Пречистване на отпадни води

ЕкологияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2008

Видове утайки, същност и приложна област на методите за обработването им


Всеки у нас знае, че страната ни е далеч от необходимия брой пречиствателни станции. Поне що се отнася до европейските разбирания. Това е и причината за огромния интерес към съоръженията и системите за пречистване през последните години. Последва го сериозно развитие в предлагането. Встрани от поетите ангажименти пред европейските ни партньори, ако не за уеднаквяване, то поне за доближаване на стандартите ни в пречистването на отпадни води до тези на общността, често остават чисто техническите аспекти на проблемите. В поредица от статии, публикувани в списание Инженеринг ревю, се стараем да изясняваме различни аспекти на пречиствателните технологии. Обект на настоящата статия е един от най-важните и същевременно трудно изпълним етап, свързан с отделянето и обезвреждането на замърсителите, отделили се във вид на утайки.

Това е един от най-скъпите етапи
Поради трудното обработване на утайките, този етап от пречистването на водите се оказва и един от най-скъпите. Делът на капиталните средства, необходими за закупуването на машини и съоръжения, и експлоатационните разходи за третиране на утайките може да достигне 30-40% от разходите за цяла пречиствателна станция. От друга страна, обработването на утайките е задължително, тъй като концентрацията на всички видове замърсяващи вещества в тях е много по-висока в сравнение с концентрацията им в отпадните води. Следствие на това потенциалната опасност от замърсяване и заразяване на околната среда, която биха могли да предизвикат утайките, е значително по-голяма в сравнение с водите.
В необработените утайки се съдържа огромно количество микроорганизми, както и органични компоненти, които бързо загниват, при което се отделят неприятни миризми. Необработените утайки могат да причинят силно замърсяване на въздуха, почвата и водите, да нанесат тежки увреждания на околната среда и да застрашат здравето на хората. Крайната цел при тяхното обработване е трансформирането и превръщането на съдържащите се в тях органични вещества в безвредни стабилни и безопасни за околната среда продукти.
В процеса на пречистване на различните видове отпадни води се получават утайки, различаващи се съществено по количество, състав и свойства. Класифицирането им се базира на различни признаци, като произход, качества и свойства, които притежават в зависимост от местата на тяхното отделяне, начина и степента на третиране и др.

След преработка с битовите утайки се наторява
В зависимост от произхода си, утайките се определят като битови, промишлени, селскостопански и дъждовни. Битови са утайките, отделящи се при пречистването на битовите отпадъчни води от населените места, курортните комплекси и промишлените предприятия. Когато в рамките на населеното място не се включват промишлени обекти, утайките съдържат предимно органични вещества. Това позволява след съответна преработка тези утайки да се използват в селското стопанство за наторяване. При наличието на промишлени предприятия, битовите отпадни води и отпадните води от предприятието се смесват. Утайките от тези смесени води съдържат различни количества промишлени утайки. Ако в тях има токсични вещества над допустимите норми, те не могат да се използват за наторяване. В битовите утайки могат да се съдържат и различни видове патогенни микроорганизми.
За промишлените утайки, отделящи се при
пречистването на промишлени отпадъчни води
е характерно голямо разнообразие по отношение на количество, състав и свойства. В тях могат да се съдържат органични, неорганични, токсични и бактериологични замърсители. Съставът им се определя предимно от промишления отрасъл и приетата технология на пречистване. Добре е да се има предвид, че често съдържащите се в тях вещества като цианиди, роданиди, феноли, както и съединения на арсен, хром, мед, олово, никел и други се характеризират със силно токсично действие. Тези утайки са неподходящи за селскостопански цели, но голяма част от тях могат де се използват отново в производството като вторични суровини.
Третият вид утайки - селскостопанските, се характеризират с високо съдържание на органични вещества. След съответното третиране те успешно могат да се използват за наторителни цели. Формират се при пречистването на отпадъчните води от ферми за отглеждане на животни. В тези утайки няма токсични вещества, но могат да се съдържат патогенни микроорганизми.
Има и четвърти вид утайки - дъждовните, които се получават при пречистването на дъждовни отпадъчни води. Те се характеризират с по-високо съдържание на минерални и органични вещества. При използването на смесени канализационни системи, тези утайки се смесват с отделилите се битови и промишлени утайки.

