Обработка осадка сточных вод - Sewage sludge treatment

Обработка осадка в анаэробных варочных котлах на очистных сооружениях в Котбусе , Германия

Обработка осадка сточных вод описывает процессы, используемые для управления и удаления осадка сточных вод, образующегося во время очистки сточных вод . Шлам - это в основном вода с некоторым количеством твердого материала, удаленного из жидких сточных вод. Первичный ил включает осаждаемые твердые частицы, удаляемые во время первичной обработки в первичных отстойниках . Вторичный ил - это ил, отделенный во вторичных осветлителях, которые используются в биореакторах вторичной обработки или процессах с использованием неорганических окислителей . В интенсивных, в основном аэробных процессах очистки сточных вод (таких как процесс с активным илом ) ил непрерывно или часто удаляется из жидкостной линии, чтобы поддерживать баланс процессов очистки: образование ила должно примерно равняться удалению ила. Шлам, удаленный из жидкостной линии, поступает в линию обработки шлама. С другой стороны, в процессах экстенсивной (естественной) очистки, таких как пруды и построенные водно-болотные угодья , образующийся ил остается накапливаемым в очистных сооружениях и удаляется только через несколько лет эксплуатации.

Обработка ила направлена ​​на снижение веса и объема ила для снижения затрат на транспортировку и утилизацию, а также на снижение потенциальных рисков для здоровья, связанных с вариантами утилизации. Удаление воды является основным средством уменьшения веса и объема, в то время как уничтожение патогенов часто достигается путем нагревания во время термофильного сбраживания, компостирования или сжигания . Выбор метода обработки ила зависит от объема образовавшегося ила и сравнения затрат на обработку, необходимых для имеющихся вариантов утилизации. Сушка на воздухе 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 на масштабе может стимулировать альтернативы рекуперации энергии в мегаполисах.

Обработка осадка зависит от количества образующихся твердых частиц и других условий, характерных для участка. Компостирование чаще всего применяется к мелким предприятиям с аэробным сбраживанием для средних операций и анаэробным сбраживанием для более крупных операций. Шлам иногда пропускают через так называемый предварительный сгуститель, который обезвоживает шлам. Типы предварительных сгустителей включают центробежные сгустители ила, сгустители с вращающимся барабаном и ленточные фильтр-прессы. Обезвоженный ил можно сжигать или вывозить за пределы участка для захоронения на свалке или использования в качестве улучшения сельскохозяйственных угодий.

Энергия может быть извлечена из ила путем производства газообразного метана во время анаэробного сбраживания или путем сжигания высушенного ила, но выхода энергии часто недостаточно для испарения воды, содержащейся в иле, или для работы воздуходувок, насосов или центрифуг, необходимых для обезвоживания. Крупные первичные твердые частицы и вторичный осадок сточных вод могут включать токсичные химические вещества, удаленные из жидких сточных вод путем сорбции твердыми частицами в осадке осветлителя. Уменьшение объема ила может увеличить концентрацию некоторых из этих токсичных химикатов в иле.

Терминология

Высушенный анаэробно сброженный ил.

Биотвердые вещества

« Биотвердые вещества » - это термин, который часто используется в публикациях по инженерии сточных вод и в усилиях по связям с общественностью местных органов водоснабжения, когда они хотят сосредоточить внимание на повторном использовании осадка сточных вод после того, как осадок прошел соответствующие процессы очистки. Фактически, твердые биологические вещества определяются как твердые частицы органических сточных вод, которые можно повторно использовать после процессов стабилизации, таких как анаэробное сбраживание и компостирование . Термин «твердые биологические вещества» был введен Федерацией водной среды США в 1998 году. Однако некоторые люди утверждают, что этот термин является эвфемизмом, чтобы скрыть тот факт, что отстой сточных вод может также содержать вещества, которые могут быть вредными для окружающей среды при обработке. осадки наносятся на землю, например, стойкие фармацевтические загрязнители окружающей среды и соединения тяжелых металлов .

Процессы лечения

Шлам, накопленный в процессе очистки сточных вод, необходимо обрабатывать и утилизировать безопасным и эффективным способом. На многих крупных предприятиях объем сырого ила уменьшается в результате процесса переваривания.

Утолщение

Загуститель осадка сточных вод.

