Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

431

содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэроб-

ными бактериями в процессах брожения. В зависимости от конечно-

го вида продукта различают следующие виды брожения: спиртовое,

пропионовокислое, молочнокислое, метановое и

др.

Конечными про-

дуктами брожения являются спирты, кислоты, ацетон, газы броже-

ния (CO

, H

Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Этот

процесс очень сложный и многостадийный. Механизм его оконча-

тельно не установлен. Считают, что процесс метанового брожения

состоит из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой

фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные

кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, серово-

дород, диоксид углерода и водород. Из этих промежуточных продук-

тов в щелочной фазе образуются метан и диоксид углерода. Предпо-

лагается, что скорости превращений веществ в кислой и щелочной

фазах одинаковы.

Основная реакция метанообразования может быть записана урав-

нением (H

A — органическое вещество, содержащее водород):

СО

+4Н

А -»СН

+4 А+2Н

0. (11.232)

Возможны и другие реакции (в. присутствии и при отсутствии

водорода):

СО+ЗН

->СН

+Н

О, (11.233)

4СО+2Н

0->ЗС0

+СН

. (11.234)

Метан может образовываться в результате распада уксусной кис-

лоты:

COOH -»СН

+С0

, С0

+4Н

-»СН

+2Н

0. (11.235)

При очистке сульфатсодержащих промышленных стоков процесс

протекает при участии сульфатвосстанавливающих бактерий:

5AH

+S0

-->5A+H

S+4H

0. (11.23*)

При денитрификации в анаэробных условиях:

6 АН

+2NO

" -»6 А+6Н

0+N

. (11.237)

При определенных условиях конечным продуктом может быть и

аммиак.

Процесс брожения проводят в метангенках — герметически закры-

432

Рис. II-80. Метантенк:

— корпус; 2 —

труба; 3 — мешалка; 4 — змеевик

тых резервуарах, оборудованных

приспособлениями для ввода не-

сброженного и вывода сброжен-

ного осадка. Схема метантенка

показана на рис 11.80. Перед по-

дачей в метантенк осадок должен

быть по возможности обезвожен.

Основными параметрами

аэробного сбраживания являют-

ся температура, регулирующая интенсивность процесса, доза загрузки

осадка и степень его перемешивания. Процессы сбраживания ведут-

ся в мезофильных (30-35°С) и термофильных (50-55°С) условиях.

Полного сбраживания органических веществ в метантенках достичь

нельзя. Все вещества имеют свой предел сбраживания, зависящий

от их химической природы. В среднем степень распада органичес-

ких веществ составляет около 40%.

Для достижения высокой степени анаэробного сбраживания не-

обходимо соблюдать по возможности высокую температуту процес-

са, концентрацию беззольного вещества более 15 г/л, интенсивную

степень перемешивания, рН среды 6,8-7,2. Снижает эффективность

сбраживания присутствие катионов тяжелых металлов (меди, нике-

ля, цинка), избыток ионов NH

, сульфидов, некоторых органичес-

ких соединений и в том числе детергентов.

Существуют предельно допустимые концентрации токсичных ве-

ществ, при которых возможно метановое брожение, например:

Вещество Толуол Ацетон Бензол XpoNr(Cr

ZCr

) Медь

ПДК, мг/л 200 200 200 25/3 25

Процесс брожения сточных вод ведут в две ступени. При этом

часть осадка из второго метантенка возвращают в первый. В первой

ступени обеспечивают хорошее перемешивание. При сбраживании

выделяются газы, которые в среднем содержат 63-65% метана, 32-

34% CO

. Теплотворная способность газа 23 МДж/кг. Его сжигают в

топках паровых котлов. Пар используют для нагрева осадков в ме-

тантенках или для других целей. Сбраживание в метантенке осадка

промышленных сточных вод из-за высокого содержания влаги, со-

433

лей металлов и детергентов необходимо производить при снижении

нагрузки на 25-50%.

Максимально возможное сбраживание беззольного вещества осад-

ка (в %) определяют по формуле:

а = (0,92ж+0,62у+0,346)100, (II 238)

а для смеси осадков

=(0,53Q

+0.44U

)/K

, (11.239)

где ж, у, б — содержание соответственно жиров, углеводородов и

белков, г/г беззольного вещества осадка; Q

, U

, К

бз

— образование

соответственно беззольного вещества осадка, ила, смеси осадков, т/сут.

10.7. Обработка осадков

В процессе биохимической очистки в первичных и вторичных

отстойниках образуются большие массы осадков, которые необходи-

мо утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязне-

ния биосферы. Эти операции весьма затруднены, поскольку осадки

имеют разный состав и большую влажность. Их подразделяют на

три группы: I) осадки в основном минерального состава; 2) осадки в

основном органического состава; 3) смешанные осадки, содержащие

как минеральные, так и органические вещества.

