Способ предобработки осадков сточных вод Российский патент 2023 года по МПК C02F11/06 C02F11/15 

Изобретение относится к физико-химическим технологиям в экологии, в частности к комбинированной обработке осадков хозяйственно-бытовых сточных вод с целью трансформации их в почво-грунт или удобрение (в зависимости от состава осадка).

Поставленная цель достигается воздействием на осадок сточных вод, первичных или/и вторичных отстойников, субстанцию иловых полей, донных отложений акустическими волнами широкого спектра частот и плотностью мощности достаточной для преодоления порога кавитации, создаваемой гидроакустическим излучателем, распыляющим при этом в жидкой среде озон в виде кавитирующих микропузырьков, обеспечивающих, за счет вихревых микропотоков и сонохимических реакций, интенсивное окисление органических соединений, уничтожение микроорганизмов, диспергирование грязевых агрегатов.

Актуальность проблемы переработки осадков сточных вод демонстрируется огромным количеством предлагаемых в патентной ипециальной литературе способов и устройств для решения ряда формирующих проблему задач (Аксенов В.И., Мигалатий Е.В., Никифоров А.Ф. Переработка осадков сточных вод. Екатеринбург. ГОУ УГТУ-УПИ, 2002, 81 с., Bougrier C., Albasi C., Delgenès J.P., Carrère H. Effect of ultrasonic, thermal and ozone pre-treatments on waste activated sludge solubilisation and anaerobic biodegradability Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 45, 8, 2006, P.s 711-718, Fabiyi M., Novak R. Ozonation of wastewater for reduction of sludge or foam and bulking control. WO2008042769A. 2006. Khanal S. K. Ultrasound Applications in Wastewater Sludge Pretreatment: A Review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2007. 37. 4. Р.277-313 Кузнецов И. Н., Шкодов Т. В., Ручай Н. С. Исследование эффективности ультразвуковой и ферментативной предобработки осадков сточных вод городских очистных сооружений при получении биогаза. Труды БГТУ. 2018. Серия 2, С. 161-166, и ряд других).

Известен способ комплексной переработки осадков сточных вод, содержащих сырой осадок и избыточный активный ил, включающий предварительное обезвоживание осадков, смешивание их со связующей неорганической минеральной добавкой с образованием однородной смеси, обезвреживание, обеззараживание, получение продукта утилизации, при этом процесс обезвреживания осадков включает выделение тяжелых металлов из жидкой фазы методом адсорбции и ионного обмена на стадии смешивания, обезвоживание осадков на стадии гранулирования однородной смеси, на которой одновременно производят обеззараживание осадков посредством подогрева смеси до 150-200°С при продавливании через пресс-гранулятор, выполненный с электроподогревом, обезвоживание полученных гранул на стадии высушивания их естественным путем, обезвоживание высушенных гранул на стадии обжига при температуре, равной 200-1000°С, с получением конечного продукта утилизации. (Хрипач Н.П., Камнев Е.Г., Жегулин С. Н. Способ комплексной переработки осадков сточных вод, RU 2708595, 2019). Метод, однако, многостадиен, технологически сложен и требует для реализации существенное количество энергии на сушку, подогрев, на продавливание через пресс-гранулятор, обжиг.

Известен способ переработки осадка, включающий последовательно усреднение его состава, измельчение, тепловую обработку, кавитацию нагретой смеси, озоно-кислородную обработку, обогащение растворами азотных, фосфорных и калийных веществ и получением органоминеральных удобрения, с одновременным обезвреживанием осадка сточных вод и сокращением временем его обработки. (Анисимов А. Д, Бубнов С. Н., Петров С. В. Способ обезвреживания осадка сточных вод и получения из него сырьевых продуктов для производства жидких и твердых органоминеральных удобрений RU 2717131, 2019). Авторы, однако, не привели в достаточной мере параметры переработки в отдельных звеньях технологической цепочки, в частности, остались неизвестными параметры (частота, плотность акустической энергии) ультразвука, в поле которого осуществлялась кавитационная обработка, что обесценивает приведенную информацию.

