воздействия и обработки биологическими и химическими реагентами.

Два основных направления использования осадков стоков:

1. Применение в качестве органоминеральных удобрений.
2. Как сырьевой элемент для выработки тепла при сжигании.

Второстепенными направлениями современного применения осадочных элементов являются:

• шлак и зола от сжигания осв служат составным элементом при производстве многочисленных наименований изделий, предназначенных для строительства;
• осадки используются в качестве сорбента (вещества, используемые для избирательного поглощения газов) в канализационных коллекторах;
• восстановление участков истощённых земель.

Осадок сточных вод имеет в своем составе тяжелые металлы

Главным недостатком осадков является то, что в их состав входят тяжёлые металлы. Такие осадки эффективно применяются при производстве нескольких видов кирпича и цементных растворов. Добавление осадочных пород с металлами повышает прочность и схватываемость.

ОСВ с тяжёлыми металлами эффективно использовать в качестве удобрений на участках лесоразведения и озеленения городов. Такие растения не применяются в пищу, поэтому содержание металлов не несёт угрозы. Зато редкие элементы влияют на улучшение свойств почв.

При попадании в системы очистки, большая часть отстойных частиц формируется в резервуарах первичного отстаивания. Осадочные элементы также образуются в блоках биологического (воздушного и безвоздушного) удаления загрязняющих элементов.

Отстоенный слой из аэротенков (кислородная очистка) можно применять для повышения полезных характеристик участков за городом и на даче. А вот в метатенках (без воздуха) оседающие вещества слишком токсичны. Они непригодны как средство повышения свойств почв и требуют переработки.

Технологический цикл обработки осадков жидкостей:

1. Поступление исходных отстоев.
2. Уплотнение.
3. Стабилизация: сбраживание или анаэробная обработка.
4. Обезвоживание: естественная и термическая сушка, фильтрация в вакуумных и вибрационных камерах, центрифугах.
5. Кондиционирование: реагентная, тепловая, замораживающая, полиэлектролитная, поликоагуляционная обработка.
6. Ликвидация: сжигание, окисление, концентрация в накопителях, выведение в почвенные пустоты, транспортировка на свалки.
7. Утилизация: с/х удобрения, производство продукции для строительных целей, сорбентов, выделение и восстановление металлов.

Обработка и стабилизация

Обработка осадков сточных вод включает следующие процедуры:

• сгущение: удаляется до 60% всей влаги, объём отстоев уменьшается на 50%;
• уплотнение;
• стабилизация;
• кондиционирование.

Основная цель обработки удаление жидкости и получение шлама (осадок из мельчайших частиц, переработанных загрязнителей). Наиболее распространённый и простой способ обезвоживание – сушка на площадках. Но для того чтобы обрабатывать ОСВ этим методом требуются большие площади земли. Этот метод малоэффективен.

На этапах сгущения и уплотнения происходит выведение всей свободной влаги. Эти методы являются первичными при обработке осадочных элементов.

Методики уплотнения:

• вибрационная;
• центробежная;
• гравитационная;
• флотационная;
• фильтрационная;
• смешанная.

Наиболее простой и дешёвый способ уплотнения, используемый в очистных системах везде – гравитационный. Для его реализации применяются вертикальные и радиальные резервуары отстаивания. Процесс уплотнения занимает от нескольких часов до нескольких суток. Для придания более высоких темпов применяются коагулянты, содержащие хлорное железо, нагретые до температуры в 90 градусов.

При флотационном методе применяются пузырьки воздуха. К ним прилипают различные элементы и поднимаются на поверхность. Образуется плёнка, которую достаточно просто удалить. Метод эффективен и управляем, за счёт простого регулирования количества подаваемого кислорода в жидкость. При центробежном методе применяются циклоны и центрифуги.

В аэротенке происходит стабилизация осадков сточных вод

В септиках, аэротенках, метатенках и определённых типах отстойников происходит стабилизация осадков сточных вод. Под этим наименованием подразумевается процесс расщепления сложно структурных веществ органики на простые составляющие: H2O, CH4, CO2.

