СПОСОБ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД И ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2024 года по МПК C02F11/14 C05F7/00 

Заявляемое изобретение относится к комплексу мероприятий по обработке иловых, твердых осадков и загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах, а также органических отходов, как ранее накопленных, так и вновь образующихся в текущем технологическом процессе, и предназначено для ликвидации запахов, возникающих от дурно пахнущих веществ (ДПВ), и получения в одном технологическом процессе вторичных продуктов в виде, например, удобрения или рекультивационного грунта, или добавок к ним.

При образовании и скоплении осадков сточных вод (ОСВ) и органических отходов помимо их токсичного влияния на окружающую среду, негативным фактором является наличие неприятного запаха. Все процессы обработки и утилизации ОСВ сопровождаются эмиссиями дурнопахнущих веществ, что существенно затрудняет их транспортировку и переработку, особенно в пределах больших населенных пунктов или на территориях, приближенных к ним.

Известно, что основным источником фекального запаха ОСВ являются продукты жизнедеятельности анаэробных кишечных бактерий, выделяющих сероводород, аммиак, а также меркаптаны.

Утилизация ОСВ является сложной технологической и экологической проблемой, т.к. ОСВ содержат значительное количество опасных для здоровья органических, а также неорганических веществ в виде оксидов кремния, алюминия, солей тяжелых металлов.

В связи с постоянной техногенной нагрузкой на гидросферу и окружающую среду требуется создание новых и улучшение существующих способов очистки и обработки осадков сточных вод или органических отходов с целью восстановления первоначальных свойств водных ресурсов и возвращения их в сферу потребления.

В качестве одного из эффективных методов приведения воды к надлежащему качеству, который позволяет извлекать загрязнители, а затем использовать их в производственном цикле, является сорбционная очистка водных сред (Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Л.: Химия, 1982. 168 с.).

В процессах сорбционной водоочистки широко применяют активированный уголь (Кудайбергенов К.К. Разработка и изучение карбонизованных сорбентов для очистки воды от нефтяных загрязнений: дис.…канд. фил. наук. Алматы, 2012. 101 с.); синтетические адсорбенты, например, на основе оксида алюминия и других металлов (Технический справочник по обработке воды /М.И. Алексеев [и др.]. В 2 т. Т.1. Пер. с фр. СПб.: Новый журнал, 2007. 650 с.); полимерные пористые материалы (Лукиных Н.А., Липман Б.Л., Криштул В.П. Методы доочистки сточных вод. М.: Стройиздат, 1978. 160 с.).

Однако наряду со всеми достоинствами, которые присущи сорбентам, они не обладают магнитными свойствами, определяющими способность материалов по завершении процесса сорбции извлекаться из воды посредством магнитной сепарации, при которой в качестве магнитной составляющей преимущественно используют оксиды железа Fе₃O₄ (магнетит) и у^е203 (маггемит), которые отличаются высокой сорбционной емкостью и эффективностью очистки, а также низкой стоимостью. Так, например, известны исследования, направленные на получение наносорбентов с помощью ионов и оксидов железа (например, Коурова Н.В., Кузьмин А.Г., Лукашев Р.В. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов магнитными сорбентами [Электронный ресурс] // Современные научные исследования и инновации: Электронный науч.-практич. журн. 2015. №1. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/01/42128 (дата обращения: 26.09.2016).

В настоящее время актуальной задачей является разработка технологий, одновременно реализующих возможность обработки осадков и отходов и элиминирование (удаление) исходящих от них неприятных запахов. Причем такие технологии должны быть предназначены для осадков и отходов, как ранее складированных на специально подготовленных технологических площадках - полигонах, так и образующихся непосредственно на месте их сбора в текущем процессе.

Предлагаемый к защите способ позволяет сократить сроки обработки ОСВ или органических отходов с получением на выходе в зависимости от стадии процесса вторичных продуктов марок O, V, Z, М, соответствующих ГОСТ Р 59748-2021 «Технические принципы обработки осадков сточных вод. Общие требования», ГОСТ Р 53117-2008 «Удобрения органические на основе продуктов животноводства. Технические условия».

Навязчивость (раздражение), как критерий оценки запаха, используют для гигиенического нормирования запаха. Разработана 6-ти балльная шкала одометрической оценки силы запаха (Современное гигиеническое нормирование запаха в атмосферном воздухе и выбросах производств, его контроль и управление риском неблагоприятного воздействия с учетом международного опыта. М.А. Пинигин, О.В. Бударина, Л.А. Федотова, Т.Д. Потапченко, ФГБУ «НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина» Минздрава России, http://www.infoeco.ru/assets/files/News/2017%2002%2028_01.pdf). При этом запахи от ДПВ осадков сточных вод, органических отходов соответствует 4 или 5 баллам указанной шкалы и оцениваются, соответственно, как «запах обнаруживается как сильный» и «запах обнаруживается как очень сильный, подавляющий».

Из предшествующего уровня техники известен способ очистки сточной воды, заключающийся в том, что сточная вода из регулирующего резервуара 1 насосом 2 по трубопроводу 9 подается в эжектор 3, при этом часть потока по трубопроводу 11 через задвижку 6 возвращается в регулирующий резервуар 1, обеспечивая в нем гидравлическое перемешивание и регулирование времени пребывания сточной воды в аппарат вихревого слоя ферромагнитных частиц (ABC) 5. Эжектор 3 соединен с блоком приготовления и подачи реагентов 4 трубопроводом 13. С помощью эжектора 3 в трубопровод 14 осуществляется подача различных реагентов (коагулянты, флокулянты, озон, перекись водорода и др.). Подбор необходимых реагентов осуществляют по результатам предварительных исследований и зависит от типа и физико-химического состава обрабатываемых сточных вод. Затем поток сточной воды направляется по трубопроводу 14 в ABC 5, который имеет следующие технические характеристики: объем рабочей камеры 0,3÷10 л; диаметр рабочей камеры 60÷180 мм; длина рабочих тел (ферромагнитных частиц) 5÷30 мм; диаметр рабочих тел 0,5÷5 мм; масса рабочих тел 200÷800 г; сила тока 30÷250 А; индукция магнитного поля в камере 0,1÷1,5 Тл; напряжение 60÷250 В; частота 20÷400 Гц. Необходимые технические параметры ABC и время обработки в аппарате зависят от качественных и количественных характеристик обрабатываемых сточных вод и определяются в процессе проведения предварительных испытаний. После обработки в ABC 5 сточная вода по трубопроводу 10 поступает в отстойник 7, в котором всплывающие на поверхность примеси удаляют с помощью скребкового механизма, а осадок выводится из нижней части отстойника 7 и направляется на обезвоживание. Осветленная вода, прошедшая предобработку в установке, из отстойника 7 по трубопроводу 12 направляется в блок биологической очистки 8 (патент РФ №2742877 на изобретение «Установка предварительной обработки сточных вод перед биологической очисткой», дата подачи 28.02.2020 г., опубликовано 11.02.2021 г.).

