Исследование эффективности флокулянтов при обработке осадков природных и сточных вод

УДК 628.162.5

В статье анализируются условия обезвоживания осадков природных и сточных вод с использованием минеральных и органических реагентов. Приводятся результаты исследований эффективности известных зарубежных флокулянтов С:466, А:100, Zetag7692 и Praestol:853:BC. Представлены методики и результаты исследования по подбору марок и доз флокулянтов, используемых в процессе механического обезвоживания осадков природных и сточных вод, выполнен сравнительный анализ оборудования и аппаратов для обезвоживания осадков с применением флокулянтов разных типов. Особое внимание уделено проблеме обезвоживания сырого осадка и избыточного активного ила очистных сооружений канализации. В статье также дается оценка ситуации в России и делается вывод о необходимости использования зарубежного опыта обработки отходов, образующихся при очистке природных и сточных вод.

Ключевые слова: механическое обезвоживание, флокулянты, осадок природных вод, сырой осадок и активный ил канализационных очистных сооружений.

На современных сооружениях очистки природных и сточных вод наиболее сложным, трудоемким и энергоемким процессом является обработка осадков. Осадки образуются в процессе осветления и отстаивания воды на разных стадиях ее обработки, и их объемы варьируют в среднем пределах от 0,1 до 5% от расхода очищаемой воды. Стоимость сооружений обработки осадков может достигать 50% общих затрат по очистным сооружениям биологической очистки сточных вод и 15% - по водопроводным очистным сооружениям. Основными задачами обработки осадка являются: обеспечение экологической безопасности, уменьшение объема осадка для снижения размеров полигонов и площадей для депонирования, а также подготовка осадка для вторичного использования в качестве техногенных сырьевых ресурсов.

Наиболее эффективным способом снижения объема осадков является механическое обезвоживание. Однако на практике достижение высокой эффективности процесса возможно при условии учета в технологии обработки состава и свойств, имеющих как общие признаки для осадков с разных очистных сооружений, так и индивидуальные особенности, связанные с методами, способами очистки и характеристиками качества исходной воды. Поэтому проводятся новые исследования реагентов и флокулянтов, разрабатываются новые технологии и оборудование для обезвоживания осадков. Данное исследование направлено на оценку эффективности флокулянтов разных марок, используемых в процессе механического обезвоживания осадков природных и сточных вод.

Исследования проводились как в лабораторных, так и в производственных условиях.

При проведении лабораторных экспериментов по сравнительной оценке свойств флокулянтов широко используются методы, основанные на наблюдении за осаждением осадка, определения времени фильтрования и вакуум-фильтрования через ткань, а также времени капиллярного всасывания. Так, для проведения лабораторных испытаний эффективности различных марок флокулянтов предложены простые и действенные лабораторные тесты. Например, японская фирма «Саньо Кемикал Индастриз» предлагает набор из восьми методик, позволяющих определить пригодность того или иного флокулянта для процессов осаждения, сгущения, фильтрации и обезвоживания.

Однако не все методики в той или иной мере соответствуют определенным видам обезвоживания, как основной стадии обработки осадка. В этой работе авторы попытались подобрать свой метод определения сравнительной эффективности флокулянтов в лабораторных условиях для механического обезвоживания на фильтр-прессах.

Методика

В этой работе автор подбирает свой метод определения сравнительной эффективности флокулянтов в лабораторных условиях для механического обезвоживания на фильтр-прессах. В данном случае предстояло обезвоживать смесь сырого осадка и уплотненного избыточного ила, подаваемую с метантенков на фильтр-прессы, обработанную катионными высокомолекулярными флокулянтами Zetag-7692 и Praestol-853-BC.

Для проведения испытаний флокулянтов использовали фильтрационный обезвоживающий метод-тест, наиболее точно отражающий работу ленточных пресс-фильтров, суть которого состоит в обработке осадка под давлением на фильтрующих полотнах. Смесь сырого осадка и избыточного активного ила подвергалась обработке различными дозами и концентрациями испытуемого вида флокулянта, далее исследовалась водоотдача осадка в естественном гравитационном поле за определенный промежуток времени, затем смесь подвергалась воздействию давления, представляющего собой груз, под силой тяжести которого происходит обезвоживание. Соответственно в каждом опыте определялось количество и качество фильтрата, влажность и отделение от фильтрующей ленты кека, активную реакцию среды, величину образовавшихся флокул.

