СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2012 года по МПК C02F11/00 

Изобретение относится к экологической защите природы от отходов сточных вод, а именно к санитарной технике, и может найти применение при очистке бытовых и производственных сточных вод, в частности утилизации избыточного активного ила, других водных суспензий, нуждающихся в кондиционировании перед уплотнением, обезвоживанием. Основная задача кондиционирования - коагуляция присутствующих в осадке мелкодисперсных компонентов, образование крупных и прочных агрегатов (флокул) и улучшение тем самым водоотдающих свойств осадка.

Осадки сточных вод (ОСВ) представляют собой суспензии, выделяемые из сточных вод в процессе их механической, биологической и физико-химической очистки. Основными видами осадков на городских очистных сооружениях являются сырой осадок, задерживаемый первичными отстойниками, и избыточный активный ил (ИАИ) из вторичных отстойников. Плохая влагоотдача осадков затрудняет их последующую обработку и утилизацию. Пространственная структура осадка является коллоидной системой, включающей мелкодисперсные твердые частицы. Отношение площади их поверхности к массе настолько велико, что суммарный отрицательный электрический заряд на их поверхности вызывает взаимное отталкивание частиц. Электростатические силы отталкивания препятствуют слиянию коллоидных частиц и образованию больших масс. Поэтому они не поддаются осаждению, флотации или фильтрации, и их приходится предварительно подвергать кондиционированию путем флокуляции и коагуляции.

В процессах водоподготовки и обезвреживания промышленных сточных вод широко применяется реагентная очистка, сопровождающаяся коагуляцией и осаждением взвешенных частиц. В воду добавляют минеральные коагулянты, например соли алюминия, железа, магния, кальция. В результате гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды металлов, которые преимущественно выделяются на частицах примесей воды, что и способствует укрупнению последних.

Недостатком коагуляции с использованием неорганических коагулянтов является большой расход химических реагентов на 1 т сухого вещества осадков, поэтому образуются большие количества отстоя. Уничтожение этих отходов осуществляют путем сливания в водоемы или захоронения в земле. В этой связи актуален поиск путей уменьшения объемов этих отходов.

С появлением в 60-х годах синтетических органических полимеров они стали использоваться как добавка к неорганическим коагулянтам для более интенсивного образования хлопьев. В настоящее время для очистки осадков от взвешенных и коллоидных частиц нашли применение современные органические коагулянты и флокулянты - синтетические полимеры (полиэлектролиты), расход которых при расчете на сухое вещество достигает нескольких процентов. Синтетические флокулянты дороги, как правило, токсичны и являются источником вторичного загрязнения сточных вод, требующего дополнительных мер по очистке или обезвреживанию. Поэтому актуален поиск безреагентных методов коагуляции.

Реагентные флокуляция и коагуляция дестабилизируют коллоидную взвесь посредством двух различных механизмов: нейтрализации зарядов и химического связывания. Положительно заряженные коагулянты нейтрализуют отрицательный заряд, окружающий коллоидные частицы. Когда заряд вокруг каждой частицы нейтрализован, частицы сближаются и сталкиваются друг с другом. При столкновении частицы соединяются за счет водородных связей или, например, сил Ван-дер-Ваальса, образуя хлопья. Энергия перемешивания, применяемая в процессе реагентной коагуляции, увеличивает количество и частоту столкновений коллоидных частиц, усиливая агломерацию твердого вещества и способствуя образованию хлопьев. Образованию хлопьев способствует также и полимерная природа флокулянтов. Их длинные молекулярные цепочки подхватывают агломерированные частицы, образуют мостики от одной поверхности к другой, связывая вместе отдельные хлопья в крупные, легко удаляемые массы.

Воздействовать на кинетику коллоидных систем можно не только химическими реагентами, но и физическими полями, например кавитационными. Кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии, связанной с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков, заполненных насыщенными парами жидкости. В момент схлопывания кавитационного пузырька локальное давление и локальная температура газа достигают значительных величин, что вызывает микрокрекинг, фазовые переходы и процессы ионизации. Интенсивные гидродинамические колебания, протекающие при образовании и разрушении кавитационных пузырьков, приводят к образованию диссоциированных молекул, атомов и свободных радикалов, возникновению электрических зарядов, что создает условия смещения равновесия коллоидных систем.

Цель изобретения - защита природы от отходов, образующихся при переработке и утилизации отстоев сточных вод, в частности подготовка (кондиционирование) избыточного активного ила к механическому обезвоживанию путем улучшения его водоотдающих свойств без применения реагентов.

Известен способ [1] коагуляции ОСВ путем обработки химическими реагентами: хлорным железом, сернокислым окисным железом, хлорированным железным купоросом, хлоргидратом алюминия в сочетании с известью. Недостатком такого способа обработки осадков является большой расход химических реагентов: до 100 кг (FeCl₃) и 200 кг известкового вещества Ca(OH)₂ на 1 т сухого вещества. При этом происходит сильная минерализация обезвоженного осадка (кека), достигающая 50%, что не позволяет сжигать осадок в печах, так как приводит к спеканию твердого остатка в печи. Высокая влажность кека, достигающая 80%, препятствует его сжиганию, а присутствие FeCl₃ и извести не позволяет использовать его для удобрения в сельском хозяйстве. Твердый остаток вывозят в отвалы, что нарушает экологическое равновесие окружающей среды.

