Обезвоживание осадка: методы, технологии и системы очистки сточных вод

Что такое обезвоживание и почему это важно для управления осадком

Обезвоживание – это механическое или физическое удаление воды из твердожидкой смеси с целью уменьшения ее объема и увеличения содержания твердых веществ. В контексте очистки сточных вод обезвоживание относится конкретно к процессу отделения воды от осадка — полутвердого побочного продукта, образующегося на этапах первичной, вторичной и третичной очистки — с получением удобного, транспортабельного кека, пригодного для утилизации, внесения в почву или дальнейшей переработки.

Экономическое и эксплуатационное обоснование обезвоживания очевидно. Неочищенный осадок сточных вод обычно содержит 95–99% воды по весу . Снижение содержания влаги с 97% до 75% за счет механического обезвоживания сокращает объем осадка примерно на 88%, что значительно снижает затраты на транспортировку, оплату вывоза на свалку и потребление энергии при последующей термической обработке. Для муниципальной станции очистки сточных вод среднего размера, обрабатывающей 50 000 м³/день, такое сокращение объема может привести к экономии в несколько сотен тысяч долларов в год только на затратах на утилизацию осадка.

Помимо уменьшения объема, обезвоживание также стабилизирует осадок при транспортировке — хорошо обезвоженный осадок с содержанием твердых веществ (TS) 20–25% можно транспортировать ленточным или шнековым способом без перекачки, штабелировать для временного хранения и загружать в грузовики без специального оборудования.

Сгущение осадка и обезвоживание: понимание разницы

Утолщение и обезвоживание осадка являются последовательными, но отдельными операциями в комплексной системе управления осадком. Их путаница приводит к неправильному выбору оборудования и неэффективности процесса.

Утолщение представляет собой гравитационный или механический процесс с низким усилием сдвига, который концентрирует разбавленный ил от 0,5–2% TS до примерно 3–8% TS. Это не финальный этап обезвоживания — загустевший ил остается пригодным для перекачки и текучим. Основная цель состоит в том, чтобы уменьшить объем, подаваемый в последующие варочные котлы или обезвоживающее оборудование, снижая их размеры и эксплуатационные расходы. Общие технологии сгущения включают гравитационные сгустители, сгустители с помощью флотации растворенным воздухом (DAF), сгустители с вращающимся барабаном и гравитационные ленточные сгустители.

Обезвоживание следует за сгущением и использует механическое давление, вакуум или центробежную силу для увеличения содержания твердых веществ в иле из диапазона 3–8% TS до 15–35% TS, образуя полутвердый осадок. При таком содержании твердых частиц материал превращается из жидкости, которую необходимо перекачивать, в твердое вещество, которое можно транспортировать, штабелировать и транспортировать обычными средствами.

Комбинированная последовательность сгущения и обезвоживания осадка является основой современного управления твердыми биологическими веществами. Отказ от сгущения и подача разбавленного осадка непосредственно в оборудование для обезвоживания приводит к тому, что машины становятся слишком большими, перегруженными, с плохой сушкой кека и высоким расходом полимера.

Технологии обезвоживания осадка: сравнительный обзор

В коммерческих целях используются различные технологии обезвоживания осадка. Каждый из них работает на разных физических принципах и обеспечивает различную сухость кека, потребность в полимере, занимаемую площадь и энергопотребление. Выбор зависит от типа осадка, размера установки, маршрута окончательной утилизации и приоритетов капитальных и эксплуатационных затрат.

Ленточный фильтр-пресс

Ленточный фильтр-пресс (BFP) является одной из наиболее широко распространенных технологий обезвоживания в мире, особенно при очистке городских сточных вод. Кондиционированный ил подается между двумя непрерывно движущимися пористыми лентами, которые сначала дренируются под действием силы тяжести, а затем сжимают ил через ряд роликов с постепенно увеличивающимся давлением. Содержание твердых веществ в кеке обычно колеблется от 18–25% TS для смешанного городского осадка. BFP имеют низкое энергопотребление (1–2 кВтч/тонну сухого вещества), но требуют значительного количества промывочной воды (3–10 м³/час на метр ширины ленты) и чувствительны к изменчивости подаваемого осадка.

Центрифуга-декантер

Декантерные центрифуги используют центробежную силу (обычно 1500–4000 g) для отделения твердых частиц ила от жидкой фазы на высокой скорости. Они доставляют Сухость кека 20–30% TS для переваренного городского осадка и хорошо подходят для непрерывной работы в больших объемах. Центрифуги компактны, полностью закрыты (важно для контроля запаха) и в значительной степени автоматизированы, но их энергопотребление значительно выше, чем у BFP, обычно 15–30 кВтч/тонну сухих твердых веществ, а затраты на их обслуживание повышаются из-за износа от абразивных шламов.

