Новые технологические решения и гидромеханизированное оборудование для переработки канализационных шламов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

____________________________________ © С.М. Штин, А.С. Машуков,

2009

С.М. Штин, А. С. Машуков

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ШЛАМОВ

Предложены новые технологии по оздоровлению экологической обстановки в городе. Их внедрение позволит значительно снизить степень отрицательного воздействия канализационных шламов на окружающую среду.

Ключевые слова: городское хозяйство, канализационный шлам, шламохрани-лища, земснаряд, плавучий пульпопровод, очистные сооружения.

"'Наше будущее - в наших руках, и мы должны защищать природу, улучшать экологическую обстановку для наших детей, ведь на нас мир не кончается ”.

ш Ж раво граждан России на здоровую и благоприятную окИ. ружающую природную среду декларировано Законом Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды» от 19 декабря 1991 г. Управленческие решения должны отвечать этой формуле российского законодательства, конкретизируя ее и развивая в сторону необходимого экологического обоснования любой хозяйственной деятельности мегаполисов. В то же время мегаполис - все-таки город, а в городе нужно строить и жилье, и промышленные предприятия, транспортные и иные коммуникации, обеспечивать инженерные сети и т. д., что приводит к чрезмерной концентрации на сравнительно небольших территориях населения, транспорта и промышленных предприятий, с образованием антропогенных ландшафтов. Население городов постоянно растет в результате непрерывного притока. Город - наиболее комфортная экологическая ниша, снабжающая одновременно большое число людей ресурсами жизнеобеспечения, выдерживающая сверхвысокую плотность популяции с помощью современных технологий и технических средств. Темпы роста населениямирав1.5-2.0разанижеростагородского населения, к которому сегодня относится 40% людей планеты. За период 1939 - 1979 гг. население крупных городов выросло в 4, в средних - в 3 и малых - в 2 раза.

Москва - один из крупнейших и самый северный мегаполис Земли. Как и в любом другом мегаполисе, в Москве постоянно возникают хозяйственные, финансовые, социальные, экологические проблемы. Городское хозяйство города определяет его экологическую обстановку, формирует качество городской среды. Отличительной особенностью городского хозяйства является его чрезвычайная централизация, как техническая (централизованное теплоснабжение, горячее водоснабжение, канализация), так и структурная. По мере роста Москвы соответственно обостряются и усугубляются проблемы среды обитания, что требует разработки специальных мер и существенных затрат для разработки новых технологических решений защиты среды обитания. Данная статья посвящена новым технология по переработке канализационных шламов. Система канализации для больших городов - одна из самых важных систем жизнеобеспечения, такочистка и переработка канализационных шламов позволяет городам существовать.

Канализационный шлам - это побочный продукт деятельности бытовых и промышленных водоочистительных сооружений. С “производительностью” в 60 г сухого твердого вещества в день на человеко-единицу объем осадка сточных вод составляет 60 000 кг сухих твердых веществ в день на один миллион человек. Шламы человеческой деятельности представляют собой пульпы, состоящие из огромного количества тонкодисперсных частиц, обезвоживание которых вызывает большие затруднения в техническом плане. Основную часть сухого в шламе (в среднем 60-75%) составляют органические вещества и активный ил (порядка 70-75%) в основном представленный веществами белкового происхождения (до 50%) при содержании жиров и углеводов соответственно до 30 и 10%. Элементный состав осадков изменяется в широких пределах. В частности, в сухом веществе осадков, первичных отстойников, содержится, %: 35-88 С; 4,5-8,7 Н; 0,2-2,7 S; 1,8-8 N 7,6-35,4 О. Сухое вещество активного ила имеет, %: 44-76 С; 5-8 Н; 0,9-2,7 S; 3,3-9,8 N 12,5-43,2 О. В осадках присутствуют также соединения кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия, натрия, цинка, хрома, никеля и др. Гранулометрический состав свежих осадков первичных отстойников обычно представлен следующими фракциями, %: 5-20 частиц крупнее 10-7 мм, 9-33 размером 7-1 мм, 50-88 менее 1 мм от массы сухого вещества. Консистенции осадков городских сточных вод, как и других дисперсных мате-

риалов, зависит от влажности. Первичные и сброженные осадки при величине последней свыше 90% представляют собой жидкую текучую массу, при 86-90% они сметанообразны, при 8086% — грязеобразны. При более низкой влажности осадки сохраняют приданную им форму, походя на слегка влажную землю. На сходном уровне происходит изменение консистенции активного ила в зависимости от его влажности.

