Способ и устройство для обработки гидрофильных полужидких отходов посредством воздействия гидравлической турбулентности в сочетании с окислением и химическими реакциями при введении добавок
Изобретение относится к устройству для обработки отстоя (ила) и осадка сточных вод. Продукт, включающий гидрофильный отстой или осадок, содержащий, по меньшей мере, 70% воды и твердую фракцию, содержащую коллоидные вещества, помещают в корпус удлиненной формы, через который в продольном направлении проходит указанный обрабатываемый продукт между входным отверстием и выходным отверстием для обработанного продукта. В устройстве предусмотрено по меньшей мере, одно отверстие для подачи сжатого воздуха в указанный корпус и, по меньшей мере, одно отверстие для введения химических добавок в указанный корпус; по меньшей мере, два полых отсека, разделенных стенкой, перпендикулярной оси корпуса; по меньшей мере, одно упругое средство, закрепленное на указанной стенке, позволяющей перемещать продукт из одного отсека в другой. Упругое средство выполнено с возможностью создания противотоков, вызывающих механические удары и гидравлическую турбулентность в обрабатываемом продукте, разрушения коллоидных веществ и выполнения автофильтрации обрабатываемого продукта. Технический эффект - обеспечение возможности повторного использования отходов для обогащения почв и в системах строительных материалов. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству для обработки отстоя (ила) и осадка сточных вод с целью обеспечения возможности их повторного использования для обогащения почв и в системах строительных материалов.
Областью техники, к которой относится изобретение, является производство оборудования для обработки отстоя и осадка сточных вод.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Эти продукты традиционно дегидратируют посредством выпаривания, центрифугирования или фильтрации, чтобы отделить твердую фракцию от жидкой фракции.
В случае выпаривания для извлечения жидкой фазы продукты нагревают.
В случае фильтрации жидкую и твердую фазы разделяют. Фильтрация - наиболее широко используемый способ обработки. К этим методикам относятся вакуумная фильтрация, фильтрация под давлением в камерах, герметизированных фильтрами, камерные фильтр-прессы, мембранные или автоматические фильтр-прессы, или даже ленточные напорные фильтры, фрикционные прессы или центробежные прессы.
При практическом применении этих методик получают довольно низкий выход из-за физических характеристик воды, содержащейся в обрабатываемых продуктах. Вода находится в двух формах - свободной или захваченной твердой структурой. Производительность установок часто повышается при добавлении флоккулянтов или коагулянтов.
Эффективность методик выпаривания и фильтрации ограничена из-за влияния текстуры обрабатываемых продуктов. Отстой (ил) и осадок сточных вод являются продуктами, содержащими жидкую и твердую фазы, которые трудно разделить из-за присутствия коллоидных веществ. Эти вещества состоят из молекул очень маленького размера (менее одной десятой микрометра), которые очень трудно отделить от воды и собрать в гидрофильные пакеты в составе твердой фракции. За счет эффекта удержания воды эти вещества мешают эффективной дегидратации отстоя и осадка сточных вод, которые из-за этого остаются очень влажными, тяжелыми, непористыми продуктами, которые трудно использовать для обогащения материалов, особенно в сельском хозяйстве.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей способа согласно настоящему изобретению является устранение проблемы разделения фракций в резервуарах для отстоя и осадка сточных вод за счет сильного влияния на коллоидные вещества. На основании глубокого изучения текстуры этих веществ и перспективы использования этих продуктов для обогащения материалов способ, описанный в данной работе, включает серию механических ударов, окисление и химические реакции, проводимые непрерывно в специфическом оборудовании.
Полужидкие отходы, представляющие собой отстой и осадок сточных вод, обрабатываемые на этом оборудовании, являются сильногидратированными и жидкими и содержат не менее 70% воды. Остаток содержит твердые минеральные и органические вещества, часть которых является коллоидными веществами. Механические импульсы (удары, толчки), окисление и химические реакции, главным образом, непосредственно воздействуют на коллоидные вещества, разрушая их и вызывая их реакции с реагентом с целью модификации их формы и экстракции из них структурной воды. Эти вещества, изначально гидрофильные, присоединяются к остальной твердой гидрофобной фракции благодаря обработке, способствующей разделению жидкой и твердой фаз.
