Prof. dr hab. inż. Andrzej K. Biń Warszawa, ul. Sozopolska 1/ Warszawa O C E N A

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Andrzej K. Biń Warszawa, ul. Sozopolska 1/ Warszawa O C E N A rozprawy doktorskiej mgr inż. Roberta MUSZAŃSKIEGO pt.: Zastosowanie wielostopniowych kolumn kontaktowych z recyclingiem ozonu w produkcji i dystrybucji wody 1. Cel i zakres pracy Rozprawa doktorska mgr inż. Roberta Muszańskiego jest interesującym przykładem opisu działalności o charakterze gospodarczym, której celem było opracowanie i wdrożenie do praktyki przemysłowej innowacyjnych rozwiązań z zakresu ozonowych technologii uzdatniania wody do picia. Jakkolwiek technologie uzdatniania wody z użyciem ozonu były stosowane z różnym powodzeniem od kilkudziesięciu lat, stale podlegały zmianom i usprawnieniom koniecznym ze względu na rosnący poziom i różnorodność zanieczyszczeń obecnych w wodach surowych oraz systematyczne zaostrzanie norm sanitarnych dla wody do picia. Ozon okazał się bardzo efektywnym środkiem dezynfekcyjnym oraz utleniaczem, a więc cechom pożądanym w warunkach zmieniającej się matrycy wód surowych. Postępy w zakresie wytwarzania ozonu oraz jego wprowadzania do fazy ciekłej przyczyniły się do opracowywania coraz to nowych bardziej efektywnych kosztowo rozwiązań technologicznych oraz spełniających wspomniane wymagania. Rozprawa doktorska mgr inż. R. Muszańskiego mieści się w nurcie aktywności badawczej oraz wdrożeniowej w zakresie tej tematyki. Nowe rozwiązania technologiczne zaproponowane przez zespół kierowany przez Autora rozprawy stanowiły główne cele wdrożeniowe i można je określić następująco: opracowanie systemu złożonego z aeratorów do wstępnego napowietrzania wody surowej współpracujących z kolumnami kontaktowymi, w których przebiega pośrednie ozonowanie; wykorzystywany jest przy tym ozon odprowadzany w gazach z kolumny odgazowującej i poddawany recyrkulacji po zmieszaniu z czystym powietrzem, w wyniku czego wytwarzane jest tzw. zjonizowane powietrze, opracowanie systemów ozonowania pośredniego uzdatnianej wody wyposażonych w wielostopniowe kolumny kontaktowe,

2 opracowanie mobilnego systemu ozonowania wody surowej. 2. Ocena rozprawy W rozdziale 3 Autor w zwięzły sposób dokonał przeglądu stosowanych obecnie technologii uzdatniania wody z użyciem ozonu zwracając uwagę na konstrukcje urządzeń do realizacji kontaktu uzdatnianej wody z ozonem (komory kontaktowe, kolumny, dyfuzory itd.) oferowane przez czołowe światowe firmy specjalizujące się w tego typu problematyce oraz skomentował zalety i wady tych rozwiązań. Wspomniany przegląd obejmuje również przykłady kompleksowych technologii uzdatniania wody wyróżniających się elastycznością działania w przypadku wód surowych o różnej (zmiennej) jakości. Obejmują one zastosowanie sekwencji różnych procesów fizycznych i chemicznych. Zwrócił przy tym uwagę na problemy związane z czasem kontaktu uzdatnianej wody z ozonem oraz dynamiką mieszania w komorach kontaktowych istotne zwłaszcza w przypadku dużych instalacji (komór kontaktowych) o skali technicznej, które wywierają decydujący wpływ na efektywność procesu dezynfekcji produkowanej wody. W oparciu o analizę materiału literaturowego (p. 3.4) Autor rozprawy sformułował wnioski dotyczące procesu ozonowania wstępnego oraz pośredniego. Analiza ta doprowadziła Go do następującego wniosku: technologie uzdatniania wody metodą ozonowania są technologiami nowymi, nieoptymalnymi, tak pod względem kosztowym jak i technologicznym. Istnieje potrzeba ich udoskonalenia przez wprowadzenie nowych rozwiązań aparaturowych i procesowych, które kontrolowałyby pracę ozonowania pośredniego. Ta deklaracja stanowiła podstawę opracowania własnych rozwiązań technologicznych, które sprostałyby nowym wyzwaniom. Jak się wydaje, na szczególne podkreślenie zasługują dwa ostatnie z nich wymienione w rozprawie: dostępność technologii dla małych i średnich miast, szersze wykorzystanie technologii w różnych dziedzinach gospodarki wodnościekowej. W rozdziale 4 przedstawiony został opis opracowanych przez zespół kierowany przez Autora rozprawy nowych rozwiązań urządzeń technologicznych wykorzystujących ozon w uzdatnianiu wody surowej, które cechuje wysoka skuteczność eliminacji zagrożeń wywołanych obecnością mikroorganizmów chorobotwórczych oraz mniejsze ryzyka powstawania związków kancerogennych przy zmiennych przepływach wody surowej oraz jej matrycy. Rozwiązanie technologiczne przyjęte ostatecznie przez ten zespół jest podobne do najczęściej obecnie stosowanych (rys. 19 w rozprawie), ale zawiera istotną modyfikację