По мимо Москвы, в России, по различным оценкам, ежегодно образуется до 2 млрд. м3 осадков с влажностью 96-97%, или порядка 80-100 млн. м3 по сухому веществу.

В настоящее время для сбора и отстоя коммунальных стоков строятся шламохранилища в виде котлованов-отстойников (рис.1), что требует выделения значительных площадей для размещения иловых осадков. Располагаемые на открытых площадках илы в условиях российского климата претерпевают физико-химические изменения, размываются паводковыми и ливневыми водами, загрязняя прилегающие территории. Накапливаемый в больших количествах шлам — активный ил проходит последующую механическую, биохимическую доочистку и обезвоживание.

Заполненные активным илом такие котлованы-отстойники представляют собой непосредственную угрозу окружающей среде, в особенности в зоне избыточного увлажнения, поскольку в таком шламохранилище происходит крайне медленное осаждение твердой фазы, а вязкотекучая жидкая масса шлама практически не изменяет своей исходной консистенции, поскольку испаряющаяся часть воды систематически возмещается с избытком выпадающими атмосферными осадками. Это ведет к переполнению котлованов шламохранилищ и создает угрозу окружающей среде в результате возможности залпового ее загрязнения в случае размыва и прорыва стенок котлована из-за возрастающей во времени фильтрации загрязненных вод. Одна из главных задач при обращении с ними — оградить население от их вредного воздействия за счет строительства очистных сооружений и разработке новых природоохранных технологий для их глубокой переработки и утилизации или вторичном использовании в народном хозяйстве.

Рис. 1. Водосборные бассейны очистных сооружений в Орехово-Борисово, г. Москва

Поэтому разработка и изготовление технологического оборудования в сочетании со специальной технологией работ по созданию первичной пульпы определенной консистенции во многом упростит технологическую линию по дальнейшей переработке шламовых отходов и осуществит переход на новые водосберегающие технологии по достижению полной очистки хозяйственнобытовых, промышленных стоков в шламоотстойниках и сокращению их площадей. Обработка шламов сточных вод путем уплотнения через обезвоживание или обезвоживание и сушка является сегодня одним из самых актуальных направлений в механической очистке сточных вод и основным направлением долгосрочных мер по охране водного бассейна и очистке сточных вод г. Москвы.

Технологические требования к земснаряду и конструкции шламоохранилища

Земснаряд должен:

- обладать целевой функцией — обеспечение стабильной производительности по максимальному его значению;

- минимальная мощность разрабатываемого слоя активного ила должна быть 0,5-1 м;

- иметь систему регулирования приводов грунтозаборного устройства и лебедки передвижения, что обеспечит необходимую мощность на валу привода при вариации мощности снимаемого слоя, позволит обеспечить стабильную работу всего комплекса оборудования по обезвоживанию илов в оптимальных режимах;

- иметь конструкцию грунтозаборной рамы соответствующую допустимой нагрузке на раму при обрушении уступа;

- обеспечить разработку забоя послойно траншейным способом;

- иметь грунтозаборное устройство, которое будет представлять шнековый рыхлитель с принудительной подачей активного ила во всасывающее отверстие. Оптимальные размеры, форма и конструкция элементов шнекового рыхлителя должны обеспечивать минимальные затраты энергии на разработку с учетом гидравлических и инерционных сопротивлений перемещению рыхлителя и гидросмеси;

- иметь осадку в рабочем состоянии не более 0,5 м;

- иметь централизованное управление из рубки оператора;

Рис. 2. Поперечный разрез, предлагаемого шламонакопителя:

1 - осветленная частично вода; 2 - шлам; 3 - бетонные ловушки для накопления необходимого минимального слоя осадка; 4 - водоупор; 5 - отбойник для приема пульпы; 6 - сливной коллектор

- обслуживание земснаряда должен осуществляет один человек;

- соответствовать требованиям защиты оборудования от агрессивного воздействия пульпы, абразивного износа, температуры;

- обладать вибростойкостью и постоянством выходных параметров;

- иметь дизель-генераторный привод.

Шламоохранилище (рис. 2):

- капитальное сооружение, рассчитанное на долголетний срок эксплуатации;

- внутреннее защитное покрытие из железобетона;

- ложе выполняется из специальных железобетонных плит П-образной формы, которые, после стыковки, образуют перегородки высотой до 1 м и с шагом равным ширине грунтозаборного устройства земснаряда;

- на внешних откосах, по осям искусственных траншей, устраиваются мертвяки-петли, для крепления троса, по которому будут перемещаться землесосный снаряд.

