КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВОДЫ

Контроль процессов обработки осадков. Процессы метанового брожения и контроль работы метантенков

Суспензии, выделяемые из отработанных и сточных вод в про­цессе их механической, биологической и физико-химической (ре - агентной) очистки, представляют собой осадки.

Свойства осадков целесообразно разделить на характеризующие их природу и структуру, а также обусловливающие их поведение в процессе обезвоживания.

Свойства, характеризующие природу осадков

Содержание сухого вещества обычно выражается в г на 1 дм3 или в процентах и определяется сушкой при температуре 105°С до

Постоянной массы. В жидких осадках оно приблизительно близ­ко к концентрации взвешенных веществ, определяемых фильтро­ванием или центрифугированием.

Содержание беззольного вещества выражается в процентах по массе от содержания сухого вещества. Определяется сжиганием при температуре 550—600°С.

В гидрофильных органических осадках этот показатель часто близок к содержанию органических веществ и характеризует со­держание азотистых веществ.

Элементарный состав особенно важен для органических осад­ков, в первую очередь по таким показателям, как содержание: углерода и водорода для определения степени стабилизации или установления общей кислотности; азота и фосфора для оценки удобрительной ценности осадка; тяжелых металлов и др.

Для неорганических осадков часто полезно определять содер­жание Fe, Mg, А1, Сг, солей Са (карбонатов и сульфатов) и Si.

Токсичность. Металлы, содержащиеся в осадках производствен­ных сточных вод (медь, хром, кадмий, никель, цинк, олово), ток­сичны. Они обладают способностью вызывать в организме чело­века различные виды биологических эффектов — общетоксичный, мутагенный и эмбриотоксический. Степень токсичности и опас­ности различных металлов неодинакова и может быть оценена по Величинам среднелетальных доз для лабораторных животных. Ре­зультаты опытов показывают, что наиболее токсичными для жи­вотных являются хром и кадмий.

Согласно принятым в настоящее время предельно допустимым концентрациям, учитывающим наряду с токсичностью и кумуля­тивные свойства веществ, наибольшую опасность для здоровья населения представляют кадмий, хром, никель; менее опасными являются медь и цинк.

Осадки очистных сооружений гальванических производств, содержащих оксиды тяжелых металлов, относятся к четвертому классу опасности, т. е. к малоопасным веществам.

Свойства, характеризующие структуру осадков

Формирование осадков с заданными свойствами начинается с выбора тех методов очистки, которые обеспечивают возможность утилизации или безопасного складирования осадков, сокращение затрат на их обезвоживание и сушку.

Возможность безопасного складирования осадков сточных вод определяется следующими характеристиками и свойствами осад­ков: кажущейся вязкостью и связанной с ней текучестью осадков, а также характером воды, содержащейся в осадке.

Кажущуюся вязкость и связанную с ней текучесть осадков мож­но рассматривать как меру интенсивности сил взаимосвязи меж­ду частицами. Она также позволяет оценить тиксотропный харак­тер осадка (способность осадка образовывать гель в состоянии покоя и возвращать текучесть даже при слабом встряхивании). Это свойство очень важно для оценки способности осадка к сбору, транспортированию и перекачиванию.

Иловая суспензия не является ньютоновской жидкостью, по­скольку найденное значение вязкости очень относительно и за­висит от приложенного напряжения сдвига.

Характер воды, содержащейся в осадке. Эта вода представляет собой сумму свободной воды, которая может быть легко удалена, и связанной, включающей коллоидальную гидратную воду, капил­лярную, клеточную и химически связанную воду. Выделение связан­ной воды требует значительных усилий. Например, клеточная вода сепарируется только тепловой обработкой (сушкой или сжиганием).

Приблизительное значение этого соотношения может быть получено термогравиметрически, т. е. построением кривой поте­ри массы образцом уплотненного осадка при постоянной темпе­ратуре и обработке в соответствующих условиях. Точку, в кото­рой термограмма имеет перелом, можно определить построением зависимости К= f (5"), где V— скорость сушки, г/мин; S — Содержание сухого вещества в образце, % (рис. 2.6).

Соотношение между свободной и связанной водой является решающим фактором в оценке способности осадка к обезвожи­ванию.

Из рис. 2.6 видно, что первая критическая тока определяет количество воды, способной удаляться из осадка при постоянной скорости сушки (фаза 1), и представляет собой содержание сухо­го вещества в осадке после потери свободной воды. Далее удаля­ется связанная вода: сначала до точки S2 при линейной связи сни­жения скорости сушки с ростом содержания сухого вещества (фа­за 2), а затем — при более резком уменьшении темпов снижения скорости сушки (фаза 3).

