PL206144B1 - Sposób uzdatniania szlamu pochodzącego z zakładu wodociągowego lub instalacji uzdatniania ścieków i urządzenie do uzdatniania szlamu pochodzącego z zakładu wodociągowego lub instalacji uzdatniania ścieków - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób oraz urządzenie do uzdatniania szlamu pochodzącego z zakł adu wodocią gowego lub instalacji uzdatniania ś cieków.

Gdy z wód powierzchniowych otrzymywana jest czysta woda, zazwyczaj usunięte muszą zostać substancje zawieszone i materiał organiczny. Materiał organiczny, który nie jest tak łatwy do usunięcia, tak zwany humus, stanowią substancje o barwie brązowej, które powstają przy niecałkowitym rozkładzie martwych roślin. Występują one naturalnie w różnych ilościach w jeziorach i ciekach wodnych. W pewnych sytuacjach, gdy humus obecny jest w wodzie przeznaczonej do oczyszczenia w zakładach wodocią gów, uzyskanie wystarczająco czystej wody może być niemoż liwe bez dodatku chemicznych koagulantów.

Oddzielenie substancji zawieszonych obniża zmętnienie wody, zaś oddzielenie substancji organicznych poprawia także jej smak. W procesach uzdatniania ścieków istnieje potrzeba oddzielenia substancji zawieszonych i zanieczyszczeń organicznych. Ponadto istnieje potrzeba oddzielenia fosforu.

W procesach separacji powszechne jest dodawanie nieorganicznych koagulantów chemicznych, takich jak na przykład sole metali trójwartościowych, żelaza lub glinu. Jony metali tworzą wtedy, w warunkach wolnego mieszania, kłaczki z grupą wodorotlenową, które otaczają i adsorbują zawieszoną materię oraz substancje organiczne rozpuszczone w wodzie. Ponadto rozpuszczony w wodzie fosfor wraz z żelazem lub glinem tworzą trudno rozpuszczalny związek, który może być oddzielony.

Po zakończeniu procesu kłaczkowania (flokulacja), powstałe kłaczki są oddzielane na różne sposoby, na przykład w procesie flotacji -/filtracji piaskowej, sedymentacji/ filtracji piaskowej lub tylko filtracji piaskowej, przy czym powstaje wtedy szlam. W zakładach wodociągów powszechne jest bezpośrednie pompowanie oddzielonego szlamu z instalacji z powrotem do odbiornika, do basenu szlamowego w postaci rozrzedzonego szlamu. Ewentualnie szlam jest odwadniany, na przykład w wirówce w celu późniejszego osadzenia. W instalacjach do uzdatniania ścieków szlam jest na przykład odwadniany w wirówce lub uzdatniany w komorze gnilnej. W krajach o cieplejszym klimacie szlam może zostać umieszczony na złożu suszącym w celu jego późniejszego osadzenia.

Szlam pochodzący z instalacji uzdatniania ścieków jest czasami wykorzystywany w charakterze dodatku poprawiającego właściwości gleby, jednakże ten sposób postępowania jest często krytykowany, gdyż szlam zawiera często niepożądane substancje, na przykład metale ciężkie.

Wysyłka szlamu z zakładów wodociągów do odbiornika lub magazynowanie szlamu w basenie szlamowym mogą mieć niekorzystny wpływ na środowisko. Ponadto, transport i magazynowanie szlamu na składowisku są kosztowne i jako takie mają negatywny wpływ na środowisko. Było to zgłaszane przez organizacje ekologiczne jak również przez władze, w związku, z czym obowiązują już dzisiaj lokalne obostrzenia przepisów. Ponadto w kilku krajach istnieją wymagania, co do recyklingu, jeżeli taki jest możliwy, w związku, z czym można oczekiwać w przyszłości dalszych zakazów i obostrzeń. Jak dotychczas nie opracowano żadnego skutecznego rozwiązania tego problemu.

W artykule autorstwa E. Ernest Lindsey et al.: „Recovery and reuse of a alum from water filtration plant sludge by ultrafiltration” Water 1975 (AlChe symposium, serie 151), Nowy Jork 1975, opisano proces, w którym szlam jest zakwaszany, przy czym pozostającym substancjom zawieszonym pozwala się na osadzenie, po czym klarowna woda poddawana jest obróbce w instalacji ultrafiltrującej. Sposób ten ma oczywiste wady. W roku 1975, gdy artykuł ten został opublikowany, nie były dostępne membrany i systemy membranowe, które by były w stanie dać sobie radę z nawet bardzo małymi ilościami substancji zawieszonych bez zatykania się membrany. W zakwaszanym szlamie znajdują się zawieszone substancje organiczne i nieorganiczne, z jednej strony w postaci cząstek o gę stości równej lub mniejszej niż gę stość wody, a z drugiej strony w postaci koloidów, które nie mogą zostać oddzielone w procesie osiadania. Nawet, jeżeli zakwaszany szlam przechodzi przez proces separacji poprzez sedymentację, pozostała zawartość substancji zawieszonych spowoduje znaczne zmniejszenie żywotności membran dostępnych w roku 1975, co sprawiało, iż proces ten był nieekonomiczny. Dzisiaj istnieją na przykład ceramiczne membrany ultrafiltracyjne, które dokonują także filtracji roztworów o bardzo dużym stężeniu substancji zawieszonych. Oznacza to, że filtracja membranowa może być dzisiaj stosowana dla całej ilości zakwaszanego szlamu, nawet wtedy, gdy szlam pochodzi z instalacji uzdatniania ścieków, gdzie ilości substancji zawieszonych są znacznie większe niż w szlamie pochodzącym z zakładów wodociągów. Szlam powstający w trakcie sedymentacji zakwaszanego szlamu otrzymuje bardzo małą ilość substancji zawieszonych i tworzyć będzie dużą

PL 206 144 B1 część całkowitej ilości zakwaszanego szlamu. W szlamie, który zgodnie z tą publikacją musi zostać oddzielony od sklarowanej wody, znajdują się jednocześnie rozpuszczone jonu glinu, które z tego względu nie mogą zostać odzyskane. Ponadto, do neutralizacji pozostałej ilości kwasu wykorzystywane są środki chemiczne oraz te jony glinu, które obecne są w szlamie. Jeżeli pożądane jest jednoczesne dokonanie hydrolizy, znaczna ilość materiału organicznego znajduje się ponadto w szlamie w postaci rozpuszczonych i zawieszonych substancji.

