3. УТИЛИЗАЦИЯ И ЛИКВИДАЦИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД

3. УТИЛИЗАЦИЯ И ЛИКВИДАЦИЯ
ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
3.1. Пути утилизации осадков сточных вод
Осадки сточных вод (OCB) представляют собой ценный материальный и
энергетический ресурс - они могут использоваться в качестве
органоминеральных удобрений или сжигаться с получением тепла.
Альтернативными способами утилизации OCB являются:

производство различных строительных материалов на основе золы и
шлака от сжигания OCB;

получение тепловой энергии при сжигании высушенных осадков
(отдельно либо совместно с ТБО);

использование осадков в составе сорбентов, применяемых для очистки
газов канализационных коллекторов;

рекультивация земель, карьеров и закрытых свалок путём засыпки
высушенными осадками и т.п.
OCB содержат необходимые растениям элементы питания (азот, фосфор,
калий, микроэлементы) и по своей агрохимической ценности аналогичны
традиционным органическим удобрениям - навозу и внесение их в почву
улучшит состав и структуру пахотного слоя почвы и обеспечит повышение
урожайности растений (табл. 3.1).
Таблица 3.1 – Содержание основных питательных веществ в осадках
сточных вод, % массы сухого вещества
Смесь осадка
первичных
Питательные
Сырой
Сброжен- Активный
отстойников
вещества
осадок
ный осадок
ил
и активного
ила
Азот общий
1,6-6
1,7-7,5
2,4-10,0
2,0-8,0
Фосфор общий
пересчете на Р2О5
в
Калий
общий
пересчете на К2О
в
0,6-5,2
0,9-6,6
2,3-8,0
1,0-7,0
0,1-0,6
0,2-0,5
0,3-0,4
0,2-0,5
Из приведенных данных видно, что в «свежеобразовавшихся» осадках,
кроме 60-80% органических веществ, содержится азота и фосфора до 3,5-6%,
калия до 0,4-0,7%. Но при длительной их выдержке происходит минерализация
органических веществ, а также потеря или вынос питательных элементов с
растениями, которые самопроизвольно высеиваются на осадках. Наиболее
ценным органическим удобрением, особенно богатым азотом и фосфорным
ангидридом, является активный ил.
Минеральная часть осадков представлена в основном соединениями
56
кальция, кремния, алюминия и железа (см. табл. 3.1).
Поступление
на
очистные
станции
городов
разнообразных
производственных стоков обусловливает присутствие в осадках ряда
микроэлементов. Содержание микроэлементов, мг на 1 кг сухого вещества
осадков, приведено ниже:
бор…………………………….. до 15
кобальт………………………… 2 - 114
марганец………………………. 60 - 715
медь……………………………. 55 - 3200
молибден……………………… 0,5 - 11
цинк…………………………… 40 – 5000.
Микроэлементы повышают скорость многих биохимических реакций,
протекающих в растениях, а их недостаток вызывает нарушение обмена
веществ. Также микроэлементы способствуют усвоению растениями
органических веществ из осадков.
Санитарно-бактериологическая и санитарно-паразитологическая оценка
осадков сточных вод показала, что после тех сооружений, где используется
технология термофильного сбраживания, обработка известью или аммиаком,
компостирование, санитарные показатели обработанных осадков соответствуют
требованиям нормативных документов, т.е. патогенные микроорганизмы и
опасные для здоровья яйца гельминтов в них отсутствуют.
Но осадки, обезвоженные на иловых площадках, по бактериальной
загрязнённости нуждаются в дополнительной обработке - обеззараживанию,
для чего они подвергаются компостированию. Осадок, обезвоженный на
иловых площадках до W = 75-80%, складируют в буртах и выдерживают не
менее 2-х лет. Осадки же после выдержки в буртах по всем
микробиологическим показателям пригодны к применению в качестве
удобрений в сельском хозяйстве.
Основным недостатком осадков является то, что в их состав входят
тяжёлые металлы (хром, кадмий, цинк, алюминий и др.), которые ГОСТ
Украины строго регламентированы.
