Схемы обработки и утилизации осадков городских сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Согласно ГОСТ 25150-82 «Канализация. Термины и определения» городские сточные воды - это «смесь бытовых и промышленных сточных вод, допущенных к приёму в городскую канализацию».

Наиболее часто для обработки городских сточных вод применяют методы механической и/или биологической очистки. Современные очистные сооружения имеют высокую эффективность очистки стоков. Осадки сточных вод образуются как побочный продукт очистки, который можно использовать в качестве источника энергии и биомассы.

Состав и свойства осадков весьма разнообразны. Условно осадки можно разделить на три основные категории - минеральные осадки (песок, глинистые частицы, масла, кислоты, щелочи, соли и т.п.), органические осадки (бытовые отходы, нефтепродукты, волокна растений и т.п.) и избыточные активные илы (смесь биомассы микроорганизмов (дрожжевые и плесневые грибы, водоросли и т.п.) и загрязняющих веществ в виде растворов, коллоидов, взвешенных веществ).

Основные задачи современной технологии обработки осадков состоят в уменьшении их объема и в последующей переработке в безвредный продукт, не вызывающий загрязнения окружающей среды.

Прежде чем направить осадки сточных вод на переработку или утилизацию, их подвергают предварительной обработке для получения шлама, свойства которого обеспечивают возможность его утилизации или переработки с наименьшими затратами энергии и загрязнениями окружающей среды.

Химическая и санитарная характеристика осадков зависит от вида (состава) сточных вод и от применяемого метода очистки.

Обычно осадки городских сточных вод имеют смешенный состав с преобладанием органической части. Органическая, или беззольная, часть в осадке составляет 65-75% от массы сухого вещества, а зольность осадка составляет 25-30%. Основные компоненты беззольной части: белково-, жиро- и углеводоподобные вещества, составляющие в сумме 80-85%, а 15-20% приходится на долю лигниногумусового комплекса веществ. Как правило, в беззольной части преобладают жироподобные вещества и углеводы. Также осадки ГСВ содержат токсичные вещества (соли тяжёлых металлов, токсичную органику и др.) и различные виды микрофлоры, что требует специальной обработки или захоронения.

1. Обработка осадков сточных вод

Высокое содержание органических веществ в осадках городских сточных вод обуславливает их способность быстро загнивать, что вызывает необходимость предварительной обработки осадков перед утилизацией.

В зависимости от свойств осадков и других факторов могут быть использованы следующие методы обработки осадков:

уплотнение в илоуплотнителях для снижения влажности до 97%, но при этом некоторые виды осадков снижают водоотдающую способность;

кондиционирование осадков для улучшения реологических и водоотдающих свойств (реагентная обработка, термическая обработка - для осадков с высоким содержанием органических веществ, замораживание с последующим оттаиванием);

обезвоживание осадков до влажности 70% (при использовании современных технологий возможно достижение влажности 65%);

термическая сушка для снижения влажности до 20-25% (производится в сушилках различного типа);

высокотермическая сушка с возможностью последующего сжигания в многотопливном котле.

Таблица 1

Методы обработки осадков

Метод	Результат обработки
	обезвоживание	стабилизация	обеззараживание
Гравитационное уплотнение	+	-	-
Флотация	+	-	-
Анаэробное сбраживание: - мезофильное - термофильное	- -	+ +	- +
Аэробная стабилизация	-	+	-
Компостирование	-	+	+
Сушка на иловых площадках	+	-	-
Вакуум-фильтрация	+	-	-
Фильтр-прессование	+	-	-
Центрифугирование	+	-	-
Тепловая обработка	-	+	+
Термическая сушка	+	+	+
Сжигание	+	+	+

Рис. 1. Технологический цикл обработки осадков сточных вод.

Для правильной обработки осадка существует 2 классических метода обработки, которые наиболее часто применяются:

аэробная стабилизация: происходит в открытом шламовом баке (аэротенк) при нагнетании воздуха; необходимое условие - достаточное пространство; аэрация и перемешивание предполагают большую потребность в энергии, чем в случае с анаэробной стабилизацией;

анаэробная стабилизация: в отношении расходов, эффективности использования энергии и защиты окружающей среды, анаэробная стабилизация осадка - это лучшее решение для очистных сооружений средней и большой производительности; кроме того, биогаз, образующийся в результате контролируемого сбраживания, можно использовать для получения энергии.

В зависимости от индивидуальных требований, предъявляемых к очистным сооружениям, оптимального результата можно достичь также при двойной стабилизации, которая включает в себя сочетание обоих процессов.

2. Стабилизация осадков городских сточных вод

Стабилизация осадков - это процесс обработки осадков, в результате которого происходит распад органического вещества в осадке до простых веществ, которые имеют длительный период ассимиляции с окружающей средой.

Стабилизация осадков используется для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества, что предотвращает загнивание осадков при длительном хранении на открытом воздухе (сушка на иловых площадках, использование в качестве сельскохозяйственных удобрений и т.п.).