Данное техническое решение не направлено на обработку осадков, образующихся в результате очистки сточных вод, а также их элиминирование и получение на выходе вторичных продуктов.

Известен способ анаэробной переработки жидких органических отходов, который включает их тонкодисперсное измельчение до крупности не более 0,1 мм, частичный гидролиз органических веществ, внесение микрочастиц железа в субстрат, образующихся за счет истирания стальных игл, в аппарате вихревого слоя, разогрев субстрата до температуры 55°С в аппарате СВЧ нагрева. Субстрат из аппарата СВЧ нагрева направляют в аппарат вихревого слоя по единому циркуляционному контуру субстрата. Теплоноситель с температурой 60-70°С из теплообменника-охладителя аппарата вихревого слоя направляют в теплообменник-подогреватель аппарата СВЧ нагрева по контуру циркуляции теплоносителя для ускорения нагрева субстрата. Затем нагретый субстрат с влажностью 90-96% и содержанием органического вещества не менее 20 кг/м3 подают в метантенк для анаэробного сбраживания (патент РФ №2687415 на изобретение «Способ и установка для анаэробной переработки жидких органических отходов», дата подачи 29.06.2018 г., 13.05.2019 г.).

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ, характеризующийся тем, что проводят последовательное введение щелочного коагулянта и подкисляющего реагента до рН 6,5-8,5 с выделением образующегося осадка. Подготовку осуществляют в два этапа в аппаратах вихревого слоя с подвижными ферромагнитными частицами. Одновременно ведут обработку щелочным коагулянтом до рН 10-11,5 в первом аппарате вихревого слоя с магнитной индукцией 0,1-0,13 Тл и подкисляющим реагентом во втором аппарате вихревого слоя с магнитной индукцией 0,17-0,25 Тл. В качестве щелочного коагулянта используют 10% суспензию шлама карбида кальция в количестве 0,5-2,0 г/дм³ или 10% известковое молоко в количестве 0,1-1,0 г/дм³. В качестве подкисляющего реагента используют смесь суспензии дигидрата сульфата кальция с ортофосфорной кислотой в соотношении по объему 500:1 в количестве 6,0-15,0 г/дм³ (патент РФ №2379236 на изобретение «Способ подготовки животноводческих сточных вод для сельскохозяйственного использования», дата подачи 06.06.2008 г., опубликовано 20.01.2010 г.).

Недостатки известных решений обусловлены низкой степенью не только дезодорации, но и обеззараживания осадков, т.к. указанная проблема не решается вообще и, тем более, на начальной стадии процесса в частности. В результате процесс утилизации осадков осуществляется при сильном фекальном запахе, что негативно влияет не только на окружающую среду, но и вызывает трудности у обслуживающего персонала.

Помимо этого, в выявленных решениях при утилизации осадков сточных вод не ставится цель получения вторичного продукта, который обеспечивал бы стимулирование аборигенной микрофлоры токсичных соединений и сорбирование токсикантов, а также перевод тяжелых металлов в малоподвижные комплексные соединения, при этом образующийся в процессе обработки вторичный продукт должен быть пригоден для последующего использования в качестве, например, добавки, вводимой в минеральные удобрения, или готового продукта, например, органического или органо-известкового удобрения или рекультивационного грунта, предназначенного для технической или биорекультивации нарушенных земель промышленного назначения, лесного фонда.

Кроме того, при реализации известного технологического процесса утилизации осадков сточных вод, как правило, необходимо осуществлять их выемку из накопителей, что увеличивает временные и трудовые затраты.

Недостатки прототипа обусловлены также многостадийностью процесса.

Известно, что осадки сточных вод представляют собой суспензии, образующиеся из отработанных или сточных вод в процессе их механической, биологической и физико-химической (реагентной) очистки. Такие суспензии имеют гелеподобную или вязко-жидкостную структуру, включают большое количество мелкодисперсных частиц и характеризуются высокой влажностью и гигроскопичностью. После очистки, в частности, хозяйственно-бытовых отходов, ОСВ, как правило, содержат кишечную палочку, геогельминты и цистопаразиты, а также тяжелые металлы, органические вещества и минеральные элементы питания, причем в концентрациях, превышающих предельно-допустимые значения (ПДК).

ОСВ - гигроскопичные дисперсные образования с высоким содержанием влаги - до 98%, что не позволяет осуществлять их механическую обработку и, соответственно, формировать из них бурты. Для улучшения структуры осадков сточных вод и органических отходов и поддержания необходимого водно-воздушного режима проводят регулирование влажности осадков, например, путем их высушивания, при этом одновременно может быть осуществлена дезинфекция ОСВ.

Одной из распространенных технологий обработки ОСВ/отходов является их механическое обезвоживание, например, на ленточных фильтрах-прессах, центрифугах (декантерах), камерных фильтр-прессах, дегидраторах с последующей выдержкой обезвоженных осадков/отходов в естественных условиях на выделенных для этого полигонах в течение нескольких лет с периодическим перемешиванием, ворошением или захоронением.