Известны способы обработки ОСВ перед механическим обезвоживанием путем введения синтетических флокулянтов, что позволяет снизить расход реагентов на единицу обрабатываемого осадка. В качестве флокулянтов используют, например, в способе [2] - сополимер акриламида метилвинилпиридиновой соли диметилсульфата, в способе [3] - продукт полимеризации 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, полученного в присутствии β-оксипропилтретбутилпероксида или в присутствии последнего и α-амино-γ-метилмасляной кислоты в виде смеси D, L-изомеров. В способе [4] - в качестве флокулянта используют продукт взаимодействия латекса полиметилвинилпиридина с молекулярной массой со стехиометрическим количеством бензилхлорида.

Большинство флокулянтов являются токсичными, служат источниками вторичного загрязнения сточных вод, требуют мер по дополнительной очистке, что является недостатками способов кондиционирования с применением флокулянтов.

Известен способ обработки органических осадков сточных вод [5], где, с целью повышения интенсивности окисления органических веществ и ускорения процесса, смесь сырого осадка и избыточного активного ила перед аэробной стабилизацией подвергают кавитационной обработке при числе кавитации 0,01-0,05. Кавитацию организуют путем высоких скоростей потока обрабатываемого осадка с подачей сжатого воздуха с последующей рециркуляцией осадка и нагреванием. Недостатками способа являются недостаточная интенсивность обработки осадка, необходимость его рециркуляции, затраты на нагрев осадка и использование сжатого воздуха.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является безреагентный способ [6] подготовки к обезвоживанию избыточного активного ила, где избыточный активный ил перед обезвоживанием сушкой на иловой площадке кондиционируют механическим перетиранием. Процесс ведут, например, в устройстве в виде металлического герметично вращающегося цилиндра, заполненного наполовину металлической дробью. Цилиндр приводят во вращение со скоростью 150 об/мин, время перетирания активного ила составляет 10 мин. Недостатками способа являются малая производительность процесса и невысокая интенсивность обработки осадка, исключающая заметное влияние на кинетику коллоидной системы.

Техническая сущность предлагаемого способа - комбинирование интенсивного механического перетирания с мощным кавитационным воздействием, обеспечивающим нарушение дисперсионной стабильности жидких сред и смещение равновесия коллоидных растворов. При этом полезным побочным эффектом является полная или частичная деструкция клетчатки микроорганизмов, что дополнительно высвобождает связанную клетчаткой воду, происходит дезинфекция и уничтожение яиц гельминтов, что существенно упрощает дальнейшую утилизацию отстоя.

Пример 1. Техническая реализация способа.

Техническая реализация способа осуществляется, например, в проточном роторном кавитационном гидродинамическом реакторе, схематично изображенном на Фигуре. Реактор состоит из разъемного статора 1 цилиндрической формы, образующего внутреннюю полость. В полости имеются входное отверстие 2 и выходное отверстие 3, размещается ротор 4, закрепленный на валу 5. Вал приводят во вращение внешней силой, например электродвигателем (не показан). На поверхности ротора выполнены концентрические пазы 6. Концентрические пазы формируют между собой выступы 7. На дисках статора также имеются концентрические пазы 8, образующие между собой выступы 9. Профиль концентрических пазов ротора и статора идентичен, при этом пазы ротора сопрягаются с выступами статора. Ротор, кроме того, имеет, по крайней мере, два сквозных отверстия 10 для перетекания жидкости, расположенных радиально симметрично между наименьшим по радиусу концентрическим пазом и центром вращения ротора.

Способ реализуют следующим образом. Осадок сточных вод через входное отверстие 2 подают под некоторым давлением в реактор, где она попадает в пространство между ротором и статором. Через отверстия 10 жидкость заполняет объемы по обе стороны ротора и отбрасывается центробежными силами от центра вращения ротора к выходному отверстию 3, расположенному на периферии реактора. Проходя через отверстия 10, поток жидкости теряет целостность и перемешивается. Благодаря силам смачиваемости между обрабатываемой жидкостью и поверхностями реактора жидкость приходит во вращение увлекаемая пазами и выступами ротора и удерживаемая пазами и выступами статора. Кроме того, в жидкости действуют силы внутреннего трения (вязкости). При движении между пазами и выступами поток жидкости расслаивается на внутренние разнонаправленные течения, возникают напряжения растяжения, что приводит к разрывам в потоке, образуются и исчезают кавитационные полости. Кроме того, двигаясь от центра ротора к периферии, радиальный поток вращающейся жидкости, набирая скорость, дополнительно разрушается, обходя препятствия, создаваемые выступами на роторе и статоре. Пройдя последний выступ, обрабатываемая жидкость выталкивается из реактора через выходное отверстие 3.