Загустение часто является первым шагом в процессе обработки осадка. Шлам из первичных или вторичных осветлителей можно перемешивать (часто после добавления осветлителей ) для образования более крупных и быстро осаждающихся агрегатов. Первичный отстой может быть сгущен до примерно 8 или 10 процентов твердых веществ, а вторичный отстой может быть сгущен до примерно 4 процентов твердых веществ. Загустители часто напоминают осветлитель с добавлением механизма перемешивания. Сгущенный отстой с содержанием твердых частиц менее десяти процентов может подвергаться дополнительной обработке отстоя, в то время как перелив жидкого сгустителя возвращается в процесс очистки сточных вод.

Обезвоживание

Схема ленточного фильтр- пресса для обезвоживания осадка сточных вод. Фильтрат извлекается сначала под действием силы тяжести, затем путем продавливания ткани через валики.

Обработка осадка на очистных сооружениях Бирсфельдена , Германия.

Механическое обезвоживание (центрифуга) на крупных очистных сооружениях (очистные сооружения Аррудас, Белу-Оризонти , Бразилия).

Содержание воды в иле можно уменьшить центрифугированием, фильтрацией и / или испарением, чтобы снизить транспортные расходы на утилизацию или улучшить пригодность для компостирования. Центрифугирование может быть предварительным шагом для уменьшения объема ила для последующей фильтрации или испарения . Фильтрация может происходить через нижний дренаж в слое для сушки песка или как отдельный механический процесс в ленточном фильтр- прессе. Фильтрат и концентрат обычно возвращают в процесс очистки сточных вод. После обезвоживания ил можно обрабатывать как твердое вещество, содержащее от 50 до 75 процентов воды. Обезвоженный ил с более высоким содержанием влаги обычно обрабатывается как жидкости.

Пищеварение

Многие илы обрабатываются с использованием различных методов разложения, целью которых является уменьшение количества органических веществ и количества болезнетворных микроорганизмов, присутствующих в твердых веществах. Наиболее распространенные варианты лечения включают анаэробное переваривание , аэробное переваривание и компостирование . Сбраживание осадка дает значительные преимущества в плане затрат за счет уменьшения количества осадка почти на 50% и использования биогаза в качестве ценного источника энергии.

Целью пищеварения является уменьшение количества органических веществ и количества болезнетворных микроорганизмов, присутствующих в твердых веществах. Процесс часто оптимизируется для получения газообразного метана, который можно использовать в качестве топлива для выработки энергии для электростанции или для продажи.

Анаэробное пищеварение

Анаэробные варочные котлы для обработки осадка сточных вод на очистных сооружениях Аррудас, Белу-Оризонти , Бразилия.

Анаэробное пищеварение - это бактериальный процесс, который осуществляется в отсутствие кислорода. Процесс может быть термофильным , когда ил ферментируется в резервуарах при температуре 55 ° C, или мезофильным при температуре около 36 ° C. Хотя термофильное сбраживание обеспечивает более короткое время удерживания (и, следовательно, меньшие емкости), оно является более дорогостоящим с точки зрения энергозатрат на нагревание ила.

Мезофильное анаэробное сбраживание (MAD) также является распространенным методом обработки осадка, образующегося на очистных сооружениях. Ил подается в большие резервуары и выдерживается не менее 12 дней, чтобы позволить процессу разложения выполнить четыре стадии, необходимые для разложения ила. Это гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. В этом процессе сложные белки и сахара расщепляются с образованием более простых соединений, таких как вода, углекислый газ и метан.

При анаэробном сбраживании образуется биогаз с высокой долей метана, который можно использовать как для нагрева резервуара, так и для запуска двигателей или микротурбин для других процессов на месте. Генерация метана - ключевое преимущество анаэробного процесса. Его ключевой недостаток - длительность процесса (до 30 дней) и высокие капитальные затраты. Многие более крупные предприятия используют биогаз для комбинированного производства тепла и электроэнергии, используя охлаждающую воду из генераторов для поддержания температуры установки для сбраживания на требуемом уровне 35 ± 3 ° C. Таким образом может быть произведено достаточно энергии для производства большего количества электроэнергии, чем требуется машинам.

Установка по переработке осадка («Т-ПАРК») может обеспечивать электроэнергией для своей собственной работы и даже для государственной электросети Гонконга, используя тепло, выделяемое в процессе сжигания осадка.

