Тема: КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ

План:

1.НАЗНАЧЕНИЕ СООРУЖЕНИЙ ПО ОБРАБОТКЕ ОСАДКОВ

2.ПРОЦЕССЫ МЕТАНОВОГО БРОЖЕНИЯ И ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

3. КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ СУШКИ И ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ОСАДКОВ

1. При полной биологической очистке из сточной воды извле­кается до 90—95% первоначального содержания загрязнений, оцениваемого количеством взвешенных веществ и величиной БПК, а при наличии фильтров доочистки — до 98—39%. Эти загрязнения, частью в своем первоначальном виде (осадок пер­вичных отстойников), частью преобразованные в активный ил или биопленку, аккумулируются в виде осадков, общий объем которых составляет не более 0,5—1,5% объема обработанной во­ды. Таким образом, решение проблемы обработки большого ко­личества воды с относительно низкой концентрацией загрязне­ний влечет за собой необходимость решения новой проблемы — обработки относительно небольшого количества концентриро­ванных осадков.

Обработка осадков сточных вод преследует прежде всего санитарные цели. Сухое вещество осадков состоит на 65—75% из органических веществ, способных загнивать с выделением крайне неприятных запахов. Если учесть при этом высокую степень инвазионности (зараженности) осадков болезнетвор­ными бактериями и яйцами глистов, то становится очевидным, что обезвреживание (обеззараживание) является обязательной стадией обработки осадков.

Разложение органических веществ осадков может быть осу­ществлено биохимическим путем как в аэробных, так и в ана­эробных условиях. Первый вариант окисления уже был рас­смотрен в гл. VII. Второй вариант—анаэробное биохимическое окисление — широко применяется в нашей стране при обработке осадков городских сточных вод. На станциях малой про­изводительности для этой цели применяются двухъярусные от­стойники, осветлители-перегниватели, а на станциях большой производительности —метантенки. При сбраживании осадков эффект обеззараживания по бактериальным загрязнениям мо­жет быть очень высоким, особенно в условиях термофильных температур.

В осадках при высокой концентрации в них сухого веще­ства все еще содержится 92—98% воды. Транспортирование излишней воды, например при использовании осадков в ка­честве удобрений, нерентабельно. Поэтому важной задачей в общей системе обработки осадков является удаление излиш­ней влаги. Современными техническими средствами можно до­биться любой степени уменьшения влажности. Процессы сни­жения влаги до 70—80% принято называть обезвоживанием, а с 70—80% до 5—40%—сушкой осадков. Разные названия двух степеней удалении влаги носят УСЛОВНЫЙ характер, но они могут быть до' некоторой степени оправданы тем, что каждая степень соответствует разрушению определенного вида связи воды в осадке.

Поскольку сушка осуществляется в аппаратах при высокой температуре, то одновременно с интенсивным испарением вла­ги происходит полная дезинфекция осадка.

Кроме перечисленных выше приемов обработки осадков применяется и способ уничтожения их путем сжигания (в тех случаях, когда полезное использование осадков затруднительно И неэкономично).

Компоновка системы полной обработки осадка может быть самой разнообразной, в особенности па станциях малой и сред­ней производительности. Так, стадия сбраживания осадка мо­жет вообще отсутствовать. В этом варианте обезвоживаются сырые осадки, после чего они подвергаются дезинфекции (ком­постированием, облучением, прогреванием и т. п.) либо сжи­гаются. На станциях большой производительности, как правило, устраиваются метантенки с последующим обезвоживанием и сушкой сброженного осадка в естественных или искусственных условиях.

2. Для описания процессов распада органических веществ при сбраживании осадков широко пользуются схемой, предложен­ной Баркером. По этой схеме процесс брожения состоит из двух фаз — кислой и метановой, последовательно сменяющих друг друга и протекающих с одинаковыми скоростями. Первую фазу брожения называют кислой потому, что основным конеч­ным продуктом распада органических веществ являются низшие органические кислоты ряда предельных углеводородов, называемые низшими жирными кислотами (НЖК). К ним относятся кислоты: муравьиная, уксусная, пропионовая, мас­ляная и другие с содержанием до пяти-шести атомов уг­лерода.

