Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Комплексное устойчивое управление отходами. Жилищно-коммунальное хозяйство: учебное пособие

Уланова О. В., Салхофер С. П., Вюнш К. ,

5.6.13. Шламы сточных вод

Шламы, образующиеся при очистке бытовых сточных вод, могут обладать характеристиками, способствующими улучшению качества почв. Кроме этого, они имеют энергетический потенциал и содержат определенные вещества, например фосфор. С другой стороны в шламах присутствуют компоненты, которые могут быть потенциально опасными как для почв, так и для грунтовых вод и оказывать патогенное воздействие на организмы. Поэтому при переработке шламов необходимо принимать особые меры предосторожности.

Рис. 5.99. Шламы очистных сооружений [54, 55]

Сбор. Так как шлам образуется в рамках механических и биологических процессов очистки воды, он поступает в первую очередь с очистных сооружений (по большей части с коммунальных очистных сооружений). Сбор шламов в большинстве случаев происходит непосредственно на месте образования, то есть на очистных сооружениях.

В некоторых регионах определенные объемы сточных вод и фекальных шламов собираются в выгребных ямах, цистернах или на небольших очистных установках и соответственно требуют транспортировки на очистные сооружения для дальнейшей переработки. Для этого используются вакуумные машины (ассенизаторы), оборудованные насосом для забора жидких шламов и их транспортировки.

Переработка. Методы переработки шламов включают в себя процессы сгущения, биологической стабилизации, обезвоживания, сушки и материальной переработки, в конце которой происходят гигиеническая обработка и связывание вредных веществ (например, минерализация органической составляющей). Следует отметить, что каждый этап процесса и каждый способ имеют свои преимущества и недостатки (которые могут быть связаны и с доступными возможностями дальнейшей переработки или использования), поэтому ни один из них не может рассматриваться как идеальный или предпочтительный. Важно при принятии решения по переработке и выборе способа/техники утилизации
наряду с экологическими и экономическими составляющими принимать во внимание и местные условия, и конкретные локальные потребности.

Сгущение шламов

Целью сгущения является сокращение объема шламов посредством первого отвода жидкости. Загустители (как в случае отстойника) могут быть устроены таким образом, чтобы нерастворимые составляющие могли оседать на дно, что приведет к концентрации твердых веществ в нижних слоях. Возможно и механическое уплотнение шламов, в рамках которого жидкая субстанция отделяется от общего материального потока, например, посредством установки пластин или различных перегородок.

Сокращение объема шламов важно, прежде всего, с точки зрения эффективной нагрузки на складские и транспортные мощности и уменьшения объема отхода, подлежащего переработке. Зачастую дальнейшая переработка сырого шлама после его уплотнения не происходит, если он направляется на установку по его сжиганию.

1. Стабилизация

Стабилизация шлама очистных сооружений может включать в себя химические, биологические и термические методы. Стабилизированный шлам, содержащий меньшее количество вредных веществ, является более безопасным материалом и для него существует больше возможностей утилизации и передачи другому лицу. Основными целями стабилизации являются сокращение объемов и реакционной способности шламов, а также возможность получения и использования биогаза. Для различных вариантов использования шламов требуются различные уровни стабилизации. Принципиально рекомендуется:

● стабилизация шлама, направляемого на термическую или биологическую переработку, не является срочной (если это не противоречит требованиям, касательно его транспортировки, хранения или сокращения выбросов неприятного запаха);

● для сельскохозяйственного использования шлам должен быть полностью стабилизирован (независимо от содержания твердой фракции на момент использования);

● для сельскохозяйственного использования шлам должен быть полностью стабилизирован (низкий уровень содержания твердой фракции на момент использования);

● обезвоженный шлам, применяемый для рекультивации или создания ландшафта, должен быть как минимум полустабильным;

● если шлам должен или может быть захоронен, он как минимум должен быть обезвожен или высушен, а также пройти частичную или полную стабилизацию (в зависимости от применяемой техники).

Стабилизация с использованием химических веществ, особенно негашёной извести, обеспечивает относительно быстрый, стабильный, долгосрочный результат и иной уровень эффективности, чем при использовании биологических процессов. Биологические процессы стабилизации подразделяются на аэробные (протекающие с участием кислорода) и анаэробные (протекающие без доступа кислорода).

Предварительный либо включенный в процесс анаэробной стабилизации химический или термический гидролиз увеличивает объемы образования биогаза и способствует достижению лучшего результата.

Следовательно, если в дальнейшем планируется сжигание шлама, применение анаэробных способов стабилизации является контрпродуктивным, так как понижает его теплотворную способность.

Нитрификация может закрепить процесс стабилизации и способствовать снижению конце нитрификаций нежелательных веществ, особенно если после нее предполагается использование аэробного способа. Уже на стадии стабилизации необходимо учитывать возможное применение методов по получению вторичного фосфора.

