ХАРАКТЕРИСТИКА ОСАДКОВ, МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ СООРУЖЕНИЯ

В результате механической и биологической очистки городских сточных вод на очистных сооружениях образуются различного вида осадки, содержащие органические вещества. Это отбросы, задерживаемые решетками, осадок, выпадающий в первичных отстойниках, активный ил или биопленка, образующиеся в сооружениях аэробной биологической очистки воды. Отбросы после дробления обычно сбрасываются в канал перед первичными отстойниками, улавливаются ими и попадают, таким образом, в сырой осадок.

Общий объем осадков, как правило, не превышает 1% объема обрабатываемых стоков, при этом на долю активного ила приходится 60— 70% образующихся осадков.

Осадок из первичных отстойников крайне неоднороден по фракционному составу. По данным московских очистных станций, содержание в нем частиц крупностью более 7—10 мм составляет 5—20%, крупностью 1—7 мм — 9—33%, крупностью менее 1 мм —50—88% массы сухого вещества. Осадок имеет влажность 92—96%, слабокислую реакцию среды, в значительной степени насыщен микроорганизмами (в том числе патогенными), содержит яйца гельминтов.

Активный ил по фракционному составу значительно однороднее осадка первичных отстойников; около 98% (по массе) частиц ила имеют размер менее 1 мм. Влажность активного ила в зависимости от принятой схемы обработки составляет 96—99,2%. Хлопья ила, состоящие из большого числа многослойно расположенных микробиальных клеток, заключенных в слизь, обладают очень развитой удельной площадью поверхности, составляющей около 100 м2 на 1 г сухого вещества. Так же как осадок, ил может быть заражен яйцами гельминтов.

Твердая фаза осадков городских сточных вод состоит из органических и минеральных веществ Органическая, или беззольная, часть в осадке из первичных отстойников составляет 65—75% массы сухого вещества, в иле — 70—75%. Соответственно зольность осадка колеблется от 25 до 35%, ила —от 25 до 30%.

Основными компонентами беззольной части осадка и ила являются белково-, жиро-, углеводоподобные вещества, в сумме составляющие 80—85%. Остальные 15—20% приходятся на долю лигнино-гумусового комплекса соединений. Количественные соотношения отдельных компонентов в осадке и иле различны. Если в беззольном веществе осадка преобладают жироподобные вещества и углеводы, то в активном иле значительную часть органического вещества составляют белки.

Дополнительно по теме канализация:

Осадки сточных вод содержат ценные удобрительные вещества (азот, фосфор, калий, микроэлементы) и могут быть использованы в качестве удобрения.

Исследования, проведенные АКХ, показали, что активный ил может быть использован в качестве кормовой добавки к рациону сельскохозяйственных животных. Питательная ценность активного ила обусловлена высоким содержанием белка и витаминов. Ил городских очистных станций содержит почти все витамины группы В и особенно много витамина Bi2.

Состав осадка и ила может меняться в значительных пределах и зависит от состава сточных вод, принятой схемы очистки и других факторов.

Большое содержание органических веществ обусловливает способность осадков быстро загнивать, а высокая бактериальная зараженность, наличие в них яиц гельминтов создают опасность распространения инфекций. Поэтому основной задачей обработки осадков является их обезвреживание: получение безопасного в санитарном отношении продукта.

Основным методом обезвреживания осадков городских сточных вод является анаэробное сбраживание. Брожение называется метановым, так как в результате распада органических веществ осадков в качестве одного из основных продуктов образуется метан.

В основе биохимического процесса метанового брожения лежит способность сообществ микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности окислять органические вещества осадков сточных вод.

Промышленное метановое брожение осуществляется широким спектром бактериальных культур. Теоретически рассматривают брожение осадков, состоящее из двух фаз: кислой и щелочной.

В первой фазе кислого или водородного брожения сложные органические вещества осадка и ила под действием внеклеточных бактериальных ферментов сначала гидролизуются до более простых: белки — до пептидов и аминокислот, жиры — до глицерина и жирных кислот, углеводы— до простых Сахаров. Дальнейшие превращения этих веществ в клетках бактерий приводят к образованию конечных продуктов первой фазы, главным образом органических кислот. Более 90% образующихся кислот составляют масляная, пропионовая и уксусная. Образуются и другие относительно простые органические вещества (альдегиды, спирты) и неорганические (аммиак, сероводород, диоксид углерода, водород).

