Обработка осадка сточных вод описывает процессы, используемые для управления и утилизации осадка сточных вод, образующегося во время очистки сточных вод . Обработка осадка направлена на снижение веса и объема осадка для снижения затрат на транспортировку и утилизацию, а также на снижение потенциальных рисков для здоровья при вариантах утилизации. Удаление воды является основным средством снижения веса и объема, в то время как уничтожение патогенов часто достигается путем нагревания во время термофильного сбраживания, компостирования или сжигания . Выбор метода обработки осадка зависит от объема образующегося осадка и сравнения затрат на обработку, необходимых для доступных вариантов утилизации. Сушка воздухом и компостирование могут быть привлекательными для сельских общин, в то время как ограниченная доступность земли может сделать аэробное сбраживание и механическое обезвоживание предпочтительными для городов, а экономия за счет масштаба может стимулировать альтернативы рекуперации энергии в мегаполисах.
Осадок в основном представляет собой воду с некоторым количеством твердого материала, удаленного из жидких сточных вод. Первичный ил включает осаждаемые твердые частицы, удаленные во время первичной очистки в первичных отстойниках . Вторичный ил представляет собой ил, отделенный во вторичных отстойниках, которые используются в биореакторах вторичной очистки или процессах с использованием неорганических окислителей . В интенсивных процессах очистки сточных вод полученный ил необходимо удалять из жидкостной линии на постоянной основе, поскольку объемы резервуаров в жидкостной линии недостаточны для хранения ила. [1] Это делается для того, чтобы поддерживать компактность и сбалансированность процессов очистки (производство ила примерно равно удалению ила). Ил, удаленный из жидкостной линии, поступает в линию обработки ила. Аэробные процессы (такие как процесс с использованием активного ила ), как правило, производят больше ила по сравнению с анаэробными процессами. С другой стороны, в обширных (естественных) процессах очистки, таких как пруды и искусственные водно-болотные угодья , образующийся ил накапливается в очистных сооружениях (жидкостная линия) и удаляется только после нескольких лет эксплуатации. [2]
Варианты обработки ила зависят от количества образующихся твердых веществ и других условий, характерных для конкретного участка. Компостирование чаще всего применяется на небольших заводах с аэробным сбраживанием для операций среднего масштаба и анаэробным сбраживанием для операций большего масштаба. Иногда ил пропускается через так называемый предварительный сгуститель, который обезвоживает ил. Типы предварительных сгустителей включают центробежные сгустители ила, [3] вращающиеся барабанные сгустители ила и ленточные фильтр-прессы. [4] Обезвоженный ил может быть сожжен или вывезен за пределы участка для утилизации на свалке или использования в качестве сельскохозяйственной добавки к почве. [5]
Энергия может быть извлечена из ила посредством производства метанового газа во время анаэробного сбраживания или посредством сжигания высушенного ила, но выход энергии часто недостаточен для испарения воды, содержащейся в илах, или для питания воздуходувок, насосов или центрифуг, необходимых для обезвоживания. Грубые первичные твердые частицы и вторичный ил сточных вод могут включать токсичные химикаты, удаленные из жидких сточных вод путем сорбции на твердых частицах в иле осветлителя. Уменьшение объема ила может увеличить концентрацию некоторых из этих токсичных химикатов в иле. [6]
« Биотвердые вещества » — это термин, часто используемый в публикациях по очистке сточных вод и в усилиях по связям с общественностью местных органов власти, когда они хотят сосредоточить внимание на повторном использовании канализационного [7] ила после того, как ил прошел соответствующие процессы обработки. Фактически, биотвердые вещества определяются как органические твердые вещества сточных вод, которые могут быть повторно использованы после процессов стабилизации, таких как анаэробное сбраживание и компостирование . [8] Термин «биотвердые вещества» был введен Федерацией водной среды США в 1998 году. [8] Однако некоторые люди утверждают, что этот термин является эвфемизмом, чтобы скрыть тот факт, что канализационный ил может также содержать вещества, которые могут быть вредны для окружающей среды, когда обработанный ил вносится в землю, например, экологически стойкие фармацевтические загрязнители и соединения тяжелых металлов . [7]
Накопленные в процессе очистки сточных вод шламы должны быть обработаны и утилизированы безопасным и эффективным способом. На многих крупных заводах объем сырых шламов уменьшается в процессе сбраживания.
Загущение часто является первым шагом в процессе обработки ила. Ил из первичных или вторичных отстойников может перемешиваться (часто после добавления осветляющих агентов ) для образования более крупных, более быстро осаждающихся агрегатов. [9] Первичный ил может быть загущен примерно до 8 или 10 процентов твердых веществ, в то время как вторичный ил может быть загущен примерно до 4 процентов твердых веществ. Загустители часто напоминают осветлитель с добавлением перемешивающего механизма. [10] Загущенный ил с менее чем десятью процентами твердых веществ может получить дополнительную обработку ила, в то время как жидкий перелив загустителя возвращается в процесс очистки сточных вод.