Поэтому такие осадки рекомендуется использовать в получении
строительных материалов (цемент, красный кирпич). Физико-химические и
технические характеристики образцов с добавками осадков сточных вод
удовлетворяют требованиям ГОСТ к шлакопортландцементу (добавл. 4-60%).
По прочностным характеристикам они на 40-50% выше, чем без добавки и
имеют более короткие сроки схватывания. При добавлении осадка сточных вод
при производстве кирпича цвет его имеет красивую карминово-красную
окраску при не меньшей прочности (150 кгс/см2).
Осадки сточных вод, в которых имеются тяжелые металлы, можно
использовать как удобрения в лесоразведении и озеленении городов, так как
сеянцы и саженцы деревьев и кустарников не являются пищевыми продуктами,
и в то же время почвы лесных питомников бедны питательными веществами и
требуют внесения минеральных и органических удобрений, которые можно
заменить осадками сточных вод.
57
Внесение осадков сточных вод увеличивает рост сеянцев, а содержание
отдельных тяжёлых металлов в пахотном слое не повлияет на состояние
сеянцев (доза осадка до 70 т/га). Осадки сточных вод позволяют заменить
дорогостоящие минеральные удобрения и вырастить высокопродуктивные
древесные насаждения и одновременно решить важную экологическую задачу утилизировать значительное количество осадков с высоким содержанием
тяжёлых металлов, освободить большие территории плодородных земель,
занятых в настоящее время осадками сточных вод, предотвратив тем опасность
вторичного загрязнения окружающей среды.
При применении осадков сточных вод в качестве удобрений используется
обычная агротехника возделывания полевых культур. Хорошие результаты
получают при возделывании зерновых и кормовых культур ячменя, кормовой
свеклы, кукурузы на зелёный корм. Количество вносимого осадка с
влажностью 60% колеблется от 7,5 до 22 т/га, а прибавка урожая составляет 7090 ц/га, что практически соответствует эффективности минеральных
удобрений, но значительно дешевле и опять же имеет важную экологическую
задачу.
В табл. 3.2 приведены методы и объемы утилизации осадков в различных
европейских странах.
Таблица 3.2 - Методы и объемы утилизации осадков в некоторых
европейских странах
Методы утилизации, %
Страна
в сельском
свалка
сжигание
другие
хозяйстве
Австрия
13
56
31
Швейцария
50
30
20
Германия
25
55
15
5
Дания
27
28
36
9
Швеция
15
70
15
24
Англия
53
16
7
(сброс в море)
Финляндия
27
36
37
3.2. Методы ликвидации осадков сточных вод
Ликвидация осадков сточных вод применяется в тех случаях, когда
утилизация оказывается невозможной или экономически нерентабельной.
Выбор метода ликвидации осадков определяется их составом, а также
размещением и планировкой очистной станции или промышленного
предприятия.
Сжигание – один из методов ликвидации осадков сточных вод, который
является наиболее эффективным средством, обеспечивающим максимальное
уменьшение объема осадка и его обеззараживание. Сжигание осадка сточных
вод позволяет полностью ликвидировать органическую часть осадка;
58
оставшаяся после сжигания неорганическая часть, имеющая минимальный
объем, полностью стерилизуется.
К временным мероприятиям по ликвидации осадков относятся: сброс
жидких осадков в накопители и закачка их в земляные пустоты. Регенерация
металлов – один из способов утилизации осадков сточных вод
машиностроительных предприятий, особенно в гальванических, прокатных,
штамповочных и термообрабатывающих цехах. Основными методами
регенерации металлов являются вакуумная кристаллизация и нейтрализация.
При сбраживании осадков сточных вод в метантенках выделяется
большое количество газа, состоящего из метана (2/3 от общего объема газа) и
диоксида углерода. Выделяемый метан можно использовать для подогрева
метантенков (при этом ускоряется процесс сбраживания), для подогрева воды
или пара (см. подраздел 3.3).
