Раздел IV Методи, процеси и съоръжения за пречистване на битови отпадъчни води

1. Раздел IVМетоди, процеси и съоръжения за пречистване набитови отпадъчни води Тема 25 Третиране на утайките • Видове, количество, състав и свойства на утайките • Основни процеси за обработка на утайките • Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките

2. IV.25. Третиране на утайките Общи бележки • Â ïðåчèñòâàòåëíèòå ñòàíöèè çà îòïàäúчíè âîäè êîëèчåñòâîòî íà çàäúðæàíèòå óòàéêè å от 0,6 до1 % îò òîâà íà îòïàäúчíèòå âîäè • Òðåòèðàíåòî íà óòàéêèòå îáàчå, àíãàæèðà çíàчèòåëíî ïî-ãîëÿìà чàñò îò îáùèòå êàïèòàëîâëîæåíèÿ è åêñïëîàòàöèîííè ðàçõîäè - 30 äî 60 %, â çàâèñèìîñò îò òåõíîëîãèчíàòà ñõåìà íà ïðåчèñòâàíå è êîíêðåòíèòå òåõíîëîãèчíè ïàðàìåòðè è óñëîâèÿ • Ïðîáëåìèòå ñà ñâúðçàíè ñ åæåäíåâíîòî íàòðóïâàíå íà çíàчèòåëíè êîëèчåñòâà óòàéêè ïîä ôîðìàòà íà êîíöåíòðèðàíè ñóñïåíçèè, êîèòî òðÿáâà ñâîåâðåìåííî äà ñå îòñòðàíÿò îò ïðåчèñòâàòåëíàòà ñòàíöèÿ áåç äà âëîøàâàò åêîëîãèчíàòà îáñòàíîâêà â ñúîòâåòíèòå ðàéîíè • Третирането, отстраняването и оползотворяването на утайките са обект на специално законодателство в САЩ, Европейския съюз и у нас

3. IV.25. Третиране на утайките Проблемът с утайките е световен • Третирането, оползотворяването и отстраняването на утайките от отпадъчните води на населените места са едни от най-трудните и скъпи мероприятия, провеждани днес от общините (R. Zenz, 1998) • Третирането на канализационните утайки по един икономичен и приемлив за околната среда начин е един от критичните въпроси пред които днес е изправено обществото (Lue-Hing,1996) • …Като следствие (от проблема с утайките – ред. Р. А.) ситуацията в големите градове е станала много трудна и се е развила от статус на ‘предизвикателство” до статус на “криза” (J.Hanzen, 1994)

4. IV.25. Третиране на утайките Същност на проблема с утайките • Утайките са двуфазни дисперсни системи състоящи се от • Твърда фаза (с определена дисперсност, химичен състав и повърхностно-активни свойства) • Течна фаза (с определен химичен състав и вискозност) • Поради високото съдържание на течната фаза (вода) утайките имат течна консистенция • Поради високото органично съдържание на твърдата фаза, утайките са предразположени към бързо загниване с отделяне на лошо миришещи газове и привличат инсекти и гризачи (vector attraction) на мястото на тяхното депониране или оползотворяване. Това налага те предварително да бъдат биологически стабилизирани в ПСОВ • Стабилизирането на утайките и отделянето на течната от твърдата фаза са основни технологични проблеми в пречиствателните станции за отпадъчни води

5. IV.25. Третиране на утайките 25.1. Видове, количество, състав и свойства на утайките • Видове утайки • Първични • Вторични (излишна биомаса) • Третични (фосфати, коагулати) • Количествени параметри на утайките • Специфично количество на първични утайки Vж = Mж.100/(100 – Wут).γут = 40.100/(100 – 95).1000 = 0,8 l/ж.d • Специфично количество на излишни активни утайки Vж = Mж.100/(100 – Wут).γут = 28.100/(100 – 99,6).1000 = 7 l/ж.d • Специфично количество на утайки след биофилтри Vж = Mж.100/(100 – Wут).γут = 28.100/(100 – 96).1000 = 0,7 l/ж.d

