Технологии за сушене на утайки от ПСОВ

На територията на Европейския съюз функционират над 50 000 пречиствателни станции за отпадъчни води (ПСОВ), от които се генерират общо около 7,9 милиона тона утайки. Тези отпадъци се оползотворяват основно в селското стопанство или се депонират, а сравнително малко количество се изгаря с цел получаване на енергия. Образуването на утайки от пречиствателни станции за отпадъчни води не може да бъде избегнато, а тъй като стандартите за качество на третираните води стават все по-строги, то неизбежно техните количества ще нараснат.

Въпреки че съществуват редица технологии за редуциране на теглото им (уплътняване, обезводняване, сушене, унищожаване на летливи твърди вещества), техните количества все пак не могат да бъдат сведени до минимум. Основен проблем при тяхното третиране е как да се намали високото им влагосъдържание, което при суровите утайки варира между 92 и 99%, като водата е свързана добре с твърдите частици.

Сушене

Ефективен метод за намаляване на водното съдържание в утайките, генерирани от пречиствателните станции за отпадъчни води, е сушенето. Този подход осигурява редуциране на водното съдържание до няколко процента. Критичен фактор при прилагането на метода е количеството консумирана енергия, необходима за провеждане на процеса. За изсушаването на уплътнена утайка от 25 до 90% сухо вещество се изразходва топлинна енергия в порядъка на 70-80 kWh за 1 kg изпарена вода. Сушенето се извършва при различни температурни диапазони.

При относително високи температури на сушене (>300°C) е необходимо да се внимава в парите да не се формират органични съединения като диоксини и фурани. Отделянето на неприятно миришещи вещества също е неизбежно в повечето случаи, а съществува и риск от възникване на прахови експлозии. От друга страна, нискотемпературното сушене по метода на тънкослойното разстилане (температури малко над 100°C) се е утвърдило като ефективен метод, тъй като генерираните под формата на рула утайки се съхраняват лесно и при процеса се отделят по-малки количества прах и пари.

Желаната степен на обезводняване се постига чрез подходящо управление на процеса на сушене. Критичната стойност на влагосъдържание е около 60%, като тя трябва да се избягва поради лепливия ефект, който води до запушвания. Допълнително обезводняване след изсушаването се прилага само, в случай че последващите системи за оползотворяване на утайките изискват промяна на консистенцията или структурата, както и висок процент на остатъчното сухо вещество. Крайният продукт е под формата на прах или пелети.

Основните цели на сушенето на утайките от пречиствателни станции за отпадъчни води са елиминиране на водата от тях, редуциране на обема им (приблизително 4-5 пъти) и стабилизиране, за да се намалят транспортните разходи и да се улесни съхранението. Изсушаването повишава калоричността на утайките, така че те могат лесно да се изгарят, без да се добавя допълнително гориво. Третираните по този начин утайки не съдържат патогенни организми и се отличават с подобрена структура, което улеснява разпръскването им от селскостопанското оборудване и ги превръща в почвен подобрител с висока пазарна стойност.

Технологии за сушене

Съществува голямо разнообразие от технически решения за съоръжения за сушене. Те се класифицират в зависимост от метода за осигуряване на топлина на частиците от утайката. По този показател сушилните могат да бъдат разделени на: конвективни (барабанни), в които утайката встъпва в директен контакт със сушилния елемент (например горещ въздух); контактни (с тави и със слоеве), в които утайката има контакт само с горещата повърхност, която се загрява от другата страна; хибридни конвективно-контактни; инфрачервени сушилни с използване на инфрачервено лъчение или високочестотни токове.

Барабанните и конвективните сушилни са особено ефективни за сушене и стабилизиране на утайките под формата на гранулат.
Съоръженията за директно изсушаване се делят на: пневматични сушилни, ротационни или барабанни сушилни, сушилни с флуидизиран слой. Работният принцип на този тип сушилни обикновено се основава на висока температура, поради което често има проблеми с генерирания от утайките прах, създаващ риск от взрив. Необходимо е осигуряването и на оборудване за опазване на качеството на въздуха и отстраняване на лошо миришещите вещества.