Кислую фазу брожения осуществляют обычные сапрофиты: факультативные анаэробы типа молочнокислых, пропионовокислых бактерий и строгие (облигатные) анаэробы типа маслянокислых, ацетонобутило-вых, целлюлозных бактерий. Большинство видов бактерий, ответственных за первую фазу брожения, относится к спорообразующим формам.

Во второй фазе щелочного или метанового брожения из конечных продуктов первой фазы образуются метан и угольная кислота в результате жизнедеятельности метанообразующих бактерий — неспороносных облигатных анаэробов, очень чувствительных к условиям окружающей среды. Изученные виды метанообразующих бактерий относятся к трем родам: Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina.

Особенностью этих бактерий является их строгая специфичность к используемому субстрату. Например, Methanobacterium formicicum окисляет только молекулярный водород и муравьиную кислоту, а Methanobacterium syboxydans использует более сложные соединения: валериановую и капроновую кислоты и бутиловый спирт. Однако в целом смешанная культура метанообразующих бактерий способна использовать практически все основные продукты кислой фазы брожения.

Все перечисленные реакции являются источниками энергии для метанообразующих бактерий, и каждая из них представляет собой серию последовательных ферментативных превращений исходного вещества. В настоящее время установлено, что в процессе метанообразования принимает участие витамин Bi2, которому приписывают основную роль в переносе водорода в энергетических окислительно-восстановительных реакциях у метанообразующих бактерий.

Считается, что скорости превращения веществ в кислой и метановой фазах одинаковы, поэтому при устойчивом процессе брожения не происходит накопления кислот — продуктов первой фазы.

Процесс сбраживания характеризуется составом и объемом выделяющегося газа, качеством иловой воды, химическим составом сброженного осадка.

Образующийся газ состоит в основном из метана и диоксида углерода. При нормальном (щелочном) брожении водород как продукт первой фазы может оставаться в газе в объеме не более 1—2%, так как используется метанообразующими бактериями в окислительно-восстановительных реакциях энергетического обмена.

Выделившийся при распаде белка сероводород H2S практически не попадает в газ, так как в присутствии аммиака легко связывается с имеющимися ионами железа в коллоидный сульфид железа FeS.

Конечный продукт аммонификации белковых веществ — аммиак — связывается с углекислотой в карбонаты и гидрокарбонаты, которые обусловливают высокую щелочность иловой воды.

В зависимости от химического состава осадков при сбраживании выделяется от 5 до 15 м3 газа на 1 м3 осадка,

Скорость процесса брожения зависит от температуры. Так, при температуре осадка 25—27° С процесс длится 25—30 дней; при 10° С продолжительность его увеличивается до 4 месяцев и более. Для ускорения сбраживания и уменьшения объема необходимых для этого сооружений применяют искусственный подогрев осадка до температуры 30—35° С или 50—55° С.

Для нормально протекающего процесса метанового брожения характерны слабощелочная реакция среды (рН^7,6), высокая щелочность иловой воды (65—90 мг-экв/л) и низкое содержание жирных кислот (до 5—12 мг-экв/л). Концентрация аммонийного азота в иловой воде достигает 500—800 мг/л.

Нарушение процесса может быть результатом перегрузки сооружения, изменения температурного режима, поступления с осадком токсичных веществ и т.д. Нарушение проявляется в накоплении жирных кислот, снижении щелочности иловой воды, падении рН. Резко уменьшается объем образующегося газа, увеличивается содержание в газе угольной кислоты и водорода — продуктов кислой фазы брожения.

Кислотообразующие бактерии, ответственные за первую фазу брожения, более выносливы ко всякого рода неблагоприятным условиям, в том числе и к перегрузкам. Осадки, поступающие на сбраживание, в значительной степени обсеменены ими. Быстро размножаясь, кислотообразующие бактерии увеличивают ассимиляционную способность бактериальной массы и таким образом приспосабливаются к возросшим нагрузкам. Скорость первой фазы при этом возрастает, в среде появляется большое количество жирных кислот.

Метановые бактерии размножаются очень медленно. Время генерации для некоторых видов составляет несколько дней, поэтому они не в состоянии быстро увеличивать численность культуры, а содержание их в сыром осадке незначительно. Как только нейтрализующая способность бродящей массы (запас щелочности) оказывается исчерпанной, рН резко снижается, что приводит к гибели метанообразующих бактерий.

