СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
METHOD OF COMPLEX TREATMENT OF SEWAGE SLUDGE

Область техники, к которой относится изобретение.
Предлагаемое изобретение относится к области переработки отходов, а, именно, к переработке осадков городских сточных вод, включающих сырой осадок и избыточный активный ил, и может быть использовано при переработке отходов нефтехимической, фармацевтической, пищевой промышленности, отходов производства косметических, медицинских изделий самого широкого ассортимента, а также их утилизации в качестве удобрений для повышения плодородия земель самого различного назначения (сельхозугодия, леса, городские парк и газоны, теплицы и т.д.) с приданием данным удобрениям заданных свойств, в изготовлении стройматериалов самого широкого применения, комбикормов и биодобавок, а также для подготовки их к длительному хранению в твердом состоянии (как брикетах, так и в насыпном виде), а также для утилизации со 100% безопасностью для окружающей природной среды.
Уровень техники.
Из уровня техники известен способ переработки осадка сточных вод, включающий смешение осадка с соединением щелочноземельного металла, в качестве соединения щелочноземельного материала используют оксид кальция, полученный при переработке твердых кальцийсодержащих отходов, продукт смешения обрабатывают цементом, выдерживают до образования пастообразного состояния, а затем гранулируют и высушивают полученные гранулы (патент на изобретение РФ №2342204, Лобанов Федор Иванович (RU), В09В 3/00, опубл. 27.12.2008). Общими признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: способ переработки осадка сточных вод, включающий смешение осадка со связующей добавкой, образование пастообразного состояния у продукта смешения, который затем гранулируют и высушивают полученные гранулы.
Техническая проблема, которая не могла быть решена при осуществлении вышеописанного аналога изобретения, заключается в том, что предлагаемый способ не предусматривает целенаправленное обезвреживание осадка от тяжелых металлов (только в случае значительного количества тяжелых металлов в осадке). Термодинамический расчет процесса взаимодействия введенного реагента и воды является примерным и количества теплоты, выделяющейся при взаимодействии реагента с водой, необходимого для полного обеззараживания осадка, может быть недостаточно. Присутствующие в составе гранул алюмосиликаты являются труднорастворимыми в воде соединениями, плохо усваиваемыми растениями, например, при внесении их в почву. Полученный в виде гранул конечный продукт имеет большой вес и объем из-за присутствия в нем большого количества водной составляющей. Использование цемента в качестве вяжущего вещества неоправданно увеличивает себестоимость процесса переработки отходов, делая ее соизмеримой с себестоимостью изготовления железобетонных изделий при использовании цемента в качестве строительного материала.
Наиболее близким по технической сущности является способ комплексной переработки и утилизации осадков сточных вод, включающий предварительное обезвоживание осадков первичных отстойников и активного ила, смешивание с песком из песколовок, обеззараживание посредством реагента и получение продукта утилизации, дополнительно проводят обезвреживание осадков, причем в качестве обеззараживающего и обезвреживающего реагента используют комплексный порошковый реагент следующего состава: глина 40,0-60,0 мас. %, известь 5,0-40,0 мас. %, цемент 5,0-40,0 мас. %, комплексообразователь, выбранный из ряда: смесь оксидов металлов, зола, дробленый шлак, доломитовая мука, молотый известняк 5,0-10,0 мас. %, количество реагента составляет 10,0-30,0% от веса смеси, указанный реагент, обезвоженные осадки первичных отстойников и активный ил подают в смеситель одновременно с песком из песколовок и дополнительно с предварительно измельченными надрешеточными отходами первичных отстойников, где обрабатывают до получения однородной смеси, которую помещают в бункер-накопитель (патент на изобретение РФ №2293070, Кнатько Василий Михайлович (RU), Щербакова Елена Васильевна (RU), Кнатько Михаил Васильевич (RU), C02F 11/14, опубл. 10.02.2007). Общими признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: способ комплексной переработки и утилизации осадков сточных вод, включающий предварительное обезвоживание осадков первичных отстойников и активного ила, обеззараживание, обезвреживание осадков, в качестве обезвреживающего компонента используют неорганическую глину (связующая неорганическая минеральная добавка) в количестве 10,0-30,0% от веса смеси с осадком, обезвоженные осадки первичных отстойников, активный ил и глину подают в смеситель, где обрабатывают до получения однородной смеси, получение продукта утилизации.