Содержание воды в шламе может быть уменьшено путем центрифугирования, фильтрации и/или испарения для снижения транспортных расходов на утилизацию или для улучшения пригодности для компостирования. Центрифугирование может быть предварительным шагом для уменьшения объема шлама для последующей фильтрации или испарения . Фильтрация может происходить через нижние дренажи в песчаном слое сушки или как отдельный механический процесс в ленточном фильтр- прессе. Фильтрат и центрат обычно возвращаются в процесс очистки сточных вод. После обезвоживания шлам может обрабатываться как твердое вещество, содержащее от 50 до 75 процентов воды. Обезвоженные шламы с более высоким содержанием влаги обычно обрабатываются как жидкости. [11]
Многие шламы обрабатываются с использованием различных методов сбраживания, целью которых является уменьшение количества органического вещества и количества болезнетворных микроорганизмов, присутствующих в твердых веществах. Наиболее распространенные варианты обработки включают анаэробное сбраживание , аэробное сбраживание и компостирование . Сбраживание шлама обеспечивает значительные преимущества в стоимости за счет сокращения количества шлама почти на 50% и предоставления биогаза в качестве ценного источника энергии. [12]
Целью сбраживания является уменьшение количества органического вещества и количества болезнетворных микроорганизмов, присутствующих в твердых веществах. Процесс часто оптимизируется для получения метанового газа, который может использоваться в качестве топлива для обеспечения энергией для питания завода или для продажи.
Анаэробное сбраживание — это бактериальный процесс, который осуществляется при отсутствии кислорода. Процесс может быть термофильным , при котором ил ферментируется в резервуарах при температуре 55 °C, или мезофильным , при температуре около 36 °C. Хотя термофильное сбраживание позволяет сократить время выдержки (и, следовательно, использовать резервуары меньшего размера), оно более затратно с точки зрения потребления энергии для нагрева ила.
Мезофильное анаэробное сбраживание (МАС) также является распространенным методом обработки ила, образующегося на очистных сооружениях. Ил подается в большие резервуары и выдерживается в течение как минимум 12 дней, чтобы процесс сбраживания мог выполнить четыре этапа, необходимые для сбраживания ила. Это гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. В этом процессе сложные белки и сахара расщепляются, образуя более простые соединения, такие как вода, углекислый газ и метан. [13]
Анаэробное сбраживание производит биогаз с высокой долей метана, который может использоваться как для нагрева резервуара, так и для запуска двигателей или микротурбин для других процессов на месте. Генерация метана является ключевым преимуществом анаэробного процесса. Его основным недостатком является длительное время, необходимое для процесса (до 30 дней), и высокие капитальные затраты. Многие крупные объекты используют биогаз для комбинированного производства тепла и электроэнергии, используя охлаждающую воду из генераторов для поддержания температуры установки сбраживания на требуемом уровне 35 ± 3 °C. Таким образом можно вырабатывать достаточно энергии для производства большего количества электроэнергии , чем требуется машинам.
Установка по переработке шлама («T-PARK») способна обеспечивать электроэнергией собственную работу и даже общественную электросеть Гонконга , используя тепло, вырабатываемое в процессе сжигания шлама. [14] [15]
Аэробное сбраживание — это бактериальный процесс, происходящий в присутствии кислорода, напоминающий продолжение процесса активного ила . В аэробных условиях бактерии быстро потребляют органическое вещество и преобразуют его в углекислый газ . При недостатке органического вещества бактерии умирают и используются в качестве пищи другими бактериями. Эта стадия процесса известна как эндогенное дыхание . На этой стадии происходит уменьшение содержания твердых веществ. Поскольку аэробное сбраживание происходит намного быстрее анаэробного, капитальные затраты на аэробное сбраживание ниже. Однако эксплуатационные расходы для аэробного сбраживания характерны гораздо большими из-за энергии, используемой воздуходувками, насосами и двигателями, необходимыми для добавления кислорода в процесс. Однако последние технологические достижения включают неэлектрические аэрируемые системы фильтрации, которые используют естественные потоки воздуха для аэрации вместо электрических машин.
Аэробное сбраживание также может быть достигнуто с помощью диффузионных систем или струйных аэраторов для окисления ила. Мелкопузырьковые диффузоры, как правило, являются более экономичным методом диффузии, однако закупорка обычно является проблемой из-за оседания осадка в более мелких воздушных отверстиях. Крупнопузырьковые диффузоры чаще используются в резервуарах с активированным илом или на этапах флокуляции. Ключевым компонентом при выборе типа диффузора является обеспечение необходимой скорости переноса кислорода.
