Khử nước bùn: Phương pháp, công nghệ và hệ thống xử lý nước thải

Khử nước là gì - và tại sao nó quan trọng đối với việc quản lý bùn

Khử nước là loại bỏ nước bằng cơ học hoặc vật lý khỏi hỗn hợp rắn-lỏng để giảm thể tích và tăng hàm lượng chất rắn. Trong bối cảnh xử lý nước thải, khử nước đề cập cụ thể đến quá trình tách nước khỏi bùn - sản phẩm phụ bán rắn được tạo ra trong các giai đoạn xử lý sơ cấp, thứ cấp và cấp ba - để tạo ra một loại bánh có thể xử lý được, có thể vận chuyển phù hợp để xử lý, ứng dụng vào đất hoặc xử lý tiếp.

Trường hợp kinh tế và vận hành của việc khử nước rất đơn giản. Bùn thải thô thường chứa 95–99% nước theo trọng lượng . Việc giảm độ ẩm từ 97% xuống 75% thông qua khử nước cơ học sẽ làm giảm thể tích bùn khoảng 88%, cắt giảm đáng kể chi phí vận chuyển, phí lật bãi chôn lấp và mức tiêu thụ năng lượng trong xử lý nhiệt ở hạ nguồn. Đối với một nhà máy xử lý nước thải đô thị cỡ trung bình xử lý 50.000 m³/ngày, việc giảm khối lượng này có thể giúp tiết kiệm hàng trăm nghìn đô la hàng năm chỉ riêng chi phí xử lý bùn.

Ngoài việc giảm thể tích, khử nước còn ổn định bùn để xử lý - một loại bánh được khử nước tốt ở mức 20–25% tổng chất rắn (TS) có thể được vận chuyển bằng dây đai hoặc vít mà không cần bơm, xếp chồng lên nhau để lưu trữ tạm thời và chất lên xe tải mà không cần thiết bị chuyên dụng.

Làm đặc bùn và khử nước: Tìm hiểu sự khác biệt

Làm đặc bùn và khử nước là các hoạt động tuần tự nhưng khác biệt trong một chuỗi quản lý bùn hoàn chỉnh. Việc nhầm lẫn cả hai dẫn đến việc lựa chọn sai thiết bị và xử lý kém hiệu quả.

dày lên là một quá trình cơ học trọng lực hoặc lực cắt thấp nhằm cô đặc bùn loãng từ 0,5–2% TS đến khoảng 3–8% TS. Đây không phải là bước khử nước cuối cùng - bùn đặc vẫn có thể bơm và chảy được. Mục đích chính là giảm khối lượng cấp cho các thiết bị phân hủy hoặc khử nước ở hạ nguồn, giảm kích thước và chi phí vận hành. Các công nghệ làm đặc phổ biến bao gồm chất làm đặc trọng lực, chất làm đặc tuyển nổi không khí hòa tan (DAF), chất làm đặc trống quay và chất làm đặc đai trọng lực.

Khử nước sau quá trình làm đặc và sử dụng áp suất cơ học, chân không hoặc lực ly tâm để đẩy hàm lượng chất rắn trong bùn từ khoảng 3–8% TS lên đến 15–35% TS - tạo ra bánh bán rắn. Ở hàm lượng chất rắn này, vật liệu chuyển từ chất lỏng phải được bơm sang chất rắn có thể được vận chuyển, xếp chồng và vận chuyển bằng các phương tiện thông thường.

Trình tự làm đặc bùn và khử nước kết hợp là xương sống của quản lý chất rắn sinh học hiện đại. Việc bỏ qua quá trình cô đặc và cấp bùn loãng trực tiếp vào thiết bị khử nước sẽ dẫn đến các máy quá khổ, quá tải, độ khô bánh kém và tiêu thụ nhiều polyme.

Công nghệ khử nước bùn: Tổng quan so sánh

Nhiều công nghệ khử nước bùn đang được sử dụng thương mại. Mỗi loại hoạt động dựa trên các nguyên tắc vật lý khác nhau và mang lại độ khô bánh, nhu cầu polyme, dấu chân và mức tiêu thụ năng lượng khác nhau. Việc lựa chọn phụ thuộc vào loại bùn, quy mô nhà máy, lộ trình xử lý cuối cùng và mức độ ưu tiên về vốn so với chi phí vận hành.