Основная задача стабилизации - это получение конечного продукта, свойства которого обеспечивали бы возможность его утилизации или сводили бы к минимуму ущерб, наносимый окружающей среде. Стабилизация проводится для уменьшения объёма осадка и его обеззараживания.

Согласно своду правил СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения» (актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85) в пункте 9.2.14.6 предписано: «Осадки очистных сооружений с нагрузкой свыше 50 тыс. ЭКЖ, что соответствует 15-20 тыс.м3/сутки сточных вод, должны подвергаться стабилизации. Допускается использование биологических, химических, термических и термохимических методов стабилизации. Стабилизации могут подвергаться жидкие, либо обезвоженные (либо подсушенные в естественных условиях) осадки сточных вод».

Методы стабилизации:

термические и термохимические методы;

химическая (или реагентная) стабилизация;

биологический метод:

- для жидких осадков:

анаэробная стабилизация (метановое сбраживание);

аэробная стабилизация;

- для осадков обезвоженных механическим способом, а также для осадков, подсушенных в естественных условиях:

биотермическая стабилизация (или компостирование).

Методы стабилизации, которые наиболее часто применяются на практике.

Химическое обеззараживание (или реагентная стабилизация) осадков проводится известью, аммиаком, тиазоном, формальдегидом или мочевиной. Одновременно повышается удобрительная ценность осадков. Для обеззараживания известью температура 60°С достигается при дозах извести более 30%. Количество какого-либо реагента может меняться в зависимости от состава осадка, метода обработки, температуры и др. Для обеззараживания используется молотая известь, которая смешивается с осадком в двухвальном лопастном смесителе. Добавление извести повышает величину рН до 10 и более, при этом осадок теряет запах, подавляется активность микроорганизмов. Применение извести, аммиака, тиазона, формальдегида или мочевины позволяет использовать их двойное действие - на осадок и на почву, что приводит к снижению эксплуатационных затрат на обеззараживание осадка и подготовку его к утилизации в качестве удобрения. Т. е. остаточное содержание в осадке этих веществ останавливает реактивацию патогенных микроорганизмов и поддерживает стабильность осадка.

Стабилизация радиационным термическим нагреванием. Для этого способа стабилизации осадка используется установка, которая состоит из ленточного конвейера с приёмным бункером и газовых горелок инфракрасного излучения. Для создания слоя осадка толщиной 10-25 мм бункер оборудован подвижными стенками и регулировочными валами. Температура прогревания осадка регулируется скоростью движения ленты, числом работающих горелок и толщиной слоя осадка. При движении по конвейеру осадок нагревается до температуры 60-650С. Теоретическое количество теплоты, которое максимально требуется на стабилизацию 1 м3 осадка, обезвоженного до 80%-ной влажности, при нагреве осадка до 600С составляет 560 МДж. Этот метод стабилизации рекомендуется для обеззараживания осадков перед использованием их в качестве удобрения на станции аэрации с производительностью сточных вод до 20-30 тыс. м3/сут.

Биотермическая обработка (компостирование) осадка осуществляется под действием аэробных микроорганизмов (биотермический процесс разложения органических веществ) с целью обеззараживания, стабилизации и подготовки осадка к утилизации в качестве удобрения. В процессе жизнедеятельности аэробных микроорганизмов происходят потребление и расход органических веществ. Процесс компостирования состоит из 2-х фаз. Первая фаза длится в течение 1-3 недель и сопровождается интенсивным развитием микроорганизмов, при этом температура осадка повышается до 50-800С. В этой фазе происходит обеззараживание осадка и сокращение его массы. Вторая фаза - созревание компоста, длится от 2-х недель до 3-6 месяцев и сопровождается развитием простейших организмов, при этом понижается температура до 400С и ниже. Повышение температуры окружающего воздуха интенсифицирует процесс разложения органических веществ. Для создания пористой структуры осадка, требуемой влажности и оптимального соотношения углерода и азота (20...30:1) осадки компостируют совместно с торфом, размолотой древесной корой, листьями, соломой, твердыми бытовыми отходами и т. п. Качество компоста улучшается, если к 1 т смеси добавить 15-20 кг извести и 3 кг калия. В результате проведения процесса биотермической обработки осадка получают компост в виде сыпучего материала с влажностью 40-50%. Готовый компост не имеет запаха, не загнивает и является хорошим удобрением. Также компостирование позволяет существенно сократить топливно-энергетические расходы и улучшить санитарно-гигиенические показатели осадка (вследствие гибели болезнетворных микроорганизмов).

Термическая стабилизация осадков ГСВ предназначается для обеззараживания и снижения массы и объема осадков, предварительно обезвоженных механическим способом. Это обеспечивает эффективное удаление осадков с территории очистной станции и их дальнейшую утилизацию в сельском хозяйстве. Термическая сушка (стабилизация) производится в барабанных и пневматических сушилках, в установках со встречными струями, в сушилках с фонтанирующим слоем и т. п. При термическом режиме 52-560С в течение 5 мин. погибает большинство патогенных бактерий; при температуре 62-740С и времени экспозиции до 30 мин. погибают вирусы. Поэтому термическая стабилизация опасных в санитарном отношении осадков является обязательной стадией их обработки. Термически высушенный осадок представляет собой обеззараженный сыпучий полидисперсный продукт с преобладающим размером частиц 1-7 мм.