W opisie patentowym USA nr 5 304 309 ujawniono sposób wybiórczego recyklingu nieorganicznych koagulantów chemicznych w szlamie pochodzącym z zakładów wodociągów, zgodnie, z którym najpierw w pierwszym zbiorniku do szlamu dodaje się kwas, następnie w zakwaszanym szlamie zanurzana jest membrana z wbudowanym wymiennikiem jonów w celu adsorpcji jonów metalu, po czym membrana ta przenoszona jest do drugiego zbiornika w celu dokonania desorpcji jonów metalu. Sposób taki jest skomplikowany i jest mało wydajny przy uzdatnianiu dużych ilości rozrzedzonego szlamu.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu uzdatniania szlamu pochodzącego z zakładów wodociągów lub instalacji uzdatniania ścieków w celu uzyskania znacznie lepiej oczyszczonego resztkowego szlamu i w mniejszej ilości niż możliwe jest przy zastosowaniu istniejących sposobów, dzięki czemu jego niekorzystny wpływ na środowisko zostaje zredukowany lub wyeliminowany.

Celem wynalazku jest również opracowanie sposobu, w którym chemiczne koagulanty pochodzące z zakładów wodociągów i instalacji uzdatniania ścieków mogą zostać odzyskane i ponownie wykorzystane, dzięki czemu znacznie maleje zapotrzebowanie na chemiczne koagulanty.

Celem wynalazku jest również opracowanie sposobu, w którym zmniejszona jest potrzeba stosowania czynników koagulujących.

Celem wynalazku jest również opracowanie sposobu zwiększenia zawartości suchej masy w szlamie, dzięki czemu mogą być przewoż one i osadzane mniejsze ilości materiału.

Celem wynalazku jest również opracowanie sposobu uzyskiwania szlamu, który może być stosowany w charakterze czynnika poprawiającego właściwości gleby.

Celem wynalazku jest również opracowanie sposobu, który jednocześnie stosuje przy hydrolizie szlamu jego sprężanie i zakwaszanie, co jest konieczne dla membranowego procesu odzyskiwania jonów glinu i żelaza.

Celem wynalazku jest również otrzymanie, przy zastosowaniu procesu hydrolizy, szlamu, który może być łatwiej rozkładany biologicznie w komorze gnilnej, dzięki czemu uzyskuje się większy uzysk metanu (biogazu).

Celem wynalazku jest również zmniejszenie całkowitego zużycia energii w wyniku kombinacji filtracji membranowej i hydrolizy, w porównaniu do rozwiązań, w których procesy filtracji membranowej i hydrolizy prowadzone są odrę bnie.

Celem wynalazku jest również otrzymanie większego przepływu, na przykład dzięki mniejszej lepkości, w zespole mikrofiltracji/ultrafiltracji, co pozwala na obniżenie kosztów inwestycyjnych, w wyniku podgrzewania szlamu.

Celem wynalazku jest również uzyskanie albo wkładu ciepła do następującego kolejno procesu rozkładu w komorze gnilnej lub dodatkowego przyrostu zawartości suchej masy, dzięki temu, że następuje odparowanie wody z podgrzewanego koncentratu albo podgrzewania zakwaszanego, ale niepoddanego jeszcze innej obróbce, szlamu z podgrzanego koncentratu pochodzącego z zespołu mikrofiltracji/ultrafiltracji.

Celem wynalazku jest również uzyskanie najlepszej możliwej hydrolizy w wyniku utrzymywania, koncentratu pochodzącego z mikrofiltracji/ultrafiltracji, który zawiera oddzielone substancje organiczne, w podwyższonej temperaturze i pod podwyższonym ciśnieniem, tak długo jak to możliwe.

Celem wynalazku jest również uzyskanie tak małej retencji jonów glinu i żelaza, jak to możliwe, a takż e tak duż ej retencji zanieczyszczeń jak to moż liwe.

Celem wynalazku jest również wykorzystanie kwasu, który dodawany jest w celu zakwaszenia szlamu, z jednej strony do rozpuszczenia wodorotlenku glinu i wodorotlenku żelaza, zaś z drugiej strony do hydrolizy szlamu.

Celem wynalazku jest również wykorzystanie ciepła, otrzymywanego przez pompy stosowane do podnoszenia ciśnienia i do recyrkulacji, do podgrzewania zakwaszanego szlamu, dzięki czemu obniża się koszty energii.

Celem wynalazku jest również zamiana konwencjonalnego sposobu odwadniania szlamu, na przykład w wirówce lub podobnym urządzeniu, na proponowany sposób według wynalazku.

PL 206 144 B1

Celem wynalazku jest również zastosowanie nadciśnienia do podgrzania szlamu do temperatur przekraczających 100°C, co przyczynia się do szybszej hydrolizy.

Celem wynalazku jest również otrzymanie higienicznego szlamu po procesie podgrzewania.

Celem wynalazku jest również uzyskanie całkowitego i szybkiego rozpuszczenia wodorotlenku metalu, zwłaszcza wodorotlenku żelaza, w wyniku poddania go działaniu wysokiej temperatury.