При очистке сточных вод от маслопримесей в отстойниках,
гидроциклонах собирается большое количество маслопримесей, из которых
после отстаивания их во вторичных отстойниках утилизируется чистое масло,
используемое в технологических процессах.
Для переработки и захоронения промышленных отходов наиболее
целесообразно сооружение полигонов. В составе полигона имеются участки
приема и обезвреживания отходов гальванических производств, приема и
захоронения органических отходов, захоронения особо вредных отходов,
приема и сжигания жидких горючих и других отходов.
Почти во всех процессах очистки сточных вод (механической, физикохимической, химической) получаются твердые минерализованные осадки –
шламы. Чтобы предотвратить заражение подземных вод и поверхностных
водных
источников,
применяют
накопители.
В них используют
противофильтрационные устройства, обеспечивающие надежную работу
сооружений и исключающие утечку сточной жидкости. Вид накопителя
определяется характером сточных вод или твердых отходов.
Различают накопители жидких однофазных стоков: пруды-накопители,
пруды-испарители, отстойники, поля фильтрации; накопители двухфазных
стоков: хвосто- и шламохранилища, гидрозолоотвалы и накопители твердых
отходов: золоотвалы, шламонакопители и др.
В накопители жидких однофазных стоков направляют интенсивно
окрашенные промышленные сточные воды с сильным запахом, содержащие
большое количество солей. В эти накопители направляют также
промышленные сточные воды, содержащие большое количество органических
веществ, не поддающихся извлечению и использованию, и отработанных
кислот (серной, азотной, соляной) в различных соотношениях. В ряде случаев в
накопители можно направлять сточные воды, содержащие только минеральные
соли, извлечение которых, несмотря на высокую концентрацию их,
нецелесообразно из-за невозможности применения.
Накопители двухфазных стоков служат для приема водных суспензий
минеральных и органических веществ различного состава, концентрация
твердой фазы в которых колеблется от 20 до 100 г/дм3, которые, как уже
59
указывалось выше, направляются на иловые площадки или в шламонакопители.
В их устройстве много схожего, но основное отличие между ними заключается
в том, что иловые площадки – это своеобразные очистные сооружения для
обезвоживания осадка, а шламонакопители (иногда их называют
шламохранилищами, в горнорудной промышленности – хвостохранилищами) –
это места для захоронения отходов, которые пока еще нельзя использовать.
3.3. Технологические решения комплекса сооружений для
получения и утилизации биогаза
В г. Харькове очистные сооружения полной биологической очистки в
аэротенках, вторые в Украине по мощности, состоят из двух комплексов –
Диканевского (КБОД) и Безлюдовского (КБОБ) – суммарной проектной
производительностью около 1 млн. м3/сут. Сооружения включают решетки,
песколовки, первичные и вторичные радиальные отстойники диаметром 24-40
м, аэротенки, воздуходувные станции, обеспечивающие качество очистки
сточных вод по БПК – до 15 мг/л, по взвешенным веществам – 12-15 мг/л.
Фактический приток сточных вод на станции составляет около 700 тыс.
3
м /сут. При этом объеме стоков образуется 3,2 тыс. м3/сут осадков (ОСВ) с
влажностью около 96,6%.
Имеющиеся
сооружения
обработки
осадков
–
радиальные
илоуплотнители диаметром 28-33 м, насосные станции перекачки ила, 2
илопровода длиной по 9 км, иловые площадки для обезвоживания осадков и
цех мехобезвоживания – обеспечивают 30% потребностей станции.
Недостаточная мощность существующих сооружений по обработке ОСВ
приводит к тому, что осадки в период паводка и ливней поступают в
поверхностные водоемы, загрязняя р. Северский Донец, и тем самым
существенно снижают эффект очистки.
Сложилась тупиковая ситуация: расширение иловых площадок
нерационально и нереально, поскольку капитальные вложения на их создание
превышают затраты на строительство цеха механического обезвоживания, к
тому же исчерпаны возможности выделения земельных участков.
Обработка осадков является одним из сложных и энергоемких процессов
в комплексе очистки сточных вод. Стоимость обработки осадков составляет в
среднем 30-40% общих затрат на очистку сточных вод.
