Новые направления безотходной технологии утилизации осадков сточных вод

Аннотация

Представлен зарубежный опыт безотходной технологии утилизации осадков сточных вод с использованием их в качестве альтернативного топлива для цементных заводов на примере установки в Карлштадте (Бавария).

Ключевые слова:

насосы , сточные воды , осадки , обезвоживание , сухая масса , утилизация , газы , дымоход , фильтр

Скачать журнальную верстку в PDF

В современном мире постоянно идут поиски новых видов энергоносителей, которые могут стать дополнительным источником выбросов нейтрального углекислого газа и возобновляемых источников энергии. В связи с этим появился значительный интерес к высушенному осадку сточных вод в виде гранулированного материала для его последующего использования в качестве топлива. Установки для сушки осадка построены во многих городах: Париже и Афинах (рис. 1), Сингапуре, Карлштадте (Германия), в штате Флорида (США). Сушка осадка и передача его на совместное сжигание является стопроцентным безотходным методом без проблем с золой от процесса сжигания.

Увеличение количества осадков сточных вод и ужесточение санитарно-гигиенических и нормативно-правовых требований, допускающих их складирование, сельскохозяйственное или другое использование, приводят к тому, что решение проблемы утилизации осадков сточных вод становится все более сложным. Очень важно найти комплексный рациональный способ управления осадками сточных вод, образующихся как на малых и средних, так и на крупных очистных сооружениях. Строительство завода по сжиганию осадков вблизи от очистных сооружений – далеко не самое оптимальное решение.

Примером рациональной и безотходной технологии утилизации осадков сточных вод является конвейерная сушка, реализованная в Баварии (г. Карлштадт, Германия). Бавария – лидер в Германии в области охраны окружающей среды и первой ввела обязательную дезинфекцию ультрафиолетовым облучением очищенных сточных вод. В конце 2005 г. на территории цементного завода в г. Карлштадте была запущена установка для сушки осадков сточных вод (рис. 2). Это новаторское решение обеспечивает не только полную утилизацию осадков, но и позволяет использовать их в качестве альтернативного топлива для цементных предприятий. Таким образом используются осадки коммунальных сточных вод, привозимые на цементный завод с более чем 100 очистных сооружений.

Строительство объекта «под ключ» было осуществлено в течение 12 месяцев, при этом размер инвестиций не превысил 12 млн. евро. В рамках контракта, кроме самой установки для сушки, построено здание для приема механически обезвоженных осадков; организована транспортировка осадков по территории цементного завода; оборудована установка для передачи тепла, рекуперированного из газов сгорания цементного производства. Исполнителем контракта была фирма «Andritz 3SYS» (Швейцария), создатель и автор технологии конвейерной сушки типа BDS – господин А. Вонпльон. Конвейерная сушильная установка для осадков сточных вод в Карлштадте является самой крупной в мире.

Все элементы конвейерной сушилки типа BDSC I-RT-S, кроме конвейерной ленты, находящиеся снаружи или соприкасающиеся с осадками, изготовлены из нержавеющей стали или бетона. Благодаря этому элементы устойчивы к коррозии и атмосферным факторам. При размещении объекта не требуется дополнительное здание или крыша, что позволяет в значительной степени сократить капитальные затраты.

С одной стороны сушильной установки находятся отверстия для впуска воздуха, который сушит осадки, и отвода влажного воздуха, а также теплообменники. С другой стороны предусмотрены площадки для доступа к оборудованию на каждом уровне. Непосредственный доступ возможен практически ко всем механизмам и элементам установки, что облегчает ее обслуживание. На последнем уровне находятся шкафы управления с контрольным рабочим местом, с визуализацией процесса с камер, установленных в ключевых местах технологической линии сушильной установки. Система ручного управления, расположенная непосредственно на сушилке, как правило, не используется. Управление и контроль за процессом сушки и транспортированием осадка осуществляется в автоматическом режиме непосредственно из главной диспетчерской завода.

Технические параметры сушильной установки:
вид осадков – коммунальные осадки сточных вод;
количество испарившейся воды (по проекту) – 7800 кг/ч;
содержание сухой массы в механически обезвоженном осадке 15–35%;
содержание сухой массы в высушенном осадке > 90%;
производительность сушилки (обезвоженные осадки) – около 100 тыс. т/год;
энергопотребление – 55 кВт·ч/т испарившейся воды;
источник тепла для процесса сушки – рекуперация тепла топочных газов;
использование высушенного гранулированного материала – сжигание и рекуперация тепла в цементной печи.

