Lietteen vedenpoisto: menetelmät, tekniikat ja järjestelmät jäteveden käsittelyyn

Mitä vedenpoisto on – ja miksi sillä on merkitystä lietteen hallinnassa

Vedenpoisto on veden mekaaninen tai fyysinen poistaminen kiinteä-nesteseoksesta sen tilavuuden pienentämiseksi ja kiintoainepitoisuuden lisäämiseksi. Jäteveden käsittelyssä vedenpoistolla tarkoitetaan erityisesti prosessia, jossa vesi erotetaan lietteestä – primaarisen, sekundaarisen ja tertiäärisen käsittelyn aikana syntyvästä puolikiinteästä sivutuotteesta – käsiteltävän, kuljetettavan kakun valmistamiseksi, joka soveltuu hävitettäväksi, levitettäväksi maahan tai jatkokäsittelyyn.

Vedenpoiston taloudellinen ja toiminnallinen peruste on yksinkertainen. Raaka jätevesiliete sisältää tyypillisesti 95-99 painoprosenttia vettä . Kosteuspitoisuuden alentaminen 97 %:sta 75 %:iin mekaanisella vedenpoistolla pienentää lietteen määrää noin 88 %, mikä vähentää dramaattisesti kuljetuskustannuksia, kaatopaikalle kaatomaksuja ja energiankulutusta loppupään lämpökäsittelyssä. Keskikokoisessa kunnallisessa jätevedenpuhdistamossa, joka käsittelee 50 000 m³/vrk, tämä volyymin vähennys voi tarkoittaa useiden satojen tuhansien dollarien säästöjä vuosittain pelkästään lietteen hävittämiskustannuksissa.

Tilavuuden vähentämisen lisäksi vedenpoisto myös stabiloi lietteen käsittelyä varten – hyvin kuivattu kakku, jonka kiintoainepitoisuus on 20–25 %, voidaan kuljettaa hihnalla tai ruuvilla ilman pumppausta, pinota väliaikaista varastointia varten ja lastata kuorma-autoihin ilman erikoislaitteita.

Lietteen sakeutus vs. vedenpoisto: eron ymmärtäminen

Lietteen sakeutus ja vedenpoisto ovat peräkkäisiä, mutta erillisiä toimintoja täydellisessä lietteenkäsittelysarjassa. Näiden kahden sekoittaminen johtaa laitteiden virheelliseen valintaan ja prosessien tehottomuuteen.

Paksuminen on painovoima- tai pienen leikkausvoiman mekaaninen prosessi, joka tiivistää laimean lietteen 0,5–2 % TS:stä noin 3–8 % TS:iin. Se ei ole viimeinen vedenpoistovaihe – sakeutunut liete pysyy pumpattavana ja virtaavana. Ensisijaisena tarkoituksena on vähentää keittimiin tai vedenpoistolaitteisiin syötettävää määrää, mikä alentaa niiden mitoitus- ja käyttökustannuksia. Yleisiä sakeutustekniikoita ovat painovoiman sakeuttajat, liuotettu ilmavaahdotus (DAF) sakeuttajat, pyörivät rumpupaksuttimet ja painovoimahihnapaksuttimet.

Vedenpoisto seuraa sakeutumista ja käyttää mekaanista painetta, tyhjiötä tai keskipakovoimaa työntämään lietteen kiintoainepitoisuutta 3–8 % TS:stä 15–35 % TS:iin, jolloin syntyy puolikiinteä kakku. Tällä kiintoainepitoisuudella materiaali siirtyy pumpattavasta nesteestä kiinteään aineeseen, jota voidaan kuljettaa, pinota ja kuljettaa tavanomaisin keinoin.

Yhdistetty lietteen sakeutus- ja vedenpoistojärjestys on nykyaikaisen biokiinteiden aineiden hallinnan selkäranka. Sakeuttamisen väliin jättäminen ja laimean lietteen syöttäminen suoraan vedenpoistolaitteistoon johtaa ylimitoitettuihin, ylikuormitettuihin koneisiin, joilla on huono kakun kuivuus ja suuri polymeerin kulutus.

Lietteen vedenpoistotekniikat: vertaileva yleiskatsaus

Useita lietteen vedenpoistotekniikoita on kaupallisessa käytössä. Jokainen toimii eri fysikaalisilla periaatteilla ja tarjoaa erilaisen kakun kuivuuden, polymeerin tarpeen, jalanjäljen ja energiankulutuksen. Valinta riippuu lietteen tyypistä, laitoksen koosta, loppusijoitusreitistä ja pääoman ja käyttökustannusten prioriteeteista.

