СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ОСАДКОВ ПЕРЕД СУШКОЙ
METHOD AND APPARATUS FOR CONDITIONING SLUDGE BEFORE DRYING

Изобретение относится к способу для кондиционирования жидких осадков, образующихся при обработке муниципальных и/или промышленных сточных вод, в соответствии с которым осадки подвергаются стадии механического обезвоживания, за которой следует стадия тепловой сушки.
Последовательность обработки осадков, образующихся при очистке муниципальных и/или промышленных сточных вод, изменялась с течением времени.
Больше десяти лет назад обработку осадков прекращали после механического обезвоживания, что приводило к степени их сухости около 20%. Осадки, сгущенные таким образом, могли использоваться в сельском хозяйстве или выгружаться в места захоронения отходов.
Использование хлорида трехвалентного железа в качестве коагулянта широко применяется в жидких осадках перед их механическим обезвоживанием.
Также известна последующая обработка известью обезвоженных осадков, и она широко используется с целью их стабилизации и структурирования, или для их удаления в качестве отходов, или для их применения в сельском хозяйстве.
В последние годы конечное назначение осадков от муниципальных и/или промышленных установок очистки воды подверглось значительным изменениям. Удаление осадков, как отходов, больше не является предпочтительным способом, так как места захоронения отходов в конце концов будут способны принимать только окончательные отбросы (Европейская директива 1999/31/ЕС от 26 апреля 1999 года). Использование жидких или обезвоженных осадков в сельском хозяйстве должно быть ограничено путем стандартизации из-за рисков загрязнения, связанных с присутствием в них тяжелых металлов и/или органических молекул, способных вызвать проблемы со здоровьем. Прямое сжигание не компенсирует ни увеличения количества образующихся осадков, ни ограничения на удаление их в виде отходов и на использование в сельском хозяйстве.
По этим причинам тепловая сушка, применимая к обезвоженным осадкам, подверглась значительной индустриализации, и было смонтировано большое число сушильных аппаратов или непосредственно у установок для очистки сточных вод или в специальных центрах сбора и обработки осадков.
Последовательность обработки осадков, завершаемая тепловой сушкой, дает возможность выпаривать воду в сушильных аппаратах и получить высокую степень осушения осадков, предпочтительно больше 90%.
Тепловая сушка дает возможность ограничить объемы и получить сухой осадок, более подходящий для извлечения энергии (более высокая теплотворная способность) и для сельскохозяйственного использования (полная стерилизация продукта).
Тепловая сушка приводит к расходу энергии, но из этого извлекаются существенные преимущества. Осадки после сушки находятся в виде гранул и в уменьшенном объеме. Патогенные микробы в них отсутствуют. Осадки, обработанные таким образом, могут быть одобрены как продукты, которые особенно предпочтительны для использования в сельском хозяйстве.
В такой последовательности обработки, включающей стадию сушки после обезвоживания, стабилизация и структурирование осадков возникают в результате самой сушки, поэтому больше нет оснований использовать известь, как в случае, когда обработку прекращали с обезвоживанием и после этого отсутствовала сушка.
Большой объем информации о сушильных аппаратах свидетельствует о трудностях различного характера, особенно об изменении испаряемости воды в зависимости от конструктивных особенностей линии по обработке воды, и также о проблемах высокой вязкости осадка после обезвоживания.
2
2
2
Испарительная способность сушильного аппарата представляет собой количество воды, которое он может испарить в час; она зависит от проектной мощности и от его характеристик. Для сушильных аппаратов глухого нагрева (греющая среда не находится в прямом контакте с осадком) испарительная способность выражается в килограммах воды, испаряемых в час, и с квадратного метра площади сушки; она составляет около 20 кг/м час для осадка, который легко сушится (пример: органический осадок с длительной аэрацией), только 15 кг/м час для более сложных осадков (например, сырые осадки) или даже 13 кг/м час для клейких осадков из смеси муниципальных и промышленных сточных отходов. Уменьшение испарительной способности естественно влияет на тепловую эффективность сушильного аппарата и на расход энергии, который составляет приблизительно 1 кВт час для испарения одного килограмма воды при нормальных условиях.
Например, было показано, что исключительно биологический осадок, полученный продолжительной аэрацией, ведет себя не так, как сильно насыщенный активированный осадок, и что этот сильно насыщенный активированный осадок сам по себе также имеет, в зависимости от своего возраста, различные свойства.
