Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Флотационное уплотнение осадков сточных вод

В результате развития промышленного и коммунального строительства непрерывно увеличивается количество сточных вод и соответственно осадков, образующихся при их очистке. Количество образующихся осадков на станциях биологической очистки составляет 0,6—1% от объема сточных вод, а при других методах очистки воды, например химическом, возможно их образование 3—10% от объема сточных вод.

Полная биологическая очистка сточной жидкости заканчивается обычно за 6—18 ч, а обработка осадка в метантенках длится 10—15 суток с подсушкой его на иловых площадках до нескольких месяцев. Поэтому проблема сокращения объема осадков, продолжительности их обработки и ликвидации является весьма актуальной, заслуживающей детального изучения.

При любом методе обработки осадка первой ступенью является уплотнение. Конечный продукт уплотнения — такой осадок, который еще сохраняет все физические свойства жидкости. При этом осадки следует рассматривать как дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсной средой — жидкость. В результате такого уплотнения удаляется большая часть свободной воды, т. е. воды, энергия связи которой со структурой твердой фазы осадка минимальна.

Эффективное уплотнение является важной частью общей проблемы обезвоживания осадка. При этом значительно уменьшается его объем и вследствие этого и строительный объем метантенков в случае сбраживания осадка и увеличивается производительность такого оборудования как вакуум-фильтры, центрифуги, фильтр-прессы при механическом обезвоживании. Кроме того, снижение объема осадка приводит к уменьшению затрат при его транспортировке и накоплении.

При подаче осадка на сбраживание благодаря предварительному его уплотнению увеличивается производительность метантенков или уменьшается их объем; уменьшается расход тепла, необходимый для создания определенной температуры в метантенке; уменьшается нагрузка «по воде» на иловые площадки; сокращается объем иловой жидкости, которая вновь возвращается на станцию.

Уплотнение осадков сточных вод является обязательным и перед обезвреживанием его методами «мокрого сжигания». Для того, чтобы этот процесс, был энергетически приемлемым, необходимо, чтобы подающийся в реактор осадок имел теплоту сгорания порядка 265 ккал/л. При средней теплотворной способности активного ила и осадка первичных отстойников 4200 ккал/кг сухого вещества следует, чтобы влажность осадка была не более 94%.

Если осадки первичных отстойников сравнительно легко уплотняются при отстаивании до влажности 93—95%, то осадки вторичных отстойников, биологические шламы, особенно активный ил после аэротенков, работающих на полную очистку сточной жидкости, уплотняются значительно хуже. Это объясняется специфичностью физико-химических свойств активного ила: большой структурообразующей способностью, высоким содержанием связанной воды, незначительным объемным весом. В то же время большой интерес в перспективе представляет именно раздельная обработка осадков с выделением активного ила как сырья для извлечения витаминов и белковых веществ. В активном иле содержатся в разных количествах витамины В2 и В3, тиамин, рибофловин, амид никотиновой кислоты, биотин, аминобензойная кислота, пиридоксин, холин, пантотеновая и фолиевая кислоты, цианокобаломин, а также 17 различных аминокислот. Активный ил используют для удобрения, он превосходит навоз, и эффективнее, чем сырые и сброженные осадки.

В настоящее время в практике обработки осадков встречаются различные способы уплотнения.

Способ гравитационного уплотнения получил широкое применение в виду простоты конструкции и эксплуатации установок. Конструктивно илоуплотнители выполняются в виде радиальных или вертикальных отстойников. Осадок поступает в среднюю часть отстойника и хлопья ила осаждаются в виде илового слоя на дне. Уплотняющийся ил перемещается скребком к центральному колодцу и удаляется. Иловая жидкость переливается через водослив, расположенный по периметру уплотнителя.