Винтовой пресс

Винтовой пресс подает шлам на цилиндрическое сито и продвигает его с помощью вращающегося шнека с постепенно уменьшающимся шагом, выдавливая свободную воду через сито, в то время как осадок выгружается на выходе. Современные многодисковые шнековые прессы быстро завоевали долю рынка благодаря своей очень низкое энергопотребление (2–5 кВтч/тонну сухого вещества), минимальное внимание оператора, низкие требования к промывочной воде и пригодность для малых и средних предприятий. Сухость кека обычно составляет 15–22% TS — ниже, чем в центрифугах, — но для применений, где экономия затрат на утилизацию оправдывает немного более влажный осадок, преимущество в эксплуатационных расходах является убедительным.

Фильтр-пресс (плита и рама)

Пластинчатые фильтр-прессы высокого давления обеспечивают самый сухой осадок по сравнению с любой технологией механического обезвоживания. 35–45% TS — что делает их предпочтительным выбором там, где осадок предназначен для сжигания, совместного сжигания или где затраты на захоронение чрезвычайно высоки. Периодический режим, большая занимаемая площадь и высокие капитальные затраты ограничивают их использование промышленными шламами, муниципальными шламами, кондиционированными известью, а также приложениями, где очень высокая сухость является жестким требованием. Мембранные фильтр-прессы, которые надувают гибкие диафрагмы после наполнения, могут повысить сухость кека выше 50% TS в некоторых промышленных применениях с осадком.

Роторный вакуумный фильтр

Роторные вакуумные фильтры, которые когда-то были доминирующей технологией обезвоживания осадка сточных вод, в новых установках были в значительной степени вытеснены ленточными прессами и центрифугами из-за их относительно низкой сухости (12–18% TS), высоких требований к энергии и техническому обслуживанию, а также открытой конструкции. Они по-прежнему используются на старых муниципальных предприятиях и в некоторых промышленных предприятиях, где их бережная, непрерывная работа подходит для хрупких или волокнистых типов осадков.

Обезвоживание осадка DAF: обращение с побочными продуктами флотационной установки

Установки флотации растворенным воздухом (DAF) широко используются при очистке промышленных и городских сточных вод для удаления взвешенных твердых частиц, жиров, масел и смазок путем присоединения микроскопических пузырьков воздуха к частицам и всплывания их на поверхность в виде обезжиренного поплавка. Образующийся осадок DAF представляет собой уникальные проблемы обезвоживания, которые существенно отличаются от осевшего первичного или вторичного биологического ила.

Флот DAF обычно поступает на стадию обезвоживания в 1–5% TS — сравнимо с загустевшим биологическим осадком, — но его физический характер принципиально иной. Осадок DAF от пищевой промышленности, переработки или бумажных фабрик часто имеет высокую сжимаемость, желеобразную форму и богат жирами и белками, которые устойчивы к дренажу. Стандартное полимерное кондиционирование, которое хорошо работает с активным илом, может плохо работать с поплавком DAF; Часто требуются программы двойного полимера, сочетающие катионные и анионные полимеры или добавление коагулянтов, таких как хлорид железа или сульфат алюминия, перед кондиционированием полимера.

Для обезвоживания осадка DAF наиболее часто применяются декантерные центрифуги и ленточные фильтр-прессы. Центрифуги более надежно справляются с высоким содержанием жира: накопление жира на тканях ленточных прессов является хронической эксплуатационной проблемой в пищевой промышленности, где применяется DAF. Винтовые прессы также показали хорошие результаты на флоатах DAF с муниципальных предприятий, где содержание липидов ниже. Сухость кека 12–20% ИР. Типично для осадка DAF пищевой промышленности, оно существенно ниже, чем биологическое ило, из-за сжимаемости и гидрофильности твердых веществ.

В промышленных условиях, где DAF используется для очистки сточных вод от красок, образующийся осадок краски представляет собой дополнительные осложнения. Твердые частицы краски, особенно водорастворимые базовые покрытия, содержащие смолы и пигменты, образуют липкий липкий осадок, который может засорять фильтрующий материал и быстро загрязнять чаши центрифуги. В специализированных системах обезвоживания осадка краски часто используются фильтр-прессы с синтетическими фильтрующими тканями, рассчитанными на циклы очистки растворителем, или специально разработанные сушилки осадка, которые сочетают механическое обезвоживание с термической сушкой в ​​одном устройстве для достижения 80–90% TS для классификации как неопасные твердые отходы.

