Патент на изобретение №2311349

(54) СПОСОБ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ОСАДКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу обезвоживания водосодержащего материала, такого как осадок. Указанный водосодержащий материал добавляют к материалу, включающему некоторое количество частично высушенных сфагновых растений, собранных с верхнего слоя болота, то есть той части, которая содержит живой растительный материал, и смешивают с ним. Затем смешанный материал подвергают обработке сушкой. Технический эффект – повышение эффективности традиционных способов обработки таких материалов, таких как компостирование и сжигание. 7 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к способу обезвоживания водосодержащего материала, такого как осадок, и к способам усовершенствования технологий обработки, таких как компостирование и сжигание.

Осадок является гетерогенной смесью с относительно высокой концентрацией твердых частиц в жидкости. Существует много типов осадка: осадки сточных вод, биологический ил, буровой раствор, ил со дна рек и прочее. Некоторые типы осадков являются результатом природных процессов, в тоже время другие типы осадка образуются в технологических процессах, таких как фильтрование жидкостей.

Конкретным примером последнего из них является фильтрование технической воды во время добычи нефти. В этом способе очистки с одной стороны получают чистую техническую воду (фильтрат), а с другой стороны – осадок, содержащий загрязнения. Этот осадок содержит, помимо прочего, мелкие минеральные частицы, балластные органические вещества, некоторые углеводороды (нефтепродукты) и 50-90% воды.

Большинство типов осадка содержит большие количества воды и в большей или меньшей степени обладает скверным запахом. Кроме того, многие из таких типов относят к специальным отходам, т.е. к отходам, на которые распространяются ограничения властей по их сбору и уничтожению. Причина, по которой ряд типов осадка должен проходить обработку как специальные отходы, заключается в том, что они частично или полностью состоят из компонентов, наносящих вред окружающей среде и/или здоровью. Такими компонентами могут быть углеводороды в “активном иле” или бактерии и яйца паразитов в осадке сточных вод.

Два распространенных способа, которые применяют для обработки осадка, это компостирование и сжигание. Их осуществляют за плату в специально отведенных местах. Плата за такую обработку зависит от массы, теплотворной способности и степени загрязнения.

При компостировании его обычно смешивают с конструкционным материалом, таким как, например, высушенная кора или древесная щепа. Конструкционный материал в некоторой степени стабилизирует вещество и создает более благоприятные условия для разложения организмов, таких как бактерии.

При сжигании его также можно смешивать с материалом растений (таким как древесная щепа, кора), так что осадок требует меньше энергии при сжигании.

Из-за высокого содержания воды он достаточно редко достигает положительной теплотворной способности при смешивании, например, с древесной щепой. В результате сжигание становится как дорогостоящим, так и энергоемким. Исключительной целью смешивания с корой является повышение теплотворной способности. Смешивание с конструкционным материалом вызовет также повышение общей массы.

Другим способом, который используют для повышения теплотворной способности осадка, является сушка осадка. Из-за большого риска просачивания жидкости в грунт ее обычно проводят в специально сконструированных сушильных устройствах.

Эти устройства для сушки осадка работают в значительной степени по тому же принципу, что и обычные домашние барабанные сушилки, но являются более крупными. Они вращаются и содержат нагревательные элементы, которые ускоряют сушку, при этом через устройство проходит воздух. Нагревательные элементы состоят из нагревательных пластин, расположенных внутри барабана, которые вступают в прямой контакт с осадком. Тепло поступает от некого средства, такого как масло или пар, которое циркулирует внутри нагревательных пластин. В некоторых случаях конструкционный материал добавляют во время сушки осадка в сушильных устройствах.

Во всех вышеупомянутых способах утилизации осадка беспокоит наличие скверного запаха. Запах становится существенно менее заметным по мере высыхания осадка. В процессе сушки в барабане сталкиваются с проблемами, связанными с компонентами осадка, такими как смолистые вещества и другие углеводороды, прилипающие к поверхности нагревательных пластин и снижающие таким образом их производительность. Это приводит к существенным ограничениям на обработку многих различных типов осадков.

