СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2007 года по МПК C02F11/14 

Изобретение относится к области переработки осадков сточных вод, образующихся на коммунальных очистных сооружениях, и предназначено для обеспечения безотходной технологии утилизации продуктов переработки.

Осадки сточных вод коммунальных очистных сооружений (КОС) представляют собой сложную смесь с высоким содержанием воды, в которой биологически безвредные вещества прочно связаны с загрязняющими токсичными компонентами органической и неорганической природы.

Известны различные способы переработки осадков КОС, частично решающие проблемы их обезвреживания и переработки с последующей утилизацией образующихся веществ.

Наиболее распространены способы утилизации осадка сточных вод посредством изготовления топлива или посредством пиролиза.

Известен способ утилизации осадка биологических сооружений по очистке сточных вод с получением топлива после смешения отфильтрованного осадка с 40-50 мас.% угольной пыли, или древесных опилок, или стружек, или торфа (FR №2497520, С 10 L 5/46, 5/48, 1982).

Известен способ переработки отходов очистных сооружений для получения топлива или добавок к компосту, по которому осадок смешивают с флокулянтами и носителями углерода и подвергают обезвоживанию до достижения доли сухого вещества 15-20% (ЕР №0271628, С 10 L 5/40, 1988).

К подобным способам утилизации отходов КОС можно отнести и способ получения формованного топлива на основе смеси сгущенного ила установок по очистке сточных вод и высушенной смеси измельченного твердого топлива, выбранного из группы, содержащей древесные и растительные отходы, торф, лигнин, угольную мелочь, текстильные отходы или их смеси (RU №2131449, С 10 L 5/14, 5/44, 5/46, 5/48, 1999).

Однако все эти способы лишь частично решают проблему утилизации отходов КОС и снижения загрязнения окружающей среды отходами, так как не могут быть использованы при утилизации отходов содержащих токсичные вещества.

Известны также способы утилизации осадка сооружений по очистке сточных вод с получением сорбента после смешения осадка с торфом и прокаливания (Утилизация осадка биологической очистки сточных вод. Водоснабжение и санитарная техника, 1965, №5, с.10-11) и способ, основанный на введении в перерабатываемые активные илы дробленого керамзита перед пиролизом для повышения эффективности получаемого сорбента (SU №1742227, С 02 F 11/00, 1990).

Образование токсичных газов в процессе пиролиза, а также наличие тяжелых металлов в получаемых сорбентах являются существенными недостатками этих способов, что препятствует их широкому использованию.

Известен способ комплексной переработки техногенных осадков, в частности отходов КОС, предусматривающий разделение осадков на фракции с последующей обработкой каждой фракции отдельно и получением целевых утилизируемых продуктов. Сначала отделяют песчаную составляющую осадка, затем в зависимости от соотношения органических и неорганических веществ иловую составляющую осадка делят на фракции и ведут раздельную их обработку. Обработка серной кислотой позволяет получить из осадка коагулянт. Пиролиз и активация осадка обеспечивают его переработку в сорбент, при большом содержании органики осадок подвергают биотехнологическому разложению (RU №2057725, С 02 F 11/10, С 02 F 11/14, 1996).