Механическое воздействие на частицы гетерогенной среды обрабатываемого осадка заключается в ударных, срезывающих и истирающих нагрузках при контакте с вращающимся ротором и неподвижным статором. Кавитационное воздействие, выражающееся в больших сдвиговых напряжениях в жидкости, развитой турбулентности, пульсациях давления и скорости потока, приводит к смещению равновесия коллоидной системы ОСВ, происходит интенсивное перемешивание.

Оценку эффективности кондиционирования осадков сточных вод можно оценивать по значению оптической плотности отстоянной воды или фильтрата, при этом меньшее значение оптической плотности (выше прозрачность раствора) означает лучшие водоотдающие свойства осадка.

Оптическая плотность - мера поглощения или света отражения света вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения, падающего на объект, к потоку излучения, прошедшего через него:

;

где F_in - входящий поток светового излучения,

F_out - исходящий световой поток.

Пример 2. Оценка эффективности заявляемого способа.

Оценка эффективности заявляемого способа осуществляется, например, по способу кондиционирования осадков сточных вод [7], наиболее близкому к заявляемому способу по методике определения качества кондиционирования. При этом отбирают пробы исходного и кондиционированного осадка и сравнивают показатели оптической плотности фильтратов указанных проб. О водоотдающих свойствах осадка судят по снижению значения оптической плотности до 0,45-0,001.

Исходную пробу осадка, подлежащего обработке, представляющего собой смесь первичного осадка и избыточного активного ила, в соотношении 2,5 к 1, объемом 50 мл фильтруют при атмосферном давлении в воронке Бюхнера, применяя обеззоленный бумажный фильтр «белая лента», до получения объема фильтрата 30 мл. Определяют оптическую плотность фильтрата с помощью фотометра КФК-3-01. Значение оптической плотности определено: D=1,92.

Исходный ОСВ подают в роторный гидродинамический реактор под давлением 0,12 МПа. Ротор реактора приводят во вращение электродвигателем с частотой - 2950 об/мин. Исходная температура осадка 22,1°C. Обработку осуществляют в соответствии с Примером 1.

Конечная температура осадка 27,8°C. Изменение температуры свидетельствует о наличии в реакторе кавитационных процессов. Отбирают пробу обработанного осадка объемом 50 мл и фильтруют при атмосферном давлении в воронке Бюхнера, применяя обезволенный бумажный фильтр «белая лента», до получения объема фильтрата 30 мл. Определяют оптическую плотность фильтрата с помощью фотометра КФК-3-01. Значение оптической плотности определено: D=0,12.

Уменьшение значения оптической плотности D с 1,92 до 0,12 свидетельствует о существенном повышении водоотдающих свойств осадка.

Предложенный способ кондиционирования осадков сточных вод обеспечивает защиту природы от отходов, образующихся при переработке и утилизации ОСВ, в частности избыточного активного ила при его подготовке к обезвоживанию, путем существенного улучшения водоотдающих свойств обрабатываемого осадка, без применения реагентов и мер по их дополнительному обезвреживанию.

Источники информации

1. Туровский И.С. Обработка осадков сточных вод. М.: Стройиздат, 1975, с.42.

2. Авторское свидетельство СССР, 1765122, кл. C02F 1/56, 1990.

3. Патент РФ №2060976, кл. C02F 11/14, C02F 1/56, 1996.

4. Патент РФ №2081856, кл. C02F 11/14, 1997.

5. Авторское свидетельство СССР №1798332, C02F 11/12, 1993.

6. Авторское свидетельство СССР №712396, C02F 11/12, 1980.

7. Патент РФ №2006491, кл. C02F 11/12, 2000.

Изобретение относится к экологической защите природы от отходов сточных вод. Способ кондиционирования осадков сточных вод, в частности избыточного активного ила перед обезвоживанием, включающий механическое перетирание, интенсивную кавитационную обработку, определение водоотдающих свойств, отличающийся тем, что осадок дополнительно подвергают механическому воздействию ударным, срезывающим и истирающим нагрузкам в сочетании с интенсивным кавитационным воздействием, преимущественно в роторном гидродинамическом реакторе, содержащем корпус с входом и выходом для обрабатываемого осадка, размещенные внутри корпуса ротор и статор в виде дисков, имеющих сопряженные выступы и углубления, совмещаемые при вращении ротора. Предложенный способ кондиционирования осадков сточных вод обеспечивает защиту природы от отходов, образующихся при переработке и утилизации осадков сточных вод. 1 ил.

Способ кондиционирования осадков сточных вод, в частности избыточного активного ила перед обезвоживанием, включающий механическое перетирание, интенсивную кавитационную обработку, определение водоотдающих свойств, отличающийся тем, что осадок подвергают механическому воздействию ударным, срезывающим и истирающим нагрузкам в сочетании с интенсивным кавитационным воздействием, преимущественно в роторном гидродинамическом реакторе, содержащем корпус с входом и выходом для обрабатываемого осадка, размещенные внутри корпуса ротор и статор в виде дисков, имеющих сопряженные выступы и углубления, совмещаемые при вращении ротора.