Факторы, обусловливающие поведение осадка в процессе обезвоживания

К этим факторам относятся: способность к уплотнению; удель­ное сопротивление; числовые характеристики сжимаемости осадка под влиянием увеличивающегося давления (сжимаемость осадка); определение максимального процентного содержания сухого ве­щества в осадке при данном давлении [14].

Способность к уплотнению определяется из анализа седимен - тационной кривой для осадка. Эту кривую вычерчивают на ос­новании лабораторных исследований в сосуде, оборудованном медленно работающей мешалкой. Кривая характеризует степень разделения массы осадка в сосуде в зависимости от времени пре­бывания в нем.

Важнейшим показателем способности осадков сточных вод во влагоотдаче является удельное сопротивление. Величина удельно­го сопротивления (г) является обобщающим параметром и опре­деляется по формуле

2PF ,

Где Р— давление (вакуум), при котором происходит фильтрова­ние осадка; F— площадь фильтрующей поверхности; ri — вязкость фильтрата; С — масса твердой фазы осадка, отлагающегося на фильтре при получении единицы объема фильтрата;

B = (2-4)

Здесь т — продолжительность фильтрования; V— объем выде­ляемого осадка.

Влажность. Этот параметр учитывает изменение состава и свойств осадка в процессе их обработки и складирования.

Сжимаемость осадка. С увеличением перепада давления поры кека исчезают и возрастает сопротивление фильтрованию. Коэф­фициент сжимаемости осадка (S) определяют по формуле

gr2-gr{

Lgp2-lgi?' (2-5)

Где г, и г2 — удельное сопротивление осадка, вычисляемое по фор­муле (2.3) соответственно при давлении />, и Р2.

Скорость фильтрования воды будет увеличиваться, оставаться постоянной или уменьшаться при увеличении Р в соответствии с тем, будет ли значение Sменьше, равно или больше единицы.

Нерастворимые кристаллические вещества обычно сжимают­ся с трудом (5близко к 0 или < 0,3). Суспензии с гидрофильны­ми частицами имеют высокую сжимаемость (5> 0,5, достига­ющий, а иногда превышающий 1,0).

Для многих видов органических осадков существует даже «кри­тическое давление», выше которого поры кека закрываются на­столько, что дренирование становится невозможным. Например, для осадка городских сточных вод фильтрование под давлением выше 1,5 МПа почти безрезультатно. Вот почему полагают, что постепенное увеличение давления имеет некоторые преимущества, задерживая уплотнение кека.

Максимальное содержание сухого вещества в осадке при данном давлении. Влага в осадках может находиться в химической, физи­ко-химической и физико-механической связи с твердыми части­цами, а также в форме свободной влаги. Чем больше связанной влаги в осадке, тем больше энергии нужно затратить для ее уда­ления. Увеличение водоотдачи осадков достигается перераспреде­лением форм связи влаги с твердыми частицами в сторону увели­чения свободной и уменьшения связанной влаги различными ме­тодами обработки.

Исследования зависимости коэффициента фильтрации осадков от их влажности показали, что с уменьшением влажности осад­ков снижаются и значения коэффициента фильтрации. При этом можно отметить определенные значения влажности осадков, ниже которых коэффициент фильтрации мало зависит от влажности. Для гидроксидных осадков сточных вод гальванопроизводств она
лежит в области 67—70%, а для осадков после гальванокоагуляци - онной обработки сточных вод — в области 50—55%.

Прочность. Использования одного критерия влажности для прогнозирования возможности хранения шламов, образующихся при очистке сточных вод, недостаточно. Поэтому для оценки воз­можности складирования осадков используются их прочностные характеристики — прочность на срез и несущая способность, ток­сичность, вымываемость, влажность, устойчивость (прочность) и фильтруемость.

Вымываемость. Тяжелые металлы содержатся в осадках в виде гадроксидов или труднорастворимых солей, например карбонатов, фосфатов, хроматов, сульфидов и др. Использование литератур­ных данных о растворимости соединений металлов в воде не по­зволяет с достаточной точностью определить класс опасности осадков, так как при этом не учитываются сложные физико-хи­мические процессы, протекающие при складировании осадков. Более надежные данные можно получить путем исследований осадков сточных вод на вымываемость.