Обрабатываемые продукты являются органическими гидрофильными продуктами с долей органического вещества, часто превышающей 40% от общего содержания сухого вещества, например илом из очистных сооружений и сточными водами предприятий пищевой промышленности, пивоваренных заводов, скотобоен, маслобоен, консервных заводов, скотоводческих ферм, а также гидрофильными минеральными продуктами, в которых содержание органического вещества также может превышать 40%, например илом, добываемым в результате дноуглубительных работ на реках, каналах, прудах, озерах, водохранилищах, в портах, и даже волокнистым осадком сточных вод предприятий бумагоделательной промышленности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В приведенном далее описании даны ссылки на прилагаемые диаграммы, оно также содержит не ограничивающий его пример, иллюстрирующий одну из предпочтительных форм осуществления изобретения.
Фиг.1 является схемой оборудования для осуществления способа.
Фиг.2 является видом оборудования, изображенного на фиг.1, в разрезе в поперечном направлении по линии А-А.
Оборудование представляет собой кессон, имеющий форму параллелепипеда и разделенный на полые отсеки (6), отделенные друг от друга стенками, позволяющими перемещать (9) материал от одного отсека к другому, а также снабженными, по меньшей мере, на одной из торцевых поверхностей упругими средствами (7), способными создавать сильную турбулентность за счет противотоков в каждом отсеке.
Каждый полый отсек открыт во внешнюю среду при помощи, по меньшей мере, одного круглого отверстия (2 и 3) для соединения с компрессором, насосом или другим сходным оборудованием. Кессон имеет удлиненную форму. Концевые отсеки оборудованы входными отверстиями (1) для продуктов, подлежащих обработке, и выходными отверстиями (4) для обработанных продуктов.
В нижней части оборудование снабжено фильтрами для эвакуации части жидкой фазы в процессе ее движения по кессону. Фильтрация осуществляется через текстильную структуру (8), покрывающую поверхность, по меньшей мере, одного отсека. Эвакуация осуществляется под оборудование за счет силы тяжести. В зависимости от вида обрабатываемых продуктов это удаление под действием силы тяжести (5) является открытым или закрытым для стока. Оборудование изготовлено из нержавеющей стали, дающей преимущество за счет каталитического действия Fe3+ ионов. Оборудование работает без ограничения объемной скорости за счет адаптации его размеров. Оно может состоять, например, из полого кессона, имеющего форму параллелепипеда, характеризующегося малой площадью сечения, поперечного направлению течения, и значительной длиной, параллельной направлению течения, которая, по меньшей мере, в 3 раза превышает длину самой длинной стороны сечения, перпендикулярного потоку.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ включает две фазы: одну фазу, в ходе которой производятся механические удары и окисление вещества, и вторую фазу, в ходе которой запускаются химические реакции посредством введения добавок. Эти две фазы являются последовательными. Способ функционирует непрерывно без фазы остановки процесса.
Продукты, подлежащие обработке, подают в оборудование с одного из его концов. Они подвергаются фазе обработки в условиях сильной турбулентности, возникающей за счет подачи сжатого воздуха, а также за счет наличия упругих средств, закрепленных на стенках (или встроенных в стенки) отсеков, образующих оборудование. Стенки, расположенные перпендикулярно потоку, образуют границы этих полых отсеков. Эти стенки, обеспечивающие течение продуктов, имеют отверстия и оборудованы упругими средствами, создающими противоположно направленные потоки материала и вследствие этого необходимые гидравлические удары. Противотоки наносят гидравлические удары по составляющим материала, разбивая коллоидную массу и обеспечивая автофильтрацию продукта между различными его фракциями, что вызывает распределение продукта между жидкой и твердой фракциями. Эти эффекты также способствуют разделению на твердую и жидкую фазы. Принудительная и турбулентная аэрация способствует интенсивному окислению материала. Воздействие аэрации на продукты состоит в разрушении анаэробных микроорганизмов, которые могли образоваться в продуктах.
Продукт переходит из одного отсека в другой, теряя энергию и воду.
Вода проходит над фильтрующей текстильной структурой, расположенной на дне каждого отсека. Эти фильтрующие структуры сообщаются друг с другом и обеспечивают возможность вытекания воды через отверстие, расположенное на дне оборудования. Продукт продолжает двигаться в оборудовании, взбалтывается за счет турбулентности, и его давление постепенно уменьшается. Вводятся жидкие или твердые добавки, причем этому введению способствует относительное снижение давления внутри оборудования. Эти добавки с коагулирующими свойствами состоят из хлорида трехвалентного железа, сульфата трехвалентного железа, сульфата двухвалентного железа, сульфата алюминия, хлорсульфата железа, полимерных флоккулянтов, силиката натрия, алюмината натрия, сильных оснований, порошковой (гашеной) извести, магниевой извести, негашеной извести, едкого гидрооксида натрия, оксида магния или смеси, по меньшей мере, двух из этих продуктов.
