XJY Преобразование осадка сточных вод в твердые биологические вещества: путь очистки сточных вод и не только
Внедрение технологии обработки осадка XJY
До 1950 года большинство населенных пунктов в Соединенных Штатах сбрасывали сточные воды или нечистоты в ручьи и реки практически без очистки. По мере роста городского населения естественная способность ручьев и рек перерабатывать сточные воды была нарушена, что привело к ухудшению качества воды во многих регионах. В ответ на обеспокоенность по поводу ухудшения качества воды тысячи общин по всей территории Соединенных Штатов построили системы очистки сточных вод в 1950-х и 1960-х годах. Это привело к значительному улучшению качества речной и речной воды, но создало еще один материал, с которым придется иметь дело: осадок сточных вод. Примерно 99% потока сточных вод, поступающих на очистные сооружения, сбрасывается в виде обновленной воды. Остальное представляет собой разбавленную суспензию твердых частиц, уловленную в процессе очистки. Эти твердые частицы очистки сточных вод обычно называют осадком сточных вод.
«Осадки сточных вод» или «твердые биологические вещества» — что в названии?
Термин «твердые биологические вещества» недавно был введен в практику очистки сточных вод. В промышленности твердые биологические вещества определяются как осадки сточных вод, прошедшие достаточную обработку для стабилизации и снижения количества патогенов и имеющие достаточно высокое качество для внесения в почву. Этот термин предназначен для того, чтобы отличить высококачественный очищенный осадок сточных вод от необработанного осадка сточных вод и от осадка сточных вод, который содержит большое количество загрязнителей окружающей среды. Термин «твердые биологические вещества» также помогает отличить осадки сточных вод от промышленных осадков, подчеркивая, что первые образуются в результате биологического процесса. Некоторые раскритиковали этот термин как попытку скрыть истинную природу осадка сточных вод, тем самым сделав внесение этого материала в почву менее нежелательным для широкой общественности. Хотя «твердые биологические вещества», несомненно, не вызывают в воображении таких же негативных образов, как «осадки сточных вод» или просто «ил», это законный и функциональный термин, если его правильно использовать для проведения различия, описанного выше. В этом документе термин «осадок сточных вод» будет использоваться для обозначения твердых веществ, образующихся при очистке сточных вод, в целом, а термин «твердые биологические вещества» будет использоваться конкретно для обозначения материала, пригодного для применения в почве.
картина 6Осадок сточных вод
Производство осадка муниципальных сточных вод XJY
Муниципальные сточные воды или сточные воды — это вода, которая использовалась в городских и пригородных домах или на предприятиях для мытья, купания и смыва в туалетах. Муниципальные сточные воды также могут включать воду из промышленных источников. Чтобы удалить химические вещества или загрязняющие вещества, образующиеся в результате промышленных процессов, промышленные предприятия, вносящие вклад в муниципальные системы сточных вод, должны предварительно очистить свои сточные воды перед их сбросом в канализационную систему. Сточные воды подаются через систему бытовой канализации на централизованную станцию очистки сточных вод (иногда называемую общественными очистными сооружениями или POTW). На POTW сточные воды проходят ряд стадий очистки, в которых используются физические, биологические и химические процессы для удаления питательных веществ и твердых веществ, расщепления органических материалов и уничтожения патогенов (болезнетворных организмов) в воде. Обновленная вода сбрасывается в ручьи и реки или может распыляться на большие площади земли.
рисунок 7. Осадок городских сточных вод
Предварительная очистка неочищенных сточных вод включает в себя просеивание для удаления крупных предметов, таких как палки, бутылки, бумага и тряпки, а также стадию удаления песка, во время которой неорганические твердые вещества (песок, гравий, зола) быстро оседают из воды. Отбросы и песок, удаленные на этом этапе очистки, обычно вывозятся на свалку и не становятся частью осадка сточных вод.
