Mechaniczne suszenie osadów: porównanie dostępnych technologii

• 1. Powstawanie osadów w oczyszczalniach ścieków
• 2. Mechaniczne suszenie osadów
• 3 .Technologie mechanicznego osuszania osadów
• 3.1. Wirowanie
• 3.2. Filtry pasmowe
• 3.3 Prasy filtracyjne
• 3.4. Prasy śrubowe
• 4. Podsumowanie

1. Powstawanie osadów w oczyszczalniach ścieków

Ścieki, zarówno przemysłowe, jak i komunalne, zawierają zazwyczaj duże ilości zawiesin przenoszonych przez odprowadzane wody, które powstają albo w wyniku reakcji chemicznych (osady), albo pojawiają się podczas oczyszczania biologicznego (nadmiar osadu) w wyniku rozkładu obecnej materii organicznej (BZT).     

Obróbka wstępna

Procesy wstępnego oczyszczania ścieków obejmują proste sita i filtry do zatrzymywania większych cząstek stałych. Te podstawowe procesy pozwalają na:

• Eliminowanie problemów związanych z zatorami w obwodach lub grupach pompowych oraz, w niektórych przypadkach, odzyskiwanie surowców lub resztek produktów pochodzących z mycia i wycieków.
• Ograniczenie ilości materiałów ulegających biodegradacji, które – dzięki oddzieleniu na początku procesu – pozwalają uprościć kolejne etapy działania oczyszczalni ścieków oraz zmniejszyć ich rozmiar i koszty eksploatacji.

Osady pierwotne

Drobne cząstki stałe zawieszone w wodzie, w tym cząstki w postaci koloidalnej, które przedostają się przez systemy wstępnego oczyszczania, należy oddzielić w celu optymalizacji kolejnych etapów oczyszczania.

Najczęstsze procesy na tym etapie to:

• Oczyszczanie fizykochemiczne przy użyciu odpowiednich środków chemicznych (neutralizacja, koagulacja/flokulacja)
• Techniki separacji poprzez klarowanie, wśród których na szczególną uwagę zasługują dekantacja i flotacja z użyciem rozpuszczonego powietrza, przy czym ta druga jest najbardziej wydajna, ponieważ znacznie zmniejsza objętość oddzielonych osadów oraz pozwala na oddzielenie znacznie większej ilości substancji stałych, olejów i tłuszczów niż w przypadku zwykłego sedymentowania.

Osady pierwotne są zazwyczaj gęstsze i łatwiejsze do wysuszenia niż osady wtórne.

Osady wtórne

Osady wtórne powstają na etapach rozkładu materii organicznej w procesach biologicznych tlenowych lub beztlenowych. Bakterie wykorzystywane w reaktorze biologicznym przechodzą swój cykl życiowy w środowisku (cieczy mieszanej), które w reaktorach biologicznych utrzymywane jest w warunkach sprzyjających ich przetrwaniu (stężenie,_O₂, temperatura). Wynikiem tego są oczyszczone wody i masy bakterii, z których usuwa się część stanowiącą nadmiar osadu, który jest wydobywany poprzez klarowanie (systemy DAF) w celu jego odprowadzenia.

Oczyszczanie oddzielonych osadów

W zależności od przeznaczenia osadów przeprowadza się ich zagęszczenie, aby ułatwić ich dalszą obróbkę i transport.

Gdy osad zawiera zawieszone cząstki stałe o wartości handlowej, zaleca się jego odwodnienie do wysokiej zawartości suchej masy poprzez obróbkę termiczną, pozwalającą osiągnąć bardzo wysoki stopień wysuszenia (≥ 90 %). Ten sam proces ma zastosowanie w przypadku silnie zanieczyszczonych osadów, których objętość należy zredukować do minimum przed wysłaniem na specjalne składowiska odpadów, gdzie koszty utylizacji są znacznie wyższe.

