Результат интеллектуальной деятельности: Способ утилизации осадков сооружений водоподготовки

Изобретение относится к сельскому хозяйству и стройиндустрии. Изобретение может быть использовано для утилизации осадков водоподготовки фильтровальных станций и получения как гуминового удобрения, имеющего применение в качестве сорбента - мелиоранта для рекультивации загрязненных тяжелыми металлами нарушенных земель (восстановление горных выработок, выполаживание откосов полигонов, планировка золоотвалов, шлаковых отвалов), так и для получения материала для стройиндустрии (производство цемента, кирпичей, монолитных блоков).

В современном городском водном хозяйстве, где существуют станции подготовки питьевой воды, в результате обработки природной воды коагулянтами образуется осадок сооружений водоподготовки, который еще называют водопроводным осадком. Вопрос утилизации таких осадков, образующихся в большом количестве, является актуальным.

Известен способ утилизации осадков сооружений водоподготовки, включающий регенерацию коагулянта раствором сульфата алюминия (Бойко Е.В. Метод утилизации осадка станции подготовки питьевой воды, обеспечивающий минимальное воздействие на природную среду. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ульяновск, 2004, 18 с.).

Недостатком данного способа утилизации осадков сооружений водоподготовки является то, что он обеспечивает возможность повторного использования только коагулянта, составляющего лишь небольшую часть от общей массы осадка.

Известен способ получения биогеля, представляющего собой водоторфяной гель с размерами частиц диспергированного торфа не более 40-60 нм (Патент RU 2533235. Способ получения биогеля и биогель. Опубл. 20.11.2014. Бюл. № 32). По данному способу торф смешивается с водой в пропорции от 1:1,5 до 1:3,5. Полученная торфоводяная смесь загружается в диспергационную камеру, которая после загрузки герметизируется, а затем в нее насосом подается статическое давление. Далее включается генератор, подключенный к ультразвуковому преобразователю и обеспечивающий звуковое давление в торфоводяной смеси. Биогель можно использовать в растениеводстве в качестве стимулятора роста растений и для предпосевной обработки семян.

Недостатком данного способа является использование энергоемкого кавитационного диспергирования в ультразвуковом поле для получения частиц торфа не более 40-60 нм, необходимых для обеспечения агрохимической эффективности биогеля.

Известен сушильный агрегат с «кипящим» слоем (Справочник химика. Химия и химическая технология. Сушилки с кипящим слоем материала. https://www.chem21.info/page/244101122059009034194232154013190075032158200174/). Сушильный агрегат с кипящим слоем представляет собой вертикально расположенный цилиндр, в нижней и средней части которого находятся акустические сирены. Материал для сушки загружается в агрегат через питатель на решетку. Воздух для сушки подается через статическую сирену и проходит через сетку, которая обеспечивает равномерность потока. При прохождении воздуха через обрабатываемый материал последний начинает интенсивно перемешиваться, а часть его переходит во взвешенное состояние - «кипит». Находящийся во взвешенном состоянии высушиваемый материал подвергается воздействию акустических колебаний высокой интенсивности. По мере высушивания пылевидные частицы поднимаются кверху. Для устранения уноса мелких частиц в верхней части сушильного агрегата установлена акустическая сирена с мембраной, обеспечивающая коагуляцию и осаждение уносимых частиц в разгрузочный бункер.

Недостатком сушилки является то, что для улавливания частиц материала используется энергоемкое ультразвуковое поле.

Известен способ использования кипящего слоя для сушки сыпучих материалов газами, включающий размещение материалов равномерным слоем на пористой газораспределительной беспровальной решетке агрегата и подачу газа под давлением и со скоростью, достаточными для создания над беспровальной решеткой кипящего слоя с высотой Н, содержащего как крупные, так и мелкие пылеобразные частицы (С.Я. Давыдов. Энергосберегающее оборудование для транспортировки сыпучих материалов. Исследование, разработка, производство. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2007. 317 с., С.Я. Давыдов, А.Н. Семин. Энергосберегающее оборудование пневматического транспорта: вчера, сегодня, завтра. Теория, расчет, исследования, производство. М.: Изд. Фонд «Кадастровый резерв». 2016. 472 с.)

Недостатком способа является отсутствие выделения фракций частиц различного размера из кипящего слоя.