Количество вымываемых загрязнений зависит от многих фак­торов. С точки зрения фазового состава осадки сточных вод мо­гут быть охарактеризованы как кристаллическая решетка с раство­римыми и полурастворимыми составляющими и порами, запол­ненными жидкостью. Жидкая фаза осадков содержит осадочные количества тяжелых металлов и растворенные соли в виде анио­нов SO4 , СГ, СО2" и др. При складировании осадка происходит физико-химическое старение гидроксидов металлов, в результате чего в жидкую фазу переходят десорбированные катионы и анио­ны, уменьшается значение рН и возрастает солесодержание, спо­собствующее снижению произведений растворимости гидро­ксидов. При воздействии на осадок выщелачивающей жидкости растворяются полурастворимые соединения, например гипс, что также приводит к повышению солесодержания жидкой фазы. Если выщелачивающая жидкость содержит ангидриды кислот (серной, угольной, азотной), значение рН также снижается.

Экспериментальное определение вымываемости осадков осу­ществляется в статических и динамических условиях. Сущность статического исследования заключается в замачивании образцов осадка в дистиллированной воде без перемешивания и замены воды с последующим контролем содержания вымываемого ком­понента в воде в течение 6—12 месяцев. Динамическим экспери­ментом предусматривается хранение образцов в естественных условиях на специально оборудованных площадках, где они под­вергаются всем видам внешних атмосферных воздействий (дож­ди, замораживание и т. п.). Вымывание элемента контролируется как в пробах воды, отводимой с площадки, так и по его убыли в осадке за время эксперимента (6—12 месяцев и более).

Водоотдача осадков во многом зависит от размеров их твердой фазы. Чем мельче частицы, тем хуже водоотдача осадков. Орга­ническая часть осадков быстро загнивает, при этом увеличивает­ся количество коллоидных и мелкодисперсных частиц, вследствие чего снижается водоотдача.

На рис. 2.7 показан типовой граф процессов, применяемых для обработки осадков сточных вод.

Современными техническими средствами можно добиться любой степени уменьшения влажности.

В настоящее время применяют (см. рис. 2.7) четыре метода уплотнения и сгущения осадков: гравитационное, флотационное, сгущение в центробежном поле и фильтрование.

Гравитационное уплотнение является наиболее распространен­ным методом уплотнения осадков. Оно просто в эксплуатации и сравнительно недорого. Время уплотнения устанавливается экс­периментально и может быть самым различным — от 2 до 24 ч и более.

С целью снижения продолжительности уплотнения, получения осадка с меньшей влажностью и уменьшения выноса взвешенных веществ из уплотнителя применяют различные приемы: переме­шивание в процессе уплотнения, цикличное сгущение, коагуля­цию, совместное уплотнение различных видов осадков и термо­гравитационный метод.

При перемешивании осадка во время уплотнения происходит частичное разрушение сплошной пространственной структуры осадка. Лопасти мешалки, раздвигая оторванные друг от друга части структурированного осадка, создают условия для беспре­пятственного выхода свободной влаги, ранее захваченной и удер­живаемой пространственной структурой осадка. Медленное пе­ремешивание способствует сближению отдельных частиц осад­ка, что приводит к их коагуляции с образованием крупных агрегатов, которые более интенсивно уплотняются под действи­ем собственной массы.

На рис. 2.8 представлена зависимость степени сгущения осад­ка от продолжительности и скорости перемешивания в стержне­вой мешалке [14].

Максимальный эффект уплотнения был достигнут при скорос­тях перемешивания конца лопастей мешалки 0,04 м/с, содержание взвешенных веществ в осветленной воде не превышало 50 мг/дм3.

Цикличное сгущение осуществляется путем последовательно­го накапливания сгущенного осадка от нескольких циклов сгуще­ния при медленном перемешивании стержневой мешалкой и от­качивании осветленной воды после каждого цикла сгущения. Эффективность процесса циклического сгущения можно объяс­нить тем, что при росте гидростатического давления, определя­емого числом последовательных циклов сгущения осадка, и мед­ленном механическом перемешивании более интенсивно, чем при одноразовом наливе, наблюдается вторичное образование хлопь­ев в скоагулированном ранее осадке, которое приводит к утяже­лению хлопьев и ускорению уплотнения осадка.

Увеличение гидростатического давления вышележащих сло­ев сгущенного осадка на нижележащие приводит к деформации структуры осадка, сопровождающейся переходом части воды, связанной в хлопьевидных структурах осадка, в свободную воду, удаляемую фильтрацией через поровое пространство слоя сгу­щенного осадка.

В качестве коагулянтов применяют различные минеральные и органические соединения. В системе реагентного хозяйства контролируют качество растворов реагентов (хлорного железа и извести) по концентрации в них активного агента. Тщательный контроль растворов реагентов необходим, так как их избыток не улучшает фильтруемости осадков, в то же время перерасход де­фицитных веществ влечет за собой необоснованное удорожание стоимости эксплуатации.