Hihnasuodatinpuristin

Hihnasuodatinpuristin (BFP) on yksi laajimmin asennetuista vedenpoistotekniikoista maailmanlaajuisesti, erityisesti kunnallisissa jätevesisovelluksissa. Käsitelty liete syötetään kahden jatkuvasti liikkuvan huokoisen hihnan väliin, jotka ensin valuvat painovoiman vaikutuksesta ja sitten puristavat lietteen telojen läpi asteittain kasvavalla paineella. Kakun kuiva-ainepitoisuus vaihtelee tyypillisesti 18-25 % TS yhdyskuntalietteelle. BFP:llä on alhainen energiankulutus (1–2 kWh/tonni kuiva-ainetta), mutta ne vaativat paljon pesuvettä (3–10 m³/tunti hihnan leveysmetriä kohti) ja ne ovat herkkiä syöttölietteen vaihtelulle.

Sentrifugi dekantteri

Dekantterisentrifugit käyttävät keskipakovoimaa (tyypillisesti 1 500–4 000 × g) lietteen kiinteän aineen erottamiseen nestefaasista suurella nopeudella. He toimittavat 20-30 % TS kakun kuivuus mädätetylle yhdyskuntalietteelle ja soveltuvat hyvin jatkuvaan suureen volyymiin. Sentrifugit ovat kompakteja, täysin suljettuja (tärkeää hajuntorjuntaan) ja suurelta osin automatisoituja – mutta niiden energiankulutus on huomattavasti korkeampi kuin BFP:n, tyypillisesti 15-30 kWh/tonni kuiva-ainetta, ja niiden ylläpitokustannukset ovat korkeammat hankaavien lietteiden kulumisen vuoksi.

Ruuvipuristin

Ruuvipuristin syöttää lietettä lieriömäiseen seulaan ja vie sitä eteenpäin pyörivällä ruuvilla, jonka nousu on asteittain pienenevä, puristaen vapaata vettä seulan läpi, kun kakku poistuu ulostulossa. Nykyaikaiset monilevyiset ruuvipuristimet ovat kasvattaneet markkinaosuuttaan nopeasti niiden ansiosta erittäin alhainen energiankulutus (2–5 kWh/tonni DS), vähäinen käyttäjän huomio, vähäinen pesuveden tarve ja soveltuvuus pienille ja keskikokoisille kasveille. Kakun kuivuus on tyypillisesti 15–22 % TS – alempi kuin sentrifugeissa – mutta sovelluksissa, joissa hävityskustannussäästöt oikeuttavat hieman kosteamman kakun, käyttökustannusetu on vakuuttava.

Suodatinpuristin (levy ja kehys)

Korkeapaineiset levy- ja runkosuodatinpuristimet tuottavat kaikista mekaanisista vedenpoistotekniikoista kuivimman kakun – tyypillisesti 35–45 % TS — tehdä niistä ensisijainen valinta, kun liete on tarkoitettu poltettavaksi, rinnakkaispolttoon tai missä kaatopaikkakustannukset ovat erittäin korkeat. Eräkäyttö, suuri jalanjälki ja korkeat pääomakustannukset rajoittavat niiden käytön teollisuuslietteisiin, kalkkikäsitellyyn yhdyskuntalietteeseen ja sovelluksiin, joissa erittäin korkea kuivuus on kova vaatimus. Kalvosuodatinpuristimet, jotka täyttävät joustavat kalvot täytön jälkeen, voivat nostaa kakun kuivuuden yli 50 % TS:stä joissakin teollisuuslietesovelluksissa.

Pyörivä tyhjiösuodatin

Aiemmin hallitseva tekniikka puhdistamolietteen vedenpoistossa, pyörivät tyhjiösuodattimet ovat suurelta osin syrjäyttäneet hihnapuristimet ja sentrifugit uusissa asennuksissa niiden suhteellisen huonon kuivuuden (12–18 % TS), korkeiden energia- ja huoltovaatimusten sekä avoimen suunnittelun vuoksi. Ne pysyvät käytössä vanhemmissa kunnallisissa laitoksissa ja joissakin teollisissa sovelluksissa, joissa niiden lempeä, jatkuva toiminta sopii herkälle tai kuituiselle lietetyypille.