Специфики на първичните утайки
В зависимост от местата на отделянето им в технологичния процес, както и на начина на тяхното третиране, утайките имат различни свойства. Класифицират се като пресни, първични, вторични и смесени утайки. Като пресни се определят утайките, които се образуват в процеса на пречистване, преди да бъдат подложени на допълнителна обработка.
Утайките, които се отделят в първичните утаители и в другите съоръжения за механично пречистване, се класифицират като първични утайки. Те имат твърде разнороден състав по фракции. Съдържат предимно отпадъци от битово-комунално естество. Масата на съдържимото в тях сухо вещество се променя в широки граници. Влажността им варира между 93 и 95% в зависимост от начина на изваждането им от утаителя. При гравитационно изваждане влажността им е около 95%, а при помпено - в границите от 93 до 94%. Твърдата фаза на първичните утайки се състои от органични и минерални компоненти. Основните органични вещества в тях са белтъчините, мазнините и въглехидратите, които съставляват около 65 - 75%. Частта на минералните вещества е съответно около 25-35%. Характерно за първичните утайки е бързото им загниване, неприятната миризма и трудното им обезводняване, както и наличието на патогенни микроорганизми и яйца на хелминти. Цветът им варира от сив до сиво-жълт.

Характеристики на вторични утайки
Вторичните утайки се отделят във вторичните утаители, след съоръженията за биологично пречистване (биобасейни и биофилтри). Състоят се предимно от аеробна бактериална маса. Тези от тях, отделени след биобасейните, се наричат активни утайки. Във вторичните утайки около 98% от частиците имат едрина под 1 mm. Количеството на задържаните утайки зависи от вида на биологичното стъпало. Според действащите у нас норми, във вторичните утаители след ниско натоварени биофилтри количеството на утайките е 8 g/(ж.d), а след високо натоварване - 28 g/(ж.d). Количеството на излишните активни утайки, задържани във вторичните утаители след ниско натоварени биобасейни, е съответно 31 g/(ж.d), а след високо натоварени 25 g/(ж.d). Вторичните утайки се характеризират с висока влажност, която би могла да достигне до 99,5% и зависи предимно от начина на пречистване.
В сравнение с първичните утайки, вторичните съдържат по-високо количество органични вещества. Във тях те са 70-75% от общата маса на сухото вещество, а неорганичните в диапазона 25 - 30%. От органичните вещества най-високо е съдържанието на белтъчините. Пресните активни утайки, обикновено, са без миризма или миришат слабо.
Смесените утайки се получават при съвместно утаяване на първичните и вторичните утайки, когато вторичните утайки се подават в отпадъчната вода пред първичните утаители. Така образувалите се смесени утайки имат по-малка влажност от първичните и вторичните утайки.
Освен разгледаните видове, утайките се класифицират още и като рециркулиращи, уплътнени, обезводнени, изгнили (анаеробно стабилизирани), аеробно стабилизирани и други.

Високата им влажност затруднява обработването
Както вече бе подчертано, утайките се характеризират с много висока влажност. Това значително затруднява и оскъпява тяхното обработване и транспортиране. За да се намали влажността им, утайките се подлагат на уплътняване и обезводняване. За тази цел се използват различни методи. Изборът на метод се определя, както от гранулометричния състав на дисперсната фаза, така и от връзката на водата с частиците на твърдата фаза. Отделящите се в различните технологични процеси утайки представляват нееднородна дисперсна система. Отпадната вода е дисперсната среда, а дисперсната фаза се състои от разнородни суспендирани частици, повечето от които лесно утаими. Този състав причислява утайките към групите на суспензиите. Доброто им обезводняване зависи от едрината на частиците на дисперсната фаза. Известно е, че при по-едри частици суспензията се обезводнява по-добре. Задълбоченото познаване на дисперсния състав на утайките позволява да се изберат оптимални методи и подходящи съоръжения за тяхното по-нататъшно третиране. С промяна на влажността им, утайките променят и агрегатното си състояние. При понижаване на влажността от 85% до 10 - 15% утайките преминават в прахообразно състояние.

Съдържание на вода в утайката
Водата в утайката е свободна (60-65%) и свързана (30-35%). Свободна е водата, която не е свързана с твърдата фаза. Следователно голяма част от нея може да се отдели чрез използването на естествените гравитационни сили.
Свързаната вода, от своя страна, е няколко основни вида - химично, физико-химично (колоидно-адсорбционна) и физико-механично (капилярна, хигроскопична) свързана. Като цяло тя се отделя трудно. Необходимо е да се приложат методи, които да разрушат силните връзки между нея и твърдата фаза. Обикновено се прилага вакуумфилтрация, филтърпресоване и центрофугиране при съответна предварителна обработка на утайките (кондициониране). Под понятието кондициониране се разбират всички мероприятия, които подобряват уплътнителните и обезводнителните свойства на утайките. При тях се изменя структурата и формата на свързването им с водата. Кондиционирането се извършва чрез химична коагулация, термична обработка (автоклавиране или замразяване), добавяне на структуроизменящи материали (присадка) и промиване.
Химично свързаната вода влиза в състава на твърдите частици и не може да се отдели дори при термично изсушаване на утайките.