Известен способ получения жидкого торфо-гуминового удобрения, включающий приготовление смеси раствора с высоким рН с гуматосодержащим веществом (Патент RU 2566993. Опубл. 27.10.2015. Бюл. № 30). В процессе приготовления смеси раствора с гуматосодержащим веществом воду предварительно обрабатывают посредством электролиза. Полученную таким образом воду с высоким рН смешивают с торфяной суспензией влажностью 75-85 %, приготовленной на активированной воде, перемешивают и затем смесь подвергают кавитационной обработке в ультразвуковом поле.

Недостатком указанного способа является наличие энергоемкого кавитанционного диспергирования в ультразвуковом поле и процедуры электролиза, необходимой для активации воды. Кроме того, применение гидродинамического кавитационного диспергирования при длительности обработки свыше 10 минут вызывает нежелательный рост уровня кислотности среды (https://www.vimsmit.com/jour/article/view/95/51).

Техническим результатом является повторное экологичное использование осадков сооружений водоподготовки, исключение необходимости энергозатратных процессов при их обезвоживании и диспергировании в процессе утилизации. Ограничение верхнего уровня Н кипящего слоя увеличивает расходную концентрацию смеси, то есть уменьшает удельные затраты горячего газа, а значит и затраты энергии. Предложенный способ позволяет обеспечить высокую интенсивность сушки без реализации энергозатратных и сложных режимов сушки и при этом получить исходное сырье для последующего использования в качестве удобрения. Пылеобразная часть высушенной смеси также может использоваться в качестве материала для стройиндустрии в производстве цемента, кирпичей, монолитных блоков.

Поставленная задача достигается тем, что в способе утилизации осадков сооружений водоподготовки, включающем приготовление смеси водопроводного осадка сооружений водоподготовки с фрезерным торфом, размещение данной смеси равномерным слоем на пористой газораспределительной беспровальной решетке сушильного агрегата и подачу горячего газа под давлением и со скоростью, достаточными для создания над беспровальной решеткой кипящего слоя смеси с высотой Н, содержащего как крупные, так и мелкие пылеобразные частицы, не обезвоженный водопроводный осадок смешивают с фрезерным торфом в массовом соотношении в диапазоне от 1,5:1 до 4:1 соответственно, ограничивают верхний уровень кипящего слоя, включающий пылеобразные частицы, диспергирующей решеткой, установленной ниже высоты Н кипящего слоя смеси, которая определяется из следующего выражения:

где ε₀ - порозность неподвижного слоя частиц смеси; ε - порозность кипящего слоя частиц смеси; H₀ - высота неподвижного слоя смеси определяется из зависимости:

H₀ = m/(F ρ),

где m - масса слоя материала смеси, кг; F - площадь диспергирующей решетки, м²; ρ - плотность материала смеси, кг/м³, и пропускают пылеобразные частицы сквозь эту диспергирующую решетку, а для их улавливания используют решетку в виде фильтровальной сетки, установленной над диспергирующей решеткой.

На фиг. 1 представлен гранулометрический состав осадков водоподготовки.; на фиг. 2 представлена кривая распределения весового количества фракций осадков водоподготовки; на фиг. 3 представлена схема сушильного агрегата кипящего слоя: 1 - подача смеси торфа с осадком; 2 - подача горячего газа; 3 - беспровальная решетка; 4 - выпуск сухих частиц смеси; 5 - выпуск отработанного горячего газа; 6 - диспергирующая решетка; 7 - кипящий слой материалогазовой смеси; 8 - фильтровальная сетка для пропуска газа; 9 - выпуск сухой пыли, 10 - отверстие с фильтровальной сеткой для выпуска влажного газа.

Прежде чем описывать предложенный способ, следует подробнее остановиться на исходных материалах, используемых в данном способе утилизации осадков водоподготовки.

Использовали не обезвоженные осадки водоподготовки Западной фильтрационной станции г. Екатеринбурга, отобранные в летний период водозабора. Гранулометрический состав осадков определяли ситовым методом с промывкой водой, а также методом седиментации с использованием торсионных весов. Результаты выполненных работ представлены на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 видно, что преобладающая часть осадков водоподготовки представлена частицами с геометрическим размером менее 50 мкм (53 %) и частицами размером более 100 мкм (44 %). На частицы с размером от 71 до 100 мкм приходится 2 % от общего числа.

