СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД И ИЛОВОГО ОСАДКА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2025 года по МПК C02F11/145 C05F7/00 

Изобретение относится к области переработки и утилизации осадков сточных вод (далее - ОСВ) и избыточного активного ила (иловых осадков), образующихся на биологических водоочистных сооружениях, с получением вторичного продукта в виде органоминерального удобрения.

С ростом населения, увеличением количества промышленных предприятий и усилением действий государств в направлении контроля за экологическим состоянием очевидной является необходимость строительства и эксплуатации предприятий очистки сточных вод. Кроме того, только увеличивается необходимость разработки новых методов и современных технологий обработки ОСВ.

Из уровня техники известен способ многоступенчатой очистки жидких сред, в том числе отходов очистки сточных вод биологических очистных сооружений (см. патент Российской Федерации №2585635 от 15.12.2014), который включает кавитационную обработку водной среды струйной кавитацией с эжектированием в кавитатор воздуха или кислородно-воздушной смеси, последующую обработку среды в гидродинамическом реакторе с вращающимся магнитным полем и ферромагнитными элементами в виде игл, отстаивание обработанной водной среды и отделение шлама. Технологическая линия содержит струйный кавитатор, снабженный средствами эжектирования в него воздуха или кислородно-воздушной смеси, гидродинамический реактор с вращающимся магнитным полем и ферромагнитными элементами в виде игл и блок отстаивания среды, совмещенный с системой удаления шлама.

Известна также технологическая линия для обеззараживания сточных и природных вод (см. патент Российской Федерации №2328450 от 10.07.2008), включающая пять ступеней кавитационной обработки, каждая из которых содержит емкость и гидродинамический кавитатор в виде роторного кавитатора. Установка снабжена линией осветления и линией слива отстоев в канализацию.

Кавитационное воздействие в пяти кавитаторах обеспечивает не только угнетение бактерий, но и частичное осаждение солей тяжелых металлов.

Известен гидродинамический реактор, который может быть использован для обеззараживания, гомогенизации и нагрева жидких сред (см. патент Российской Федерации №54662 от 10.07.2006). Гидродинамический реактор содержит корпус, имеющий полостную структуру с патрубками подвода и отвода жидкости. В полостной структуре корпуса размещены ротор, выполненный в виде центробежного колеса и статор. Статор снабжен электромагнитами с сердечниками, расположенными по его периметру. Статор и ротор имеют соответствующие отверстия для прохода жидкости, совмещаемые при вращении ротора, причем отверстия статора выполнены в сердечниках электромагнитов.

Известен способ кондиционирования ОСВ (см. патент Российской Федерации №2450981 от 23.06.2010), в частности избыточного активного ила, перед обезвоживанием, включающий механическое перетирание, интенсивную кавитационную обработку, улучшение водоотдающих свойств осадка. 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.

Известен гидродинамический реактор для кондиционирования ОСВ (см. патентную заявку WO 2012/005631 от 07.07.2010), в частности избыточного активного ила, перед обезвоживанием, процессов биологической очистки сточных вод, дезинфекции воды, обеспечивающий обеззараживание и обезвоживание ОСВ без применения коагулянтов и флокулянтов.

Недостатком представленных способов и устройств является то, что они не обеспечивают высокой производительности и эффективности обеззараживания и обезвоживания органических жидких сред в условиях того, что ОСВ образуются непрерывно и в больших количествах. В указанных аналогах предполагается длительное нахождение обрабатываемых ОСВ в используемых реакторах, что снижает производительность процесса или степень обезвоживания и обеззараживания ОСВ, в случае нахождения в реакторе не достаточное время. Кроме того, отсутствует информация о полезном применении конечного продукта.

Задачей изобретения является разработка способа переработки ОСВ и илового осадка, и технологической линии с использованием вихревого электромагнитного кавитатора, обеспечивающих эффективное обезвоживание и обеззараживание ОСВ, а также обеспечивающих получение полезного конечного продукта.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности и экономичности процесса обеззараживания и обезвоживания ОСВ, сокращении времени обработки ОСВ и энергоемкости за счет интенсификации физико-химических процессов, происходящих в процессе обработки ОСВ, с одновременным обеспечением возможности использования конечного полученного продукта в качестве агрохимиката.

