Метановая стабилизация осадков городских сточных вод

Введение

Согласно ГОСТ 25150-82 «Канализация. Термины и определения» городские сточные воды – это «смесь бытовых и промышленных сточных вод, допущенных к приёму в городскую канализацию».

Наиболее часто для обработки городских сточных вод применяют методы механической и/или биологической очистки. Современные очистные сооружения имеют высокую эффективность очистки стоков. Осадки сточных вод образуются как побочный продукт очистки, который можно использовать в качестве источника энергии и биомассы.

Состав и свойства осадков весьма разнообразны. Условно осадки можно разделить на три основные категории – минеральные осадки (песок, глинистые частицы, масла, кислоты, щелочи, соли и т.п.), органические осадки (бытовые отходы, нефтепродукты, волокна растений и т.п.) и избыточные активные илы (смесь биомассы микроорганизмов (дрожжевые и плесневые грибы, водоросли и т.п.) и загрязняющих веществ в виде растворов, коллоидов, взвешенных веществ).

Основные задачи современной технологии обработки осадков состоят в уменьшении их объема и в последующей переработке в безвредный продукт, не вызывающий загрязнения окружающей среды.

Прежде чем направить осадки сточных вод на переработку или утилизацию, их подвергают предварительной обработке для получения шлама, свойства которого обеспечивают возможность его утилизации или переработки с наименьшими затратами энергии и загрязнениями окружающей среды.

Химическая  и  санитарная  характеристика  осадков  зависит  от  вида (состава) сточных вод и от применяемого метода очистки.

Обычно осадки городских сточных вод имеют смешенный состав с преобладанием органической части. Органическая, или беззольная, часть в осадке составляет 65-75% от массы сухого вещества, а зольность осадка составляет 25-30%. Основные компоненты беззольной части: белково-, жиро- и углеводоподобные вещества, составляющие в сумме 80-85%, а 15-20% приходится на долю лигниногумусового комплекса веществ. Как правило, в беззольной части преобладают жироподобные вещества и углеводы. Также осадки ГСВ содержат токсичные вещества (соли тяжёлых металлов, токсичную органику и др.) и различные виды микрофлоры, что требует специальной обработки или захоронения.

 

 

1. Обработка осадков сточных  вод

Высокое содержание органических веществ в осадках городских сточных вод обуславливает их способность быстро загнивать, что вызывает необходимость предварительной обработки осадков перед утилизацией.

В зависимости от свойств осадков и других факторов могут быть использованы следующие методы обработки осадков:

• уплотнение в илоуплотнителях для снижения влажности до 97%, но при этом некоторые виды осадков снижают водоотдающую способность;
• кондиционирование осадков для улучшения реологических и водоотдающих свойств (реагентная обработка, термическая обработка – для осадков с высоким содержанием органических веществ, замораживание с последующим оттаиванием);
• обезвоживание осадков до влажности 70% (при использовании современных технологий возможно достижение влажности 65%);
• термическая сушка для снижения влажности до 20-25% (производится в сушилках различного типа);
• высокотермическая сушка с возможностью последующего сжигания в многотопливном котле.

 

 

Таблица 1

Методы обработки осадков

Метод	Результат обработки
	обезвоживание	стабилизация	обеззараживание
Гравитационное уплотнение	+	-	-
Флотация	+	-	-
Анаэробное сбраживание:     - мезофильное     - термофильное	- -	+ +	- +
Аэробная стабилизация	-	+	-
Компостирование	-	+	+
Сушка на иловых площадках	+	-	-
Вакуум-фильтрация	+	-	-
Фильтр-прессование	+	-	-
Центрифугирование	+	-	-
Тепловая обработка	-	+	+
Термическая сушка	+	+	+
Сжигание	+	+	+

 

Рис. 1. Технологический цикл обработки осадков сточных вод.

 

Для правильной обработки осадка существует 2 классических метода обработки, которые наиболее часто применяются:

Ø аэробная стабилизация: происходит в открытом шламовом баке (аэротенк) при нагнетании воздуха; необходимое условие - достаточное  пространство; аэрация и перемешивание предполагают большую потребность в энергии, чем в случае с анаэробной стабилизацией;

Ø анаэробная стабилизация: в отношении расходов, эффективности использования энергии и защиты окружающей среды, анаэробная стабилизация осадка – это лучшее решение для очистных сооружений средней и большой производительности; кроме того, биогаз, образующийся в результате контролируемого сбраживания, можно использовать для получения энергии.