Аэробное пищеварение

Аэробное сбраживание - это бактериальный процесс, происходящий в присутствии кислорода, напоминающий продолжение процесса активного ила . В аэробных условиях бактерии быстро потребляют органическое вещество и превращают его в углекислый газ . При недостатке органических веществ бактерии погибают и используются в пищу другими бактериями. Эта стадия процесса называется эндогенным дыханием . На этом этапе происходит уменьшение содержания твердых частиц. Поскольку аэробное пищеварение происходит намного быстрее, чем анаэробное, капитальные затраты на аэробное пищеварение ниже. Однако эксплуатационные расходы обычно намного выше для аэробного сбраживания из-за энергии, используемой воздуходувками, насосами и двигателями, необходимой для добавления кислорода в процесс. Однако последние технологические достижения включают неэлектрические системы аэрированных фильтров, в которых для аэрации используются естественные воздушные потоки, а не механизмы с электрическим приводом.

Аэробное сбраживание также может быть достигнуто с помощью систем диффузоров или струйных аэраторов для окисления ила. Мелкопузырьковые диффузоры обычно являются более экономичным методом диффузии, однако закупорка обычно является проблемой из-за оседания осадка в более мелких отверстиях для воздуха. Крупнопузырьковые диффузоры чаще используются в резервуарах с активным илом или на стадиях флокуляции. Ключевым компонентом выбора типа диффузора является обеспечение необходимой скорости переноса кислорода.

Технологии очистки побочного потока

Технологии обработки ила, которые используются для сгущения или обезвоживания ила, имеют два продукта: сгущенный или обезвоженный ил и жидкую фракцию, которая называется жидкостями для обработки ила, потоки обезвоживания ила, жидкости, центрат (если он поступает из центрифуги), фильтрат. (если он исходит от ленточного фильтр-пресса) или аналогичного. Эта жидкость требует дальнейшей обработки, так как она содержит много азота и фосфора, особенно если ил был переварен анаэробно. Обработка может происходить на самой установке по очистке сточных вод (путем рециркуляции жидкости до начала процесса очистки) или как отдельный процесс.

Восстановление фосфора

Одним из способов обработки потоков обезвоживания осадка является использование процесса, который также используется для извлечения фосфора. Еще одним преимуществом обработки потоков обезвоживания осадка для извлечения фосфора для операторов очистных сооружений является то, что он снижает образование обструктивных струвитных отложений в трубах, насосах и клапанах. Такие препятствия могут быть головной болью при обслуживании, особенно для установок по удалению биологических 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 осадка. Полученный кристаллический продукт продается в секторы сельского хозяйства, газонов и декоративных растений в качестве удобрений под зарегистрированным торговым наименованием «Crystal Green».

Компостирование

Компостирование - это аэробный процесс смешивания осадка сточных вод с побочными продуктами сельского хозяйства, источниками углерода, такими как опилки, солома или древесная щепа . В присутствии кислорода бактерии, переваривающие осадок сточных вод и растительный материал, выделяют тепло для уничтожения болезнетворных микроорганизмов и паразитов. Поддержание аэробных условий с содержанием кислорода от 10 до 15 процентов требует наполнителей, позволяющих воздуху циркулировать через мелкие твердые частицы ила. Жесткие материалы, такие как кукурузные початки, скорлупа орехов, измельченные отходы от обрезки деревьев или кора с лесных или бумажных фабрик, лучше отделяют ил для вентиляции, чем более мягкие листья и обрезки газонов. Легкие, биологически инертные наполнители, такие как измельченные шины, можно использовать для создания структуры, в которой мелкие мягкие растительные материалы являются основным источником углерода.

Равномерному распределению температур, убивающих болезнетворные микроорганизмы, можно способствовать, поместив изолирующее покрытие из предварительно компостированного ила поверх аэрированных компостных куч. Исходная влажность компостируемой смеси должна составлять около 50 процентов; но температура может быть недостаточной для уменьшения количества патогенов, если влажный ил или осадки повышают влажность компоста выше 60 процентов. Компостирующие смеси можно укладывать на бетонные площадки со встроенными воздуховодами, которые покрываются слоем несмешанных наполнителей. Запахи можно свести к минимуму, используя аэрирующий вентилятор, нагнетающий вакуум через компостную кучу через нижележащие каналы и отводящий через фильтрующую кучу ранее компостированный ил, подлежащий замене, когда содержание влаги достигает 70 процентов. Жидкость, скапливающаяся в канализационном канале, может быть возвращена на очистные сооружения; и подушки для компостирования могут иметь крышу, чтобы обеспечить лучший контроль содержания влаги.