Эти добавки, влияющие на твердые вещества, заливаются в окисленную среду для модификации ее макроскопических и микроскопических структур. Коагулянты и флоккулянты создают необходимые электромагнитные условия для агрегации твердых гидрофобных частиц с целью повышения гранулярности твердой фракции. Сильные основания, коагулянты и флоккулянты действуют как химические реагенты и ионные катализаторы. Эти добавки вызывают реакцию органического вещества и коллоидного вещества, макроскопические структуры которых были разрушены в предшествующих сильноаэрируемых отсеках. Происходят кислотно-основные и окислительно-восстановительные реакции, ускоряющиеся за счет благоприятных электромагнитных условий, обеспечиваемых действием ионов металлов, способствующие окислению и обеспечивающие минерализацию части ионизированных структур органического вещества и коллоидного вещества. Следствием возрастания водородного потенциала до очень высоких значений - от 10 до 12 - является разрушение аэробных микроорганизмов, которые могли поселиться в продуктах.
Образование макроскопических гидрофобных конгломератов и микроскопических минеральных структур также приводит к снижению плотности твердой фракции за счет образования вакуума в порах и лакунах.
Благодаря интенсивному перемешиванию в аэробных условиях и добавлению реактивов в обменной емкости происходит достаточное поглощение кислорода и необратимое окисление положительных ионов металлов, способствующее получению желаемой стабильности материала.
Таким образом, молекулы, образовавшиеся в ходе более или менее продолжительной стадии аноксии, преобразуются в окисленную форму. Аммиак NH3 преобразуется в нитрат NO3, сульфид водорода H2S преобразуется в сернистую кислоту Н2SO3. Метан CH4 преобразуется в диоксид углерода CO2 и воду Н2О.
Способ не создает неприятного запаха. То же относится к конечному продукту.
Обычные и тяжелые металлы, обнаруживаемые в продукте, подлежащем обработке, в ионизированной форме преобразуются в их оксиды.
Продукты выходят из оборудования с конца, противоположного входу. Выделяющиеся газы СО2 и NO3 выпускаются из оборудования вместе с обработанным продуктом. Обработанный продукт все еще остается смешанным с водой, большая часть которой теперь находится в промежуточной форме. В этой форме воду легко можно удалить посредством выпаривания, дренажа, центрифугирования или прессования продукта.
Полученные после обработки продукты могут быть проданы для различных целей. В области сельского хозяйства продукт образует пористую часть почвы, способную улучшить комплекс гуминовых глин почв, при условии, что это допустимо из-за низкого содержания в нем тяжелых металлов, меди, цинка, свинца, кадмия, никеля, ртути или селена. В области заместительных материалов продукт независимо от того, происходит ли он от изначально сильноминерализованного продукта, или минерализован данным способом, может быть использован в процессах промышленного производства кирпича, строительных блоков или других строительных материалов.
Пример
Оборудование для обработки состояло из стального бака с длиной 10 м и диаметром 2 м, внутри которого были размещены 2 стенки, вырезанные таким образом, что участок, пропускающий продукт, каждого выреза, сделанного в стенке, имел форму спирали, то есть каждая стенка выполняла функцию переноса осадка (ила), подлежащего обработке, из одного отсека в соседний отсек, и функцию упругого средства, генерирующего удары и противотоки.
Это оборудование было снабжено двумя архимедовыми винтами для извлечения и перемещения осадка после обработки. Устройство в сборке весило 14 т в пустом состоянии.
Оборудование включало воздушный компрессор низкого давления, обеспечивавший поток воздуха с объемной скоростью 1000 м3/час под давлением 1,7 бар (абсолютным), и 2 системы для дозирования и подачи реагентов в бак.
Установка питалась от электрогенератора мощностью 70 кВт.
Было использовано два типа реагентов: гашеная известь Са(ОН)2 в пропорции, равной 5% от содержания органического вещества в иле, поступавшем в оборудование, и катионный полимер в пропорции, равной 0,05% от содержания сухого вещества (органического и неорганического вещества) в иле, поступавшем в оборудование.
Стенки, расположенные внутри бака, были расположены перпендикулярно направлению потока ила (и продольной оси бака).