При этом повышение затрат, связанных с увеличением массы, должно быть уравновешено прибылью, получаемой за счет повышения теплотворной способности.

Критическим фактором во всех способах утилизации водосодержащих материалов является то, что вода приводит к снижению теплотворной способности, а также снижает эффективность компостирования.

Поэтому основной целью настоящего изобретения является создание способа снижения содержания воды в водосодержащем материале, заявленного в п.1 формулы изобретения, с тем, чтобы осадок после такой обработки был лучше адаптирован к компостированию и/или сжиганию.

Поэтому целью настоящего изобретения является создание общего способа обезвоживания различных типов водосодержащих материалов, заявленного в п.1 формулы изобретения, например технологической воды с таких производств, как бумажное производство и механическое производство, а также любых осадков.

Поскольку различные осадки часто имеют скверный запах, то целью настоящего изобретения является создание на ранней стадии процесса эффективного средства для снижения запаха.

Еще одной целью настоящего изобретения является повышение биологического разложения материала осадка относительно компостирования.

Известен целый ряд различных типов устройств для сушки материала осадка. Обычно они работают при помощи контактирования водосодержащего материала с нагревательными пластинами в сушильном устройстве. Было отмечено, что серьезной проблемой является сушка водосодержащих материалов, которые содержат клейкие вещества, такие как, например, различные углеводороды, поскольку они прилипают к нагревательным пластинам и приводят к снижению эффективности нагрева и даже к возможной полной остановке операций. Поэтому еще одной целью изобретения является создание способа, в котором можно использовать традиционные сушильные устройства для сушки водосодержащих материалов, содержащих клейкие вещества.

Таким образом, настоящее изобретение решает много проблем, которые на сегодняшний день связаны с обработкой материалов типа осадка.

Поэтому настоящее изобретение относится к способу обезвоживания водосодержащего осадка, характеризующемуся тем, что указанный водосодержащий осадок смешивают с материалом, включающим высушенные сфагновые растения, собранные с верхнего слоя болота, то есть той части, которая содержит живой растительный материал, а затем смешанный материал подвергают обработке сушкой.

При указанной обработке сушкой смешанный материал можно сушить при температуре окружающей среды.

Способ сушки можно осуществлять в сушильном устройстве, например в традиционной сушилке для сушки осадка или древесной щепы, в котором используют такое нагревающее средство как масло, пар, вода или электричество.

Указанный осадок может быть выбран из группы, включающей активный ил, осадок, образующийся в технологических процессах, осадок сточных вод, речной ил и нефтесодержащий осадок.

Соотношение между водосодержащим материалом и растительным материалом может иметь порядок от 1:0,1 до 0,1:1, предпочтительно 1:1, в пересчете на объем, или от 100:1 до 100:10, предпочтительно 100:3, в пересчете на массу.

Смешанный материал можно сушить до тех пор, пока он не достигнет консистенции твердого вещества.

Обезвоженный осадок можно дополнительно обрабатывать компостированием или сжиганием.

Смешиванием сфагновых растений с раствором осадка решают проблемы, которые ранее ассоциировали с обработкой осадка.

Не углубляясь в теоретические объяснения, по нашему мнению структура растительного материала дает возможность растению удалять или абсорбировать жидкость из осадка таким образом, что материал осадка трансформируется в более твердую форму, которая значительно упрощает дальнейшую обработку материала. Сфагновые растения имеют более высокое сродство к нефти, чем к воде, и поэтому некоторые сфагновые растения первыми заполняются нефтью, в то время как другие растения впитывают воду.

Подходящее растение в данном случае включает все виды растений из семейства Sphagnaceae и рода Sphagnum, в дальнейшем называемые сфагновыми растениями. В повседневном языке это растение имеет несколько названий, например торфяной мох, белый болотный мох и болотный мох.

Сфагновые растения образуют на болотах (торфяных болотах) плотный непрерывный слой и являются подклассом класса мхов. Этот класс состоит только из семейства Sphagnaceae и одного единственного рода Sphagnum. В Норвегии имеется 40 видов класса сфагновых мхов, а во всем мире их в целом около 300. Все виды во многом похожи, и они настолько отличаются от мхов других видов, что их род узнают с первого взгляда.