На рис. 2 представлена соответствующая дифференциальная кривая распределения частиц, имеющих размер менее 50 мкм. Среди частиц менее 50 мкм преобладают частицы, размер которых не превышает 10 мкм.

Результаты гранулометрических исследований показывают, что осадки водоподготовки представляют собой полидисперсную систему. При этом визуальное сканирование осадков водоподготовки с помощью электронного микроскопа свидетельствует о преобладании частиц несферической формы. Отметим, что угловатые частицы имеют более развитую поверхность, чем округлые частицы. В отношении величины площади поверхности также важен размер частиц: мелкие частицы имеют большую поверхность, чем такое же количество по массе более крупных частиц. Следовательно, гранулометрический анализ позволяет заключить, что осадки водоподготовки при контакте с другими веществами характеризуются развитой поверхностью границы раздела. Данный факт имеет положительное значение для процесса адсорбции, протекающего на границе раздела фаз. При этом осадки водоподготовки за счет проявления нейтрализующего действия в отношении кислой среды способствуют лучшей экстракции активных веществ из торфяного сырья, что положительно сказывается на общем содержании в получаемом продукте агрохимически активных гуматов.

Согласно предлагаемому изобретению осадки водоподготовки смешивают с фрезерным торфом. Торф представляет собой вещество, которое трудно поддается диспергированию. При механическом измельчении влажного торфа минимально достижимый размер частиц составляет порядка 100 мкм. Для использования по настоящему изобретению влажность торфа не лимитируется.

Смешивание осадков водоподготовки фильтровальных станций с фрезерным торфом в соотношении от 1,5:1 до 4:1 (то есть от 1,5 до 4 частей осадка к 1 части торфа) позволяет увеличить объемы полезной переработки указанных осадков с сохранением эксплуатационных характеристик готового продукта.

Способ по настоящему изобретению осуществляется следующим образом.

При добыче фрезерного торфа для последующего смешивания с осадками сооружений водоподготовки использовали закрепленные на валу вращающиеся эластичные цилиндрические щетки, которые создают рыхлый равномерный по толщине слой за счет подфрезеровывания торфяной залежи. (Патент RU № 2772001. Транспортное средство для сбора сыпучего материала. Давыдов С.Я. и др. Опубл. 16.05.2022. Бюл. № 14).

Сметание торфа щетками нарушает капиллярные связи с залежью и обеспечивает направление потока торфяных крошек в сторону сборщика торфа. Основная задача ворошения и сбора фрезерного торфа состоит в интенсификации сушки при технологических требованиях:

• создание рыхлого равномерного по толщине слоя торфа;

• подфрезеровывание торфяной залежи;

• сметание торфа с нарушением капиллярных связей с залежью.

Процесс активного ворошения сопровождается дроблением крупных частиц торфа и уменьшением их размера на 10-15 %. При пористом (взрыхленном) расстиле создаются благоприятные условия для пневматической уборки торфа при наличии разности давлений, которая воздействует на частицы с определенной подъемной силой.

Осадки водоподготовки фильтровальных станций смешивают с фрезерным торфом для производства питательных грунтов по ГОСТ Р 52067-2003 в соотношении от 1,5:1 до 4:1 (то есть от 1,5 до 4 частей осадка к 1 части торфа) и направляют по стрелке 1 в сушильный агрегат кипящего слоя (фиг. 3).

Смесь осадков с торфом размещают равномерным слоем на пористой газораспределительной беспровальной решетке 3 (аэроднище) сушильного агрегата. В качестве аэроднища была использована металлическая беспровальная сетка СД 200-08Х18Н10 (ГОСТУ 3187-76), выпускаемая ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК ТЕТИЗ» (сетка саржевого переплетения двухсторонняя, предназначенная для фильтрования, обезвоживания, сушки). Под пористую беспровальную решетку подают горячий газ 2. После прохода через решетку потоки газа, воздействуя на смесь, аэрируют ее до псевдоожиженного (кипящего) состояния. Сжатый горячий газ проходит под давлением и со скоростью, достаточной для создания над беспровальной решеткой 3 кипящего слоя с высотой Н. Кипящий слой содержит как крупные, так и мелкие пылеобразные частицы, преобладающие в верхнем уровне кипящего слоя.

Диспергирующую решетку 6 устанавливают ниже высоты Н верхнего уровня 11 кипящего слоя сушильного агрегата.