Лабораторная установка включает в себя: штатив, воронку, полиэфирную сетку, мерную колбу, груз, оборудование для приготовления флокулянта (мерные цилиндры, аналитические весы, магнитные мешалки), оборудование для определения свойств смеси осадка (водяная баня, муфельная печь, сушильный шкаф, фарфоровые чашки, аналитические весы).

 Установка для испытания флокулянтов

При определении водоотдающих свойств обработанного осадка применяли следующий ход эксперимента. В колбы заливали определенный объем смеси сырого осадка и активного ила, добавляли рассчитанную дозу флокулянта и перемешивали в течение 30 сек. Затем полученный сфлокулированный осадок объемом 50 мл переливали в воронку с полиэфирной сеткой и в течение 90 сек. наблюдали за естественной водоотдачей, фиксируя при этом каждые 30 сек. объем фильтрата. Далее сжимали осадок и замеряли количество фильтрата через 180 сек., проверяли стабильность без давления 60 сек. Также анализировали отделение кека от ленты и качество фильтрата.

В процессе проведения экспериментов было выполнено пять серий опытов с трехкратной повторностью по обезвоживанию осадков. Результаты исследований рассмотрены и применены при обработке осадков сточных вод на Вологодской станции аэрации.

При сравнивании приближенности лабораторных испытаний к промышленным условиям было принято решение уменьшить время проведения эксперимента на всех стадиях, т.к. в реальных условиях процессы обезвоживания проходят в течение 10-60 сек.

Применяемый фильтрационный обезвоживающий метод-тест имеет свои преимущества в том, что он максимально приближен к обезвоживанию на фильтр-прессах и позволяет копировать результаты испытаний в реальные условия работы, позволяет менять параметры лабораторной установки для определения не только свойств осадков, но и рабочих характеристик обезвоживающих устройств и механизмов. Например, тест применялся для подбора фильтрующих лент фильтр-прессов для обезвоживания осадка водоочистных сооружений г. Череповца. Этот метод также наглядно демонстрирует результаты испытаний и позволяет с помощью линейных зависимостей определить количественные характеристики используемого осадка (например, конечную влажность, зольность, концентрацию по сухому веществу кека) без трудоемких лабораторных исследований.

Основная часть

При проведении лабораторных исследований по определению флокуляционных свойств предлагаемой марки флокулянта и подбору его оптимальной дозы необходимо правильно приготовить рабочий раствор флокулянта.

Продолжительность растворения флокулянтов существенно зависит от их агрегатного состояния (порошок или кристаллы, желеобразная масса) и от дисперсности исходного сырья. Для приготовления растворов флокулянтов можно использовать любые промышленные мешалки. Частота вращения перемешивающего элемента должна быть 150-200 об/мин. Интенсивное перемешивание раствора может привести к разрыву полимерных цепей и ухудшению эксплутационных характеристик флокулянта, поэтому недопустимо перекачивание растворов флокулянтов центробежными насосами.

При растворении твердых мелкодисперсных флокулянтов необходимо добавлять их к воде небольшими порциями, производя при этом перемешивание, причем твердый продукт должен равномерно распределяться по всему объему. В случае слипания частиц необходимо увеличить интенсивность перемешивания. Соблюдение этих условий обеспечивает растворение флокулянта не более чем за 2-3 часа. Рабочие растворы с массовой долей флокулянта 0,01-0,05%, используемые для процесса флокуляции, устойчивы в течение суток.

Основные характеристики флокулянтов, определяющие их эксплуатационные свойства, следующие: молекулярная масса полимера (косвенно связанная с предельным числом вязкости); заряд и величина заряда полимера. Зная знак заряда и его величину для конкретного флокулянта и его предельное число вязкости, можно рекомендовать флокулянт для применения на конкретных очистных сооружениях.

Более точно выбрать оптимальный тип флокулянта для обезвоживания осадка с конкретными свойствами можно лишь путем сопоставления эффекта флокуляции различных образцов в лабораторных условиях. Для проведения лабораторных испытаний эффективности различных марок флокулянтов известны простые и действенные лабораторные тесты (седиментационный, флотационный, фильтрационный, обезвоживающий тесты).

Соответственно в каждом методе испытания определяют крупность флокул, образуемых при обработке осадка исследуемым флокулянтом, количество взвешенных веществ в фильтрате, влажность получаемого кека; при выполнении седиментационных тестов определяют скорость осаждения частиц.

Одним из экспресс-методов подбора оптимальной дозы испытуемого флокулянта является определение времени капиллярного всасывания, т.е. времени, за которое влага из необработанного и обработанного осадков впитывается капиллярами фильтровальной бумаги определенного типа. Метод позволяет с точностью до порядка предварительно оценить величину дозы флокулянта и характеризовать влагоотдающие свойства осадка, что учитывается в реальных промышленных условиях.