Присутствие кислот в среде обусловливает ее кислую реак­цию. Кроме НЖК продуктами распада первой фазы являются
низшие жирные спирты, аминокислоты, некоторые альдегиды
и кетоны, глицерин, а также углекислота, водород, сероводо­род, аммиак и некоторые другие соединения. Осуществляют эту фазу процесса бактерии, относящиеся К факультативным анаэробам (молочнокислые бактерии, уксуснокислые, пропионовокислые и т. п.) и к облигатным анаэробам (маслянокислые бактерии, целлюлозные, ацетонобутиловые и др.).

Вторую фазу процесса называют щелочной, или метановой. Реакция среды в этой фазе щелочная (рН = 7,6^8). Продукты распада первой фазы перерабатываются бактериями второй фазы брожения с образованием в основном углекислоты и ме­тана. Бактерии этой фазы — облигатные анаэробы. Выделено сравнительно немного чистых культур метанообразующих бак­терий. В основном они относятся к трем родам — метанобак-териям, метаносарцинам и метанококкам.

Поскольку скорости процессов в обеих фазах одинаковы, то в сбраживаемой массе не происходит накапливания продуктов первой фазы и они обнаруживаются лишь в небольшом коли­честве. Однако, если имеют место какие-либо нарушения тех­нологического режима, то среда становится кислой, поскольку в первую очередь гибнут наиболее чувствительные ко всякого рода нежелательным изменениям бактерии метановой фазы про­цесса. Осадок в этом случае приобретает крайне неприятный запах, обусловленный наличием кислот, спиртов, производных сероводорода и меркаптанов. Происходит «закисание» метан-тенка.

Контроль процессов метанового брожения включает систе­му замеров и анализов твердой, жидкой и газообразной фаз. Замер количества поступающих осадков и активного ила по объему позволяет рассчитать суточную дозу загрузки метан-тенка по объему Д, %• Общий объем метантенка принимают за 100%. Объем поступающих осадков за сутки, выраженный в про­центах от общего объема метантенка, и составляет объемную дозу загрузки сооружения. Эта величина может быть выражена либо в процентах от полного объема метантенка, либо в долях от единицы его объема, т. е. в м³ осадка, приходящегося на 1 м³ объема за сутки. Например, если доза Д=8%, то второй вариант выражения этой величины 0,08 м³/(м³-сут).

Принимают, что в процессе сбраживания объем осадка и общее количество поступившей в метантенк воды не изменя­ются. Таким образом, в учете пренебрегают количеством влаги, поступающим с перегретым паром (используемым для нагрева сбраживаемой массы), а также теряющимся с удаляемыми га­зами брожения.

Не реже 1—2 раз в неделю для поступающих и сброженных осадков выполняют анализы с определением их влажности и зольности. Зная влажность и зольность исходных осадков, а также Д, %, нетрудно подсчитать дозу загрузки метантенка по беззольному веществу Дбз. Эта величина, измеряемая в кило­граммах беззольного вещества, приходящегося на 1 м³ объема сооружения за сутки, аналогична нагрузке на единицу объема, определяемой для аэротенков. В зависимости от вида загру­жаемых осадков и их характеристик по влажности и зольности, величина Дбз колеблется в широких пределах: для мезофиль-ного режима сбраживания от 1,5 до б кг/(м³-сут), а для термо­фильного— от 2,5 до 12 кг/(м³-сут).

В процессе сбраживания от 35 до 55% органического ве­щества распадается с выделением продуктов в газ и иловую воду. По современным представлениям газы брожения продуци­руют только жиро-, белково- и углеводоподобные соединения. При распаде остальных органических компонентов осадков про­дукты распада переходят в растворенную фазу, т. е. в иловую во­ду. В результате процессов брожения увеличивается влажность и зольность осадков.