Celem wynalazku jest również ługowanie z koncentratu pozostałych ilości żelaza, glinu oraz innych rozpuszczonych metali, które mogą być obecne w niewielkich ilościach, poprzez dodatek czystej wody, zamiast zakwaszanego szlamu, do zbiornika ciśnieniowego, po osiągnięciu prawidłowego stężenia w zbiorniku ciśnieniowym, w celu dalszego odzyskania chemicznych koagulantów.

Sposób uzdatniania szlamu pochodzącego z zakładu wodociągowego lub instalacji uzdatniania ścieków, zawierającego wytrącone nieorganiczne koagulanty chemiczne oraz wytrącone substancje organiczne, polegający na dodawaniu do szlamu kwasu dla otrzymania pierwszej mieszaniny szlamu o ma ł ej wartoś ci współczynnika pH, zawierają cej roztwór nieorganicznych koagulantów chemicznych oraz substancje organiczne, według wynalazku charakteryzuje się tym, że mieszaninę szlamu o małej wartości współczynnika PH pompuje się do zbiornika ciśnieniowego dla otrzymania szlamu o podwyższonym ciśnieniu, po czym otrzymany szlam o podwyższonym ciśnieniu poddaje się przynajmniej jednej filtracji membranowej, z której wyprowadza się osobno koncentrat oraz przesącz.

Pompowanie mieszaniny szlamu przeprowadza się za pomocą pompy, a następnie przepompowaną mieszaninę szlamu ogrzewa się, przepuszczając ją przez wymienniki ciepła do zbiornika ciśnieniowego.

Podawaną do zbiornika mieszaninę szlamu miesza się z poddawanym recyrkulacji koncentratem, pochodzącym z przynajmniej jednego etapu filtracji membranowej.

Otrzymany z pierwszej filtracji membranowej pierwszy koncentrat zawraca się do ponownej filtracji membranowej razem z pierwszą mieszaniną szlamu.

Pierwszy przesącz zawraca się do pierwszego wymiennika ciepła dla dokonania wymiany ciepła pomiędzy mieszaniną szlamu a pierwszym przesączem.

Zarówno pierwszy etap filtracji membranowej jak i drugi etap filtracji membranowej napędza się za pomocą podwyższonego ciśnienia.

Pierwszą mieszaninę szlamu pompuje się w takiej samej ilości jak ilość pierwszego przesączu.

Zbiornik ciśnieniowy ogrzewa się do temperatury przekraczającej 100°C.

Jako pierwszy etap filtracji membranowej stosuje się ultafiltrację i/lub mikrofiltrację.

Pierwszy przesącz doprowadza się do drugiego etapu filtracji membranowej, w którym otrzymuje się drugi koncentrat zawierający roztwór nieorganicznych koagulantów chemicznych, i drugi przesącz.

Jako drugi etap filtracji membranowej stosuje się nanofiltrację i/lub odwróconą osmozę.

Otrzymany drugi przesącz doprowadza się do zbiornika neutralizacji, do którego dodaje się zasadę.

Jako nieorganiczne koagulanty chemiczne w roztworze stosuje się trójwartościowe jony glinu i/lub żelaza.

Do koncentratu wypuszczanego ze zbiornika ciśnieniowego dodaje się zasadę i otrzymuje się drugą mieszaninę szlamu o przynajmniej neutralnej wartości współczynnika pH.

Jako zasadę stosuje się tlenek wapnia lub wodorotlenek wapnia.

Otrzymaną drugą mieszaninę szlamu poddaje się procesowi gnilnemu lub suszeniu poprzez odparowanie wody z drugiej mieszaniny szlamu po jej podgrzaniu.

Drugą mieszaninę szlamu poddaje się wymianie ciepła z pierwszą mieszaniną szlamu.

Wyprowadza się higieniczny koncentrat zawierający hydrolizowane substancje organiczne.

Wyprowadza się przesącz zawierający roztwór nieorganicznych koagulantów chemicznych.

Do zbiornika ciśnieniowego dodaje się czystą wodę dla dalszego odzysku nieorganicznych koagulantów chemicznych.

Urządzenie do uzdatniania szlamu z zakładu wodociągowego lub instalacji uzdatniania ścieków, zawierające zbiornik szlamu, do którego jest doprowadzony wylot rury prowadzącej szlam przeznaczony do uzdatniania i wylot rury doprowadzającej kwas, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do zbiornika szlamu jest połączony poprzez pompę przynajmniej jeden zbiornik ciśnieniowy, który z kolei jest połączony szeregowo z przynajmniej jednym zespo ł em filtracji membranowej.

Za wylotową częścią zbiornika szlamu znajduje się wymiennik ciepła dla wymiany ciepła pomiędzy mieszaniną szlamu a przesączem i/lub drugą mieszaniną szlamu.

Zespół filtracji membranowej jest zespołem ultafiltracji i/lub zespołem mikrofiltracji.

PL 206 144 B1

Pomiędzy zbiornikiem szlamu a zbiornikiem ciśnieniowym znajduje się przynajmniej jeden zespół filtracji membranowej, za którym jest umieszczony szeregowo przynajmniej jeden następny zespół filtracji membranowej.

Za następnym zespołem filtracji membranowej znajduje się zbiornik neutralizacji.

Następny zespół filtracji membranowej jest zespołem nanofiltracji i/lub zespołem odwróconej osmozy.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia przykład wykonania urządzenia według wynalazku do uzdatniania szlamu pochodzącego z zakładów wodociągów lub instalacji uzdatniania ścieków.

Napływająca woda A doprowadzana jest do zakładu wodociągowego lub instalacji do uzdatniania ścieków W/WTP. Wodzie tej, w basenie flokulacyjnym 1, umożliwia się w warunkach mieszania wejście w reakcję z wprowadzanym jednocześnie roztworem nieorganicznych chemicznych koagulantów B. Zazwyczaj chemicznymi koagulantami są jony glinu lub jony żelaza, które dokonują kłaczkowania substancji zawieszonych w wodzie oraz substancji organicznych, zaś w przypadku instalacji uzdatniania ścieków także fosforu. Następnie, powstałe kłaczki są separowane w basenie sedymentacyjnym 2, gdzie na dnie tego basenu powstaje rozrzedzony szlam.