В зависимости от индивидуальных требований, предъявляемых к очистным сооружениям, оптимального результата можно достичь также при двойной стабилизации, которая включает в себя сочетание обоих процессов.

 

 

2. Стабилизация осадков городских  сточных вод

Стабилизация осадков – это процесс обработки  осадков, в результате которого происходит распад органического вещества в осадке до простых веществ, которые имеют длительный период ассимиляции с окружающей средой.

Стабилизация осадков используется для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества, что предотвращает загнивание осадков при длительном хранении на открытом воздухе (сушка на иловых площадках, использование в качестве сельскохозяйственных удобрений и т.п.).

Основная задача стабилизации – это получение конечного продукта, свойства которого обеспечивали бы возможность его утилизации или сводили бы к минимуму ущерб, наносимый окружающей среде. Стабилизация проводится для уменьшения объёма осадка и его обеззараживания.

Согласно своду правил СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения» (актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85) в пункте 9.2.14.6 предписано: «Осадки очистных сооружений с нагрузкой свыше 50 тыс. ЭКЖ, что соответствует 15-20 тыс.м3/сутки сточных вод, должны подвергаться стабилизации. Допускается использование биологических, химических, термических и термохимических методов стабилизации. Стабилизации могут подвергаться жидкие, либо обезвоженные (либо подсушенные в естественных условиях) осадки сточных вод».

Методы стабилизации:

• термические и термохимические методы;
• химическая (или реагентная) стабилизация;
• биологический метод:

- для жидких осадков:

P анаэробная стабилизация (метановое сбраживание);

P аэробная стабилизация;

- для осадков обезвоженных механическим  способом, а также для осадков, подсушенных в естественных условиях:

P биотермическая стабилизация (или компостирование).

Методы стабилизации, которые наиболее часто применяются на практике.

Химическое обеззараживание (или реагентная стабилизация) осадков проводится известью, аммиаком, тиазоном, формальдегидом или мочевиной. Одновременно повышается удобрительная ценность осадков. Для обеззараживания известью температура 60°С достигается при дозах извести более 30%. Количество какого-либо реагента может меняться в зависимости от состава осадка, метода обработки, температуры и др. Для обеззараживания используется молотая известь, которая смешивается с осадком в двухвальном лопастном смесителе. Добавление извести повышает величину рН до 10 и более, при этом осадок теряет запах, подавляется активность микроорганизмов. Применение извести, аммиака, тиазона, формальдегида или мочевины позволяет использовать их двойное действие – на осадок и на почву, что приводит к снижению эксплуатационных затрат на обеззараживание осадка и подготовку его к утилизации в качестве удобрения. Т. е. остаточное содержание в осадке этих веществ останавливает реактивацию патогенных микроорганизмов и поддерживает стабильность осадка.

Стабилизация радиационным термическим нагреванием. Для этого способа стабилизации осадка используется установка, которая состоит из ленточного конвейера с приёмным бункером и газовых горелок инфракрасного излучения. Для создания слоя осадка толщиной 10-25 мм бункер оборудован подвижными стенками и регулировочными валами. Температура прогревания осадка регулируется скоростью движения ленты, числом работающих горелок и толщиной слоя осадка. При движении по конвейеру осадок нагревается до температуры 60-650С. Теоретическое количество теплоты, которое максимально требуется на стабилизацию 1 м3 осадка, обезвоженного до 80%-ной влажности, при нагреве осадка до 600С составляет 560 МДж. Этот метод стабилизации рекомендуется для обеззараживания осадков перед использованием их в качестве удобрения на станции аэрации с производительностью сточных вод до 20-30 тыс. м3/сут.