После интервала компостирования, достаточного для уменьшения количества патогенов, компостные кучи могут быть проверены для извлечения непереваренных наполнителей для повторного использования; а компостированные твердые частицы, проходящие через сито, могут быть использованы в качестве материала для улучшения почвы с такими же преимуществами, что и торф. Оптимальное начальное соотношение углерода и азота в компостирующей смеси составляет 26-30: 1; но коэффициент компостирования сельскохозяйственных побочных продуктов может быть определен количеством, требуемым для разбавления концентраций токсичных химикатов в иле до приемлемых уровней для предполагаемого использования компоста. Хотя токсичность большинства побочных продуктов сельского хозяйства низка, в скошенной траве пригородной травы могут быть остаточные уровни гербицидов, вредные для некоторых видов сельскохозяйственного использования; а недавно компостированные побочные продукты древесины могут содержать фитотоксины, препятствующие прорастанию саженцев до их детоксикации почвенными грибами.

Схема процесса сжигания осадка (обратите внимание на контроль качества воздуха).

Осадок сточных вод после сушки в сушильном слое.

Сжигание

Сжиганию также используется, хотя и в гораздо меньшей степени. 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 сухие твердые вещества топливная ценность ила варьируется от примерно 9 500 британских тепловых единиц на фунт (980 кал / г) непереваренного осадка сточных вод до 2500 британских тепловых единиц на фунт (260 кал / г) сброженного первичного ила. Многоподовые ступенчатые установки для сжигания с большим временем пребывания и установки для сжигания с псевдоожиженным слоем являются наиболее распространенными системами, используемыми для сжигания осадка сточных вод. Время от времени проводится совместное сжигание на муниципальных заводах по переработке отходов в энергию , этот вариант менее затратный, если предположить, что установки для твердых отходов уже существуют и нет необходимости во вспомогательном топливе. Сжигание имеет тенденцию к максимальному увеличению концентрации тяжелых металлов в оставшейся твердой золе, требующей удаления; но вариант возврата сточных вод мокрых скрубберов в процесс очистки сточных вод может снизить выбросы в атмосферу за счет увеличения концентрации растворенных солей в сточных водах очистных сооружений.

Этот простой сушильный слой испарительного ила возле Дамаска в Сирии иллюстрирует начальную консистенцию первичного ила, выгружаемого из первичного отстойника по трубе на переднем плане.

Сушильные кровати

Простые сушилки для осадка используются во многих странах, особенно в развивающихся странах, поскольку они представляют собой дешевый и простой метод сушки осадка сточных вод. Дренажная вода должна быть собрана; сушильные кровати иногда закрываются, но обычно остаются открытыми. На рынке также доступны механические устройства для переворачивания осадка на начальных этапах процесса сушки.

Сушилки обычно состоят из четырех слоев, состоящих из гравия и песка. Первый слой - крупный гравий толщиной от 15 до 20 сантиметров. Далее следует мелкий гравий толщиной 10 сантиметров. Третий слой - это песок, размер которого может составлять от 10 до 15 сантиметров, и он служит фильтром между шламом и гравием. Ил высыхает, и вода просачивается в первый слой, который собирается в дренажной трубе, находящейся под всеми слоями.

Новые технологии

Система термогидролиза на очистных сооружениях Blue Plains в Вашингтоне, округ Колумбия, является крупнейшей в мире по состоянию на 2016 год.