DAF-lietteen vedenpoisto: vaahdotusyksikön sivutuotteiden käsittely

Liuotettua ilmavaahdotusyksikköä (DAF) käytetään laajalti sekä teollisuuden että kunnallisissa jätevesien käsittelyssä suspendoituneiden kiintoaineiden, rasvojen, öljyjen ja rasvojen poistamiseen kiinnittämällä hiukkasiin mikroskooppisia ilmakuplia ja kelluttamalla ne pinnalle kuorittuina kellukkeena. Tuloksena oleva DAF-liete asettaa ainutlaatuisia vedenpoistohaasteita, jotka eroavat merkittävästi laskeutuneesta primääri- tai sekundäärilieteestä.

DAF float saapuu tyypillisesti vedenpoistovaiheeseen klo 1-5 % TS — verrattavissa sakeutettuun biologiseen lietteeseen — mutta sen fyysinen luonne on olennaisesti erilainen. Elintarvikkeiden jalostus-, renderointi- tai paperitehtaiden DAF-liete on usein erittäin puristuvaa, hyytelömäistä ja runsaasti rasvoja ja proteiineja, jotka vastustavat valumista. Normaali polymeerikäsittely, joka toimii hyvin aktiivilietteen kanssa, voi toimia huonosti DAF-kelluksessa; Usein vaaditaan kaksoispolymeeriohjelmia, joissa yhdistetään kationisia ja anionisia polymeerejä, tai koagulanttien, kuten rautakloridin tai alumiinisulfaatin, lisääminen ennen polymeerin käsittelyä.

DAF-lietteen vedenpoistoon dekantterisentrifugit ja hihnasuodatinpuristimet ovat yleisimmin käytettyjä teknologioita. Sentrifugit käsittelevät korkean rasvapitoisuuden luotettavammin – rasvan kerääntyminen hihnapuristinkankaille on krooninen toimintaongelma elintarviketeollisuuden DAF-sovelluksissa. Ruuvipuristimet ovat myös osoittaneet hyviä tuloksia kunnallisista laitoksista peräisin olevissa DAF-uimureissa, joissa lipidipitoisuus on pienempi. Kakun kuivuus 12-20 % TS on tyypillistä elintarviketeollisuuden DAF-lieteelle, olennaisesti alhaisempi kuin biologinen liete, johtuen kiintoaineiden puristuvasta ja hydrofiilisestä luonteesta.

Teollisissa ympäristöissä, joissa DAF:ia käytetään maalijätevesien käsittelyyn, muodostuva maaliliete aiheuttaa lisäongelmia. Maalin kiinteät aineet – erityisesti hartseja ja pigmenttejä sisältävistä vesiohenteisista pohjamaaleista – muodostavat tahmean, tarttuvan kakun, joka voi sokeuttaa suodatinmateriaalit ja likaa sentrifugimaljat nopeasti. Erikoistuneet vedenpoistomaalilietejärjestelmät käyttävät usein suodatinpuristimia, joissa on synteettiset suodatinkankaat, jotka on luokiteltu liuotinpuhdistussykleihin, tai tarkoitukseen suunniteltuja lietteenkuivaajia, jotka yhdistävät mekaanisen vedenpoiston lämpökuivaukseen yhdessä yksikössä 80–90 % TS:n saavuttamiseksi vaarattomaksi kiinteäksi jätteeksi.

Lietteen vedenpoistojärjestelmät teollisissa sovelluksissa

Kunnallisen jätevedenkäsittelyn lisäksi lietteen vedenpoistojärjestelmät ovat keskeisiä lukuisissa teollisissa prosessitoiminnoissa. Termi "liete" kuvaa tyypillisesti seosta, jossa on korkeampi ja tasaisempi kiintoainepitoisuus kuin jätevesiliete – usein 10–40 painoprosenttia kiintoaineita – ja se voi sisältää epäorgaanisia hiukkasia (mineraaleja, keramiikkaa, metalleja) biologisen materiaalin sijaan.