На рис. 3 представлена общая схема соединения установки сушки осадка сточных вод с технологическим процессом цементного предприятия в Карлштадте.

Транспортировка и прием осадка сточных вод – один из наиболее важных процессов на региональной станции термической переработки осадков сточных вод, примером которой и является сушильно-сжигающая установка на цементном заводе в Карлштадте. На установку привозятся обезвоженные механическим способом осадки с более чем 100 очистных сооружений региона (большинство из них находится на территории Германии, 43 – в Голландии). В зависимости от типа сточных вод содержание сухой массы в механически обезвоженных осадках колеблется в диапазоне 15–35%. Осадки доставляются специальными грузовыми автомобилями закрытого типа, не допускающими выхода неприятных запахов во время транспортировки. Простота транспортировки и разгрузки обезвоженных осадков сточных вод обеспечивается благодаря обустройству автомобиля по типу «лодочки».

Разгрузка осадков в здании приемки осуществляется через специальные ворота, которые одновременно могут обслуживать четыре автомобиля (рис. 4). Внутри здания находятся две независимые камеры, каждая из которых обслуживает по два автомобиля, также установлен подъемный кран с захватывающим механизмом для перемещения осадков.

Обезвоженные осадки транспортируются с помощью винтовых конвейеров в лопаточный смеситель, где происходит смешивание обезвоженных осадков с высушенными гранулами осадка (рециркуляция высушенного осадка). Смесь, содержащая около 60% сухой массы, с помощью дозатора подается на винтовое подающее устройство и равномерно распределяется по ширине конвейерной ленты. Толщина раскладываемого на ленте слоя регулируется вертушкой, вращающейся в направлении, противоположном движению конвейерной ленты. Таким образом достигается равномерное распределение слоя осадка на ленте, что обеспечивает однородность условий процесса сушки в каждой точке ленты конвейера. Благодаря этому содержание сухой массы в осадках постоянно.

Высушенные осадки направляются к распределяющему бункеру резервуара, откуда одна часть осадков возвращается на рециркуляцию, а другая – направляется в бункер высушенного осадка, и далее пневмотранспортом – в систему снабжения топливом цементной печи. Тепло отработанных топочных газов, выходящих из вращающейся цементной печи, в полном объеме используется для испарения воды из осадков сточных вод. Часть отработанных газов с помощью байпасов направляется в теплообменник термического масла. После выхода из теплообменника отработанные газы направляются в дымоход. Тепло отработанных газов переносится на сушильную установку с помощью термического масла. В сушилке находятся последовательно подключенные теплообменники с термическим маслом, которые обогревают воздух, предназначенный для сушки осадка. Расстояние между теплообменниками составляет около 300 м. Система передачи тепла состоит из насосов, перекачивающих термическое масло; буферной емкости; емкости для наполнения и опорожнения с насосом; трубопроводов, ведущих к сушильной установке. Начальная температура термического масла составляет около 210 C, возвратная – около 130 C.

Теплообменники внутри сушилки находятся на противоположной стороне от площадок над отводами влажного воздуха. Температура воздуха на входе в сушилку составляет 100–150 C. Вентиляторы, обеспечивающие подачу воздуха, установлены таким образом, что вся сушильная установка работает под небольшим вакуумом, предотвращая появление неприятных запахов. В последней зоне сушки осадки охлаждаются до 50 C атмосферным воздухом, поступающим снаружи. Это очень важный процесс с точки зрения безопасности.

Выпаривание около 8000 кг/ч воды обусловливает выход огромного количества воздуха, содержащего пар. Большая часть воздуха, выходящего из сушилки, направляется в теплообменник и повторно нагревается перед очередной подачей в сушилку. Влажный воздух, выходящий из установки, смешивается с воздухом, выходящим из здания приема обезвоженных осадков. Эта смесь подается в скруббер, а затем – в конденсатор для отделения испарившейся воды. Последним этапом очистки воздуха является его прохождение через биофильтр.