2. Обезвоживание

Снижение доли содержания воды в шламах повышает эффективность их переработки и обеспечивает более экономичную транспортировку иловых масс. После сгущения обезвоживание является следующим техническим этапом, в рамках которого значительно снижается уровень жидкости в шламе, а доля содержания твердого вещества повышается. Осадок после фильтрации называется кеком. Обезвоживание может происходить с использованием разных методов, например, посредством текстильных тканей на фильтр-прессах или путем применения отстойной центрифуги, шнекового или дискового пресса.

Решающее значение для термической переработки и связанных с этим затрат имеет повышение теплотворной способности после обезвоживания. При использовании механических методов обезвоживания шлама концентрация твердых веществ в сухом остатке колеблется в пределах 20–45 %. Обезвоживание шлама очистных сооружений до сухого остатка 5–35 % требует энергетических затрат 3–5 кВт на килограмм H2О.

3. Сушка

Существуют несколько причин, по которым необходима дополнительная сушка шлама после обезвоживания. Вот некоторые из них:

– уменьшение объема шлама для дальнейшей переработки/утилизации;

– увеличение теплотворной способности шлама;

– более высокая степень стабилизации/обеззараживания;

– более эффективное складирование и упрощение транспортировки.

Главными недостатками сушки являются повышение расходов и дополнительные энергозатраты, которые на практике действительно существенно возрастают, так как остаточная жидкость удаляется из шлама посредством нагревания и испарения. Степень сушки зависит от того, каким способом шлам будет перерабатываться в дальнейшем. Поэтому прежде чем отправлять шлам на сушку, рекомендуется проводить экономическую оценку (анализ затрат и эффективности). Обеспечить экономическую эффективность сушки можно только при наличии избыточного тепла, поступающего от других процессов или использованием солнечной энергии при условии, что продукт сушки будет использован или реализован как вторичный топливный ресурс.

Шлам очистных сооружений горит при энергетической ценности от 4 500 до 5 000 кДж/кг. После сушки сброженного шлама его энергетическая ценность может повыситься до 13 000 кДж/кг, что уже соответствует теплотворной способности высушенной древесины или бурого угля.

Сушка может проводиться, как на отдельных, так и на интегрированных установках. В основном применяются следующие технологии сушки и их комбинации:

– контактная сушка (например, с использованием сушилки для высушивания в тонком слое, дисковые или центробежные сушилки);

– конвективные или терморадиационные сушилки (например, с использованием ленточных, барабанных, сушилок, сушилок с псевдоожиженным слоем или с сушкой холодным воздухом);

– сушка с использованием солнечной энергии.

Сушка с использованием солнечной энергии подразумевает нагревание и высушивание шлама в светопрозрачных конструкциях, напоминающих теплицы (рис. 5.100). Эта технология получает все более широкое распространение, хотя ее производительность значительно ниже (особенно по сравнению с технологиями, которые предусматривают использование дополнительного тепла), а занимаемая площадь больше.

Сушка шламов очистных сооружений происходит, как правило, в следующих градациях:

– частичная сушка, до доли сухого остатка 60–80 %;

– полная сушка, до доли сухого остатка 80–90 %.

Высушенный шлам по своим характеристикам напоминает гранулированный продукт и в зависимости от других свойств и разрешений на использование может быть применен в качестве дополнительного топлива на электростанциях (не обязательно использовать полностью высушенный шлам) или цементных заводах (в этом случае шлам должен быть полностью просушен).

Рис. 5.100. Сушка шламов очистных сооружений
с использованием солнечной энергии [56]

Существуют также другие направления переработки, использования шламов очистных сооружений, например, моносжигание или совместное сжигание шламов на электростанциях и в промышленных печах, а также биологическая переработка с целью производства биогаза и сельскохозяйственное использование [27].

Также возможно получение фосфора на различных стадиях обработки сточных вод, как в рамках системы очистки, так и вне ее. Обычно большая часть фосфора в образующихся шламах находится в связанном виде, поэтому целью большинства технологий является получение фосфора из указанной среды. Большое значение имеют форма химических соединений и концентрация фосфора в шламах, которые влияют на затраты и степень извлечения фосфора.

Многие пилотные проекты, использующие различные способы получения вторичного фосфора, показали свою состоятельность, но до сегодняшнего дня не были массово представлены на рынке. До настоящего момента наряду с методиками, находящимися на стадии разработки, существовало три возможности обогащения шламов очистных сооружения для последующего извлечения фосфора:

● Осаждение и кристаллизация илистой воды или сапропеля (например, технология AirPrex®).

● Жидкостное химическое обогащение и разложение шламов очистных сооружений или их зол с использованием кислот или щелочей (например, технология Seaborne).

● Термохимическое получение фосфора из зол шламов очистных сооружений [27].