К недостаткам известного способа можно отнести неопределенность критериев разделения иловой составляющей на фракции в зависимости от соотношения содержания органических и неорганических веществ и способы их разделения, а также декларативность получения «чистой» песчаной составляющей после прохождения обработки на барабанном грохоте или в гидроциклоне. Объясняется это тем, что в содержащихся на частицах песка аутогенных пленках сорбированы органические и неорганические загрязнения, которые не могут быть полностью удалены указанной обработкой. Кроме того, пиролиз одной из фракций иловой составляющей требует наличия сложного технологического оборудования по очистке дымовых выбросов, а обработка другой фракции серной кислотой является опасной, высокозатратной и требует при этом наличия специального коррозионностойкого оборудования. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о возможном использовании известного способа только для очистки донных отложений рек и озер и невозможности его использования для комплексной переработки и утилизации осадков сточных вод КОС.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является способ обработки осадков сточных вод, при реализации которого осадок первичных отстойников и активный ил после предварительного обезвоживания смешивают с присадочным материалом песком и обеззараживающим реагентом, дополнительно обезвоживают до продукта влажностью 60% и утилизируют в качестве удобрения (SU №842057, С 02 F 11/006 1981). Этот способ, по мнению авторов, обеспечивает переработку всех отходов, образующихся на КОС: осадка, избыточного активного ила, песка. Однако, кроме указанных видов отходов КОС, авторы не учитывают надрешеточные отходы, состоящие из твердых крупноразмерных включений, которые также необходимо утилизировать. При этом в случае содержания в осадках сточных вод токсических органических и неорганических веществ этот способ утилизации неприменим. Использование в качестве обеззараживающего реагента тиазона или аммиачной воды повышает стоимость проводимых операций и делает продукты утилизации экологически небезопасными, то есть фактически происходит обеззараживание отходов, но не их обезвреживание.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является глубокая комплексная переработки осадков сточных вод, обеспечивающая их обезвреживание, обеззараживание и утилизацию с получением экологически безопасных продуктов.

Поставленная задача решается тем, что в способе комплексной переработки и утилизации осадков сточных вод, включающем предварительное обезвоживание осадков первичных отстойников и активного ила, смешивание с песком и обеззараживающим реагентом, и получение продукта утилизации, согласно изобретению одновременно с обеззараживанием проводят обезвреживание осадков сточных вод посредством комплексного порошкового реагента следующего состава: глина 40,0-60,0 мас.%, известь 5,0-40,0 мас.%, цемент 5,0-40,0 мас.%, комплексообразователь, выбранный из ряда: смесь оксидов металлов, зола, дробленый шлак, доломитовая мука, молотый известняк 5,0-10,0 мас.%, причем количество реагента составляет 10,0-30,0 мас.% от веса смеси, указанный реагент, обезвоженные осадки первичных отстойников и активный ил подают в смеситель одновременно с песком из песколовок и, дополнительно, с предварительно измельченными надрешеточными отходами первичных отстойников, где обрабатывают до получения однородной смеси, которую помещают в бункер-накопитель.

Для получения техногенного укрепленного грунта количество порошкового реагента может составлять 20,0-30,0 мас.%, при содержании в нем глины 40,0-50,0 мас.%, извести 5,0-20,0 мас.%, цемента 30,0-40,0 мас.%, комплексообразователя, в качестве которого выбирают оксиды металлов, или золу, или дробленый шлак 5,0-10,0 мас.%.

Для получения техногенного почвогрунта количество реагента может составлять 10,0-15,0 мас.%, при содержании в нем глины 40,0-50,0 мас.%, извести 20,0-40,0 мас.%, цемента 5,0-10,0 мас.%, комплексообразователя, в качестве которого могут быть выбраны доломитовая мука или молотый известняк - 5,0-10,0 мас.%, время выдержки в бункере-накопителе может составлять не менее 24 часов, после чего в смесь дополнительно вводят расщелачивающую добавку в виде растительного грунта, в соотношении от 1,0:0,4 до 1,0:0,6, или торфа, в соотношении от 1,0:0,15 до 1,0:0,25.

Заявителем не выявлены источники информации, содержащие сведения о технических решениях идентичных заявленному изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Использование в способе комплексной переработки и утилизации отходов КОС предлагаемого реагента обеспечивает не только обеззараживание, но и обезвреживание всех составляющих осадков сточных вод.

Известно, что в иловых осадках и избыточном активном иле в большом количестве содержатся различные микроорганизмы, в том числе и патогенные. Их количество оценивается по содержанию суммарного белка, например, по методу Бредфорда (Количественное влияние жизнедеятельности микроорганизмов на физико-механические свойства оглееных пород. Методические указания, Ленинград, издательство ЛГУ, 1988 год) и может составлять от 100 до 300 мг/г сухого вещества. При введении предлагаемого реагента реакция среды в смеси отходов КОС изменяется от рН 6,0-6,5 до рН 11,0-12,0. В указанных резкощелочных условиях в результате щелочного гидролиза жиров, белковых мембран микроорганизмов и углеводородов происходит омыление перечисленных веществ, гибель микроорганизмов и образование натриевых, калиевых и кальциевых солей органических кислот.