Исследованиями установлено, что больше всего газа обра­зуется при сбраживании жироподобных веществ, меньше все­го — при распаде белковоподобных. Количественная оценка по выходу газа получена из следующих соображений. При сбра­живании, например, жироподобных соединений (ж) выделя­ется 1250 мл газов с 1 г распавшихся веществ. В составе газов находится 68% метана и 32% углекислоты. Плотность газа указанного состава составляет 1,05 г/л. Следовательно, при распаде 1 г жироподобных веществ выделяется газов (по мас­се): 1,25-1,05=1,31 г/г. Превышение массы образовавшихся газов над массой исходного вещества объясняется участием воды в реакциях брожения. Далее было установлено, что био­химическим путем жироподобные вещества не могут быть сбро­жены полностью (на 100%). Существует своеобразный предел сбраживания, по достижении которого дальнейший распад ве­щества, если он и имеет место, не сопровождается выходом газа. Для жироподобных соединений этот предел определяется равным 70%- Таким образом, при распаде 1 г загружаемых в метантенк жироподобных веществ максимально может обра­зоваться газов 1,31-0,7=0,92 г/г. Для углеводоподобных ве­ществ у найдено, что с 1 г может быть получено 790 мл газов со­става 50% СН₄ и 50% СОг с плотностью этой смеси 1,25 г/л. Найдено, что предел сбраживания углеводоподобных веществ составляет 62,5%, а следовательно, при распаде 1 г этих ве­ществ может образоваться 0,62 г газов. При сбраживании белковоподобных веществ б выход газов составляет 704 мл/г. Со­став газов: 71% СН₄ и 29% СОг с ПЛОТНОСТЬЮ газов 1,01 г/л. Предел сбраживания составляет 48%- lit них данных следует, что с 1 г загруженных белковоподобных веществ может быть получено 0,34 г газов.

Поскольку никакие другие органические компоненты газов не образуют, то, зная содержание газообразующих компонен­тов, нетрудно подсчитать теоретически ожидаемый максималь­но возможный ВЫХОД газа, или предел сбраживания

а = 0,92ж + 0,62у -f 0,346,

где ж, у и б длим в граммах на 1 г массы загружаемого осадка.

При эксплуатации метантенков химический анализ осадков на содержание газообразующих компонентов, а также фосфа­тов, СПАВ, азота общего выполняют обычно 1 раз в квартал (реже 1 раз в месяц). Анализ делают из средних проб, наби­раемых за период исследования. Используют высушенные осад­ки, остающиеся после определения влажности.

Учет количества газов брожения производится непрерывно использованием приборов автоматической регистрации. Хи­мический анализ состава газов выполняют 1 раз в декаду или В месяц. Определяют СН₄, Н₂, С0₂, N₂, 0₂ и др. Если процесс проходит устойчиво, то содержание Н₂ — продукта первой фа-ti.i брожения — не должно превышать 2%, содержание С0₂ должно быть не более 30—35%. При этом кислород должен отсутствовать, так как указанный процесс строго анаэробный. Присутствие кислорода обнаруживается только из-за несоблю­дения полной изоляции от атмосферного воздуха приборов, при­меняемых для анализа. Количество метана обычно составляет 60—65%, азота — не более 1—2%. Если обычные соотношения в составе газов изменяются, то причины следует искать в на­рушении режима брожения.

Глубокие и длительные изменения в составе газов, выра­жающиеся в уменьшении процентного содержания метана и увеличении содержания углекислоты, могут быть свидетельст­вом «закисания» метантенка, что обязательно отразится и на химическом составе иловой воды. В ней в большом количестве появятся продукты кислой фазы, в частности НЖК, при одно­временном снижении щелочности иловой воды, определяемой, кроме, НЖК, содержанием карбонатных и гидрокарбонатных

соединений.

При устойчивом режиме брожения содержание НЖК в ило­вой воде находится на уровне 5—15 мг-экв/л, а величина ще­лочности — 70—90 мг-экв/л. Сумма всех органических кислот определяется через эквивалент уксусной кислоты, а щелоч­ность — через эквивалент гидрокарбонат-иона.

Химический состав иловой воды определяют 1—3 раза в не­делю (по графику определения влажности осадков). В иловой воде, кроме того, определяют содержание азота аммонийных солей, появляющегося вследствие распада белковых компонен­тов. При нормальной работе метантенка концентрация азота аммонийных солей в иловой воде составляет от 500 до 800 мг/л. По данным анализов и замеров делают ряд расчетов, в ре­зультате которых определяют Д и Дъ₃, процент распада без­зольного вещества осадков Pq₃ (учтенный по изменению влаж­ности и зольности), а также по выходу газа Р_г, выход газа с 1 кг загруженного сухого вещества и 1 кг сброженного без­зольного вещества и расход пара на 1 м³ осадка.