В данном случае был исследован осадок, подаваемый с осветлителей-рециркуляторов на фильтр-прессы водопроводных очистных сооружений. Для исследований были выбраны катионный и анионный флокулянты С-466 и А-100. Сравнительные характеристики флокулянтов и результаты исследований по обезвоживанию реальных осадков на фильтр-прессах представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика флокулянтов

Наилучшие результаты по обезвоживанию водопроводных осадков были получены при дозе 3 мг/г сухого вещества осадка (концентрация раствора 0,2%) флокулянта С-466 (влажность снижалась с 99,8% до 90,5%) и при дозе 2 мг/г сухого вещества осадка (концентрация раствора - 0,1%) флокулянта А-100 (влажность осадка снижалась с 99,8 до 84%).

На втором этапе исследований был проведен экспериментальный поиск оптимальных условий обезвоживания смеси сырого осадка и уплотненного активного ила очистных сооружений канализации г. Вологды с использованием минеральных и органических реагентов в цехе механического обезвоживания.

Флокулирующие свойства флокулянтов зависят от химического состава, т.е. от наличия соотношения и расположения в макромолекуле различных функциональных групп, молекулярной массы и степени разветвленности макромолекул, величины и знака заряда. Кроме того, свойства зависят от соотношения количества макромолекул различной молекулярной массы, структурных и химических неоднородностей полимерных цепей и некоторых других труднофиксируемых в производственных условиях факторов.

Более точно выбрать оптимальный тип флокулянта для обезвоживания осадка с конкретными свойствами можно лишь путем сопоставления эффекта флокуляции различных образцов в лабораторных условиях. В данном случае предстояло обезвоживать смесь сырого осадка и уплотненного избыточного ила, подаваемую с метантенков на фильтр-прессы цеха механического обезвоживания. Для экспериментов были выбраны катионные высокомолекулярные флокулянты Zetag-7692 и Praestol-BC. Характеристики флокулянтов Zetag-7692 и Praestol-853- BC приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики флокулянтов Zetag-7692 и Praestol-853-BC

Для нахождения оптимальных условий обезвоживания проводили обработку осадка при определенных дозах активного вещества флокулянта на сухое вещество в различных соотношениях смеси избыточного активного ила и сырого осадка. При проведении лабораторных испытаний применялся фильтрационно-обезвоживающий тест. Соответственно при каждом испытании определяли крупность флокул, образуемых при обработке осадка исследуемым флокулянтом, количество взвешенных веществ в фильтрате, влажность получаемого кека, отделение кека от фильтрующей сетки, скорость водоотдачи.

В процессе проведения экспериментов было выполнено пять серий опытов с трехкратной повторностью по обезвоживанию осадков ОСК г. Вологды при соотношениях сырого осадка (СО) и избыточного активного ила (АИ) в смеси от 1:1 до 1:5, обработанной флокулянтами Zetag- 7692 и Praestol-853-ВС в дозах от 1 до 5 мг/г по сухому веществу и в естественном состоянии. При обработке флокулянтами использовались растворы с концентрацией действующего вещества 0,05%; 0,1%; 0,15%; 0,2%.

При проведении опытов по исследованию свойств обрабатываемой флокулянтами смеси выявлены следующие закономерности:
- обрабатываемая смесь сырого осадка и уплотненного активного ила имела среднюю влажность 97,96 %;
- средняя зольность осадка составляла 98,07 %;
- при получении исходных растворов флокулянтов наибольшая вязкость наблюдалась у растворов с концентрацией активной части флокулянта 0,2%, поэтому при обработке смеси осадка требовалось более интенсивное перемешивание;
- более крупные флокулы образовывались при обработке раствора флокулянта концентрацией 0,2%, флокулы наименьших размеров образовывались при концентрациях флокулянтов 0,05%, что сказывалось в последнем случае на наличии взвешенных веществ в фильтрате;
- при соотношениях сырого осадка и активного ила 1:4 и 1:5 и дозах флокулянтов 3-5 мг/г сухого вещества осадка фильтрат имел высокую прозрачность и слабый запах по сравнению с другими образцами;
- в пробах смеси, обезвоживаемых без применения флокулянтов, фильтрат практически не осветлялся, его количество было примерно в два раза меньше количества фильтрата обрабатываемой смеси, обезвоженная часть осадка плохо отделялась от фильтрующей сетки и создавала проблему в ее промывке;
- при добавлении в обрабатываемую смесь негашеной извести с содержанием активной части 15% (в пересчете на СаО) в качестве присадки и стабилизирующего реагента в сочетании с оптимальными дозами флокулянтов положительных результатов не обнаружено, т.к. при повышении активной реакции среды (рН = 12) флокулянт с осадком не реагировал.