Системы обезвоживания шлама в промышленности

Помимо очистки городских сточных вод, системы обезвоживания навоза играют центральную роль в широком спектре промышленных процессов. Термин «суспензия» обычно описывает смесь с более высокой и более однородной концентрацией твердых веществ, чем осадок сточных вод - часто 10–40% твердых веществ по весу - и может включать неорганические частицы (минералы, керамика, металлы), а не биологический материал.

Ключевые области применения промышленного обезвоживания шлама включают в себя:

• Горное дело и переработка полезных ископаемых — обезвоживание хвостов с использованием сгустителей, фильтр-прессов или ленточных вакуум-фильтров; восстановление технической воды для вторичной переработки в регионах с дефицитом воды является основным фактором
• Строительство и туннелирование — бентонитовый раствор и буровой раствор, образующийся при прокладке туннелей, требуют быстрого обезвоживания на рабочей площадке с использованием мобильных фильтр-прессов или центрифужных систем, прежде чем восстановленную воду можно будет сбросить или повторно использовать.
• Производство керамики и стекла — суспензии мелких частиц от операций мокрого шлифования и полировки обезвоживаются с помощью вакуумных дисковых фильтров или напорных фильтров для извлечения ценного материала и уменьшения объемов сброса сточных вод.
• Производство электроэнергии — летучая зола и шлам от сжигания угля обезвоживаются с использованием вакуумных ленточных фильтров или фильтр-прессов в рамках систем сухого или полусухого обращения с золой, требуемых экологическими нормами.
• Обработка продуктов питания и напитков — Фруктовые выжимки, зерновая барда и крахмальные суспензии обезвоживаются перед сушкой или переработкой кормов для животных, при этом преобладающим оборудованием являются шнековые прессы и декантерные центрифуги.

При проектировании промышленной системы обезвоживания шлама необходимо учитывать абразивность (что требует использования износостойких материалов в центрифугах и насосах), распределение частиц по размерам (мелкие частицы размером менее 5 мкм сопротивляются дренажу и могут потребовать применения вспомогательных средств фильтрации), а также химическую совместимость между суспензией и смачиваемыми поверхностями обезвоживающего оборудования.

Кондиционирование полимера: переменная, которая контролирует эффективность обезвоживания

Практически во всех методах обезвоживания осадка кондиционирование полимера является предварительным этапом, который определяет, работает ли оборудование для механического обезвоживания в пределах расчетного диапазона или с трудом обеспечивает приемлемую сухость кека. Правильное кондиционирование часто оказывается более эффективным, чем выбор оборудования.

Полиэлектролиты — чаще всего катионные полиакриламиды — работают, нейтрализуя отрицательный поверхностный заряд частиц ила и связывая частицы вместе в более крупные водовыделяющие хлопья. Ключевые параметры для оптимизации в любом система обезвоживания осадка являются:

• Доза полимера — обычно 3–10 кг активного полимера на тонну сухого остатка муниципального вторичного осадка; передозировка приводит к потере затрат на химикаты и может привести к обратному заряду, снижая производительность.
• Разбавление и доработка — эмульсионные полимеры перед инъекцией необходимо разводить до 0,1–0,5% раствора; Неадекватное разбавление приводит к образованию неактивированного полимера, который проходит стадию обезвоживания без кондиционирования осадка.
• Смешение энергии и времени контакта - для диспергирования полимера в осадке необходимо достаточное усилие сдвига, но чрезмерное сдвига после образования хлопьев разрушает хлопья и не может быть обращено вспять; линейные статические смесители или динамические смесители с низким сдвигом предпочтительнее высокоскоростных крыльчаток.
• Изменчивость осадка - изменения в составе питающего ила (например, после шторма, разбавляющего первичный ил, или после изменений в биологической очистке) изменяют оптимальный тип и дозу полимера; автоматизированные системы дозирования полимеров с контролем мутности или времени капиллярного всасывания (CST) с обратной связью значительно улучшают консистенцию

При обезвоживании осадка сточных вод на муниципальных предприятиях затраты на полимеры обычно составляют 30–50% от общих эксплуатационных затрат на обезвоживание. Снижение удельного расхода полимера на 10 % за счет лучшей оптимизации кондиционирования часто достижимо и обеспечивает значительную экономию бюджета без капитальных вложений.