Мох очень распространен в температурных регионах, а также является характерным для болот Скандинавии, Канады и самых северных регионов России. Торфяные мхи отличаются ото мхов других видов своей характерной структурой и своей уникальной системой поглощения питания Для того чтобы суметь объяснить, как эти растения могут обладать таким удивительным свойством, связанным с обезвоживанием и утилизацией материалов осадка, необходимо понимание структуры и модели роста мха.

Поскольку эти растения вообще не имеют корней, они могут впитывать воду и необходимые минералы сквозь поры на поверхности своих листьев и через специальные клетки для хранения, так называемые гиалиновые клетки. Вода легко проходит сквозь поры и хранится в гиалиновых клетках, которые могут всасывать и удерживать количества воды, превышающие массу сухого растения почти в 20 раз. Когда мох теряет воду из-за испарения, утолщенные нити делают клетки жесткими, поэтому они не разрушаются. При этом клетки для хранения заполнены воздухом.

Большинство видов мха растет в длину примерно на 1-5 см в год. В типичных норвежских болотах самые верхние 5-10 см отростков зеленые и участвуют в фотосинтезе, в то время как нижние части мертвы и постепенно превращаются в торф. Более подробное объяснение различных слоев, которые формируются в таких болотах, можно найти в патенте США 5635029. Другое применение сфагновых растений известно из WO-A-9738805.

Однако признаком, благодаря которому растительный материал обладает желаемым эффектом, является то, он высушен перед смешиванием с осадком. Основная причина этого заключается в том, что гиалиновые клетки должны быть свободны от воды с тем, чтобы появилось место для осадка, т.е. осадок замещает воздух в сухих гиалиновых клетках. Эксперименты показали также, что предпочтение к абсорбции гидрофобных соединений, в противоположность гидрофильным соединениям, усиливается, когда растения сухие.

Таким образом, растительный материал, который используют в связи с настоящим изобретением, отличается тем, что его собирают на болоте, которое предпочтительно содержит большие количества сфагновых растений. Более того, урожай собирают только с верхнего слоя болота, т.е. той части, которая содержит живой растительный материал и той части, которая содержит только частично вырожденные растения. Насколько глубоко он лежит в болоте зависит, среди прочего, от географического положения болота. В Норвегии обычно урожай собирают из слоя, равного примерно 10-15 см.

Поэтому следует особенно подчеркнуть, что этот материал очень отличается от торфа. Торф можно собирать в том же болоте, но при этом материал собирают намного глубже в болоте, например на глубине до 10 м.

Также следует упомянуть, что при сборе урожая с самого верхнего слоя ресурс сохраняет способность к возобновлению, и быстро вырастут новые живые растения.

Для достижения достаточного эффекта абсорбции осадка растения целесообразно частично высушивать. Таким образом, гиалиновые клетки освобождают от воды, и они готовы впитать или абсорбировать “новое” соединение.

Такую обработку сушкой легко можно осуществлять, когда растения разложены на большой поверхности, например на складе, и их сушат на воздухе при комнатной температуре. После этой обработки сушкой удельная масса растений становится очень низкой, и это является особым достоинством, поскольку стоимость вывоза материала часто зависит от массы.

Когда растительный материал добавляют к раствору осадка и смешивают с ним (например, перемешиванием), растительные клетки быстро абсорбируют жидкости. В результате получают вещество наподобие торфа, т.е. намного более плотной консистенции. Это упрощает последующую обработку.

По мере того, как растительный материал смешивают с материалом осадка, уменьшается выделение неприятных запахов. Вследствие этого материал можно хранить без каких-либо проблем, например на открытом воздухе, не распространяя неприятные запахи в окружающую среду. Механизм, который приводит к такому уменьшению запаха, не был достаточно изучен, но вместе с тем известно, что растения обмениваются с окружающей средой протонами и таким образом снижают величину рН окружающей среды. Это может внести вклад в общий антибактериальный эффект, благодаря которому происходит снижение производства неприятно пахнущих газов. Также считают, что в этом заключается причина того, почему сухой осадок, содержащий сфагновые растения, не перегревается или не возгорается; что представляет большую проблему во время использования других конструкционных материалов, таких как кора и древесная щепа.