Эта испарительная способность напрямую связана с характеристиками сушильного аппарата и с расходом энергии, который следует использовать для компенсации эндотермичности испарения. Несмотря на применение осадков, после варки с повторным использованием полученного биогаза, эндотермичность реакций компенсируется использованием высококачественного топлива, что обуславливает устойчивое развитие.
Более конкретно, когда муниципальные сточные воды смешиваются со значительной долей промышленных сточных вод, проявляется существенное изменение испарительной способности осадков, полученных при обработке этих сточных вод.
Это изменение испарительной способности более или менее заметно в зависимости от присутствия некоторых комплексных неорганических или органических молекул, которые попадают из промышленных сточных вод. Эти молекулы охватывают очень широкий спектр соединений от алифатических структур на основе углерода до ароматических производных из семейства бензола и полифенолов, включая все производные карбоновых кислот. Присутствие неорганических наполнителей в промышленных сточных водах может также сильно влиять на отношение свободная вода/связанная вода в осадке.
Это изменение в испарительной способности, помимо того, что оно вызывает более высокий расход энергии и более длительное время сушки, имеет влияние на механическое поведение процесса сушки.
Кроме того, известно, что органический осадок, который подвергается тепловой сушке, дающей возможность увеличить диапазон сухости от 20 до 90%, проходит различные реологические стадии, включающие, в частности, такой известный, как пластичная фаза, отличающаяся свойствами закупоривания и большими сдвиговыми усилиями. Обычно пластичная фаза появляется, когда сухость осадка составляет от 45 до 55%.
В промышленности применяется или сушка, которая непосредственно применима к обезвоженному осадку, и в этом случае сушильный аппарат должен механически выдерживать появление пластичной фазы, или сушка, применимая к преобразованному осадку. Этот преобразованный осадок является смесью обезвоженных и высушенных осадков, в результате чего преобразованный осадок может иметь сухость, не соответствующую пластичной реологии. В этом случае оборудование выше по потоку от сушильного аппарата должно обеспечить правильное кондиционирование преобразованного осадка и тем самым обеспечить оптимальное функционирование сушильного аппарата.
Из-за этих причин сушильные аппараты, которые обрабатывают, в частности, смеси муниципальных и промышленных осадков, сталкиваются с трудностями при эксплуатации, которые приводят к перерасходу высококачественной энергии, уменьшению степени надежности из-за возникающих механических проблем и, следовательно, к затратам, и это может поставить под сомнение преимущество такой обрабатывающей линии.
Целью изобретения является, прежде всего, обеспечение способа кондиционирования осадков, имея в виду тепловую сушку после механического обезвоживания, которая больше полностью или частично лишена недостатков описанных выше. Желательно, в частности, избегать уменьшения испарительной способности осадков, поступающих в сушильный аппарат и предпочтительно также избегать повышения вязкости осадка.
Неожиданно было установлено, что в последовательности обработки, составляющей стадию обезвоживания, за которой следует стадия тепловой сушки в сушильном аппарате, добавление хлорида трехвалентного железа и/или негашеной извести или гашеной извести к осадкам после обезвоживания и перед сушкой дает два преимущества, отличающихся от результатов, известных для этих продуктов, а именно:
- исключение или по меньшей мере уменьшение проблемы связывания осадков в сушильном аппарате при поддержании степени вязкости осадков без ее значительного повышения;
- поддержание на прежнем уровне или увеличение испарительной способности.
Сущность изобретения поэтому заключается в инжекции реагентов в местах, расположенных между механическим обезвоживанием осадков и их тепловой сушки. Эти управляемые инжекции реагентов дают возможность ингибировать любую реакцию, которая может, с одной стороны, привести к неподходящему и нежелательному изменению в реологии осадков и, с другой стороны, уменьшать испарительную способность воды из осадков.
В соответствии с изобретением способ кондиционирования жидких осадков, образующихся при обработке муниципальных и/или промышленных сточных вод, в соответствии с которым осадки подвергают механическому обезвоживанию с последующей стадией тепловой сушки, отличается тем, что хлорид трехвалентного железа и/или негашеную известь или гашеную известь инжектируют в осадок между стадией обезвоживания и стадией сушки и/или перед стадией сушки, так что связывание осадков во время сушки уменьшается и испарительная способность улучшается.