В то же время осадки, образующиеся в процессе очистки сточных вод и
продукты их переработки, в первую очередь биогаз, являются существенными
потенциальными источниками энергии в системах водоотведения.
Газ, полученный в результате сбраживания осадков в метантенках, можно
использовать в теплоэнергетическом хозяйстве очистных станций и на
близрасположенных объектах.
В настоящее время все большее значение в Украине приобретают
вопросы экономии материалов и топливно-энергетических ресурсов, охраны
окружающей среды. В этих условиях развитие коммунального хозяйства
немыслимо без освоения нетрадиционных возобновляемых источников энергии
60
(НВИЭ). Преимущества их в том, что они неисчерпаемы и экологически
чистые.
Возрастающие темпы истощения запасов нефти, каменного угля и газа
вызывают необходимость поиска новых источников энергии. В принципе
источники энергии неиссякаемы, поскольку энергия – это все, что нас окружает.
Человек умеет превращать энергию в доступные формы (имеется в виду
использование энергии атома и термоядерных процессов). Однако это связано с
определенными трудностями и ограничениями.
Современная технология очистки городских сточных вод связана с
потреблением значительных количеств электрической и тепловой энергии.
Только на коммунальных очистных сооружениях ежегодно затрачивается
свыше 735 млн. кВт.ч электроэнергии и около 1 млн. Гкал тепла.
В условиях острого энергетического кризиса на Украине проблема
снижения указанных энергозатрат за счет использования нетрадиционных
источников энергии, имеющихся на самих очистных сооружениях и постоянно
возобновляющихся, является остро актуальной.
Направление, охватывающее все методы получения и использования
энергии и топлива из органического сырья (осадков), получило название
биоэнергетика. Разработка этого направления приведёт к значительной
экономии традиционных видов топлива. Не менее важен и природоохранный
аспект, так как энергетическая переработка органических отходов значительно
уменьшит загрязнение окружающей среды.
Для эффективного решения проблемы обработки осадков разработан
проект, целью которого является снижение отрицательного влияния осадков
сточных
вод
на
окружающую
среду,
усовершенствование
их
транспортирования, обезвоживания и утилизации; создание самоокупающейся,
экологичной и энергосберегающей технологии.
Реализация проекта предусматривается путем создания комплекса
сооружений обработки осадков сточных вод, включающего их анаэробное
сбраживание в метантенках, использование биогаза для получения
электроэнергии в двигатель-генераторах с рекуперацией сбросного тепла для
подогрева осадков и механическое обезвоживание всего объема осадков с
использованием флокулянтов.
Комплекс сооружений включает:
I – сооружения для обеспечения стабильности процесса сбраживания
осадков в метантенках;
II – сооружения по сбраживанию осадков и получению биогаза;
III – сооружения по утилизации биогаза с получением электроэнергии;
IV – сооружения для утилизации вторичного тепла для подогрева осадков.
Метантенки являются единственными сооружениями с положительным
энергетическим балансом, в которых в результате анаэробного сбраживания
осадков, полученных при очистке сточных вод, образуется биогаз.
Анаэробное сбраживание осадков сточных вод с последующим
использованием образующегося биогаза в качестве энергетического топлива
позволят решить ряд важных задач как экологического, так и энергетического
61
характера:
1. Получение стабилизированных незагнивающих осадков.
2. Использование биогаза для выработки электрической и тепловой энергии.
3. Снизить загрязнение атмосферы метаном и ликвидировать неприятные
запахи, выделяющиеся при перегнивании осадков, т.е. предотвратить
загрязнение атмосферы газами брожения, а вырабатываемая энергия
позволит заменить от 50 до 100% потребляемой энергии канализационными
очистными сооружениями.
Для сокращения затрат тепла на подогрев осадка и поддержания заданной
температуры сбраживания, а также уменьшения возможности образования
корки в метантенках предлагается удалять грубодисперсные включения из
жидких осадков сточных вод путем введения в схему подачи осадков в
метантенки процеживателей.