Они ограничивали три последовательных отсека. В первый, расположенный по направлению потока ила, отдельно от ила подавали сжатый воздух и гашеную известь в виде водного раствора. Полимер в виде водного раствора подавали во второй отсек. Декантация тяжелого материала, извлекавшегося архимедовыми винтами со дна бака, осуществлялась в третьем отсеке. Воду, отделенную от твердой фракции, удаляли из этого третьего отсека с помощью водослива.
Ил (отстой) с плотностью 1,15 подавали в устройство с объемной скоростью 407 м3/час (или 450 т/час). Доля твердого материала (плотность 2,5) составляла 10% от массы поступающего ила (то есть 45 т/час или 18 м3/час).
Доля органического материала, содержавшегося в этом твердом материале, составляла 10% или 4,5 т/час; остальную часть твердого материала составляли минеральные вещества.
В устройство подавали 1000 м3/час сжатого воздуха под давлением 1,7 бар, 225 кг/час гашеной извести и 22,5 кг/час полимера.
После декантации и экстракции архимедовыми винтами был получен ил с плотностью 1,7 с объемной скоростью 40 м3/час или 67 т/час. Обработанный ил на выходе из оборудования содержал 45 т/час или 18 м3/час твердого вещества на 22 т/час или 22 м3/час воды (плотность 1).
Путем слива из бака получали воду, отделенную от твердой фракции ила, с объемной скоростью 383 т/час или 383 м3/час. Эта вода содержала долю твердого вещества, равную 0,02% или 77 кг/час.
1. Устройство для непрерывной обработки продукта, включающего гидрофильный отстой или осадок, содержащего, по меньшей мере, 70% воды и твердую фракцию, содержащую коллоидные вещества, включающее корпус удлиненной формы, через который в продольном направлении проходит указанный обрабатываемый продукт между, по меньшей мере, входным отверстием и выходным отверстием для обработанного продукта; по меньшей мере, одно отверстие для подачи сжатого воздуха в указанный корпус и, по меньшей мере, одно отверстие для введения химических добавок в указанный корпус; по меньшей мере, два полых отсека, разделенных стенкой, перпендикулярной оси корпуса; по меньшей мере, одно упругое средство, закрепленное на указанной стенке, позволяющей перемещать продукт из одного отсека в другой, причем это упругое средство выполнено с возможностью создания противотоков, вызывающих механические удары и гидравлическую турбулентность в обрабатываемом продукте в, по меньшей мере, одном из указанных отсеков, разрушения коллоидных веществ и выполнения автофильтрации обрабатываемого продукта.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стенка также имеет отверстия и расположена перпендикулярно потоку обрабатываемого продукта.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус имеет длину, по меньшей мере, в 3 раза превышающую длину самой длинной стороны сечения, перпендикулярного потоку.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус дополнительно содержит средство для фильтрации.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругое средство встроено в указанную стенку между указанными отсеками.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругое средство выполнено в виде выреза в форме спирали, сделанного в стенке между указанными, по меньшей мере, двумя отсеками.
7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средство для фильтрации представляет собой текстильную структуру.
8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средство для фильтрации расположено в нижней части корпуса для эвакуации воды, содержащейся в обрабатываемом продукте.
9. Способ непрерывной обработки гидрофильного отстоя или осадка, содержащего, по меньшей мере, 70% воды, а также органические и коллоидные вещества, при помощи устройства, как оно определено в любом из пп.1-8, включающий следующие этапы:
на первом этапе в обрабатываемом отстое или осадке создают сильную турбулентность и противоток указанных веществ путем введения сжатого воздуха и действия указанных упругих средств в обрабатываемом отстое или осадке и
на втором этапе осуществляют химические реакции указанных органических и коллоидных веществ путем введения химической добавки или химических добавок.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что на первом этапе осуществляют сильное окисление вещества и разрушают содержащиеся в нем коллоидные массы.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что на втором этапе вводят коагулирующие добавки и флоккулянты.
12. Способ по п.9, отличающийся тем, что в процессе осуществления первого или второго этапа вводят сильные основания для того, чтобы минерализовать органические вещества и коллоидные вещества.
13. Способ по п.9, отличающийся тем, что осуществляют повышение уровня рН до величины от 10 до 12.
14. Способ по любому из пп.9-13, отличающийся тем, что после второго этапа воду и обработанные продукты отделяют посредством выпаривания, дренирования, центрифугирования или путем прессования продукта.
