способ получения гуминовых веществ из иловых осадков бытовых и/или промышленных сточных вод

Формула изобретения

Способ получения гуминовых веществ из иловых осадков бытовых и/или промышленных сточных вод, включающий сгущение осадков до влажности 85-90%, тепловую обработку суспензии осадков, обработку щелочью до pH более 10 и барботирование кислородсодержащим газом при поддержании температуры 150-220^oС в течение 60-90 мин, а затем разделение органоминерального комплекса на жидкую фазу и нерастворимый твердый осадок, отличающийся тем, что тепловую обработку проводят при давлении 3,5-4 МПа и температуре 240-250^oС в течение 1,5-2 мин, при этом в реакционную массу добавляют раствор серной кислоты до достижения ее концентрации в реакторе 0,5-0,6%, а барботирование проводят при давлении не менее 2 МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения гуминовых веществ путем переработки иловых осадков сточных вод.

Известен способ обработки осадков, образующихся при очистке биогенных осадков сточных вод, описанный в (DE, A, 3928115) [1]. По этому способу биомасса с концентрацией до 8% подвергается жидкофазному гидролизу при температуре 150-300^oС в течение 30-120 мин с применением катализаторов. В результате гидролиза высокомолекулярных компонентов биомассы образуются амино- и карбоновые кислоты, спирты, моносахара. При этом достигается полное растворение соединений тяжелых металлов (ТМ) в жидкой фазе гидролиза, которые в дальнейшем подвергаются разделению посредством ионообмена на растворы ТМ и растворы органических веществ, причем растворы ТМ затем обезвреживаются. Существенным недостатком способа является необходимость применения многостадийной технологической схемы обезвреживания растворов ТМ (диализ) с применением реагентов для перевода ТМ из раствора в нерастворимые соединения, которые тем не менее не обеспечивают достаточно полное выведение ТМ из гидролизата. Способ требует значительных энергозатрат и не позволяет перерабатывать биомассу с концентрацией более 8%.

Известен способ, описанный в кн. Туровского И.С. "Обработка осадков сточных вод", М., Стройиздат, 1982, с.85 [2]. Согласно этому способу сгущеный осадок сточных вод подвергают тепловой обработке при 170-220^oС, при давлении до 3 МПа в течение 120 мин. Такая обработка приводит к гидролизу органических соединений с переводом их в жидкую фазу, но не приводит к удалению ионов тяжелых металлов.

Наиболее близким к заявляемому является способ обработки осадков бытовых и/или промышленных сточных вод, описанный в пат. РФ 2081857 [3]. Для обработки используется ил из очистных сооружений, сгущенный до 85-90% влажности. На современных очистных сооружениях для сгущения ила и уменьшения его объема используют так называемые флокулянты, например, такие, как описаны в [2], с. 77-79. Флокулянты представляют собой преимущественно высокомолекулярные соединения, которые ускоряют процесс образования и повышают прочность коллоидных структур, а также связывают микрохлопья в крупные агрегаты.

В соответствии со способом обработка иловых осадков осуществляется в две стадии. На первой стадии смесь осадков указанной выше влажности первичных и/или вторичных отстойников очистных сооружений поступает в реактор, где подвергается термической обработке при температуре 150-220^oС в течение 10-120 мин при давлении 0,5-3,0 МПа при рН ниже 7.

При этом происходит так называемый автогидролиз, при котором полисахариды клеточных стенок микроорганизмов и полисахариды, попадающие в иловый осадок в виде целлюлозосодержащих отходов (бумага, хлопчатобумажные ткани и т. п.), гидролизуются до моносахаридов с последующим их распадом и образованием органических кислот и углекислого газа. Образующиеся органические кислоты, преимущественно уксусная кислота, и ионы тяжелых металлов катализируют процесс автогидролиза.

На второй стадии в нагретую на первой стадии до температуры 150-220^oС суспензию осадков сточных вод подается щелочь до достижения рН>10 для перевода образующихся органических кислот в растворимые соли. После этого суспензию в течение 20-180 мин обрабатывают кислородосодержащим газом (например, компримированным сжатым воздухом) в количестве, необходимом для окисления органических веществ. Обработку ведут при давлении 1,5-5 МПа.

При этом происходят следующие процессы: окисление моносахаров, жиров, белков и др. органополимеров с последующей конденсацией мономеров в высокомолекулярные соединения с выделением углекислого газа и воды. Ионы тяжелых металлов в этих условиях образуют нерастворимые соединения, которые при последующем охлаждении обрабатываемой суспензии выпадают в осадок. Затем суспензию охлаждают до температуры ниже 100^oС, снижают давление до атмосферного, после чего производят разделение суспензии на жидкую и твердую фазы (фильтрацией, отстоем, центрифугированием и т.п.).

Таким образом, суспензия разделяется на раствор органических веществ и твердый осадок, состоящий из песка, солей тяжелых металлов и части нерастворимых в воде органических веществ. Раствор может быть использован для получения гуминовых веществ, применяющихся в технике или сельском хозяйстве. Неокисленный осадок отправляется в отвал или может быть, например, использован в дорожном строительстве.

Этот способ позволяет получить после обработки сточных вод нетоксичные вещества. Однако при этом остается относительно большое количество неокисленного осадка (около 30%), например, целлюлозы, что затрудняет обработку продукта после окисления, в частности, разделение жидкой и твердой фаз с помощью фильтрации.

Кроме того, как уже упоминалось выше, при сгущении илового осадка применяются флокулянты, которые при указанных выше режимах обработки не разлагаются. Флокулянты не являются токсическими веществами, но при фазовом разделении продукта переработки возникают затруднения, связанные с тем, что флокулянты могут сообщать некоторым соединениям свойства нерастворимости. При изучении полученного продукта было обнаружено, что в горячем растворе неразложившийся флокулянт легко преодолевает фильтры, а при охлаждении фильтрата превращается в гелевые бляшки, являющиеся загрязнителями раствора. Кроме того, присутствие неразложившегося флокулянта ведет к увеличению вязкости раствора, что также усложняет процесс фазового разделения.

Задачей изобретения является создание способа получения гуминовых веществ из иловых осадков бытовых и/или промышленных сточных вод, который бы обеспечил уменьшение количества неокисленного осадка после операции окисления и обеспечил разложение флокулянта, и тем самым упростил бы процесс фазового разделения.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения гуминовых веществ из иловых осадков бытовых и/или промышленных сточных вод, включающем сгущение осадков до влажности 85-90%, тепловую обработку суспензии осадков, обработку щелочью до рН более 10 и барботирование кислородосодержащим газом при поддержании температуры 150-220^oС и давлении не менее 2 МПа в течение 60-90 мин, а затем разделение органоминерального комплекса на жидкую фазу и нерастворимый твердый осадок, в соответствии с изобретением, тепловую обработку проводят при давлении 3,5-4 МПа и температуре 240-250^oС в течение 1,5-2 мин, при этом в реакционную массу добавляют раствор серной кислоты до достижения ее концентрации в реакторе 0,5-0,6%.

Поскольку сгущенная до 85-90%-ной влажности с помощью флокулянта смесь осадков первичных и/или вторичных отстойников очистных сооружений поступает в реактор, где подвергается термической обработке при температуре 240-250^oС в течение 1,5-2 мин при давлении 3,5-4,0 МПа при добавлении серной кислоты до указанной концентрации, происходит высокотемпературный гидролиз составляющих исходного ила. Поскольку при гидролизе, в отличие от описанного выше способа, используется сильная серная кислота, процесс гидролиза при указанных параметрах проходит более интенсивно. На интенсивность процесса оказывают влияние и повышение температуры, и повышение давления. Эти условия позволяют сократить время высокотемпературного гидролиза до 1,5-2 мин.

При этом, как и в описанном выше способе, происходят следующие процессы: полисахариды клеточных стенок микроорганизмов и полисахариды, попадающие в иловый осадок в виде целлюлозосодержащих отходов (бумага, хлопчатобумажные ткани и т. п.), гидролизуются до моносахаридов с последующим их распадом и образованием органических кислот и углекислого газа. Кроме того, при указанной температуре и давлении под воздействием сильной серной кислоты флокулянт, содержащийся в иловом осадке, разлагается и не влияет на свойства конечного продукта.

Таким образом, на операцию окислительно-гидролитической деструкции (обработки щелочью и барботирования) поступают уже подвергшиеся интенсивному гидролизу продукты. Благодаря этому количество неокисленного осадка составляет, как показали эксперименты, от 2 до 5%, т.е., по сравнению с известным способом, уменьшается в 6-15 раз.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:

фиг. 1 схематически показывает узел технологической линии, в котором реализуется способ согласно изобретению;

фиг. 2 показывает инфракрасные спектры веществ, полученных согласно изобретению, и инфракрасные спектры гуминовых веществ.

Как видно из фиг.1, технологическая линия включает гидролизный аппарат 1, сообщающийся с помощью трубопровода с мерником 2 серной кислоты. Гидролизный аппарат 1 аналогичным образом сообщается с испарителем 3, который, в свою очередь, состыкован с холодильником 4. Испаритель 3 через емкость 5 сообщается с реактором 6 периодического действия. Реактор 6 сообщается с мерником щелочи 7 и испарителем 8, который, в свою очередь, через трубопровод соединен со сборником оксидата 9.

Ил, сгущенный с помощью флокулянта до влажности 0-90%, предварительно нагретый так, что у входа в гидролизаппарат его температура составляет около 180^oС, подается в предварительно разогретый до температуры 300^oС гидролизный аппарат 1. По мере заполнения гидролизаппарата сгущенный ил нагревается до заданной температуры 240-250^oС . Паровое давление внутри аппарата при такой температуре составляет 3,5-4,0 МПа. Одновременно из мерника 2 серной кислоты через трубопровод в аппарат 1 подается предварительно нагретая до температуры около 250^oС серная кислота в количестве, необходимом для создания ее концентрации в аппарате 1 0,5-0,6%. По истечении времени гидролиза, составляющем 1,5-2,0 мин, гидролизат выпускают из аппарата 1 и паправляют в испаритель 3, состыкованный с холодильником 4. В испарителе 3 гидролизат охлаждается до температуры 85-90^oС. Затем гидролизат из испарителя 3 поступает в емкость 5, откуда по трубопроводу насосом подается в реактор 6 периодического действия. Одновременно в этот трубопровод с помощью насоса из мерника 7 подают щелочь в количестве, необходимом для нейтрализации кислого раствора и дальнейшего защелачивания пульпы до рН 12-13. Затем в реакторе 6 щелочная пульпа обрабатывается кислородосодержащим газом при давлении не менее 2,0 МПа и температуре 150-220^oС в течение 60-90 мин. Время обработки определяется по требованию к рН конечного продукта, обычно в диапазоне рН 9,5-11. По окончании обработки оксидат выводится в испаритель 8, где охлаждается до температуры 85-90^oС, и затем поступает в сборник 9 оксидата. Из сборника 9 оксидат направляется для фазового разделения - отстоя и фильтрации. Эксперименты показали, что при охлаждении фильтрата раствор остается жидким, в нем отсутствуют гелевые бляшки, а вязкость раствора равна вязкости воды.

Затем фильтрат, в случае необходимости, подвергают сушке. Конечный продукт представляет собой соли гуминовых кислот, т.е. гуминовые вещества.

На фиг.2 приведен график, показывающий результаты инфракрасного анализа полученного продукта. Кривая 1 показывает инфракрасный спектр аммониевой соли гуминовых кислот, а кривая 2 - инфракрасный спектр полученного продукта. Для получения спектров из высушенного продукта готовили таблетки обычным образом с использованием наполнителя. Аналогичным образом готовили таблетки из аммониевой соли гуминовых кислот. Затем снимали инфракрасный спектр обоих образцов в диапазоне 4000-500 см^-1.

Из приведенных графиков видно, что кривые 1 и 2 имеют явное сходство, что позволяет утверждать, что полученное в результате заявленного способа вещество представляет собой соли гуминовых кислот, т.е. гуминовые вещества.