После завершения процессов в кислородных и без кислородных условиях, осадок теряет способность к загниванию, то есть стабилизируется. Процесс стабилизации необходим для разрушения компонентов органики стоков.

К методам стабилизации относятся: сушка отработанного ила на специально оборудованных участках, применение осадков в качестве питательных элементов для почвы. На промышленных предприятиях для стабилизации применяется анаэробное разложение органики в аэротенках. Распад и окисление биологических элементов происходит в течение 7-10 суток.

В качестве методов кондиционирования применяются способы: тепловой обработки, последовательного замораживания и оттаивания, электрокоагуляцию, облучение радиоактивным излучением. Кондиционирование нужно для разрушения естественной структуры органики и увеличения показателей отдачи жидкости при проведении других мероприятий.

Этот процесс, применяемый в промышленности с применением реагентов, является дорогостоящей процедурой. На реализацию этой процедуры уходит до 40% всех расходов на обработку осадков. По этой причине активно внедряются другие способы обработки: тепловая, замораживающая, электрокоагуляция.

Ликвидация

Ликвидация производится в случаях, когда невозможно или нерентабельно, с финансовой точки зрения, произвести утилизацию или другие процедуры эффективного их применения. Для ликвидации используются различные методы. Выбор способа зависит от состава отстоев, особенностей перерабатывающего предприятия или очистной станции.

Методы уничтожения:

1. Сжигание – максимально эффективный способ, быстрого и малозатратного уменьшения объёмов ОСВ с эффективным обеззараживанием.
2. Регенерация (выделение и восстановление определённых элементов) ОСВ на предприятиях машиностроения.
3. Сброс жидкостей в накопители и закачка в специальные почвенные пустоты. Эти методы относятся к второстепенным способам ликвидации.
4. Естественная длительная переработка и хранение осадков на специальных полигонах.

Утилизация

Перед утилизацией, осадки сточных вод проходят процесс компостирования. Под этим понятием подразумеваются процессы естественного биолого-температурного процесса расщепления осадков органики под действием аэробных микроорганизмов.

Целью компостирования является стабилизация, обеззараживание и подготовка веществ к использованию в качестве удобрений на сельскохозяйственных угодьях. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое при грамотном подходе также может эффективно использоваться.

Компостирование отлично справляется с задачами минимизации расхода топлива на обеззараживание и повышение показателей санитарии и гигиены.

Компостирование подразумевает прохождение двух фаз:

1. Фаза, активного развития микроорганизмов. Длиться от 5 до 20 суток. Процесс сопровождается повышением в среде температуры до 75-80 градусов. Сами осадки обеззараживаются, их объём существенно уменьшается.
2. Формирование компоста. Сопровождается активным развитием микроорганизмов в температурной среде до 50 градусов.
3. Продолжительность периода может занять от 15 дней до полугода.

Важнейшим фактором процедуры компостирования является постоянная подача свежего кислорода, для поддержания благоприятной среды развивающихся микроорганизмов. Применяется три основных способа компостирования:

1. Механическое.
2. Статическими кучами.
3. Грядами.

Обязательной процедурой утилизации является обеззараживание стоков. Устранение из ОСВ опасных микроорганизмов, вирусов и бактерий производится различными способами:

1. Термическим (сжигание, сушка и подогрев).
2. Химическим (реагенты).
3. Биотемпературным (получение компоста).
4. Биологическим (очистка с помощью растений, грибов и микроорганизмов).
5. Физическим (высокочастотные волны, электрический ток, радиационное излучение, ультразвук, ультрафиолет).

После компостирования и обеззараживания ОСВ используются в сельском хозяйстве в качестве питательных элементов азото-фосфорной направленности. При размещении в земле они минерализуются, и органика преобразуется в соединения пригодные для поглощения растениями.