Какъв е съставът на утайките?
Химическият състав на утайките оказва съществено влияние върху обезводнителните качества на утайките и върху процеса на биологичното им стабилизиране. При наличието на токсично действащи вещества, като цианиди, роданиди, съединения на хрома, арсена, никела и др., биологичните процеси могат да бъдат затруднени или преустановени напълно. Благоприятно влияние върху обезводнителните качества на утайките оказват съединенията на желязото и алуминия. Наличието им води и до намаляване на количествата на реагентите при кондициониране на утайките. Съдържанието на масла, мазнини и азотни вещества в утайките затруднява процесите на тяхното уплътняване и коагулиране.
Основно в утайките се съдържат два вида вещества - минерални и органични. Минералните вещества са силиций, мед, калай, сяра цинк и др. Съдържат се също чист въглерод във вид на въглища или карбонизиран въглерод, като CaCO3, респективно НСО3 и др. При съвместното им пречистване количеството и видът на веществата в утайките се определят в голяма степен от количеството и вида на промишлените води. Към минералните вещества се отнасят и радиоактивните вещества, които се съдържат в утайките на пречистените промишлени води. При комплексно пречистване на битови и промишлени отпадъчни води съдържанието на такива вещества следва да отговаря на нормите за допустима радиация.
Органичните вещества в утайките са съединения на елементите - органичен въглерод, водород, кислород, азот, фосфор и сяра. Те имат плътност, близка до плътността на водата (1000 kg/m3), пореста структура и висока водопоглъщаемост. Органичните вещества, които се съдържат в утайките са предимно въглехидрати, мазнини и белтъчини, в които преобладаващият елемент е въглеродът. Общото органично съдържание на утайките е от голямо значение за третирането им. То се изразява в mg/dm3 или в проценти от масата на общия сух остатък и представлява основна характеристика на утайките.
Технологията за обработване на утайките
включва няколко основни процеса - уплътняване, стабилизиране (минерализиране) на органичната част, обезводняване, изсушаване, изгаряне и използване.
Уплътняването е процес, чрез който се цели значително намаляване на обема на утайките, с цел облекчаване на по-нататъшното им третиране. Етапът е задължителен при всяка технологична схема за обработване на излишните активни утайки. Извършва се в специални съоръжения, наречени уплътнители.
Стабилизирането на утайките е процес, при който съдържащите се в утайките органични вещества са разграждат. Извършва се по аеробен и анаеробен начин в изгниватели или съоръжения за аериране. Целта на стабилизирането е да се предпази околната среда от зловонни газове и зарази.
Основна цел на обезводняването е да се намали обемът на утайките и да се улесни тяхното транспортиране, оползотворяване, изгаряне или депониране. Извършва се в естествени или изкуствени условия. Обезводняването в естествени условия протича в изсушителни полета и лагуни за утайки, в които влажността намалява до 55%.  Обезводняването в изкуствени условия се осъществява по механичен начин, чрез прилагане на статични и динамични методи. Към статичните методи се отнасят вакуумната и напорната филтрация, осъществявани с помощта на различни видове вакуумфилтри, филтърпреси и ситоволентови преси. Динамичните методи за обезводняване се прилагат чрез центрофуги, циклони и сита. Ефектът от механичното обезводняване може да се повиши, ако утайките се подложат на предварителна обработка.
При изсушаването обемът на утайките намалява и се подобрят санитарно-епидемиологичните им качества. Извършва се по естествен начин в изсушителни полета и по изкуствен начин, чрез различни термични методи в сушилни и пещи.
Изгарянето се прилага рядко. Ако утайките съдържат токсични вещества, могат да се подложат на т.нар. мокро изгаряне, без предварително обезводняване или изсушаване.
Третираните утайки трябва да бъдат отстранени от района на пречиствателната станция и транспортирани до мястото на тяхното депониране или оползотворяване.
За обработване на утайките се използват различни технологични схеми. Изборът се определя от различни фактори като свойства на утайките, климатични условия, наличие на земни площи и други.
Сред задължителните процеси при обработването на утайките, независимо от избраната технологична схема, е процесът на
уплътняване на утайките
Както вече бе подчертано, чрез уплътняването се цели намаляване на първоначалния обем на утайките, с оглед намаляване на разходите за строителство, машини, експлоатация и транспорт. За уплътняване на утайките се използват съоръжения, наречени уплътнители. В зависимост от местоположението им в технологичната схема за третиране на утайките, уплътнителите са две основни групи - уплътнители за пресни утайки и уплътнители за третирани утайки. Методите, които се прилагат за уплътняване на утайките, са гравитационен, флотационен, уплътняване в центробежно поле и филтриране. От всички тях гравитационното уплътняване е най-лесно приложимият и икономически изгоден метод. Подходящ е предимно за уплътняване на излишни активни утайки и изгнили утайки. При него уплътняването на утайките се осъществява под действието на гравитационните сили. Уплътнените утайки са с влажност най-малко 87 - 89%, а продължителността на процеса е от 4 до 24 часа в зависимост от свойствата на утайките.