При этом предлагаемое изобретение обеспечивает и обезвреживание осадков КОС от различных экотоксикантов, прежде всего, тяжелых металлов и их токсичных комплексов. Достигается это за счет формирования алюмосиликатной сорбционно-активной минеральной матрицы, образующейся при взаимодействии щелочных компонентов реагента (известь, цемент) с глиной, количество которой в реагенте может составлять 40,0-60,0 мас.%. Указанное количество алюмосиликатов глины обеспечивает достаточно полное протекание хемосорбционных процессов. При уменьшении содержания глины в реагенте менее 40,0 мас.% количество алюмосиликатов может быть недостаточным для надежного взаимодействия с дисперсными составляющими активного ила, тогда как увеличение содержания глины - нерационально, вследствие того, что ведет к уменьшению доли гидролизующих компонентов и комплексообразователя, снижая тем самым эффективность реакций гидролиза. Введение в состав реагента извести обеспечивает, прежде всего, высокощелочную реакцию среды в смеси компонентов осадка и преодоление их кислотной буферности. Поэтому расход извести при производстве техногенного почвогрунта выбирается из условия обеспечения реакции среды рН 11,0-12,0, то есть не может составлять менее 20 мас.%, так как количество порошкового реагента в этом случае меньше, чем при производстве укрепленного техногенного грунта. Кроме того, известь, взаимодействуя с гидролизованными алюмосиликатами глины, участвует в формировании цементирующих или агрегирующих новообразований в виде гидросиликатов, алюминатов, ферритов кальция, способствуя литификации коллоидно-дисперсных составляющих смеси. Введение в состав реагента комплексообразователя обеспечивает интенсификацию процессов новообразований, обладающих вяжущей способностью и гидравличностью формируемых органо-минеральных агрегатов. Выбор конкретного комплексообразователя определяется видом конечного продукта утилизации. Так, для получения техногенного укрепленного грунта в качестве комплексообразователя могут быть использованы оксиды металлов, зола или дробленый шлак, а его доля должна составлять не менее 10,0 мас.%, тогда как для получения техногенного почвогрунта доля комплексообразователя может составлять 5,0 мас.% и в этом качестве уже используют доломитовую муку или молотый известняк, являющиеся экологически безопасными компонентами.

Предлагаемый способ обеспечивает также и утилизацию раздробленных и измельченных надрешеточных отходов, которые выполняют при производстве техногенного укрепленного грунта функцию армирующей фракции или крупноагрегатного компонента, способствующего аэрации при производстве техногенного почвогрунта.

Внесение загрязненного песка из песколовок в смеситель совместно с другими перерабатываемыми компонентами осадка и реагентом также обеспечивает его обеззараживание и обезвреживание, при этом песок выполняет функцию инертной скелетной добавки, полезной для всех видов продуктов утилизации.

Время выдержки полученной в смесителе однородной смеси компонентов осадков КОС и порошкового реагента при получении техногенного укрепленного грунта не регламентровано, то есть полученная смесь может быть использована для его производства сразу же после выгрузки. А при производстве техногенного почвогрунта выдержка полученной смеси в бункере-накопителе необходима для полного осуществления процессов обезвреживания и обеззараживания в высокощелочной среде. При этом не ранее чем через сутки в приготовленную смесь техногенного почвогрунта рекомендуется вносить расщелачивающую добавку в виде естественного растительного грунта, в соотношении от 1,0:0,4 до 1,0:0,6, или торфа, в соотношении от 1,0:0,15 до 1,0:0.25.