Предлагаемый к защите способ физико-химической обработки осадков сточных вод и органических отходов с получением вторичных продуктов осуществляется на установке, оснащенной вихре-волновым реактором (ВВР) с размещенными в нем подвижными ферромагнитными элементами и в котором реализован принцип электрохимического воздействия на обрабатываемые среды. Помимо реактора установка содержит модуль предварительной обработки; модуль подготовки раствора; модули дозирующего оборудования в виде насосов-дозаторов, модуль обезвоживания (сушки).

Выбор технологических параметров реализации способа, норм внесения реагентов и прочее осуществляется на основании данных входного контроля и анализа ОСВ или органических отходов.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности степени дезодорации и обеззараживания осадков сточных вод или органических отходов и их последующей утилизации с одновременным получением вторичных продуктов, способных к стимулированию аборигенной микрофлоры, уничтожению патогенов, и пригодных для рекультивации нарушенных земель и/или производства минеральных удобрений.

Указанный результат достигается тем, что способ физико-химической обработки осадков сточных вод и органических отходов с получением вторичных продуктов, заключается в проведении подготовительного этапа, этапа дезодорации и обеззараживания осадков или органических отходов в технологической линии, оснащенной вихре-волновым реактором с подвижными ферромагнитными элементами, после выхода из которого выполняют обезвоживание осадков с выделением твердой фракции, в которую вводят коагулянты, флокулянты и препараты на основе аэробных микроорганизмов, после чего твердую фракцию транспортируют для размещения на заранее подготовленной площадке и проведения дополнительных агротехнических мероприятий до получения вторичных продуктов, при этом на подготовительном этапе осуществляют входной контроль осадков по влажности и водородному показателю рН и в случае необходимости регулируют влажность до значения 95-98%, а водородный показатель до значений 6,5≤рН≤8,5 за счет внесения кислотных или щелочных реагентов, после чего отбирают несколько проб для проведения анализа осадка в лабораторных условиях с целью подбора необходимых для введения на различных этапах процесса реагентов и определения их количественного содержания, при этом на этапе дезодорирования и обеззараживания на вход вихре-волнового реактора с помощью насосов-дозаторов одновременно подают 0,5-3,0 кг/м³ 19%-ного раствора гипохлорита натрия и 0,5-5,0 кг/м³ в перерасчете на сухое вещество 6%-ного известкового молока, предварительно приготовленного в растаривателе, которым оснащена технологическая линия, а на выходе из реактора в осадок вводят кислоту для корректировки рН до значения 8,0-8,5, после чего осадок обезвоживают, при этом образовавшийся фугат направляют в начало технологической линии для повторного использования, а в образовавшуюся твердую фракцию при необходимости и в зависимости от исходного состава отходов добавляют коагулянты и флокулянты, взятые соответственно в количестве 0,1-1,0 и 0,05-1,0 кг/м³ по сухому веществу, и вносят препараты на основе аэробных микроорганизмов из расчета 1,0-5,0 л/м³, после этого твердую фракцию транспортируют и размещают на заранее сооруженной площадке для выполнения в течение 30-90 суток агротехнических мероприятий, которые включают формирование буртов, контроль за влажностью твердой фракции и при необходимости введение структуратора и гуминовых препаратов, взятых в количестве 0,1-1,0 м³/м³ и 1,0-5,0 кг/м³ соответственно, при этом с периодичностью 1-3 суток осуществляют принудительную аэрацию посредством переукладки буртов.

Заявляемый способ может быть реализован как для обработки осадков сточных вод или органических отходов, образующихся в текущем технологическом процессе (свежих), так и застарелых - ранее складированных на специально отведенных площадках/полигонах. При этом на обработку принимают ОСВ или органические отходы, в которых содержание токсичных соединений не превышает технические возможности установки, которые устанавливаются по результатам предварительных испытаний оборудования. Для осадков предусмотрен 3, 4 класс опасности согласно ГОСТ Р 54535-2011, в соответствии с которым такие осадки подлежат захоронению на полигонах или могут быть использованы в качестве вторичных материальных ресурсов при эксплуатации и рекультивации.

Способ дезодорирования и обеззараживания ОСВ и органических отходов, образующихся в текущем процессе (свежих) состоит из следующих этапов: подготовительный; монтаж оборудования; этап дезодорирования и обеззараживания осадков непосредственно в технологическом процессе; дезодорирование и обеззараживание осадков на технологической площадке (ТП) с образованием вторичных продуктов.

При осуществлении способа с использованием застарелых ОСВ необходима их доставка с полигона до технологической линии, а также доведение влажности до заданного уровня 95-98%.

Подготовительный этап включает монтаж оборудования, завоз реагентов, обустройство места складирования обработанных ОСВ или органических отходов, а также сбор и систематизацию информации о конкретном объекте проведения работ и параметрах ОСВ, принимаемых на утилизацию; входной контроль ОСВ по показателям влажности и рН; проведение пробного дезодорирования в лабораторных условиях и определение необходимого для внесения в осадки количества гипохлорита натрия, негашеной извести, используемой для подготовки раствора известкового молока, гуминового препарата, структуратора, препаратов на основе аэробных микроорганизмов.

Пробное дезодорирование и обеззараживание в лабораторных условиях выполняют путем отбора нескольких проб и внесения в них ингредиентов, взятых в различных сочетаниях их единичных значений, входящих в заявленный диапазон. На основании полученных результатов рассчитывают параметры дозирующего оборудования.