В вышеописанном способе для обеззараживания и обезвреживания осадков необходимо использовать комплексный реагент, состоящий из нескольких дорогостоящих компонентов, при отклонении от точного процентного соотношения которых снижается полнота протекания хемосорбционных процессов при обезвреживании. Получаемый конечный продукт, в виде однородной смеси (техногенный почвогрунт) не может храниться долго без введения в него расщелачиваемой добавки. Вид использования конечного продукта должен быть определен заранее, на этапе выбора соответствующего комплексообразователя.
Общими недостатками способов, описываемых в аналоге и прототипе, является недостаточная эффективность обезвреживания и обеззараживания осадков сточных вод, получаемый конечный продукт обладает низкой экологичностью, имеет большой объем, не предназначен для длительного хранения, широкого и повторного использования.
Предлагаемым способом предусмотрено полное обеззараживание осадков сточных вод от патогенной микрофлоры высокотемпературной обработкой, полное обезвреживание осадков от тяжелых металлов сорбционным методом посредством смешивания осадка со связующей неорганической минеральной добавкой (глинистые материалы), гранулированием однородной смеси, многократным обезвоживанием осадков перед смешиванием, на стадии гранулирования, стадии высушивания и стадии обжига, осуществляя перевод тяжелых металлов из активного состояния в неактивное состояние, в котором они находятся внутри гранул после их обжига, в результате чего получают высокоэкологичный, устойчивый к воздействию внешних факторов (влага, воздух) продукт уменьшенного объема с возможностью удобной его транспортировки, длительного хранения без оказания вредного воздействия на окружающую среду, широкого использования или дальнейшей переработки для повторного использования в зависимости от назначения.
Раскрытие сущности изобретения.
Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является создание универсальной комплексной технологии переработки осадков сточных вод, предусматривающей высокоэффективное полное обезвреживание и обеззараживание, снижение себестоимости переработки, получение высокоэкологичного конечного продукта утилизации уменьшенного объема удобного для транспортировки, пригодного для длительного хранения без оказания им негативного воздействия на окружающую среду, пригодного для широкого применения или дальнейшей переработки для обеспечения повторного использования в зависимости от назначения. Технический результат достигается за счет того, что способ комплексной переработки осадков сточных вод, содержащих сырой осадок и избыточный активный ил, включающий предварительное обезвоживание осадков, смешивание их со связующей неорганической минеральной добавкой с образованием однородной смеси, обезвреживание, обеззараживание, получение продукта утилизации, при этом процесс обезвреживания осадков включает: выделение тяжелых металлов из жидкой фазы методом адсорбции и ионного обмена на стадии смешивания; обезвоживание осадков на стадии гранулирования однородной смеси, на которой одновременно производят обеззараживание осадков посредством подогрева смеси до 150-200°С при продавливании через пресс-гранулятор, выполненный с электроподогревом; обезвоживание полученных гранул на стадии высушивания их естественным путем; обезвоживание высушенных гранул на стадии обжига при температуре равной 200-1000°С с получением конечного продукта утилизации.
Высокоэффективное полное обеззараживание осадков сточных вод от патогенной микрофлоры обеспечивается высокотемпературной обработкой при температуре, равной 150-200°С путем продавливания однородной смеси через пресс-гранулятор, выполненный с электроподогревом.
Высокоэффективное полное обезвреживание осадков от тяжелых металлов, возможность длительного хранения, высокая экологичность конечного продукта достигается проведением многостадийного процесса обезвреживания, включающего извлечение из жидкой фазы тяжелых металлов сорбционным методом при введении связующей неорганической минеральной добавки, многократное обезвоживание осадков (перед дроблением и смешиванием, при гранулировании, при высушивании, при обжиге), обжиг полученных гранул, в результате чего гранулы не подвержены воздействию внешних факторов (влага, воздух) и деформации. При обезвреживании осуществляют перевод тяжелых металлов из активного состояния в неактивное состояние, в котором они находятся внутри гранул после их обжига, не оказывая негативного воздействия на окружающую среду, что делает возможным широкое применение высокоэкологичного конечного продукта или его дальнейшую переработку для обеспечения повторного использования в зависимости от назначения.
Уменьшение объема конечного продукта происходит за счет многократного обезвоживания, доведения продукта утилизации практически до сухого состояния, что делает удобным его транспортировку.
Снижение себестоимости процесса переработки обусловлено использованием одной связующей неорганической минеральной добавки (или связующего неорганического минерального агента), без применения большого количества дорогостоящих реагентов, совмещением процесса гранулирования одновременно с процессом обезвоживания и обеззараживания.
Краткое описание чертежей.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена технологическая схема комплексной переработки сырого осадка и избыточного активного ила, на фиг. 2 представлен Протокол результатов биотестирования водной вытяжки отходов (после стадии гранулирования).