Osadzony denny szlam jest zgarniany lub inaczej doprowadzany do kosza 3. Zgromadzony rozrzedzony szlam C jest, w przypadku zakładów wodociągów albo pompowany z powrotem do odbiorcy albo inaczej odwadniany, jako szlam C2, na przykład z wykorzystaniem wirówki 4. Odwirowany szlam D także zawiera stosunkowo niewiele suchej masy DS (około dziesięciu procent).

Oczyszczana woda w instalacjach uzdatniania ścieków jest wydzielana w postaci czystej wody E.

Odwirowany szlam D jest następnie osadzany. Ewentualnie, powstały w trakcie procesu kłaczkowania wodorotlenek metalu może być rozpuszczany w kwasie, dzięki czemu uwalniane są zawieszona materia i substancje organiczne. Rozpuszczony szlam jest filtrowany w znany sposób z wykorzystaniem konwencjonalnego filtra. Konwencjonalny filtr jest jednakże zdolny tylko do rozdzielenia części zawieszonych cząstek, nie zaś wszelkiej materii organicznej, jaka występuje w rozpuszczonym szlamie.

Wtedy, gdy szlam ma zostać poddany hydrolizie, w celu otrzymania mniejszej ilości resztkowego szlamu oraz otrzymania większego uzysku biogazu w następującym dalej etapie obróbki w komorze gnilnej, odwirowany szlam D jest podgrzewany przy podwyższonym ciśnieniu w naczyniu do hydrolizy.

W przykł adzie wykonania wynalazku szlam C1, odbierany z zakł adu wodocią gowego lub instalacji do uzdatniania ścieków W/WTP, doprowadzany jest do zbiornika T6 urządzenia według wynalazku do uzdatniania szlamu CTS, przy połączeniu z zakładem wodociągowym czy instalacją do uzdatniania ścieków W/WTP, oczyszczających wodę. W zbiorniku T6 urządzenia do uzdatniania szlamu CTS uzdatniany może być także szlam pochodzący z innych zakładów wodociągów czy instalacji do uzdatniania ścieków, dostarczany stamtąd na przykład ciężarówką.

W sposobie według wynalazku, szlam C1 poddawany jest przynajmniej jednemu procesowi filtracji membranowej, następującemu po przynajmniej jednym procesie pompowania do zbiornika ciśnieniowego T7, dzięki czemu otrzymuje się koncentrat I oraz przesącz J. W wyniku tego, ów pierwszy przesącz J zawiera zasadniczo nieorganiczne koagulanty chemiczne w roztworze.

Określenie „proces filtracji membranowej” oznacza proces rozdzielania, którego siłą napędową jest różnica potencjału chemicznego na membranie. Siła napędowa - potencjał chemiczny może być jednakże uzyskana różnie w różnych procesach membranowych. Może to być na przykład przyłożone ciśnienie, różnica stężeń lub temperatury lub też różnica potencjału elektrycznego. Mechanizm separacji opiera się na teorii roztworów, w której rozpuszczalność i dyfuzyjność rozpuszczonych substancji w membranie mają decydują ce znaczenie.

W różnych procesach membranowych stosowane były różne rodzaje membran. W niektórych procesach stosowano membrany z porami (przykładowo mikrofiltracja - MF), podczas gdy membrany w innych procesach nie zawierały porów (przykładowo odwrócona osmoza - RO). Niektóre procesy zależą od naładowania membrany (przykładowo nanofiltracja - NF), o ile tylko obecność ładunku membrany nie wpływa na zasadniczy mechanizm separacji w innych procesach (przykładowo mikrofiltracja).

W trakcie ultrafiltracji (UF) to gł ównie wielkość porów decyduje o tym, jakie substancje są wydzielane a jakie przechodzą przez membranę. Zgodnie z tym, dominującym mechanizmem jest przesiewanie, jednakże ważne jest także wzajemne oddziaływanie pomiędzy membraną a rozpuszczonymi

PL 206 144 B1 substancjami. Separacja w trakcie mikrofiltracji (MF) oparta jest całkowicie na mechanizmie przesiewania a wielkość cząstki jest czynnikiem całkowicie określającym możliwość przejścia przez membranę.

Podczas mikrofiltracji rozdzielane są głównie substancje zawieszone i koloidy. Przy stosowaniu techniki mikrofiltracji MF otrzymywany jest często większy strumień (przepływ na pole powierzchni membrany). Ta możliwość stosowana jest korzystnie do uzdatniania szlamu, który nie wymaga dużej separacji rozpuszczonych substancji organicznych, na przykład wtedy, kiedy ilość humusu jest niewielka. Otrzymuje się koncentrat, który zawiera substancje zawieszone w wodzie.

Procesy MF/UF/NF oraz RO są procesami membranowymi, w których do dokonania podziału materiału na przesącz i koncentrat obecny musi być czynnik napędzający proces.

W wypadku szlamu pochodzą cego z zakł adów wodocią gów, z dużą iloś cią humusu lub też szlamu pochodzącego z instalacji do uzdatniania ścieków, który zawiera dużo materii organicznej, membrana jest korzystnie tak dobierana, ażeby separowane były także molekuły organiczne. Można to osiągnąć poprzez dobór membrany ultrafiltracyjnej o słabej retencji jonów sferycznych, takich jak na przykład trójwartościowe jony glinu lub żelaza, ale dużej retencji molekuł o postaci łańcuchów, na przykład substancji organicznych, takich jak humus. Zgodnie z tym, co powiedziano, filtracja przez pierwsze urządzenie filtracji membranowej daje w rezultacie koncentrat substancji zawieszonych i związków organicznych oraz przesącz, składający się zasadniczo z wody z jonami nieorganicznymi, takimi jak na przykład Al³⁺ i Fe³⁺, które przechodzą przez odpowiednią membranę. Otrzymuje się koncentrat, który zawiera zasadniczo materię zawieszoną w wodzie i substancje humusu oraz inny materiał organiczny.

Przesącz, zasadniczo pozbawiony teraz substancji początkowo zanieczyszczających wodę, zawiera jony Al³⁺ i Fe³⁺ i może zostać zawrócony do procesu w charakterze czynnika wytrącającego we flokulacyjnej części zakładów wodociągów lub instalacji do uzdatniania ścieków lub też może zostać zastosowany w charakterze chemicznego koagulanta w innej instalacji oczyszczającej.

Mniej lub bardziej rozcieńczony przesącz, który był poddany takiej obróbce, doprowadzano następnie do drugiego urządzenia filtracji membranowej. Drugi rodzaj filtracji membranowej ma taką właściwość, że poza przesączem otrzymuje się koncentrat, który zasadniczo zawiera w roztworze nieorganiczne chemiczne koagulanty.

Mieszany szlam C1 doprowadzany jest, niezależnie od rodzaju szlamu, do pierwszego zbiornika T6 z jednoczesnym dodatkiem kwasu F. Korzystnie kwasem tym jest kwas siarkowy.

W pierwszym zbiorniku T6, który pełni zadanie zbiornika rozpuszczania, mieszany jest kwas, dzięki czemu wodorotlenek metalu w otrzymywanej mieszaninie ulega rozpuszczeniu, to znaczy powstają swobodne jony metalu (zasadniczo Fe3⁺ i Al3⁺). Ilość dodawanego kwasu regulowana jest przez miernik pH/-regulator QC, który steruje pracą pompy P1 dodającej kwas. Przy obniżaniu pH wodorotlenki metali są rozpuszczane a jony metali są uwalniane. Całkowite i szybkie rozpuszczenie się wodorotlenków metali, zwłaszcza wodorotlenku żelaza, wymaga wysokiej temperatury.

Po rozpuszczeniu wodorotlenku metalu, powstaje mieszanina szlamu G o niskiej wartości pH, która zawiera zawieszone substancje, substancje organiczne oraz nieorganiczne jony, wliczając w to Fe³⁺ i Al³⁺.

Kwaśny szlam G pompowany jest przy zastosowaniu pompy P2 poprzez wymiennik ciepła VVX1, w którym do kwaśnego szlamu doprowadza się ciepło pochodzące z przesączu J filtracji MF/UF z zespołu filtracji MF/UF F1. Przed napełnieniem zbiornika ciśnieniowego T7, co czyni się po skompletowaniu poprzedzającego wsadu, szlam może być także wstępnie podgrzewany poprzez dostarczenie z zewnątrz ciepła pochodzącego z kolejnego wymiennika ciepła VVX2. Ilość dostarczanego ciepła kontrolowana jest przez miernik/regulator temperatury, uzyskując pożądaną temperaturę. Maksymalna temperatura jest ustalona na takim poziomie, że nigdy nie przekracza temperatury parowania przy aktualnym ciśnieniu w kanale przesączu J znajdującym się za zespołem filtracji MF/UF F1.

Ciśnienie panujące w zbiorniku ciśnieniowym T7 ustalane jest na takim poziomie, że otrzymać można wystarczającą różnicę ciśnień na zespole filtracji MF/UF F1 jak również jednocześnie ciśnienie przesączu J filtracji MF/UF, to znaczy strumienia zasilającego kolejny zespół filtracji NF/RO F2, jest wystarczające do uzyskania pożądanej wydajności kolejnego zespołu filtracji NF/RO F2. Ciśnienie to ustalane jest przez miernik/regulator ciśnienia Pil w zbiorniku ciśnieniowym T7, który steruje pracą wysokociśnieniowej pompy P2 via kontrola częstotliwości.

Ciepły szlam H o podwyższonym ciśnieniu pompowany jest przez pompę P3 ze zbiornika ciśnieniowego T7 do zespołu filtracji MF/UF F1, zaś otrzymany koncentrat I wprowadzany jest z powrotem do zbiornika ciśnieniowego T7. Przesącz J filtracji MF/UF prowadzony jest za pośrednictwem

PL 206 144 B1 wymiennika ciepła VVX1 do zespołu filtracji NF/RO F2. W wymienniku ciepła WX1 temperatura wsadu obniżana jest do wartości niższej niż 100°C. Oznacza to, iż przesącz L filtracji NF/RO wychodzący z zespoł u filtracji NF/RO F2 nie znajduje si ę w stanie wrzenia, gdy ciś nienie obniż ane jest do ciśnienia atmosferycznego. Miernik/regulator ciśnienia PI2 steruje pracą zaworu VI na wylocie koncentratu K z zespołu filtracji NF/RO F2, dzięki czemu uzyskuje się stałe ciśnienie o ustalonej wartości. Różnica między tym ciśnieniem, a ciśnieniem w zbiorniku ciśnieniowym T7 stanowi jednocześnie ciśnienie różnicowe na zespole filtracji MF/UF F1. Możliwa jest także recyrkulacja koncentratu K na zespole filtracji NF/RO F2 dzięki pompie P4.

Gdy strumień przesączu L filtracji NF/RO z zespołu filtracji NF/RO F2 staje się większy niż strumień przesączu J filtracji MF/UF pochodzący z zespołu filtracji MF/UF F1, nie jest możliwe utrzymanie ciśnienia wywieranego na materiał zasilający zespół filtracji NF/RO.

Kwaśny przesącz L filtracji NF/RO pochodzący z zespołu filtracji NF/RO F2 doprowadzany jest przez zawór sterujący V2 do zbiornika neutralizacji T8, który zaopatrzony jest w mieszadło. Do zbiornika neutralizacji T8 dodawana jest zasada P, korzystnie wapno lub zawiesina wapienna, aż do uzyskania neutralnej wartości współczynnika pH. Następnie zneutralizowany przesącz Q jest wypuszczany na zewnątrz.

Gdy przesącz J zawierający jony glinu i żelaza jest separowany w zespole filtracji MF/UF F1 a do zbiornika ciś nieniowego T7 wprowadzany jest nowy zakwaszany szlam, koncentrat I, który poddawany jest recyrkulacji, zawierał będzie coraz więcej zawieszonych i rozpuszczonych substancji. Będzie to powodować spadek strumienia, to znaczy przepływu przesączu J filtracji MF/UF. Gdy przepływ przesączu J osiągnie pewną dolna granicę, proces jest przerywany, zaś koncentrat M w zbiorniku ciśnieniowym T7 jest wypuszczany poprzez otwarcie zaworu V3.

Kwaśny koncentrat jest neutralizowany poprzez dodatek do koncentratu M zasady N, w postaci stałej lub ciekłej, w kanale wylotowym, dzięki czemu otrzymuje się drugą mieszaninę szlamu O o przynajmniej neutralnej wartości współczynnika pH. Korzystnie, materiałem zasadowym jest tlenek wapnia lub wodorotlenek wapnia.

Otrzymywana druga mieszanina szlamu O może być prowadzona do procesu gnilnego, suszona w wyniku parowania wody lub może wymieniać ciepło z mieszaniną szlamu G.

Proces obróbki wsadowej kończony jest poprzez wypuszczenie koncentratu M ze zbiornika ciśnieniowego jednocześnie ze zneutralizowaniem koncentratu poprzez dodatek ługu żrącego lub zawiesiny wapiennej. Energia cieplna, zawarta w ciepłym i sprężonym koncentracie, może być wykorzystana na różne sposoby. Może ona podgrzewać wstępnie szlam w zbiorniku zakwaszania. Może być wykorzystywana do osuszania szlamu. Osiąga się to poprzez usunięcie wody z ciepłego koncentratu, gdy ciśnienie jest redukowane do wartości ciśnienia atmosferycznego.

Po osiągnięciu prawidłowego ciśnienia we wnętrzu zbiornika ciśnieniowego, istnieje możliwość dodania czystej wody zamiast zakwaszonego koncentratu I. Prowadzi to do wyługowania pozostałych ilości żelaza, glinu czy innych rozpuszczonych metali, które mogą być obecne w niewielkich ilościach, z koncentratu zawartego w zbiorniku ciś nieniowym T7, w celu dalszego odzysku chemicznych koagulantów z procesu oraz otrzymania lepiej oczyszczonej pozostałości ze zbiornika ciśnieniowego T7.

Wynalazek dotyczy procesu filtracji membranowej, w którym zakwaszany szlam jest sprężany i doprowadzany do zbiornika ciś nieniowego, w którym utrzymywane jest stał e ciśnienie. Etap sprężania może dać siłę napędową dla obydwu zespołów, gdy zespół filtracji MF/UF i ewentualnie zespół filtracji NF/RO sprzężone są szeregowo. Jednoczesne sprężanie pozwala na przekroczenie przez szlam/koncentrat w zbiorniku ciśnieniowym temperatury 100°C, pod warunkiem, że jest ono ograniczone przed przekroczeniem przez ciśnienie pary wartości ciśnienia panującego po stronie przesączu membran MF/UF. Traktowanie kwasem, podwyższone ciśnienie i temperatura pozwalają na proces skutecznej hydrolizy substancji organicznych zawartych w szlamie. Poza ciśnieniem, temperaturą i wartością współczynnika pH, czynnikiem decydującym o uzyskaniu maksymalnej hydrolizy substancji organicznych jest czas przebywania. W celu uzyskania najdłuższego możliwego czasu przebywania dla koncentratu MF/UF, to jest roztworu, który zawiera odseparowane substancje organiczne, które powinny zostać poddane hydrolizie, roztwór krąży w zbiorniku ciśnieniowym. Oznacza to, że substancje organiczne, dodawane do procesu od rozpoczęcia obróbki wsadu, będą poddawane hydrolizie pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze, aż do punktu, w którym koncentrat jest wypuszczany, po zakończeniu obróbki wsadu. W trakcie trwania procesu czas przebywania dodawanych substancji organicznych ulega skróceniu, ale jednocześnie ilość substancji organicznych dodawanych do procesu

PL 206 144 B1 jest zmniejszona. Krótszy czas przebywania może zostać skompensowany przez stopniowy wzrost temperatury, w taki sposób, że maksymalna temperatura uzyskiwana jest najpierw na końcu wsadu.

Z faktu, iż zespół filtracji MF/UF pracuje w temperaturze przekraczającej 100°C wynika, iż stosowane mogą być tylko membrany odporne na działanie wysokich temperatur, na przykład membrany ceramiczne. Wysoka temperatura wraz ze zmniejszeniem lepkości powodują zwiększenie strumienia, to znaczy wielkości przepływu na jeden metr kwadratowy pola powierzchni. Pozwala to na zmniejszenie obszaru membrany dla danej ilości roztworu, dzięki czemu z kolei mniejsze są koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Gdy zbiornik ciśnieniowy zostaje napełniony i otrzymane zostaje ustalone robocze ciśnienie, ilość pompowanego „zimnego” zakwaszanego szlamu będzie taka jak ilość ciepłego przesączu wyprowadzanego z zespołu filtracji MF/UF. Ciepło odzyskiwane jest z przesączu za pośrednictwem wymiennika ciepła i przekazywane do napływającego zakwaszanego szlamu. Cierpło jest nieprzerwanie dostarczane do systemu w wyniku sprężania i recyrkulacji. W konwencjonalnych zespołach membranowych energia cieplna dostarczana przez proces pompowania jest tracona. W niniejszym rozwiązaniu ciepło to jest odzyskiwane i wykorzystywane w procesie hydrolizy. Gdy zespół filtracji NF/RO połączony jest szeregowo z zespołem filtracji MF/UF, do nadania siły napędowej dla obydwu zespołów wykorzystywany jest tylko jeden wysokociśnieniowy etap. Gdy całe sprężenie następuje przed zespołem filtracji MF/UF, ciepło wytworzone w etapie pompowania wykorzystywane jest także do wytworzenia siły napędowej dla etapu filtracji NF/RO hydrolizy oraz do zwiększenia strumienia w zespole filtracji MF/UF.

W celu zwiększenia stężenia jonów Al³⁺ i Fe³⁺, przesącz pochodzący z urządzenia mikrofiltracji (MF)/ultafiltracji (UF), poddawany jest korzystnie procesowi nanofiltracji (NF) lub odwróconej osmozy (RO).

W trakcie procesu nanofiltracji różne związki separowane są według dwóch reguł rozdzielania. Związki nienaładowane rozdzielane są ze względu na wielkość, zaś zatrzymywanie jonów wynika oddziaływania elektrostatycznego pomię dzy jonem a membraną. Zgodnie z tym, co powiedziano, jeżeli przesącz procesu mikrofiltracji/ultafiltracji filtrowany jest przez urządzenie nanofiltracji, to z reguły tylko jony trójwartościowe, to znaczy Al³⁺ i Fe³⁺, są zatrzymywane w koncentracie, zaś jony o mniejszym ładunku przechodzą przez membranę i mogą być odzyskane w przesączu.

Jeżeli dodatkowe zagęszczenie dokonywane jest przez urządzenie realizujące proces odwróconej osmozy, to w koncentracie zatrzymywane są także jony o mniejszym ładunku, zaś przesącz praktycznie nie zawiera jonów.

Rodzaj membrany dobierany jest pod względem innych związków żelaza i manganu obecnych w wodzie oraz ze względu na obecność toksycznych metali ciężkich.

Uzyskiwany koncentrat nanofiltracji/odwróconej osmozy może być wykorzystany bezpośrednio, podobnie jak przesącz, w charakterze chemicznego koagulanta w połączonych z instalacją zakładów wodociągów czy w instalacjach uzdatniania ścieków. Koncentrat może być także transportowany w inne miejsce w celu wykorzystania go na przykł ad w charakterze chemicznego koagulanta w innych zakładach wodociągów lub instalacjach uzdatniania ścieków.

Zapotrzebowanie na czynniki wytrącające jest mniejsze, o 80-90%, co stanowi znaczną zaletę ekonomiczną.

W sposobie według wynalazku opisane powyżej procesy membranowe realizowane są jednocześnie z wydajną hydrolizą materiału organicznego zawartego w szlamie. Hydroliza sprawia, iż molekuły wody są wbudowane w polimerowe substancje organiczne, które są następnie rozrywane na mniejsze kawałki. Rozkład na mniejsze molekuły ułatwia dokonanie w dalszej kolejności rozkładu biologicznego. W normalnych warunkach hydroliza substancji organicznych przy kontakcie z wodą praktycznie nie zachodzi. Przy dodatku silnego kwasu lub w podwyższonej temperaturze, co wymaga jednocześnie sprężenia szlamu lub też przy połączeniu obu tych czynników, hydroliza substancji organicznych, które znajdują się zwykle w szlamie pochodzącym z zakładów wodociągów i instalacji do uzdatniania ścieków, następuje prawie bez wyjątku. Hydroliza szlamu stanowi sposób, który ostatnio wykorzystywany jest w coraz większym stopniu do produkcji biogazu w komorach gnilnych, co jednocześnie sprawia, że maleje ilość szlamu resztkowego. Typową procedurą hydrolizy jest w tym wypadku hydroliza termiczna. Hydroliza termiczna w połączeniu z dodatkiem kwasu dają w efekcie bardziej wydajny proces hydrolizy w krótszym okresie czasu. Dodatek kwasu oraz następująca po tym konieczna neutralizacja uznawane są jednak często za procesy zbyt kosztowne. Według wynalazku wykorzystywane są dodatek kwasu, ciśnienie, jakiego wymaga proces recyklingu oraz energia cieplna, jaką wytwarza podniesienie ciśnienia.

PL 206 144 B1

W związku z tym, w sposobie według wynalazku większa część stosowanych chemicznych koagulantów, trójwartościowych jonów żelaza lub glinu oddzielana jest od związków organicznych i substancji zawieszonych związanych w szlamie w miarę trwania procesu hydrolizy substancji organicznych. Według wynalazku chemiczne koagulanty mogą być odzyskiwane, a ilość szlamu ulega zmniejszeniu, gdyż wodorotlenek żelaza lub glinu tworzony przez chemiczny koagulant zostaje usunięty. Uzyskiwana jednocześnie hydroliza substancji organicznych zwiększa podatność na rozkład biologiczny, co częściowo poprawia właściwości szlamu, jako dodatku do gleby, częściowo zwiększa produkcję biogazu i jeszcze redukuje resztkową ilość szlamu w następnym etapie rozkładu gnilnego. Dzięki tej procedurze według wynalazku jednocześnie zastępuje się kosztowne inwestycje oraz działanie konwencjonalnej instalacji odwadniającej. Podgrzewanie szlamu prowadzi dodatkowo do higienizacji wypuszczanego koncentratu.

Określenie „higieniczny” oznacza, że zanieczyszczony bakteriologicznie roztwór poddawany jest takiej obróbce, że ryzyko przeniesienia infekcji osiąga dopuszczalny poziom. Celem obróbki jest zlikwidowanie wegetatywnych form mikroorganizmów chorobotwórczych.

Sposób według wynalazku opisany został w odniesieniu do przykładowego urządzenia do realizacji tego sposobu. Jednakże wynalazek ten może być stosowany także w innych rodzajach instalacji, zaś odpowiednie części i właściwości wynalazku mogą być łączone inaczej niż zostało to pokazane i opisane na rysunku.

Claims (26)

1. Sposób uzdatniania szlamu pochodzącego z zakładu wodociągowego lub instalacji uzdatniania ścieków, zawierającego wytrącone nieorganiczne koagulanty chemiczne oraz wytrącone substancje organiczne, polegający na dodawaniu do szlamu kwasu dla otrzymania pierwszej mieszaniny szlamu o małej wartości współczynnika pH, zawierającej roztwór nieorganicznych koagulantów chemicznych oraz substancje organiczne, znamienny tym, że mieszaninę szlamu (G) o małej wartości współczynnika pH pompuje się do zbiornika ciśnieniowego (T7) dla otrzymania szlamu (H) o podwyższonym ciśnieniu, po czym otrzymany szlam (H) o podwyższonym ciśnieniu poddaje się przynajmniej jednej filtracji membranowej (F1), z której wyprowadza się osobno koncentrat (I) oraz przesącz (J).

2. Sposób wed ług zastrz. 1, znamienny tym, ż e pompowanie mieszaniny szlamu (G) przeprowadza się za pomocą pompy (P2), a następnie przepompowaną mieszaninę szlamu (G) ogrzewa się, przepuszczając ją przez wymienniki ciepła (WX1), (WX2) do zbiornika ciśnieniowego (T7).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podawaną do zbiornika (T7) mieszaninę szlamu (G) miesza się z poddawanym recyrkulacji koncentratem (I), pochodzącym z przynajmniej jednego etapu filtracji membranowej (F1).

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że otrzymany z pierwszej filtracji membranowej (F1) pierwszy koncentrat (I) zawraca się do ponownej filtracji membranowej (F1) razem z pierwszą mieszaniną szlamu (G).

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy przesącz (J) zawraca się do pierwszego wymiennika ciepła (VVX1) dla dokonania wymiany ciepła pomiędzy mieszaniną szlamu (G) a pierwszym przesączem (J).

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zarówno pierwszy etap filtracji membranowej (F1) jak i drugi etap filtracji membranowej (F2) napędza się za pomocą podwyższonego ciśnienia.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszą mieszaninę szlamu (G) pompuje się w takiej samej ilości jak ilość pierwszego przesączu (J).

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zbiornik ciśnieniowy (T7) ogrzewa się do temperatury przekraczającej 100°C.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako pierwszy etap filtracji membranowej (F1) stosuje się ultafiltrację i/lub mikrofiltrację.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy przesącz (J) doprowadza się do drugiego etapu filtracji membranowej (F2), w którym otrzymuje się drugi koncentrat (K) zawierający roztwór nieorganicznych koagulantów chemicznych, i drugi przesącz (L).

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że jako drugi etap filtracji membranowej (F2) stosuje się nanofiltrację i/lub odwróconą osmozę.

PL 206 144 B1

12. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że otrzymany drugi przesącz (L) doprowadza się do zbiornika neutralizacji (T8), do którego dodaje się zasadę (P).

13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako nieorganiczne koagulanty chemiczne w roztworze stosuje się trójwartoś ciowe jony glinu i/lub ż elaza.

14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do koncentratu (M) wypuszczanego ze zbiornika ciśnieniowego (T7) dodaje się zasadę (N) i otrzymuje się drugą mieszaninę szlamu (O) o przynajmniej neutralnej wartości współczynnika pH.

15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że jako zasadę (N) stosuje się tlenek wapnia lub wodorotlenek wapnia.

16. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że otrzymaną drugą mieszaninę szlamu (O) poddaje się procesowi gnilnemu lub suszeniu poprzez odparowanie wody z drugiej mieszaniny szlamu (O) po jej podgrzaniu.

17. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że drugą mieszaninę szlamu (O) poddaje się wymianie ciepła z pierwszą mieszaniną szlamu (G).

18. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyprowadza się higieniczny koncentrat (I) zawierający hydrolizowane substancje organiczne.

19. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyprowadza się przesącz (J) zawierający roztwór nieorganicznych koagulantów chemicznych.

20. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do zbiornika ciśnieniowego (T7) dodaje się czystą wodę dla dalszego odzysku nieorganicznych koagulantów chemicznych.

21. Urządzenie do uzdatniania szlamu z zakładu wodociągowego lub instalacji uzdatniania ścieków, zawierające zbiornik szlamu, do którego jest doprowadzony wylot rury prowadzącej szlam przeznaczony do uzdatniania i wylot rury doprowadzającej kwas, znamienne tym, że do zbiornika szlamu (T6) jest połączony poprzez pompę (P2) przynajmniej jeden zbiornik ciśnieniowy (T7), który z kolei jest połączony szeregowo z przynajmniej jednym zespo ł em filtracji membranowej (F1).

22. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że za wylotową częścią zbiornika szlamu (T6) znajduje się wymiennik ciepła (WX1) dla wymiany ciepła pomiędzy mieszaniną szlamu (G) a przesą czem (J) i/lub drugą mieszanin ą szlamu (O).

23. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że zespół filtracji membranowej (F1) jest zespołem ultafiltracji i/lub zespołem mikrofiltracji.

24. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że pomiędzy zbiornikiem szlamu (T6) a zbiornikiem ciś nieniowym (T7) znajduje się przynajmniej jeden zespół filtracji membranowej (F1), za którym jest umieszczony szeregowo przynajmniej jeden następny zespół filtracji membranowej (F2).

25. Urządzenie według zastrz. 24, znamienne tym, że za następnym zespołem filtracji membranowej (F2) znajduje się zbiornik neutralizacji (T8).

26. Urządzenie według zastrz. 24, znamienne tym, że następny zespół filtracji membranowej (F2) jest zespołem nanofiltracji i/lub zespołem odwróconej osmozy.