Полезность тех или иных удобрений из стоков определяется параметрами концентрации биогенных элементов. Наибольшую ценность представляет активный ил. Внесение подготовленного компоста позволяет снизить кислотность почв, повысить содержание питательных компонентов.

Осадки отлично подходят для восстановления поверхностных слоёв земли, истощённых в результате сельскохозяйственной деятельности. Удобрения ОСВ активно применяются при подготовке почв, которые были переведены из промышленного назначения в сельскохозяйственное. Состав компоста активно восстанавливает верхний плодородный слой почв.

Удобрения из ОСВ содержат большое количество минеральных микроэлементов. Каждый из элементов имеет существенное значение для роста и развития сельскохозяйственных культур в различных условиях возделывания. Нужная концентрация этих веществ способствует ускорению процессов развития растений, повышению устойчивости многих видов.

Недостаток приводит к нарушению обменных процессов. Так, медь повышает степень созревания зерновых растений, выращиваемых на болотистых и песчаных местностях. Марганец нужен для активного роста свёклы, кукурузы. Плодовые растения и виноград болезненно реагируют на недостаток железа и цинка. Клеверу, бобам, гороху, овощам необходим доступ борсодержащих удобрений.

Ряд видов переработанных осадков используется в виде кормовых добавок на объектах животноводства. Продукты переработки осадков активно используются как сырьё для производственных процессов и получения тепловой энергии в промышленных масштабах.

Современным и эффективным способом утилизации является пиролиз. Под этим понятием понимается процесс переработки веществ, в состав которых входит углеводород, в специальных условиях (высокотемпературное воздействие, вакуумное пространство без доступа кислорода).

При определённых условиях проведение пиролиза возможно без использования стороннего топлива, так как сухой осадок способен создать нужные термические условия самостоятельно.

В результате пиролиза получается полукокс – рассыпающийся порошок чёрного цвета. Такой полукокс активно используется в различных производственных отраслях. Он эффективен в качестве топлива.

К преимуществам пиролиза, как средства утилизации, стоит отнести следующие факторы:

1. Отсутствие большого количества золы и низкий уровень загрязнений атмосферы.
2. Минимальная необходимость потребления топливных ресурсов.
3. Управляемость процессом.
4. Эффективность, независимо от поступающих объёмов.
5. Возможность оборудования пиролизных установок на очистных сооружениях.
6. Главный недостаток оборудования реакторов для пиролиза – повышенная взрывоопасность. Такие угрозы требуют существенных мер контроля при оборудовании и тщательного противопожарного контроля при эксплуатации.

Осадки городских сточных вод имеют большие объемы, высокую влажность, неоднородный состав и свойства и содержат органические вещества, которые могут быстро разлагаться и загнивать. Осадки заражены бактериальной и патогенной микрофлорой и яйцами гельминтов.

Осадок из первичных отстойников и избыточный активный ил на 65 − 75 % состоят из органических веществ, которые на 80 − 85 % представлены белками, жирами и углеводами.

Осадки сточных вод относятся к труднофильтруемым иловым суспензиям. Водоотдающие свойства осадков характеризуются удельным сопротивлением фильтрации и индексом центрифугирования.

Технологический процесс обработки осадков можно подразделить на следующие основные стадии: уплотнение (сгущение); стабилизация органической части; кондиционирование; обезвоживание; термическая обработка; утилизация ценных продуктов или ликвидация осадков.

Уплотнение илов и осадков сточных вод . В зависимости от принятой схемы очистной станции уплотнению могут подвергаться осадки из первичных отстойников, избыточные активные илы, смесь осадка первичных отстойников и избыточного активного ила, флотационный шлам, осадки и илы после стабилизации.

Для уплотнения избыточного активного ила на очистных сооружениях используют вертикальные и радиальные илоуплотнители гравитационного типа или флотационные илоуплотнители, работающие по принципу компрессионной флотации.

Гравитационное уплотнение – наиболее распространенный прием уменьшения объема избыточного активного ила. Оно в значительной мере уменьшает объем сооружений и затраты электроэнергии, необходимые для последующей его обработки. Конструкции вертикальных и радиальных уплотнителей аналогичны конструкциям первичных отстойников.