Указанные обстоятельства, по мнению заявителя, подтверждают соответствие заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Возможность реализации предлагаемого изобретения подтверждается проведенными экспериментами и иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В данном примере рассматривается реализация предлагаемого изобретения для получения укрепленного техногенного грунта. Согласно СНиП 2.04.03-85 весовое соотношение компонентов КОС, находящихся на очистных сооружениях, имеет следующий состав (в долях единицы):

- обезвоженные до влагосодержания 75% иловые осадки и избыточно активный ил - 0,9;

- песок из песколовок при влагосодержании 10-12% - 0,09;

- измельченные до частиц менее 5 мм надрешеточные отходы при влагосодержании 25,0% - 0,01.

Приготовленная в вибросмесителе периодического действия марки ВСМЛ (2×100) смесь отходов КОС указанного состава, отличалась вязкотекучей консистенцией, а после внесения в нее порошкового реагента следующего состава: глина - 45,0%, цемент - 30,0%, известь - 15,0%, комплексообразователь (зола) - 10,0% смесь приобрела тугопластичное состояние, пригодное для формования образцов. Образцы укрепленного техногенного грунта были изготовлены при введении комплексного порошкового реагента в количестве 10,0; 20,0; 30,0; 40,0 мас.%. Цилиндрические образцы, диаметр и высота которых равнялась 5 см, формовались при статической нагрузке 30 кг/см и выдерживались в камере 100%-ной влажности в течение 3, 7, 14 и 28 суток, после чего испытывались на прочность и водоустойчивость. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Проведенные исследования показали, что прочность укрепленного техногенного грунта возрастает по мере увеличения доли порошкового реагента в смеси отходов КОС. Полученные прочностные показатели отвечают требованиям ГОСТ 23558-94 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства».

С целью оценки степени обеззараживания отходов КОС при введении комплексного порошкового реагента были проведены анализы содержания суммарного белка в получаемом укрепленном техногенном грунте.

До введения в смесь отходов КОС порошкового реагента содержание в ней суммарного белка составляло 110-115 мг/г сухого вещества, а через час после защелачивания смеси добавками порошкового реагента содержание суммарного белка уменьшилось до 30-45 мг/г. После суточного выдерживания приготовленной смеси (отходов КОС и порошкового реагента) содержание суммарного белка не обнаруживалось. Кроме того, следует отметить, что при введении в смесь отходов КОС порошкового реагента предлагаемого состава, сразу же исчезает ее неприятный гнилостный запах, что свидетельствует о прекращении гнилостных процессов, обусловленных жизнедеятельностью микроорганизмов.

Для определения степени обезвреживания смеси отходов КОС были проведены опыты по оценке хемосорбционного поглощения тяжелых металлов и других экотоксикантов формирующейся, в результате щелочного гидролиза глинистой составляющей порошкового реагента, алюмосиликатной минеральной матрицей. Процессы десорбции тяжелых металлов из исходной смеси отходов КОС и получаемого укрепленного техногенного грунта оценивались результатами водных вытяжек через 1 и через 3 суток эксикаторного выдерживания образцов. Полученные результаты представлены в таблице 2. Выход указанных экотоксикантов не превышает норм ПДК.

Определение содержания подвижных форм экотоксикантов производилось с помощью исследования ацетат-аммонийных вытяжек. Результаты этих исследований приведены в таблице 3. Содержание подвижных форм экотоксикантов в образцах техногенного укрепленного грунта также не превышает допустимых норм ПДК.

На основании этого можно сделать вывод об экологической безопасности получаемого техногенного укрепленного грунта.

Пример 2

Для получения техногенного почвогрунта в смесь отходов КОС (аналогичную по составу примера 1) вводились добавки порошкового реагента в количестве 5,0; 10,0; 15,0; и 20,0 мас.%. При этом комплексный порошковый реагент имел следующий состав: глина - 50,0 мас.%, известь 35,0 мас.%, цемент - 5,0 мас.%, комплексообразователь (доломитовая мука) 10,0 мас.%.

