Курский государственный университет ул. Радищева, 33, Курск, Россия, 305000
Сушка осадка производственных сточных вод в естественных условиях
Т.А. Будыкина
Осадки сточных вод промышленных предприятий представляют значительную опасность для окружающей среды из-за высокой влажности, содержания патогенных микроорганизмов, ионов тяжелых металлов в концентрациях, значительно превышающих ПДК. В статье представлены результаты исследований сушки осадка сточных вод кожевенного завода в естественных условиях в помещении (в лабораторных условиях) и на открытой площадке при отрицательных и положительных температурах в разное время года (промышленные испытания). Установлено, что влажность осадка сточных вод кожевенного завода может быть снижена за 2 месяца с 85% до 10,8% за счет сушки в естественных условиях при температуре 17--18 °С. При организации сушки осадка в виде брикетов при температуре 20 °С за 2 месяца объем брикета уменьшается в 8,1 раза, масса -- в 6 раз, линейные размеры -- в 2 раза. На открытом воздухе сушка осадка в зимнее время проходит медленно и только в поверхностном слое толщиной 5--10 см; в летнее время при ворошении осадка сушка идет быстрее, и за 20 суток влажность снижается с 85 до 70%. Чередование циклов -- размораживания, дренирования, сушки, замораживания способствуют получению особенного, пушистого и рассыпчатого осадка с более мелкими частицами, чем при сушке осадка только при плюсовой температуре. Обезвоженный осадок может найти применение в производстве керамзита. В статье приводятся обобщенные данные результатов исследования сушки осадка в естественных условиях в сравнении с методом геотубирования.
Ключевые слова: сушка осадка, сточные воды, осадки сточных вод, иловые площадки, фильтр-прессование, центрифугирование, обезвоживание
Сведения об авторе:
Будыкина Татьяна Алексеевна -- доктор технических наук, профессор; профессор кафедры безопасности жизнедеятельности и сервиса транспортных средств, Курский государственный университет.
DRYING SEDIMENTARY PRODUCTION OF SEWAGE WATER IN NATURAL CONDITIONS
Т.А. Budykina
Kursk State University Radishcheva str., 33, Kursk, Russia, 305000
Industrial sewage sludge poses a considerable threat to the environment due to the high level of humidity and due to the fact that it contains pathogenic microorganisms and heavy metals ions in quantities that considerably exceed threshold limit value. The article covers the results of a study regarding the drying of sewage sludge produced by a tannery in natural conditions indoors (controlled conditions) and outdoors, with temperatures below and above zero at different times of the year (production testing). The study discovered that humidity of sewage sludge produced by a tannery can be reduced within 2 months from 85% to 10,8% due to the drying technology in natural conditions at a temperature of 20 °C. If the drying procedure takes place in form of briquets at a temperature of 20 °C the size of the briquet would be reduced by 8,1 times, its mass -- by 6 times, its linear size -- by half. Sewage sludge drying conducted outdoors in winter progresses slowly and affects only the uppermost layer of 5--10 cm; in summer the drying process progresses faster and within the time frame of 20 days the humidity of the sludge is reduced from 85% to 70%. Rotation of defrostation, drainage, drying and freezing procedures is conducive to a specific, more powdery sludge than the one that is produced by using only the drying procedure with temperatures above zero. A dewatered sludge can be used to produce LECA (lightweight expanded clay aggregate). The article provides generalized statistics of study results regarding the sludge drying procedure in natural conditions in contrast to the geotube method.
Key words: sludge drying, sewage, wastewater, sewage sludge, pressure filter, centrifugation, dewatering
Bio Note:
Budykina Tatyana Alekseevna -- Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Life Safety and Vehicle Service, Kursk State University.
Введение
В настоящее время в нашей стране, странах ближнего и дальнего зарубежья все более острой становится проблема обезвреживания, переработки и утилизации осадков коммунальных и промышленных сточных вод. Для складирования осадков требуется отчуждение больших земельных площадей в пригородных зонах, причем накапливаемые осадки содержат соединения тяжелых металлов (меди, хрома, свинца, никеля, ртути, кадмия и других элементов), приводя к химическому загрязнению почв и подземных вод, а также необезвоженные осадки служат источником загрязнения атмосферного воздуха. Кроме того, в осадках может содержаться до 90% патогенных микроорганизмов, поступающих со сточными водами, если не производится их предварительное обеззараживание перед размещением на иловых площадках. Такие земельные участки с размещенными на них осадками сточных вод приводят к снижению безопасности и комфортности проживания людей вокруг этих территорий.
Существует несколько направлений обращения с осадками сточных вод: механическое обезвоживание на центрифугах, фильтр-прессах, вакуум-фильтрах; переработка осадков в метантенках с получением биогаза; депонирование осадка на иловых площадках; термическая обработка; применение в качестве удобрений и др. Однако каждое из существующих направлений переработки осадков имеет свои достоинства и недостатки, и не одно из них не универсально, простое и доступное при решении данной проблемы.