Большое значение для нормального сбраживания осадка HMeej состав сточных вод, в частности наличие в них таких веществ, которые угнетают или парализуют жизнедеятельность микроорганизмов, осуществляющих процесс сбраживания осадка1. Поэтому вопрос о возможности совместной очистки производственных и бытовых сточных вод следует разрешать в каждом отдельном случае в зависимости от их характера и физико-химического состава.

При смешивании бытовых сточных вод с производственными необходимо, чтобы смесь сточных вод имела рН = 7…8 и температуру не ниже 6° и не выше 30° С. Содержание ядовитых или вредных веществ не должно превышать предельно допустимой концентрации для микроорганизмов, развивающихся в анаэробных условиях. Например, при содержании меди в осадке более 0,5% сухого вещества ила происходит замедление биохимических реакций второй фазы процесса сбраживания и ускорение реакций кислой фазы. При дозе гидроарсенита натрия 0,037% к массе беззольного вещества свежего осадка замедляется процесс распада органического вещества.

Для обработки и сбраживания сырого осадка применяют три вида сооружений: 1) септики (септиктенки); 2) двухъярусные отстойники (эмшеры); 3)  метантенки.

В септиках одновременно происходит осветление воды и перегнива-ние выпавшего из нее осадка. Септики в настоящее время применяют на станциях небольшой пропускной способности.

В двухъярусных отстойниках отстойная часть отделена от гнилостной (септической) камеры, расположенной в нижней части. Развитием конструкции двухъярусного отстойника является осветлитель-перегниватель.

Для обработки осадка в настоящее время наиболее широко используют метантенки, служащие только для сбраживания осадка при искусственном подогреве и перемешивании.

Для обработки небольших объемов осадков (главным образом активного ила) в последнее время применяют метод аэробной стабилизации, осуществляемый в сооружениях типа аэротенков.

Сущность аэробной стабилизации состоит в аэробном окислении биологически доступных органических веществ осадков и в самоокислении бактериальной массы. Аэробной стабилизации могут подвергаться как активный ил, так и сырой осадок и их смесь.

Степень распада органических веществ в процессе аэробной стабилизации сопоставима с анаэробным сбраживанием. Беззольное вещество стабилизированных осадков состоит в основном из биологически инертных органических соединений.

Сброженный осадок имеет высокую влажность (95—98%), что затрудняет применение его в сельском хозяйстве для удобрения (из-за трудности перемещения обычными транспортными средствами без устройства напорных разводящих сетей). Влажность является основным фактором, определяющим объем осадка. Поэтому основной задачей обработки осадка является уменьшение его объема за счет отделения воды и получение транспортабельного продукта.

Осадки плохо отдают воду и относятся к категории труднофильтру-ющихся иловых суспензий. Соотношение в осадках между свободной и связанной водой влияет на способность их отдавать воду.

Свободная вода может быть удалена из осадка фильтрацией или отжимом. Часть свободной воды удаляется при гравитационном уплотнении осадков, при этом объем осадков значительно уменьшается. Например, при изменении влажности осадка с 96 до 92% объем его уменьшается в 2 раза.

Уплотнение активного ила, в отличие от уплотнения сырого осадка, сопровождается изменением свойств ила. Активный ил как коллоидная система обладает высокой структурообразующей способностью, вследствие чего его уплотнение приводит к переходу части свободной воды в связанное состояние, а увеличение содержания связанной воды в иле приводит к ухудшению водоотдачи.

Применяя специальные методы обработки, например обработку химическими реагентами, можно добиться перевода части связанной воды в свободное состояние. Однако значительную часть связанной воды можно удалить лишь в процессе испарения.

На способность осадков отдавать воду влияет ряд факторов: влажность, степень дисперсности частиц твердой фазы, структура осадка и его химический состав.

Обобщающим показателем, характеризующим способность осадков к водоотдаче (фильтруемость осадка), является удельное сопротивление фильтрации — сопротивление, оказываемое потоку фильтрата, равномерным слоем осадка, масса которого на единице площади фильтра равна единице. Чем выше удельное сопротивление, тем труднее отдает воду осадок. Активный ил имеет значительно большее сопротивление фильтрации, чем сырой осадок. Связано это с тем, что в иле много коллоидных веществ и основную массу составляют очень мелкие частицы. Удельное сопротивление осадка после сбраживания увеличивается, так как сброжейный осадок приобретает более мелкую и однородную структуру. Число частиц размером менее 1 мм составляем в нем около 85%.