Máy ép lọc đai

Máy ép lọc đai (BFP) là một trong những công nghệ khử nước được lắp đặt rộng rãi nhất trên toàn cầu, đặc biệt là trong các ứng dụng xử lý nước thải đô thị. Bùn đã được điều hòa được đưa vào giữa hai đai xốp chuyển động liên tục, đầu tiên thoát ra bằng trọng lực, sau đó nén bùn qua một loạt con lăn với áp suất tăng dần. Hàm lượng chất rắn của bánh thường dao động từ 18–25% TS cho bùn đô thị hỗn hợp. BFP có mức tiêu thụ năng lượng thấp (1–2 kWh/tấn chất rắn khô) nhưng cần lượng nước rửa đáng kể (3–10 m³/giờ trên một mét chiều rộng băng tải) và rất nhạy cảm với sự biến đổi của bùn cấp liệu.

Máy ly tâm

Máy ly tâm decanter sử dụng lực ly tâm (thường là 1.500–4.000 × g) để tách chất rắn bùn ra khỏi pha lỏng ở tốc độ cao. Họ giao hàng Độ khô bánh 20–30% TS dành cho bùn đô thị đã được phân hủy và rất phù hợp với hoạt động liên tục, khối lượng lớn. Máy ly tâm nhỏ gọn, khép kín hoàn toàn (quan trọng đối với việc kiểm soát mùi) và phần lớn được tự động hóa - nhưng mức tiêu thụ năng lượng của chúng cao hơn đáng kể so với BFP, điển hình là 15–30 kWh/tấn chất rắn khô và chi phí bảo trì của chúng tăng cao do bị mài mòn từ bùn mài mòn.

Máy ép trục vít

Máy ép trục vít đưa bùn vào sàng hình trụ và tiến lên bằng vít quay có bước giảm dần, ép nước tự do qua sàng trong khi bánh được thải ra ở cửa xả. Máy ép trục vít nhiều đĩa hiện đại đã giành được thị phần nhanh chóng nhờ khả năng tiêu thụ năng lượng rất thấp (2–5 kWh/tấn DS), ít sự chú ý của người vận hành, yêu cầu nước rửa thấp và phù hợp với các nhà máy vừa và nhỏ. Độ khô của bánh thường là 15–22% TS - thấp hơn so với máy ly tâm - nhưng đối với các ứng dụng tiết kiệm chi phí xử lý thì bánh ướt hơn một chút thì lợi thế về chi phí vận hành là rất hấp dẫn.

Máy ép lọc (Tấm và Khung)

Máy ép lọc dạng tấm và khung áp suất cao mang lại bánh khô nhất so với bất kỳ công nghệ khử nước cơ học nào - điển hình là 35–45% TS — làm cho chúng trở thành lựa chọn ưu tiên khi bùn được đưa đi đốt, đồng đốt hoặc khi chi phí chôn lấp cực kỳ cao. Vận hành theo mẻ, diện tích lớn và chi phí vốn cao hạn chế khả năng sử dụng của chúng đối với bùn công nghiệp, bùn đô thị được xử lý bằng vôi và các ứng dụng đòi hỏi độ khô rất cao. Máy ép màng lọc làm phồng màng linh hoạt sau khi đổ đầy có thể đẩy độ khô của bánh lên trên 50% TS trong một số ứng dụng bùn công nghiệp.

Bộ lọc chân không quay

Từng là công nghệ thống trị để khử nước trong bùn thải, các bộ lọc chân không quay phần lớn đã bị thay thế bởi máy ép đai và máy ly tâm trong các hệ thống lắp đặt mới do độ khô tương đối kém (12–18% TS), yêu cầu năng lượng và bảo trì cao cũng như thiết kế mở. Chúng vẫn được sử dụng tại các nhà máy đô thị cũ và trong một số ứng dụng công nghiệp nơi hoạt động nhẹ nhàng, liên tục của chúng phù hợp với các loại bùn dễ vỡ hoặc dạng sợi.