При термографическом методе уплотнения осадок подвергается нагреву. Во время нагрева гидратная оболочка вокруг частицы осадка разрушается, часть связанной воды переходит в свободную, а поэтому процесс уплотнения улучшается. Оптимальная темпе­ратура нагрева активного ила сточных вод гидролизных заводов составляет 80—90°С. После нагревания в течение 20—30 мин с по­следующей выдержкой ила и уплотнением его влажность сни­жается с 99,5 до 96—95%. Общее время обработки составляет 50-80 мин.

Флотация. Достоинство этого метода состоит в том, что его можно регулировать путем оперативного изменения параметров. К недостаткам метода относятся более высокие эксплуатационные затраты и невозможность накопления большого количества осад­ка в уплотнителе.

Обычно применяют импеллерную, электро - и напорную фло­тацию. Последняя получила наибольшее распространение.

При проектировании флотационного уплотнителя назначают удельную нагрузку по сухому веществу 5—13 кг/(м2 х ч) и гидрав­лическую нагрузку менее 5 м3/(м2 х ч); концентрацию уплотнен­ного осадка принимают: без полиэлектролитов 3—4,5% по сухому веществу, с применением полиэлектролитов 3,5—6% в соответ­ствии с дозой полиэлектролита и нагрузкой.

Объем накопителя осадка должен быть рассчитан на несколь­ко часов, так как по истечении этого времени пузырьки воздуха выходят из осадка и он вновь приобретает нормальную удельную массу.

Фильтрационное уплотнение. Фильтрование чаще всего ис­пользуется как метод механического обезвоживания осадков, а для их сгущения применяется крайне редко. Распространены следующие типы современных уплотнительных фильтров: бара­банный фильтр, барабанный сетчатый фильтр и фильтрующий контейнер.

Для анаэробного сбраживания обычно используют два темпе­ратурных режима: мезофильный при температуре 30—35°С и тер­мофильный при температуре 52—55°С.

Контроль процессов метанового брожения включает систему замеров и анализов твердой, жидкой и газообразной фаз. Замер количества поступающих осадков и активного ила по объему по­зволяет рассчитать суточную дозу загрузки метантенка по объему Д в %. Общий объем метантенка принимают за 100%. Объем по­ступающих осадков за сутки, выраженный в процентах от общего объема метантенка, и составляет объемную дозу загрузки соору­жения. Эта величина может быть выражена либо в процентах от полного объема метантенка, либо в долях от единицы его объема, т. е. в м3 осадка, приходящегося на 1 м3 объема за сутки. Напри­мер, если доза Д = 8%, то второй вариант выражения этой вели­чины 0,08 м3/(м3 х сут).

Принимают, что в процессе сбраживания объем осадка и об­щее количество поступившей в метантенк воды не изменяются. Таким образом, в учете пренебрегают количеством влаги, посту­пающей с перегретым паром (используемым для нагрева сбражи­ваемой массы), а также теряющейся с удаляемыми газами бро­жения.

Не реже 1-2 раз в неделю для поступающих и сброженных осад­ков выполняют анализы с определением их влажности и зольнос­ти. Зная влажность и зольность исходных осадков, а также Д, нетрудно подсчитать дозу загрузки метантенка по беззольному веществу Дбз. Эта величина, измеряемая в килограммах беззольно­го вещества, приходящегося на 1 м3 объема сооружения за сутки, аналогична нагрузке на единицу объема, определяемой для аэро­тенков. В зависимости от вида загружаемых осадков и их характе­ристик по влажности и зольности величина Д63 колеблется в ши­роких пределах: для мезофильного режима сбраживания от 1,5 до 6 кг/(м3 х сут), а для термофильного — от 2,5 до 12 кг/(м3 х сут).

При эксплуатации метантенков химический анализ осадков на содержание газообразующих компонентов, а также фосфатов, СПАВ, азота общего выполняют обычно один раз в квартал (реже один раз в месяц). Анализ делают из средних проб, набираемых за период исследования. Используют высушенные осадки, оста­ющиеся после определения влажности.

Учет количества газов брожения производят непрерывно с ис­пользованием приборов автоматической регистрации. Химический анализ состава газов выполняют один раз в декаду или в месяц. Определяют СН4, Н2, С02, N2 и 02. Если процесс проходит устой­чиво, то содержание Н2 — продукта первой фазы брожения — не должно превышать 2%, содержание С02 должно быть не более 30—35%. При этом кислород должен отсутствовать, так как ука­занный процесс строго анаэробный. Присутствие кислорода об­наруживается только из-за несоблюдения полной изоляции от атмосферного воздуха приборов, применяемых для анализа. Ко­личество метана обычно составляет 60—65%, азота — не более 1—2%. Если обычные соотношения в составе газов изменяются, то причины следует искать в нарушении режима брожения.