При обработке обезвоживаемой смеси флокулянтом Praеstol-853-ВС свободное стекание влаги в лабораторных условиях завершалось во всех опытах через 90-180 сек. после начала фильтрования. В этот период образовывалась основная часть объема фильтрата. Максимальный объем свободно стекающего фильтрата при проведении опытов имел место при дозе флокулянта 2 мг/г в соотношении СО:АИ = 1:2 при подаче флокулянта в растворе 0,05% концентрации. Достаточно интенсивно процесс обезвоживания протекает при идентичных условиях с дозой флокулянта 1 мг/г.

По среднесуточным объемам образующихся осадков на Вологодских КОС (станция аэрации) было установлено отношение СО:АИ, равное 1:3. При таких условиях оптимальная доза флокулянта Praestol-853-ВС равна 1 мг/г с подачей раствора 0,05% концентрации. С увеличением концентрации раствора интенсивность процесса обезвоживания снижается.

При обработке смеси флокулянтом Zetag-7692 максимальное количество фильтрата имеет место при дозах флокулянта 1 мг/г (0,05% раствор), 2 мг/г (0,05% раствор). При этом процесс образования фильтрата протекает заметно и по активности незначительно отличается от аналогичного при обработке флокулянтом Praestol-853-ВС.

При соотношении СО:АИ =1:3 оптимальная доза Zetag-7692 составляет 1 мг/г с подачей флокулянта в растворе 0,05% концентрации.

Проведенные эксперименты показали, что соотношение СО:АИ в обрабатываемой смеси при использовании флокулянтов Praestol и Zetag влияет на водоотдачу практически одинаково: при СО:АИ от 1:1 до 1:3 оптимальная доза флокулянта, обеспечивающая максимальную водоотдачу, составляет 1-2 мг/г (0,05%); при обработке Praestol максимальная водоотдача имеет место при дозе 2 мг/г (0,05%) и СО:АИ= 1:2; при обработке Zetag при дозе 1 мг/г (0,05%) СО: АИ=1:1 (0,05%) и дозе 2 мг/г (0,2%) СО: АИ=1:1.

При соотношениях СО:АИ=1:4 и 1:5 оптимальные дозы Zetag - 2 мг/г (0,05%), a при обработке осадков флокулянтом Prаestol при СО:АИ 1:4 - 2 мг/г (0,1%), при соотношении 1: 5 доза Praestol составляет 2 мг/г (0,1%). При обработке смеси осадков флокулянтом Zetag в вышеуказанных дозах в период обезвоживания смеси осадков имел место максимальный выход фильтрата. При обработке флокулянтом Prаestol СО:АИ=1:4 выход фильтрата меньше, чем при отношении СО:АИ=1:2, и меньше, чем при аналогичном соотношении после обработке флокулянтом Zetag, такая же ситуация с соотношением СО:АИ=1:5.

При увеличении доли активного ила в смеси осадков возрастает доза требуемого флокулянта, изменяются условия обработки смеси осадков флокулянтом и снижается объем отводимого фильтрата, хотя водоотдача практически не изменяется.

Результаты выполненных исследований показывают, что дозы флокулянтов Zetag-7692 и Praestol-853- BC при обработке смеси осадков очистных сооружений канализации городов изменяются пропорционально изменению соотношения СО:АИ. Результаты экспериментов по обезвоживанию осадка городских очистных сооружений на различном оборудовании с применением флокулянтов (в том числе отечественных ОКФ) и без них представлены в таблицах 3, 4, 5, 6.

Таблица 3. Эффективность обезвоживания осадков на ленточных пресс-фильтрах «Бельмер»

Таблица 4. Эффективность обезвоживания осадков городских очистных сооружений на пресс-фильтрах «Бельмер»

Таблица 5. Сравнительная оценка технологических характеристик ленточных пресс-фильтров и центрифуг по обезвоживанию осадков

Таблица 6. Результаты по обезвоживанию осадков канализационных сооружений на центрифугах ОГШ 502 и ОГШ 1001 К-01

Проблемы обезвоживания осадков сточных вод характерны и для многих зарубежных стран [4, 5]. Успешно решена проблема обработки и обезвоживания осадков в Швеции [6]. Хорошие результаты достигнуты на очистных сооружениях канализации в Москве и Санкт-Петербурге [7-10].