Сбор и удаление осадка в радиальных илоуплотнителях осуществляется илоскребами или илососами. Сопоставление работы вертикальных илоуплотнителей с радиальными, оборудованными илоскребами и илососами, показало, что наибольшей эффективностью отличаются радиальные илоуплотнители с илоскребами. Это объясняется медленным перемешиванием активного ила в процессе уплотнения, а также меньшей высотой радиальных илоуплотнителей по сравнению с вертикальными. При перемешивании снижаются вязкость активного ила и его электрокинетический потенциал, что способствует лучшему хлопьеобразованию и осаждению. Поэтому в современных конструкциях илоуплотнителей предусматривается устройство низкоградиентных мешалок.

Флотационное уплотнение активного ила позволяет предотвратить его загнивание, сократить продолжительность уплотнения и объемы сооружений. Флотаторы для уплотнения избыточного активного ила обычно представляют собой резервуары круглые в плане диаметром 6, 9, 12, 15, 18, 20, 24 м и глубиной 2 – 3 м, различающиеся внутренним оборудованием.

Стабилизация осадков сточных вод и активного ила в анаэробных и аэробных условиях . Стабилизация первичных и вторичных осадков достигается путем разложения органической части до простых соединений или продуктов, имеющих длительный период ассимиляции окружающей средой. Стабилизация осадков может быть осуществлена разными методами − биологическими, химическими, физическими, а также их комбинацией.

Наибольшее распространение получили методы биологической анаэробной и аэробной стабилизации. При небольшом количестве осадков применяют септики, двухъярусные отстойники и осветлители − перегниватели. Для обработки больших объемов осадков применяют метантенки и аэробные минерализаторы.

В метантенках биохимический процесс стабилизации осуществляется в анаэробных условиях и представляет собой разложение органического вещества осадков в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов до конечных продуктов, в основном метана и диоксида углерода.

Согласно современным представлениям анаэробное метановое сбраживание включает четыре взаимосвязанные стадии, осуществляемые разными группами бактерий:

1. Стадия ферментативного гидролиза осуществляется быстрорастущими факультативными анаэробами, выделяющими экзоферменты, при
участии которых осуществляется гидролиз нерастворенных сложных орга­нических соединений с образованием более простых растворенных веществ. Оптимальное значение рН для развития этой группы бактерий находится в интервале 6,5 − 7,5.

2. Стадия кислотообразования (кислотогенная) сопровождается выделением летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов, а также водорода и углекислого газа. Стадия осуществляется быстрорастущими, весьма устойчивыми к неблагоприятным условиям среды гетерогенными бактериями.

3. Ацетатогенная стадия превращения ЛЖК, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту осуществляется двумя группами ацетатогенных бактерий. Первая группа, образующая ацетаты с выделением водорода из продуктов предшествующих стадий, называется ацетатогенами, образующими водород:

СН СН СООН + 2Н 2 0 СНзСООН + СО + 3Н 2 .

Вторая группа, также образующая ацетаты и использующая водород для восстановления диоксида углерода, называется ацетатогенами, использую­щими водород:

4Н 2 +2С0 2 СН СООН + 2Н 2 0.

4. Метаногенная стадия, осуществляемая медленнорастущими бактериями, являющимися строгими анаэробами, весьма чувствительными к изменениям условий среды, особенно к снижению рН менее 7,0 - 7,5 и температуры. Разные группы метаногенов образуют метан двумя путями:

Расщеплением ацетата:

СН 3 СООН СН 4 + С0 2 ,

Восстановлением диоксида углерода:

С0 2 +Н 2 СН 4 +Н 2 0.

По первому пути образуется 72 % метана, по второму – 28 %.