Глубокие и длительные изменения в составе газов, выража­ющиеся в уменьшении процентного содержания метана и увели­чении содержания углекислоты, могут быть свидетельством «за - кисания» метантенка, что обязательно отразится и на химическом составе иловой воды. В ней в большом количестве появятся про­дукты кислой фазы, в частности низшие жирные кислоты (НЖК), при одновременном снижении щелочности иловой воды, опреде­ляемой кроме НЖК содержанием карбонатных и гидрокарбонат­ных соединений.

При этом наблюдается резкое падение выхода газа с единицы объема загружаемого осадка и снижение величины рН до 5,0. В газах кислого брожения появляется сероводород H2S, убывает метан СН4 и сильно повышается концентрация углекислоты С02. Все это сопровождается образованием пены и накоплением плот­ной корки внутри метантенка.

При устойчивом режиме брожения содержание НЖК в иловой воде находится на уровне 5—15 мг-экв/дм3, а величина щелочно­сти — 70—90 мг-экв/дм3. Сумма всех органических кислот опре­деляется через эквивалент уксусной кислоты, а щелочность — че­рез эквивалент гидрокарбонат-иона.

Химический состав иловой воды определяют 1—3 раза в неде­лю (по графику определения влажности осадков). В иловой воде, кроме того, определяют содержание азота аммонийных солей, появляющегося вследствие распада белковых компонентов. При нормальной работе метантенка концентрация азота аммонийных солей в иловой воде составляет от 500 до 800 мг/дм3.

По данным анализов и замеров делают ряд расчетов, в резуль­тате которых определяют Д и Д63, процент распада беззольного вещества осадков Р63 (учтенный по изменению влажности и золь­ности), а также по выходу газа Рг, выход газа с 1 кг загруженного сухого вещества и 1 кг сброженного беззольного вещества и рас­ход пара на 1 м3 осадка.

Причинами нарушений нормального брожения могут быть: высокая доза загрузки метантенка свежим осадком, резкое коле­бание температуры и загрузка в метантенк загрязнений, не под­дающихся сбраживанию. В результате воздействия этих причин угнетается деятельность метанпродуцирующих микроорганизмов и снижается интенсивность процесса сбраживания осадка.

Учет работы метантенка производится по форме, данной в табл. 2.17.

При пусконаладочных работах прежде всего проверяется гер­метичность метантенков, наличие предохранительных клапанов, а также наличие и работоспособность перемешивающих устройств; обращается внимание на возможность появления искр вследствие возможного задевания стальных вращающихся частей о неподвиж­ные детали конструкций.

Для автоматизированного контроля технологических пара­метров действующих метантенков применяют следующие при­боры.

1. Приборы контроля загазованности помещений и сигнализа­ции взрывобезопасного (до 2%) содержания газов в воздухе. Дат­чик сигнализатора устанавливают на стене в помещении инжек­торной, а показывающий прибор — на щите управления, который может быть удален от датчика на расстояние до 500 м. При до­стижении аварийной концентрации метана в воздухе автоматичес­ки включается аварийный вентилятор и звуковой (световой) сиг­нал аварии.

2. Прибор контроля температуры осадка. Он включает первич­ный прибор — медное или платиновое термосопротивление в гиль­зе, заделанной в резервуар метантенка, и вторичный прибор на щите управления.

3. Для измерения расхода газа от метантенков в качестве пер­вичного преобразователя используется мембранный или колоколь­ный дифманометр, а в качестве вторичного — самописец. Коли­чество выделяемого газа регистрируют ежедневно.

Кроме того, в типовых проектах метантенков предусматрива­ют измерение температуры газа в газопроводах от каждого метан­тенка и измерение давления газа.

Контроль процессов метанового брожения проводят для до­стижения следующих целей:

• сокращение продолжительности сбраживания при достиже­нии заданной степени распада для уменьшения объемов сооруже­ний, а следовательно, капитальных затрат;

• повышение количества биогаза, выделяющегося в процессе брожения, с целью использования его для сокращения затрат на обогрев самих метантенков и дополнительного получения других видов энергии;

• увеличение содержания метана в биогазе для повышения его теплоты сгорания и эффективности утилизации;

• достижение хорошего уплотнения и водоотдающих свойств сброженного осадка для сокращения затрат на сооружения для его обезвоживания.