Инжектируемое количество хлорида трехвалентного железа предпочтительно составляет от 1 до 10 мас.% относительно содержания твердых веществ в осадке. Оптимальное инжектируемое количество трехвалентного железа может быть определено визуальным наблюдением за получаемым обезвоженным осадком, который не должен быть уплотненным и должен дать удовлетворительный результат при испытании связывания на «фильтрующей текстильной среде» так, как объясняется в конце описания.
Предпочтительно, чтобы инжектируемое количество негашеной или гашеной извести составляло от 5 до 30 мас.% относительно содержания твердых веществ в осадке.
Известь предпочтительно инжектируется в виде порошка так, чтобы образовалось покрытие на лепешке осадка без излишнего их смешивания для предотвращения какой-либо тиксотропии. Порошок извести может инжектироваться непосредственно перед стадией сушки или в ее начале.
Изобретение также относится к установке кондиционирования жидких осадков для осуществления вышеописанного способа, включающего в себя средства для механического обезвоживания, за которыми расположен тепловой сушильный аппарат, и отличающейся тем, что она включает в себя между средствами для механического обезвоживания и тепловым сушильным аппаратом и/или у входа в тепловой сушильный аппарат средство для инжекции хлорида трехвалентного железа и/или средство для инжекции гашеной извести поверх осадка.
Предпочтительно, чтобы средства для инжекции негашеной или гашеной извести предусматривались для обеспечения распыления негашеной извести или гашеной извести поверх осадка.
Инжекцию извести проводят так, чтобы образовалось покрытие из порошка извести на лепешке из осадка.
Помимо устройств, рассмотренных выше, изобретение состоит из некоторого числа других устройств, которые будут описаны более понятно ниже в виде частных воплощений со ссылками на приложенные фигуры, которые, однако, никоим образом не являются ограничивающими. В этих чертежах:
Фиг.1 представляет собой блок-схему процесса для кондиционирования осадков в соответствии с изобретением; и
Фиг.2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую установку для обезвоживания и сушки осадков.
Как показано на Фиг.1, жидкий осадок для обработки поступает слева в соответствии с блок-схемой на стадию механического обезвоживания. Инжекция полимера в осадок может проводиться перед обезвоживанием.
Для механического обезвоживания могут использоваться различные устройства, такие как ленточные фильтры, фильтр-прессы или центрифуги. В соответствии с изображением на Фиг.2 для этой стадии предусмотрена центрифуга 1.
При выходе со стадии обезвоживания осадки образуют массу в виде пасты, степень сухости которой может быть около 20%. Обезвоженные осадки затем переносятся транспортером 2 (Фиг.2) в сушильный аппарат 3 для тепловой сушки, которая обеспечивает степень сухости до 90% или выше.
Оказалось, что некоторые осадки, особенно осадки, образующиеся из смесей муниципальных и/или промышленных сточных вод, имеют высокую вязкость, которая приводит к усугублению проблем связывания осадков в сушильном аппарате. Более того, повышение вязкости сопровождается снижением испарительной способности.
Результатом этого является то, что с этим типом осадка, который особенно трудно обрабатывать, производительность сушки уменьшается, и это иногда даже приводит к полному блокированию работы сушильного аппарата.
Неожиданно было установлено, что добавление хлорида трехвалентного железа и/или негашеной или гашеной извести в осадки после обезвоживания и перед сушкой, и/или перед входом в сушильный аппарат 3, дает два преимущества, отличающихся от результатов, известных для этих продуктов, а именно:
- исключение или по меньшей мере уменьшение проблем связывания осадков в сушильном аппарате при поддержании величины вязкости осадков без существенного повышения;
- поддержание испарительной способности без ее существенного уменьшения или даже увеличение испарительной способности.
3
2
В соответствии с изобретением хлорид трехвалентного железа (FeCl) в растворе и/или негашеная (CaO) или гашеная известь (Ca(OH)) в порошковой форме инжектируются в осадок после стадии обезвоживания и перед стадией сушки и/или у входа на стадию сушки.
3
Первая инжекция раствора хлорида трехвалентного железа в осадки после механического обезвоживания может оказаться необходимой в некоторых случаях. Средства 4 для инжекции хлорида трехвалентного железа показаны схематично на Фиг.1 у выхода из стадии обезвоживания. Количество составляет от 1 до 10 мас.% FeClотносительно твердых веществ, содержащихся в осадке. Оптимальное количество определяется визуальным наблюдением за полученным обезвоженным осадком. Последний не должен быть уплотненным и должен дать удовлетворительный результат при испытании связывания с «фильтрующей текстильной средой», как объясняется в конце описания. Инжекция раствора трехвалентного железа может также проводиться у входа в сушильный аппарат 3.