Известен способ переработки осадка сточных вод, включающий предварительное его кондиционирование органическими флокулянтами, обработку полученного кека негашеной известью и одновременно обеззараживанием за счет повышения температуры до 80°С при реакции негашеной извести с водой, обезвоживанием осадка на фильтр-прессах, подсушиванием и смешиванием с навозом (Гермашева Ю. С., Самойлов В. В., Зеленская Е. А. Способ переработки осадков сточных вод на органо-минеральные удобрения RU 2712664, 2022). Способ прост, однако непонятно, откуда после кондиционирование органическими флокулянтами взялся кек, представляющий собой по определению «твёрдый осадок на фильтрующей поверхности после фильтрации суспензий».

Известна система переработки осадка сточных вод и изготовлении изделий для промышленного и гражданского строительства, включающая блоки обезвоживания осадка, сушки и сжигания обезвоженного осадка, удаления золы из уходящих газов и очистки дымовых газов (Пробирский М. Д., Васильев Б. В., Воеводская Т. В. Мурашев С. В., Иванов Г. Н. Система переработки осадка сточных вод RU 2309129, 2007). Система небезопасна для окружающей среды и энергозатратна.

Известен метод очистки промышленных сточных вод ультразвуковой кавитацией в жидкой среде, насыщенной озоном в виде пузырьков микронного размера, индуцируемых ультразвуком в кавитационные каверны с генерацией свободных радикалов, полученных из О2 и H2O2, ускорением диффузионных и окислительных реакцией. (Wu Wei, Pu Yuepu,Yin Lihong. Ultrasonic inducing ozone cavitating method for processing industrial wastewater. CN100488887C. 2007). Однако, использование моночастотного ультразвука существенно снижает эффективность процесса, поскольку лишь отдельные, с собственными частотами, резонансными с вынуждающими, наложенными ультразвуковыми частотами, пузырьки, участвуют в процессе окисления органики и снижения микробиальной обсеменённости сточных вод.

Известен аналогичный по применению ультразвука и озона метод очистки сточных вод, содержащих хлорфенол (Chen Jianmeng, Wang Jiade. Ultrasonic ozone treating technique of chlorophenol-containing wastewater CN100480190C. 2007), имеющий те же недостатки что и вышеописанный предыдущий способ.

Известны способы переработки осадков сточных вод коммунальных очистных сооружений с получением удобрения, включающие введением в осадок сточных вод дополнительных материалов, механическое обезвоживание, сушку, механохимическую активацию, гранулирование. (Кнатько В. М., Щербакова Е. В., Кнатько М. В. Владимирская Н. В. Способ комплексной переработки и утилизации осадков сточных вод RU2293070C2, 2005., Демин Д. В., Севостьянов С. М., Татаркин И. В. Способ переработки осадков сточных вод RU2 457 909, 2010., Соколов М.Т., Марцуль В. Н., Антипов С. В., Способ переработки осадков сточных вод. Пат. 14502 Республика Беларусь, 2011., Гермашева Ю. С., Самойлов В. В., Зеленская Е. А. Способ переработки осадков сточных вод на органоминеральные удобрения RU 2712664, 2022). Эти, и аналогичные способы, требуют снижения микробной обсеменённости, время- и энергозатратны, непригодны для реализации при наличии в осадке ряда веществ, присутствие которых в удобрениях недопустимо в соответствии с ГОСТами на органичские удобрения и их анализ (ГОСТ 34103-2017, ГОСТ 33830-2016, ГОСТ 26712-94, ГОСТ Р 54651-2011, ГОСТ 26718-85).

Интенсификации предобработки осадков сточных вод оказалась возможной с применением различных газообразных окислителей, кавитаторов и акустических устройств различных конструкций и их комбинаций.

Свойства озона как эффективного окислителя органических веществ и дезинфектанта хорошо известны и успешно используются для обеззараживания воды на водозаборных станциях водоканалов, для предупреждения биообрастаний рабочих поверхностей в градирнях, для кондиционирования воды в бассейнах.