Осадки характеризуются содержанием сухого вещества (в г/л или

в %); содержанием беззольного вещества (в % от массы Cy

Xoro веще-

ства); элементным составом; кажущейся вязкостью

текучестью, гра-

нулометрическим составом.

Как правило, осадки сточных вод представляют собой трудно-

фильтруемые суспензии. Во вторичных отстойниках в осадке нахо-

дится в основном избыточный активный ил, объем которого в 1,5-2

раза больше, чем объем осадка из первичного отстойника. Удельное

сопротивление осадков сточных вод изменяется в широких преде-

лах. Для сырого активного ила г = 72 10

—7860-IO

см/г. Этот пока-

затель является одним из определяющих для выбора метода обработ-

ки осадков.

В осадках содержится свободная и связанная вода. Свободная

вода (60-65%) сравнительно легко может быть удалена из осадка,

связанная вода (30-35%) — коллоидно-связанная и гигроскопичес-

кая — гораздо труднее. Коллоидно-связанная влага обволакивает твер-

дые частицы гидратной оболочкой и препятствует их соединению в

434

крупные агрегаты. Некоторое количество этой влаги удаляется после

коагуляции в процессе фильтрования.

Коагулянты положительно заряженными ионами нейтрализуют

отрицательный заряд частицы осадка. После этого отдельные твер-

дые частицы освобождаются от гидратной оболочки и соединяются

вместе в хлопья. Освобожденная вода легче фильтруется. Разрушить

гидратную оболочку- можно кратковременной термической обработ-

кой. Полное удаление влаги достигается в процессе высокотемпера-

турной сушки. Для обработки и обезвреживания осадков использу-

ются различные технологические процессы, которые представлены

на рис. П-81.

Уплотнение активного ила. Уплотнение осадков связано с уда-

лением свободной влаги и является необходимой стадией всех тех-

нологических схем обработки осадков. При уплотнении удаляется в

среднем 60% влаги и масса осадка сокращается в 2,5 раза. Наиболее

трудно уплотняется активный ил. Влажность активного ила состав-

ляет 99,2-99,5%. Взвешенные частицы ила имеют небольшой раз-

мер и ПЛОТНУ

гидратную оболочку; которая препятствует уплотне-

Осадок

Рис. П-81. Схема процессов обработки осадка

435

нию частиц. Уплотнение активного

ила

сопровождается ростом удель-

ного сопротивления при фильтровании.

Для уплотнения используют гравитационный, флотационный,

центробежный и вибрационный методы.

Гравитационный метод уплотнения является наиболее распрост-

раненным и применяется

для

уплотнения избыточного активного ила

и сброженных осадков. Он основан на оседании частиц дисперсной

фазы. В качестве илоуплотнителей используют вертикальные или ра-

диальные отстойники. Наибольшее распространение получили ило-

уплотнители радиального типа, так как в них активный ил получа-

ется более высокой концентрации при меньшей длительности уплот-

нения.

Гравитационное уплотнение не эффективно: наблюдается высо-

кая концентрация взвешенных веществ

отделяемой воде и большая

влажность уплотненных осадков, что удорожает последующую их

обработку: Для интенсификации процесса ИСПОЛЬЗУЮТ: коагулирова-

ние осадков, например обрабатывают осадок хлорным железом; пе-

ремешивание с помощью стержневых мешалок; совместное уплот-

нение различных видов осадков, например, совместное уплотнение

сырого осадка из первичного отстойника и активного ила; термогра-

витационный метод, который основан на нагревании иловой жидко-

сти. При этом гидратная оболочка вокруг частиц активного ила раз-

рушается, часть связанной воды переходит в свободную, и процесс

уплотнения улучшается. Оптимальная температура нагрева 80-90°С.

Флотационный метод уплотнения осадков основан на прилипа-

нии частиц активного ила к

пу зырькам

воздуха и всплывании вмес-

те с ними на поверхность. Для образования пузырьков воздуха мо-

жет быть использован метод напорной флотации, вакуум-флотации,

электрофлотации и биологической флотации (за счет развития

жиз-

недеятельности микроорганизмов при подогреве осадка до 35-55°С).

Достоинства метода состоят в сокращении продолжительности про-

цесса и более высокой степени уплотнения.

Наибольшее распространение на практике получила напорная

флотация. При этом в осадок активного ила подается определенное

количество воды, предварительно насыщенной воздухом под давле-

нием до 0,4 МПа. При снижении давления выделяется растворен-

ный воздух в виде мелких пузырьков. Схема уплотнения ила флота-

цией показана на рис. II-82, а схема флотационного уплотнителя —

на рис. II-83.