Монтаж оборудования осуществляют таким образом, чтобы обеспечить максимально удобное обслуживание и возможность подачи вводимых компонентов в количествах, рассчитанных после пробного дезодорировании и обеззараживания в лабораторных условиях, с максимальной точностью. Дозирующее оборудование устанавливают непосредственно в технологической линии обработки сточных вод в соответствии с согласованной с заказчиком схемой. Для реализации заявляемого способа технологическая линия оснащена волно-вихревым реактором (ВВР), который имеет следующие технические характеристики: объем рабочей камеры 3,0÷10,0 л; диаметр рабочей камеры 150-200 мм. Реактор заполняют ферромагнитными элементами (доменами) длиной 5÷60 мм и диаметром 0,5÷5 мм. Масса ферромагнитных элементов на указанный объем составляет 2,0-5,0 кг; сила тока 100-150А; напряжение 380 В; частота 50-150 Гц. При этом насосы-дозаторы, подающие в ВВР гипохлорит натрия и известковое молоко, раствор которого готовят в растаривателе непосредственно в технологической линии, размещены перед ВВР, а насос-дозатор для подачи кислоты с целью выравнивания рН расположен на выходе из ВВР.

В случае отсутствия в технологической линии оборудования, предназначенного для обезвоживания обработанных ОСВ, дополнительно может быть смонтирован фильтр-пресс или использован мобильный декантер.

Насос для возврата фугата в начало технологической линии очистки сточных вод монтируют в конце технологической линии.

Инструментальный этап предусматривает выполнение следующих операций: внесение в перемещаемые в технологической линии по трубопроводу ОСВ или органические отходы кислотного и щелочного компонентов, обработку отходов в вихреволновом реакторе, введение кислоты для нормализации рН, обезвоживание осадка, выделение фугата и возврат его в начало технологической линии, отбор полученной твердой фракции ОСВ и ее транспортировку на место складирования.

На обработку принимают ОСВ или органические отходы с влажностью 95-98% и pН 6,5-8,5. При необходимости корректировку рН до заданной величины выполняют путем внесения кислотных или щелочных реагентов.

В случае низкого значения рН<6,5 осадков используют следующие реагенты: негашеная известь - СаО; гашеная известь (пушонка) - Са(ОН)₂; мука известняковая (доломитовая); мука известняковая (кальциевая); мел природный, обогащенный; мергель - илистый материал, в основном состоящий из карбоната кальция; ракушечник (в измельченном виде); древесная зола; зола уноса.

Для регулирования высокого значения рН>8,5 осадков могут быть применены, например, сера; сульфат железа; гипс сыромолотый - CaSO₄⋅2H₂O; фосфогипс - отход, образующийся при производстве строительных материалов и химических соединений; глиногипс.

Перед началом обработки из ОСВ или органических отходов удаляют крупный механический мусор, после чего осадки по трубопроводу подают в вихре-волновой реактор, в который с помощью насосов-дозаторов также поступают подготовленные 6%-ный раствор известкового молока и 19%-ный раствор по концентрату гипохлорита, взятые из расчета 0,5-5,0 кг/м³ по сухому веществу и 0,5-3,0 кг/м³ соответственно.

Гипохлорит и негашеная известь способствуют дезинфекции - удалению микроорганизмов, в том числе анаэробных, которые являются продуцентами аммиака и сероводорода, вызывающих характерный фекальный запах осадков сточных вод, патогенов.

Гипохлориты являются сильными окислителями, их широко применяют для дезинфекции, в том числе сточных вод. При этом гипохлориты также являются дегазаторами серосодержащих и фосфорорганических отравляющих веществ.

При соединении негашеной извести (оксида кальция) с водой образуется гидроксид кальция (гашеная известь), которая может связываться с диоксидами серы с получением осадка в виде сульфита кальция CaSO₃.

Кроме того, негашеная известь является эффективным агентом для осушения осадка и разрушения белков. Ее действие подобно щелочи, которая широко применяется и для дезинфекции, и в качестве удобрения.

Обработка ОСВ или отходов в вихре-волновом реакторе основана на одновременном осуществлении электрохимических и гидродинамических процессов. Принцип работы реактора основан на превращении энергии электромагнитного поля в другие виды энергии.

Реактор представляет собой рабочую камеру в виде трубопровода, размещенного в индукторе, в качестве которого используют статор для создания вращающегося магнитного поля, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается с постоянной угловой скоростью. В рабочую зону реактора загружают цилиндрические игольчатые ферромагнитные элементы (домены) диаметром 0,5-5,00 мм и длиной 5,0-60,0 мм. Масса размещаемых доменов определяется в зависимости от объема рабочей камеры реактора и может составлять 2,0-5,00 кг (от нескольких десятков до нескольких сотен штук). В дальнейшем при осуществлении технологического процесса содержание доменов и необходимость их подачи определяется в автоматическом режиме в зависимости от показаний силы тока в электрической цепи. В случае возрастания силы тока выше заданного значения на 5А на механизм дозирования ферромагнитных элементов поступает команда на их подачу, которая осуществляется до тех пор, пока значение силы тока вновь не достигнет установленного значения.

Под действием вращающегося магнитного поля ферромагнитные элементы перемещаясь в рабочей зоне, создают так называемый «вихревой слой», при котором происходит большое количество как прямых, так и скользящих столкновений, а также трение между элементами и обрабатываемой массой, причем число таких столкновений достигает на каждый домен значения 10³-10⁴ в секунду. Во вращающемся магнитном поле у каждого ферромагнитного элемента на его полюсах постоянно происходит смена полярности, т.е. элемент перемагничивается, при этом возникает явление магнитострикции, при которой очень быстро, с высокими скоростями происходит изменение линейных размеров доменов. В результате по обрабатываемой среде наносится удар с силой около 150 тН/мм², действующей на очень малом расстоянии внутри реактора. Таким образом, при своем движении игольчатый ферромагнитный элемент создает моменты импульса силы, при непосредственном соприкосновении воздействующие и уничтожающие живые микроорганизмы. В жидкой среде такое воздействие увеличивается в несколько раз.

Возникшие механические и магнитострикционные колебания передаются среде, находящейся в зоне вихревого слоя, и в результате в ней возникают акустические колебания. В связи с тем, что в рабочей зоне ВВР размещено большое количество ферромагнитных элементов, то параметры акустической волны в любой точке рабочей камеры ВВР будут равны сумме параметров каждой волны.

Экспериментально было установлено, что спектр частот акустических волн в любой точке вихревого слоя непрерывный и находится в диапазоне от десятков периодов в секунду до нескольких мегагерц.