6. 25.1. Видове, количество, състав и свойства на утайките • Състав на утйките • Органични вещества (60 – 75 % в първичните; 70 – 75 % в активните) • Въглехидрати (65 – 70 % в първичните; 20 – 25 % в активните) • Мазнини (10 – 25 % в първичните; 15 - 20 % в активните) • Белтъци (10 – 20 % в първичните; 55 - 65 % в активните) • Дисперсност на твърдата фаза • Първични утайки:d > 10 mm – 2 %; d> 1 – 7 mm – 10 – 30 %; d < 1 mm – 50 – 85 % • Активни утайки: d> 3mm – 0,5 %; d = 1 – 3mm – 1,5 %; d < 1 mm – 98 % • Основни форми на свързване на водата в дисперсните системи (по Ребиндер) • Свободна вода (тече в земното гравитационно поле) • Физико-механично свързана вода (в капилярни пори и течен филм) • Физико-химично свързана вода (адсорбционна, осмотична) • Химично свързана вода ( в структурите на твърдата фаза)

7. IV.25. Третиране на утайките 25.2 Основни процеси за обработка на утайките • Уплътняване (сгъстяване) - цели намаляване на обема на утайките чрез отделяне на значителна част от свободната вода: V2 = V1.(100 – W1)/ .(100 – W2) • Стабилизиране – цели намаляване на органичното съдържание в утайките чрез биологично редуциране на значителна част от биоразградимите вещества в тях или химичното им обработване с цел превръщането им в биологически резистентни: • Биологично анаеробно стабилизиране • Биологично аеробно стабилизиране • Химично стабилизиране с вар • Обезводняване – цели отстраняване на по-голямата част от свободната вода, останала след уплътняването (сгъстяването) на утайките и на част от физико-механично свързаната вода: • Естествено (на изсушителни полета или лагуни) • Механично (на вакуум-филтри, филтърпреси или центрофуги)

8. 25.2 Основни процеси за обработка на утайките • Изсушаване – цели отстраняване на остатъчната част от свободната вода и значителна част от физико-химично свързаната вода: • Естествено (на изсушителни полета) • На сушилни апарати • Обеззаразяване – цели отстраняването на патогенните микроорганизми от утайките: • Чрез химична обработка (вар, хлор) • Чрез физично третиране (термична обработка до 105о С в автоклави; облъчване с ултравиолетови, инфрачервени или радиоактивни лъчи) • Изгаряне – цели превръщането на утайките в компактна (насипна) биорезистентна и обеззаразена маса с неорганичен състав: • Термична обработка при над 600о С в специални пещи

9. 25.2 Основни процеси за обработка на утайките Отстраняване на утайките от ПСОВ • Депониране - на депа за твърди отпадъци (ограничава се нормативно в САЩ и страните от ЕС) • Оползотворяване - насърчава се нормативно в САЩ и ЕС: • За наторяване в селското и горското стопанство • За рекултивация на терени • Използване на биомасата за добавка към храната на птици и животни • За извличане на витамин В12 от биомасата • За производство на пластмаси (вече неактуално) • За производство на биохумус и вермикултура (биомаса) – чрез т.н. “вермитехнология” Оползотворяване на отделения в ПСОВ биогаз • За производство на пара и топла вода – използвани в технологичните процеси и за отопление • За производство на електроенергия (в газ-генераторни ел. станции) • За производство на химикали (епизодична практика)

10. IV.25. Третиране на утайките 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Анаеробно стабилизиране • Àíàåðîáíàòà ôåðìåíòàöèÿ å ñëîæåí ìíîãîôàçîâ áèîõèìèчåí ïðîöåñ, ïðè êîéòî ñëîæíèòå îðãàíèчíè âåùåñòâà (âúãëåõèäðàòè, ìàçíèíè, ïðîòåèíè) ïîñëåäîâàòåëíî ñå ïðåâðúùàò â ïî-ïðîñòè ñúåäèíåíèÿ, à çíàчèòåëíà чàñò îò òÿõ ïðåìèíàâàò â ãàçîâà ôàçà • Òîçè êîìïëåêñ îò ïðîöåñè ñå îñúùåñòâÿâà îò ñïåöèôè÷íà áèîöåíîçà - ôàêóëòàòèâíè è îáëèãàòíè àíàåðîáíè ìèêðîîðãàíèçìè, ñâúðçàíè â îáùà ìåòàáîëèòíà âåðèãà, â êîÿòî, êàêòî å èçâåñòíî, ïðîäóêòèòå íà ìåòàáîëèçìà íà åäíà ãðóïà ìèêðîîðãàíèçìè ñà ñóáñòðàò çà ìèêðîîðãàíèçìèòå îò ñëåäâàùîòî çâåíî • Òîâà îïðåäåëÿ è âçàèìíîòî âëèÿíèå íà ïðîöåñèòå, èçâúðøâàùè ñå â ðàìêèòå íà âñÿêî ìåòàáîëèòíî ñòúïàëî, êîèòî ïî ïðàâèëî ïðîòèчàò ñ ðàçëèчíà ñêîðîñò

11. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Анаеробно стабилизиране • Êëàñèчåñêàòà ñõåìà çà ìåõàíèçìà íà àíàåðîáíîòî ðàçãðàæäàíå íà îðãàíèчíè âåùåñòâà â ñàíèòàðíàòà òåõíèêà å òàçè, ïðåäëîæåíà ïðåç 1936 ã. îò Áàðêåð, êîÿòî ïðåäñòàâÿ ïðîöåñà êàòî äâóôàçåí • Ñïîðåä íåÿ â ïúðâàòà ôàçà (êèñåëî ãíèåíå) ñëîæíèòå îðãàíèчíè ñúåäèíåíèÿ ñå ðàçëàãàò äî ïî-ïðîñòè âèñîêîìîëåêóëÿðíè ñúåäèíåíèÿ, êîèòî âïîñëåäñòâèå ñå ðàçïàäàò äî îðãàíèчíè êèñåëèíè - ñúîòâåòíî, âúãëåõèäðàòèòå è ìàçíèíèòå - äî ìàñòíè êàðáîíîâè êèñåëèíè, à ïðîòåèíèòå - äî àìèíîêèñåëèíè. Ïðè òîâà ñå îòäåëÿò è ãàçîîáðàçíè ïðîäóêòè: CO2, NH3, H2O, H2 è äð. • Îáðàçóâàëèòå ñå îðãàíèчíè êèñåëèíè ñå ðàçãðàæäàò ïî-íàòàòúê îò ñïåöèôèчíè ìèêðîîðãàíèçìè äî âîäà, ìåòàí, âúãëåðîäåí äâóîêèñ, àçîò è âîäîðîä (âòîðà ôàçà - àëêàëíî ãíèåíå)

12. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Анаеробно стабилизиране • Ñõåìàòà íà Áàðêåð íå å èçäúðæàíà â òåðìîäèíàìèчíî îòíîøåíèå, íî â ïðîäúëæåíèå íà äåñåòêè ãîäèíè ñå å îêàçàëà óäîáíà îñíîâà çà èçñëåäâàíèÿ è òåõíîëîãèчåí êîíòðîë â ñàíèòàðíàòà òåõíèêà • Äîñòà ïî-êúñíî êúì ñõåìàòà íà Áàðêåð ñå äîáàâÿ îùå åäíà ôàçà - âòåчíÿâàíå (хидролиза)íà íåðàçòâîðåíèÿ ñóáñòðàò, êîÿòî ñå ïðèåìà çà ïúðâà, ñëåäâàíà îò ôàçèòå íà êèñåëî è àëêàëíî ãíèåíå • Лèìèòèðàùîòî ñòúïàëî, îïðåäåëÿùî îáùàòà ñêîðîñò íà ïðîöåñà å ïîñëåäíàòà ìó ôàçà (“ìåòàíîâà” - ñïîðåä îñíîâíèÿ êðàåí ïðîäóêò íà ìåòàáîëèçìà), êîÿòî ìîæå äà ïðîòåчå ïî äâà íàчèíà: • Чðåç ðàçëàãàíå íà íàëèчíàòà îöåòíà êèñåëèíà ïî ñõåìàòà CH3COOÍ  CH4 + CO2 • Чðåç ñèíòåç íà ìåòàí ïî ñõåìàòà 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O

13. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Четирипопулационна схема на Klaas за анаеробно разграждане X - биомаса; HBu - маслена киселина; HPr - пропионова киселина; HAc - оцетна киселина; I, II - киселинообразуващи микроорганизми ( асидогени); III - метаногени, разграждащи HAc; IV - метаногени, употребяващи CO2 и H2.

14. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Анаеробно стабилизиране • Ферментационните процеси протичат с различна скорост в различните температурни интервали, където се развива специфична биоценоза от микроорганизми • При анаеробно стабилизиране на утайки се различават следните температурни режими: • Психрофилен (при температура 4 - 12о С) • Мезофилен (с оптимална температура 32о – 35о С) • Термофилен (с оптимална температура 52о – 55о С) • Въглехидратите и мазнините се разграждат първи и по-бързо от протеините и в анаеробни условия. Поради това първичните утайки се разграждат по-бързо и по-пълно в анаеробни стабилизатори в сравнение с излишните активни утайки

15. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Анаеробно стабилизиране • Ïúðâèòå èçñëåäâàíèÿ îòíîñíî êèíåòèêàòà íà àíàåðîáíàòà ôåðìåíòàöèÿ íà óòàéêè îò îòïàäúчíè âîäè ñà òåçè íà Êîðîëüêîâ, ïðîâåäåíè â ëàáîðàòîðíè óñëîâèÿ ïðåç ïåðèîäà 1918 - 1921 ã. • Ïî-øèðîêà ïîïóëÿðíîñò è ïðàêòèчåñêî ïðèëîæåíèå íàìèðàò èçñëåäâàíèÿòà íà Ôåúð è Ìóð, ïðîâåäåíè ïðåç 30-òå ãîäèíè â ÑÀÙ, êîèòî îòðàçÿâàò èçìåíåíèÿòà âúâ âðåìåòî íà îòäåëåíîòî ïðè ôåðìåíòàöèÿòà íà 1 êã ñóõî îðãàíèчíî âåùåñòâî ñóìàðíî ãàçîâî êîëèчåñòâî ïðè ðàçëèчíè òåìïåðàòóðè íà èçãíèâàíå. Çàâèñèìîñòèòå ñà ïðåäñòàâåíè ñàìî â ãðàôèчåí âèä • Подобни èçñëåäâàíèÿ ñå провеждат è îò Ê. Èìõîô, êîéòî ïî-êúñíî ãè ïóáëèêóâà â èçâåñòíèÿ ñè ñïðàâîчíèê

16. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Åìïèðèчíè çàâèñèìîñòè íà Èìõîô(1937) è íà Ôåúð è Ìóð(1936)

17. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Съоръжения за анаеробно стабилизиране на утайки • Двуетажни утаители (изгнивателните им камери) -ДУ • Открити изгниватели – ОИ • С принудително (механично, помпажно) разбъркване и периодично отделяне на утайковата вода • Без принудително разбъркване но с периодично отделяне на утайковата вода • Метантанкове (отопляеми закрити изгниватели) - МТ • Едностепенни • Двустепенни (втората степен е открита) • С непрекъснато отделяне на утайковата вода (от втората степен) • Без отделяне на утайковата вода (едностепенни)

18. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Аеробно стабилизиране • Àåðîáíàòà ñòàáèëèçàöèÿ ìîæå äà ñå ðàçãëåæäà êàòî ïðîäúëæåíèå íà ïðîöåñà íà ïðåчèñòâàíå íà îòïàäúчíèòå âîäè ñ àêòèâíè óòàéêè • Дîêàòî ïðè ïðåчèñòâàíåòî íà îòïàäúчíè âîäè ìèêðîîðãàíèçìèòå èçïîëçâàò ãëàâíî âúíøåí ñóáñòðàò çà åíåðãèéíè íóæäè è çà èçãðàæäàíå íà êëåòêèòå, òî ïðè àåðîáíàòà ñòàáèëèçàöèÿ òåçè íóæäè ñå ïîêðèâàò èçöÿëî îò îðãàíèчíèòå âåùåñòâà, ñúäúðæàùè ñå â ñàìèòå êëåòêè • При пречистватето на отпадъчни води обаче ендогенното дишане протича с по-големи скорости отколкото при отделното аеробно стабилизиране. Поради това при дадена възраст на биомасата в биобасейните нейното органично (биоразградимо) съдържание е по-малко в сравнение на това, постигнато за същия времепрестой в аеробния стабилизатор

19. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Аеробно стабилизиране • При аеробно стабилизиране на смесени първични и излишни активни утайки отначало първичните се усвояват като субстрат от активната биомаса, която едва след тяхното асимилиране (за 1 – 2 d) преминава изцяло на ендогенно дишане • При асимилирането на първичните утайки в аеробния стабилизатор се създава нова биомаса (прираст), чиято възраст е много малка (1 – 2 d). Поради по-малката скорост на ендогенно дишане в аеробния стабилизатор, нейното стабилизиране изисква много по-продължителен времепрестой в сравнение с този за излишните активни утайки с по-голяма възраст, формирана в биобасейните • Горните обстоятелства определят и по-малкия период за аеробно стабилизиране на излишни активни утайки в сравнение с този за аеробно стабилизиране на смесени първични и вторични утайки

20. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Технологични схеми на аеробна стабилизация на утайки АС – аеробен стабилизатор У – уплътнител ПУ – първични утайки ИАУ – излишни активни утайки СУ – стабилизирани утайки РУ – рециркулиращи утайки УВ – утайкови води

21. 25.3. Основни технологични процеси и схеми за биологично стабилизиране на утайките Технологични схеми за биологично стабилизиране на утайки