Технические характеристики, конструктивные особенности спроектированного землесосного снаряда для разработки канализационных шламов (разработан под руководством автора).

Краткое описание землесосного снаряда и принцип работы (рис. 3)

Все агрегаты и механизмы земснаряда смонтированы на металлическом разборном корпусе 1 катамаранного типа, собранного из двух коробок и межпонтонного соединения. В носовой части монтируется портал 12 на котором через рамоподъемную лебедку 9 навешивается грунтозаборная рама 6 со шнековым рыхлителем 7 и его приводом 8, две электролебедки движения 10. На палубе понтона устанавливается цельная кабина 2, в которой оборудовано рабочее место оператора (багермейстера), пульт управления дизель-генераторной установкой и механизмами земснаряда. Позади кабины установлена дизель-генераторная установка 3.

Основные технические характеристики земснаряда

Производительность по пульпе влажностью 98-99%, м3/час

до 50

Развиваемый шламовым насосом напор, м до 40

Максимальная длина плавучего пульпопровода, м 200^300

Г лубина разработки, м до 5

Осадка земснаряда, м до 0.4

Способ перемещения земснаряда на водоеме якорно-канатный Способ разработки грунтов траншейный

Привод земснаряда ДВС

Условия эксплуатации:

температура воздуха более 3-5°С

эксплуатация в период отрицательных температур консервация Исполнение кабины управления закрытое

Вес, т 6-9

Источник напряжения

Дизельная электростанция DP 45

Основная мощность, кВа/ кВт 44,5/35,6

Кратковременная мощность, кВа/кВт 49/39,2

Первичный двигатель Perkins 1004G

Генератор Newage Stamford

UCDI 224С1

Регулятор напряжения AVR Sх460

Напряжение 400/230 В 50 Гц

Мощность, кВа 46,8

Рис. 3. Общий вид землесосного снаряда для разработки шламов:

1 - корпус; 2 - кабина оператора; 3 - дизель-генератор DPS 45; 4 - насос шламовый Flygt 2670.180; 5 - напорный пульпопровод Ду100; 6 - грунтозаборная рама; 7

- грунтозаборное устройство шнекового типа; 8 - привод шнека; 9 - лебедка ра-моподъемная Т02 г/п 1 т; 10 - лебедка движения тип RPE г/п 0,5 т; 11 - роульс; 12

- портал; 13 - ограждение леерное; 14 - топливный бак емкостью 500 л

FLOW

Рис. 4. Характеристики шламового насоса BS2670.180 “ГТГ Flygt AB”

Шламовый насос BS2670.180 “^T Flygt AB”

ITT Flygt AB (Швеция) является ведущим в мире производителем погружных насосов и систем управления. Насосы наиболее серии Flygt Bibo обладают высокой износостойкостью, малой массой и эксплуатируются в любых условиях применения водоотливных насосов. Принятый насос имеет следующие характеристики (рис. 4).

Все оборудование изготавливается из высококачественных материалов, что обеспечивает длительный срок эксплуатации без простоев.

Характеристики оборудования:

- потребляемая мощность, кВт 18

- напряжение, В 380

- частота, Гц 50

- количество фаз, шт. 3

- ток статора, А 239

- ток ротора, А 34

Лебедка рамоподъемная

Количество, шт. 1

Тип ТО2

Г рузоподъемность, т 1,0

Потребляемая мощность, кВт Кратность полиспаста

1,92

2/1

Лебедка движения

Тип

Количество, шт.

Тяговое усилие, т Потребляемая мощность, кВт

2,0

РА

2

0,5

Привод шнекового рыхлителя

Потребляемая мощность, кВт Число оборотов, об/мин Количество электродвигателей, шт.

1,5

750

1

Отличительной особенностью землесосного снаряда является то, что в электрической схеме внедрена система регулирования числа оборотов электродвигателей грунтозаборного устройства и лебедок перемещения землесосного снаряда. Регулирование осуществляется за счет использования частотного преобразователя, электронным способом регулирующего частоту вращения вала электродвигателей. Преобразователь частоты — это электронное устройство для плавного бесступенчатого регулирования скорости вращения вала асинхронного двигателя. Это малогабаритное устройство на современной полупроводниковой базе, управляемое встроенным микропроцессорным устройством. Он может не только изменять частоту вращения двигателя, но и отслеживает его исправность. Преобразователь частоты легко сопрягается с любой системой управления технологическим процессом, его программирование просто и интуитивно понятно, обслуживание не представляет особой сложности. Блок схема преобразователя частоты показана на рис. 5.