Однако даже 5—15-часовое пребывание избыточного активного ила из аэротенков в гравитационных уплотнителях не позволяет получить ил с содержанием сухих веществ более 2—3%. Кроме того, при залеживании ил загнивает, выделяя при этом газы, всплывает и выносится с иловой жидкостью. Процесс анаэробного разложения, возникающий в уплотнителях-отстойниках, неблагоприятно сказывается на дальнейшей обработке такого осадка, особенно на вакуум-фильтрах. Увеличивается расход коагулянта и создаются антисанитарные условия работы в цехах механического обезвоживания.

С целью интенсификации процесса уплотнения активного ила осуществлялось его осаждение в смеси с уплотняющими добавками (хлорное железо, серная кислота, известь, железный купорос, диатомит, зола). Однако снижение влажности ила в течение 24—96 ч уплотнения было незначительным, содержание сухих веществ в уплотненном иле не превышало 3%.

Центрифугирование осадка для его уплотнения состоит в использовании центробежной силы, с помощью которой в сотни раз увеличивается сила тяжести твердых частиц, а, следовательно, ускоряется процесс отделения их от воды.

В последние годы появился ряд новых высокоскоростных установок, использующихся не только для уплотнения осадков (дисковые центрифуги), но и для более глубокого их обезвоживания (шнековые центрифуги) с доведением влажности осадка до 75% и ниже.

Производительность центрифуги по кеку зависит от исходной концентрации ила по сухому веществу. Так, при повышении концентрации активного ила Люблинской станции аэрации с 0,4— 0,6% ДО 2—3% производительность по кеку возросла с 1,5—3 до 8—15 кг/ч. В дальнейшем выделенный кек дегельминтизируется, а фугат используется для биохимической очистки сточных вод вместо циркуляционного активного ила.

Замораживание осадков при температуре —5—10° С и последующее оттаивание изменяет их физико-химические свойства, благодаря чему резко увеличивается их водоотдача за счет перераспределения различных форм связи влаги, увеличивается объем свободной воды за счет уменьшения общего количества связанной влаги.

Проведенные исследования показали, что замораживание и оттаивание приводят к коагуляции твердой фазы осадков, поэтому нет необходимости в химических реагентах в процессе их обезвоживания. На водоотдачу осадка влияют исходные свойства и тип обрабатываемого осадка. Замораживанию подвергались предварительно уплотненный активный ил влажностью 96,5% и сырой осадок влажностью 94,6% Тушинской станции аэрации, а также сброженный осадок Люблинской станции. В результате оттаивания влажность активного ила непосредственно после отвода образовавшейся воды была 88—92%, а сырого осадка — 82—85%.

Последующее более глубокое обезвоживание осадков производилось на вакуум-фильтрах наливного типа с получением кека влажностью 81—83% для активного ила, 75—78% для сброженного осадка и 70—74% для осадка первичных отстойников.

Флотационное уплотнение осадков рассматривается как процесс подъема на поверхность частиц осадка за счет прилипания их к пузырькам воздуха или газа. Причем, если при осветлении флотацией сточных вод на первом месте стоит фактор скорости и полноты осветления жидкости, то при уплотнении осадка — скорости и степени уплотнения шлама.
Насыщение осадка пузырьками газа (воздуха) можно производить различными способами — напорным, вакуумным, безнапорным, электрофлотацией, химическим и биологическим путями.

Возможность использования флотации для уплотнения осадков и илов давно привлекала внимание исследователей и инженеров как у нас в стране, так и за рубежом.

В конструктивном оформлении наибольшее распространение за рубежом получили установки напорной флотации. Зона уплотнения в них образуется между сплошной частью впускной перегородки и нижней кромкой погружной, но не доходящей до дна, водосливной перегородки.

Время пребывания жидкости, включая рециркуляционный расход, в зоне флотации составляет 15—20 мин, а в зоне уплотнения может составлять несколько часов.

В большинстве известных технологических схем работа флотационных илоуплотнителей осуществляется с рециркуляцией жидкости или с рабочей жидкостью. Рециркуляционную или рабочую жидкость насыщают воздухом под давлением 3,5—5,0 ати и подают в уплотнитель. Для эффективной и быстрой флотации ила необходимо выдерживать определенное отношение расхода жидкости, насыщенной воздухом, к расходу уплотняемого ила.