Сжигание осадков применяется, если их утилизация невозможна или экономически нецелесообразна. Перед сжиганием необходимо стремиться к максимальному снижению влажности осадков путем их механического обезвоживания. Горению обезвоженных осадков предшествует эндотермический процесс их тепловой подготовки, включающий прогрев материала, испарение влаги и выделение летучих компонентов. В качестве топочных устройств для сжигания осадков сточных вод применяют многоподовые печи, печи с кипящим слоем инертного носителя, а также барабанные печи, слоевые и камерные топки. Процесс сжигания осадков в условиях псевдоожиженного слоя значительно эффективнее, чем в стационарном слое. В качестве инертного материала в кипящем слое применяют кварцевый песок с размером фракций 1-5 мм или фторопласт. Производительность печи по испаряемой влаге составляет 1-2 т/ч. Температура воздуха и газов на входе в печь 600-7000С, в кипящем слое 650-7500С, в топочной камере над кипящим слоем 900-10000С. Нагрузка по испаряемой влаге на 1 м3 объема печи составляет 60-100 кг/ч. Унос золы с отходящими газами 80-100%. Удельный расход тепла 4-4,6 МДж на 1 кг испаряемой влаги, удельный расход электроэнергии 0,04-0,05 кВтч на 1 кг испаряемой влаги.

Аэробная стабилизация осадков сточных вод -- это процесс окисления эндогенных и экзогенных органических субстратов в аэробных условиях. В отличие от анаэробного сбраживания аэробная стабилизация протекает в одну стадию.

Аэробной стабилизации может подвергаться неуплотненный и уплотненный избыточный активный ил и его смесь с осадком из первичных отстойников. При стабилизации только активного ила процесс можно рассматривать как завершающую ступень очистки сточных вод, когда при минимуме растворенных питательных веществ происходит самоокисление клеточного вещества микроорганизмов. Аэробная стабилизация осадков проводится обычно в сооружениях типа аэротенков глубиной 3-5 м. Степень распада органического вещества и продолжительность процесса зависят от соотношения количеств сырого осадка и активного ила, концентрации органических веществ, интенсивности аэрации, температуры и др. Процесс аэробной стабилизации обычно происходит в психрофильно-мезофильной зоне жизнедеятельности микроорганизмов при температуре от 10 до 420С и затухает при температуре менее 80С. Степень распада органических веществ изменяется в среднем от 10 до 50%, при этом жиры распадаются на 65-75%, белки - на 20-30%, а углеводы практически не распадаются. В процессе аэробной стабилизации при мезофильных температурах наблюдается на 70-90% снижение содержания патогенных бактерий и вирусов, однако при этом яйца гельминтов не погибают. Аэробная стабилизация осадков обеспечивает получение биологически стабильных продуктов, хорошие показатели влагоотдачи, простоту эксплуатации и низкие строительные стоимости сооружений. Однако значительные энергетические затраты на аэрацию ограничивают целесообразность использования этого процесса на очистных сооружениях производительностью более 50-100 тыс. м3/сут. Аэробно стабилизированные осадки могут содержать возбудителей инфекционных заболеваний и требуют обеззараживания.

Сравнительная характеристика методов стабилизации осадков городских сточных вод приведена в Приложении №1.

2.1 Анаэробная (метановая) стабилизация

Анаэробное сбраживание органических осадков городских сточных вод применяется для сырых осадков из первичных отстойников, избыточного активного ила или для их смеси. Сброженный осадок направляется на иловые площадки или подвергается механическому обезвоживанию. В процессе метанового анаэробного сбраживания одним из основных продуктов распада органических веществ осадка является газ метан (СН4).

Цель анаэробного сбраживания - стабилизация органических соединений, содержащихся в необработанных отходах. Практически только жиры, белки и углеводы перерабатываемых органических веществ обеспечивают выход газа при анаэробной стабилизации.

Одно из основных преимуществ анаэробного сбраживания -- минимальное образование биологически активных твердых веществ. Другие преимущества заключаются в возможности получения полезных конечных продуктов - горючего газа и сброженного ила. Недостатки анаэробной системы - малая скорость роста микробов и очень высокая (по сравнению с аэробной системой) минимально необходимая для стабильного воспроизводства клеток продолжительность пребывания биологически активных веществ в сооружениях (2-6 суток).

Обычно анаэробную стабилизацию применяют для сбраживания осадков первичных отстойников и избыточного активного ила после очистки бытовых вод и их смесей с некоторыми производственными стоками. В большинстве случаев удается получить достаточно стабилизированный биологически неразлагаемый после обезвоживания осадок, горючий газ и жидкий сток, обычно требующий доочистки (например, окислением в аэробных условиях).