Tärkeimmät teolliset lietteen vedenpoistosovellukset ovat:

• Kaivostoiminta ja mineraalien käsittely — rikastushiekan vedenpoisto sakeutusaineilla, suodatinpuristimilla tai tyhjiöhihnasuodattimilla; prosessiveden talteenotto kierrätystä varten vesipula-alueilla on ensisijainen tekijä
• Rakentaminen ja tunnelointi – tunnelointitoiminnasta peräisin oleva bentoniittiliete ja porausliete vaativat nopean vedenpoiston työmaalla liikkuvilla suodatinpuristin- tai sentrifugijärjestelmillä, ennen kuin talteen otettu vesi voidaan tyhjentää tai käyttää uudelleen
• Keramiikan ja lasin valmistus — märkähionta- ja kiillotusoperaatioiden hienojakoisista hiukkaslietteistä poistetaan vesi tyhjiölevysuodattimilla tai painesuodattimilla arvokkaan materiaalin talteenottamiseksi ja jäteveden poistomäärän vähentämiseksi
• Sähköntuotanto — lentotuhka ja pohjatuhkalietteet poistetaan hiilen poltosta tyhjiöhihnasuodattimilla tai suodatinpuristimilla osana ympäristömääräysten edellyttämää kuivan tai puolikuivan tuhkan käsittelyjärjestelmää
• Ruoan ja juoman jalostus — hedelmien puristejäännöksestä, jyvän jäännöksestä ja tärkkelyslietteestä poistetaan vesi ennen kuivaamista tai rehujen käsittelyä, ja ruuvipuristimet ja dekantterisentrifugit ovat hallitsevia laitteita.

Teollisen lietteen vedenpoistojärjestelmän suunnittelussa on otettava huomioon hankaus (joka sanelee kulutusta kestäviä materiaaleja sentrifugeissa ja pumpuissa), hiukkaskokojakautuma (pienet hiukkaset, joiden koko on alle 5 µm, estävät valumisen ja saattavat tarvita suodatusapuaineita) sekä lietteen ja vedenpoistolaitteiston kostuvien pintojen välinen kemiallinen yhteensopivuus.

Polymeerikäsittely: muuttuja, joka ohjaa vedenpoistoa

Käytännössä kaikissa lietteen vedenpoistomenetelmissä polymeerikäsittely on alkuvaiheessa, joka määrittää, toimiiko mekaaninen vedenpoistolaitteisto suunnittelualueellaan vai yrittääkö tuottaa hyväksyttävää kakun kuivuutta. Oikean ilmastoinnin saaminen vaikuttaa usein enemmän kuin laitteiden valinta.

Polyelektrolyytit – yleisimmin kationiset polyakryyliamidit – toimivat neutraloimalla lietehiukkasten negatiivisen pintavarauksen ja yhdistämällä hiukkaset suuremmiksi, vettä vapauttaviksi hiukkasiksi. Tärkeimmät parametrit missä tahansa optimoinnissa lietteen vedenpoistojärjestelmä ovat:

• Polymeeriannos — tyypillisesti 3–10 kg aktiivista polymeeriä kuiva-ainetonnia kohden kunnallisen sekundaarilietteen osalta; yliannostus hukkaa kemikaalikustannuksia ja voi kääntää latauksen, mikä heikentää suorituskykyä
• Laimennus ja jälkikäsittely — emulsiopolymeerit on laimennettava 0,1–0,5 % liuokseen ennen injektiota; riittämätön laimennus johtaa aktivoimattomaan polymeeriin, joka kulkee vedenpoistovaiheen läpi ilman lietteen käsittelyä
• Energian ja kontaktiajan sekoittuminen — tarvitaan riittävästi leikkausvoimaa polymeerin levittämiseksi kaikkialle lietteeseen, mutta liiallinen leikkaus hiutaleiden muodostumisen jälkeen rikkoo hiutaleet eikä sitä voida kääntää; inline-staattiset sekoittimet tai pienen leikkausvoiman dynaamiset sekoittimet ovat parempia kuin nopeat juoksupyörät
• Lietteen vaihtelu — muutokset syöttölietteen koostumuksessa (esim. myrskytapahtuman jälkeen, joka laimentaa primäärilietettä, tai biologisen käsittelyn muutosten jälkeen) muuttavat optimaalista polymeerityyppiä ja -annosta; automatisoidut polymeerin annostelujärjestelmät sameuden tai kapillaariimuajan (CST) palauteohjauksella parantavat merkittävästi konsistenssia

Kunnallisten laitosten jätevesilietteen vedenpoistossa polymeerikustannukset ovat tyypillisesti 30–50 % vedenpoiston kokonaiskäyttökustannuksista. 10 %:n vähennys polymeerin ominaiskulutuksessa paremman ilmastoinnin optimoinnin ansiosta on usein saavutettavissa, ja se tuottaa merkittäviä budjettisäästöjä ilman pääomasijoituksia.