Видове гравитационни утайкоуплътнители
В зависимост от хидравличните и конструктивните си специфики, уплътнителите са вертикални, радиални и хоризонтални. От технологична гледна точка уплътнителите са с непрекъснато и прекъснато (циклично) действие. Обикновено, вертикалните уплътнители се прилагат за по-малки количества, а радиалните - за по-големи количества утайки, като тези с непрекъснато действие са по-често срещани. При тях утайките постъпват в централната част на уплътнителя, а уплътнените утайки се изваждат от дъното под действието на хидростатичния натиск. Утайковата вода се отвежда непрекъснато чрез потопено изтичане във водовземни улеи, разположени по периферията на уплътнителя. По този начин се ограничава възможността от смесването й с изплували утайки. Желателно е, да се предвидят поне два броя утаители, за да се осигури нормална експлоатация по време на ремонт.
При използването на уплътнители с прекъснато действие, технологичните изисквания налагат броят им да е поне три. По този начин, докато единият се пълни, в другия утайките са в процес на уплътняване, а третият уплътнител се изпразва. В моделите с прекъснато действие утайковата вода се отстранява с помощта на водоотливни тръби, разположени на различни нива. Изваждането на утайките е под действието на хидростатичния натиск, който трябва де е не по-малък от 0,015 Mpa.

Утайковата вода е с голяма замърсеност
Отвежданата от уплътнителите утайкова вода е с голяма замърсеност по БПК. Желателно е, тя, заедно с отделилата се вода от изгнивателите и от механичното обезводняване, да се изпрати пред първичните утаители.
Прилагат се и допълнителни методи, като коагулация на утайките, съвместно уплътняване на различни видове утайки, термогравитационна обработка, разбъркване в процеса на уплътняването и др. Чрез тях се постига намаляване на необходимото време за уплътняване, по-ниска влажност на утайките, както и по-малко изнасяне на суспендирани вещества.
Счита се, че чрез разбъркване в процеса на уплътняване се постигат добри резултати. Бавното въртене и разбъркването на утайката способстват за отделяне на водата, образуване на по-едри флокули и уплътняване на твърдата фаза. Разбъркването се осъществява чрез вертикални пръти, монтирани на гребачните ферми. Всяка ферма извършва от 2 до 4 оборота в час. След 6-часово уплътняване, влажността на активните утайки са намалява от 99,5% до 97%.
Основни недостатъци на гравитационното уплътняване са сравнително високата влажност на уплътнените утайки, голямото съдържание на суспендирани вещества в отделената вода и продължителността на процеса, изискваща големи обеми на съоръжението.
Значително по-добри резултати се постигат при
термогравитационния метод
при който необходимото общо време за обработване на утайките е само 50-80 минути.
При този метод активната утайка се загрява до 80-90 оС, което води до разрушаване на хидратната обвивка около частиците на активната утайка. Част от свързаната вода преминава в свободна, което подобрява уплътняването. Утайките са нагряват в продължение на 20-30 минути и след това се подлагат на уплътняване. При термогравитационния метод влажността на активните утайки намалява от 99,5% до 96%.