Позициями на фигурах обозначены:
1 - дозатор,
2 - транспортер,
3 - дробилка-мешалка,
4 - пресс-гранулятор,
5 - активатор.
Осуществление изобретения представлено в предпочтительном, но не единственном возможном варианте его использования.
Предложенный способ комплексной отхода, которым являются осадки сточных вод, содержащие сырой осадок и избыточный активный ил, предусматривает предварительное обезвоживание осадков, имеющие влажность 98-99%, состоящие из 98% воды и 2% примесей, содержащие в том числе, тяжелые металлы и их соединения. Обезвоживание осадков производят на установках механического обезвоживания (иловые карты, на чертеже не показано) до влажности 80% и менее. Оптимальный процент влажности обезвоженных осадков для реализации предлагаемого способа составляет около 73%.
Процентное содержание тяжелых металлов и их солей в обезвоженных осадках составляет 0,01-0,09%. Для реализации предлагаемого способа перечень тяжелых металлов, содержащихся в осадках до их переработки, может включать любые химические элементы со свойствами металлов и значительным атомным весом либо плотностью, имеющих высокую биологическую активность и токсичность.
Доля содержания неорганических веществ в осадках, куда входят тяжелые металлы и их соединения, составляет до 47%, при этом процентное содержание неорганических веществ может варьировать для каждого водоканала в ту или иную сторону.
Для реализации предлагаемого способа требуется увеличение процентного содержания неорганических веществ в получаемом конечном продукте для уменьшения органической составляющей с целью снижения вредных выбросов в процессе горения на стадии обжига и для увеличения объема кристаллизации получаемого продукта.
С иловой карты обезвоженные до 73% осадки и связующую неорганическую минеральную добавку (или связующий неорганический минеральный агент) посредством дозаторов 1 и транспортеров 2 подают в дробилку-мешалку 3 для проведения стадии смешивания.
В качестве связующей неорганической минеральной добавки используют глинистые материалы, такие как глина, белая глина (каолин) или другие материалы, обладающие свойствами, подобными свойствам глинистых материалов, а также твердые отходы, в состав которых входят вышеперечисленные материалы. Применение глинистых материалов в предлагаемом способе обусловлено такими их свойствами, как пористость, вязкость, спекаемость, водонепропускаемость, их поверхностными свойствами, такими как сорбционные свойства и способность к ионному обмену в водных растворах, дезинфицирующими свойствами. Глины относятся к макропористым ионитам, обладающим развитой обменной поверхностью. В предлагаемом способе переработки предпочтительно, но не исключительно, чтобы неорганические минеральные вещества или отходы их содержащие, были использованы в порошкообразном, сыпучем состоянии. В дробилке-мешалке 3 производят дробление предварительного обезвоженноых осадков и смешивание их в течение 40 минут со связующей добавкой, чем достигают приведение отхода в однородную смесь, а также приготовление смеси по соотношению органической составляющей и неорганической минеральной добавки. Введением связующей неорганической минеральной добавки в отход достигают увеличение процентного содержания неорганических веществ в конечном получаемом продукте.
В зависимости от химического состава осадков сточных вод на основе предварительного химического анализа определяют процентное содержание связующей добавки по отношению к осадкам, которое может быть равным 30% и менее. На величину процентного соотношения осадков и связующей добавки при их смешивании влияют разные факторы: раздельное откачивание сырого осадка и избыточного активного ила на иловые площадки (на чертеже не показано); химический состав поступающих на очистные сооружения канализации сточных вод (для каждого вида местности он разный); процентное соотношение в сыром осадке и избыточном активном иле органических и неорганических веществ; эффективность работы первичных отстойников на очистных сооружениях канализации (далее ОСК); себестоимость производственного процесса. Для определения оптимального процента содержания связующей добавки учитываются все вышеперечисленные факторы.
В процессе смешивания осадков с глинистой добавкой тяжелые металлы и их соединения (соли), адсорбируются на высокодисперсной поверхности глинистого сорбента за счет сил межмолекулярного взаимодействия и за счет ионообменной адсорбции (ионы тяжелых металлов) без образования химических связей. Таким образом, связующая добавка пассивирует (обезвреживает) тяжелые металлы, содержащиеся в осадках сточных вод городских очистных сооружений, уменьшая содержание подвижных, способных к комплексообразованию, форм тяжелых металлов, тем самым снижая их токсичность.
В процессе интенсивного перемешивания в дробилке-мешалке 3 степень и скорость адсорбции значительно повышается за счет значительного увеличения площади адсорбционной поверхности адсорбента (глина), количество которого изначально превышает количество сорбента (тяжелые металлы), что увеличивает эффективность процесса перевода тяжелых металлов из активного состояния в пассивное.