Процесс сбраживания протекает медленно. Для его ускорения и уменьшения объема сооружений применяют искусственный подогрев ила. При этом значительно эффективнее идет выделение газа – метана, который улавливается и может быть использован в качестве горючего. В зависимости от температуры различают два типа процесса: мезофильный (t=30 − 35) и термофильный (t= 50 − 55).

Метантенки представляют собой герметичные вертикальные резервуары с коническим или плоским днищем, выполненные из железобетона или стали.

Схема метантенка представлена на рис. 3.2.17. Уровень осадка поддерживается в узкой горловине метантенка, что позволяет повысить интен­сивность газовыделения на единицу поверхности бродящей массы и пре­дотвратить образование плотной корки.

Рис. 3.2.17. Метантенк:

1 − подача осадка; 2 − паровой инжектор; 3 − выпуск сброженного осадка;

4 − опорожнение метантенка; 5 − теплоизоляция;

6 – система сбора и отвода газа; 7 − циркуляционная труба; 8 − уровень осадка

Аэробная стабилизация осадков сточных вод − процесс окисления органических веществ в аэробных условиях. В отличие от анаэробного сбраживания аэробная стабилизация протекает в одну стадию:

C 5 H 7 N0 2 +50 2 ->5C0 2 +2H 2 0+NH 3 ,

с последующим окислением NH 3 до N0 3 .

Аэробной стабилизации может подвергаться неуплотненный и уп­лотненный избыточный активный ил и его смесь с осадком первичных от­стойников.

Аэробная стабилизация осадков проводится обычно в сооружениях типа аэротенков глубиной 3 − 5 м. Отстаивание и уплотнение аэробно стабилизированного осадка следует производить в течение 1,5 − 5 ч в отдельно стоящих илоуплотнителях или в специально выделенной зоне внутри стабилизатора. Влажность уплотненного осадка 96,5 − 98,5 %. Иловая вода должна направляться в аэротенки. Схема аэробного стабилизатора представлена на рис. 3.2.18.

Рис. 3.2.18. Схема минерализатора: I − зона аэрации; II − отстойная зона; III − осадкоуплотнитель; 1 − стабилизированный осадок; 2 − выпуск отстойной воды; 3 − воздуховод; 4 − опорожнение; 5 − иловая смесь; 6 − фугат из цеха механического обезвоживания

Аэробная стабилизация осадков обеспечивает получение биологи­чески стабильных продуктов, хорошие показатели влагоотдачи, простоту эксплуатации и низкие строительные стоимости сооружений. Однако зна­чительные энергетические затраты на аэрацию ограничивают целесообраз­ность использования этого процесса на очистных сооружениях производи­тельностью более 50 − 100 тыс. м 3 /сут.

Обеззараживание осадков сточных вод . В осадках городских сточных вод находится большое количество патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов, поэтому осадки перед утилизацией и хранением необходимо обеззараживать. Обеззараживание осадков сточных вод достигается разными методами:

Термическими − прогревание, сушка, сжигание;

Химическими − обработка химическими реагентами;

Биотермическими − компостирование;

Биологическими − уничтожение микроорганизмов простейшими, грибками и растениями почвы;

Физическими воздействиями − радиация, токи высокой частоты, ультразвуковые колебания, ультрафиолетовое излучение и т. п.

Общая характеристика процессов обеззараживания осадков сточ­ных вод приведена в табл. 3.2.2. На крупных станциях аэрации целесооб­разно применение термической сушки механически обезвоженных осадков, позволяющей сократить транспортные расходы и получить удобрение из осадков в виде сыпучих материалов. Для сокращения топливно-энергетических расходов на станциях аэрации пропускной способностью до 20 тыс. м 3 /сут целесообразно применение камер дегельминтизации, до 50 тыс. м 3 /сут - методов химического обеззараживания. В случаях, когда осадок не подлежит утилизации в качестве удобрения, может применяться сжигание с использованием получаемого тепла.

В ходе очистки сточных вод образуются осадки, которые представляют опасность в санитарном отношении. Их необходимо обрабатывать и/или утилизировать. Обработка осадков сточных вод производится следующими методами:

1. Стабилизация;
2. Уплотнение;
3. Кондиционирование;
4. Обезвоживание;
5. Деструкция;
6. Утилизация.