Под воздействием акустических волн на поверхности частичек твердой фазы обрабатываемой среды, доменов и поверхности рабочей зоны реактора возникает кавитация, при которой в жидкой среде образуются пузырьки (пустоты) с последующим их схлопыванием и высвобождением большого количества энергии, которое, в свою очередь, сопровождается шумом и гидравлическими ударами.

Каждый домен является микроэлектролизером, который при непрерывной работе камеры ВВР насыщает ее пространство ионами различной полярности, благодаря чему происходит резкое изменение скорости и направления протекания окислительно-восстановительных реакций. В результате в реакторе образуются перекись водорода, гипохлорит, озон, свободный водород, каждый из которых является сильнейшим окислителем и участвует в обеззараживании среды, в которой погибает патогенная флора. Введение в реактор известкового молока приводит к образованию гидроксильного радикала, имеющего высокую реакционную способность и вступающего в реакцию с тяжелыми металлами, образуя гидроксиды, гидрокарбонаты и нерастворимые соли.

Применение ВВР обеспечивает многократное возрастание скорости физико-химических и механо-физических процессов, протекающих при высоком давлении и температуре, и происходит переход от диффузионного режима к кинетическому. При этом обрабатываемые соединения, входящие в состав осадков сточных вод или органических отходов изменяют свое строение, а конечный продукт приобретает качественно новые свойства.

После выхода обработанного в ВВР осадка для нормализации рН=8,0-8,5 в него вводят кислотный компонент, в качестве которого применяют соляную, или иную неорганическую кислоту, например серную, или азотную, или ортофосфорную. Затем осадки обезвоживают с помощью, например, фильтр-пресса или мобильного декантера, или другого оборудования, предназначенного для этих целей. После обезвоживания ОСВ получают твердую фракцию.

Для получения более структурированного продукта, а также в случае наличия в твердой фракции взвешенных частиц или нефтепродуктов, в нее добавляют коагулянты и флокулянты, при этом в качестве коагулянтов используют, например, сернокислый алюминий, или сернокислое железо, или хлорное железо и т.п., а в качестве флокулянтов, например, праестол, или полиакриламид (ПАА) и др.

Воздействие праестола на твердую фракцию происходит в два этапа: сначала на поверхности частицы твердой фракции уменьшается электрический потенциал, что приводит к ее активному объединению с другими частицами, после чего небольшие объединения частиц соединяются, образуя крупные флокулы, которые значительно легче удалять с помощью фильтров.

Флокулянт ПАА (полиакриламид) также применяют для очистки от эмульгированных частиц смол и нефтепродуктов, содержащихся в ОСВ.

Помимо этого, в твердую фракцию вводят препараты на основе аэробных микроорганизмов, в качестве которых почвенные микроорганизмы-гумификаторы, например, «Кюссей-ЭМ» («Восток-ЭМ»), «Санвит-К», а также агрономически полезные микробы (АПМ), производимые фирмой «ЭМ-Биотех», «Байкал-ЭМ1», «Стимулин», и т.п., за счет своей ферментативной активности обеспечивающие ускоренную гумификацию и минерализацию органических веществ, находящихся в ОСВ.

Фугат, образовавшийся после обезвоживания ОСВ, с помощью насоса отводится в начало технологической линии.

Расход реагентов может быть откорректирован в зависимости от состава и характеристик выводимых отходов.

Затем твердую фракцию транспортируют на специально подготовленную технологическую площадку, на которой с помощью экскаватора или погрузчика формируют бурты, размеры которых составляют по ширине 6 8 м и высоте - 2,5 3,5 м. Длина бурта не регламентируется и определяется геометрией и рельефом технологической площадки. При этом единовременный объем ОСВ или отходов, который может быть обработан на площадке, составляет 10000-15000 м³/га.

Перед складированием ОСВ площадку предварительно обустраивают, проводят расчистку, корчевание территории, в случае необходимости монтаж гидроизоляционного экрана. При планировании площадки на ней должны быть предусмотрены пункт обмыва колес используемого транспорта, а также возможность его подвода, размещения и маневрирования. Помимо этого, выполняют периметральную обваловку площадки для обеспечения защиты от дождевых стоков и выполнения технологических операций, таких как внесение реагентов и материалов, а также принудительная аэрация посредством переукладки буртов.

Технологические площадки сооружают на участках со слабо фильтрующими грунтами, например, глинистыми или аналогичными подстилающими породами с коэффициентами фильтрации менее 10^-5 см/с и залеганием грунтовых вод при наибольшем подъеме ниже 2 м от нижнего уровня площадки. В этом случае обустройство технологической площадки возможно без гидроизоляцинного экрана. Если коэффициент фильтрации подстилающих пород составляет более 10^-5 см/с, необходимо сооружение гидроизоляционного экрана.

В размещенные на технологической площадке отходы вносят структуратор в виде грунта инертного - суглинистого или супесчаного, либо гумминовые препараты.

Дальнейшие агротехнические мероприятия в виде переукладки буртов, при которой происходит принудительная аэрация, способствующая повышенному насыщению всей массы воздухом, кислородом и интенсивному воздухообмену, что приводит к гибели анаэробных организмов, получающих энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратного фосфорилирования. Одновременно идет развитие аэробных организмов, осуществляющих деструкцию органических веществ с образованием продуктов распада в виде углекислого газа и воды, которые, как известно, не имеют запаха.

Гуминовые препараты растворяются в общей массе, которая также содержит значительное количество органических веществ, выделить которые в процессе образования вторичного продукта не представляется возможным.