Грубодисперсные включения, снятые с барабана процеживателя,
попадают в загрузочный бункер устройства отжима свободной влаги.
Влажность отжатых включений – 60%. Далее они собираются в контейнеры и
вывозятся за пределы станции; процеженный осадок подается в метантенки.
При сбраживании распад органического вещества осадков составляет 4353%, соответственно уменьшается количество сухого вещества и повышается
влажность осадков. Состав образующегося биогаза: метан – 60-70%,
углекислый газ – 16-34%, азот – до 3%, водород – до 3%, кислород – 0,4%,
оксид углерода – 2-4%. Выход газа на 1 м3 загружаемой смеси осадка и ила
составляет в среднем 12 м3. Количество выходящего газа при сбраживании
осадка зависит от состава осадка и на разных очистных сооружениях
колеблется в значительных пределах.
Теплотворная способность и количество биогаза зависит от его состава,
т.е. от содержания основного компонента – метана и составляет 5000-6000 ккал
/м3. Из 1 м3 биогаза можно получить до 2 кВт.ч электроэнергии и до 6 кВт.ч
тепловой энергии в отопительно-производственных котельных.
Таким образом, область возможного использования биогаза обширна:
1. Газ метан может использоваться как топливо для котельных (заменяет
природный газ или твердое топливо – уголь).
2. Возможно применение биогаза в двигателях-генераторах для
получения электрической энергии.
3. Может использоваться как моторное топливо в автомобилях,
оборудованных газотопливными системами.
4. Тепло, полученное от сжигания биогаза, может быть использовано для
нагрева осадка, подаваемого в метантанки, а также для сушки или сжигания
осадка.
Для поддержания требуемого режима сбраживания предусматривается
равномерная загрузка осадка в метантенки в течение суток, и обогрев их
острым паром, выпускаемым через эжекторные устройства.
Технологическая схема использования биогаза включает в себя
получение электрической и тепловой энергии с использованием отечественного
оборудования и вторичного тепла отработавших газов и охлаждающих сред
62
двигателя.
Биогаз из пункта управления газгольдерами направляется в помещение
компрессорной, где давление биогаза повышается до 5 кгс/см2. В результате
компримирования биогаза его температура увеличивается до 100оС. Так как
температура биогаза на входе в электроагрегат не должна быть выше 25 оС, то
после компрессоров предусмотрена установка для охлаждения биогаза,
состоящая из теплообменников. Из них охлажденный компримированный
биогаз подается в двигатель-генератор, который вырабатывает трехфазный ток
напряжением 6,3 кВ, частотой 50 Гц, мощностью не менее 1000 кВт,
подаваемый через распределительное устройство 6,3 кВ потребителям
электроэнергии станции биологической очистки.
Утилизация сбросного тепла электроагрегата осуществляется следующим
образом. Вода после охлаждения двигателя догревается в теплообменниках
«КС» отходящими от двигателя выхлопными газами и подается в
теплообменники, где происходит подогрев осадка, загружаемого в метантенки.
Охлажденная в этих теплообменниках вода возвращается в систему двигателя.
Теплообменники «КС» установлены вблизи глушителя выпуска
выхлопных газов двигателя. В теплообменники «КС» подается вода из системы
охлаждения двигателя с температурой 58,5оС, а отводится от теплообменников
с температурой 65,5оС и насосами подается в теплообменники для подогрева
осадка, подаваемого в метантенки, до температуры 44оС.
К теплообменникам «КС» подводятся выхлопные газы температурой
о
300 С. Охлажденные выхлопные газы (120оС) выводятся в атмосферу через
глушитель выхлопа.
Теплообменники для подогрева осадка и насосы непрерывной загрузки
осадка в метантенки должны быть установлены вблизи существующих
метантенков.