Większość osadów pochodzących ze ścieków trafia na standardowe składowiska odpadów, gdzie są one selekcjonowane na podstawie takich kryteriów, jak skład, stabilność i stężenie (≥30% suchej masy). W takich przypadkach najbardziej efektywnym rozwiązaniem jest mechaniczne suszenie osadów.

2. Mechaniczne suszenie osadów

Suszenie mechaniczne to proces fizyczny, w którym za pomocą środków mechanicznych oddziela się wodę wolną oraz część wody związanej z osadem.

Najczęściej stosowane urządzenia do oczyszczania ścieków to:

• Dekantatory odśrodkowe
• Filtry pasmowe
• Filtry prasowe
• Prasy śrubowe

Są to urządzenia solidne i łatwe w obsłudze, charakteryzujące się umiarkowanym zużyciem energii.

Systemy te pozwalają osiągnąć zawartość suchej masy na poziomie od 18% do 40%, w zależności od rodzaju osadu, jego składu chemicznego oraz zastosowanej technologii.

Oczyszczane osady muszą zawierać co najmniej 3–5% suchej masy, aby można je było poddać mechanicznej suszeniu. Flotacja z użyciem rozpuszczonego powietrza (DAF) zazwyczaj pozwala osiągnąć te wartości, dzięki czemu nie ma potrzeby stosowania wcześniejszych procesów zagęszczania, takich jak zagęszczacze osadów.

Oczyszczanie chemiczne

Aby zmaksymalizować wydajność suszenia mechanicznego, osad poddaje się wcześniej obróbce przy użyciu środków koagulujących i flokulujących. Zabieg ten ułatwia uwalnianie wody międzycząsteczkowej i zwiększa wydajność urządzeń, a ponadto ogranicza zużycie mechaniczne oraz zużycie energii.

Właściwy dobór tych środków chemicznych i ich dawkowanie ma decydujący wpływ zarówno na jakość osadu suchego, jak i na koszty eksploatacyjne (OPEX).

Głównymi stosowanymi odczynnikami są:

• Środki flokulujące ( najczęściej stosowane). Wykorzystuje się polimery organiczne, które mogą być kationowe, anionowe lub niejonowe.
• Środki koagulujące ( _FeCl₃,_Al₂(_SO₄)_₃, PAC i_FeSO₄) neutralizują ładunki elektryczne i poprawiają działanie flokulantów.
• Wapno (CaO lub Ca(OH)_₂). Pozwala zwiększyć gęstość i filtrowalność szlamu oraz go stabilizuje, ale ma tę wadę, że zwiększa ilość powstających osadów i działa ściernie.
• Materiały specjalne, takie jak celuloza, okrzemki i perlit. Są to materiały przeznaczone specjalnie dla przemysłu chemicznego.                      

Korzyści techniczno-ekonomiczne

Z technicznego punktu widzenia mechaniczne suszenie osadów ma wiele zalet, takich jak zmniejszenie objętości do poziomów dopuszczalnych dla składowania na wysypiskach lub ponownego wykorzystania w kompostowaniu. Koszty transportu, przeładunku i energii są zazwyczaj umiarkowane.

Typowe zastosowania

Suszenie mechaniczne ma zastosowanie w:

• Oczyszczalnie ścieków komunalnych: przetwarzanie osadów biologicznych, fizykochemicznych lub mieszanych.
• Ścieki przemysłowe:                                                                                         
  • Przemysł chemiczny i farmaceutyczny.
  • Przemysł spożywczy (rzeźnie, zakłady mleczarskie, zakłady konserwowe) oraz przemysł napojowy.
  • Górnict Gór Gór Gór Gór Szlaki szlak szlak szlaku szl sz sz sz
  • Przemysł ceramiczny
  • Przemysł papierniczy.
  • Instalacje przygotowujące osad do wykorzystania energetycznego, kompostowania lub składowania na wysypisku.
  • Inne rodzaje działalności, takie jak garbarnie, pralnie przemysłowe, tartaki do obróbki marmuru itp.