После введения реагента в смесь отходов КОС производилось ее перемешивание в течение 5 минут с использованием вибросмесителя ВСМЛ (2×100). Затем полученная смесь выдерживалась в течение суток в камере 100%-ной влажности, после чего определялась реакция среды почвогрунта. Поскольку в результате воздействия добавок порошкового реагента реакция среды находилась в щелочном интервале (рН 10,0-11,0), в смесь вносились добавки растительного грунта (рН 6,2) в весовом соотношении смеси к расщелачивающей добавке растительного грунта от 1,0:0,3 до 1,0:0,6.

Для изготовления образцов почвогрунта в качестве расщелачивающей добавки использовался также низовой (перегнойный) торф (рН<5,0) в соотношении 1,0:0,2 до 1,0-0,25.

Полученные образцы искусственных почвогрунтов выдерживались в течение суток в камере 100%-ной влажности, после чего были проведены контрольные определения реакции среды. Полученные результаты показывают, что рН среды образцов, изготовленных в соответствии с заявленными количественными соотношениями компонентов, составляет менее 8,5, то есть расщелачивание среды достаточное и полученный техногенный почвогрунт может быть рекомендован как для устройства газонов, так и для других целей коммунального хозяйства. Результаты исследований приведены в таблице 4. Суммарный белок в изготовленных образцах почвогрунта не обнаружен.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает комплексную переработку осадков сточных вод очистных станций с их обеззараживанием и обезвреживанием и получением экологически чистых продуктов утилизации с использованием доступных материалов и стандартного оборудования, что подтверждает его соответствие критерию «промышленная применимость».

Таблица 1№ п/пКоличество порошкового реагента, мас.%Прочность образцов при сжатии (МПа) после эксикаторного хранения, сутокВодоустойчивость образцов, Кв=Rв/Rэ371428RэRэRэRэRв110,00,170,220,360,510,340,67220,00,390,510,720,890,830,93330,00,540,780,951,471,420,95440,00,870,981,582,252,210,98Rэ - прочность при сжатии образцов эксикаторного хранения, МПа;
Rв - прочность при сжатии образцов эксикаторного хранения после водонасыщения, МПа

Таблица 2№ п/пХарактеристика составаКонцентрация экотоксикантов в водной вытяжке, мг/г а) концентрация экотоксиканов определялась через 1 сутки после введения реагента, б) то же, через 3 сутокPbCuZnNiCdСоCr общ.FeMnHgAl1.Смесь отходов КОС0,150,270,960,0870,0080,0190,18231,100,00148,92а)То же, после введения реагента - 10 мас.%0,0160,090,310,017<0,005<0,0020,022,30,03<0,0010,36б)0,020,0050,0130,001<0,005<0,0010,010,190,01<0,0010,013а)Тоже после введения реагента - 20 мас.%0,010,030,060,003<0,002<0,0010,010,270,02<0,0010,23б)0,0050,010,004<0,001<0,001<0,0010,0030,050,01<0,0010,113а)Тоже после введения реагента - 30 мас.%0,0050,010,010,001<0,001<0,0010,0030,070,01<0,0010,12б)<0,0010,0020,001<0,001<0,001<0,001<0,001<0,01<0,001<0,0010,014а)Тоже после ведения реагента - 40 мас.%0,0010,0030,001<0,001<0,001<0,0010,0010,03<0,001<0,0010,06б)<0,0010,001<0,001<0,001<0,001<0,001<0,001<0,01<0,001<0,0010,01 ПДК0,031,01,01,00,0010,010,05-0,10,002-

Таблица 3№ п/пХарактеристика составаКонцентрация экотоксикантов в ацетат-аммонийной вытяжке, мг/гPbCuZnNiCdCoCr общ.FeMnHgAl1Смесь отходов КОС0,370,431,821,050,0450,751,0233,13,410,00713,62То же, после введения реагента - 10 мас.%0,020,140,470,02<0,0010,0010,033,10,07<0.0010,413То же, после введения реагента - 20 мас.%0,070,0610,0350,001<0,001<0,0010,020,150,03<0,0010,064То же, после введения реагента - 30 мас.%<0,0010,0030,005<0,001<0,001<0,001<0,0010,0010,01<0,0010,01концентрация экотоксиканов определялась через 1 сутки после введения реагента