Основным оборудованием, входящим в состав системы, служит сушилка осадков сточных вод, обезвоженных механическим путем. Инвестор выбрал конвейерную сушилку фирмы «Andritz 3SYS». На рис. 2 показан внешний вид сушилки со стороны площадок. В системе предусмотрены два трубопровода, один – для транспортировки горячего термического масла, второй – для высушенных осадков. Конвейерная сушка BDS – проверенная технология, имеющая следующие преимущества:
легкая и быстрая остановка и запуск системы после коротких остановок. Время остановки или запуска составляет 5–15 мин. В случае задержек процесса на несколько десятков часов не требуется очистка сушилки от осадков;

применение рециркуляции высушенного гранулированного материала и его смешивания с обезвоженными осадками. Высушенные гранулы смешиваются с влажными осадками и подаются в сушилку. В результате гранулы, состоящие из сухой сердцевины и влажной оболочки, быстрее отдают воду и исключают опасность получения неравномерно высушенного осадка (влажного внутри и пересушенного снаружи). Смесь осадков, подаваемая в сушилку в форме конгломератов (состоящих из сердцевины, покрытой слоем механически обезвоженного осадка), содержит около 60% сухой массы. На выходе из сушильной установки содержание сухой массы в осадке составляет минимум 90% (рис. 5);
равномерное распределение высушенных осадков на ленте позволяет получить одинаковые условия и параметры сушки по всему слою осадка в каждом пункте конвейера. Это исключает возможность спекания и недосушки осадка в отдельных зонах конвейера;
высокая термическая производительность оборудования благодаря рециркуляции влажного и высушивающего воздуха. Из цикла отводится только часть воздуха с паром;
все элементы сушилки, за исключением конвейерной ленты, соприкасающиеся с осадками, изготовлены из нержавеющей стали.

При сжигании осадков сточных вод после их сушки важен процесс очистки топочных газов для соблюдения норм выбросов вредных веществ в атмосферу. В странах ЕС основополагающим документом в области сжигания отходов является Директива 2000/76/WE. Стандарты выбросов в атмосферу для процесса совместного сжигания отходов, в том числе осадков сточных вод в цементных печах представлены в таблице. Обеспечение таких стандартов эмиссии требует применения современных систем и оборудования для очистки топочных газов. На цементном заводе в Карлштадте для этих целей применяются рукавные фильтры и электрофильтр.

На цементном заводе в Карлштадте около 98% энергии, необходимой для энергоемкого процесса обжига клинкера в цементной печи, создается путем сжигания альтернативного топлива. Кроме высушенных осадков сточных вод на предприятии используются старые автомобильные покрышки, костная мука, отработанные масла. Такой процесс при наличии хорошей установки для очистки топочных газов является экологически надежным. Экономия горючих полезных ископаемых, применение энергии, содержащейся в отходах, сушка отходов с использованием отходящего тепла – это техническое решение, соответствующее современным направлениям охраны окружающей среды.

Совмещение сушки осадков сточных вод с использованием отходящего тепла особенно выгодно в экономическом плане. Стоимость энергии, необходимой для испарения воды, является основной расходной частью эксплуатации каждой сушильной установки. Технология, применяемая в Карлштадте, позволяет предприятию на длительное время оградить себя от изменения цен на топливо. Для использования на цементных предприятиях осадки сточных вод должны быть высушены до содержания сухой массы не менее 90% и содержать как можно меньше пыли.

Выводы

Технология, реализованная на цементном заводе «Швенк-Цемент» в Карлштадте, – это инновационное решение использования осадков сточных вод, позволяющее предприятию получить следующую реальную выгоду:
вознаграждение от производителя осадков за каждую тонну принятого обезвоженного осадка;
осадки сточных вод, высушенные до содержания сухой массы свыше 90%, являются источником энергии с теплотворной способностью, сравнимой с бурым углем;
тепло, необходимое для сушки осадков, извлекается из отходов (т. е. ничего не стоит);
минеральная фракция, содержащаяся в осадках, является полезной технологической составляющей, заполняющей цемент, а поэтому не требует отдельной утилизации;
осадки сточных вод, совместно сжигаемые в цементных печах, обладают не только свойствами альтернативного топлива, но и возобновляемого топлива, а поэтому являются нейтральным топливом в аспекте проблемы ограничения эмиссии углекислого газа.

Пример внедрения технологии в Карлштадте показывает, что проблему коммунальных осадков сточных вод в региональном масштабе можно также решить безотходным методом при сотрудничестве территориальных органов самоуправления и заинтересованных фирм.