СУШКА ОСАДКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Полный текст

Введение В настоящее время в нашей стране, странах ближнего и дальнего зарубежья все более острой становится проблема обезвреживания, переработки и утилизации осадков коммунальных и промышленных сточных вод. Для складирования осадков требуется отчуждение больших земельных площадей в пригородных зонах, причем накапливаемые осадки содержат соединения тяжелых металлов (меди, хрома, свинца, никеля, ртути, кадмия и других элементов), приводя к химическому загрязнению почв и подземных вод, а также необезвоженные осадки служат источником загрязнения атмосферного воздуха. Кроме того, в осадках может содержаться до 90% патогенных микроорганизмов, поступающих со сточными водами, если не производится их предварительное обеззараживание перед размещением на иловых площадках. Такие земельные участки с размещенными на них осадками сточных вод приводят к снижению безопасности и комфортности проживания людей вокруг этих территорий. Существует несколько направлений обращения с осадками сточных вод: механическое обезвоживание на центрифугах, фильтр-прессах, вакуум-фильтрах; переработка осадков в метантенках с получением биогаза; депонирование осадка на иловых площадках; термическая обработка; применение в качестве удобрений и др. Однако каждое из существующих направлений переработки осадков имеет свои достоинства и недостатки, и не одно из них не универсально, простое и доступное при решении данной проблемы. На большинстве очистных сооружений городов, в основном, осадок не перерабатывается и накапливается на иловых площадках вблизи сооружений биологической очистки, а на промышленных предприятиях, в лучшем случае, обезвоживается и вывозится на полигоны промышленных отходов. Использование иловых площадок на естественном основании - самый неэкологичный и устаревший способ обращения с осадком коммунальных и промышленных сточных вод, но самым распространенным на сегодняшний день. Поэтому приоритетным направлением деятельности предприятий в области охраны окружающей при очистке сточных вод должно быть осуществление обезвоживания на специализированном оборудовании, а затем - обеззараживание и/или переработка/утилизация осадка. Однако из-за высокой стоимости обезвоживающего оборудования, финансовых трудностей предприятия, сушка осадка в естественных условиях может быть применена в качестве наименее затратного и доступного метода при условии выполнения экологических требований - создания искусственного противофильтрационного основания, дренажа для отвода фильтрата и др. При очистке производственных сточных вод образуются осадки различного состава, отражающие особенности технологии производства и содержащие компоненты веществ, применяемых при физико-химической очистке сточных вод промышленных предприятий. Осадок, образующийся при очистке сточных вод, как правило, имеет высокую влажность - 95% и более. Несмотря на то, что путем механического обезвоживания удаляется большое количество воды, и масса осадка уменьшается в 5-6 раз, все же в обезвоженном осадке остается большое количество воды (до 70-80%). Плата за вывоз и размещение его на полигоне взимается, в основном, не за вредные вещества осадка, а за содержащуюся в нем воду, так как величина платы пропорциональна массе влажного осадка. Поэтому обезвоживание осадков необходимо не только для промышленных предприятий в целях уменьшения платы за размещение отходов, но и для сохранения окружающей среды для ныне живущих и будущих поколений. Осадки сточных вод представляют собой суспензии, в которой дисперсной фазой являются твердые частицы минерального или органического происхождения, а дисперсионной средой - вода, содержащая растворенные вещества. В осадке с малым количеством воды замедляются или вообще прекращаются процессы размножения микроорганизмов; после термической сушки осадок не загнивает, свободен от гельминтов и патогенных микроорганизмов. Поэтому снижение влажности осадка способствует улучшению экологической обстановки. Величина влажности характеризует общее содержание влаги в осадке. Вода в осадке удерживается за счет различных форм связи с твердыми частицами. По классификации академика П.