Эта стадия не обязательно должна соответствовать определению оптимальной сухости, которую можно достичь механическим обезвоживанием. Она также требует подгонки полимера, подходящего для количества хлорида трехвалентного железа, необходимого для получения удовлетворительного результата испытания «фильтрующей текстильной средой».
Вторая инжекция состоит в добавлении части негашеной или гашеной извести к обезвоженному осадку перед введением последней в сушильный аппарат или непосредственно в сушильный аппарат в зависимости от используемой техники сушки. Это введение должно проводиться после любой промежуточной операции накопления обезвоженного осадка, кондиционированного, как указано выше. Средства 5, 6 для инжекции извести показаны схематично соответственно перед введением осадка в сушильный аппарат и непосредственно в сушильный аппарат.
Кроме того, при этой инжекции не должно использоваться принудительное механическое перемешивание, чтобы избежать известного явления разжижения, возникающего при добавлении извести в органический осадок.
Способ инжекции состоит в нанесении покрытия на лепешку осадка без стремления получить однородную смесь. Поэтому инжекция проводится или посредством введения порошка извести в смеситель/транспортер 2 (Фиг.2), например в червячный смеситель 7, который обеспечивает подачу в сушильный аппарат, или посредством непосредственного добавления в сушильный аппарат 3 (Фиг.2) (случай, например, для сушилок дискового или пластинчатого типа), или в бункер для принудительного питания подающего насоса (например, для тонкопленочных сушилок), или в смеситель/транспортер, который обеспечивает получение преобразованного осадка (например, для барабанных и ленточных сушилок).
Инжектируемое количество извести зависит от типа обрабатываемого осадка, при этом оно меняется, в частности, в зависимости от количества промышленных сточных вод, присутствующих в сырой воде. Она находится в диапазоне от 5 до 30 мас.% по отношению к массе твердых веществ, содержащихся в осадке.
Добавление извести проводится в виде нанесения покрытия из порошка на осадок посредством его разбрызгивания между стадией обезвоживания и стадией сушки или у входа на стадию сушки. На поверхность лепешки из осадка наносится покрытие из порошка извести.
Смешивание извести и осадка, которое разрушило бы осадок и привело бы к явлению тиксотропии, абсолютно исключается.
Нанесение порошкового покрытия на осадок может проводиться или у шнека 7 (Фиг.2), который переносит порошок на стадию сушки посредством впрыска порошка извести у ввода 8 этого шнека или посредством впрыска порошка извести у входа 9 (Фиг.2) теплового сушильного аппарата. Шнек 7 обеспечивает перенос осадка, выходящего из устройства 1 для механического обезвоживания и до входа 9 сушильного аппарата 3. На выходе из сушильного аппарата осадки стерилизуются после того, как их подвергнут тепловой обработке, обычно при 105ºС в течение приблизительно 2 часов; более того, они биологически стерилизуются и не подвергаются ферментации.
Во время пробных испытаний для регулировки способа обнаружилось, что объединение двух инжекций, проводимых как описано, существенно повышает испарительную способность (от 40 до 60%) и также полностью изменяет реологию осадка, препятствуя связыванию и агломерации.
3
Эти неожиданные эффекты, по-видимому, связаны как с разложением обезвоженного осадка из-за использования FeCl(уменьшение среднего размера частиц кондиционированного осадка), из-за экзотермической реакции внутри сушильного аппарата, вызванной реакцией негашеной извести со свободной водой на поверхности осадка при сушке, так и с повышением величины рН при добавлении негашеной или гашеной извести.
Совместно эти добавления химических реагентов являются основой эффектов, перечисленных ниже:
- ингибирование разложения некоторых органических соединений;
- изменение вида поверхности осадка, контактирующего с горячими стенками сушильного аппарата и/или с горячим воздухом, который может использоваться как теплопередающая среда;
- изменение величины рН осадка, ингибирующее некоторые химические реакции;
- использование разжижающих свойств частиц извести.
Как уже указывалось, определение оптимального количества хлорида трехвалентного железа проводится визуальным наблюдением за полученным обезвоженным осадком, который не должен быть уплотненным и должен давать удовлетворительный результат при испытании связывания с «фильтрующей текстильной средой», как объясняется ниже.