Плавучий пульпопровод, входящий в комплект землесосного снаряда (рис. 6) состоит из звеньев резинотканевой трубы длиной 7,3 м на виниловых поплавках. Звенья между собой крепятся через металлические фланцы, изготавливаемые заодно с резиновыми фланцами имеющими металлические закладные элементы и силовые тканевые или металлокордные слои.

Такая конструкция фланцев обеспечивает герметичность соединения секций, без каких либо прокладок. Внутреннее защитное покрытие трубопровода выполняется из износостойкой резины.

Звено пестоянгюге

тОКй

Трехфазный импульсный Шйертер

Схема ггреобразователя частоты Рис. 5. Схема преобразователя частоты

Рис. 6. Трубопровод ТНФП состоят из эластичной напорной трубы: 1 - эластичный напорный трубопровод; 2 - виниловый поплавок; 3 - бандаж; 4 - метал-локорд; 5 - внутреннее защитное покрытие

Трубопроводы работоспособны при температуре окружающей среды от -30 °С до +45 °С. Плавучесть ТНФП обеспечивают пенополиэтиленовые поплавки, устойчивые к механическим воздействиям. Крепление поплавков осуществляется бандажами. Техническая характеристика ТНФП внутренним диаметром 150 мм представлена в таблице.

Гибкость и эластичность ТНФП, наличие фланцевых соединений исключают необходимость использования шаровых соедине-

ний и как следствие снижают величину потерь напора на трение на 8-12%.

№ Внутренний Рраб. Длина Присоединительные раз- Радиус Вес сек-

диаметр d, МПа секции меры изгиба ции, кг

мм L, м D, мм мм do, мм п, отв.

1 159 1^ 7,3 290 240 25 8 10-15 а 63

*- Рабочая среда абразивная гидросмесь (пульпа). Кислотность пульпы рН=6,5-7,5

Технология ведения добычных работ

Землесосный снаряд устанавливается по оси траншеи и крепится тросом к мертвякам закрепленным в железобетон. При вращении шнеков грунт срезаемый с поверхности разрабатываемого массива и по периферийной области кожуха подается к всасывающему отверстию шнеками. Через внутреннюю полость шнека всасывание осуществляется за счет энергии грунтового насоса.

Разработка участков должна осуществляться согласно их очередности. Длину плавучего пульповода необходимо принимать в зависимости от расстояния и высоты транспортирования пульпы, сокращая ее до 50-100 м при предельных расстояниях транспортирования и увеличивая до 300-400 м при небольшом расстоянии транспортирования. Расстояния между местами берегового подключения принимаются равными длине плавучего пульповода рис. 7.

Обезвоживание

Обезвоживание осадков производят механическими средствами. Механическое обезвоживание предусматривает предварительную промывку осадка, его гравитационное уплотнение и реагент-ную обработку 10%-ным раствором хлорного железа и известкового молока. Затем осадок обрабатывают на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах по схеме непрерывной обработки осадка шламовых пульп (рис. 8).

Пульпа от фильтров первоначально поступает в песколовки где происходит улавливание песка, выносимого с контактных осветлителей. Далее она перетекает в смежные резервуары для часового отстаивания. Верхний слой отстоянной воды собирается при помощи перфорированных труб, проложенных на границе зоны ос-

ветления и защитной зоны и специальными насосами перекачивается в голову водоочистных сооружений.

1 4 3

1-1

Рис. 7. Технология ведения добычных работ

В трубопровод, подающий промывочные воды в резервуары вводится импортный ил и отечественный полиакриламид для интенсификации процессов осаждения взвеси. Осадок 99.8% влажности насосами подается на обработку на сооружения сгущения осадка.

Сооружения сгущения осадка представляют собой емкость, с перемешивающим устройством, где за счет механического медленного перемешивания осадка происходит разделение жидкой и твердой фазы:

- отделенная от осадка вода отводится в емкость, откуда насосом откачивается в отстойник промывочных вод;

Рис. 8. Технологическая схема непрерывного обезвоживания канализационных шламов

- сгущенный осадок уплотняется до 98% влажности и далее самотеком перетекает в две емкости, откуда насосом перекачивается на пластинчатый сгуститель.