TYPOWA LINIA OSADÓW W OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW

Mechaniczne suszenie osadów to proces wydajny, zrównoważony i konkurencyjny pod względem ekonomicznym. Jego prawidłowe wdrożenie pozwala na spełnienie wymogów przepisów dotyczących ochrony środowiska oraz znaczną poprawę ogólnej rentowności instalacji.

3. Technologie mechanicznego osuszania osadów

Mechaniczne suszenie osadów obejmuje szereg technologii separacji ciał stałych od cieczy, których celem jest zmniejszenie zawartości wody w osadach poprzez zastosowanie rozwiązań mechanicznych. Wybór najbardziej odpowiedniego procesu zależy od rodzaju osadu, przepływów poddawanych obróbce, wymaganego stopnia wysuszenia oraz kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych.

3.1 Wirowanie

Odwirowywanie to proces polegający na rozdzielaniu faz stałej i ciekłej poprzez zastosowanie siły odśrodkowej, wytwarzanej przez bęben obracający się z dużą prędkością (4 000–6 000 obr./min). Jest to proces ciągły, w którym osad uprzednio przygotowany za pomocą polimeru jest wprowadzany do korpusu dekantera odśrodkowego, a cząstki stałe są oddzielane w strefie centralnej dzięki różnicy gęstości.

Typowe zastosowania

• Miejskie oczyszczalnie ścieków pracujące w trybie ciągłym.
• Instalacje o zmiennym natężeniu przepływu i obciążeniu.                       
• Zakłady o wysokim stopniu automatyzacji.

Zalety

• Kompaktowa konstrukcja
• Wysoka dostępność operacyjna
• Łatwa integracja z istniejącymi liniami

Wady

• Niski stopień wysuszenia szlamów (20–28% suchej masy)
• Zużycie mechaniczne
• Zanieczyszczenie hałasem (≥80 dB(A))
• Wysokie zużycie energii (20–40 kWh/t suchej masy)

3.2. Filtry pasmowe

Technologia pracy ciągłej, w której odciskanie osadu odbywa się pomiędzy taśmami filtracyjnymi napinanymi przez centralny zespół sprężarek pneumatycznych. Taśmy te przesuwają się, ściskając osad pomiędzy rolkami, które przesuwają go do przodu, jednocześnie odwadniając go poprzez odprowadzanie nadmiaru wody.

Wstępne przygotowanie osadu odbywa się przy użyciu specjalnych środków flokulujących, zwłaszcza polielektrolitów.

Typowe zastosowania

• Duże przepływy w miejskich oczyszczalniach ścieków
• Stabilizowane osady biologiczne
• Niskie wymagania dotyczące stężenia osadu odwodnionego

Zalety

• Solidna i sprawdzona technologia
• Zużycie energii (5–10 kWh/t suchej masy) oraz umiarkowane koszty utrzymania
• Koszty inwestycyjne (CAPEX), które można pokryć

Wady

• Niski stopień wysuszenia osadów (18–25% suchej masy)
• Duże zużycie wody podczas prania tkanin
• Filtry do wody mętnej
• Nieprzyjemne zapachy
• Wrażliwy na sporadyczne zaburzenia równowagi w procesie przygotowywania szlamu
• Duża powierzchnia użytkowa

3.3 Prasy filtracyjne

Odwadnianie odbywa się poprzez filtrację pod wysokim ciśnieniem w zamkniętych komorach, które składają się z płyt wyposażonych w tkaniny filtracyjne. Proces ten ma charakter przerywany i pozwala osiągnąć wysoki stopień wysuszenia. Najczęściej stosowanym typem prasy filtracyjnej jest prasa płytowo-ramowa / membranowa.                                                 

Wstępne przygotowanie szlamu polega na kontrolowanym dodawaniu koagulantów, flokulantów, a często także wapna, ponieważ wykorzystuje się jego wytrzymałość i odporność w celu zwiększenia stężenia i konsystencji odwodnionych placków.

Typowe zastosowania

• Szlamy przemysłowe
• Szlamy, które są odporne na odwodnienie
• Dąży się do maksymalnego zmniejszenia objętości osadów

Zalety

• Wysoka zawartość suchej masy w gotowym produkcie (35–40%)
• Wymagana niewielka powierzchnia
• Doskonałe oczyszczanie przez filtr
• Umiarkowane zużycie energii (3–8 kWh/t suchej masy)

Wady

• Tryb przerywany
• Wymaga nadzoru i konserwacji, choć można to zautomatyzować
• Wysokie koszty inwestycyjne (CAPEX)
• Trzeba wyprać tkaniny
• Ryzyko związane z wysokim ciśnieniem

3.4. Prasy śrubowe

Proces ciągły, w którym osad jest stopniowo zagęszczany za pomocą ślimaka umieszczonego w bębnie filtrującym. Ciśnienie wzrasta stopniowo, umożliwiając ciągłą i kontrolowaną separację. Do kondycjonowania osadu stosuje się zazwyczaj środki flokulujące.

Typowe zastosowania

• Szlamy biologiczne i mieszane.
• Małe i średnie zakłady produkcji szlamu.
• Specyficzne zastosowania przemysłowe
• Wstępne filtrowanie

Zalety

• Prosta i niezawodna obsługa.
• Niskie zużycie energii elektrycznej (3–6 kWh/t suchej masy)
• Łatwa konserwacja
• Niewielkie zanieczyszczenie hałasem
• Niższe koszty instalacji
• Zmniejszona powierzchnia zajmowana przez urządzenie

Wady

• Niski stopień wysuszenia osadów (18–25% suchej masy)
• Zużycie pierścieni i śruby
• Pranie cykliczne (zużycie wody)
• Problemy związane z tłuszczami i błonnikiem

  PORÓWNANIE TECHNIK MECHANICZNEGO SUSZENIA OSADÓW

Technologia	% MS	nakłady inwestycyjne	OPEX	główna różnica
Wirówka	20–28	Średni/Wysoki	Średni/Wysoki	Ciągła praca, elastyczność i automatyzacja
Filtr pasmowy	18–25	Średni	Średni	Ciągła praca, duże natężenia przepływu
Filtr prasowy	30–40	Wysoki	Niski/Średni	Praca przerywana, maksymalna suchość
Prasa śrubowa	18–25	Średni/Niski	Bas	Ciągła praca, niskie zużycie energii i prostota

3. Wnioski

W wyniku oczyszczania ścieków powstają osady, które należy przekształcić w odpady stałe i stabilne, aby umożliwić ich transport i utylizację. Organy administracyjne regulują warunki składowania tych odpadów w zależności od ich składu i stopnia wysuszenia.

Oczyszczalnie ścieków często wyposażone są w systemy suszenia osadów, aby spełnić te wymagania. Niektóre przedsiębiorstwa, zamiast budować takie instalacje, decydują się na przekazywanie swoich ścieków zewnętrznym podmiotom zajmującym się gospodarką odpadami, co – choć nie wiąże się z kosztami instalacji ani konserwacji – oznacza wyższy koszt za tonę przetworzonego osadu.

Procesy mechanicznego suszenia osadów oferują rozwiązania dostosowane do każdego scenariusza operacyjnego, od miejskich oczyszczalni ścieków po złożone zastosowania przemysłowe. Właściwy dobór technologii pozwala zoptymalizować równowagę między nakładami inwestycyjnymi, kosztami eksploatacyjnymi, stopniem wysuszenia oraz przeznaczeniem osadu, stanowiąc kluczowy etap w efektywnym i zrównoważonym gospodarowaniu osadami.

Bibliografia i źródła.

Oczyszczanie i uzdatnianie ścieków (Metcalf – Eddy). Wydawnictwo Labor

Filtry prasowe z bocznym przesuwem do odwadniania osadów

68 Odwadnianie osadów | PDF | Filtracja | Woda