Выбор метода обработки зависит от вида и свойств осадков. По происхождению осадки можно классифицировать на:
1. Первичные:
1.1. грубые (образуются на решетках и ситах; влажность – 80%);
1.2. тяжелые (на песколовках; влажность – 60%);
1.3. плавающие (на отстойниках; влажность – 60%);
1.4. сырые (на первичных отстойниках и осветлителях; влажность около 93-95%);
2. Вторичные:
2.1. сырые (на вторичных отстойниках; влажность около 99,2-99,7%);
2.2. сброженные (на сооружениях стабилизации осадка; влажность - 97%);
2.3. уплотненные (на илоуплотнителях и осадкауплотнителях; влажность – 90-96 %%);
2.4. обезвоженные (на сооружениях обезвоживания; влажность – 68-75%);
2.5. сухие (после сушилок).

Так же осадки делят по степени опасности, токсичности:

1. Малоопасные;
2. Умеренно опасные;
3. Высоко опасные;
4. Чрезвычайно опасные.

Уплотнение и стабилизация осадков сточных вод

Уплотнение осадков сточных вод – это уменьшение их объема. Обычно применяется перед обезвоживанием. Может осуществляться на илоуплотнитеях (уплотнение активного ила) и осадкоуплотнители (уплотнение смеси из активного ила и сырого осадка, который образуется в первичных отстойников). Конструктивно уплотнители бывают двух видов: радиальные и вертикальные. Так же для уплотнения осадков применяют флотаторы (перед метантенками или тепловой обработкой).

Стабилизация осадков сточных вод бывает двух видов:
1. Анаэробная:
1.1. Метантенки (фирмы производители: R.Lach GmbH, KRESTA);
1.2. Септики (для отдельных зданий, без доступа к опщесплавной канализации) после которых вода обеззараживается и вывозится на полигон; (фирмы производители: GRAF, АВГУСТ-ЭКО, Akyop; УП «Полимерконструкция»).
1.3. Двухъярусные отстойники (при производительности до 10000 м3/сут; ;
1.4. Осветлители-перегниватели.
2. Аэробная:
2.1. Коридорный аэротенк;
2.2. Аэротенк продленной аэрации;
2.3. Аэротенк-вытеснитель.

Кондиционирование осадков сточных вод – обработка, которая улучшает их водоотдающие свойств, в результате которой увеличивается эффект последующего механического обезвоживания.
Способы кондиционирования:
1. Реагентные:
1.1 Коагуляция (соли железа, алюминия, известь);
1.2 Нейтрализация;
2. Тепловая обработка;
3. Оттаивание;

Обезвоживание осадков сточных вод — выделение из них влажной части, для максимальной просушки, осуществляется на:

1. Вакуум-фильтрах (фирмы-производители: Koch Industries, Игл Групп);
2. Виброфильтры;
3. Фильтр-прессы (Экотон);
4. Центрифуги (фирмы-производители Humbolt, Flottweq, Alfa, Laval);
5. Барабанные сушилки;
6. Сепараторы;
7. Сушилки со встречными струями;
8. Вакуум-сушильные установки;
9. Иловые площадки.

Деструкция осадков сточных вод осуществляется способами:

• «Мокрое» окисление;
• Сжигание;
• Пиролиз;
• Газофикация.

После обработки большинство осадков вывозится на полигон. Но не опасные в санитарном отношении осадки можно использовать, например для посадки леса или посыпки дороги зимой (осадок из песколовок). Раньше осадок из вторичных отстойников после обработки использовался в качестве удобрения для растений.