Гуминовые препараты (вещества) - сложная смесь высокомолекулярных природных органических соединений, образующихся при разложении отмерших растений и их последующей гумификации (биохимического превращения продуктов разложения органических остатков в гумус при участии микроорганизмов, воды и кислорода). Входят в состав органической массы торфа, углей, почв, лигнина и представляют собой группу аморфных конденсированных поликарбоновых кислот с относительно высокой молекулярной массой, находящихся в виде свободных гуминовых кислот и солей (гуматов) различных металлов и аммония. Каждая молекула гуминовых веществ индивидуальна. Гуминовые препараты способствуют дезодорации ОСВ, а также стимулированию аборигенной микрофлоры - микроорганизмов-деструкторов токсичных соединений, сорбированию органических токсикантов и связыванию тяжелых металлов в малоподвижные комплексные соединения.

Некоторые виды анаэробных бактерий способны деградировать фенолы и их производные.

При необходимости в общую массу могут быть дополнительно внесены целевые добавки, реагенты для регулирования рН и/или минеральные удобрения.

В качестве целевой добавки может быть использован, например, торф, чернозем, инертный грунт и т.п.

Пример конкретного осуществления изобретения.

При проведении работ по опытно-промышленным испытаниям (ОПИ) на МУП «Водоканал» г. Екатеринбург была применена установка производительностью 20 м³/ч по ОСВ исходной влажности 98%.

Применяемые реагенты и норма их расхода на 1 м³ ОСВ влажности 98%:

- известь негашеная ГОСТ 9179-2018 - 1 кг/м³;

- кислота соляная ГОСТ 3118-77 - 0,8 л/м³;

- гипохлорит натрия ГОСТ11086-76 - 1,5 л/м³.

После обезвоживания на штатных фильтр-прессах получили твердую фракцию (кек) влажностью 75%, которую затем выложили в два бурта. В один из них внесли препарат с содержанием аэробных почвообразующих микроорганизмов-гумификаторов типа «Санвит-К» с нормой расхода 1 л/м³.

Проводился лабораторный контроль по определению интенсивности эмиссии сероводорода и аммиака, токсичным элементам и санитарно-гигиеническим показателям. Результаты были оформлены актами и протоколами.

По результатам проведенных опытно-промышленных испытаний (ОПИ) и лабораторных анализов сделаны выводы и оформлен отчет.

С учетом того, что на технологической площадке отходы находятся в течение до 90 суток, был проведен комиссионный контроль интенсивности и характера запаха на 1-й, 11-й, 22-й и 56-й день.

Оценка эффективности удаления запаха органолептическим методом определялась комиссионно, с привлечением профильных специалистов.

Результаты органолептического анализа интенсивности и характера запаха отходов в 1-й день после обработки приведены в Таблице №1.

Согласно данным, приведенным в Таблице №1, при обработке ОСВ в волно-вихревом реакторе в его рабочей камере происходит полное окисление и разрушение летучих органических веществ, вызывающих фекальный запах, что приводит к резкому снижению интенсивности запаха с 5 баллов до 0,6.

В Таблице №2 представлены результаты органолептического анализа интенсивности и характера запаха отходов на 11-й день после обработки

На 11-й день после обработки появился земляной или мочевинный оттенок, преимущественно в пробе с добавлением аэробных почвообразующих микроорганизмов-гумификаторов.

Согласно результатам, представленным в Таблице №2, интенсивность запаха обработанного осадка незначительно повысилась, однако запах не носит фекального характера, а имеет землистый или аммиачный оттенок. Это свидетельствует о том, что в обработанном продукте происходят процессы стабилизации осадка, сопровождающиеся подавлением жизнедеятельности гнилостных бактерий, в том числе и за счет внесенных аэробных бактерий-гумификаторов, представляющих собой почвенные актинобактерии с высоким содержанием гуанина и цитозина. Присутствие аммиачного запаха свидетельствует о том, что анаэробные бактерии еще не полностью вытеснены и частично функционируют в обработанном отходе.

Результаты органолептических испытаний уровня запаха отходов на 22-й день после обработки представлены в Таблице №3.

На 22-й день после обработки ОСВ без инокуляции аэробными бактериями-гумификаторами запах имеет земляной или мочевинный оттенок. После инокуляции аэробными бактериями ОСВ имеют преимущественно земляной или кислый запах. На основании данных, приведенных в Таблице 3, можно сделать вывод об устойчивом эффекте ликвидации фекального запаха и эффективном воздействии аэробных бактерий, поскольку фекальный и аммиачный запах в обработанной пробе полностью отсутствует, т.к. сменился на земляной и кислый.

Результаты органолептического анализа уровня и интесивности запаха отходов на 56-й день после обработки представлены в Таблице №4.

На основании данных, приведенный в Таблице №4, можно сделать вывод о полном отсутствии фекального и аммиачного запаха и появлении устойчивого земельного. Это свидетельствует о длительности эффекта ликвидации фекального запаха при обработке на установке с применением ВВР, причем как без инокуляции аэробных бактерий, так и с инокуляцией, а также об активных процессах почвообразования и гумификации, превращении осадков во вторичный продукт.

Помимо этого, был проведен сравнительный лабораторный анализ проб ОСВ, как обработанных, так и необработанных на интенсивность эмиссии дурнопахнущих веществ, таких как сероводород и аммиак.

Анализ уровня эмиссии аммиака и сероводорода в атмосферный воздух проведен путем отбора обработанных и необработанных проб ОСВ объемом 20 л, помещенных в емкости объемом 100 л, при этом объем воздуха в емкостях, составил, соответственно, 80 л.

Результаты анализа уровня эмиссии аммиака и сероводорода в атмосферу приведены в Талине №5.

Как следует из Таблицы №5, после обработки ОСВ заявляемым способом эффективность эмиссии сероводорода и аммиака в атмосферу снижается в 11 и 7,5 раза, соответственно.

Для проверки влияния обработки ОСВ на детоксикацию ОСВ был проведен количественный химический анализ осадка до и после обработки предлагаемым к защите способом на установке с ВВР (Таблица №6).

На основании полученных результатов количественного химического анализа следует, что обработка ОСВ заявляемым способом способствует снижению содержания в них ионов тяжелых металлов. В результате осуществления способа получают вторичный продукт, соответствующий требованиям ГОСТ Р 59748-2021 «Технические принципы обработки осадков сточных вод. Общие требования».