Сред основните недостатъци на директните сушилни е значително по-голямата степен на замърсяване на въздуха (прах и летливи съединения) и необходимостта от рециркулация на суха утайка (в зависимост от нивото на обезводняването й). Освен това използването на конвективни сушилни е скъпо.
Към индиректните сушилни се включват сушилните с лопатки, дисковите сушилни и многоетажните сушилни. Като предимства на тези съоръжения могат да се посочат пониженият риск от отделяне на миризми и прах, намаленото замърсяване на въздуха и липсата на необходимост от рециркулация на суха утайка.

Основният недостатък на този тип сушилни е фактът, че те са с по-ниска икономическа рентабилност от директните. Те също така имат ограничена ефективност на сушене и обикновено периодът на задържане на утайките е дълъг. Изборът на съоръжение за сушене на утайките от пречиствателни станции зависи от типа им и от начина на последващото им използване.

Видове сушилни

Лентовите сушилни са подходящи за малък до среден капацитет на изпарение, като могат да използват отпадна топлина с температури над 90°C и налягане на парата под 6 bar. Системата за изсушаване гранулира обезводнената утайка в смесител с продукт, който вече е изсушен. Така полученият влажен гранулат се разпределя равномерно върху лентата в сушилнята чрез специално разработен захранващ модул. Равномерният слой материал върху ремъка създава оптимални условия за разпределението на изсушаващия въздух.

Това, от своя страна, е необходимо за равномерното нагряване и сушене на утайките. Слоят от материал върху лентата представлява филтърна среда за преминаване на постъпващия отгоре въздух, което предотвратява увличането на прах. Ниската температура на изсушаващите газове (под 150°C) и ниското съдържание на прах в системата способстват за безопасна експлоатация. Изсушеният материал не е изложен на механично натоварване по време на сушенето и бива охладен преди отстраняването му от сушилнята.

Технологията на лентовите сушилни е сравнително проста и икономически изгодна, тъй като се използва отпадна топлина с ниска температура. Друго предимство на метода е високото качество на продуктите, независещо от вариращите свойства на утайките. Това е постижимо поради възможността за променливо захранване, модулната структура и простата конструкция, както и високата достъпност.

Сушилните с флуидизиран слой могат да се използват за средни до големи изпарителни мощности, ако са осигурени нагряваща среда с температура над 180°C и пара с налягане над 6 bar. Te служат за сушене на обезводнени утайки, работейки в режим на затворена циркулация на инертния газ. Цялата топлина, необходима за изпарението на водата, се подава в сушилнята чрез топлообменници, т. е. без да има директен контакт между топлоносителя и продукта.

Обезводнената утайка се изпомпва директно в сушилнята с флуидизиран слой без предварително смесване, раздробява се механично и след това се смесва с вече сухия гранулат. Благодарение на отличните условия за топло- и масопренос във флуидизирания слой утайката се изсушава в продължение на много кратко време при температура от 85°С до над 90% съдържание на сухо вещество. Сушилните с псевдокипящ слой използват отпадна топлина от промишлени процеси, но също така и първична енергия. В същото време, при работа при температура от 60°C отпадната топлина може също да се оползотвори.

Предимствата на технологията включват: захранване на утайки без сух гранулат, което осигурява значителна гъвкавост при адаптация към различни свойства на утайките; високо ниво на безопасност, дължащо се на факта, че сушенето протича в среда от инертен газ; възможност за автоматизация на процеса; висока топлинна ефективност поради затворените газови контури; малък обем на отпадъчните газове.

Утайките от пречиствателни станции за отпадъчни води с повече от 90% съдържание на сухо вещество са органичен материал, който е запалим и при определени условия – потенциално взривоопасен. Работата в условията на среда от инертен газ гарантира безопасна експлоатация на съоръжението във всичките му режими (стартиране, изключване, стационарен, нарушен режим).

Топлината за сушене на обезводнените утайки се взема изцяло от генерирания от тях газ. Той се използва за подгряване на сушилнята с флуидизиран слой с ефективност над 90% в съвременните инсталации за изгаряне. В същото време тези сушилни могат да осигуряват и топлинна енергия за загряване на биореактори. В етапа на сушене се получава ценен продукт– сух гранулат, който намира приложение като заместително гориво при производството на цимент или в работещите на въглища електроцентрали, поради калоричната му стойност, сравнима с тази на лигнита, и неговите въглерод-неутрални свойства.