Еще одним преимуществом является то, что осадок, содержащий растительный материал, иммобилизует воду в осадке, чем предотвращают ее просачивание в грунт. Таким образом, материал можно хранить в традиционных складских помещениях.

Более того, растения позволяют получить смешанный материал (сфагновые растения и осадок) со структурой, которая повышает испаряемость воды, так что растительный материал помогает обезвоживать или дегидратировать осадок очень эффективным способом. Распределяя материал по поверхности (например, на полу в складском помещении) и давая материалу высохнуть при комнатной температуре, можно удалить до 83% воды (рассчитано по снижению массы) за время хранения, равное 12 неделям.

Когда количество воды снижено, теплотворная способность повышается. Более того, структура и низкая удельная масса растительного материала также внесут позитивный вклад в повышение теплотворной способности. При этом этот эффект можно использовать при любом обезвоживании водосодержащего материала, и поэтому настоящее изобретение не ограничено обработкой различных форм осадка.

Растение является также материалом, укрепляющим структуру, что ускоряет разложение микробов во время компостирования и превращает богатый питательными веществами осадок в ценный грунт.

Проблема с традиционной “сушкой” осадка состоит в том, что материал осадка прилипает к поверхности сушильных элементов. Смешивание сфагновых растений с материалом осадка также предотвращает это, поскольку клейкие материалы будут при этом окружены структурой осадка. Авторы убедились, что сфагновые растения действительно “очищают” нагревательные поверхности во время процесса сушки в традиционных сушильных устройствах.

Как уже упоминалось, удельная масса этого специального растительного материала настолько мала, что он не приведет к существенному увеличению начальной массы отходов. В качестве примера 1 кубический метр растительного материала (33 кг) смешали с 1 тонной активного ила, содержащего 88% воды. В результате осадок с неприятным запахом быстро превратился в плотную, сыпучую массу с незначительным запахом и не просачивающуюся. Возрастание массы при включении растительного материала в этом случае составляет всего 3,3 %, и так как жидкость поглощена растительным материалом, объем возрос только на 50 %. При смешивании со сфагновыми растениями объем возрастает в начале, но постепенно уменьшается по мере испарения воды и в конце увеличение объема незначительно.

Следует упомянуть, что если в качестве материала для повышения структурных и теплотворных свойств использовать кору, то происходит намного большее увеличение массы, поскольку кора имеет удельную массу, которая в 7-8 раз выше, чем у сфагновых растений. Более того, авторы убедились в том, что если сфагновые растения разрушить, то эффект будет существенно ниже. Это подчеркивает, насколько важным является структурообразующее и абсорбирующее действие мха.

Все эти преимущества означают, что растительный материал можно смешивать с осадком на ранней стадии, поскольку это не приводит к существенному повышению массы, и таким образом можно получить пользу от всех вышеупомянутых преимуществ перед тем как осадок отправят на последующее уничтожение. Кроме того, перевод осадка из жидкой формы в твердую приведет к снижению затрат на хранение и транспортировку.

Ниже приведены некоторые проведенные эксперименты, в которых высушенные сфагновые растения используют в обработке осадка.

Пример 1

400 литров скверно пахнущего активного ила (собранного в Statoil Mongstad) (удельная масса 1167 грамм на литр), содержащего 12% сухого вещества, 2-5% нефти и воды, составлявшей остальную часть, добавили к 400 литрам высушенных сфагновых растений. После нескольких минут перемешивания при помощи лопаты осадок превратился в подобный торфу материал без неприятного запаха.