2.2 Стадии анаэробной стабилизации

В основе биохимического процесса метанового брожения лежит способность сообществ микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности разлагать органическую часть осадков сточных вод.

Анаэробное метановое сбраживание включает 4 взаимосвязанные стадии, осуществляемые разными группами бактерий.

1. Стадия ферментативного гидролиза: происходит расщепление органических загрязнений (белков, углеводов, жиров, целлюлозы) на моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты и воду т.е. полимеры превращаются в мономеры. Осуществляется быстрорастущими факультативными анаэробами, оптимальное значение рН для развития этой группы бактерий находится в интервале 6,5-7,5.

2. Стадия кислотогенеза и бета-окисления: происходит дальнейшее преобразование, в результате которого вырабатываются - спирты и кетоны (метанол, этанол, пропанол, бутанол, глицерин и ацетон), кислоты (уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая, капроновая и молочная), газы (двуокись углерода, углекислый газ, сероводород и аммиак). Осуществляется быстрорастущими, весьма устойчивыми к неблагоприятным условиям среды гетерогенными бактериями.

3. Стадия ацетогенеза: бактерии создают из органических кислот уксусную кислоту, двуокись углерода и водород. Осуществляется двумя группами ацетатогенных бактерий.

4. Стадия метаногенеза: уксусная кислота преобразуется метановыми бактериями в метан, двуокись углерода и воду. Осуществляется медленнорастущими бактериями, которые являются строгими анаэробами, весьма чувствительными к изменениям условий среды, особенно к снижению рН менее 7,0-7,5 и температуры.

Рис. 2. Схема анаэробного (метанового) сбраживания осадков: 1 - ферментативные кислотогены; 2 - ацетогены, образующие Н2; 3 - ацетогены, использующие Щ; 4 - метаногены, восстанавливающие СО2; 5 - метаногены, использующие ацетат; I - гидролиз; II - кислотогенез; III - ацетогенез; IV - метаногенез.

Особенность метановой стабилизации осадка заключается в том, что все процессы должны протекать в анаэробном реакторе (метантенке) в строго установленном порядке. Любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса.

3. Метантенк

3.1 Общие положения

Сбраживание осадков в анаэробных условиях (в том числе и осадков после аэробной стабилизации) проводят в метантенке. Рассмотрим устройство, принцип работы, приемы расчета и выбора метантенка.

Метантенк применяется для анаэробного сбраживания осадков сточных вод с целью стабилизации осадков и получения метаносодержащего газа. При этом учитывается объём и состав осадков, наличие веществ, тормозящих процесс сбраживания и влияющих на выход газа.

Метантенк - это сооружение в виде закрытого резервуара емкостью до 7200 м3, в котором в анаэробных условиях (без доступа воздуха) с искусственным подогревом производится биологическая переработка (сбраживание) осадка и избыточного активного ила, которые образуются в результате очистки сточных вод.

В качестве побочного продукта в метантенке выделяется газ (10-16 м3 на 1 м3 осадка), преимущественно метан (СН4), теплотворной способностью 5000-6000 ккал/м3, используемый на подогрев бродящей массы или в качестве топлива в котельной установке.

Метантенк оборудуется приспособлениями для подачи сырого осадка и отвода сброженного осадка и газа, перемешивания и подогрева бродящей массы. Перемешивание осуществляется с помощью насосов, пропеллерных мешалок, гидроэлеваторов, а подогрев - горячей водой или паром.

Метантенк может быть открытого типа или закрытого типа (последний тип метантенка - с жестким или плавающим перекрытием). В сооружении с неподвижным жестким перекрытием (рис. 3) уровень бродящей массы поддерживается выше основания горловины, так как в этом случае зеркало массы мало, велика интенсивность отвода газов и не образуется корка. Для ускорения процесса массу перемешивают и подогревают до температуры 30-40°С (при мезофильном режиме) или до температуры 50-60°С (при термофильном режиме) острым паром низких параметров (0,2-0,46 МПа). Основная циркуляция в метантенке осуществляется пропеллерной мешалкой.

Рис. 3. Метантенк: 1 - газовый колпак для сбора газа; 2 - газопровод от газового колпака; 3 - пропеллерная мешалка; 4 - трубопровод для загрузки (например, сырого осадка и активного ила); 5 - трубопроводы для удаления иловой воды или выгрузки сброженного осадка с разных уровней; 6 - инжектор подачи острого пара для подогрева содержимого метантенка и перемешивания; 7 - трубопровод выгрузки суспензии твердофазных продуктов сбраживания (например, сброженного осадка); 8 - циркуляционная труба; 9 - трубопровод для опорожнения метантенка.

Объём метантенка (Vм) определяют по суточному количеству предназначенной для сбраживания массы (М, м3/сут):

где D - суточная доза загружаемого осадка, % от объема сооружения; D зависит от термического режима обработки и влажности загружаемого осадка.

Типовой метантенк имеет полезный объём одного резервуара 1000-8000 м3. Условно этот объем можно разделить на четыре выполняющие разные функции части: 1 - объем для образования плавающей корки; 2 - объем для иловой воды; 3 - объем для собственно сбраживания; 4 - объем для уплотнения и дополнительной стабилизации осадка при хранении (до 60 суток).

