Sludge Dewatering: Methods, Technologies & Systems for Wastewater Treatment

آبگیری چیست - و چرا برای مدیریت لجن اهمیت دارد

آبگیری عبارت است از حذف مکانیکی یا فیزیکی آب از مخلوط جامد و مایع برای کاهش حجم آن و افزایش محتوای جامد آن. در زمینه تصفیه فاضلاب، آبگیری به طور خاص به فرآیند جداسازی آب از لجن - محصول جانبی نیمه جامد تولید شده در مراحل تصفیه اولیه، ثانویه و سوم - برای تولید کیک قابل حمل و قابل حمل مناسب برای دفع، کاربرد زمین یا پردازش بیشتر اشاره دارد.

مورد اقتصادی و عملیاتی برای آبگیری ساده است. لجن فاضلاب خام معمولاً حاوی 95-99 درصد وزنی آب . کاهش رطوبت از 97 درصد به 75 درصد از طریق آبگیری مکانیکی، حجم لجن را تقریباً 88 درصد کاهش می دهد، هزینه های حمل و نقل، هزینه های دفن زباله و مصرف انرژی در تصفیه حرارتی پایین دست را کاهش می دهد. برای یک تصفیه خانه فاضلاب شهری با اندازه متوسط ​​که 50000 متر مکعب در روز پردازش می کند، این کاهش حجم می تواند به صرفه جویی سالانه چند صد هزار دلاری در هزینه های دفع لجن باشد.

علاوه بر کاهش حجم، آب‌گیری لجن را برای جابجایی تثبیت می‌کند - یک کیک با 20 تا 25 درصد کل جامدات (TS) را می‌توان با تسمه یا پیچ بدون پمپاژ، برای ذخیره‌سازی موقت روی هم قرار داد و در کامیون‌ها بدون تجهیزات تخصصی بارگیری کرد.

غلیظ شدن لجن در مقابل آبگیری: درک تفاوت

غلیظ کردن لجن و آبگیری عملیات متوالی اما متمایز در یک قطار مدیریت کامل لجن هستند. اشتباه گرفتن این دو منجر به انتخاب اشتباه تجهیزات و ناکارآمدی فرآیند می شود.

ضخیم شدن یک فرآیند مکانیکی گرانشی یا کم برش است که لجن رقیق را از 0.5-2٪ TS تا تقریباً 3-8٪ TS متمرکز می کند. این مرحله نهایی آبگیری نیست - لجن غلیظ شده قابل پمپاژ و روان شدن باقی می ماند. هدف اصلی کاهش حجم تغذیه به هاضم های پایین دست یا تجهیزات آبگیری، کاهش اندازه و هزینه های عملیاتی آنها است. فناوری‌های متداول ضخیم‌سازی شامل ضخیم‌کننده‌های گرانشی، ضخیم‌کننده‌های شناور هوای محلول (DAF)، ضخیم‌کننده‌های درام چرخشی و ضخیم‌کننده‌های کمربند ثقلی هستند.

آبگیری ضخیم شدن را دنبال می کند و از فشار مکانیکی، خلاء، یا نیروی گریز از مرکز استفاده می کند تا محتوای لجن جامد را از محدوده 3 تا 8 درصد TS به 15 تا 35 درصد TS برساند - و یک کیک نیمه جامد تولید می کند. در این محتوای جامد، ماده از سیالی که باید پمپ شود به جامدی تبدیل می‌شود که می‌توان آن را انتقال داد، انباشته کرد و با وسایل معمولی حمل کرد.

توالی ضخیم شدن لجن و آبگیری ترکیبی ستون فقرات مدیریت زیست جامدهای زیستی مدرن است. پرش از غلیظ شدن و تغذیه لجن رقیق به طور مستقیم به تجهیزات آبگیری منجر به ماشین های بزرگ و پر بار با خشکی کم کیک و مصرف بالای پلیمر می شود.

فن آوری های آبگیری لجن: بررسی اجمالی مقایسه ای

چندین فناوری آبگیری لجن مورد استفاده تجاری هستند. هر کدام بر اساس اصول فیزیکی متفاوتی عمل می کنند و خشکی کیک، تقاضای پلیمر، ردپا و مصرف انرژی متفاوتی را ارائه می دهند. انتخاب به نوع لجن، اندازه کارخانه، مسیر دفع نهایی و اولویت های سرمایه در مقابل هزینه عملیاتی بستگی دارد.