Снижение содержания валовых форм тяжелых металлов может происходить в результате образования металлоорганических комплексов под действием ферментативного аппарата аэробных микроорганизмов. В результате такого воздействия происходит образование металлоорганических комплексов, устойчивых при рН<5,5. Данные металлы не извлекаются кислотными растворами при определении валовых форм тяжелых металлов. Обработка ОСВ заявляемым способом приводит к детоксикации ОСВ за счет существенного снижения содержания тяжелых металлов. На основании полученных результатов по химическому составу ОСВ после обработки соответствуют ГОСТ Р 59748-2021 и могут быть использованы в качестве: удобрений группы I, пригодных для использования под все виды сельскохозяйственных культур, кроме овощных, грибов, зеленных и земляники; удобрений группы II пригодных для использования под зерновые, зернобобовые, зернофуражные и технические культуры; для всех видов рекультивации (технической и биологической).

Помимо этого, был проведен анализ санитарных показателей ОСВ до и после обработки в соответствии с предлагаемым к защите способом по санитарным показателям.

Результаты анализа представлены в Таблице №7.

На основании результатов, представленных в Таблице 7, заявляемый способ позволяет провести эффективную дезинфекцию (обеззараживание) ОСВ, при этом происходит снижение содержания патогенных микроорганизмов на 3-4 порядка. По санитарным показателям ОСВ после обработки соответствуют ГОСТ Р 59748-2021 и может быть использован в качестве удобрений группы II пригодных для использования под зерновые, зернобобовые, зернофуражные и технические культуры; для технической рекультивации нарушенных земель, например, в качестве инертного материала - наполнителя отработанных карьеров, полостей, выемок, образовавшихся при открытых горных работах, добыче полезных ископаемых, разработке песка, глины, щебня, для засыпки траншей при строительстве и ремонте линейных сооружений и т.п. Причем осадки сточных вод могут быть использованы как самостоятельно, так и вместе со строительными или другими инертными отходами.

Также было проведено исследование по влиянию времени выдерживания обработанного ОСВ на санитарные показатели. Через 80 дней после обработки был сделан лабораторный анализ ОСВ по показателю «Бактерии группы кишечной палочки» (БГКП).

Результаты исследования санитарного состояния ОСВ через 80 суток после обработки приведены в Таблице №8.

В процессе проведения агротехнических мероприятий и выдерживания ОСВ после обработки в течение 80 дней происходит дальнейшее снижение содержания анаэробных бактерий, продолжается процесс почвообразования. Полученные результаты подтверждают эффективность внесения и действия аэробных бактерий. По санитарным показателям ОСВ в соответствии с ГОСТ Р 59748-2021 могут быть использованы в качестве удобрений группы II пригодных для использования под зерновые, зернобобовые, зернофуражные и технические культуры; для технической рекультивации нарушенных земель в качестве инертного материала - наполнителя отработанных карьеров, полостей, выемок, образовавшихся при открытых горных работах, добыче полезных ископаемых, разработке песка, глины, щебня, для засыпки траншей при строительстве и ремонте линейных сооружений и т.п. Осадки сточных вод могут использоваться как самостоятельно, так и вместе со строительными или другими инертными отходами; в качестве удобрений группы I пригодных для использования под все виды сельскохозяйственных культур, кроме овощных, грибов, зеленных и земляники; для биологической рекультивации нарушенных земель (в качестве почвогрунтов (растительных грунтов) в зеленом строительстве при устройстве газонов, посадке деревьев и кустарников; при благоустройстве территорий; в дорожном строительстве для формирования растительного слоя откосов, придорожных полос и высадки зеленых насаждений; в питомниках лесных и декоративных культур).

Побочным продуктом при обезвоживании ОСВ, выходящих из ВВР является фугат - жидкая фракция, которая направляется на очистку сточных вод в начало технологической линии.

Был проведен количественный химический анализ фугата.

Результаты количественного химического анализа фугата приведены в Таблице №9.

Согласно полученным результатам содержание хрома, меди и марганца в фугате соответствует нормативу, принятому для поступающих на очистку сточных вод. С учетом того, что измерение рН проводилось с использованием индикаторной бумаги, то превышение заданной величины на 1,5 единицы, можно отнести к погрешности.

В случае разбавления фугата сточными водами можно достичь концентрации цинка

С=(22,0+0,337)/251=0,1117 мг/дм³, менее чем на 0,01 мг/дм³, или на 1% от существующей концентрации в поступающих сточных водах. Данное увеличение не может считаться значительным.

Следовательно, подача фугата на вход очистных сооружений (с учетом разбавления входящими на очистку сточными водами) не окажет негативного воздействия на технологический процесс очистки сточных вод.

Результаты опытно-промышленных испытаний позволяют сделать вывод о высокой эффективности испытанной технологии при проведении работ по дезодорации, дезинфекции (обеззараживанию) осадков сточных вод и детоксикации.

Дезодорация достигается за счет эффективного окисления летучих органических соединений, и уничтожения анаэробных микроорганизмов, в результате жизнедеятельности которых образуются дурнопахнущие вещества, в первую очередь, аммиак, сероводород, меркаптаны, что исключает возможность повторного образования фекального запаха в процессе хранения обработанного отхода. После обработки на установке ВВР создаются благоприятные условия для развития аэробных микроорганизмов, осуществляющих процесс гумификации. Эффект дезодорации носит устойчивый длительный характер, появление вторичного фекального запаха не отмечено. По мере выдержки обработанного осадка постепенно появляется устойчивый земляной запах. Кроме того, эффективным является дополнительное внесение препарата на основе штаммов аэробных микроорганизмов, за счет чего ускоряется процесс гумификации. При этом переход запаха от фекального к земляному более быстро происходит в пробах, инокулированных аэробными почвенными микроорганизмами-гумификаторами, что свидетельствует о начале процесса почвообразования. Показана эффективность предлагаемого способа для детоксикации отход, снижения содержания тяжелых металлов обрабатываемых ОСВ и обеззараживания, при котором содержание микроорганизмов снизилось на 3-4 порядка.