Основными конструктивными элементами метантенков, выполняющими определенные технологические функции, являются: система подачи осадков на сбраживание и выгрузки стабилизированного осадка; система подогрева; система перемешивания бродящей массы; система сбора и отвода выделяющегося газа.

Система подачи и выгрузки осадков. В различных конструкциях метантенков подача осадка на сбраживание может осуществляться через общую для всех метантенков загрузочную камеру или насосом непосредственно в каждый метантенк. Осадок подают в верхнюю зону метантенка, а выгружают из самой нижней точки днища. Максимальное удаление друг от друга трубопроводов подачи и выгрузки предотвращает попадание несброженного осадка в выгружаемую массу. Кроме того, при постоянной выгрузке сброженной массы из нижней части удается замедлить процесс накопления песка, который вместе с осадком из первичных отстойников попадает в метантенк.

Система подогрева осадков. В практике подогрев осадка наиболее часто осуществляют острым паром. Пар низкого давления с температурой 110-112°С подается во всасывающую трубу насоса при подаче и перемешивании осадка или непосредственно в метантенк через паровой инжектор. Инжекторы устанавливаются в каждом метантенке. Забирая в качестве рабочей жидкости осадок из метантенка и подавая смесь его с паром снова в метантенк, паровой инжектор обеспечивает и подогрев осадка, и частичное перемешивание бродящей массы.

Система перемешивания бродящей массы. Перемешивание бродящей массы обеспечивает ее однородность во всем объеме метантенка. С помощью циркуляционных насосов осуществляется циркуляция бродящей массы со дна в верхнюю часть метантенка. Наличие в конструкции метантенка конусного днища предотвращает образование мертвых зон. Перемешивание ведется до тех пор, пока не произойдет полный обмен бродящей массы.

В некоторых конструкциях метантенков для перемешивания используются пропеллерные мешалки, устанавливаемые под уровнем осадка, в трубе, расположенной в центральной части метантенка.

Использование принципа газолифта для перемешивания осадка предполагает забор осадка из-под купола метантенка или из газгольдера и введение его через вертикальные трубки в метантенк. Увеличение глубины подачи газа при одинаковом его расходе повышает эффективность перемешивания.

Система сбора и отвода газа. Для сбора газа на горловине метантенка устанавливают газовые колпаки, от которых прокладывается специальная газовая сеть из стальных труб с усиленной противокоррозионной изоляцией.

В процессе сбраживания осадков выделение газа происходит неравномерно. Для поддержания постоянного давления в газовой сети на тупиковых концах ее устанавливают аккумулирующие газгольдеры. Мокрый газгольдер состоит из резервуара, заполненного водой, и колокола, перемещающегося на роликах по вертикальным направляющим линиям. Вес колокола уравновешивается противодавлением газа. Благодаря этому при изменении объема газа под колоколом давление в газгольдере и газовой сети остается постоянным. Образующийся в метантенках газ используют как топливо. При невозможности сбора газа предусматривают его сжигание, используя специальное устройство -- газовую свечу.

Расчет метантенка заключается в вычислении количества образующихся на станции осадков, выборе режима сбраживания, определении требуемого объема метантенка и степени распада беззольного вещества осадка.

Выбор режима сбраживания (например, термофильный режим) следует производить на основании технико-экономических расчётов, санитарно-эпидемиологических требований и способов дальнейшей обработки осадков.

Рассмотрим один вариант сбраживания осадка - при термофильном режиме.

3.2 Расчет метантенка при термофильном режиме сбраживания

По заданию требуется рассчитать метантенк с термофильным режимом сбраживания, если расход осадка Qос = 500 м3/сут, влажность осадка 96%, количество беззольного вещества осадка 71%, состав органического вещества осадка - жиры Сfat = 0,3 г/г, углеводы Cgl = 0,44 г/г, белки Сprt = 0,12 г/г.

Принимаем сбраживание при термофильном режиме: t = 53єС.

Выбираем дозу загрузки по табл. 2: принимаем суточную дозу смеси, загружаемой в метантенк при влажности 96%: Dmt = 18%.

Рассчитываем объём метантенка по формуле:

Принимаем по табл. 3 количество метантенков n = 3 с диаметром D = 12,5 м и с полезным объёмом каждого метантенка Vф = 1000 м3 по типовому проекту № 902-2-227: высота верхнего конуса Нвк= 1,9 м; высота цилиндрической части Нц= 6,5 м; строительный объём нижнего конуса Ннк= 2,15 м3.

Рассчитываем фактическую дозу загрузки:

Таблица 2

Доза смеси, загружаемой в метантенк

Режим сбраживания	Суточная доза смеси (Dmt, %), загружаемой в метантенк, при влажности смеси (Wmud, %) не более
	93	94	95	96	97
Мезофильный	7	8	8	9	10
Термофильный	14	16	17	18	19

* Примечание: если значение суточной дозы менее чем табл. 2 для заданной влажности осадка, то объём метантенка необходимо откорректировать с учётом дозы загрузки; если значение суточной дозы равно или превышает значения табл. 2 - корректировка не требуется.