Первичная обработка включает процессы гравитационного осаждения и флотации, которые удаляют примерно половину твердого материала, попадающего на эту стадию. Твердый материал (как органический, так и неорганический), который оседает на этом этапе очистки, вытягивается со дна и представляет собой первичный ил. В большинстве POTW плавающий материал (нефть, жир, древесина и растительные вещества), снимаемый с поверхности воды во время первичной очистки, утилизируется отдельно и не становится частью первичного ила.
Вторичная очистка — это тщательно контролируемый и ускоренный биологический процесс, в котором природные микроорганизмы используются для разложения (разложения или переваривания) взвешенных и растворенных органических материалов в сточных водах. Этот материал преобразуется в углекислый газ, который выбрасывается в атмосферу и в микробную клеточную массу.
Во вторичных отстойниках микробная клеточная масса оседает на дно и удаляется. Этот преимущественно органический материал называется вторичным осадком.
Некоторые очистные сооружения также включают стадии третичной очистки, предназначенные для дальнейшего снижения питательных веществ для растений (азота и фосфора), взвешенных твердых веществ или биологической потребности в кислороде в сточных водах. Химическое осаждение фосфора и фильтрация дают третичный ил.
Наконец, вода проходит дезинфекционную обработку для уничтожения болезнетворных микроорганизмов. Обновленная вода затем сбрасывается в ручей или реку или может распыляться на большие площади земли.
XJY Методы очистки осадка городских сточных вод
Первичные, вторичные и третичные осадки обычно объединяются, и полученная смесь, содержащая от 1 до 4% твердых веществ, называется «сырым» осадком сточных вод. Из-за содержания патогенов и нестабильной, разлагаемой природы неочищенный осадок сточных вод представляет собой потенциальную опасность для здоровья и окружающей среды; однако в настоящее время используется несколько процессов очистки для стабилизации осадка сточных вод, снижения содержания в нем патогенов и увеличения содержания твердых веществ. Некоторые из наиболее часто используемых процессов стабилизации и снижения уровня патогенов в осадке сточных вод перечислены и кратко описаны в Таблице 1.
| Метод лечения | Описание | Воздействие на ил |
| Утолщение | Твердые частицы ила концентрируются либо за счет осаждения под действием силы тяжести, либо за счет введения воздуха, что заставляет твердые частицы ила всплывать на поверхность. | Шлам сохраняет свойства жидкости, но содержание твердых веществ увеличивается до 5–6%. |
| Обезвоживание | Обезвоживание
|
|
| Анаэробное пищеварение | Один из наиболее широко используемых методов очистки осадка. Ил выдерживают в отсутствие воздуха от 15 до 60 дней при температуре от 68 до 131°F. Анаэробные бактерии питаются илом, производя метан и углекислый газ. На некоторых очистных сооружениях метан собирается и сжигается для поддержания температуры очистки. |
|
| Аэробное пищеварение | Осадок перемешивают воздухом или кислородом в течение 40–60 дней при температуре от 59 до 68°F. Аэробные бактерии питаются илом, выделяя углекислый газ. |
|
| Щелочная стабилизация | К осадку добавляется достаточное количество щелочного материала, чаще всего извести (CaO), чтобы повысить его pH как минимум до 12 на 2 часа. Уровень pH должен оставаться выше 11,5 в течение дополнительных 22 часов. |
|
| Компостирование | Осадок обезвоживают, чтобы увеличить содержание твердых веществ примерно до 20%, затем смешивают с органическим материалом с высоким содержанием углерода, таким как опилки. Смесь компостируется в аэробных условиях при температуре не менее 131°F в течение нескольких дней в процессе компостирования. |
|
Что содержится в осадке сточных вод?