Технология кондиционирования воды и водных сред с использованием озона находит широкое применение, поскольку, обладая выраженными окислительными свойствами этот газ, действуя практически в течение нескольких секунд, уничтожает бактерии, их споры, грибки, цисты простейших, одноклеточные водоросли, а также вирусы. А неиспользованные остатки озона превращаются естественным образом в кислород. Однако, являясь мощным окислителем, озон относится к высокому классу опасности, поэтому должен быть максимально осторожно использован в процессе кондиционирования водных сред, и при этом его количество должно быть достаточным для достижения требуемого эффекта (Лунин В.В., Самойлович В. Г., Ткаченко С. Н., Ткаченко И.С. Теория и практика получения и применения озона М.: Изд-во Московского университета 2016, 432 С., Hayes D. F., Hong P. A. Remediation with ozone of sediments containing organic contaminants Patent US7115203B2, 2003).

Гидродинамические кавитаторы обеспечивают интенсивное вихреобразование и кавитацию, многократную перестройку поля скоростей и изменение направления линий тока в потоке жидкости и смешиваемых компонентов. Принцип работы таких смесителей основан на нестационарности потоков жидкости и на активных гидродинамических эффектах воздействия на обрабатываемые вещества.

Мощный ультразвук, в зависимости от его параметров и условий воздействия, вызывает в жидких средах ряд специфических эффектов - кавитацию, интенсивные микро - и макропотоки, приводящие к быстрому и качественному перемешиванию компонентов среды, интенсифицируют химические и биохимические процессы (Василяк Л.М., Применение ультразвука в системах обеззараживания воды. Электронная обработка материалов, 2010, № 5, С. 106-111). Следует, однако, отметить, что дезинфекция одной лишь моночастотной ультразвуковой обработкой практически невозможна, поскольку уровень обсемененности жидкой среды в ультразвуковом поле снижается экспоненциально. (Акопян В.Б., Ершов Ю.А., Щукин С.И. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. М.: из-во Юрайт, 2020, 223 С). Кроме того, применение мощного ультразвука, обеспечивающего интенсивную кавитацию в жидких средах, требует применения специальных генераторов - источников электрических сигналов ультразвуковой частоты и преобразователей этих сигналов в акустические волны в среде.

Для комбинированной обработки жидких сред, в частности для кондиционирования воды, для смешивания жидких сред положительно зарекомендовали себя гидроакустические излучатели (SU1034790, РФ2006286, РФ2075201, РФ2008272, РФ2158174, РФ2165891, РФ2651197, РФ2626355, РФ2631594, РФ185587), обуславливающие акустическое воздействие на обрабатываемую среду широким спектром звуковых и ультразвуковых частот, с плотностями энергии в обрабатываемой среде от относительно низких, достаточных для мягкого перемешивания составляющих среды, до значений, превышающих порог кавитации, обеспечивающей разрушение твердых частиц, интенсивное перемешивание, вплоть до снижения диффузионных ограничений, и при этом не внутри устройства, а на выходе из него, что делает срок службы устройства практически бесконечным, что особенно важно при переработке суспензий, содержащих твердые частицы, как в частности, сточные воды.

Свойства озона как эффективного окислителя органических веществ и дезинфектанта хорошо известны и успешно используются для обеззараживания воды и водных сред.

Известна способность ультразвука усиливать действие некоторых биологических активных веществ, в частности бактериальных ядов (Акопян В.Б., Ершов Ю.А., Щукин С.И. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. М.: из-во Юрайт, 2020, 223 С). Поэтому, при обработке осадков сточных вод весьма перспективно использование синергичности действия акустического воздействия и мощного окислителя - озона.

Заявленный способ предобработки осадков сточных вод характеризуется тем, что на осадок сточных вод, первичных или/и вторичных отстойников, субстанцию иловых полей, донных отложений, воздействуют создаваемыми гидроакустическим излучателем акустическими волнами широкого спектра частот и плотностью мощности достаточной для преодоления порога кавитации и распыляющим при этом в жидкой среде озон в виде кавитирующих микропузырьков, обеспечивающих, за счет вихревых микропотоков и сонохимических реакций, интенсивное окисление органических соединений, уничтожение микроорганизмов, диспергирование грязевых агрегатов.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами, не носящими, однако, ограничительного характера.