3 polegającą na wykorzystaniu ozonu pozostałego z procesu ozonowania pośredniego do wytwarzania tzw. powietrza zjonizowanego powstałego w wyniku mieszania filtrowanego powietrza z ozonem desorbującym z wielostopniowych kolumn kontaktowych i wprowadzaniu go do aeratorów napowietrzających wodę surową. To rozwiązanie pozwala na osiąganie większej efektywności utleniania (degradacji) zanieczyszczeń na etapie wstępnego utleniania, dzięki czemu maleje zapotrzebowanie na energię i tym samym na wielkość ozonatorów produkujących ozon dla potrzeb ozonowania pośredniego. Pomysł wykorzystania ozonu, który nie został zużyty w procesie ozonowania pośredniego i mógł być zawracany do układu (tzn. w postaci recyklingu), nie jest nowy, ale znalazł dotąd ograniczone praktyczne zastosowanie w przypadku dużych instalacji do ozonowania wody lub ścieków, w których stosuje się wytwarzanie ozonu z czystego tlenu. W takich przypadkach gazy odlotowe z procesu ozonowania zawierające tlen i ozon są osuszane, sprężane i kierowane do ozonatora lub do komory napowietrzania. Resztki nieprzereagowanego ozonu w tych gazach ulegają rozkładowi na tlen, w związku w czym recyrkulowany strumień gazów odlotowych zawiera praktycznie tylko tlen [1 8]. Kolejną nowatorską modyfikacją jest konstrukcja zespołu segmentowych pionowych kolumn kontaktowych do ozonowania lub odgazowania, co zapewnia ich użytkowanie dla różnych przepływów uzdatnianej wody oraz znaczną elastyczność w zapewnieniu niezbędnego czasu kontaktu ozonu z wodą a tym samym uzyskiwania wysokiej skuteczności usuwania zanieczyszczeń obecnych w wodzie surowej. Takie rozwiązanie jest realizacją wielostopniowego kompaktowego układu kolumn kontaktowych umożliwiającą lepszą kontrolę procesów ozonowania. Rozdział 5 rozprawy przedstawia obszerną relację z wieloletnich badań wstępnych i rozwojowych pomysłu wykorzystania ozonu z recyklingu oraz nad konstrukcją wielostopniowych kolumn kontaktowych. Badania te prowadzone były etapami w skali pilotowej a następnie półtechnicznej w różnych Stacjach Uzdatniania Wody (SUW), w wyniku których sprawdzano skuteczność koncepcji stosowania recyklingu ozonu zawartego w gazach odprowadzanych z kolumn kontaktowych i potwierdzono oczekiwany spadek dawek ozonu w procesie ozonowania pośredniego. Równolegle z badaniami nad efektywnością procesu ozonowania prowadzono doświadczenia nad wprowadzeniem wielomodułowych ozonatorów hybrydowych, co zaowocowało istotnym obniżeniem zużycia energii elektrycznej na wytwarzanie ozonu. Z uwagi na różnorodność matrycy wody surowej oraz jej zmienność w skali roku projektowanie instalacji do ozonowania wody powinno być poprzedzone przeprowadzeniem