Таким образом, анаэробное сбраживание осадков городских сточных вод
с последующим использованием образующегося биогаза в качестве моторного
топлива для двигатель-генераторов позволит решить комплекс важнейших
задач, а именно:

технологических, обеспечивающих получение стабилизированного
незагнивающего осадка;

энергетических,
дающих
возможность
компенсировать
значительную часть электрической и тепловой энергии, расходуемой на
работу воздуходувных машин и технологический нагрев осадка, подаваемого
на сбраживание в метантенки;

экологических, снижающих загрязнение атмосферы метаном и
ликвидирующих дурнопахнущие запахи, выделяющиеся при перегнивании
нестабилизированных осадков сточных вод.
Важным преимуществом такой технологии является также возможность
обеспечения автономным энергообеспечением станций биологической очистки
при аварийных режимах в энергосетях.
Предварительные расчеты показывают высокую эффективность
предлагаемой технологии. Ожидаемая выработка биогаза для городов Украины
63
с населением более 200 тыс. человек составит не менее 100 млн. м3/год
(калорийностью 5500 ккал/нм3), что эквивалентно 200 млн. кВт/ч в год
электроэнергии, либо 70 тыс. т условного топлива.
ОАО «Юждизельмаш» (г. Токмак, Запорожская обл.) выпускает дизельгенераторы, которые могут быть переоборудованы под использование биогаза в
качестве
моторного
топлива
для
канализационных
станций
3
производительностью до 150 тыс. м /сут.
Двигатели-генераторы, работающие на биогазе, мощностью 1000 кВт и
выше, разработаны на ПО «Завод им. Малышева» (г. Харьков) для станций
производительностью 150 тыс. м3/сут и выше.
Двигатели созданы на базе современного высокоэффективного
отечественного двигателя типа 11ГД 100М и может работать как на биогазе, так
и на природном газе. Газовый электроагрегат является автоматизированной
стационарной электроустановкой, работает как в автономном режиме, так и
параллельно с энергосетью, отличается высокой надежностью, топливной
экономичностью и повышенным ресурсом, удобен в обслуживании, ремонте.
Современное теплообменное оборудование позволяет высокоэффективно
использовать сбросное тепло двигателя.
Таким образом, предложенный комплекс сооружений по получению и
утилизации биогаза метантенков позволяет решить проблему снижения
энергозатрат при очистке сточных вод за счет использования постоянно
возобновляющихся нетрадиционных источников энергии, имеющихся на
очистных сооружениях.
Принципиальная технологическая схема утилизации биогаза приведена
на рис. 3.1, а на рис. 3.2 – технологическая схема обезвоживания осадков,
получения и утилизации биогаза на Комплексе биологической очистки
Безлюдовский (КБОБ).
64
Подача биогаза
от метантенков
2
1
Компремированный
биогаз
Сжатый
воздух
7
5
4
6
4
Горячая вода
на подогрев осадка
Возврат воды после
подогрева осадка
Подача технической
воды
3
Рис. 3.1 – Технологическая схема утилизации биогаза:
1 – компрессорная; 2 – теплообменники охлаждения биогаза;
3 – здание двигателей-генераторов; 4 – теплообменники кипящего слоя;
5 – резервуар аварийного слива масла; 6 – резервуар исходной воды;
7 – резервуар горячей воды
65
Рис 3.2 – Технологическая схема обезвоживания осадков, получения и утилизации биогаза
(комплекс биологической очистки Безлюдовский):
1 – здание процеживателей с насосной станиией и резервуарами; 2 – метантенки; 3 – инжекторные к метантенкам; 4 – галерея
обслуживания метантанков с башней лифта; 5 – газосборный пункт метантенков; 6 – пункт управления газгольдерами;
7 – газгольдеры; 8 – котельная; 9 – пункт управления газовой свечей; 10 – газовая свеча; 11 – цех механического обезвоживания
осадка с резервуарами; 12 – компрессорная с площадкой теплообменников; 13 – здание двигатель-генераторной с резервуарами и
теплообменниками; 14 – площадка теплообменников; 15 – влагоотделитель;
1 – исходные осадки; 3 – сброженные осадки; 4 – обезвоженные осадки;
5 – фильтрат; 6 – биогаз; 7 – рекуперация тепла; 8 – электроэнергия
66