پرس فیلتر کمربند

فیلتر پرس تسمه ای (BFP) یکی از پرکاربردترین فناوری های آبگیری در سطح جهان به ویژه در کاربردهای فاضلاب شهری است. لجن شرطی شده بین دو تسمه متخلخل که به طور مداوم در حال حرکت هستند تغذیه می شود که ابتدا توسط گرانش تخلیه می شود، سپس لجن را از طریق یک سری غلتک با فشار فزاینده ای فشرده می کند. محتوای جامد کیک معمولاً از 18-25٪ TS برای لجن مخلوط شهری BFP ها مصرف انرژی پایینی دارند (1-2 کیلووات ساعت / تن جامدات خشک) اما به آب شستشوی قابل توجهی (3-10 متر مکعب در ساعت در هر متر عرض تسمه) نیاز دارند و به تنوع لجن خوراک حساس هستند.

دکانتر سانتریفیوژ

سانتریفیوژهای Decanter از نیروی گریز از مرکز (معمولاً 1500-4000 × گرم) برای جداسازی جامدات لجن از فاز مایع با سرعت بالا استفاده می کنند. تحویل می دهند 20-30٪ خشکی کیک TS برای لجن شهری هضم شده و برای عملیات مداوم و با حجم بالا مناسب هستند. سانتریفیوژها فشرده، کاملاً محصور (برای کنترل بو بسیار مهم است) و تا حد زیادی خودکار هستند - اما مصرف انرژی آنها به طور قابل توجهی بیشتر از BFP ها، معمولاً 15 تا 30 کیلووات ساعت بر تن جامدات خشک است و هزینه نگهداری آنها به دلیل سایش ناشی از لجن های ساینده افزایش می یابد.

پرس پیچ

پرس پیچ لجن را به یک صفحه استوانه ای وارد می کند و آن را با یک پیچ چرخان با گامی که به تدریج کاهش می یابد، به جلو می برد و در حالی که کیک در خروجی تخلیه می شود، آب آزاد را از طریق صفحه می فشارد. پرس های پیچی چند دیسکی مدرن به دلیل داشتن آنها به سرعت سهم بازار را به دست آورده اند مصرف انرژی بسیار پایین (2 تا 5 کیلووات ساعت / تن DS)، حداقل توجه اپراتور، نیاز کم به آب شستشو، و مناسب بودن برای کارخانه های کوچک تا متوسط. خشکی کیک معمولاً 15 تا 22٪ TS است - کمتر از سانتریفیوژها - اما برای کاربردهایی که صرفه جویی در هزینه دفع کیک کمی مرطوب تر را توجیه می کند، مزیت هزینه عملیاتی قانع کننده است.

فیلتر پرس (صفحه و قاب)

فیلتر پرس های صفحه و قاب فشار بالا خشک ترین کیک را در بین هر فناوری آبگیری مکانیکی ارائه می دهند - معمولا 35-45٪ TS - در جایی که لجن برای سوزاندن، سوزاندن همزمان یا جایی که هزینه های دفن زباله بسیار زیاد است، آنها را به انتخاب ارجح تبدیل می کند. عملیات دسته‌ای، ردپای زیاد و هزینه سرمایه بالا، استفاده از آنها را به لجن‌های صنعتی، لجن‌های شهری با آهک تهویه‌شده و کاربردهایی که خشکی بسیار بالا یک نیاز سخت است محدود می‌کند. پرس های فیلتر غشایی که دیافراگم های انعطاف پذیر را پس از پر شدن باد می کنند، می توانند خشکی کیک را به بالای 50 درصد TS در برخی از کاربردهای لجن صنعتی برسانند.

فیلتر خلاء چرخشی

زمانی که تکنولوژی غالب برای آبگیری لجن فاضلاب بود، فیلترهای خلاء دوار به دلیل خشکی نسبتا ضعیف (12 تا 18 درصد TS)، نیازهای انرژی و نگهداری بالا و طراحی باز، تا حد زیادی توسط پرس های تسمه ای و سانتریفیوژها در تاسیسات جدید جابجا شده اند. آنها در کارخانه های شهری قدیمی تر و در برخی از کاربردهای صنعتی که عملکرد ملایم و پیوسته آنها مناسب انواع لجن شکننده یا فیبری است، باقی می مانند.