Специфики на флотационното уплътняване
Флотационното уплътняване се отличава с няколко основни предимства. На първо място, процесът на уплътняване чрез флотационните методи е с много по-малка продължителност. Скоростта на уплътняване би могла да бъде до 10 - 15 пъти по-висока в сравнение с гравитационното уплътняване. Постига се и по-добро уплътняване на утайките, а също така съществува възможност процесът да се регулира в зависимост от оперативното изменение на параметрите. Прилагането на метода води до намаляване на капиталните вложения с около 15 - 25%, а на експлоатационните разходи с 5 - 10%.
Самият процес представлява интензивно изплуване на малки мехурчета с газ заедно с прилепнали дисперсни частици върху повърхността. Между частиците на утайките и газовите мехурчета съществува много здрава връзка, обусловена от силите на привличане на противоположните им електрични заряди, както и от други молекулярни сили. Частиците на утайките са зареден и с отрицателни заряди, а въздушните мехурчета, при налягане 0,3 - 0,6 MРa, са с големина от 15 до 100 mm.
В зависимост от начина на насищане на дисперсната среда с газове или въздушни мехурчета, флотацията е основно
напорна, механична и електрофлотация
Напорната флотация обикновено се провежда по два начина. Първият подход включва непосредствено насищане на утайките с въздух в хидрофор и нагнетяването им в уплътнителя. Практикува се, също така, едновременно подаване в утаителя на утайки и работна вода под налягане 0,4 MРa, наситена с разтворен въздух. Подходящо е като работна вода да се използва биологично пречистена или отделящата се от уплътнителите вода.
При индиректната напорна флотация се използва рециркулираща или работна вода, като насищането на работната вода с въздух се извършва в хидрофор в продължение на 2 - 3 минути при налягане 0,3-0,4 MРa.
За ефективно протичане на флотацията от съществено значение е съотношението между количеството на наситената с въздух вода и количеството на уплътняваните утайки. С увеличаване на това съотношение степента на разделяне на дисперсната фаза от дисперсната среда, т.е. флотационният ефект се увеличава. Обикновено необходимото количество въздух се определя в зависимост от концентрацията на утайките. За активните утайки количеството на въздуха е 54 dm3/m3 или 10-12 dm3/kg сухо вещество.
Влажността на уплътнените активни утайки чрез флотация достига до 94%. При уплътняване на сместа от първични и излишни активни утайки влажността е значително по-ниска и достига до 92,6%.
При флотирането на предварително обработени утайки с полиелектролити, влажността би могла да бъде понижена до 88%.
Престоят на сместа от утайки и работна вода в работната зона на флотационния уплътнител е от 30 до 60 минути. Времепрестоят на изплувалите материи (пяна) в зоната на уплътняването е значително по-голямо - от 2,5 до 4 часа. Те се отстраняват много бавно, за да не се нарушава нормалният процес на уплътняването. Скоростта на придвижване на загребващите устройства трябва да бъде между 25 и 40 cm/min.
При флотирането на изгнили утайки, около 60% от твърдата фаза се изнася на повърхността, 30 - 35% се утаява и около 5 - 10% остава в утайковата вода. По тази причина уплътняването на изгнили утайки е неефективно.
Допустимото повърхностно натоварване на сухо вещество се приема от 8 до 12 kg/(m2.h). От своя страна, хидравличното повърхностно натоварване е от 2 до 3 m3/(m2.h).

Видове флотационни уплътнители
В практиката приложение намират основни три вида флотационни уплътнители - хоризонтални, радиални и вертикални. Широко приложение намират правоъгълните хоризонтални уплътнители. Те обхващат три зони - смесване, флотация и утаяване. В първата зона постъпващите утайки се смесват с работната вода, след което така получената смес постъпва във флотационната камера, през специални процепи в наклонената стена между двете зони. За отстраняване на флотационната пяна (изнесените и уплътнени материи върху повърхността) и утайките по дъното се използват лентови транспортьори, гребла или прибутващи устройства. Леките уплътнени материи се отвеждат по специален улей извън съоръжението. Утайките се изваждат от дъното под действието на хидростатичен натиск. Водата, отделена от утайките, прелива през преливни устройства и се оттича по тръбопровод, а част от нея циркулира като работна вода в системата.
Препоръчително е при избиране на геометричните размери на хоризонталните уплътнители, отношението на широчината към дължината да бъде в границите от 1:2 до 1:4. Отношението на дълбочината към дължината на съоръжението следва да е от 1:2 до 1:8. Обикновено дължината им е от 10 до 25 m, дълбочината от 2,5 до 3 m, а широчината - от 2 до 6 m.
За радиалните уплътнители препоръчителната дълбочина е от 2,70 до 3,30 m, а диаметърът - от 4 до 18 m.

Специфики на електрофлотацията
Уплътняването чрез електрофилтрация се извършва в съоръжения, наречени електрофлотатори. Методът се състои в изнасяне на твърдата фаза на утайките върху повърхността с помощта на мехурчета водород, образувани при електролизата на утайката. Могат да се използват неразтворими и разтворими (железни или алуминиеви) електроди. Работните обеми на електрофилтрите са по-малки от тези на напорните флотатори.
Уплътнените излишни активни утайки, с начална влажност 99% и с времепрестой в зоната на уплътняването 120 минути, намаляват влажността си до 90,4 %.
Основен недостатък на флотацията са сравнително високите експлоатационни разходи.




Top