Рассчитываем максимально возможное сбраживание (или распад) беззольного вещества Rlim загружаемой смеси осадков по формуле:

Таблица 3

Конструктивные характеристики метантенка

№ типового проекта	Диаметр, D (м)	Полезный объём одного метантенка, (м3)	Высота, (м)	Строительный объём
			верхнего конуса, Нвк	цилин-дрической части, Нц	нижнего конуса, Ннк	здания обслужи-вания	газового киоска
902-2-227	12,5	1000	1,9	6,5	2,15	652	100
902-2-228	15,0	1600	2,35	7,5	2,6	2035	112
902-2-229	17,5	2500	2,5	8,5	3,05	2094	136
902-2-230	20,0	4000	2,9	10,6	3,5	2520	174
Ново-Курьяновская станция	18,0	6000	3,15	18,0	3,5	2700	170
Люберецкая станция	22,6	8000	4,45	16,3	3,7	2000	170

Выход газа из метантенков.

Принимаем выход газа 1 г на 1 г распавшегося беззольного вещества осадка. Плотность газа с = 1 кг/м3. Выход газа в % рассчитываем по табл. 2 и табл. 4 и по формуле:

Удельный выход газа составит:

Таблица 4

Значение коэффициента Kр от влажности загружаемого осадка

Режим сбраживания	Значение коэффициента Kр при влажности загружаемого осадка
	93%	94%	95%	96%	97%
Мезофильный	1,05	0,89	0,72	0,56	0,40
Термофильный	0,455	0,385	0,31	0,24	0,17

Рассчитываем количество загружаемого беззольного вещества (в кг):



где K - количество беззольного вещества в осадке, K = 71%;

г - плотность осадка, г = 1,02 г/см3;

Wmud - влажность осадка, Wmud = 96%.

Съём газа в сутки:

Съём газа с одного метантенка в сутки:

Определение размеров горловины:

а) площадь живого сечения горловины

где Qг - пропускная способность 1 м2 горловины в м3/сут;

принимаем Qг = 700 м3/сут на 1 м2;

б) диаметр горловины

Теплотехнический расчёт:

1) расход тепла на обогрев свежего осадка



гдеK - коэффициент, учитывающий потери тепла через стенки, днище и перекрытие метантенка; при объёме метантенка Vмт = 1000 м3 K = 0,09, при объёме метантенка более 1100 м3 K = 0,10;

Ст - теплоёмкость осадка; Ст = 4,19 кДж/кг0K;

tсб и tос - соответственно температура в метантенке и температура осадка на входе в метантенк, 0С; tсб = 530С и tос = 130С;

2) компенсация теплопотерь всего объёма метантенка (за вычетом добавки свежего осадка); принимаем охлаждение за сутки на 10С:

3) общее потребное количество тепла

4) требуемая расчётная производительность с учётом КПД котельной установки

где з - КПД котельной установки; з = 0,7ч0,8;

5) расчётное потребное количество пара при теплоотдаче 1 кг пара 550 кДж

6) количество тепла, выделяемое при сжигании газа при теплотворной способности газа 5000 ккал/м3

При условии Gт < Gрасч имеем, что 39831000 кДж/сут < 117302500 кДж/сут, следовательно, количество тепла, получаемого при сжигании газа, образующегося в метантенках, недостаточно для поддержания термофильного режима брожения в них, что требует дополнительного подогрева метантенков.

Газгольдеры.

Газ, получаемый в результате сбраживания осадков в метантенках, надлежит использовать в теплоэнергетическом хозяйстве очистной станции.

Для регулирования давления и хранения газа рекомендуется использовать мокрые газгольдеры, емкость которых рассчитывается на 2-х или 4-х часовой выход газа; давление под колпаком 1,5-2,5 КПа (150-250 мм вод. ст.).

Подбираем газгольдеры на основе расчёт метантенков.

Определяем емкость газгольдеров:

,

где ф - время выхода газа; принимаем ф = 3 ч.

Принимаем 3 газгольдера объёмом 300 м3 по типовому проекту № 7-07-02/66 по табл. 5.

Таблица 5

Основные характеристики газгольдеров

№ типового проекта	Объём газгольдера, м3	Внутренний диаметр, мм	Высота, мм	Расход металла, тонн
		резервуара	колокола	газгольдера	резервуара	колокола
7-07-01/66	100	7400	6600	7450	3450	3400	14
7-07-02/66	300	9300	8500	12500	5920	6880	25
7-07-03/66	600	11480	10680	15400	7390	7610	41,4
707-2-5	1000	14500	13700	15400	7390	7610	53
707-2-6	3000	21050	20250	20100	9800	9900	126
707-2-7	6000	26900	26100	24200	11750	12050	192

При удалении осадка в метантенке еще содержится значительное количество биогаза. Перед обезвоживанием биогаз следует удалить. Для этого предусматривается два бассейна-дегазатора.