Технологии обработки ила, которые используются для сгущения или обезвоживания ила, имеют два продукта: сгущенный или обезвоженный ил и жидкую фракцию, которая называется жидкостями обработки ила, потоками обезвоживания ила, щелоками, фугатом (если он поступает из центрифуги), фильтратом (если он поступает из ленточного фильтр-пресса) или аналогичным. Эта жидкость требует дальнейшей обработки, поскольку она содержит много азота и фосфора, особенно если ил был анаэробно переварен. Обработка может происходить на самой очистной станции (путем рециркуляции жидкости в начало процесса очистки) или как отдельный процесс.
Одним из методов обработки потоков обезвоживания шлама является использование процесса, который также используется для восстановления фосфора. Другим преимуществом для операторов очистных сооружений обработки потоков обезвоживания шлама для восстановления фосфора является то, что это уменьшает образование препятствующих струвитных отложений в трубах, насосах и клапанах. Такие препятствия могут стать головной болью при обслуживании, особенно для биологических установок по удалению питательных веществ, где содержание фосфора в осадке сточных вод повышено. Например, канадская компания Ostara Nutrient Recovery Technologies продает процесс, основанный на контролируемом химическом осаждении фосфора в реакторе с псевдоожиженным слоем, который извлекает струвит в виде кристаллических гранул из потоков обезвоживания шлама. Полученный кристаллический продукт продается в секторах сельского хозяйства, газонов и декоративных растений в качестве удобрения под зарегистрированным торговым наименованием «Crystal Green». [16]
Компостирование — это аэробный процесс смешивания канализационного ила с сельскохозяйственными побочными продуктами, источниками углерода, такими как опилки, солома или древесная щепа . В присутствии кислорода бактерии, переваривающие как канализационный ил, так и растительный материал, вырабатывают тепло, убивающее болезнетворные микроорганизмы и паразитов. [17] : 20 Поддержание аэробных условий с 10–15 процентами кислорода требует наполнителей, позволяющих воздуху циркулировать через мелкие твердые частицы ила. Жесткие материалы, такие как кукурузные початки, скорлупа орехов, измельченные отходы обрезки деревьев или кора с лесопилок или бумажных фабрик, лучше отделяют ил для вентиляции, чем более мягкие листья и газонная стрижка. [6] Легкие, биологически инертные наполнители, такие как измельченные шины, могут использоваться для создания структуры, где мелкие мягкие растительные материалы являются основным источником углерода. [18]
Равномерное распределение температур, убивающих патогены, может быть достигнуто путем размещения изолирующего покрытия из ранее компостированного ила над аэрированными компостными кучами. Начальная влажность компостной смеси должна составлять около 50 процентов; но температуры могут быть недостаточными для снижения количества патогенов, когда влажный ил или осадки повышают влажность компоста выше 60 процентов. Компостные смеси могут быть сложены на бетонных площадках со встроенными воздуховодами, которые должны быть покрыты слоем несмешанных наполнителей. Запахи могут быть минимизированы с помощью аэрирующего воздуходувного устройства, протягивающего вакуум через компостную кучу через нижележащие каналы и выходящего через фильтрующую кучу ранее компостированного ила, которая должна быть заменена, когда влажность достигнет 70 процентов. Жидкость, накапливающаяся в подземном канале, может быть возвращена на очистные сооружения; а компостные площадки могут быть покрыты крышей для обеспечения лучшего контроля влажности. [6]
После компостирования в течение достаточного для снижения количества патогенов времени компостируемые кучи можно просеять для извлечения непереваренных наполнителей для повторного использования; а компостированные твердые частицы, прошедшие через сито, можно использовать в качестве материала для улучшения почвы с аналогичными преимуществами, что и торф. Оптимальное начальное соотношение углерода к азоту в компостной смеси составляет 26-30:1; но соотношение компостирования сельскохозяйственных побочных продуктов может определяться количеством, необходимым для разбавления концентраций токсичных химикатов в иле до приемлемых уровней для предполагаемого использования компоста. [6] Хотя токсичность большинства сельскохозяйственных побочных продуктов низкая, пригородная скошенная трава может иметь остаточные уровни гербицидов, пагубные для некоторых видов сельскохозяйственного использования; а свежекомпостированные древесные побочные продукты могут содержать фитотоксины, подавляющие прорастание саженцев до тех пор, пока они не будут детоксицированы почвенными грибами. [19]