Технический результат достигается способом переработки ОСВ и илового осадка, по которому из ОСВ удаляют грубодисперсные примеси, измельчают ОСВ до гомогенизированного состояния, после чего на узел кавитационной обработки, в качестве которого используют вихревой электромагнитный кавитатор, подают полученную смесь ОСВ и раствор негашеной извести, где их перемешивают и подвергают кавитационному воздействию, вызванному движением ферромагнитных элементов в переменном электромагнитном поле, интенсифицируя при этом физико-химические реакции в потоке обрабатываемой смеси и обеззараживая ее, после чего обеззараженную смесь подают на узел механического обезвоживания, где непрерывно обезвоживают до степени влажности не более 70%, получая кек, который направляют в узел сушки, где непрерывно подогревают и перемешивают в шнековом рекуператоре, затем кек догревают, раскатывают пластами и подвергают механическому разрушению на конвейерной ленте, откачивая при этом пары воды, тепло от которых направляют на нагрев вновь поступающего в узел сушки кека.

Перед обезвоживанием к смеси могут добавлять раствор флокулянта.

Технический результат достигается технологической линией для переработки ОСВ и илового осадка, состоящей из узла механической очистки от грубодисперсных примесей, узла предварительного измельчения, узла кавитационной обработки, узла обезвоживания и узла сушки, объединенных посредством трубопроводов, а также емкости приготовления раствора негашеной извести, причем в качестве узла кавитационной обработки использован вихревой электромагнитный кавитатор, выполненный из трубы, заполненной ферромагнитными элементами, размещенной внутри статора-индуктора. Узел обезвоживания выполнен с возможностью работы в непрерывном режиме и состоит из двух ступеней, причем в качестве первой ступени использован седиментатор, а в качестве второй ступени использован механический обезвоживатель. Узел сушки состоит из шнекового рекуператора, подогреваемой конвейерной ленты, игольчатых валиков, вытяжного вентилятора, сопряженного с пароотводящей системой, выполненной с возможностью отведения пара на шнековый рекуператор.

Узел обезвоживания может содержать трубный флотатор.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурой, на которой изображена технологическая схема переработки ОСВ в агрохимикат.

На фигуре приняты следующие обозначения:

Е-1 - рабочая емкость для сырого осадка,

Е-2 - рабочая емкость для избыточного активного ила (илового осадка),

Е-3 - емкость для смешения сырого осадка и избыточного активного ила,

Е-4 - рабочая емкость для раствора негашеной извести,

Е-5, Е-6 - рабочая емкость для раствора флокулянта,

И-1 - смесь сырого осадка и избыточного активного ила,

И-2 - смешение И-1 и раствора негашеной извести,

И-3 - смесь на выходе из вихревого электромагнитного кавитатора,

И-4 - уплотненная смесь на выходе из седиментатора,

И-5 - обезвоженный осадок И-4 после механического обезвоживателя,

И-6 - готовый продукт,

Ф-1 - надосадочная вода из седиментатора,

Ф-2 - фильтрат из механического обезвоживателя.

Технологическая линия обработки ОСВ предназначена для работы с любым видом ОСВ и их смесей и состоит из узла механической очистки, узла предварительного измельчения (крупность не более 1-2 мм), узла кавитационной обработки, узла обезвоживания и узла сушки с блоком первичного нагрева за счет рекуперируемого тепла для осуществления низкотемпературной сушки (не более 80°С), связанных посредством трубопроводов, а также емкостей приема и смешения различных видов ОСВ, емкостей приготовления реагентов и насосного оборудования.

В качестве узла механической очистки и узла предварительного измельчения использованы стандартные готовые технические решения по механической очистке и измельчению органических жидких сред. Например, в качестве узла механической очистки могут быть использованы решетки, пескоуловители, отстойники, жироловушки, гидроциклоны и т.п. В качестве узла предварительного измельчения может быть использован, например, мацератор.

В качестве емкостей приема и смешивания различных видов ОСВ, емкостей приготовления реагентов использованы известные решения.

В качестве насосного оборудования могут быть использованы известные в области водоподготовки и водоочистки насосы.

Ключевым элементом технологии является узел кавитационной обработки на основе вихревого электромагнитного кавитатора, который представляет собой проточную трубу из немагнитного химически стойкого материала, вставленную в расточку статора-индуктора. Труба заполнена ферромагнитными элементами, которые, двигаясь в переменном электромагнитном поле индукционных катушек статора-индуктора, приводят к интенсивному перемешиванию очищаемого стока. Кроме того, ферромагнитные элементы в переменном электромагнитном поле являются источником акустических волн, акустической кавитации и кавитационных процессов. Такое комплексное физическое воздействие позволяет обеспечить перемешивание обрабатываемой смеси внутри рабочей зоны и подвергнуть кавитации весь объем обрабатываемого потока жидкости.

Узел обезвоживания содержит две ступени обезвоживания и выполнен с возможностью непрерывной работы. В качестве элементов узла обезвоживания использованы известные из техники решения. Так, на первой ступени узла обезвоживания использован седиментатор. На второй ступени использован механический обезвоживатель, например, шнековый обезвоживатель, декантер или фильтр-пресс.Первая ступень обезвоживания (седиментатор) также может дополнительно содержать трубный флокулятор.

Узел сушки представляет из себя ленточную сушку, содержащую шнековый рекуператор, выход которого соединен с подогреваемым конвейером, над которым размещены игольчатые валики. Конструкция ленточной сушки содержит вытяжной вентилятор, соединенный с пароотводящей системой, выполненной с возможностью отведения пара на шнековый рекуператор.

Технологическая линия работает, а способ осуществляется следующим образом. Сырой осадок из первичных отстойников из емкости Е-1 подают на узел механической очистки, где удаляют известным способом грубодисперсные примеси, после чего подают с помощью насоса на узел предварительного измельчения, где его измельчают до крупности не более 1-2 мм и подают в емкость для смешения Е-3. Из емкости Е-2 в емкость для смешения Е-3 подают избыточный активный ил в соотношении 1:1 с сырым осадком для приготовления однородной смеси И-1. При этом в емкости Е-3 с помощью насоса происходит гомогенизация смеси И-1. В рабочую емкость Е-4 загружается вода и негашеная известь для приготовления раствора негашеной извести. Концентрация раствора негашеной извести подбирается исходя из свойств смеси И-1, поступающей на обработку (рН, плотность, вязкость, сухой остаток и т.д.). Полученную смесь И-1 из емкости Е-3 и приготовленный раствор негашеной извести из емкости Е-4 подают с помощью отдельных насосов с одинаковой производительностью непосредственно в вихревой электромагнитный кавитатор.

Непосредственно перед входом в активную зону вихревого электромагнитного кавитатора происходит смешивание смеси илов И-1 и раствора негашеной извести, после чего полученная смесь И-2 поступает внутрь электромагнитного кавитатора, где ферромагнитные элементы, двигаясь в переменном электромагнитном поле индукционных катушек статора-индуктора, провоцируют возникновение акустических волн, генерируемых возникшими кавитационными процессами в обрабатываемой смеси И-2, что в свою очередь интенсифицирует все физико-химические процессы в обрабатываемой смеси И-2. Также, после обработки смеси И-2 в электромагнитном кавитаторе происходит процесс полного обеззараживания и дезинвазии смеси илов на выходе из реактора (И-3).

После выхода из вихревого электромагнитного кавитатора обработанная смесь И-3 с помощью насоса через трубный флокулятор поступает на первую степень узла обезвоживания - седиментатор, где происходит ее первичное обезвоживание. Подача в трубный флокулятор раствора флокулянта осуществляется из емкости Е-5. Расслоение смеси И-3 происходит в проточном режиме, что обеспечивает непрерывность процесса обезвоживания. В процессе расслоения образуется уплотненный осадок И-4 и надосадочная вода Ф-1, которую отводят известным способом из технологической линии.

Уплотненный осадок И-4 с помощью насоса подают на вторую ступень узла обезвоживания - механический обезвоживатель, где происходит обезвоживание смеси до влажности не более 70%. Вторая ступень узла обезвоживания работает в непрерывном режиме для обеспечения проточного протекания процесса переработки ОСВ. Подача раствора флокулянта перед механическим обезвоживателем осуществляется из емкости Е-6. На выходе из обезвоживателя образуется осадок И-5 (кек) с влажностью не более 70% и фильтрат Ф-2, который выводится из технологической линии известным способом.

Полученная в узле первичного обезвоживания надосадочная вода Ф-1 и полученный в узле механического обезвоживания фильтрат Ф-2 соответствуют требованиям Приложения №5, часть I Постановления Правительства Российской Федерации от 29.07.2013 №644 (ред. от 28.11.2023) «Об утверждении Правил холодного водоснабжения и водоотведения и о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации» для возможности отведения их в «в голову» очистных сооружений.

Полученный в узле обезвоживания осадок (кек) И-5 под действием силы тяжести попадает в шнековый рекуператор, который поднимает кек на необходимую высоту и одновременно подогревает его до температуры 45-50°С за счет тепла, рекуперированного при конденсации паров воды, образующихся при сушке кека И-5. Одновременно с подогревом в шнековом рекуператоре происходит гомогенизация кека за счет его перемешивания под воздействием вращающегося шнека.

На выходе из шнекового рекуператора подогретый кек попадает на конвейер ленточной сушки, на которой происходит его постоянный нагрев до температуры не более 80°С и раскатывание игольчатыми валиками на пласты толщиной до 5 мм для увеличения площади испарения. В процессе движения кека по конвейеру помимо раскатки его игольчатыми валиками на пласты, пласт подвергается механическому разрушению, вследствие которого образующаяся при нагревании корка разрушается, что способствует ускорению выхода паров воды из тела пласта кека. Время движения пласта кека по конвейеру не превышает 5 минут. Пары воды принудительно отсасываются из ленточной сушки вытяжным вентилятором и подаются в шнековый рекуператор. После сушки кек достигает влажности менее 40% и гранулируется с образованием конечного продукта И-6 - агрохимиката. Гранулируемый продукт И-6 в дальнейшем досушивается при комнатной температуре в течении 2-3 дней до влажности менее 20%. Готовый продукт И-6 соответствует требованиям нормативных документов к агрохимикатам на основе ОСВ.

Сущность изобретения иллюстрируется следующим примером, не носящим, однако, ограничительного характера.

Проведены экспериментальные исследования по получению агрохимиката посредством заявляемого способа. В качестве исходного сырья была выбрана смесь сырого ОСВ и избыточного активного ила городских очистных сооружений в соотношении 1:1 (И-1), характеристики которой приведены в таблице 1.

Смесь ОСВ смешивали с водным раствором известкового молока в соотношении 1:1 (И-2) и обрабатывали в вихревом электромагнитном кавитаторе (для получения И-3) со скоростью 1,2 м³/ч. Обработанную смесь направляли в седиментатор, в котором смесь в течение 40 мин. разделялась на уплотненный осадок (И-4) и надосадочную воду (Ф-1). Уплотненный осадок (И-4) обезвоживали на фильтр-прессе с получением обезвоженного осадка - кека (И-5), с влажностью 65%, и фильтрата (Ф-2). Кек (И-5) сушили на ленточной сушке с получением готового продукта (И-6). Надосадочная вода (Ф-1) и фильтрат (Ф-2) собирались в отдельной емкости для дальнейшего отведения в «голову» очистных сооружений. Характеристики готового продукта (И-6) приведены в таблице 2.

Заявляемые способ и технологическая линия обеспечивают эффективное обезвоживание и полное обеззараживание получаемого готового продукта И-6 и его состав соответствует требованиям к органоминеральным удобрениям в соответствии с ГОСТ Р 59748-2021 «Технические принципы обработки осадков сточных вод. Общие требования».

Заявляемые способ и технологическая линия предназначены для переработки ОСВ (включая иловый осадок) с возможностью применения итогового продукта в сельском хозяйстве. Суть способа заключается в изменении структуры и свойств обрабатываемых ОСВ за счет кавитационного воздействия и интенсификации физико-химических процессов, происходящих в процессе обработке ОСВ. Технология, основанная на вихревом электромагнитном кавитаторе, позволяет:

1) интенсифицировать процесс обезвоживания и обеззараживания обрабатываемого ОСВ в сравнении с существующими технологиями (4 часа по сравнению с 8-ю и более сутками);

2) получить в качестве итогового продукта - агрохимикат (органоминеральное удобрение).

Группа изобретений относится к области переработки и утилизации осадков сточных вод (ОСВ), в том числе иловых осадков, с получением вторичного продукта в виде органоминерального удобрения. Из ОСВ вод удаляют грубодисперсные примеси, измельчают и смешивают со смесью избыточно активного ила до гомогенизированного состояния. Полученную смесь и раствор негашеной извести подают на узел кавитационной обработки, в качестве которого используют вихревой электромагнитный кавитатор. Затем обеззараженную смесь подают на узел механического обезвоживания, где непрерывно обезвоживают до степени влажности не более 70%, получая кек. Кек направляют в узел сушки, где непрерывно подогревают и перемешивают на шнековом рекуператоре. Затем кек догревают, раскатывают пластами и подвергают механическому разрушению на конвейерной ленте, откачивая при этом пары воды, тепло от которых направляют на нагрев вновь поступающего в узел сушки кека. Технический результат: повышение эффективности процесса обеззараживания и обезвоживания ОСВ и илового осадка, сокращение времени обработки ОСВ с одновременным обеспечением возможности использования конечного продукта в качестве агрохимиката. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ переработки осадков сточных вод и илового осадка, характеризующийся тем, что из осадка сточных вод удаляют грубодисперсные примеси, измельчают очищенный осадок сточных вод и затем смешивают со смесью избыточно активного ила до гомогенизированного состояния, после чего на узел кавитационной обработки, в качестве которого используют вихревой электромагнитный кавитатор, подают полученную смесь и раствор негашеной извести, где их перемешивают и подвергают кавитационному воздействию, вызванному движением ферромагнитных элементов в переменном электромагнитном поле, интенсифицируя при этом физико-химические реакции в потоке обрабатываемой смеси и обеззараживая ее, после чего обеззараженную смесь подают на узел механического обезвоживания, где непрерывно обезвоживают до степени влажности не более 70 %, получая кек, который направляют в узел сушки, где непрерывно подогревают и перемешивают на шнековом рекуператоре, затем кек догревают, раскатывают пластами и подвергают механическому разрушению на конвейерной ленте, откачивая при этом пары воды, тепло от которых направляют на нагрев вновь поступающего в узел сушки кека.

2. Способ переработки осадков сточных вод и илового осадка по п. 1, характеризующийся тем, что перед обезвоживанием к обеззараженной смеси добавляют раствор флокулянта.

3. Технологическая линия для переработки осадков сточных вод и илового осадка, характеризующаяся тем, что состоит из узла механической очистки от грубодисперсных примесей, узла предварительного измельчения, узла кавитационной обработки, узла механического обезвоживания и узла сушки, объединенных посредством трубопроводов, а также емкости приготовления раствора негашеной извести, причем в качестве узла кавитационной обработки использован вихревой электромагнитный кавитатор, выполненный из трубы, заполненной ферромагнитными элементами, размещенной внутри статора-индуктора, а узел механического обезвоживания выполнен с возможностью работы в непрерывном режиме и состоит из двух ступеней, причем в качестве первой ступени использован седиментатор, а в качестве второй ступени использован механический обезвоживатель, при этом узел сушки состоит з шнекового рекуператора, подогреваемой конвейерной ленты, игольчатых валиков, вытяжного вентилятора, сопряженного с пароотводящей системой, выполненной с возможностью отведения пара на шнековый рекуператор.

4. Технологическая линия для переработки осадков сточных вод и илового осадка по п. 3, характеризующаяся тем, что узел механического обезвоживания содержит трубный флотатор.