Таблица 4№ п/пНаименование технологической операции производства техногенного почвогрунта.Введение комплексного порошкового реагентаРасщелачивание смесиКонтрольная оценка реакции среды через 3 сутокКоличество порошкового реагента, мас.%pH смесиВид добавки, количество, мас.%pH смесиРН средыСтепень защелачиваниячерез 1 часчерез 24 часчерез 1 часчерез 24 час15,09,58,3растит. грунт - 30,07,06,76,4недостат.торф - 5,06,96,56,3210,011,610,2растит. грунт - 40,09,17,87,7достат.торф -15,0%8,77,67,5315,012,111,0растит. грунт - 50,09,78,48,2достат.торф - 20,09,48,27,9420,012,511,4растит. грунт - 60,010,78,98,7избыт.торф - 25,010,38,78,6

Изобретение относится к области переработки осадков сточных вод на коммунальных очистных сооружениях. Способ заключается в предварительном обезвоживании осадков первичных отстойников и активного ила, смешивании с песком из песколовок, обеззараживании посредством реагента и получении продукта утилизации, посредством дополнительного обезвреживания осадков обеззараживающим и обезвреживающим реагентом, в качестве которого используют комплексный порошковый реагент следующего состава: глина 40,0-60,0 мас.%, известь 5,0-40,0 мас.%, цемент 5,0-40,0 мас.%, комплексообразователь, выбранный из ряда: смесь оксидов металлов, зола, дробленый шлак, доломитовая мука, молотый известняк 5,0-10,0 мас.%. Количество реагента составляет 10,0-30,0 мас.% от веса смеси. Технический эффект - глубокая комплексная переработка, обезвреживание и обеззараживание осадков с получением экологически чистых продуктов утилизации. 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ комплексной переработки и утилизации осадков сточных вод, включающий предварительное обезвоживание осадков первичных отстойников и активного ила, смешивание с песком из песколовок, обеззараживание посредством реагента и получение продукта утилизации, отличающийся тем, что дополнительно проводят обезвреживание осадков, причем в качестве обеззараживающего и обезвреживающего реагента используют комплексный порошковый реагент следующего состава: глина 40,0-60,0 мас.%, известь 5,0-40,0 мас.%, цемент 5,0-40,0 мас.%, комплексообразователь, выбранный из ряда: смесь оксидов металлов, зола, дробленый шлак, доломитовая мука, молотый известняк 5,0-10,0 мас.%, количество реагента составляет 10,0-30,0% от веса смеси, указанный реагент, обезвоженные осадки первичных отстойников и активный ил подают в смеситель одновременно с песком из песколовок и дополнительно с предварительно измельченными надрешеточными отходами первичных отстойников, где обрабатывают до получения однородной смеси, которую помещают в бункер-накопитель.2. Способ комплексной переработки и утилизации осадков сточных вод по п.1, отличающийся тем, что для получения техногенного укрепленного грунта количество порошкового реагента составляет 20,0-30,0 мас.% при содержании в нем глины 40,0-50,0 мас.%, извести 5,0-20,0 мас.%, цемента 30,0-40,0 мас.%, комплексообразователя, в качестве которого выбирают оксиды металлов, или золу, или дробленый шлак, 5,0-10,0 мас.%.3. Способ комплексной переработки и утилизации осадков сточных вод по п.1, отличающийся тем, что для получения техногенного почвогрунта количество реагента составляет 10,0-15,0 мас.% при содержании в нем глины 40,0-50,0 мас.%, извести 20,0-40,0 мас.%, цемента 5,0-10,0 мас.%, комплексообразователя, в качестве которого выбирают доломитовую муку или молотый известняк, 5,0-10,0 мас.%, при этом время выдержки полученной смеси в бункере-накопителе составляет не менее 24 ч, после чего в нее вносят расщелачивающую добавку в виде растительного грунта в соотношении от 1,0:0,4 до 1,0:0,6 или торфа в соотношении от 1,0:0,15 до 1,0:0,25.