А. Ребиндера [1], в осадке имеется свободная вода, которая удаляется за счет сил гравитации, и вода, удерживаемая за счет физикомеханических, физико-химических и химических связей. Наиболее легко удаляется свободная вода при механическом обезвоживании осадков, а также при естественной сушке на иловых площадках. Физико-механически связанная вода представляет собой капиллярную, структурную воду и воду смачивания. Для удаления физико-механически связанной воды необходимо преодолеть капиллярные силы, создав давление в обезвоживающем аппарате (или вакуум), превышающее капиллярное давление. При вакууме 0,053-0,066 МПа (0,53-0,66 атм) могут быть освобождены от воды лишь микрокапилляры с радиусом более 5·10 -6 м. Если при вакуум-фильтрации нельзя создать разрежение более 0,1 МПа (1 атм), то при фильтр-прессовании, центрифугировании можно создать давление значительно больше, чем 0,1 МПа. Поэтому эти методы позволяют обеспечить более глубокое обезвоживание осадка с удалением не только физико-механически, но и частично физико-химически связанной воды [1]. Адсорбционная и осмотическая влага удерживается за счет физико-химических связей; химически связанная вода входит в состав веществ. Частично физикохимически связанная вода удаляется фильтр-прессованием и центрифугированием; полное удаление физико-химически и химически связанной воды возможно, соответственно, при термической сушке и сжигании осадка. В целях снижения затрат предприятий на вывоз осадка для захоронения на полигоны промотходов, а также его возможного использования в производстве строительных материалов, представляло интерес изучить возможность дополнительного глубокого обезвоживания осадка сточных вод предприятия без применения специального оборудования. Материалы и методы Изучалась сушка осадка производственных сточных вод одного из предприятий г. Курска - кожевенного завода в естественных условиях [2]. Сушка проводилась в условиях помещения при положительной температуре (в лабораторных условиях) и вне помещения, на открытом пространстве при отрицательных и положительных температурах в разное время года (промышленные испытания). Влажность осадка определялась гравиметрическим методом. Результаты и их обсуждение Осадок представлял собой продукт очистки сточных вод гидролизующимися солями сульфата закисного железа и сульфата алюминия, применявшимися в качестве реагентов (коагулянтов) с исходной влажностью около 95%. Осадок подвергался механическому обезвоживанию на фильтр-прессе немецкой фирмы «Klein» с применением полимерного органического флокулянта «Praestol» (фирма «Stokhausen») с конечной влажностью 82-85%. Содержание металлов в обезвоженном осадке в пересчете на их окислы составляло следующие значения: Cr 2 O 3 - 0,13%, Al 2 O 3 - 0,6%, Fe 2 O 3 - 0,43%, флокулянта - 0,15% к массе влажного осадка. В сухом остатке содержалось органических веществ - 35% и неорганических - 65%. Характеристика сухого вещества осадка: содержание органических веществ - 32,7 ± 3,3%; сульфаты - 886 ± 89 мг/кг; Са - 10335 ± 517 мг/кг; Сr - 6375 ± 1351 мг/ кг; Fe - 19965 ± 2994 мг/кг; радиоктивность - 13 мкР/ч. Исследование сушки осадка в лабораторных условиях. Изучение сушки осадка на воздухе в условиях лаборатории показало (рис. 1, 2), что при температуре 17- 18 °С осадок за 35 суток практически полностью высыхает, при этом испаряется 96,5% воды, содержащейся в исходном образце осадка. Конечная влажность осадка - 16,5%. За последующие 25 дней (при общем времени сушки 60 суток) убыль общей массы и массы воды незначительны. Итоговая влажность 10,8%. Установлено, что за первые 9 дней сушки удаляется основная масса воды (57,6%) при снижении влажности с 85 до 70%. 501510 2520 3530 40 Время, сут М, г 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 2 Рис. 1. Изменение общей массы и массы воды обезвоженного на фильтр-прессе осадка сточных вод от времени сушки на воздухе при температуре t = 17-18 °С: 1 - общая масса; 2 - влажность (Fig. 1. Changes in total mass and water mass of sewage sludge dewatered in a pressure filter depending on the time of airing, with t =17-18 °С: 1 - total mass; 2 - humidity) Исследовалась сушка осадка в естественных условиях в виде брикетов. Брикет изготовлялся путем спрессовывания вручную обезвоженного на фильтр-прессе осадка сточных вод Курского кожзавода в пресс-форме трубчатого вида. На рисунке 3 представлены размеры брикета в процессе сушки. За два месяца сушки при 15 °С линейные размеры брикета уменьшаются в 2 раза, объем - с 275 см 3 до 34 см 3 , то есть в 8,1 раза. В процессе сушки линейные размеры брикета изменяются неравномерно по высоте, что связано с движением жидкости по вертикали, по закону Пуазейля, и большей влажностью брикета в его нижней части по сравнению с верхней (образец № 2 на рис. 3). В конце сушки линейные размеры образца становятся одинаковыми по высоте (образец № 3). Конечная влажность осадка при естественной сушке - 10,5%. Учитывая исходную влажность осадка - 85%, можно заключить, что снижение объема осадка пропорционально снижению его влажности (85% : 10,5% = 8,1). Отсюда конечный объем брикета можно определить по эмпирической формуле где V к - конечный объем брикета, см 3 ; V н - начальный объем брикета, см 3 ; W к - влажность конечная, % или о.е.; W н - влажность начальная, % или о.