436

Рис. II-82. Схема установки уплотнения флотацией активного ила от обра-

ботки городских сточных вод: 1 — первичный отстойник; 2 — аэротенк; 3 —

вторичный отстойник; 4 — уплотнитель осадка из первичного отстойника; 5 —

флотатор; 6 — емкость для уплотненного ила

Уплотненный

активный ил

Активный ил

Водовоздушная

смесь

> Вода

Рис. II-83. Флотационный уплотнитель: 1 — ввод водовоздушной смеси; 2 —

вв,од исходного ила; 3 — дырчатая труба; 4 — распределительное устройство; 5 —

трубопровод для удаления осветленной жидкости; 6 — трубопровод для опоррж-

нения уплотнителя; 7 — скребок; 8 — лоток

437

Рабочую жидкость подают по трубопроводам в нижнюю часть

распределительного устройства. Сфлотированный

ил

собирают скреб-

ком, выполненным в виде спирали Архимеда, в периферийный ло-

ток. Расход воздуха на уплотнение составляет 50-60 л/м

. Влажность

уплотненного ила достигает 94,5-95%. Продолжительность уплот-

нения составляет 3-4 ч.

Сгущение активного ила проводят в гидроциклонах, центрифу-

гах и сепараторах. Процессы протекают в поле центробежных сил

при высоких скоростях разделения.

Стабилизация осадков. Этот процесс проводят для разрушения

биологически разлагаемой части органического вещества на диок-

сид углерода, метан и воду. Стабилизацию ведут

при

помощи микро-

организмов в анаэробных и аэробных условиях. В анаэробных усло-

виях проводится сбраживание в септиках, двухъярусных отстойни-

ках, осветлителях-перегнивателях и метантенках. Септики и отстой-

ники используют на установках небольшой производительности.

Наиболее широкое распространение получили метантенки, рассмот-

ренные ранее.

Высокая влажность и большое содержание белка в активном иле

приводят к низкому

выходу газа при анаэробном сбраживании. Ис-

ходя из этого, выгоднее в метантенках сбраживать один сырой оса-

док из первичных отстойников, а активный ил подвергать аэробной

стабилизации. Аэробная стабилизация заключается

продолжитель-

ной обработке ила в аэроционных сооружениях с пневматической,

механической или пневмомеханической аэрацией. В результате та-

кой обработки происходит распад (окисление) основной части био-

разлагаемых органических веществ (до CO

, H

O и NH

). Оставшие-

ся органические вещества становятся неспособными к загниванию,

т. е. стабилизируются. Расход килорода на процесс стабилизации

приблизительно равен 0,7 кг/кг органического вещества,

Аэробную стабилизацию можно проводить и для смеси осадков

из первичного отстойника и избыточного активного ила. Эффектив-

ность процесса аэробной стабилизации зависит

от его

продолжитель-

ности, интенсивности аэрации, температуры, состава и свойств окис-

ляемого осадка.

Разрушение клеточного вещества происходит по реакции:

+50

->5C0

+2H

0+NH

(11.240)

затем NH

окисляется до NO

438

Очищенная вода

Рис. II-84. Схемы установок (д, б) аэробной стабилизации активного ила: 1 —

аэротенки; 2 — вторичные отстойники; 3 — илоуплотнитель; 4 — стабилизаторы

Недостаток процесса по сравнению со сбраживанием — высо-

кие затраты на аэрирование. Применять аэробную стабилизацию

рекомендуется на сооружениях производительностью не более 80-

100 тыс. м

/сут.

Стабилизацию можно проводить по двум схемам (рис. II-84). В

схеме а в стабилизатор подают уплотненный избыточный активный

ил, а стабилизированный осадок поступает на последующую обра-

ботку*. В схеме б в стабилизатор подают избыточный ил из вторич-

ных отстойников. Из стабилизаторов осадок поступает в уплотни-

тель. Часть осадка возвращают в стабилизатор.

Продолжительность стабилизации неуплотненного избыточного

активного ила 7-10 сут; удельный расход воздуха 1 м

/(м

ч). Для

смеси сырого осадка ила продолжительность стабилизации 10-

12 сут, а удельный расход воздуха 1,2-1,5 м

/(м

ч).

Кондиционирование осадков. Этот процесс предварительной

подготовки осадков перед обезвоживанием или утилизацией прово-

дят для снижения удельного сопротивления и улучшения водоотда-

ющих свойств осадков вследствие изменения их структуры и форм

связи воды. От условий кондиционирования зависит производитель-

ность аппаратов обезвоживания, чистота отделяемой воды и влаж-

ность обезвоженных осадков. Кондиционирование проводят реаген-

тными и безреагентными способами.