3. В зависимости от схемы и состава сооружений очистной станции на обезвоживание и сушку могут быть поданы осадок из первичных отстойников и активный ил — раздельно или в смеси, сырыми или сброженными. Все указанные разновидно­сти осадков резко отличаются друг от друга по качеству— со­держанию воды, химическому составу, физическим свойствам. В процессе обезвоживания и сушки удаление влаги проис­ходит в результате последовательного разрушения связей воды с твердой фазой с последующим механическим разделением двух фаз—тв.ердой и жидкой. Всю содержащуюся в осадках влагу подразделяют (по классификации П. А. Ребиндера) на следующие категории в зависимости от форм и энергии связей двух фаз: избыточная, осмотическая, вода макропор (удельное сопротивление г>10^_5см), иммобилизованная (захваченная) структурой, вода микропор (г^10^_б см), адсорбционная.

При уплотнении в обычных уплотнителях (под действием сил гравитации) из осадков может быть удалена только избы­точная влага. Количество избыточной влаги, например в ак­тивном иле, составляет до 3% и удаление этой влаги соответст­вует изменению влажности от 99,5 до 96,5%. Путем вакуум-фильтрации кроме избыточной удаляется осмотическая вода и во­да макропор. После вакуум-фильтрации осадки имеют влажность от 75 до 85%, и, следовательно, в осадках находится воды ос­мотической и воды макропор примерно от 10 до 20%. Центри­фугированием с помощью мощных центрифуг с большим чис­лом оборотов можно удалить дополнительно воду, иммобили­зованную структурой. Воды этого вида в осадках немного (порядка 1—2%). Термической сушкой в условиях высоких температур может быть удалена практически вся остальная влага.

Количественное соотношение воды различных форм связи в осадках разных видов неодинаково, а потому и неодинаков тот результат, который достигается применением одного и того же способа обработки для разных осадков. Характеристика ко­личественного распределения воды разных форм связи может быть получена путем специального исследования при сушке образца осадка в изотермическом режиме.

Термографическое исследование образцов пока еще не выш­ло из стадии научного эксперимента, но именно этот метод наи­более перспективен для характеристики гидродинамических и физико-химических свойств осадков, что необходимо для даль­нейшего развития теории процессов обезвоживания и сушки. В настоящее время в качестве одной из основных характе­ристик способности осадков отдавать влагу принимают удель­ное сопротивление фильтрации. Эта величина представляет собой гидродинамическое сопротивление, которое оказывает потоку фильтрата равномерный слой осадка с массой, равной единице, на площади фильтра, также равной единице. Величи­на эта измеряется в см/г. Фильтрация в этом случае должна проходить под вакуумом строго заданной величины.

Чем выше удельное сопротивление, тем труднее осадки от­дают влагу и тем хуже обезвоживаются как в естественных ус­ловиях, так и в различных аппаратах.

Фильтруемость осадков можно улучшить путем промывки очищенной водой, реагентной и тепловой обработки или про­мораживании.

Первый вариант площадок принимается при хорошо фильт­рующих грунтах и при глубоком залегании грунтовой воды. Профильтрованная через слой почвы иловая вода попадает в поток грунтовых вод. Отфильтровывается вода избыточная, а если осадок подвергался промораживанию или длительному воздействию солнечных лучей, то удаляется некоторая часть более прочно связанной воды. Основная же часть влаги на та­ких площадках удаляется из осадка путем испарения.

Осадки, высушенные в естественных условиях, могут иметь влажность 70—80%. Продолжительность сушки зависит от ви­да обрабатываемого осадка, гидрогеологических и климатиче­ских условий, выполнения эксплуатационных требований и т. п. и колеблется от 1 года до 5 лет.

Контроль за процессом сушки проводят путем определения влажности проб осадков, отобранных в нескольких местах площадки и с разных глубин. Кроме того, ведется санитарно-оактсриологический контроль с определением бактерий кишеч­ной палочки и яиц гельминтов. Осадок вывозят на сельскохо­зяйственные поля только после получения удовлетворительного результата санитарного анализа.

При использовании иловых площадок с поверхностным от­водом воды кроме определений, указанных выше для твердой фа 1Ы, периодически контролируют качество иловой воды, передаваемой на повторную обработку. Если эта вода попадает в головные сооружения очистных станций, то она анализиру­ется точно так же, как и вода, поступающая на станцию с объ­екта канализования.