H₀ - высота неподвижного слоя (твердой фазы), м, определяется из зависимости:

H ₀ = m/(Fρ),

где m - масса слоя материала смеси, кг; F - площадь диспергирующей решетки, м²; ρ - плотность материала смеси, кг/м³, ε₀ - порозность неподвижного слоя частиц насыпного груза; ε - порозность кипящего слоя частиц насыпного груза. (Давыдов С.Я. Энергосберегающее оборудование пневматического транспорта: вчера, сегодня, завтра. Теория, расчет, исследования, производство/ С.Я. Давыдов, А.Н. Семин. - М.: Изд. фонд «Кадастровый резерв». 2016. - 472 с., Изучение закономерности кипящего слоя, аэродинамики воздушного потока, процессов обезвоживания и пылеулавливания: методические указания к лабораторным работам/ А.Е. Замураев, С.Я. Давыдов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 18 с.)

В процессе кипения более легкие пылеобразные частицы смеси поднимаются кверху. Пылеобразные частицы смеси проходят сквозь диспергирующую решетку 6. Отверстия этой решетки должны быть больше трехкратного размера наибольшей пылеобразной частицы смеси.

В опытах для регулирования проходных сечений над решеткой 6 устанавливали дополнительную решетку с такими же отверстиями с возможностью поперечного перемещения их относительно друг друга. Таким простым решением обеспечивается пропуск частиц смеси с определенным гранулометрическим составом. Над решеткой 6 вновь создается кипящий слой пылеобразных частиц, по высоте ограниченный решеткой 8 в виде фильтровальной сетки (ГОСТ 3187 - 76 Сетки проволочные тканые фильтровальные). Влажный газ выпускают через отверстие 10 с фильтровальной сеткой по стрелке 5. Сухие крупные частицы смеси выпускают из устройства по стрелке 4, а пылеобразные частицы - по стрелке 9.

По мере высушивания частицы смеси становятся легче, поднимаются потоком газа вверх и под действием перепада давления перетекают сквозь диспергирующую решетку 6. При проходе через диспергирующую решетку 6 происходит дополнительное механическое разрушение частиц смеси.

После прохождения через диспергирующую решетку 6 направленный вверх поток горячего газа оказывает аэродинамическое воздействие на частицы смеси, в результате чего они перестают падать вниз и на некотором расстоянии от диспергирующей решетки 6 образуется слой постоянно циркулирующих частиц смеси (псевдоожиженный кипящий слой), в процессе которого указанные частицы измельчаются, и из них выпаривается содержащаяся в них влага.

В кипящем слое происходит быстрое выравнивание температур твердых частиц и сушильного газа и достигается весьма интенсивный тепло- и массообмен между твердой и газовой фазами, в результате сушка заканчивается в течение нескольких минут, что отражается на уменьшении энергозатрат.

Исследование сорбционных свойств полученного удобрения в отношении иммобилизации тяжелых металлов проводили в статических условиях при комнатной температуре. В качестве модельных ионов тяжелого металла рассматривали ионы трехвалентного хрома Cr³⁺. К навеске удобрения приливали фиксированный объем раствора соли тяжелого металла с известной исходной концентрацией. По истечении 72 ч времени контакта компонентов системы «удобрение - раствор соли тяжелого металла» раствор фильтровали. Для определения концентрации ионов хрома в растворе до и после адсорбции использовали рентгеновскую флуоресцентную спектрометрию. Анализ проводили с помощью рентгенофлуоресцентного сканирующего спектрометра «СПЕКТРОСКАН МАКС G». При выполнении анализа в качестве градуировочных образцов использовали стандартные растворы сульфата хрома (III).

При исследовании сорбционных свойств удобрения были получены следующие результаты.

В отношении иммобилизации ионов Cr³⁺ удобрением, содержащим 80 и 60 масс. % осадков водоподготовки установлена полная (100 %) адсорбция ионов тяжелого металла. При снижении содержания осадков водоподготовки в удобрении до 40 масс. % происходит уменьшение адсорбции ионов хрома (III) до величины 79 %, что экспериментально подтверждает оптимальное смешивание осадков водоподготовки фильтровальных станций с фрезерным торфом в соотношении от 1,5:1 до 4:1 (то есть от 1,5 до 4 частей осадка к 1 части торфа).