Испытание связывания с «фильтрующей текстильной средой»
Эта лабораторная методика, применимая ко всем осадкам, дает возможность наблюдать за отделением лепешки осадка на ткани: «неуплотненный» вид лепешки и недостаток адгезии последней к ткани означает «не связанную» лепешку. «Не связанная» лепешка является одним из параметров, требующихся для определения по осадку хорошей работы сушильной установки.
Принцип измерения
А)
- Осадки сначала флоккулируются наиболее подходящим реагентом или реагентами, т.е. такими, которые обеспечивают очень сильно гранулированные флоккулы с освобождением максимального количества интерстициальной жидкости при минимальных дозах;
- флоккулированные осадки затем дренируются;
- дренированные и поэтому загустевшие осадки уплотняются для того, чтобы:
а) исключить как можно больше свободного воздуха;
b) наблюдение за адгезией уплотненного осадка к фильтрующей среде (за способностью к закупориванию, поэтому к связыванию);
- уплотненные таким образом осадки помещаются на «посудное полотенце» и заворачиваются в последнее, чтобы отжать их вручную в течение 5 минут. Во время выжимания нужно разминать «конверт», чтобы удалить как можно больше воды.
В) Аппарат
Для дренирования
-
Лабораторное сито с ячейками в 600 мкм (сито из нержавеющей стали Ǿ: 200 мм и Н: 50 мм, имеющее проволочную сетку с квадратными отверстиями);
Скребок (L:100 мм × w:50 мм);
Для уплотнения
-
1 л пластмассовая мензурка;
Для «разминания и выжимания»
-
Прямоугольник из хлопчатобумажной ткани (типа «ручное полотенце» по толщине и прочности) (L:100 см × w:25 см).
Процедура
С)
1. Образец для обработки
- минимум 10 литров осадка
- для характеристики осадка:
MES (г/л) - содержание твердых веществ (%) - рН
Летучие твердые вещества (105-550˚С)=%/MS
Испытание на «фильтрующей текстильной среде» или «посудном полотенце»
2.
- Для каждого испытания после выбора наиболее подходящего реагента или реагентов отбираемый образец осадка будет составлять 500 мл;
Необходимо последовательно после флоккуляции:
а) заливать весь флоккулированный осадок в центр сита.
Для наблюдения за дренированием и отмечания его скорости: интерстициальная жидкость должна быстро мигрировать в флоккулы.
b) используя металлический скребок, «сворачивают» кучку осадка, дренированного над сеткой или над ситом, для выжимания его как можно лучше.
Наблюдают за видом флоккулы: флоккула должна быть гранулированной.
Нужно избегать больших «жирных» флоккул и флоккул, которые слишком малы.
с) используя 1 л пластмассовую мензурку, давят на весь дренированный осадок, присутствующий на сите. Наблюдают за амплитудой латеральной ползучести осадка: амплитуда ползучести должна быть низкой и зависеть от механического сопротивления флоккулы приложенному давлению. Более того, образовавшаяся «уплотненная лепешка осадка» должна оставаться на фильтрующей среде или на основании пластмассовой мензурки при завершении этого этапа (лепешка не должна распадаться надвое);
d) используя скребок, отделяют «уплотненную лепешку осадка» от основания. Наблюдают за адгезией уплотненного осадка к ситу (за закупоривающей способностью): закупоривание должно быть малым;
e) заливают половину объема полученных уплотненных осадков на «посудочное полотенце»;
- складывают края последнего поверх осадка, чтобы получить герметичный 'конверт', предотвращающий утечки во время фазы «разминания и отжимания»;
- одновременно разминают и отжимают 'конверт' в течение 5 мин;
f) открывают 'конверт' и наблюдают за отделением окончательной лепешки от использованной хлопчатобумажной ткани; лепешка с «неуплотненным видом» должна отделяться от ткани с малой адгезией к ней под действием своей собственной массы; выражение «отделяться под действием своей собственной массы» следует понимать как обозначающее, что лепешка отделяется от ткани, когда эту ткань поднимают вертикально;
g) рассчитывают сухость лепешки.
Интерпретация результатов
D)
«Не связанная» лепешка является одним из параметров, необходимых для правильного управления сушильной установкой. Это испытание дает возможность в зависимости от физического условия, вида и поведения конечной лепешки на фильтрующей среде:
а) предусмотреть обеспечение подходящим реагентом или реагентами;
b) оптимизировать дозы реагентов;
которые следует использовать в осадке для получения «не связанной» лепешки.