Оказалось, что объем нового материала несколько возрос (примерно на 50%) по сравнению с исходным объемом осадка, равным 400 литрам. Новый материал сразу же взвесили, и его удельная масса составила 750 грамм на литр. Материал лежит на улице под крышей в течение 12 недель (средняя температура примерно 12°С), и смесь уложена рядами (в форме вытянутой пирамиды) с высотой примерно 0,5 метров. Смесь переворачивают раз в неделю. После 8 недель удельная масса снижается до 217 грамм на литр (т.е. 29% от 750), при этом объем уменьшается примерно до 400 литров. Авторы признают, что за это время большая часть воды испарилась. Запах почти исчез, и помимо этого он изменился по сравнению с запахом, похожим на запах сточных вод, на какой-то другой, который напоминает нафталин. Получается, что теперь доминируют запахи углеводородов и мха.

В связи с экспериментом также проверили количественное соотношение (объем: объем) между осадком и сфагновыми растениями, равное 1:2, но возрастание доли растений не привело к улучшенному эффекту. Поэтому в дальнейшем можно снижать количество растительного материала и все равно получать удовлетворительный эффект. Авторы продолжают проводить эксперименты по выяснению этого.

Пример 2

Гомогенную свежую смесь из 10 литров высушенных сфагновых растений и 10 литров осадка (такого же типа, как описано выше) загружают в бетономешалку. При вращении барабана смесь становится рыхлой и воздушной. Осадок не прилипает к барабану и к лопаткам, и при этом не образуются “комочки”. Смесь оценивают как оптимальную для сушки в барабане, а сфагновый мох оценивают как идеальный структурообразующий агент во время сушки осадка в сушильных устройствах.

Пример 3

Проводили проверку сушки в сушильном устройстве с тем же объемом сфагновых растений и активного ила. Осадок имел удельную массу, равную 1167 грамм/литр. К одному литру осадка добавили 33 грамма (1 литр) сфагновых растений. Осадок содержит 140 граммов сухого вещества, 23-58 граммов нефти и 969-1004 грамма воды.

25 литров влажной смеси осадка, содержащей сфагновые растения, сушили в традиционной сушилке для осадка (сушилка вращающегося типа) при средней температуре, равной 120 градусов Цельсия. Максимальная температура во время процесса сушки составила 225 градусов Цельсия. Сушка показывает, что смесь осадка также хорошо подходит для сушки в сушилке вращающегося тапа. И это несмотря на то, что смесь содержала нефтепродукты, которые обычно приводят к серьезным проблемам с осаждением в сушильных устройствах, подобных этому.

Загрязнение или налипание на нагревательные поверхности не наблюдалось. Материал не образовал слипшуюся массу. После процесса сушки материал имел консистенцию мелкого порошка и напоминал порошок черного пороха. Затем осадок сушили до степени сушки, равной 98%, при этом плотность материала составила примерно 1000 кг/м³.

Таким образом, снижение массы смеси осадка составило 958-993 грамма, если предположить, что была выпарена только вода. Это приводит к снижению массы на 80-83% по сравнению со смесью осадка (1200 грамм).

Общее снижение массы по сравнению с начальной массой активного ила составляет 925-960 граммов, если учитывать добавленные сфагновые растения (33 грамма). Это дает снижение массы на 79-82% по отношению к начальной массе (1167 граммов).

Процесс сушки показывает, что, смешивая сфагновые растения с нефтесодержащим осадком, массу можно уменьшить до 1/5 от исходной массы, а прилипаемость осадка к нагревательным поверхностям значительно снижается или даже полностью устраняется. Раньше существовала проблема, связанная с тем, что нефтяные соединения нефтесодержащего осадка горели на нагревательных поверхностях. Этого избегают путем смешивания высушенных сфагновых растений с осадком.

Пример 4

Цель этого эксперимента подтвердить документально, что разные конструкционные материалы имеют различную способность отверждать осадок и предотвращать просачивание в окружающую среду.

Использовали образец осадка, собранный со дна пруда с илистым дном. Осадок содержал много воды и его можно было охарактеризовать как наполовину жидкое, наполовину твердое вещество. Из него стекали капли.