Заявляемое изобретение относится к комплексу мероприятий по обработке иловых, твердых осадков и загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах, а также органических отходов, как ранее накопленных, так и вновь образующихся в текущем технологическом процессе. Способ заключается в проведении подготовительного этапа, этапа дезодорации и обеззараживания осадков или органических отходов в технологической линии. Линяя оснащена вихре-волновым реактором с подвижными ферромагнитными элементами. На подготовительном этапе осуществляют входной контроль осадков по влажности и водородному показателю рН и в случае необходимости регулируют влажность до значения 95-98%, а водородный показатель до значений 6,5≤ рН ≤ 8,5 за счет внесения кислотных или щелочных реагентов. Затем отбирают несколько проб для проведения анализа осадка в лабораторных условиях с целью подбора необходимых для введения на различных этапах процесса реагентов и определения их количественного содержания. На этапе дезодорирования и обеззараживания на вход вихре-волнового реактора с помощью насосов-дозаторов одновременно подают 0,5-3,0 кг/м³ 19%-ного раствора гипохлорита натрия и 0,5-5,0 кг/м³ в перерасчете на сухое вещество 6%-ного известкового молока, предварительного приготовленного в растаривателе, которым оснащена технологическая линия. На выходе из реактора в осадок вводят кислоту для корректировки рН до значения 8,0-8,5, после чего осадок обезвоживают. Образовавшийся фугат направляют в начало технологической линии для повторного использования. В образовавшуюся твердую фракцию при необходимости и в зависимости от исходного состава отходов добавляют коагулянты и флокулянты, взятые соответственно в количестве 0,1-1,0 и 0,05-1,0 кг/м³ по сухому веществу, и вносят препараты на основе аэробных микроорганизмов из расчета 1,0-5,0 л/м³, после этого твердую фракцию транспортируют и размещают на заранее сооруженной площадке для выполнения в течение 30-90 суток агротехнических мероприятий. Указанные мероприятия включают формирование буртов, контроль за влажностью твердой фракции и при необходимости введение структуратора и гуминовых препаратов, взятых в количестве 0,1-1,0 м³/м³ и 1,0-5,0 кг/м³ соответственно. С периодичностью 1-3 суток осуществляют принудительную аэрацию посредством переукладки буртов. Технический результат: повышение эффективности степени дезодорации и обеззараживания осадков сточных вод или органических отходов и их последующей утилизации с одновременным получением вторичных продуктов, способных к стимулированию аборигенной микрофлоры, уничтожению патогенов, и пригодных для рекультивации нарушенных земель и/или производства минеральных удобрений. 5 з.п. ф-лы, 9 табл.

1. Способ физико-химической обработки осадков сточных вод и органических отходов с получением вторичных продуктов, заключающийся в проведении подготовительного этапа, этапа дезодорации и обеззараживания осадков или органических отходов в технологической линии, оснащенной вихре-волновым реактором с подвижными ферромагнитными элементами, после выхода из которого выполняют обезвоживание осадков с выделением твердой фракции, в которую вводят коагулянты, флокулянты и препараты на основе аэробных микроорганизмов, после чего твердую фракцию транспортируют для размещения на заранее подготовленной площадке и проведения дополнительных агротехнических мероприятий до получения вторичных продуктов, при этом на подготовительном этапе осуществляют входной контроль осадков по влажности и водородному показателю рН и в случае необходимости регулируют влажность до значения 95-98%, а водородный показатель до значений 6,5≤рН≤8,5 за счет внесения кислотных или щелочных реагентов, после чего отбирают несколько проб для проведения анализа осадка в лабораторных условиях с целью подбора необходимых для введения на различных этапах процесса реагентов и определения их количественного содержания, при этом на этапе дезодорирования и обеззараживания на вход вихре-волнового реактора с помощью насосов-дозаторов одновременно подают 0,5-3,0 кг/м³ 19%-ного раствора гипохлорита натрия и 0,5-5,0 кг/м³ в перерасчете на сухое вещество 6%-ного известкового молока, предварительного приготовленного в растаривателе, которым оснащена технологическая линия, а на выходе из реактора в осадок вводят кислоту для корректировки рН до значения 8,0-8,5, после чего осадок обезвоживают, при этом образовавшийся фугат направляют в начало технологической линии для повторного использования, а в образовавшуюся твердую фракцию при необходимости и в зависимости от исходного состава отходов добавляют коагулянты и флокулянты, взятые соответственно в количестве 0,1-1,0 и 0,05-1,0 кг/м³ по сухому веществу, и вносят препараты на основе аэробных микроорганизмов из расчета 1,0-5,0 л/м³, после этого твердую фракцию транспортируют и размещают на заранее сооруженной площадке для выполнения в течение 30-90 суток агротехнических мероприятий, которые включают формирование буртов, контроль за влажностью твердой фракции и при необходимости в нее добавляют структуратор и гуминовые препараты, взятые в количестве 0,1-1,0 м³/м³ и 1,0-5,0 кг/м³ соответственно, при этом за счет переукладки буртов с периодичностью 1-3 суток осуществляют принудительную аэрацию.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве коагулянтов используют, например, сернокислый алюминий, или сернокислое железо, или хлорное железо.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве флокулянтов используют, например, праестол или полиакриламид (ПАА).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кислотных реагентов используют серу, сульфат железа, гипс сыромолотый, фосфогипс, глиногипс.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве щелочных реагентов используют негашеную известь, гашеную известь пушонку, муку известняковую доломитовую, муку известняковую кальциевую, мел природный, обогащенный, мергель, ракушечник в измельченном виде, древесную золу, золу уноса.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве аэробных микроорганизмов используют почвенные микроорганизмы-гумификаторы с высоким содержанием гуанина и цитозина, например «Кюссей-ЭМ», «Восток-ЭМ», «Санвит-К», агрономически полезные микробы, производимые фирмой «ЭМ-Биотех», «Байкал-ЭМ1», «Стимулин».