Статьи Рисунки Таблицы

Контроль процессов обработки осадков. Процессы метанового брожения и контроль работы метантенков

из "Контроль качества воды"

Суспензии, вьщеляемые из отработанных и сточных вод в процессе их механической, биологической и физико-химической (ре-агентной) очистки, представляют собой осадки.
Свойства осадков целесообразно разделить на характеризующие их природу и структуру, а также обусловливающие их поведение в процессе обезвоживания.
Содержание беззольного вещества выражается в процентах по массе от содержания сухого вещества. Определяется сжиганием при температуре 550-600°С.
В гидрофильных органических осадках этот показатель часто близок к содержанию органических веществ и характеризует содержание азотистых веществ.
Элементарный состав особенно важен для органических осадков, в первую очередь по таким показателям, как содержание углерода и водорода для определения степени стабилизации или установления общей кислотности азота и фосфора для оценки удобрительной ценности осадка тяжелых металлов и др.
Для неорганических осадков часто полезно определять содержание Ре, М, А1, Сг, солей Са (карбонатов и сульфатов) и 81.
Согласно принятым в настоящее время предельно допустимым концентрациям, учитывающим наряду с токсичностью и кумулятивные свойства веществ, наибольшую опасность для здоровья населения представляют кадмий, хром, никель менее опасными являются медь и цинк.
Осадки очистных сооружений гальванических производств, содержащих оксиды тяжелых металлов, относятся к четвертому классу опасности, т.е. к малоопасным веществам.
Формирование осадков с заданными свойствами начинается с выбора тех методов очистки, которые обеспечивают возможность утилизации или безопасного складирования осадков, сокращение затрат на их обезвоживание и сушку.
Кажущуюся вязкость и связанную с ней текучесть осадков можно рассматривать как меру интенсивности сил взаимосвязи между частицами. Она также позволяет оценить тиксотропный характер осадка (способность осадка образовывать гель в состоянии покоя и возвращать текучесть даже при слабом встряхивании). Это свойство очень важно для оценки способности осадка к сбору, транспортированию и перекачиванию.
Иловая суспензия не является ньютоновской жидкостью, поскольку найденное значение вязкости очень относительно и зависит от приложенного напряжения сдвига.
Характер воды, содержащейся в осадке. Эта вода представляет собой сумму свободной воды, которая может быть легко удалена, и связанной, включающей коллоидальную гидратную воду, капиллярную, клеточную и химически связанную воду. Вьщеление связанной воды требует значительных усилий. Например, клеточная вода сепарируется только тепловой обработкой (сушкой или сжиганием).
Приблизительное значение этого соотношения может быть получено термогравиметрически, т.е. построением кривой потери массы образцом уплотненного осадка при постоянной температуре и обработке в соответствующих условиях. Точку, в которой термограмма имеет перелом, можно определить построением зависимости К=Г(.У), где V- скорость сушки, г/мин. У - содержание сухого вещества в образце, % (рис. 2.6).
Соотношение между свободной и связанной водой является решающим фактором в оценке способности осадка к обезвоживанию.
Из рис. 2.6 видно, что первая критическая тока 5 определяет количество воды, способной удаляться из осадка при постоянной скорости сушки (фаза 1), и представляет собой содержание сухого вещества в осадке после потери свободной воды. Далее удаляется связанная вода сначала до точки S2 при линейной связи снижения скорости сушки с ростом содержания сухого вещества (фаза 2), а затем - при более резком уменьшении темпов снижения скорости сушки (фаза 3).
К этим факторам относятся способность к уплотнению удельное сопротивление числовые характеристики сжимаемости осадка под влиянием увеличивающегося давления (сжимаемость осадка) определение максимального процентного содержания сухого вещества в осадке при данном давлении .
Способность к уплотнению определяется из анализа седимен-тационной кривой для осадка. Эту кривую вычерчивают на основании лабораторных исследований в сосуде, оборудованном медленно работающей мешалкой. Кривая характеризует степень разделения массы осадка в сосуде в зависимости от времени пребывания в нем.
Здесь т - продолжительность фильтрования V - объем вьще-ляемого осадка.
Влажность. Этот параметр учитывает изменение состава и свойств осадка в процессе их обработки и складирования.