Контроль работы площадок-уплотнителей проводится ана­логично контролю иловых площадок с поверхностным отводом воды.

Обезвоживаниена вакуум-фильтрахвключает кроме основ­ной операции ряд предварительных: промывку осадков очищен­ной водой (для сброженных осадков), уплотнение в отстойни­ках, смешение с реагентами. Контролируются как основная, так и все дополнительные операции.

Количество промывной воды, в качестве которой использу­ют очищенную воду из вторичных отстойников, назначают ис­ходя из величины удельного сопротивления (по рекомендациям СНиП П-32-74). Если удельное сопротивление не измеряют, то принимают соотношение количеств промывной воды и осадка от 2:1 до 4:1. После интенсивного перемешивания, в результате чего из осадка в воду переходят растворенные и коллоидные вещества, а также мелкая взвесь, смесь промывной воды с осадком подается в уплотнитель. Отмытый осадок после уплот­нения в течение 12—18 ч имеет влажность 94—96%; сливная вода с концентрацией взвешенных веществ 1 —1,5 г/л и БПКполн, равной 0,6—0,9 г/л, перекачивается в систему сооружений по очи­стке сточной воды. Оценка качества сливной воды производится по набору показателей и по графику проведения анализов, анало­гичным указанным выше для сточной воды, поступающей на очи­стную станцию с объекта канализования. Определение влажно­сти уплотненного осадка проводится 1—3 раза в сутки с целью более точного дозирования реагентов.

В системе реагентного хозяйства контролируют качество растворов реагентов (хлорного железа и извести) по концент­рации в них активного агента. Тщательный контроль растворов реагентов необходим, так как их избыток не улучшает фильт-руемости осадков, в то же время перерасход дефицитных ве­ществ влечет за собой необоснованное удорожание стоимости эксплуатации.

Работа вакуум-фильтра оценивается величиной производи­тельности аппарата—количеством осадка по сухому веществу, снятым с 1 м² поверхности фильтра за 1 ч, для чего периоди­чески определяют влажность кека. Качество и количество* фильтрата учитывают с целью более полного анализа работы отстойника-уплотнителя, куда его передают для интенсифика­ции процессов уплотнения сброженного осадка. Периодически и при необходимости выполняют санитарно-бактериологиче-ский анализ сброженных осадков.

В технологическом отчете о работе вакуум-фильтров указыва­ют также основные технические данные по каждому фильтру скорость вращения барабана, величину вакуума, вид и частоту обработки ткани и др.

Обезвоживание на центрифугахприменяется на станциях малой и средней производительности.

Характеристика работы этого аппарата включает оценку его производительности по объему переработанного осадка, от­несенному к единице времени (обычно 1 ч), эффективности за­держания сухого вещества, влажности кека и качеству фугата. При центрифугировании, так же как при вакуум-фильтрации, проводят санитарно-бактериологическую оценку осадков.

Кроме технологических характеристик в отчете о работе центрифуг обязательно указываются технические данные аппа­рата — скорость вращения, диаметр входного и сливного патруб­ков и т. п.

Термическая сушка осадков.Наиболее освоенной в эксплу­атации является сушилка барабанного типа, однако в перспек­тиве, по-видимому, большее распространение будут иметь су­шилки фонтанирующего типа (со встречными струями, взве­шенным слоем осадка и т.п.).

Производительность сушилок определяется по массе испа­ряемой влаги в единицу времени из расчета на единицу объ­ема аппарата. Чтобы рассчитать величину производительности, необходимо измерять влажность осадков до и после сушки, что и выполняется не менее 1 раза в сутки. При оценке работы сушилок подсчитывают также затраты тепла на испарение вла­ги, фиксируют температуру топочных газов на входе в сушил­ку и на выходе из нее.

Сушилки фонтанирующего типа часто работают с так на­зываемым «ретуром»—использованием части уже высушенно­го осадка, который подмешивают к осадку, поступающему на сушку. Этот прием используют для уменьшения начальной вла­жности смеси и придания ей свойства сыпучести. При подсче­те производительности сушилки количество и качество ретура учитывается обязательно.

Лекция №10