е. 501510 2520 3530 40 Время, сут Вл, % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Рис. 2. Изменение влажности обезвоженного на фильтр-прессе осадка сточных вод от времени сушки на воздухе при температуре t =17-18 °С (Fig. 2. Changes in humidity of sewage sludge dewatered in a pressure filter depending on the time of airing, with t = 17-18 °С) 1 2 3 ∅50 ∅25 140 70 Рис. 3. Брикет осадка в процессе сушки: 1 - начало сушки; 2 - середина; 3 - конец сушки (Fig. 3. Sludge briquette in the process of drying: 1 - beginning of the drying process; 2 - middle of the drying process; 3 - end of drying) Масса осадка, соответствующая данной влажности, может быть определена на основе следующих уравнений: где М к - масса осадка с конечной влажностью; М н - масса осадка с начальной влажностью; W - влажность осадка, о.е. Масса осадка при естественной сушке 1 т осадка с влажностью 85% до влажности 10% по приведенному уравнению составит: т.е. масса осадка уменьшится в 6 раз. Если объем осадка в брикете уменьшается в 8 раз, а масса - в 6 раз, то плотность осадка в процессе сушки повысится; при исходной плотности 0,93 г/см 3 , конечная плотность брикета Брикетирование осадка и последующая сушка брикетов в естественных условиях позволит избежать затрат на тепловую или электрическую энергию для сушки, однако требует затрат на специальное оборудование по брикетированию и погрузочно-разгрузочные работы по складированию брикетов для сушки, последующей их погрузки и вывоза. Высушенные брикеты могут быть использованы в качестве добавки к топливу (сам осадок не горит) после дробления при производстве асфальта, в качестве вспучивающей добавки в производстве керамзита. Сушка осадка в брикетах позволит упростить и ускорить естественную сушку за счет создания большой поверхности, в отличие от сушки при хранении осадка насыпью на площадке с твердым покрытием при периодическом ворошении. Исследование сушки осадка на открытой площадке. Исследования сушки осадка на воздухе под навесом в зимнее время в течение 2-х месяцев при температурах +5--10 °С показали, что осадок без ворошения сохнет только в верхнем слое толщиной 5-10 см и имеет влажность в этом слое 69,1%. На бо´льших глубинах влажность осадка составляла значение 81,4% и выше. При ворошении количество подсушенного осадка увеличивается. Сушка осадка массой 15 т в естественных условиях в летнее время осуществлялась на открытом воздухе под навесом на бетонированной площадке при средней температуре воздуха +15-+20 °С в течение 15-20 суток при периодическом ворошении. За это время влажность его за счет дренирования воды и естественной сушки снижалась с 85 до 70%. Осадок приобретал сыпучесть и становился легко дозируемым и перемешиваемым при приготовлении сырьевой смеси в производстве керамзита. В результате промышленных испытаний было установлено, что подсушенный до влажности 69-70% осадок может найти применение в производстве керамзита в качестве вспучивающей добавки [3]. В зимних условиях сушка проводилась в режиме замораживания при температурах от 0 до -20 °С в морозные дни, причем убыль влаги в это время была незначительной, и размораживания при температурах воздуха 0 °С и выше. При замораживании происходит криоструктурирование массы осадка и при последующих размораживании, дренировании и сушке получается особенный, пушистый и рассыпчатый осадок с более мелкими частицами, чем при сушке осадка только при плюсовой температуре. В зимнее время осадок ворошился в оттепели, и влажность 69-70% достигалась только в течение 2 месяцев. Аналогичный принцип сушки осадка под действием сил гравитации в естественных условиях за счет создания большой поверхности контакта, только в специальных контейнерах - геотубах, обладающих высокой светопоглощающей способностью, отводом атмосферных осадков, реализуется в технике защиты окружающей среды в последнее время (рис. 4). Метод Geotube (TenCate Geosynthetics, Нидерланды) является современным методом обезвоживания осадков производственных и бытовых сточных вод. Сущность метода заключается в наполнении контейнера осадком, предварительно обработанного полимерами, и фильтровании жидкой фазы осадка через стенки контейнеров (геотубов), изготовленных из полимерного фильтрующего материала - геотекстиля. После завершения процесса обезвоживания контейнер разрезается, а обезвоженный материал вывозится для дальнейшего размещения/ применения или из контейнеров Geotube создаются искусственные сооружения с поверхностным перекрытием и озеленением склонов. В результате сушки или зимнего вымораживания в течение нескольких лет происходит уменьшение объема осадка на 90% с остаточной влажностью 60 ± 5% [4; 5]. Контейнеры Geotube располагают на специально подготовленной дренажной площадке (щебень, георешетка) с гидроизолирующим подстилающим слоем. Контейнеры сшиты из тканого материала марки Geolon ® , произведенного из нитей полипропилена высокой плотности. Материал геотуба обладает высокими эксплуатационными характеристиками: устойчивостью к биоразложению, химическому воздействию щелочей и кислот; ультрафиолетовому излучению; имеет прочность на разрыв - до 100 кН/м; эффективный действующий диаметр пор - 0,223-0,380 мм. Свойства геотекстиля позволяют фильтровать твердые фракции размером 0,2 до 0,3 мм [4]. Перед подачей в геотубы осадок обрабатывается реагентами: полимерным флокулянтом для повышения эффективности фильтрации; стабилизатором - для подавления процесса гниения органической части; дезинфекантом - для пода- вления запаха и микрофлоры осадка; специальным реагентом - для связывания солей тяжелых металлов [4]. Рис. 4. Обезвоживание осадка в контейнерах Geotube [4]: а - наполнение контейнеров-геотубов; б - фильтрование воды через геотекстиль геотуба; в - материал геотуба (геотекстиль) (Fig. 4. Sludge dewatering in Geotube containers [4]: a - filling of a Geotube container; b - water filtering through Geotube geotextile; c - Geotube material (geotextile)) Таблица Обобщенные данные результатов исследования сушки осадка в естественных условиях в сравнении с методом геотубирования № опыта Условия проведения опыта Температура воздуха, °С Промежуток времени, сут Влажность осадка, % I Лабораторные условия 17-18 185 35 16,5 60 10,8 II Лабораторные условия, брикеты 15 185 60 10,5 III На открытой площадке, под навесом, без ворошения +5- -10 185 60 69,1 (в верхнем слое толщиной 5-10 см) 81,4 (в нижних слоях) IY На открытой площадке, под навесом с ворошением +15-+20 185 15-20 70 Y На открытой площадке, под навесом с ворошением в оттепель зимнее время года, 0- -20 185 60 70 Сравнение с технологией Geotube [5] На открытой площадке, без ворошения +15- -10 Несколько лет 195 60 ± 5 Тable Generalized statistics of study results regarding the sludge drying procedure in natural conditions in contrast to the geotube method Experiment Terms of the experiment Temperature, °С Time interval, day Humidity draft, % I Laboratory conditions 17-18 185 35 16,5 60 10,8 II Laboratory conditions, briquettes 15 185 60 10,5 III In an open area, under a canopy, without tumblin +5--10 185 60 69.1 (in the upper layer 5-10 cm thick) 81.4 (in the lower layers) IY In an open area, under a canopy with a wake +15-+20 185 15-20 70 Y In an open area, under a canopy with a wake Winter season, 0--20 185 60 70 Comparison with the technology Geotube [5] On the open area, without tumbling +15--10 some years 195 60 ± 5 По расчетам фирмы-производителя, технология Geotube имеет неоспоримые преимущества по сравнению с другими методами обезвоживания: себестоимость обезвоживания осадка на 20-30% ниже, чем с использованием аппаратов; отсутствие сложных элементов; эстетичность; отсутствие обводнения атмосферными осадками и ожижения кека; возможность обезвоживания осадка, временного складирования или постоянного захоронения на месте его образования; низкое энергопотребление [1; 4]. В таблице приводятся обобщенные данные результатов исследования сушки осадка в естественных условиях в сравнении с методом геотубирования (по данным производителя). Выводы Как видно из представленных данных таблицы, сушка осадка в естественных условиях позволяет получить приблизительно одинаковую влажность (70%) в условиях открытого хранения, ворошения, размораживания, дренирования и сушки в осеннее-зимнее время, как и в случае использования геотубов (60%), но за более короткий срок (2 месяца), в отличие от обезвоживания осадка в геотубах в течение нескольких лет. Исследователи [2; 5] пришли к одинаковому выводу о том, что чередование циклов - размораживания, дренирования, сушки, замораживания способствуют получению особенного, пушистого и рассыпчатого осадка с более мелкими частицами, чем при сушке осадка только при плюсовой температуре. Такой осадок может найти применение в производстве керамзита в качестве вспучивающей добавки [3]. Проведенные исследования сушки осадка производственных сточных вод в естественных условиях показали высокую эффективность и перспективность реализации процесса при условии организации гидроизоляции и дренажа основания площадки для сушки осадка, мероприятий по снижению уноса легких частиц с воздушным потоком, брикетирования исходного осадка или его ворошение в процессе сушки.

Об авторах

Т А Будыкина

Автор, ответственный за переписку.
Email: tbudykina@yandex.ru

Будыкина Татьяна Алексеевна - доктор технических наук, профессор; профессор кафедры безопасности жизнедеятельности и сервиса транспортных средств, Курский государственный университет.

Список литературы