Указывается, что с увеличением этого отношения с 1 до 2 скорость всплывания ила увеличивается в 4 раза, а с 1 до 3 — в 6 раз. Поскольку увеличение количества рабочей жидкости не только обеспечивает большее количество воздушных пузырьков, но также улучшает условия всплывания иловых частиц (вследствие разбавления ила), то возрастание общего расхода не приводит к увеличению емкости флотокамеры в той же пропорции.

При удачно подобранном соотношении рабочей жидкости и ила, объем флотокамеры может оказаться даже меньше, чем при работе по схеме с прямым насыщением ила воздухом.
В качестве рабочей жидкости можно употреблять сточную жидкость, прошедшую механическую или биологическую очистку, а также подиловую жидкость флотационного уплотнителя. Лучше всего использовать биологически очищенную сточную жидкость, а подиловую жидкость из уплотнителя сбрасывать в аэротенк, во избежание накапливания во флотационной установке большого количества нефлотирующихся веществ, что может затруднить работу напорной системы.

Представляет интерес работа по применению напорной флотации для уплотнения избыточного активного ила, выполненная на Люблинской и Кунцевской станциях аэрации.

На основании проведенных исследований была предложена схема флотационного илоуплотнителя и даны его некоторые предварительные расчетные параметры. Здесь предусмотрено двухступенчатое уплотнение ила во флотационном резервуаре до влажности 98,8—98,5% в течение 20 мин и в илоуплотнителе — до конечной влажности 96,5—96% в течение 2 ч. В илоуплотнителе происходит вторичное всплывание выходящего из флотационного резервуара ила без дополнительного насыщения его воздухом. При конструировании обоих резервуаров рекомендовалось принимать рабочую глубину 1,0—1,5 м, а соотношение длины к ширине — более 2,1. Всплывший и уплотненный ил удалялся скребковым механизмом, скорость движения которого 0,9—1,4 м/мин. Независимо от общей толщины всплывшего ила скребки рекомендовалось погружать во флотационный резервуар на глубину не более 5 см, а в илоуплотнитель — не более 10 см, чтобы не нарушить всплывание слоев ила.

Н. А. Лукиных были также проведены исследования, свидетельствующие о возможности применения существующих методов обработки уплотненного флотационным методом ила, т. е. сбраживания его в метантенках и обезвоживания на вакуум-фильтрах. Эффект обезвоживания активного ила, уплотненного отстаиванием и флотацией, одинаков (80—82%), но в последнем случае расход коагулянта, в качестве которого применялось хлорное железо, меньше (5,5% вместо 7—7,5% от веса сухого вещества активного ила). Кроме того, при вакуумфильтрации флотированного активного ила фильтрат содержит незначительное количество взвешенных веществ 33 мг/л, в то время как при обезвоживании отстоенного ила количество взвешенных веществ составляет 28—330 мг/л.

Следует упомянуть также о попытках уплотнения осадков за счет пузырьков газа, выделяющегося при химических реакциях.

В одной из первых работ в области химической флотации осадков сточных вод в качестве химического реагента использовался гипохлорит кальция, который при добавлении к илу медленно растворяется с выделением хлора и кислорода. Требуется определенное количество реагента, чтобы получить достаточное количество газа. Процесс химической флотации идет очень медленно (24—48 ч), но содержание сухого вещества в уплотненном активном иле повышается до 10 раз по сравнению с исходным. Аналогичные результаты получены и в других работах.

В связи с тем, что флотационное уплотнение осадков долгое время не находило применения в отечественной практике, возникла необходимость в разработке более конкретных и полных рекомендаций по применению данного метода для уплотнения осадков и илов.

Такая работа в отношении избыточного активного ила была выполнена в Украинском институте инженеров водного хозяйства. Исследования выполнялись на очистных сооружениях Ровенского льнокомбината и Невинномысского химкомбината. Предварительно были проведены лабораторные опыты по выбору оптимальных способов насыщения ила воздухом.