4 badań rozpoznawczych w skali laboratoryjnej oraz pilotowej. Szczególnie przydatne są stacje pilotowe (nierzadko mobilne) wyposażone w odpowiednią gamę zminiaturyzowanych urządzeń do realizacji poszczególnych etapów oczyszczania wody surowej. Stacje pilotowe pozwalają na przetestowanie różnych wariantów technologii uzdatniania wody i w oparciu o uzyskane wyniki badań na dobór najlepszej sekwencji metod oczyszczania oraz parametrów procesowych takich jak dawki ozonu, czas kontaktu ozonu z wodą i stężenie resztkowego ozonu w wodzie uzdatnionej. Obszerny rozdział 6 rozprawy został poświęcony opisowi badań wykorzystujących stację pilotową zaprojektowaną i wykonaną przez zespół pod kierunkiem Autora rozprawy. Na jej konstrukcję składają się następujące ważniejsze elementy: aerator/desorber, filtry żwirowopiaskowe, pionowe dwusegmentowe kolumny kontaktowe, filtr węglowy, lampa UV, wytwornica tlenu, ozonator z płyną regulacją mocy, inżektorowy układ dozowania i mieszania ozonu z wodą, automatyka. Stacja ta była dostosowana do pracy przy zmiennych strumieniach objętości w zakresie od 0,5 do 2 m 3 /h. W rozprawie zaprezentowano efekty pracy stacji pilotowej podczas oczyszczania wód podziemnych zawierających jony arsenu, trichloroetanu, tetracholroetanu, jonów manganu, żelaza oraz bromki, a więc zanieczyszczeń trudnych do eliminacji. W tych doświadczeniach głównymi parametrami sterującymi jest resztkowe stężenie ozonu w wodzie odprowadzanej z układu oraz czas kontaktu ozonu z uzdatnianą wodą. Jest to szczególnie w przypadku uzdatniania wód zawierających bromki, bowiem podczas ich ozonowania należy ograniczać powstawanie bromianów i bromopochodnych organicznych. Określono warunki, w których możliwe jest uzyskanie końcowych stężeń szkodliwych związków obecnych w wodach surowych do poziomu spełniającego wymagania norm sanitarnych dla wyżej wymienionych zanieczyszczeń przy użyciu proponowanej technologii uzdatniania z użyciem ozonu. Należy dodać, iż 6-ciodniowe testy efektywności opisanej technologii były przeprowadzane dla wód pobieranych w różnych miejscach (m.in. w SUW Piaskownia i SUW Łabędy-Gliwice). W oparciu o wyniki pomiarów testowych przeprowadzonych na stacjach pilotowych zaprojektowano i wdrożono instalacje o skali przemysłowej (o wydajności 800 m 3 /h). Opis doświadczeń nad skutecznością dezynfekcji połączonej z utlenianiem zanieczyszczeń zawartych w wodach powierzchniowych oraz podziemnych prowadzonych w instalacji o skali technicznej zaprojektowanej i zbudowanej w oparciu o opisaną wcześniej własną koncepcję przedstawiony jest w rozdziale 7. Jednym z celów uzdatniania tych wód było ich wykorzystanie do celów gospodarczych dla ludności, co narzucało konieczność spełniania odpowiednich w tym zakresie rozporządzeń Ministra Zdrowia. Dezynfekcję wody poprzedzoną

5 filtracją w filtrach żwirowo-piaskowych oraz w filtrze węglowym prowadzono przez wstępnie w aeratorach ze zjonizowanym powietrzem oraz lampy UVC (moc 75W, min. dawka 400 J/m 2 ). Równolegle z dezynfekcją prowadzony był proces utleniania przy użyciu ozonu w kolumnach kontaktowych. Dawki ozonu podczas ozonowania pośredniego wynosiły maks. 5 g O3/(m 3 h). Ograniczenie tych dawek wiązało się z kontrolą powstawania ubocznych kancerogennych produktów dezynfekcji wody ozonem. Efektywność procesu dezynfekcji określano na podstawie oznaczenia ogólnej liczby bakterii oraz bakterii z grupy Coli i Clostridium. Efektem badań prowadzonych przez pół roku pracy instalacji było ustalenie, iż utrzymując stężenie ozonu resztkowego w uzdatnianej wodzie na poziomie 0,45 g O3/m 3 można uzyskać wymaganą jakość wody a tym samym potwierdzono koncepcję projektową instalacji, w której stosuje się recykling ozonu z etapu ozonowania pośredniego. Instalację cechuje duża elastyczność i możliwość dostosowania jej pracy w różnych okresach w ciągu roku, gdy matryca wody surowej znacznie się zmienia (np. wiosenne roztopy), lub gdy występuje awaryjna sytuacja wzrostu podczas poboru wody surowej. Równie pozytywne wyniki w przypadku jakości (składu) wody uzdatnionej uzyskano dla procesu utleniania zanieczyszczeń obecnych w wodzie surowej, przy czym recykling nieprzereagowanego ozonu zawartego w gazach odlotowych z kolumn kontaktowych umożliwił znaczne obniżenie dawki ozonu (do 0,3 g O3/m 3 ) przy utrzymywaniu stałego czasu kontaktu wody z ozonem w kolumnach kontaktowych i stężeniu resztkowego ozonu 0,15 g O3/m 3. W podsumowaniu do tego rozdziału Autor rozprawy stwierdził, iż proponowany układ technologiczny o skali technicznej jest efektywnym rozwiązaniem do oczyszczania wód podziemnych i powierzchniowych i potwierdził słuszność koncepcji wykorzystania ozonu recyrkulowanego w strumieniu gazów odprowadzanych z wielostopniowych kolumn kontaktowych, w których przebiega proces ozonowania pośredniego. Opracowane instalacje są w pełni zautomatyzowane i pracują bezobsługowo. Proponowane rozwiązania cechuje zmniejszenie energochłonności procesów, zwiększenie bezpieczeństwa stosowanych urządzeń oraz prostota obsługi i sterowania. Końcowy rozdział 8 jest poświęcony opisowi prac badawczych przeprowadzonych dla konstrukcji mobilnego urządzenia do dezynfekcji przewodów wodociągowych i usuwania skażeń instalacji wodnych opartego na wykorzystaniu technologii ozonowej. Efektem tych prac było urządzenie SPID, w którym wytwarzana jest woda o wysokim stężeniu ozonu. Jest ona wykorzystywana do przemywania i dezynfekcji odcinków sieci wodociągowej. Urządzenie było testowane w wielu zakładach komunalnych w kraju i zagranicą. Po jego modernizacji