Заключение

Увеличение дозы флокулянта при обработке обезвоживаемой смеси приводит к снижению водоотдачи и объема выделяемого фильтрата. Поэтому в процессе обезвоживания необходимо ориентироваться на оптимальные дозы флокулянтов, что обеспечит эффективность процесса при минимуме эксплуатационных затрат.

В любом случае перед выбором оборудования для обработки осадка необходимо проведение лабораторных (на моделях) и опытно-промышленных испытаний.

Выводы

Результаты исследования показали, что эффективность обезвоживания на центрифугах значительно ниже эффективности, полученной на пресс-фильтрах. Кроме того, в довольно большом интервале по дозе флокулянта от 2,5 до 6 кг на одну тонну сухих веществ результаты обезвоживания на пресс-фильтрах близки, т.е. при ведении технологического процесса можно устанавливать минимальную дозу по флокулянту без ущерба для результатов обезвоживания, что с точки зрения экономии дорогого флокулянта очень важно.

 Литература:
1. Вейцер Ю.И. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод/ Ю.И.Вейцер, Д.М. Минц М.: Стройиздат, 1984. - 192 с.
2. Zetag-92. Cationic Polielecktrolyte. Allied Colloids. Technical&Processing Data. Pollution Control Division. TPD 2003.
3. Praestol. Reagents for the clarification of pumps and dewatering of slurries. Chemusche fabrik Stokhausen Praestol-information. 2.00.
4. Saleh Al-Muzaini. Environmental Sciences Department, Kuwait Institute for Scientific Research. Performance of sand drying beds for sludge dewatering. - The Arabian Journal for Science and Engineering. - 2003. - October. - № 2 (v. 28). - P. 161-169.
5. Peter Rose. Decanter centrifuges solve sludge backlog problem. - Water & Wastewater International. - 2005. - September. 5. Hultman B. and Levlin E. Sustainable sludge handling. // In: Plaza E., Levlin E. and Hultman, B.(Eds). Advanced wastewater treatment: Report № 2, Joint Polish. - Swedish reports, Div. of Water Resources Engineering, KTH. - 1997. - P. 5.
6. Hultman B. Trends in Swedish sludge han- dling. // In: Plaza, E., Levlin E. and Hultman B. (Editors). Sustainable Municipal Sludge And Solid Waste Handling. - 1999. - Report № 5. - P. 13
7. Жуков Н.Н. Состояние и перспективы развития сооружений по обработке водопроводных и канализационных осадков в городах России // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - № 12 (ч. 1). - С. 3-6.
8. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. - Москва: Изд- во Ассоциации строительных вузов. - 2004. - 704 с.
9. Кармазинов Ф.В., Пробирский М.Д., Васильев Б.В. Опыт Водоканала Санкт-Петербурга по обработке и утилизации осадков // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - № 12 (ч. 1). - С. 13-15.
10. Храменков С.В., Загорский В.А., Пахомов А.Н., Данилович Д.А. Обработка и утилизация осадков на московских станциях аэрации // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - № 12 (ч. 1). - С. 7-12.
11. Ресурсосберегающие технологии в системах водного хозяйства промышленных предприятий: Учеб. пособие/ Л.И. Соколов - М.: изд-во АСВ, 1997- 256 с.
12. Основы промышленного водоснабжения и водоотведения: в трех томах, т.2: Учебн. пособие/ Л.И. Соколов- Вологда: ВолГУ, 2015.-216с.

Study of the effectiveness of flocculants in the treatment of precipitation water and sewage

The article analyzes the conditions of dewatering natural and waste waters using mineral and organic reagents. The results of studies on the effectiveness of well:known foreign flocculants:466, A:100, ZETAG:7692 and PRAESTOL:853:BC. Presents the procedures and results of investigations of the author on the selection of brands and dosages of the flocculants used in the process of mechanical dewatering of natural water and sewage, a comparative analysis of equipment and apparatus for dewatering using flocculants of different types. Special attention is paid to the problem of dewatering of raw sludge and excess active sludge treatment facilities of the Sewerage of Russian cities. The article also provides an assessment of the situation in Russia and the conclusion about the necessity of using foreign experience in the treatment of waste generated during the purification of natural and waste waters.

Keywords: mechanical dewatering, flocculants, sediment, natural water, raw sludge and activated sludge of wastewater treatment plants.

Sokolov Leonid Ivanovich, Doctor of Engineering, Professor. Vologda State University. Russian Federation, 160000, Vologda, Lenin Street,15. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №9 (109), 2016 г.