Пример 1. Осадок из дачного септика-накопителя, с частью водного раствора с суспендированными в нем взвешенными частицами, переносился в емкость с встроенным гидроакустическим излучателем и подвергался воздействию акустическими волнами в диапазоне частот 12- 44 кГц, с плотностью акустической мощности в среде 0.1 - 1,0 Вт/см3 в течение 5 минут. После чего переправлялся в отстойник.

Осадок после обработки оказался гомогенным, в нем отсутствовали явно выраженные неоднородности, однако, как осадок, так и надосадочная жидкость после отстаивания в течение 2 часов издавали характерный ощутимый запах, схожий с запахом исходного материала.

Микроскопический анализ выявил в нем фрагменты яиц гельминтов.

Высев на питательную среду в чашки Петри выявил наличие единичных, живых, способных к размножению, микроорганизмов.

Пример 2. Осадок из дачного септика-накопителя, с частью водного раствора с суспендированными в нем взвешенными частицами, переносился в емкость с встроенным гидроакустическим излучателем и подвергался воздействию водных потоков с растворенным в них озоном в течение 5 минут. После чего переправлялся в отстойник.

Осадок после обработки был не гомогенным, в нем присутствовали явно выраженные неоднородности, в виде относительно плотных, чем остальной осадок, образований. Как осадок, так и надосадочная жидкость после отстаивания в течение 2 часов издавали характерный, но значительно более слабый запах, схожий с запахом исходного материала.

Микроскопический анализ выявил в комках яйца и фрагменты яиц гельминтов, а также не идентифицированные частицы.

Высев содержимого комков на питательную среду в чашки Петри выявил наличие живых, способных к размножению, микроорганизмов.

Пример 3. Осадок из дачного септика-накопителя, с частью водного раствора с суспендированными в нем взвешенными частицами, переносился в емкость с встроенным гидроакустическим излучателем и подвергался воздействию акустическими волнами в диапазоне частот 12 - 44 кГц с плотностью акустической мощности в среде 0.1 - 1,0 Вт/см3 в течение 5 минут с подачей через гидроакустический излучатель раствора озона (≥70 мг/л) и распыляемого излучателем. После чего обработанный осадок переправлялся в отстойник.

Осадок после обработки был гомогенным, в нем отсутствовали явно выраженные неоднородности, как осадок, так и надосадочная жидкость после отстаивания в течение 2 часов не издавали характерного запаха, схожего с запахом исходного материала.

Микроскопический анализ выявил в нем фрагменты яиц гельминтов.

Высев на питательную среду в чашки Петри не выявил наличие живых, способных к размножению, микроорганизмов.

Заявленное изобретение создает необходимое разнообразие, обеспечивающее дополнительные возможности выбора способа предобработки осадков сточных вод для поиска оптимального решения, возникающих конкретных задач в производственной практике.

Изобретение относится к физико-химическим технологиям в экологии, в частности к комбинированной обработке осадков хозяйственно-бытовых сточных вод с целью трансформации их в почвогрунт или удобрение. Согласно способу на осадок сточных вод воздействуют акустическими волнами и распыляемым в жидкую среду озоном. Воздействие осуществляют акустическими волнами в диапазоне частот 12-44 кГц и плотностью мощности 0,1-1 Вт/см³, достаточной для преодоления порога кавитации. Воздействие акустическими волнами и распыление озона в виде кавитирующих микропузырьков осуществляют посредством гидроакустического излучателя. Технический результат: расширение способов предобработки осадков сточных вод для возможности их дальнейшего использования. 3 пр.

Способ предобработки осадков сточных вод, характеризующийся тем, что на осадок сточных вод воздействуют акустическими волнами и распыляемым в жидкую среду озоном, отличающийся тем, что воздействие осуществляют акустическими волнами в диапазоне частот 12-44 кГц и плотностью мощности 0,1-1 Вт/см³, достаточной для преодоления порога кавитации, при этом воздействие акустическими волнами и распыление озона в виде кавитирующих микропузырьков осуществляют посредством гидроакустического излучателя.