Способы механического диспергирования воздуха и подачи его через пористые материалы, осуществляемые при обычных технологических параметрах, могут обеспечить снижение объема уплотняемого ила на 10—20% при сохранении высокой концентрации сухого вещества в подиловой жидкости.

Электрофлотация при расходе электроэнергии 5—7 квт-ч/м3 обеспечивает уменьшение объема ила на 65—80% (при содержании сухого вещества в уплотняемом иле 8—4,5 г/л и концентрацию сухого вещества в подиловой воде 150—200 мг/л). При непосредственном насыщении ила воздухом удавалось добиться уменьшения его объема в 2—4 раза в зависимости от давления насыщения в напорном баке и продолжительности уплотнения. Было установлено, что перемешивание ило-воздушной смеси в напорном баке существенно сказывается на дальнейшем уплотнении ила. Так, насыщение ила воздухом при давлении 2 ати с перемешиванием смеси дает такое же уплотнение, как и насыщение при 4 ати без перемешивания.

Недостатком прямого насыщения ила воздухом является высокое содержание сухого вещества в подиловой жидкости (400—800 мг/л), что связано с диспергированием хлопьев активного ила рабочим колесом насоса или при перемешивании в напорном баке. Добавление флотореагентов и флокулянтов в уплотняемый ил снижало концентрации сухого вещества в подиловои жидкости на 20—25%, что, разумеется, нельзя считать удовлетворительным. Вторая причина заключается в том, что того количества воздуха, которое может быть максимально подано в жидкость при прямой напорной флотации, недостаточно для подъема в пенный слой всего ила.

Поэтому за основу в дальнейших исследованиях была принята напорная флотация с использованием рабочей жидкости, поскольку только этот способ насыщения ила воздухом обеспечивает неразрушаемость хлопьев активного ила и позволяет подобрать такое количество воздуха, которое окажется достаточным для подъема всех частичек ила в пенный слой.

Последующие работы выполнялись на полупроизводственных экспериментальных установках двух типов — горизонтального и вертикального. В обеих схемах предусматривается раздельная подача уплотняемого ила и рабочей жидкости, а также перемешивание водовоздушной смеси в напорном баке насосом.

Высота вертикальной флотокамеры 3,2 м принята в соответствии с высотой типового илоуплотнителя-отстойника Союзводоканалпроекта с тем, чтобы полученные данные могли быть использованы для переоборудования последнего во флотационный илоуплотнитель.

Всесторонние исследования, проведенные на экспериментальных установках, позволили разработать рекомендации по применению и проектированию флотационного уплотнения активного ила.

На флотационное уплотнение посредством напорной флотации с насыщением воздухом рабочей жидкости может подаваться избыточный активный ил после полной и неполной биологической очистки. Насыщение рабочей жидкости воздухом осуществляется в напорном баке в течение 2—3 мин при давлении 2—4 ати. Отношение количества рабочей жидкости к объему уплотняемого ила составляет 2—3. При проектировании и подборе оборудования это отношение должно быть увязано с давлением и продолжительностью насыщения таким образом, чтобы удельный расход воздуха, выделяющегося во флотационной камере, составлял 10—12 л на 1 кг сухого вещества активного ила.

Для лучшего растворения воздуха в напорном баке предусмотрено перемешивание водовоздушной смеси насосом, производительность которого составляет 30—50% от расхода рабочей жидкости.

В качестве рабочей жидкости рекомендуется использовать очищенную сточную воду после вторичных отстойников или же воду, выходящую из флотокамеры. Продолжительность пребывания смеси рабочей жидкости и ила в рабочей зоне камеры 40—60 мин. Высота рабочей зоны — 2—3 м. Избыточный ил подается в верхнюю часть камеры, а рабочая жидкость — в нижнюю. Ил и рабочая жидкость по площади камеры распределяются радиальными распределительными трубами с отверстиями диаметром 0,5—1 см. Скорость выхода жидкости из отверстий принимается для труб, распределяющих ил, 0,7—1 м/сек, для труб, подающих рабочую жидкость — 1,8—2,2 м/сек. На иловых трубах отверстия устраиваются в верхней части, на трубах рабочей жидкости — сбоку.