При реагентной обработке осадка происходит коагуляция — про-

цесс агрегации тонкодисперсных и коллоидных частиц. Образова-

ние при этом крупных хлопьев с разрывом сольвентных оболочек и

439

изменением форм связи воды способствует изменению структуры

осадка и улучшению его водоотдающих свойств. В качестве коагу-

лянтов используют соли железа, алюминия [FeSO

, Fe

(SO

)

, FeCl

(SO

)

] и известь. Эти соли вводят в осадок в виде 10%-х раство-

ров. Могут быть также использованы отходы, содержащие FeCl

(SO

)

и др. Наиболее эффективным является применение хлор-

ного железа совместно с известью. Доза хлорного железа составляет

5-8%, извести 15-30% (от массы сухого вещества осадка). Недостат-

ком реагентной обработки яшгяется высокая стоимость, повышенная

коррозия материалов, сложность транспортирования, хранения и

дозирования реагентов.

Осадки, сброженные

термофильных условиях, имеют более вы-

сокое удельное сопротивление, при их обезвоживании требуются по-

вышенные дозы коагулянтов, так как при сбраживании растет ще-

лочность осадка. Для снижения щелочности осадка и уменьшения

расхода коагулянтов, осадки предварительно промывают водой

спе-

циальной аэрируемой камере.

Вместо коагулянтов можно использовать

флокулянты.

Для

осад-

ков с высоким содержанием органических веществ (25-50%) целе-

сообразно использовать только катионные флокулянты; для осадков

с зольностью 55-65% следует комбинировать катионные и анион-

ные флокулянты; для осадков 65-70% рекомендуют анионные фло-

кулянты.

На практике широко ИСПОЛЬЗУЮТ полиакриламид. В осадок фло-

кулянты вводят в виде растворов концентрацией 0,01-0,5% по ак-

тивной части. Доза флокулянта при обезвоживании осадков фильт-

рованием 0,2-1,5%, при центрифугировании 0,15-0,4% (на сухое ве-

щество). Расход флокулянтов значительно меньше, ПОЭТОМУ' СТОИМОСТЬ

обработки сокращается примерно на

(30%).

К безреагентным методам обработки относятся тепловая обра-

ботка, замораживание с последующим отстаиванием, жидкофазное

окисление, электрокоагуляция и радиационное облучение.

Тепловая обработка. Один из способов — нагревание осадка в

автоклавах до 170-200°С

течение 1ч. За это время разрушается кол-

лоидная структура осадка, часть его переходит в раствор, а осталь-

ная часть хорошо уплотняется и фильтруется. Степень распада орга-

нического вещества зависит от вида осадка и температуры. На рис.

II-8 5 показана схема тепловой обработки осадка.

Осадок из резервуара-накопителя под давлением подают

тепло-

440

Иловая вода и фильтрат

Рис. II-85. Схема установки тепловой обработки осадка: 1 — резервуар; 2,7 —

насосы; 3 — теплообменник; 4 — реактор; 5 — устройство для снижения давле-

ния; 6 — уплотнитель; 8, 9 — аппараты механического обезвоживания

обменник, где он нагревается осадком, прошедшим тепловую обра-

ботку в реакторе. После охлаждения в теплообменнике и снижения

давления осадок

посту пает

в илоуплотнитель, а затем на обезвожи-

вание. Нагревание осадка производят "острым" паром. Удельный

расход пара составляет 120-140

кг

на 1 м

осадка. Уплотняют осадок

в радиальных уплотнителях в течение 2-4 ч. Влажность уплотнен-

ных осадков 93-94%. Обезвоживание производят на вакуум-фильт-

рах и фильтр-прессах.

Достоинства метода: осуществление в реакторе кондициониро-

вания, стерилизации; компактность установки. Недостаток — слож-

ность эксплуатации установки.

Метод замораживания и оттаивания имеет ограниченное при-

менение. Его сущность заключается в том, что при замораживании

часть связанной влаги переходит в свободную, происходит коагуля-

ция твердых частиц осадка и снижается его удельное сопротивле-

ние. При оттаивании осадки образуют зернистую структуру, их вла-

гоотдача повышается. Замораживание проводят при температуре от

-5 до -IO

C в течение 50-120 мин.

Для замораживания используют аммиачные холодильные маши-

ны. На рис. II-86, а показана схема установки для замораживания и

оттаивания осадка.

В резервуары с осадком подают жидкий аммиак, который, испа-

ряясь в трубах, замораживает осадок. Пары аммиака поступают в

компрессор, сжимаются и проходят теплообменник, где пары кон-

денсируются с выделением тепла. В резервуаре происходит оттаива-