На этапе перемешивания осадков с глинистым материалом происходит также предварительная дезинфекция осадков от патогенной микрофлоры, что связано с дезинфицирующими свойствами глинистых материалов.
Из дробилки-мешалки 3 полученный продукт смешения в виде однородной смеси, имеющей вязкое, пластичное состояние, может сразу поступать на стадию гранулирования, либо поступать на промежуточное хранение до начала проведения процесса гранулирования в течение временного периода, не превышающего одну рабочую смену, во избежание начала процесса десорбции тяжелых металлов, а также во избежание начала комкования однородной смеси при ее высыхании.
Для проведения процесса гранулирования однородную смесь из дробилки-мешалки 3 транспортером (на чертеже не показано) подают в пресс-гранулятор 4, который выполнен с возможностью электроподогрева до температуры, равной 150-200°С. На стадии гранулирования при подогреве однородной смеси до 150-200°С осуществляется ускоренное испарение жидкости из смеси, вследствие чего происходит начальная стадия кристаллизации солей тяжелых металлов. Влажность обработанных осадков снижается до 10-20%. Размер полученных гранул в зависимости от исходного состояния осадков, размера содержащихся в них загрязняющих примесей варьируется от 1 до 10 мм.
На стадии гранулирования также происходит основной процесс обеззараживания отхода от патогенных микроорганизмов (кишечная палочка, яйца гельминтов и т.д.), возбудителей различных болезней, для гибели которых уже достаточно 120°С.
Полученный после гранулирования гранулированный продукт поступает на стадию высушивания, его помещают в проветриваемую тару, в которой размещают его в закрытом помещении (можно не отапливаемом, но с хорошей аэрацией), где продукт продолжает, высыхая, затвердевать. После стадии естественного высушивания данный продукт переходит в ограниченно обезвреженное твердое состояние.
Так в результате проведенного биотестирования гранулированного продукта уже после проведения процесса гранулирования был установлен V класс опасности, результаты биотестирования представлены в Протоколе (фиг. 2). После гранулирования обезвоженный до 10-20% влажности продукт в виде гранул транспортируют на отдельно расположенную базу, обслуживающую водоканалы, где происходит окончательное обезвреживание отхода в зависимости от его дальнейшего назначения.
Для дальнейшего обезвреживания высушенные естественным путем гранулы подвергают термообработке посредством обжига в активаторе 5 без доступа воздуха, что сопровождается дополнительным обезвоживанием гранулированного продукта. Обжиг без доступа воздуха позволяет минимизировать вредные выбросы в воздух. Температура обработки определяется температурой обжига глины, которая составляет не выше 200-300°С. В случае применения другой связующей неорганической добавки температура обжига гранул определяется температурой обжига применяемой добавки. В процессе обжига глина избавляется практически от всей влаги, поэтому гранулы становятся значительно легче, удобными для их транспортировки, а также дальнейшей переработки, например с использованием технологии по выделению из состава полученного продукта полезных веществ (вплоть до редкоземельных металлов). При обжиге глина спекается, тяжелые металлы и их соли остаются внутри гранул, в основном состоящих из неорганической составляющей: спекшейся глины и других неорганических веществ, не оказывая вредного воздействия на окружающую среду. При подобной температурной обработке гранулы переходят в камневидное состояние, делающее их устойчивыми к проникновению влаги, а также к воздействию других внешних факторов (воздух), не подверженными деформации.
Предлагаемый способ обладает по сравнению с аналогичными способами следующими преимуществами, т.к. позволяет:
- получить полностью обезвреженный и обеззараженный продукт утилизации с возможностью использования его либо сразу после гранулирования, либо после длительного хранения, либо после дальнейшей переработки в зависимости от назначения;
- обезвреживание осадков осуществляют путем перевода отхода из жидкого состояния в твердое посредством использования технологии многократного обезвоживания для одного и того же продукта, получая на конечной стадии утилизации твердый обезвреженный продукт (полуфабрикат необходимой формы), который утилизируют с малыми затратами и наименьшим негативным воздействием на окружающую природную среду;
- утилизировать не отход, а продукт, содержащий внутри нежелательные элементы, которые необходимо не утилизировать, а сохранить до того момента, когда будут применены технологии, способные извлечь при необходимости из полученного продукта данные элементы;
- хранить полученный продукт не под землей, а на выработанных, непригодных для дальнейшего использования землях. Хранение производится над поверхностью земли с полной безопасностью для окружающей природной среды.