В трубопровод для интенсификации отстаивания перед пластинчатым сгустителем вводится флокулянт, что позволяет осуществлять сгущение осадка до 90%. Отделенная вода из пластинчатого сгустителя сбрасывается в систему бытовой канализации.

Из пластинчатого сгустителя хлопьевидный осадок 90% влажности насосами подается в башенные мешалки, где происходит смешивание осадка с флокулянтом и достигается образование хлопьев из частиц твердой фазы шлама. Из мешалки по желобу хлопьевидный осадок подается на ленточный фильтр-пресс фирмы “Андритц АГ” в начальную 1-ю фильтрующую зону ленточного пресса. В 1-й фильтровальной зоне происходит за счет сил грави-

тации отделение жидкой фазы (преимущественно воды) от структурированных частиц механических примесей. В этой зоне также расположены и специальные перемешивающие устройства, которые рыхлят и равномерно распределяют структуированную массу по всей поверхности фильтрующей ленты, что улучшает процесс гравитационного отделения из нее воды. Чтобы исключить бокового и обратного “скользания с фильтрующей ленты обрабатываемого шлама, предусмотрены специальные оганичительные металлические полосы с плотными затворами на фильтре. Непосредственная зона клина представляет собой первую ступень фильтрования шлама под давлением. Клиновидное совместное действие верхней и нижней лент обеспечивает, за счет сужения зоны, непрерывное постепенное повышение давления фильтрования. В непосредственной зоне фильтр-пресса происходит обработка шлама между двумя фильтрующими лентами в форме S-образного его отжима при последовательном прохождении через 10 валов, где давление постепенно увеличивается с 0.5 до 3 атм. Путем создания давления на фильтрующие полосы при вращении валов, которое прямо пропорционально натяжению ленты и обратно пропорционально диаметру валов, происходит постепенное наращивание давления фильтрования на шлам по мере его прохождения через фильтрпресс. Валы в направлении хода движения фильтрующей ленты становятся все меньше, а давление на них все больше. Самое высокое давление на шлам создается на последних валах.

Полученный при этом на фильтрующей ленте остаток - кек, снимается (срезается) с фильтрующей ленты шаберным ножом. Верхняя и нижняя фильтрующие ленты после снятия кека проходят моющие отсеки в которые под давлением подается промывочная вода. Водяной насос обеспечивает фильтрующие ленты необходимым количеством воды и требуемым давлением. После очистки фильтровальных лент отработанная моющая вода и отжатый на фильтр-прессах фильтрат, с качественным составом: взвешенные вещества до 10 мг/л, остаточное количество флокулянта до 0.1 мг/л сбрасывается в бытовую канализацию.

После фильтр-пресса осадок 70% влажности, состоящий из частиц глины и относящийся к IV классу опасности, системой конвейеров загружается на транспортные средства с вывозом на утилизацию в места согласованные с СЭС.

Выводы

Вышеперечисленные разработки включены в программу, предусматривающую проведение работ по оздоровлению экологической обстановки в городе. Внедрение этих технологий позволит значительно снизить степень отрицательного воздействия канализационных шламов на окружающую среду. Данные разработки также способствуют модернизации и техническому перевооружению экологически вредных производств, решению вопросов очистки выбросов, сбросов и утилизации отходов с восстановлением окружающей природной среды.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Москвы» за 1997-1999 гг. - М.: Изд-во Прима-Пресс-М.

2. Казначеев В.П. Проблемы экологии города и экологии челове-ка//Урбоэкология. М., 1990.

3. Керженцев А.С. Экополис 2000: Экология и устойчивое развитие города. Межд. конф., - М., 2000. С. 17-20.

4. Лужков Ю.М. Реформа должна быть поэтапной и взвешенной», ЖКХ, № 7, 2001. ЕШ

S.M. Shtin, A.S. Mashukov

THE NEW TECHNOLOGICAL SOLUTIONS AND THE HYDRAULIC MECHANICAL EQUIPMENT FOR SEWAGE SLUDGE PROCESSING

The new technologies for environmental improvement in the city are proposed. Their implementation will significantly reduce the level of the negative impact of sewage slimes on the environment.

Key words: municipal facilities, sewage slime, sludge depositories, dredger, floating pipeline.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------

Штин С.М. - кандидат технических наук, технический директор ООО “НПО Гольфстрим”, доцент, Московский государственный горный университет, org,[email protected]

Мишуков А.С. - инженер ООО “НПО Гольфстрим”, info@golfstrim.