• Рекуперация фосфора из осадка сточных вод или из потоков для обезвоживания осадка привлекает повышенное внимание, особенно в Швеции, Германии и Канаде, поскольку фосфор является ограниченным ресурсом (концепция, также известная как « пик фосфора ») и необходим в качестве удобрения, чтобы прокормить растущее население мира. . Методы восстановления фосфора из сточных вод или ила можно разделить на категории по происхождению используемого вещества (сточные воды, иловый раствор, сброженный или непереваренный ил, зола) или по типу процессов регенерации (осаждение, влажно-химическая экстракция и осаждение, термическое лечение). Исследования методов извлечения фосфора из осадка сточных вод проводились в Швеции и Германии примерно с 2003 года, но технологии, которые в настоящее время разрабатываются, еще не являются рентабельными, учитывая текущую цену на фосфор на мировом рынке.
• Процессор Omni представляет собой процесс , который находится на стадии разработки в 2015 году и рассматривает осадка сточных вод. Он может генерировать избыток электроэнергии, если исходные материалы имеют необходимый уровень сухости.
• В результате термической деполимеризации из ила, нагретого до 250 ° C и сжатого до 40 МПа, образуются легкие углеводороды.
• Термический гидролиз - это двухэтапный процесс, сочетающий кипение осадка под высоким давлением с последующей быстрой декомпрессией. Это комбинированное действие стерилизует ил и делает его более биоразлагаемым, что улучшает пищеварение. Стерилизация уничтожает патогенные микроорганизмы в иле, что приводит к превышению строгих требований для обработки почвы (сельское хозяйство). Системы термического гидролиза работают на очистных сооружениях в Европе, Китае и Северной Америке и могут генерировать электроэнергию, а также высококачественный ил.
• Использование зеленого подхода, такого как фиторемедиация , недавно было предложено в качестве ценного инструмента для улучшения загрязнения осадка сточных вод микроэлементами и стойкими органическими загрязнителями .

Утилизация или использование в качестве удобрения

Когда образуется жидкий ил, может потребоваться дополнительная обработка, чтобы сделать его пригодным для окончательной утилизации. Шлам обычно сгущают и / или обезвоживают, чтобы уменьшить объемы, транспортируемые за пределы площадки для утилизации. Способы снижения содержания воды включают лагуну в сушильных слоях для получения лепешки, которую можно наносить на землю или сжигать; прессование , при котором осадок механически фильтруется, часто через тканевые сита, чтобы получить твердый осадок; и центрифугирование, при котором осадок сгущается за счет центробежного разделения твердого вещества и жидкости. Шлам можно утилизировать путем закачки жидкости на землю или путем захоронения на свалке.

Не существует процесса, полностью исключающего необходимость утилизации очищенного осадка сточных вод.

Большая часть ила, поступающего из коммерческих или промышленных зон, загрязнена токсичными материалами, которые выбрасываются в канализацию в результате промышленных или коммерческих процессов или из бытовых источников. Повышенные концентрации таких материалов могут сделать осадок непригодным для использования в сельском хозяйстве, и его, возможно, придется сжечь или выбросить на свалку.

Несмотря на очевидную непригодность по крайней мере некоторого количества осадка сточных вод, внесение в сельскохозяйственные угодья остается широко используемым вариантом.

Примеры

Эдмонтон, Альберта, Канада

Комплекс компостирования в Эдмонтоне в Эдмонтоне, Альберта , Канада, является крупнейшим предприятием компостирования осадка сточных вод в Северной Америке.

Нью-Йорк, США

Осадок сточных вод можно перегреть и превратить в гранулы с высоким содержанием азота и других органических материалов. В Нью-Йорке , например, на нескольких очистных сооружениях есть установки для обезвоживания, в которых используются большие центрифуги с добавлением химикатов, таких как полимер, для дальнейшего удаления жидкости из осадка. Оставшийся продукт называется «жмых», и его собирают компании, которые превращают его в гранулы удобрений. Этот продукт, также называемый биосолидом, затем продается местным фермерам и дерновым фермам в качестве улучшения почвы или удобрения, что сокращает пространство, необходимое для утилизации ила на свалках.

Южная Калифорния, США

В очень больших мегаполисах в общинах южной Калифорнии, находящихся внутри страны, отстой сточных вод возвращают в канализационную систему населенных пунктов, расположенных на более низких высотах, для переработки на нескольких очень крупных очистных сооружениях на побережье Тихого океана. Это уменьшает требуемый размер перехватывающих коллекторов и позволяет рециркулировать очищенные сточные воды на месте, сохраняя при этом экономичность одного объекта по переработке осадка, и является примером того, как осадок сточных вод может помочь решить энергетический кризис.

Смотрите также

• Управление фекальным осадком

использованная литература

Источники

внешние ссылки

• СМИ, связанные с обработкой осадка сточных вод на Викискладе?