6 okazało się bardzo skuteczne w dezynfekcji rurociągów skażonych ściekami oraz usuwaniu powstałego w nich biofilmu. Podsumowując moją ocenę mogę stwierdzić, iż głównymi osiągnięciami naukowymi i technicznymi są: opracowanie systemu uzdatniania wód podziemnych i głębinowych, w którym skutecznie wykorzystywany jest ozon odprowadzany w gazach z kolumny odgazowującej i poddawany recyrkulacji po zmieszaniu z czystym powietrzem, w wyniku czego wytwarzane jest tzw. zjonizowane powietrze wprowadzane do aeratora; opracowanie systemów ozonowania pośredniego uzdatnianej wody wyposażonych w wielostopniowe kolumny kontaktowe; opracowanie mobilnych systemów (stacji pilotowych oraz urządzenia SPID) do ozonowania wody surowej. Systemy te zostały z powodzeniem wdrożone w kilkudziesięciu zakładach uzdatniających wodę w mniejszych miejscowościach. Warto dodać, że mgr inż. Robert Muszański od kilku lat prowadzi działalność promującą zalety związane ze stosowaniem ozonowej technologii uzdatniania wody w Polsce. Jest organizatorem licznych konferencji naukowo-technicznych, gdzie prezentowane są referaty z tej tematyki. W swoim dorobku posiada kilka publikacji zamieszczonych głównie w czasopismach krajowych. 3. Uwagi szczegółowe Oceniając przedstawioną do recenzji rozprawę doktorską trudno jest sformułować istotne uwagi krytyczne o charakterze merytorycznym. Rozprawa jest próbą podsumowania wieloletnich prac o charakterze badawczym nad innowacyjnymi rozwiązaniami procesowymi uzdatniania wód podziemnych i powierzchniowych i ma charakter wielowątkowy. Wobec mnogości materiału zebranego podczas realizacji postawionych zadań Autor rozprawy stanął przed zadaniem jego selekcji i w wielu przypadkach nie uniknął skrótów myślowych oraz precyzji w podawaniu niektórych szczegółów. Można się domyślać, że musiał się liczyć z ograniczeniami natury prawnej wynikającymi z zawartych umów wdrożeniowych. Dowodem tego może być brak informacji o posiadanych patentach.

7 4. Wniosek końcowy Wyrażam przekonanie, że przedstawiona mi do oceny rozprawa doktorska mgr inż. Roberta MUSZAŃSKIEGO spełnia warunki stawiane pracom doktorskim przez ustawę z roku 2003 o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. Nr 65, poz. 595 z późn. zmianami). Autor rozprawy wykonał realizowany w zespole obszerny i wartościowy program badawczy i wdrożeniowy. Urządzenia opracowane przez zespół pod jego kierownictwem mają innowacyjny charakter i zostały z powodzeniem wdrożone w wielu zakładach produkujących wodę do picia. Godna uwagi jest przy tym jego działalność promująca w kraju wykorzystanie ozonu do procesów uzdatniania wody do picia. Stawiam więc formalny wniosek Radzie Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska Politechniki Łódzkiej o dopuszczenie Doktoranta do publicznej obrony. Cytowana literatura 1. Method and system for ozone vent gas reuse in wastewater treatment. WO 2013/ A2. 2. Ozone disinfection in waste water treatment with recycling of ozonation off gas. US Patent (1979). 3. Method for recuperating vent gas coming from an ozonization reactor. US Patent (2000). 4. Materiały EPA 832-F Wastewater Technology Fact Sheet Ozone Disinfection. 5. Instalacja do obróbki wody przez ozonowanie. PL (1995) 6. Broszura firmy Spartan Environmental Technologies. 7. Broszura firmy Air Products. 8. Gottschalk C., Libra J.A., Saupe A. (2000): Ozonation of Water and Waste Water, Wiley VCH.