DAF Sludge Dewatering: Handling Flotation Unit Products by Products

واحدهای شناور هوای محلول (DAF) به طور گسترده در تصفیه فاضلاب صنعتی و شهری برای حذف جامدات معلق، چربی ها، روغن ها و گریس ها با چسباندن حباب های هوای میکروسکوپی به ذرات و شناور کردن آنها به سطح به عنوان یک شناور بدون چربی استفاده می شود. لجن DAF حاصل چالش‌های آب‌گیری منحصربه‌فردی را ارائه می‌کند که به طور قابل‌توجهی با لجن بیولوژیکی اولیه یا ثانویه ته نشین شده متفاوت است.

شناور DAF معمولاً به مرحله آبگیری می رسد 1-5٪ TS - قابل مقایسه با لجن بیولوژیکی غلیظ شده - اما ویژگی فیزیکی آن اساساً متفاوت است. لجن DAF حاصل از فرآوری مواد غذایی، رندر یا کارخانه های کاغذ اغلب بسیار قابل تراکم، ژلاتینی و سرشار از چربی ها و پروتئین هایی است که در برابر زهکشی مقاومت می کنند. تهویه استاندارد پلیمری که برای لجن فعال به خوبی کار می کند ممکن است روی شناور DAF عملکرد ضعیفی داشته باشد. برنامه‌های پلیمری دوگانه با ترکیب پلیمرهای کاتیونی و آنیونی یا افزودن منعقدکننده‌هایی مانند کلرید آهن یا سولفات آلومینیوم قبل از تهویه پلیمر، اغلب مورد نیاز است.

برای آبگیری لجن DAF، سانتریفیوژهای دکانتر و فیلتر پرس های تسمه ای متداول ترین فناوری های کاربردی هستند. سانتریفیوژها محتوای چربی بالا را با اطمینان بیشتری مدیریت می کنند - تجمع چربی در پارچه های پرس کمربند یک مشکل عملیاتی مزمن در کاربردهای DAF در صنایع غذایی است. پرس های اسکرو نیز نتایج خوبی بر روی شناور DAF از گیاهان شهری که محتوای لیپید کمتری دارند، نشان داده اند. خشکی کیک 12-20٪ TS به دلیل ماهیت تراکم پذیر و آبدوست جامدات، برای لجن DAF در صنایع غذایی، به طور قابل ملاحظه ای کمتر از لجن بیولوژیکی است.

در محیط‌های صنعتی که از DAF برای تصفیه فاضلاب رنگ استفاده می‌شود، لجن رنگ ایجاد شده عوارض بیشتری را ایجاد می‌کند. جامدات رنگ - به ویژه از لایه‌های پایه حاوی رزین و رنگدانه‌ها - یک کیک چسبناک و چسبناک تشکیل می‌دهند که می‌تواند رسانه‌های فیلتر و کاسه‌های سانتریفیوژ کثیف را به سرعت کور کند. سیستم‌های لجن رنگ آب‌گیری اختصاصی اغلب از فیلتر پرس‌هایی با پارچه‌های فیلتر مصنوعی که برای چرخه‌های تمیز کردن حلال رتبه‌بندی شده‌اند، یا لجن خشک‌کن‌های طراحی شده که آب‌گیری مکانیکی را با خشک‌کردن حرارتی در یک واحد ترکیب می‌کنند تا به ۸۰ تا ۹۰ درصد TS برای طبقه‌بندی به عنوان زباله‌های جامد غیر خطرناک استفاده می‌کنند.

سیستم های آبگیری دوغاب در کاربردهای صنعتی

فراتر از تصفیه فاضلاب شهری، سیستم های آبگیری دوغاب در طیف وسیعی از عملیات فرآیندهای صنعتی مرکزی هستند. اصطلاح "دوغاب" معمولاً مخلوطی با غلظت جامدات بالاتر و یکنواخت‌تر از لجن فاضلاب - اغلب 10 تا 40 درصد وزنی جامدات - و ممکن است شامل ذرات معدنی (مواد معدنی، سرامیک، فلزات) به جای مواد بیولوژیکی باشد.