Инженерные сооружения дегазации представляют собой железобетонные бассейны такой же формы и таких же размеров, как и гравитационные сгустители первичного осадка. Диаметр бассейнов 22 м, высота дегазатора 3,5 м, а полезный объем каждого из бассейнов составляет 1538 м3.

Бассейны дегазации одновременно являются и бассейнами буферного хранения осадка в случае выхода из строя оборудования для обезвоживания или перебоя на очистной станции.

4. Схемы обработки и утилизации осадков городских сточных вод

4.1 Установка анаэробной стабилизации осадков

осадок сточный стабилизация метантенк

Установка анаэробной стабилизации осадков предназначена для использования на очистных сооружениях для анаэробной стабилизации (обработки) осадка и избыточного ила сточных вод города и промышленных предприятий.

В общем виде установка анаэробной стабилизации осадков состоит:

метантенк с емкостью для сбраживания осадка;

коагулятор;

сгуститель стабилизированного осадка с лотком для отвода осветлённой иловой воды;

аэратор;

система трубопроводов для подачи сырого осадка, активного ила, стабилизированного осадка и избыточного биогаза в верхней части емкости для сбраживания;

устройство нагрева сбраживаемого осадка.

Рис. 4. Установка анаэробной стабилизации осадков городских сточных вод.

Описание работы установки анаэробной стабилизации осадка.

Сырой осадок и ил по трубопроводу (8) подают в резервуар-накопитель (9), где производится их нагрев горячей водой от паропровода (64).

Далее осадок и ил по трубопроводу (11) подаются в емкость кислого сбраживания (1). Образующийся при этом биогаз по патрубку (12) подается в компрессор (13), откуда по трубопроводу (14) направляется в нижнюю часть емкости кислого сбраживания (1), где, вместе с паром, подаваемым по трубопроводу (18), вызывает интенсивное перемешивание осадка и ила, обеспечивая повышение интенсивности биохимического процесса.

Часть осадка, забираемого трубопроводом (23) из нижней части емкости кислого сбраживания (1), отсасывается насосом (26) и по трубопроводу (25) подается в трубопровод (11) подачи осадка и ила в емкость (1), что обеспечивает смешение поступающего осадка микрофлорой кислого брожения с одновременным перемешиванием их.

Питательный субстрат, образуемый в автоклаве (17), по патрубку (22) подается также в емкость (1), что повышает скорость биохимических процессов из-за наличия биологически активных веществ.

Осадок, прошедший обработку в емкости (1) кислого сбраживания, по трубопроводу (23) подается в емкость (2) щелочного сбраживания. Биогаз, образующийся в верхней части емкости (2), по патрубку (31) всасывается компрессором (32) и нагнетается по трубопроводу (33) в нижнюю часть емкости (2), что вместе с паром, подаваемым из трубопровода (64), обеспечивает перемешивание осадка в нижней части емкости (2).

Часть осадка из нижней части емкости (2) через трубопроводы (27) и (29) насосом (30), подается в трубопровод (23) подачи осадка из емкости (1) в емкость (2), где производится смешение поступающего осадка микрофлорой метанового брожения в емкость (2), прошедшей обработку микрофлорой, что ускоряет биохимические процессы.

Избыток воды по трубопроводу (36) отводится из емкости (2). Питательный субстрат из автоклава (17) по трубопроводам (21) и (24) подается в трубопровод (23) и далее в емкость (2), что интенсифицирует биохимический процесс. Для ускорения перевода из кислой среды в щелочную среду трубопровод (23) подачи осадка из емкости (1) кислого сбраживания в емкость (2) щелочного сбраживания соединен с помощью патрубка (47) с резервуаром (48) с негашеной известью (СаО).

Осадок из нижней части емкости (2) по трубопроводу (27) направляется в емкость (3) щелочного дображивания.

Биогаз, образующийся в емкости (3), через патрубок (37) компрессором (38) через трубопровод (39) подается в нижнюю часть емкости (3). По трубопроводу (64) в нижнюю часть емкости (3) подается пар, что одновременно вызывает нагрев смеси и ее перемешивание, что увеличивает интенсивность биохимического процесса. Часть биогаза через патрубки (15), (34) и (40) направляется на утилизацию.

Осадок из нижней части емкости (3) через трубопровод (43) подается в циклонную насадку (6), где смешивается с атмосферным воздухом через верхнюю часть насадки, коагулирующим веществом, поступающим по патрубку (51), уплотненным осадком, подаваемым из нижней части сгустителя (5) по патрубку (50), через насос (20) и трубопровод (49). Смесь из насадки (6) разбрызгивается в емкость (4) коагуляции, где мешалкой (53) производится перемешивание смеси. Часть уплотненного осадка через донное отверстие (55) направляется на днище сгустителя (5), а часть через окно (56) направляется вверх, проходит взвешенный слой осадка, дополнительно сгущается, происходит его уплотнение и опускание на днище сгустителя (5).