Удельное сопротивление фильтрации служит исходной величиной при выборе метода обезвоживания осадка.

Для снижения удельного сопротивления фильтрации и интенсификации процесса отделения воды осадки перед обезвоживанием подвергают предварительной обработке. При этом чем больше удельное сопротивление, тем более глубокая требуется предварительная обработка. К методам предварительной обработки относятся: промывка осадка водой, обработка его химическими реагентами, замораживание с последующим оттаиванием, тепловая обработка.

Наиболее простым способом обезвоживания является подсушивание осадка на иловых площадках, где его влажность может быть уменьшена до 75—80%. При этом осадок уменьшается в объеме и по массе в 4— 5 раз, теряет текучесть и может легко транспортироваться к месту его использования. Однако способ подсушивания требует больших земельных участков, и, кроме того, влажность подсушенного осадка остается все еще слишком высокой.

В последние годы все более широкое применение находят механические и термические способы удаления влаги. При этом обезвоживанию могут подвергаться как сырые осадки (с последующим обеззараживанием), так и осадки после биохимической обработки. Выбор той или иной схемы обработки осадков диктуется местными условиями и производится с учетом физико-химических свойств осадков, санитарно-эпидемиологических требований и технико-экономических расчетов.

Для механического обезвоживания осадков наибольшее применение нашли вакуум-фильтры. Однако в последнее время в зарубежной и отечественной практике наряду с ними начали применять центрифуги и фильтр-прессы.

При обезвоживании сырых осадков и осадков, сброженных в мезо-фильных условиях или аэробностабилизированных, требуется их обеззараживание, поскольку эти осадки могут содержать яйца гельминтов. Обеззараживание достигается прогреванием осадка до 60° С, компостированием, облучением, термической сушкой.

Получаемый в результате механического обезвоживания осадок содержит еще 75—85% воды, составляющей таким образом около 3/4 его массы.

Термическая сушка осадка позволяет снизить его влажность до 20— 35%, что значительно облегчает условия перевозки и хранения. Высушенный осадок можно в расфасованном виде доставлять к месту его использования.

Капитальные затраты этого метода достаточно высоки, вследствие чего применение термической сушки оправдано лишь при условии эффективного использования высушенного осадка.

Для полной ликвидации органических компонентов осадков их сжигают. Метод сжигания применим в тех случаях, когда невозможна или экономически нецелесообразна утилизация осадка. Препятствием к использованию осадка как удобрения может быть наличие в нем токсичных веществ и некоторых других примесей, поступающих в городскую канализацию с производственными сточными водами.

В последние годы метод сжигания находит все большее применение для ликвидации производственных шламов ряда предприятий химической, нефтеперерабатывающей, угольной отраслей промышленности и осадков городских очистных станций.

При сжигании происходит полное окисление органических веществ осадков и образование стерильного остатка — золы, которая может быть использована в качестве присадочного материала при подготовке осадка к обезвоживанию. Это позволяет снизить расход химических реагентов.

Экономику процесса сжигания определяют два основных фактора: теплота сгорания и влажность осадка. Теплота сгорания, в свою очередь, зависит от химического состава и для осадков городских очистных станций составляет 16800—27 400 кДж на 1 кг беззольного вещества. Наименьшей теплотой сгорания обладают сброженные осадки, наибольшей— сырой осадок из первичных отстойников.

В зависимости от теплоты сгорания обезвоженные осадки могут сжигаться самостоятельно или с добавкой топлива.

Поскольку горению предшествует процесс испарения влаги, требующий значительных затрат тепла (около 4200 кДж на 1 кг воды), необходимость в дополнительном топливе находится в прямой зависимости от влажности осадка. Опыт работы зарубежных очистных сооружений, использующих метод сжигания, показывает, что самостоятельно могут сжигаться только те осадки, в которых соотношение воды и беззольного вещества не превышает 3,5: 1.

Сжигание осадков применяется на ряде очистных станций США, Франции, Швеции и других стран. Обезвоженные осадки сжигают в многоподовых или барабанных печах, в реакторах со взвешенным слоем.