Смесь подиловой и робочей жидкости, освободившаяся от иловых частиц, поступает в нижнюю часть вертикального стакана, выполняемого из стальной трубы диаметром 500 мм, проходит в верхнюю часть его и отводится через выпускную камеру за пределы установки.

Шлам, собирающийся на поверхности, периодически через 3—4 ч (по достижении влажности 94,5—95%), спиральным скребком сбрасывается в шламоотводящий лоток, в котором устанавливается боковой скребок для предотвращения налипания шлама на стенки. Скорость вращения скребка принимается из условия, чтобы уборка уплотненного шлама с поверхности не занимала более 15—20 мин (5—8 об/час). Глубина погружения скребка в ил 10—15 см (конструкция скребка должна предусматривать возможность регулирования глубины погружения).

Количество уплотненного ила в расчетах следует принимать в 20% от объема уплотняемого, а содержание сухого вещества в смеси подиловой и рабочей жидкости 30—50 мг/л.
Флотационную камеру можно проектировать и в виде прямоугольного резервуара с отношением длины к ширине от 5:1 до 8:1 со съемом уплотненного ила скребковым транспортером, причем при длине резервуара более 6 м сдвиг ила целесообразнее осуществлять по более короткому пути, т.е. по ширине камеры.

Включение в технологическую схему обработки осадков флотационных илоуплотнителей вместо илоуплотнителей-отстойников приведет, согласно технико-экономическим подсчетам, к снижению капитальных затрат на сооружения по обработке осадка на 15--25%, а эксплуатационных — на 5—10%.

Кроме уплотнения активного ила флотацией, нами была изучена возможность уплотнения флотацией осадков некоторых промышленных стоков.

Учитывая, что на ряде заводов искусственного волокна очистка промышленных стоков ведется путем отстаивания, были проведены исследования по уплотнению осадка флотацией.

Осадок, который образуется при очистке сточных вод вискозного производства в отстойниках, характеризуется высокой влажностью, достигающей 98—99%, и в зависимости от производственных мощностей заводов искусственного волокна может составлять 1000—1500 м3/сут и более. Уплотнение осадка под действием собственного веса происходит очень медленно.

Практика проектирования показывает, что в отдельных случаях в силу удаленности шламонакопителя от завода возникает вопрос о целесообразности механического обезвоживания и вывоза осадка. Это обезвоживание, как показывает зарубежная практика и работы наших исследователей, может осуществляться в центрифугах, на вакуум-фильтрах, на фильтр-прессах. Количество, стоимость, а также нормальный режим таких установок находятся в непосредственной зависимости от количества и влажности исходного осадка. В связи с этим прежде, чем направлять осадок на механическое обезвоживание, его необходимо предварительно уплотнить более простым способом. Флотационное уплотнение осадка изучалось на очистных сооружениях Каменского комбината искусственного волокна. Осадок, образующийся при отстаивании, подвергался напорной флотации. Насыщение воздухом производилось центробежным насосом или в специальном цилиндре, подключенном к трубопроводу сжатого воздуха. Давление в цилиндре создавалось в пределах 2,5—3,5 ати, продолжительность насыщения осадка воздухом составляла 2—5 мин. Насыщенный воздухом осадок выпускался в мерные сосуды, где отстаивался в течение 3 ч. Влажность и объем осадка через определенные промежутки времени фиксировались.

Таким образом, прямой напорной флотацией можно уменьшить объем осадка примерно вдвое.

Для достижения более высокого уплотнения осадка (трех-четырехкратного) флотацию необходимо вести при значительно большом количестве измельченного воздуха, т. е. применять напорную флотацию при подаче воздуха с рабочей жидкостью.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики