Способ получения органоминеральных удобрений из осадков сточных вод

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано при утилизации осадков сточных вод, образующихся на городских очистных сооружениях с получением органоминеральных удобрений. Способ включает обработку помещенного в кассету осадка кислым промывочным раствором, регенерацию промывочного раствора, нейтрализацию осадка. Осадок сточных вод перед обработкой кислым промывочным раствором обрабатывают щелочным экстрактом с последующей промывкой промывочным раствором соляной кислоты. Регенерацию кислых промывочных растворов проводят в одну стадию путем дистилляции, промывные воды после кислотной промывки регенерируют методом перегонки. В качестве энергоносителя при дистилляции используют топочные газы, получаемые при сжигании природного газа или биогаза, получаемого в метантенках, входящих в состав очистных сооружений, или смеси природного газа и биогаза. Способ обеспечивает более полное извлечение из осадков сточных вод ценных компонентов, повышение их удобрительной ценности, расширение номенклатуры получаемых продуктов, сокращение расхода энергии и реагентов на обработку осадков и создание замкнутого цикла по технологическим растворам. 2 ил.

 

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано при утилизации осадков сточных вод, образующихся на городских очистных сооружениях с получением органоминеральных удобрений.

Известен способ получения органоминеральных удобрений (патент РФ № 2039726, кл. С 05 F 7/00, от 20.07.95), согласно которому из осадков сточных вод вначале удаляют ионы тяжелых металлов путем обработки осадков раствором азотной кислоты концентрацией 1,0-1,25 моль/дм³ при температуре 50-70°С в течение 10-20 минут. Процесс проводят при соотношении твердой и жидкой фаз, равном 1:5, и числах Рейнольдса больше 1·10⁵. При этих условиях остаточное содержание тяжелых металлов соответствует нормам для данного вида удобрений.

После фильтрации на барабанном вакуум-фильтре или рамном пресс-фильтре осуществляют нейтрализацию остаточной кислотности щелочными агентами, такими как гидроксид калия, гидроксид аммония, углекислый кальций с получением органоминерального удобрения. Выделенные из осадка металлы осаждают из раствора и перерабатывают в шлам, из которого затем регенерируют.

Недостатком указанного способа является то, что используемую для выделения металлов из осадков сточных вод кислоту не регенерируют, что ведет к повышенному ее расходу. Кроме того, на нейтрализацию кислоты при получении шламов необходимо затрачивать реагенты, что приводит к усложнению технологической схемы и повышает стоимость обработки.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является способ утилизации осадков сточных вод станций биологической очистки (патент РФ №2109696 от 05.07.96, МКИ С 02 F 11/14, опубл. 27.04.1998). Этот способ заключается в обработке осадка сточных вод кислым промывочным раствором, в качестве которого используют 5-15% раствор серной кислоты. После обработки осадок нейтрализуют 5-25% раствором аммиака. Отработанный кислый промывочный раствор подвергают последовательно электрохимической и химической обработке с целью регенерации кислоты с одновременным извлечением тяжелых металлов.

Этот способ позволяет удалить из осадков сточных вод не менее 90% тяжелых металлов, поэтому применение полученных органоминеральных удобрений исключает накопление в почве и в растениях токсичных тяжелых металлов.

Недостаток известного способа переработки заключается в том, что он требует больших затрат электроэнергии на регенерацию серной кислоты.

Другим недостатком известного способа является то, что при кислой промывке осадков сточных вод вместе с раствором уходит до 50% гуминовых кислот, содержащихся в осадках сточных вод, которые затем безвозвратно теряются при регенерации кислого промывочного раствора. Это связано с тем, что гуминовые кислоты образуют с тяжелыми металлами соответствующие гуматы, выпадающие в осадок при рН=1,3-1,8. Однако степень извлечения гуматов из этих соединений очень невелика, так как эти соединения практически нерастворимы. Потеря такого значительного количества гуминовых веществ существенно снижает практическую ценность осадков сточных вод как удобрений для сельскохозяйственных культур.

К недостатку известного способа можно отнести и то, что при обработке серной кислотой из осадка сточных вод практически не удаляется свинец, так как он образует нерастворимый сульфат свинца.

Задача, решаемая предлагаемым способом, - усовершенствование процесса утилизации осадков сточных вод путем комплексной их переработки с получением жидких и твердых органоминеральных удобрений, снижение энергозатрат на обработку осадков сточных вод и повышение экологичности процесса за счет регенерации обрабатывающих растворов.

Технический результат от использования предлагаемого способа заключается в более полном извлечении из осадков сточных вод всех ценных компонентов, увеличении удобрительной ценности осадков сточных вод, в расширении номенклатуры получаемых продуктов, в сокращении расхода энергии и реагентов на обработку осадков и создании замкнутых циклов по технологическим растворам.

Указанный результат достигается тем, что в способе получения органоминеральных удобрений из осадков сточных вод, включающем обработку помещенного в кассету осадка кислым промывочным раствором, регенерацию промывочного раствора, нейтрализацию осадка, осадок перед обработкой кислым промывочным раствором подвергают обработке щелочным экстрагентом с последующей промывкой, в качестве кислого промывочного раствора используют раствор соляной кислоты, регенерацию отработанных кислых промывочных растворов проводят в одну стадию путем дистилляции, промывные воды после кислотной промывки регенерируют методом перегонки, а в качестве энергоносителя при дистилляции используют топочные газы, получаемые при сжигании природного газа или биогаза, получаемого в метантенках, входящих в состав очистных сооружений, или смеси природного газа и биогаза.

Способ осуществляют следующим образом.

На фиг.1 представлена блок-схема способа получения органоминеральных удобрений из осадков сточных вод. Осадок сточных вод помещают на кассету с фильтрующим дном и направляют на щелочную экстракцию. Обработку ведут раствором, содержащим 0,2-1,0 моль/л калиевой или натриевой щелочи, при этом кассета с осадком совершает вертикальные перемещения в емкости с экстрагентом с частотой и амплитудой, обеспечивающими обмен экстрагента в кассете не менее чем на 80% при каждом колебании. Обработку ведут при температуре 45-65°С при соотношении жидкой и твердой фаз 3÷7:1. Проведение процесса при температурах, меньших 45°С, заметно снижает скорость процесса, а проведение при температурах, больших чем 65°С, может привести к разрушению гуматов. Использование для экстракции растворов, содержащих менее 0,2 моль/л щелочи, с одной стороны снижает выход полезного продукта, а с другой - заметно снижает скорость процесса экстракции. Использование растворов щелочи с концентрацией, большей чем 1,0 моль/л, уже не оказывает влияния на скорость процесса экстракции. При щелочной экстракции из осадков происходит извлечение и перевод в растворенное состояние органических соединений с образованием, в первую очередь, гуматов щелочных металлов, которые являются единственными растворимыми в воде формами гуматосодержащих соединений. Реакция перехода гуматов в раствор может быть представлена уравнением

Кроме того, в раствор переходят в микроколичествах неорганические компоненты, главным образом металлы, такие как цинк, медь и некоторые другие, оказывающие в микродозах благоприятное воздействие на рост и развитие растений. Полученное жидкое органоминеральное удобрение затем поступает на разлив в упаковочную тару.

После щелочной экстракции осадок сточных вод поступает на отмывку от щелочного экстрагента, которую проводят водой при температуре 40-60°С. Промывные воды затем используют в технологическом цикле, например, для приготовления щелочного экстрагента, для нейтрализации промывных вод после кислотной обработки осадков и т.п. Отмывка позволяет увеличить выход жидкого органоминерального удобрения, довести рН осадка до нейтральных значений (6,0-7,0) и тем самым снизить расход кислоты на последующей операции кислотной обработки осадков сточных вод.

После щелочной экстракции осадок сточных вод все еще содержит достаточное количество ценных для растений органических веществ (до 50% от исходного количества) и в силу этого представляет интерес для дальнейшего использования в сельском хозяйстве в качестве органического удобрения. Однако наличие в осадках сточных вод значительного количества тяжелых металлов препятствует такому его использованию, так как металлы попадают в растения и далее по пищевым цепям в организм человека. Для того, чтобы удалить тяжелые металлы и одновременно сохранить в осадке сточных вод гуминовые кислоты, осадок подвергают кислотной обработке, которую ведут раствором, содержащим 0,5-1,5 моль/л соляной кислоты. Использование соляной кислоты для очистки осадков от тяжелых металлов связано с тем, что в этом случае в раствор переходят только ионы тяжелых металлов. В то время как, например, при использовании серной или азотной кислот в растворенное состояние одновременно с тяжелыми металлами переходят и другие ценные компоненты, оказывающие стимулирующее воздействие на рост и развитие растений, в том числе и гуматы.

Кроме того, из растворов серной и азотной кислот при одновременном присутствии в них тяжелых металлов можно извлечь лишь незначительное количество гуматов (вследствие образования нерастоворимых гуматов тяжелых металлов), а сам процесс при этом требует больших затрат. Органические кислоты для очистки осадков от тяжелых металлов не используются как по причине их большей стоимости, чем минеральные кислоты, так и трудностей, возникающих при их регенерации.

Процесс ведут при температуре 20-40°С, при соотношении жидкой и твердой фаз 5÷10:1. Использование температур ниже 20°С и концентраций, меньших чем 0,5 моль/л, приводит к заметному снижению скорости и степени извлечения металлов из осадков сточных вод. Использование концентраций соляной кислоты, больших чем 1,5 моль/л, и температур, больших 40°С, приводит к значительным потерям кислоты и необходимости устанавливать специальные устройства для улавливания паров соляной кислоты.

При кислотной обработке в раствор переходят тяжелые металлы по реакции

Извлечение тяжелых металлов из осадков сточных вод проводят методом противотока в несколько ступеней, число которых не менее трех. Это позволяет обеспечить высокую скорость извлечения металлов, снизить расход кислоты и уменьшить габариты оборудования. На каждой ступени степень извлечения металлов составляет не менее 60-70%, что обеспечивает суммарную степень извлечения тяжелых металлов 90-98%

Затем осадки сточных вод промывают водой от остатков кислоты, нейтрализуют, например, гидроксидом калия, оксидом кальция или другим щелочным агентом и сушат, после чего осадки могут быть использованы в качестве органических удобрений.

Соляную кислоту после извлечения тяжелых металлов направляют на регенерацию, которую проводят методом дистилляции при температуре 100-110°С. При поддержании концентрации соляной кислоты в кубе в пределах 6-10 моль/дм³ (близко к составу азеотропной смеси вода + соляная кислота) парциальное давление паров соляной кислоты больше парциального давления паров воды, а получаемый дистиллят имеет концентрацию, соответствующую концентрации свободной кислоты в обрабатывающем растворе (то есть в пределах 0,5-1,5 моль/дм³). Для снижения расхода энергии и повышения скорости перегонки для нагрева отработанной соляной кислоты используют топочные газы, получаемые при сгорании природного газа, биогаза, поступающего из метантенков, входящих в состав очистных сооружений, или смеси природного газа и биогаза. В кубовом остатке происходит накопление солей тяжелых металлов. После достижения концентрации, соответствующей насыщению (при данных условиях), хлориды металлов выпадают в осадок и их выводят на дальнейшую переработку любым известным способом, например термическим (Гибкие автоматизированные гальванические линии. Справочник под ред. В.Л.Зубченко. М.: Машиностроение, 1989, с.376). В результате термической регенерации получают оксиды металлов и соляную кислоту, которую возвращают в технологический цикл.

Осадки сточных вод после кислотной обработки поступают на промывку. Получаемые сточные воды имеют слабокислую реакцию и не могут быть слиты в канализацию без их очистки или регенерации. Парциальное давление паров соляной кислоты в них много меньше парциального давления паров воды и их направляют на регенерацию, проводимую методом ректификации. Кубовый остаток, имеющий рН≈-0,5-0,0 и содержащий некоторое количество тяжелых металлов, присоединяют к отработанной соляной кислоте и также направляют на регенерацию, проводимую методом дистилляции. Пары, получаемые при ректификации промывных вод, конденсируют. Конденсат, имеющий рН≈4-5, может быть частично использован при приготовлении технологических растворов, на промывочных операциях и т.п. или же его направляют на очистку, проводимую путем нейтрализации. Для этой цели используют различного рода щелочные растворы, в том числе и промывные воды после щелочной экстракции.

Пример осуществления способа.

Способ осуществляют в соответствии с блок-схемой, изображенной на фиг.2, где 1 - кассета с обрабатываемым осадком сточных вод, 2, 3, 4, 5 - емкости с щелочным экстрагентом, 6 - устройство для разлива жидкого органоминерального удобрения, 7 - емкость для приготовления щелочного экстрагента, 8, 9, 10, 11 - емкости для промывки осадка водой, 12, 13, 14, 15 - емкости для промывки осадка кислым промывочным раствором, 16 - емкость для приготовления кислого промывочного раствора, 17, 18, 19, 20 - емкости для промывки водой осадка сточных вод, 21 - устройство для нейтрализации осадка, 22 - емкость для приготовления нейтрализующего раствора, 23 - сушильная установка, 24 - установка для дистилляции соляной кислоты, 25 - устройство для отделения осадка солей тяжелых металлов, 26 - аппарат для регенерации соляной кислоты термическим методом, 27 - установка для регенерации промывных вод после кислотной промывки.

Обрабатываемый осадок сточных вод (ОСВ) загружают в кассету 1. Кассета 1 с ОСВ поступает на щелочную экстракцию, которую последовательно проводят в емкостях 2, 3, 4, 5 методом противотока, то есть щелочной экстрагент из емкости 7 для приготовления щелочного экстрагента поступает в емкость 5 и последовательно проходит через емкости 4, 3 и 2, то есть навстречу движению кассеты с осадком. При этом по мере прохождения всех ступеней ОСВ обрабатывается все более чистым щелочным экстрагентом, содержащим 0,2-1,0 моль/дм³, что обеспечивает более высокую скорость и более полное извлечение гуматов.

Чтобы поддерживать достаточно высокую скорость, процесс ведут при температуре 45-65°С. Суммарно при щелочной экстракции в раствор переходит до 50-60% гуматов. Получаемый щелочной экстракт, представляющий собой жидкое органоминеральное удобрение, поступает в устройство для разлива 6 и далее потребителям.

После щелочной экстракции ОСВ поступает на стадию отмывки водой, которую также проводят методом противотока, для чего кассета 1 последовательно проходит емкости 8, 9, 10, 11, через которые протекает вода в направлении от емкости 11 к емкости 8. Промывные воды из емкости 8 поступают в емкость 7, где на их основе готовят раствор щелочного экстрагента путем добавления гидроксида калия или натрия в количестве, обеспечивющем получение раствора с концентрацией 0,2-1,0 моль/л.

После отмывки кассета 1 с осадком сточных вод поступает на стадию выщелачивания тяжелых металлов соляной кислотой, которую проводят методом противотока в емкостях 12, 13, 14, 15. При этом кислый промывочный раствор подают из емкости 16 для приготовления кислого промывочного раствора в емкость 15, откуда он последовательно проходит емкости 14, 13 и 12, а кассету с осадком перемещают от емкости 12 к емкости 15.

Далее кассета с осадком сточных вод поступает на операцию отмывки водой, которую также проводят методом противотока путем последовательного пропускания кассеты с осадком сточных вод через емкости 17, 18, 19, 20, а вода при этом поступает в направлении от емкости 20 к емкости 17. После отмывки кассета с осадком сточных вод поступает на операцию нейтрализации осадка, проводимую в устройстве 21 для нейтрализации осадка сточных вод любым щелочным реагентом, например растворами гидроксида калия, суспензией оксида кальция и т.п., которые подают из емкости 22 для приготовления нейтрализующего раствора. После удаления избыточной влаги из осадка сточных вод в сушильной установке 23 очищенный таким образом осадок готов к применению в качестве твердого органоминерального удобрения.

Кислый промывочный раствор регенерируют путем дистилляции в аппарате 24. Дистиллят, содержащий 0,5-1,5 моль/дм³ соляной кислоты, возвращают в технологический процесс на выщелачивание тяжелых металлов, а кубовый остаток, содержащий хлориды тяжелых металлов, по мере насыщения, направляют в аппарат 26 для отделения хлоридов тяжелых металлов. Раствор после отделения хлоридов тяжелых металлов возвращают в аппарат 24, а осадок хлоридов тяжелых металлов направляют в аппарат 26 для регенерации соляной кислоты термическим методом.

Промывные воды направляют на регенерацию, проводимую путем ректификации в аппарате 27, при этом происходит обогащение кубового остатка соляной кислотой, после чего его направляют на регенерацию в аппарат 24, а пары, которые после конденсации имеют рН=4-5, вновь используют в технологическом процессе для приготовления технологических растворов, на промывку и т.д.

Способ получения органоминеральных удобрений из осадков сточных вод, включающий обработку помещенного в кассету осадка кислым промывочным раствором, регенерацию промывочного раствора, нейтрализацию осадка, отличающийся тем, что осадок сточных вод перед обработкой кислым промывочным раствором подвергают обработке щелочным экстрагентом с последующей промывкой, в качестве кислого промывочного раствора используют раствор соляной кислоты, регенерацию отработанных кислых промывочных растворов проводят в одну стадию путем дистилляции, промывные воды после кислотной промывки регенерируют методом перегонки, а в качестве энергоносителя при дистилляции используют топочные газы, получаемые при сжигании природного газа или биогаза, получаемого в метантенках, входящих в состав очистных сооружений, или смеси природного газа и биогаза.