Три образца, каждый весом 160 граммов, смешивали с 3 различными конструкционными материалами, а именно сфагновыми растениями, торфом и корой. Примешивали по 20 граммов каждого из них, чтобы соотношение между конструкционным материалом и осадком, рассчитанное по массе, составляло примерно 1:8.

Образцы поместили в отдельные пластиковые мешки. Количество жидкости, которое вытесняли различные образцы, протестировали в литровом измерительном сосуде. В начальной стадии вода с образцом составляла почти 1 литр, а после того как образцы вынули из литрового измерительного сосуда, взвесили оставшуюся воду.

Три образца очень отличались по консистенции. Образец, к которому добавили сфагновые растения, имел консистенцию, которую можно сравнить с частично высушенной травой. Образец, к которому добавили торф, напоминал влажный пудинг, а образец, к которому добавили кору, напоминал блестящее влажное тесто.

Образец со сфагновыми растениями составлял объем, равный 0,444 л, в то время как образец с торфом и образец с корой составили объемы, равные 0,255 л и 0,196 л, соответственно.

Из этого можно сделать вывод о том, что сфагновые растения сушат, связывают и отверждают осадок существенно лучше, чем торф и кора. Визуальное наблюдение подкреплено измерениями объема. Из-за того, что плотность высушенных сфагновых растений существенно более низкая, чем у коры и торфа, будет получен существенно более конструкционный материал, поскольку именно объем является существенным фактором.

Пример 5

27 тонн активного ила из Statoil-Mongstad (подробности осадка приведены в примере 1) сушили в сушилке Atlas-Stord Rotadisc Drier TST-2-3. Осадок и мох (0,5-1,5 объемных процента) смешали перед сушкой в устройстве.

Результат: 5,5 тонн сухого осадка с консистенцией порошка, напоминающей черный порох, 4% воды.

Вывод: Сфагновые растения являются идеальным конструкционным материалом для сушки нефтесодержащего осадка. Этот материал также очищает нагревательные поверхности во время процесса сушки, абсорбируя жидкости, такие как нефть и вода.

Этот осадок считают проблемным и до настоящего времени никто, ни норвежские, ни иностранные операторы не могли сушить осадок, подобный этому, в сушильных устройствах.

Пример 6

Atlas-Styord Rotadisc Drier TST-2-3 заполнили (полностью) сухим сфагновым торфом. После этого добавили активный ил из Statoil-Mongstad.

Результат: Сушилка наполнилась комками, которые невозможно было высушить. Процесс сушки был остановлен, а устройство пришлось опорожнять вручную. (Большие количества торфа абсорбировали нефть, так что она не выгорала на поверхности.)

Вывод: Сфагновый торф может (до некоторой степени) абсорбировать нефть, но не позволяет получить достаточную структуру для процесса сушки. Сфагновый мох лучше сфагнового торфа для подобных процессов сушки.

Формула изобретения

1. Способ обезвоживания водосодержащего осадка, отличающийся тем, что указанный водосодержащий осадок смешивают с материалом, включающим высушенные сфагновые растения, собранные с верхнего слоя болота, то есть той части, которая содержит живой растительный материал, а затем смешанный материал подвергают обработке сушкой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная обработка сушкой заключается в том, что смешанный материал сушат при температуре окружающей среды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный способ сушки осуществляют в сушильном устройстве, например, в традиционной сушилке для сушки осадка или древесной щепы, в котором используют такое нагревающее средство как масло, пар, вода или электричество.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный осадок выбирают из группы, включающей активный ил, осадок, образующийся в технологических процессах, осадок сточных вод, речной ил и нефтесодержащий осадок.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение между водосодержащим материалом и растительным материалом имеет порядок от 1:0,1 до 0,1:1, предпочтительно 1:1, в пересчете на объем, или имеет порядок от 100:1 до 100:10, предпочтительно 100:3, в пересчете на массу.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал сушат до тех пор, пока он не достигнет консистенции твердого вещества.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что обезвоженный осадок дополнительно обрабатывают компостированием.

8. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что обезвоженный осадок дополнительно обрабатывают сжиганием.