کاربردهای کلیدی آبگیری دوغاب صنعتی عبارتند از:

• معدن و فرآوری مواد معدنی - آبگیری باطله ها با استفاده از ضخیم کننده ها، فیلتر پرس ها یا فیلترهای تسمه خلاء؛ بازیابی آب فرآیند برای بازیافت در مناطق کم آب عامل اصلی است
• ساخت و ساز و تونل سازی - دوغاب بنتونیت و گل حفاری حاصل از عملیات تونل‌زنی نیاز به آبگیری سریع در محل کار با استفاده از فیلتر پرس سیار یا سیستم‌های سانتریفیوژ قبل از تخلیه یا استفاده مجدد از آب بازیافتی دارند.
• تولید سرامیک و شیشه - دوغاب ذرات ریز حاصل از عملیات آسیاب و صیقل مرطوب توسط فیلترهای دیسکی خلاء یا فیلترهای فشار آبگیری می شوند تا مواد با ارزش را بازیابی کنند و حجم تخلیه فاضلاب را کاهش دهند.
• تولید برق - خاکستر بادی و دوغاب های خاکستر زیرین حاصل از احتراق زغال سنگ با استفاده از فیلترهای تسمه خلاء یا فیلتر پرس ها به عنوان بخشی از سیستم های جابجایی خاکستر خشک یا نیمه خشک مورد نیاز مقررات زیست محیطی آبگیری می شوند.
• فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی - تفاله میوه، نشاسته غلات و دوغاب نشاسته قبل از خشک کردن یا فرآوری خوراک دام آبگیری می شوند و پرس های پیچی و سانتریفیوژهای سانتریفیوژ اصلی ترین گزینه های تجهیزات هستند.

طراحی سیستم آبگیری دوغاب صنعتی باید سایندگی (که مواد مقاوم در برابر سایش را در سانتریفیوژها و پمپ ها دیکته می کند)، توزیع اندازه ذرات (ذرات ریز کمتر از 5 میکرومتر در برابر زهکشی مقاومت می کنند و ممکن است به کمک فیلتراسیون نیاز داشته باشند) و سازگاری شیمیایی بین دوغاب و سطح مرطوب شده تجهیزات آبگیری را در نظر بگیرد.

تهویه پلیمری: متغیری که عملکرد آبگیری را کنترل می کند

تقریباً در تمام روش‌های آب‌گیری لجن، تهویه پلیمری مرحله بالادستی است که تعیین می‌کند آیا تجهیزات آب‌گیری مکانیکی در محدوده طراحی خود عمل می‌کنند یا برای تولید خشکی کیک قابل قبول تلاش می‌کنند. انجام درست تهویه مطبوع اغلب تأثیرگذارتر از انتخاب تجهیزات است.

پلی الکترولیت ها - که معمولاً پلی آکریل آمیدهای کاتیونی هستند - با خنثی کردن بار سطحی منفی ذرات لجن و پل زدن ذرات به یکدیگر به شکل لخته های بزرگتر و آزاد کننده آب کار می کنند. پارامترهای کلیدی برای بهینه سازی در هر سیستم آبگیری لجن عبارتند از:

• دوز پلیمری - معمولاً 3-10 کیلوگرم پلیمر فعال در هر تن جامد خشک برای لجن ثانویه شهری. دوز بیش از حد هزینه های شیمیایی را کاهش می دهد و می تواند شارژ را معکوس کند و عملکرد را کاهش دهد
• رقیق کردن و ساختن - پلیمرهای امولسیونی باید قبل از تزریق به محلول 0.1-0.5٪ رقیق شوند. رقت ناکافی منجر به پلیمر غیرفعال می شود که از مرحله آبگیری بدون تهویه لجن عبور می کند.
• اختلاط انرژی و زمان تماس - برش کافی برای پراکندگی پلیمر در سراسر لجن مورد نیاز است، اما برش بیش از حد پس از تشکیل لخته، لخته ها را می شکند و نمی توان آن را معکوس کرد. میکسرهای استاتیک درون خطی یا میکسرهای دینامیکی با برش کم بر پروانه های پر سرعت ترجیح داده می شوند
• Sludge variability — changes in feed sludge composition (e.g., after a storm event that dilutes primary sludge, or after changes in biological treatment) alter optimal polymer type and dose; automated polymer dosing systems with turbidity or capillary suction time (CST) feedback control significantly improve consistency

For sewage sludge dewatering at municipal plants, polymer costs typically represent 30–50% of total dewatering operating cost. A 10% reduction in specific polymer consumption through better conditioning optimization is frequently achievable and delivers meaningful budget savings without capital investment.