На большинстве очистных сооружений городов, в основном, осадок не перерабатывается и накапливается на иловых площадках вблизи сооружений биологической очистки, а на промышленных предприятиях, в лучшем случае, обезвоживается и вывозится на полигоны промышленных отходов. Использование иловых площадок на естественном основании -- самый неэкологичный и устаревший способ обращения с осадком коммунальных и промышленных сточных вод, но самым распространенным на сегодняшний день. Поэтому приоритетным направлением деятельности предприятий в области охраны окружающей при очистке сточных вод должно быть осуществление обезвоживания на специализированном оборудовании, а затем -- обеззараживание и/или переработка/утилизация осадка. Однако из-за высокой стоимости обезвоживающего оборудования, финансовых трудностей предприятия, сушка осадка в естественных условиях может быть применена в качестве наименее затратного и доступного метода при условии выполнения экологических требований -- создания искусственного противофильтрационного основания, дренажа для отвода фильтрата и др.
При очистке производственных сточных вод образуются осадки различного состава, отражающие особенности технологии производства и содержащие компоненты веществ, применяемых при физико-химической очистке сточных вод промышленных предприятий. Осадок, образующийся при очистке сточных вод, как правило, имеет высокую влажность -- 95% и более. Несмотря на то, что путем механического обезвоживания удаляется большое количество воды, и масса осадка уменьшается в 5--6 раз, все же в обезвоженном осадке остается большое количество воды (до 70--80%). Плата за вывоз и размещение его на полигоне взимается, в основном, не за вредные вещества осадка, а за содержащуюся в нем воду, так как величина платы пропорциональна массе влажного осадка. Поэтому обезвоживание осадков необходимо не только для промышленных предприятий в целях уменьшения платы за размещение отходов, но и для сохранения окружающей среды для ныне живущих и будущих поколений.
Осадки сточных вод представляют собой суспензии, в которой дисперсной фазой являются твердые частицы минерального или органического происхождения, а дисперсионной средой -- вода, содержащая растворенные вещества. В осадке с малым количеством воды замедляются или вообще прекращаются процессы размножения микроорганизмов; после термической сушки осадок не загнивает, свободен от гельминтов и патогенных микроорганизмов. Поэтому снижение влажности осадка способствует улучшению экологической обстановки.
Величина влажности характеризует общее содержание влаги в осадке. Вода в осадке удерживается за счет различных форм связи с твердыми частицами. По классификации академика П.А. Ребиндера [1], в осадке имеется свободная вода, которая удаляется за счет сил гравитации, и вода, удерживаемая за счет физико-механических, физико-химических и химических связей.
Наиболее легко удаляется свободная вода при механическом обезвоживании осадков, а также при естественной сушке на иловых площадках. Физико-механически связанная вода представляет собой капиллярную, структурную воду и воду смачивания. Для удаления физико-механически связанной воды необходимо преодолеть капиллярные силы, создав давление в обезвоживающем аппарате (или вакуум), превышающее капиллярное давление. При вакууме 0,053-0,066 МПа (0,53-0,66 атм) могут быть освобождены от воды лишь микрокапилляры с радиусом более 5-10-6 м. Если при вакуум-фильтрации нельзя создать разрежение более 0,1 МПа (1 атм), то при фильтр-прессовании, центрифугировании можно создать давление значительно больше, чем 0,1 МПа. Поэтому эти методы позволяют обеспечить более глубокое обезвоживание осадка с удалением не только физико-механически, но и частично физико-химически связанной воды [1].
Адсорбционная и осмотическая влага удерживается за счет физико-химических связей; химически связанная вода входит в состав веществ. Частично физико-химически связанная вода удаляется фильтр-прессованием и центрифугированием; полное удаление физико-химически и химически связанной воды возможно, соответственно, при термической сушке и сжигании осадка.
В целях снижения затрат предприятий на вывоз осадка для захоронения на полигоны промотходов, а также его возможного использования в производстве строительных материалов, представляло интерес изучить возможность дополнительного глубокого обезвоживания осадка сточных вод предприятия без применения специального оборудования.
1. Материалы и методы
Изучалась сушка осадка производственных сточных вод одного из предприятий г. Курска -- кожевенного завода в естественных условиях [2]. Сушка проводилась в условиях помещения при положительной температуре (в лабораторных условиях) и вне помещения, на открытом пространстве при отрицательных и положительных температурах в разное время года (промышленные испытания). Влажность осадка определялась гравиметрическим методом.