Khử nước bùn DAF: Xử lý sản phẩm phụ của thiết bị tuyển nổi

Các thiết bị tuyển nổi không khí hòa tan (DAF) được sử dụng rộng rãi trong cả xử lý nước thải công nghiệp và đô thị để loại bỏ chất rắn lơ lửng, chất béo, dầu và mỡ bằng cách gắn các bọt khí siêu nhỏ vào các hạt và làm nổi chúng lên bề mặt dưới dạng phao nổi. Bùn DAF thu được đưa ra những thách thức khử nước độc đáo, khác biệt đáng kể so với bùn sinh học sơ cấp hoặc thứ cấp đã lắng.

Phao DAF thường đến giai đoạn khử nước ở 1–5% TS - có thể so sánh với bùn sinh học đặc - nhưng đặc tính vật lý của nó về cơ bản là khác nhau. Bùn DAF từ quá trình chế biến thực phẩm, chế biến thực phẩm hoặc nhà máy giấy thường có khả năng nén cao, dạng sền sệt và giàu chất béo và protein có khả năng chống thoát nước. Điều hòa polyme tiêu chuẩn hoạt động tốt đối với bùn hoạt tính có thể hoạt động kém trên phao DAF; Các chương trình polyme kép kết hợp polyme cation và anion hoặc bổ sung các chất keo tụ như clorua sắt hoặc nhôm sunfat trước khi điều hòa polyme thường được yêu cầu.

Để khử nước bùn DAF, máy ly tâm decanter và máy ép lọc đai là những công nghệ được áp dụng phổ biến nhất. Máy ly tâm xử lý hàm lượng chất béo cao một cách đáng tin cậy hơn — sự tích tụ chất béo trên vải ép đai là một vấn đề vận hành kinh niên trong các ứng dụng DAF của ngành công nghiệp thực phẩm. Máy ép trục vít cũng cho kết quả tốt về DAF trôi nổi từ các nhà máy đô thị nơi có hàm lượng lipid thấp hơn. Độ khô bánh 12–20% TS là điển hình cho bùn DAF của ngành công nghiệp thực phẩm, thấp hơn đáng kể so với bùn sinh học, do tính chất chịu nén và ưa nước của chất rắn.

Trong các cơ sở công nghiệp nơi DAF được sử dụng để xử lý nước thải sơn, bùn sơn tạo ra sẽ gây ra nhiều biến chứng hơn. Chất rắn sơn - đặc biệt là từ sơn nền gốc nước có chứa nhựa và bột màu - tạo thành một lớp bánh dính, dính có thể làm mù vật liệu lọc và bát ly tâm hôi một cách nhanh chóng. Các hệ thống khử nước bùn sơn chuyên dụng thường sử dụng máy ép lọc với vải lọc tổng hợp được định mức cho chu trình làm sạch bằng dung môi hoặc máy sấy bùn được thiết kế chuyên dụng kết hợp khử nước cơ học với sấy nhiệt trong một thiết bị duy nhất để đạt 80–90% TS để phân loại là chất thải rắn không nguy hại.

Hệ thống khử nước bùn trong ứng dụng công nghiệp

Ngoài việc xử lý nước thải đô thị, hệ thống khử nước bùn là trung tâm của một loạt các hoạt động quy trình công nghiệp. Thuật ngữ "bùn" thường mô tả hỗn hợp có nồng độ chất rắn cao hơn và đồng đều hơn so với bùn thải - thường có 10–40% chất rắn theo trọng lượng - và có thể bao gồm các hạt vô cơ (khoáng chất, gốm sứ, kim loại) thay vì vật liệu sinh học.