Сжигание также используется, хотя и в гораздо меньшей степени. [20] : 19–21 Сжигание шлама менее распространено из-за проблем с выбросами в атмосферу и дополнительного топлива (обычно природного газа или мазута), необходимого для сжигания шлама с низкой теплотворной способностью и испарения остаточной воды. В пересчете на сухое вещество топливная ценность шлама варьируется от примерно 9500 британских тепловых единиц на фунт (5300 кал/г) непереваренного шлама сточных вод до 2500 британских тепловых единиц на фунт (1400 кал/г) переваренного первичного шлама. [21] Ступенчатые многоподовые мусоросжигательные печи с большим временем пребывания и мусоросжигательные печи с псевдоожиженным слоем являются наиболее распространенными системами, используемыми для сжигания шлама сточных вод. Иногда применяется совместное сжигание на муниципальных заводах по переработке отходов в энергию , этот вариант менее затратен, если предположить, что объекты для твердых отходов уже существуют и нет необходимости во вспомогательном топливе. [17] : 20–21 Сжигание имеет тенденцию максимизировать концентрацию тяжелых металлов в оставшейся твердой золе, требующей утилизации; но возможность возврата сточных вод мокрого скруббера в процесс очистки сточных вод может сократить выбросы в атмосферу за счет увеличения концентрации растворенных солей в сточных водах очистных сооружений. [22]
Простые иловые сушильные площадки используются во многих странах, особенно в развивающихся странах, поскольку они являются дешевым и простым методом сушки канализационного ила. Дренажная вода должна быть собрана; сушильные площадки иногда накрываются, но обычно остаются открытыми. Механические устройства для переворачивания ила на начальных стадиях процесса сушки также доступны на рынке.
Сушильные ложа обычно состоят из четырех слоев, состоящих из гравия и песка. Первый слой — крупный гравий толщиной от 15 до 20 сантиметров. За ним следует мелкий гравий толщиной 10 сантиметров. Третий слой — песок, толщина которого может составлять от 10 до 15 сантиметров, и он служит фильтром между илом и гравием. Ил высыхает, и вода просачивается в первый слой, который собирается в дренажной трубе, которая находится под всеми слоями. [23]
При образовании жидкого шлама может потребоваться его дальнейшая обработка, чтобы сделать его пригодным для окончательной утилизации. Шламы обычно сгущаются и/или обезвоживаются для уменьшения объемов, вывозимых за пределы участка для утилизации. Процессы снижения содержания воды включают отстой в сушильных слоях для получения кека, который можно наносить на землю или сжигать; прессование , при котором шлам механически фильтруется, часто через тканевые сита, для получения твердого кека; и центрифугирование, при котором шлам сгущается путем центробежного разделения твердого вещества и жидкости. Шламы можно утилизировать путем впрыскивания жидкости в землю или путем утилизации на свалке.
Не существует процесса, который бы полностью исключал необходимость утилизации очищенного осадка сточных вод.
Значительная часть ила, образующегося в коммерческих или промышленных зонах, загрязнена токсичными материалами, которые сбрасываются в канализацию в результате промышленных или коммерческих процессов или из бытовых источников. [33] Повышенные концентрации таких материалов могут сделать ил непригодным для использования в сельском хозяйстве, и тогда его, возможно, придется сжигать или вывозить на свалку.
Несмотря на очевидную непригодность по крайней мере некоторых осадков сточных вод, их применение на сельскохозяйственных землях остается широко используемым вариантом [34]
Эдмонтонский завод по компостированию в Эдмонтоне, Альберта , Канада, является крупнейшим предприятием по компостированию осадка сточных вод в Северной Америке. [35]
Осадок сточных вод можно перегреть и превратить в гранулы, которые содержат много азота и других органических материалов. Например, в Нью-Йорке несколько очистных сооружений имеют установки для обезвоживания, которые используют большие центрифуги вместе с добавлением химикатов, таких как полимер, для дальнейшего удаления жидкости из осадка. Оставшийся продукт называется «кеком», и его собирают компании, которые превращают его в гранулы удобрений. Этот продукт, также называемый биосолидом, затем продается местным фермерам и газонным фермам в качестве удобрения или удобрения для почвы, что сокращает пространство, необходимое для утилизации осадка на свалках. [36]
В очень крупных мегаполисах южной Калифорнии внутренние общины возвращают ил сточных вод в канализационную систему общин, расположенных ниже по высоте, для переработки на нескольких очень крупных очистных сооружениях на побережье Тихого океана. Это уменьшает требуемый размер коллекторов-перехватчиков и позволяет осуществлять местную переработку очищенных сточных вод, сохраняя при этом экономичность одного предприятия по переработке ила, и является примером того, как ил сточных вод может помочь решить энергетический кризис. [37]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )