КАНАЛИЗАЦИЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА ОСАДКОВ, МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ СООРУЖЕНИЯ

В результате механической и биологической очистки городских сточных вод на очистных сооружениях образуются различного вида осадки, содержащие органические вещества. Это отбросы, задерживае­мые решетками, осадок, выпадающий в первичных отстойниках, актив­ный ил или биопленка, образующиеся в сооружениях аэробной биоло­гической очистки воды. Отбросы после дробления обычно сбрасываются в канал перед первичными отстойниками, улавливаются ими и попада­ют, таким образом, в сырой осадок.

Общий объем осадков, как правило, не превышает 1% объема обра­батываемых стоков, при этом на долю активного ила приходится 60— 70% образующихся осадков.

Осадок из первичных отстойников крайне неоднороден по фракцион­ному составу. По данным московских очистных станций, содержание в нем частиц крупностью более 7—10 мм составляет 5—20%, крупностью 1—7 мм — 9—33%, крупностью менее 1 мм —50—88% массы сухого ве­щества. Осадок имеет влажность 92—96%, слабокислую реакцию сре­ды, в значительной степени насыщен микроорганизмами (в том числе патогенными), содержит яйца гельминтов.

Активный ил по фракционному составу значительно одйороднее осадка первичных отстойников; около 98% (по массе) частиц ила имеют размер менее 1 мм. Влажность активного ила в зависимости от приня­той схемы обработки составляет 96—99,2%. Хлопья ила, состоящие из большого числа многослойно расположенных микробиальных клеток, заключенных в слизь, обладают очень развитой удельной площадью по­верхности, составляющей около 100 м2 на 1 г сухого вещества. Так же как осадок, ил может быть заражен яйцами гельминтов.

Твердая фаза осадков городских сточных вод состоит из органичес­ких и минеральных веществ Органическая, или беззольная, часть в осадке из первичных отстойников составляет 65—75% массы сухого вещества, в иле — 70—75%. Соответственно зольность осадка колеблет­ся от 25 до 35%, ила —от 25 до 30%.

Основными компонентами беззольной части осадка и ила являются белково-, жиро-, углеводоподобные вещества, в сумме составляющие 80—85%. Остальные 15—20% приходятся на долю лигнино-гумусового комплекса соединений. Количественные соотношения отдельных компо­нентов в осадке и иле различны. Если в беззольном веществе осадка преобладают жироподобные вещества и углеводы, то в активном иле значительную часть органического вещества составляют белки.

Осадки сточных вод содержат ценные удобрительные вещества (азот, фосфор, калий, микроэлементы) и могут быть использованы в качестве удобрения.

Исследования, проведенные АКХ, показали, что активный ил может быть использован в качестве кормовой добавки к рациону сельскохозяй­ственных животных. Питательная ценность активного ила обусловлена высоким содержанием белка и витаминов. Ил городских очистных стан­ций содержит почти все витамины группы В и особенно много витами­на В12.

Химический состав осадков, по данным Курьяновской станции аэра­ции, приведен в табл. 4.27.

Таблица 427

Состав осадка и ила может меняться в значительных пределах и за­висит от состава сточных вод, принятой схемы очистки и других фак­торов.

Большое содержание органических веществ обусловливает способ­ность осадков быстро загнивать, а высокая бактериальная заражен­ность, наличие в них яиц гельминтов создают опасность распростране­ния инфекций. Поэтому основной задачей обработки осадков является их обезвреживание: получение безопасного в санитарном отношении продукта.

Основным методом обезвреживания осадков городских сточных вод является анаэробное сбраживание. Брожение называется метановым, так как в результате распада органических веществ осадков в каче­стве одного из основных продуктов образуется метан.

В основе биохимического процесса метанового брожения лежит спо­собность сообществ микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности окислять органические вещества осадков сточных вод.

Промышленное метановое брожение осуществляется широким спект­ром бактериальных культур. Теоретически рассматривают брожение осадков, состоящее из двух фаз: кислой и щелочной.

В первой фазе кислого или водородного брожения сложные органи­ческие вещества осадка и ила под действием внеклеточных бактериаль­ных ферментов сначала гидролизуются до более простых: белки — до пептидов и аминокислот, жиры — до глицерина и жирных кислот, угле­воды— до простых Сахаров. Дальнейшие превращения этих веществ в Клетках бактерий приводят к образованию конечных продуктов первой фазы, главным образом органических кислот. Более 90% образующих­ся кислот составляют масляная, пропионовая и уксусная. Образуются и другие относительно простые органические вещества (альдегиды, спирты) и неорганические (аммиак, сероводород, диоксид углерода, во­дород) .

Кислую фазу брожения осуществляют обычные сапрофиты: факуль­тативные анаэробы типа молочнокислых, пропионовокислых бактерий и строгие (облигатные) анаэробы типа маслянокислых, ацетонобутило - вых, целлюлозных бактерий. Большинство видов бактерий, ответствен -

Ных за первую фазу брожения, относится к спорообразующим формам.

Во второй фазе щелочного или метанового брожения из конечных продуктов первой фазы образуются метан и угольная кислота в резуль­тате жизнедеятельности метанообразующих бактерий — неспороносных облигатных анаэробов, очень чувствительных к условиям окружающей среды. Изученные виды метанообразующих бактерий относятся к трем родам: Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina.

Особенностью этих бактерий является их строгая специфичность к используемому субстрату. Например, Methanobacterium formicicum окисляет только молекулярный водород и муравьиную кислоту, а Methanobacterium syboxydans использует более сложные соединения: валериановую и капроновую кислоты и бутиловый спирт. Однако в це­лом смешанная культура метанообразующих бактерий способна исполь­зовать практически все основные продукты кислой фазы брожения.

Метан образуется в результате восстановления СОг или метильной группы уксусной кислоты:

4АН2+С02 4А+СН4+2Н20,

Где АН2—органическое вещество, служащее для метанообразующих бактерий донором водорода; обычно это жирные кислоты (кроме уксусной) и спирты (кроме метилового).

Многие виды метанообразующих бактерий окисляют молекулярный водород, образующийся в кислой фазе. Тогда реакция метанообразо - вания имеет вид:

4Н2+С02 ферменты-> CH4-f 2НаО+энергия.

Микроорганизмы, использующие уксусную кислоту и метиловый спирт, осуществляют реакции:

СНзСООН фЄрМЄНТЬ'--> СН4+С02+энергия;

2СН3ОН ферменть1~-> CH4-f С02+2Н2+энергия.

Все перечисленные реакции являются источниками энергии для ме­танообразующих бактерий, и каждая из них представляет собой серию последовательных ферментативных превращений исходного вещества. В настоящее время установлено, что в процессе метанообразования при­нимает участие витамин В12, которому приписывают основную роль в переносе водорода в энергетических окислительно-восстановительных реакциях у метанообразующих бактерий.

Считается, что скорости превращения веществ в кислой и метановой фазах одинаковы, поэтому при устойчивом процессе брожения не про­исходит накопления кислот — продуктов первой фазы.

Процесс сбраживания характеризуется составом и объемом выделя­ющегося газа, качеством иловой воды, химическим составом сброжен­ного осадка.

Образующийся газ состоит в основном из метана и диоксида углеро­да. При нормальном (щелочном) брожении водород как продукт первой фазы может оставаться в газе в объеме не более 1—2%, так как ис­пользуется метанообразующими бактериями в окислительно-восстано­вительных реакциях энергетического обмена.

Выделившийся при распаде белка сероводород H2S практически не попадает в газ, так как в присутствии аммиака легко связывается с име­ющимися ионами железа в коллоидный сульфид железа FeS.

Конечный продукт аммонификации белковых веществ — аммиак — связывается с углекислотой в карбонаты и гидрокарбонаты, которые обусловливают высокую щелочность иловой воды.

В зависимости от химического состава осадков при сбраживании выделяется от 5 до 15 м3 газа на 1 м3 осадкат

Скорость процесса брожения зависит от температуры. Так, при тем­пературе осадка 25—27° С процесс длится 25—30 дней; при 10° С про­должительность его увеличивается до 4 месяцев и более. Для ускорения сбраживания и уменьшения объема необходимых для этого сооружений применяют искусственный подогрев осадка до температуры 30—35° С или 50—55° С.

Для нормально протекающего процесса метанового брожения ха­рактерны слабощелочная реакция среды (рН^7,6), высокая щелоч­ность иловой воды (65—90 мг-экв/л) и низкое содержание жирных кис­лот (до 5—12 мг-экв/л). Концентрация аммонийного азота в иловой воде достигает 500—800 мг/л.

Нарушение процесса может быть результатом перегрузки сооруже­ния, изменения температурного режима, поступления с осадком токсич­ных веществ и т. д. Нарушение проявляется в накоплении жирных кис­лот, снижении щелочности иловой воды, падении рН. Резко уменьшает­ся объем образующегося газа, увеличивается содержание в газе угольной кислоты и водорода — продуктов кислой фазы брожения.

Кислотообразующие бактерии, ответственные за первую фазу бро­жения, более выносливы ко всякого рода неблагоприятным условиям, в том числе и к перегрузкам. Осадки, поступающие на сбраживание, в значительной степени обсеменены ими. Быстро размножаясь, кислото­образующие бактерии увеличивают ассимиляционную способность бак­териальной массы и таким образом приспосабливаются к возросшим на­грузкам. Скорость первой фазы при этом возрастает, в среде появляется большое количество жирных кислот.

Метановые бактерии размножаются очень медленно. Время генера­ции для некоторых видов составляет несколько дней, поэтому они не в состоянии быстро увеличивать численность культуры, а содержание их в сыром осадке незначительно. Как только нейтрализующая способ­ность бродящей массы (запас щелочности) оказывается исчерпанной, рН резко снижается, что приводит к гибели метанообразующих бактерий.

Большое значение для нормального сбраживания осадка HMeej со­став сточных вод, в частности наличие в них таких веществ, которые уг­нетают или парализуют жизнедеятельность микроорганизмов, осуще­ствляющих процесс сбраживания осадка[14]. Поэтому вопрос о возможно­сти совместной очистки производственных и бытовых сточных вод следует разрешать в каждом отдельном случае в зависимости от их ха­рактера и физико-химического состава.

При смешивании бытовых сточных вод с производственными необхо­димо, чтобы смесь сточных вод имела рН = 7...8 и температуру не ниже 6° и не выше 30° С. Содержание ядовитых или вредных веществ не дол­жно превышать предельно допустимой концентрации для микроорганиз­мов, развивающихся в анаэробных условиях. Например, при содержа­нии меди в осадке более 0,5% сухого вещества ила происходит замед­ление биохимических реакций второй фазы процесса сбраживания и ускорение реакций кислой фазы. При дозе гидроарсенита натрия 0,037% к массе беззольного вещества свежего осадка замедляется про­цесс распада органического вещества.

Для обработки и сбраживания сырого осадка применяют три вида сооружений: 1) септики (септиктенки); 2) двухъярусные отстойники (эмшеры); 3) метантенки.

В септиках одновременно происходит осветление воды и перегнива - ние выпавшего из нее осадка. Септики в настоящее время применяют на станциях небольшой пропускной способности.

В двухъярусных отстойниках отстойная часть отделена от гнилост­ной (септической) камеры, расположенной в нижней части. Развитием конструкции двухъярусного отстойника является осветлитель-перегни - ватель.

Для обработки осадка в настоящее время наиболее широко исполь­зуют метантенки, служащие только для сбраживания осадка при искус­ственном подогреве и перемешивании.

Для обработки небольших объемов осадков (главным образом ак­тивного ила) в последнее время применяют метод аэробной стабилиза­ции, осуществляемый в сооружениях типа аэротенков.

Сущность аэробной стабилизации состоит в аэробном окислении био­логически доступных органических веществ осадков и в самоокислении бактериальной массы. Аэробной стабилизации могут подвергаться как активный ил, так и сырой осадок и их смесь.

Степень распада органических веществ в процессе аэробной стаби­лизации сопоставима с анаэробным сбраживанием. Беззольное вещест­во стабилизированных осадков состоит в основном из биологически инертных органических соединений.

Сброженный осадок имеет высокую влажность (95—98%), что за­трудняет применение его в сельском хозяйстве для удобрения (из-за трудности перемещения обычными транспортными средствами без уст­ройства напорных разводящих сетей). Влажность является основным фактором, определяющим объем осадка. Поэтому основной задачей об­работки осадка является уменьшение его объема за счет отделения во­ды и получение транспортабельного продукта.

Осадки плохо отдают воду и относятся к категории труднофильтру - ющихся иловых суспензий. Соотношение в осадках между свободной и связанной водой влияет на способность их отдавать воду.

Свободная вода может быть удалена из осадка фильтрацией или отжимом. Часть свободной воды удаляется при гравитационном уплот­нении осадков, при этом объем осадков значительно уменьшается. На­пример, при изменении влажности осадка с 96 до 92% объем его умень­шается в 2 раза.

Уплотнение активного ила, в отличие от уплотнения сырого осадка, сопровождается изменением свойств ила. Активный ил как коллоидная система обладает высокой структурообразующей способностью, вслед­ствие чего его уплотнение приводит к переходу части свободной воды в связанное состояние, а увеличение содержания связанной воды в иле приводит к ухудшению водоотдачи.

Применяя специальные методы обработки, например обработку хи­мическими реагентами, можно добиться перевода части связанной воды в свободное состояние. Однако значительную часть связанной воды можно удалить лишь в процессе испарения.

На способность осадков отдавать воду влияет ряд факторов: влаж­ность, степень дисперсности частиц твердой фазы, структура осадка и его химический состав.

Обобщающим показателем, характеризующим способность осадков к водоотдаче (фильтруемость осадка), является удельное сопротивление фильтрации — сопротивление, оказываемое потоку фильтрата, равно­мерным слоем осадка, масса которого на единице площади фильтра рав­на единице. Чем выше удельное сопротивление, тем труднее отдает воду осадок. Активный ил имеет значительно большее сопротивление филь­трации, чем сырой осадок. Связано это с тем, что в иле много коллоид­ных веществ и основную массу составляют очень мелкие частицы. Удель­ное сопротивление осадка после сбраживания увеличивается, так как сброжейный осадок приобретает более мелкую и однородную структуру. Число частиц размером менее 1 мм составляем в нем около 85%.

Удельное сопротивление фильтрации служит исходной величиной при выборе метода обезвоживания осадка.

Для снижения удельного сопротивления фильтрации и интенсифика­ции процесса отделения воды осадки перед обезвоживанием подвергают предварительной обработке. При этом чем больше удельное сопротивле­ние, тем более глубокая требуется предварительная обработка. К мето­дам предварительной обработки относятся: промывка осадка водой, обработка его химическими реагентами, замораживание с последующим оттаиванием, тепловая обработка.

Наиболее простым способом обезвоживания является подсушивание осадка на иловых площадках, где его влажность может быть уменьше­на до 75—80%. При этом осадок уменьшается в объеме и по массе в 4— 5 раз, теряет текучесть и может легко транспортироваться к месту его использования. Однако способ подсушивания требует больших земель­ных участков, и, кроме того, влажность подсушенного осадка остается все еще слишком высокой.

В последние годы все более широкое применение находят механиче­ские и термические способы удаления влаги. При этом обезвоживанию могут подвергаться как сырые осадки (с последующим обеззаражива­нием), так и осадки после биохимической обработки. Выбор той или иной схемы обработки осадков диктуется местными условиями и про­изводится с учетом физико-химических свойств осадков, санитарно-эпи­демиологических требований и технико-экономических расчетов.

Для механического обезвоживания осадков наибольшее применение нашли вакуум-фильтры. Однако в последнее время в зарубежной и оте­чественной практике наряду с ними начали применять центрифуги и фильтр-прессы.

При обезвоживании сырых осадков и осадков, сброженных в мезо - фильных условиях или аэробностабилизированных, требуется их обез­зараживание, поскольку эти осадки могут содержать яйца гельминтов. Обеззараживание достигается прогреванием осадка до 60° С, компости­рованием, облучением, термической сушкой.

Получаемый в результате механического обезвоживания осадок со­держит еще 75—85% воды, составляющей таким образом около 3Д его массы.

Термическая сушка осадка позволяет снизить его влажность до 20—■ 35%, что значительно облегчает условия перевозки и хранения. Высу­шенный осадок можно в расфасованном виде доставлять к месту его ис­пользования.

Капитальные затраты этого метода достаточно высоки, вследствие чего применение термической сушки оправдано лишь при условии эф­фективного использования высушенного осадка.

Для полной ликвидации органических компонентов осадков их сжи­гают. Метод сжигания применим в тех случаях, когда невозможна или экономически нецелесообразна утилизация осадка. Препятствием к ис­пользованию осадка как удобрения может быть наличие в нем токсич­ных веществ и некоторых других примесей, поступающих в городскую канализацию с производственными сточными водами.

В последние годы метод сжигания находит все большее применение для ликвидации производственных шламов ряда предприятий химичес­кой, нефтеперерабатывающей, угольной отраслей промышленности и осадков городских очистных станций.

При сжигании происходит полное окисление органических веществ осадков и образование стерильного остатка — золы, которая может быть использована в качестве присадочного материала при подготовке осад­ка к обезвоживанию. Это позволяет снизить расход химических реа­гентов.

Экономику процесса сжигания определяют два основных фактора: теплота сгорания и влажность осадка. Теплота сгорания, в свою оче­редь, зависит от химического состава и для осадков городских очистных станций составляет 16800—27 400 кДж на 1 кг беззольного вещества. Наименьшей теплотой сгорания обладают сброженные осадки, наиболь­шей— сырой осадок из первичных отстойников.

В зависимости от теплоты сгорания обезвоженные осадки могут сжи­гаться самостоятельно или с добавкой топлива.

Поскольку горению предшествует процесс испарения влаги, требую­щий значительных затрат тепла (около 4200 кДж на 1 кг воды), необ­ходимость в дополнительном топливе находится в прямой зависимости от влажности осадка. Опыт работы зарубежных очистных сооружений, использующих метод сжигания, показывает, что самостоятельно могут сжигаться только те осадки, в которых соотношение воды и беззольного вещества не превышает 3,5: 1.

Сжигание осадков применяется на ряде очистных станций США, Франции, Швеции и других стран. Обезвоженные осадки сжигают в многоподовых или барабанных печах, в реакторах со взвешенным слоем.