2. Результаты и их обсуждение
Осадок представлял собой продукт очистки сточных вод гидролизующимися солями сульфата закисного железа и сульфата алюминия, применявшимися в качестве реагентов (коагулянтов) с исходной влажностью около 95%. Осадок подвергался механическому обезвоживанию на фильтр-прессе немецкой фирмы «Klein» с применением полимерного органического флокулянта «Praestol» (фирма «Stokhausen») с конечной влажностью 82--85%. Содержание металлов в обезвоженном осадке в пересчете на их окислы составляло следующие значения: Cr2O3 -- 0,13%, Al2O3 -- 0,6%, Fe2O3 -- 0,43%, флокулянта -- 0,15% к массе влаж- ного осадка. В сухом остатке содержалось органических веществ -- 35% и неорганических -- 65%.
Характеристика сухого вещества осадка: содержание органических веществ -- 32,7 ± 3,3%; сульфаты -- 886 ± 89 мг/кг; Са -- 10335 ± 517 мг/кг; Сг -- 6375 ± 1351 мг/ кг; Fe -- 19965 ± 2994 мг/кг; радиоктивность -- 13 мкР/ч.
Исследование сушки осадка в лабораторных условиях. Изучение сушки осадка на воздухе в условиях лаборатории показало (рис. 1, 2), что при температуре 17-- 18 °С осадок за 35 суток практически полностью высыхает, при этом испаряется 96,5% воды, содержащейся в исходном образце осадка. Конечная влажность осадка -- 16,5%. За последующие 25 дней (при общем времени сушки 60 суток) убыль общей массы и массы воды незначительны. Итоговая влажность 10,8%. Установлено, что за первые 9 дней сушки удаляется основная масса воды (57,6%) при снижении влажности с 85 до 70%.
Рис. 1 Изменение общей массы и массы воды обезвоженного на фильтр-прессе осадка сточных вод от времени сушки на воздухе при температуре t = 17--18 °С: 1 -- общая масса; 2 -- влажность (Fig. 1. Changes in total mass and water mass of sewage sludge dewatered in a pressure filter depending on the time of airing, with t = 17--18 °С: 1 -- total mass; 2 -- humidity)
Исследовалась сушка осадка в естественных условиях в виде брикетов. Брикет изготовлялся путем спрессовывания вручную обезвоженного на фильтр-прессе осадка сточных вод Курского кожзавода в пресс-форме трубчатого вида. На рисунке 3 представлены размеры брикета в процессе сушки. За два месяца сушки при 15 °С линейные размеры брикета уменьшаются в 2 раза, объем -- с 275 см3 до 34 см3, то есть в 8,1 раза. В процессе сушки линейные размеры брикета изменяются неравномерно по высоте, что связано с движением жидкости по вертикали, по закону Пуазейля, и большей влажностью брикета в его нижней части по сравнению с верхней (образец № 2 на рис. 3). В конце сушки линейные размеры образца становятся одинаковыми по высоте (образец № 3). Конечная влажность осадка при естественной сушке -- 10,5%.
Учитывая исходную влажность осадка -- 85%, можно заключить, что снижение объема осадка пропорционально снижению его влажности (85% : 10,5% = 8,1). Отсюда конечный объем брикета можно определить по эмпирической формуле
де Vк -- конечный объем брикета, см3; Vн -- начальный объем брикета, см3; Wк -- влажность конечная, % или о.е.; Wн -- влажность начальная, % или о.е.
Рис. 2 Изменение влажности обезвоженного на фильтр-прессе осадка сточных вод от времени сушки на воздухе при температуре t =17--18 °С (Fig. 2. Changes in humidity of sewage sludge dewatered in a pressure filter depending on the time of airing, with t = 17--18°С)
Рис. 3 Брикет осадка в процессе сушки: 1 -- начало сушки; 2 -- середина; 3 -- конец сушки (Fig. 3. Sludge briquette in the process of drying: 1 -- beginning of the drying process; 2 -- middle of the drying process; 3 -- end of drying)
Масса осадка, соответствующая данной влажности, может быть определена на основе следующих уравнений:
Мк = Мн - МнWн + МкWк;Мк = Мн(1 - Wн) + МкWк;Мк -- МкWк = Мн(1 - Wн);Мк(1 - Wк) = Мн(1 - Wн)
где Мк -- масса осадка с конечной влажностью; Мн -- масса осадка с начальной влажностью; W -- влажность осадка, о.е.
Масса осадка при естественной сушке 1 т осадка с влажностью 85% до влажности 10% по приведенному уравнению составит:
т.е. масса осадка уменьшится в 6 раз.
Если объем осадка в брикете уменьшается в 8 раз, а масса -- в 6 раз, то плотность осадка в процессе сушки повысится; при исходной плотности 0,93 г/см3, конечная плотность брикета
Брикетирование осадка и последующая сушка брикетов в естественных условиях позволит избежать затрат на тепловую или электрическую энергию для сушки, однако требует затрат на специальное оборудование по брикетированию и погрузочно-разгрузочные работы по складированию брикетов для сушки, последующей их погрузки и вывоза. Высушенные брикеты могут быть использованы в качестве добавки к топливу (сам осадок не горит) после дробления при производстве асфальта, в качестве вспучивающей добавки в производстве керамзита.