Предимства за операторите на пречиствателни станции са: значителното редуциране на остатъчните вещества, напускащи станцията; липсата на допълнителни разходи за топлинна енергия, необходима за сушене; екологосъобразна концепция за опазване на ресурсите (чрез намаляване на предвидените за транспортиране утайки) и получаването на заместително гориво.
Барабанните сушилни предоставят възможност за едновременно сушене и гранулиране, и се използват за средни до големи изпарителни мощности с помощта на природен газ, биогаз и др.

Барабанното сушене е един от най-старите методи за изсушаване на утайки от пречиствателни станции за отпадъчни води. Обезводнената утайка се разбърква в смесител до съдържание на сухо вещество от приблизително 60% с материал, който вече е изсушен. Предварително гранулираният влажен материал се подава към барабана през три входни отвора. Преминаващият през барабана горещ газ увлича предварително гранулираната утайка и съдържащата се в нея вода се изпарява. В бавно въртящия се барабан, изграден от концентрични цилиндри, продуктът се оформя като гранулат благодарение на постоянното въртеливо движение.

Технологията се отличава с ниска енергоконсумация поради специалната конструкция на барабана. При експлоатация, поради частичния вакуум в сушилната система, почти не се отделят миризми. Благодарение на затворения контур за циркулация на въздуха, обемът на отработения газ е малък. Съоръженията са с дълъг експлоатационен живот, дължащ се на издръжливите компоненти и компактната конструкция.
Крайният продукт е със съдържание на сухо вещество 92-95%, до голяма степен не отделя прах и е стабилен под налягане.

Той е равномерно изсушен, лесен за съхранение и дозиране, с отлични свойства и особено подходящ за използване като почвен подобрител. Електрическият ток за работа на инсталацията се доставя от газов мотор, работещ като когенерационно устройство, а топлинната енергия за изсушаване в барабана се осигурява от отработения въздух на двигателя. Ефективното възстановяване на топлината е много важен фактор. Интегрирането на комбинирано производство на топлинна и електроенергия намалява емисиите на въглероден диоксид и отработен въздух с до 20% поради директното използване на отпадъчни газове.

Предимства на барабанните сушилни са фактът, че не е необходим директен контакт между отработените газове от когенерацията и системата за сушене, което води до опростено управление на безопасността, както и осигуряването на възможност за ефективно възстановяване на топлината.

Местоположение на сушилните

Разполагането на едно съоръжение за сушене на утайки е много важен въпрос, особено от икономическа гледна точка, поради което следва да бъде добре обмислено. Има три варианта, които могат да бъдат приложени:

• на територията на всяка пречиствателна станция за отпадъчни води да има инсталация за сушене на утайки, като се извършва и предварителна обработка, т. е. сушилното съоръжение да е продължение на линията за третиране;
• централно съоръжение за сушене на утайки, което е общо за няколко пречиствателни станции. При този вариант се налага третирането на много по-големи количества утайки в сравнение с тези, получаващи се само от една пречиствателна станция;
• мобилна станция за сушене на утайки.

При разполагането на сушилните на територията на всяка пречиствателна станция за отпадъчни води се елиминира нуждата от оборудване за транспортиране на мокрите утайки до сушилната инсталация и за опаковане или съхранение на големи количества от тях. Друго важно предимство на това решение е възможността за връщане на парите от сушилните в инсталациите за третиране. Недостатък са сравнително високите инвестиционни и експлоатационни разходи.

Енергопотребление и разходи за сушене

При сравняване на общите разходи за различните варианти за третиране на утайки от пречиствателни станции за отпадъчни води често най-добрият вариант е сушенето. Вземащите окончателното решение трябва да отчетат не само икономическите фактори, но и други като надеждност, лесно обслужване на инсталациите, съхранение и транспорт на утайките, както и ползите за околната среда.

Консумацията на енергия при процеса на сушене на утайки до голяма степен зависи от влагосъдържанието им. Енергопотреблението силно зависи и от техническите характеристики на сушилните съоръжения като: тип сушилня; метод за възстановяване на топлината; свойствата на утайката. Тъй като топлинното сушене на утайките изисква значително количество енергия, се препоръчва използването на биогаз, енергия от изгаряне на утайки или отпадъци, или друга отпадна енергия, за да се намали количеството изкопаеми горива, необходими за генерирането на топлината за осъществяване на процеса.