Биотермическая обработка (компостирование) осадка осуществляется под действием аэробных микроорганизмов (биотермический процесс разложения органических веществ) с целью обеззараживания, стабилизации и подготовки осадка к утилизации в качестве удобрения. В процессе жизнедеятельности аэробных микроорганизмов происходят потребление и расход органических веществ. Процесс компостирования состоит из 2-х фаз. Первая фаза длится в течение 1-3 недель и сопровождается интенсивным развитием микроорганизмов, при этом температура осадка повышается до 50-800С. В этой фазе происходит обеззараживание осадка и сокращение его массы. Вторая фаза – созревание компоста, длится от 2-х недель до 3-6 месяцев и сопровождается развитием простейших организмов, при этом понижается температура до 400С и ниже. Повышение температуры окружающего воздуха интенсифицирует процесс разложения органических веществ. Для создания пористой структуры осадка, требуемой влажности и оптимального соотношения углерода и азота (20...30:1) осадки компостируют совместно с торфом, размолотой древесной корой, листьями, соломой, твердыми бытовыми отходами и т. п. Качество компоста улучшается, если к 1 т смеси добавить 15-20 кг извести и 3 кг калия. В результате проведения процесса биотермической обработки осадка получают компост в виде сыпучего материала с влажностью 40-50%. Готовый компост не имеет запаха, не загнивает и является хорошим удобрением. Также компостирование позволяет существенно сократить топливно-энергетические расходы и улучшить санитарно-гигиенические показатели осадка (вследствие гибели болезнетворных микроорганизмов).

Термическая стабилизация осадков ГСВ предназначается для обеззараживания и снижения массы и объема осадков, предварительно обезвоженных механическим способом. Это обеспечивает эффективное удаление осадков с территории очистной станции и их дальнейшую утилизацию в сельском хозяйстве. Термическая сушка (стабилизация) производится в барабанных и пневматических сушилках, в установках со встречными струями, в сушилках с фонтанирующим слоем и т. п. При термическом режиме 52-560С в течение 5 мин. погибает большинство патогенных бактерий; при температуре 62-740С и времени экспозиции до 30 мин. погибают вирусы. Поэтому термическая стабилизация опасных в санитарном отношении осадков является обязательной стадией их обработки. Термически высушенный осадок представляет собой обеззараженный сыпучий полидисперсный продукт с преобладающим размером частиц 1-7 мм.

Сжигание осадков применяется, если их утилизация невозможна или экономически нецелесообразна. Перед сжиганием необходимо стремиться к максимальному снижению влажности осадков путем их механического обезвоживания. Горению обезвоженных осадков предшествует эндотермический процесс их тепловой подготовки, включающий прогрев материала, испарение влаги и выделение летучих компонентов. В качестве топочных устройств для сжигания осадков сточных вод применяют многоподовые печи, печи с кипящим слоем инертного носителя, а также барабанные печи, слоевые и камерные топки. Процесс сжигания осадков в условиях псевдоожиженного слоя значительно эффективнее, чем в стационарном слое. В качестве инертного материала в кипящем слое применяют кварцевый песок с размером фракций 1-5 мм или фторопласт. Производительность печи по испаряемой влаге составляет 1-2 т/ч. Температура воздуха и газов на входе в печь 600-7000С, в кипящем слое 650-7500С, в топочной камере над кипящим слоем 900-10000С. Нагрузка по испаряемой влаге на 1 м3 объема печи составляет 60-100 кг/ч. Унос золы с отходящими газами 80-100%. Удельный расход тепла 4-4,6 МДж на 1 кг испаряемой влаги, удельный расход электроэнергии 0,04-0,05 кВтžч на 1 кг испаряемой влаги.

Аэробная стабилизация осадков сточных вод — это процесс окисления эндогенных и экзогенных органических субстратов в аэробных условиях. В отличие от анаэробного сбраживания аэробная стабилизация протекает в одну стадию.

Аэробной стабилизации может подвергаться неуплотненный и уплотненный избыточный активный ил и его смесь с осадком из первичных отстойников. При стабилизации только активного ила процесс можно рассматривать как завершающую ступень очистки сточных вод, когда при минимуме растворенных питательных веществ происходит самоокисление клеточного вещества микроорганизмов. Аэробная стабилизация осадков проводится обычно в сооружениях типа аэротенков глубиной 3-5 м. Степень распада органического вещества и продолжительность процесса зависят от соотношения количеств сырого осадка и активного ила, концентрации органических веществ, интенсивности аэрации, температуры и др. Процесс аэробной стабилизации обычно происходит в психрофильно-мезофильной зоне жизнедеятельности микроорганизмов при температуре от 10 до 420С и затухает при температуре менее 80С. Степень распада органических веществ изменяется в среднем от 10 до 50%, при этом жиры распадаются на 65-75%, белки – на 20-30%, а углеводы практически не распадаются. В процессе аэробной стабилизации при мезофильных температурах наблюдается на 70-90% снижение содержания патогенных бактерий и вирусов, однако при этом яйца гельминтов не погибают. 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. м3/сут. Аэробно стабилизированные осадки могут содержать возбудителей инфекционных заболеваний и требуют обеззараживания.