Các ứng dụng khử nước bùn công nghiệp chính bao gồm:

• Khai thác và chế biến khoáng sản - khử nước chất thải bằng cách sử dụng chất làm đặc, máy ép lọc hoặc bộ lọc đai chân không; thu hồi nước xử lý để tái chế ở những vùng khan hiếm nước là động lực chính
• Xây dựng và đào hầm — Bùn bentonite và bùn khoan từ các hoạt động đào hầm đòi hỏi phải khử nước nhanh chóng tại công trường bằng cách sử dụng hệ thống máy lọc hoặc máy ly tâm di động trước khi nước thu hồi có thể được thải ra hoặc tái sử dụng
• Sản xuất gốm sứ và thủy tinh - bùn hạt mịn từ hoạt động mài và đánh bóng ướt được khử nước bằng bộ lọc đĩa chân không hoặc bộ lọc áp suất để thu hồi vật liệu có giá trị và giảm lượng xả nước thải
• Phát điện — tro bay và tro đáy từ quá trình đốt than được khử nước bằng bộ lọc đai chân không hoặc máy ép lọc như một phần của hệ thống xử lý tro khô hoặc bán khô theo yêu cầu của các quy định về môi trường
• Chế biến thực phẩm và đồ uống - bã trái cây, bã ngũ cốc và bùn tinh bột được khử nước trước khi sấy khô hoặc chế biến thức ăn chăn nuôi, với máy ép trục vít và máy ly tâm decanter là những lựa chọn thiết bị chủ yếu

Thiết kế hệ thống khử nước bùn công nghiệp phải tính đến độ mài mòn (quy định vật liệu chịu mài mòn trong máy ly tâm và máy bơm), phân bố kích thước hạt (các hạt mịn dưới 5 µm chống lại sự thoát nước và có thể yêu cầu hỗ trợ lọc) và khả năng tương thích hóa học giữa bùn và bề mặt ướt của thiết bị khử nước.

Điều hòa polyme: Biến số kiểm soát hiệu suất khử nước

Trên hầu hết tất cả các phương pháp khử nước bùn, điều hòa polyme là bước đầu tiên quyết định liệu thiết bị khử nước cơ học có hoạt động trong phạm vi thiết kế của nó hay gặp khó khăn trong việc tạo ra độ khô bánh có thể chấp nhận được. Việc điều hòa đúng cách thường có tác động mạnh hơn việc lựa chọn thiết bị.

Polyelectrolytes - phổ biến nhất là polyacrylamide cation - hoạt động bằng cách trung hòa điện tích bề mặt âm của các hạt bùn và kết nối các hạt lại với nhau thành các khối lớn hơn, giải phóng nước. Các thông số chính để tối ưu hóa trong bất kỳ hệ thống khử nước bùn là:

• Liều polyme — thông thường là 3–10 kg polyme hoạt tính trên một tấn chất rắn khô đối với bùn thải thứ cấp của đô thị; dùng quá liều sẽ gây lãng phí chi phí hóa chất và có thể sạc ngược lại, làm giảm hiệu suất
• Pha loãng và trang điểm - polyme nhũ tương phải được pha loãng thành dung dịch 0,1–0,5% trước khi tiêm; pha loãng không đầy đủ dẫn đến polyme không hoạt động, đi qua giai đoạn khử nước mà không xử lý bùn
• Trộn năng lượng và thời gian tiếp xúc — lực cắt đủ lớn là cần thiết để phân tán polyme khắp bùn, nhưng lực cắt quá mức sau khi hình thành bông bùn sẽ phá vỡ các bông cặn và không thể đảo ngược được; máy trộn tĩnh nội tuyến hoặc máy trộn động cắt thấp được ưu tiên hơn các cánh quạt tốc độ cao
• Sự biến đổi bùn — những thay đổi trong thành phần bùn cấp liệu (ví dụ, sau một cơn bão làm loãng bùn sơ cấp, hoặc sau những thay đổi trong xử lý sinh học) làm thay đổi loại và liều lượng polyme tối ưu; hệ thống định lượng polymer tự động với khả năng kiểm soát phản hồi độ đục hoặc thời gian hút mao dẫn (CST) cải thiện đáng kể tính nhất quán

Đối với việc khử nước bằng bùn thải tại các nhà máy đô thị, chi phí polyme thường chiếm 30–50% tổng chi phí vận hành khử nước. Thường có thể đạt được mức giảm 10% mức tiêu thụ polymer cụ thể thông qua tối ưu hóa điều hòa tốt hơn và mang lại khoản tiết kiệm ngân sách đáng kể mà không cần đầu tư vốn.