Отражательный экран (58) предотвращает взмучивание осадка, а направляющая коническая обечайка (57) обеспечивает фильтрацию осадка во взвешенном слое по расширяющемуся вверх каналу, что повышает эффективность фильтрации во взвешенном слое.

Осветленная вода из лотка (59) через трубопровод (60) отводится из сгустителя (5).

Уплотненный осадок из нижней части сгустителя (5) через трубопровод (50) и насос (20) направляется на приспособление (7) для механического обезвоживания, откуда обезвоженный стабилизированный осадок подается в бункер (62). Фугат отводится из приспособления (7) по трубопроводу (61).

Технико-экономическая эффективность установки анаэробной стабилизации заключается в повышении производительности за счет интенсивности биохимических процессов, благодаря раздельной обработке осадка последовательно в емкости кислого сбраживания и емкости щелочного сбраживания, а также систем рециркуляции биогаза и ила индивидуально в каждой емкости кислого и щелочного сбраживания, обеспечивающих предварительное смешение соответствующей микрофлорой поступающего осадка.

Размещение емкости для аэрации в сгустителе исключает дополнительные промежуточные емкости системы трубопроводов с насосами для улучшения качества осадка перед обезвоживанием в приспособлении (7) без дополнительной промывки осадка.

Отвод избытка воды из емкости щелочного сбраживания позволяет снизить нагрузку на сгуститель (5) и приспособление для механического уплотнения осадка, что позволяет уменьшить их габариты и количество потребляемой электрической энергии на перекачку и обезвоживание. Это позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты.

4.2 Технологические схемы комплексных очистных сооружений (КОС)

обработки осадков сточных вод

Технологическая схема обработки осадков должна отвечать следующим требованиям:

возможность использования или ликвидации осадка;

целесообразность использования побочных продуктов (газ, тепло);

экономия площадей, занимаемых очистными сооружениями.

Далее приведены некоторые наиболее распространенные принципиальные комплексные технологические схемы обработки осадков сточных вод. Та или иная схема может применяться в определенном ограниченном диапазоне производительности сооружений для обработки осадка.

Рис. 5. Комплексная схема анаэробного сбраживания,

вакуум-фильтрации и термической сушки осадков:

СО - сырой осадок; ИИ - избыточный активный ил; УИИ - уплотненный избыточный активный ил; СО+УИИ - смесь осадка и активного ила;

СбрО - анаэробно сброженный осадок; БГ - биогаз из метантенка;

Г - газ; ПрУО - промытый и уплотненный осадок; ИВ - иловая вода;

У - сухой осадок, подготовленный к утилизации;

1 - илоуплотнитель; 2 - насосная станция; 3 - метантенк; 4 - промывная камера;

5 - уплотнитель; 6 - цех вакуум-фильтрации; 7 - конвейеры;

8 - установка для термической обработки; 9 - реагенты; 10 - фильтрат.

Рис. 6. Пример современной технологической схемы очистки сточных вод с применением метановой стабилизации осадков.

Рис. 7. Балансовая схема с термофильным сбраживанием и когенерацией (на 100 тыс. м3/сут по сточной воде).



Рис. 8. Балансовая схема с термофильным сбраживанием, когенерацией, сушкой и сжиганием (на 100 тыс. м3/сут по сточной воде)

Рис. 9. Типовая схема процесса анаэробной стабилизации осадка

с получением и утилизацией биогаза.

Заключение

Стабилизация осадков городских сточных вод является обязательным этапом технологического процесса их обработки. Аэробные технологии целесообразны только при использовании осадка в качестве удобрения.

Анаэробное сбраживание является единственным универсальным экономически приемлемым методом и должна стать базовой технологией обработки осадка на крупных и средних очистных сооружениях.

Сочетание сбраживания с когенерацией энергии позволяет обеспечить на современных энергоэффективных очистных сооружениях до 80-110% потребности в электроэнергии.

Анаэробная стабилизация осадка предлагает альтернативное решение с рядом экологических и экономических преимуществ:

сокращение содержания органических веществ на ? 50%;

переработка осадка в сгораемый биогаз;

производство возобновляемых источников энергии;

возможность независимой подачи энергии к очистным сооружениям;

пониженные производственные расходы;

стабильный и надежный процесс;

уменьшение площади территории, отчуждаемой под строительство;

сокращение объема зловонных веществ;

проведение санитарно-гигиенических мероприятий в отношении осадков (в том числе сокращение количества бактерий);

защита климата посредством улучшения баланса CO2, выбрасываемого очистными сооружениями.

Библиографический список

Туровский И.С. Обработка осадков сточных вод. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1982. - 223 с.

Ветошкин А.Г. Защита литосферы от отходов. Учебное пособие. - Пенза: Издательство Пензенского государственного университета, 2005. - 189 с.

Алексеев В.И., Винокурова Т.Е., Пугачев Е.А. Проектирование сооружений переработки и утилизации осадков сточных вод с использованием элементов компьютерных информационных технологий. Учебное пособие. - М.: Издательство АСВ, 2003. - 176 с.

Размещено на Allbest.ru