Осадок сточных вод состоит из неорганических и органических материалов, больших концентраций некоторых питательных веществ для растений, гораздо меньших концентраций многочисленных микроэлементов¹ и органических химикатов, а также некоторых патогенов. Состав осадков сточных вод значительно варьируется в зависимости от состава сточных вод и используемых процессов очистки. В таблице 2 приведены средние и 95-й процентили концентрации питательных веществ для растений и некоторых микроэлементов, обнаруженных в осадке сточных вод. Эти данные взяты из обширного исследования осадков сточных вод, образовавшихся в Пенсильвании в 1996 и 1997 годах.
Варианты борьбы с осадком сточных вод
Осадок сточных вод можно рассматривать либо как органический и питательный ресурс, который можно использовать с пользой, либо как отходы, подлежащие утилизации. До 1991 года большое количество осадков сточных вод, в том числе из Пенсильвании, удалялось путем сброса в океан. Опасения по поводу избыточного содержания биогенных веществ в океанских водах привели к запрету этой практики. В настоящее время почти весь осадок сточных вод, образующийся в Пенсильвании, очищен и имеет достаточно высокое качество, чтобы его можно было классифицировать как твердые биологические вещества. Несколько менее половины этого материала выбрасывается на свалку или сжигается, а остальные твердые биологические вещества перерабатываются в почву при использовании в сельском хозяйстве, мелиорации, ландшафтном дизайне или садоводстве. Каждый из этих вариантов имеет связанные с ним экономические и экологические преимущества, проблемы и риски.
Вывоз на свалку
С точки зрения управления и обращения с материалами захоронение отходов, пожалуй, является самым простым решением. С экономической точки зрения захоронение отходов в настоящее время выгодно отличается от других вариантов. Однако ситуация, несомненно, изменится, поскольку площадь свалок станет более ограниченной, а плата за вывоз мусора (затраты на вывоз мусора) увеличится. С экологической точки зрения захоронение отходов предотвращает выброс любых переносимых осадком загрязняющих веществ или болезнетворных микроорганизмов за счет концентрации осадка в одном месте. Если полигон правильно построен и обслуживается, экологические риски минимальны.
Однако существуют риски, связанные с захоронением осадка сточных вод на свалках. Органические отходы подвергаются анаэробному разложению на свалках, образуя газ метан, который может быть выброшен в атмосферу. Метан — это парниковый газ, который участвует в глобальном потеплении. Другие газы, выделяющиеся на свалках, могут вызывать неприятные запахи. Большое количество питательных веществ, которые осадки сточных вод выбрасывают на свалку, представляют угрозу для местной окружающей среды. В случае выхода из строя покрытия свалки или системы сбора фильтрата эти питательные вещества могут загрязнить местные грунтовые и поверхностные воды. Вывоз на свалку осадка сточных вод также занимает ценное пространство на свалке и лишается потенциальных преимуществ органических веществ и питательных веществ для растений, содержащихся в осадке.
картина 8Вывоз на свалку
Утилизация сжигания
Сжигание осадка сточных вод уменьшает объем утилизируемого материала, полностью уничтожает болезнетворные микроорганизмы, разлагает большинство органических химикатов и восстанавливает небольшое количество теплоты, содержащейся в осадке сточных вод. Остаточная зола представляет собой стабильный, относительно инертный неорганический материал, составляющий всего от 10 до 20% объема исходного осадка. Большинство микроэлементов в осадках сточных вод концентрируются в золе (увеличение концентрации в пять-десять раз). Чаще всего этот материал выбрасывается на свалку, хотя потенциально его можно использовать в строительных материалах.
При сжигании также в атмосферу выбрасывается углекислый газ (еще один парниковый газ) и, возможно, другие летучие загрязнители (кадмий, ртуть, свинец, диоксины). Для работы мусоросжигательного завода требуются сложные системы для удаления мелких частиц (летучей золы) и летучих загрязняющих веществ из дымовых газов. Это делает сжигание одним из наиболее дорогих вариантов утилизации осадка сточных вод. Как и в случае с захоронением отходов, потенциальные выгоды от органических веществ и питательных веществ для растений в осадке сточных вод теряются.
рисунок 9. Утилизация для сжигания