PORÓWNANIE PODATNOŚCI NA PORCJOWE ZAGĘSZCZANIE GRAWITACYJNE OSADÓW POWSTAJĄCYCH W RÓŻNYCH UKŁADACH OCZYSZCZANIA WODY

Transkrypt

1 zagęszczanie osadów, oczyszczanie wody Sławomir SZERZYNA * PORÓWNANIE PODATNOŚCI NA PORCJOWE ZAGĘSZCZANIE GRAWITACYJNE OSADÓW POWSTAJĄCYCH W RÓŻNYCH UKŁADACH OCZYSZCZANIA WODY Rosnące w ostatnich latach wymagania formalne związane z zagospodarowaniem odpadów a także potrzeba ochrony jakości wód powierzchniowych, do których często odprowadzane są wody nadosadowe, spowodowały zwiększenie zainteresowania badaniami intensyfikacji zagęszczania osadów powstających podczas oczyszczania wody. Podstawowym procesem stosowanym w zakładach oczyszczania wody, mającym na celu maksymalne zmniejszenie objętości oraz uwodnienia osadów i przygotowanie ich do dalszego zagospodarowania, jest zagęszczanie grawitacyjne. W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu wybranych parametrów składu fizyczno-chemicznego osadów z różnych zakładów oczyszczania wody na skuteczność ich porcjowego grawitacyjnego zagęszczania. 1. WSTĘP Podczas oczyszczania wody powstają określone ilości ścieków i osadów zawierające usunięte z wody zanieczyszczenia oraz stosowane reagenty. W zakładach oczyszczania wody mogą powstawać następujące osady: - pokoagulacyjne, - wodorotlenku żelazowego wytrąconego z wody podziemnej lub infiltracyjnej, - powstające podczas strąceniowych metod oczyszczania wody, - wydzielone z popłuczyn [1]. Ilość wytwarzanych osadów w zakładach oczyszczania wody zależy od ilości oczyszczanej wody oraz wartości wskaźników jej składu fizyczno-chemicznego, a w szczególności od zawartości zawiesin, mętności, intensywności barwy oraz sto- * Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, pl. Grunwaldzki 9, Wrocław.

2 466 S. SZERZYNA sowanych dawek reagentów. Średnia ilość ścieków i osadów stanowi około 5 % objętości oczyszczanej wody, a główny udział w tej ilości stanowią popłuczyny [1, 2]. Głównym komponentami osadów pokoagulacyjnych są wodorotlenki glinu lub żelaza (III) wraz z usuniętymi z wody zanieczyszczeniami, ponieważ sole glinu i żelaza są powszechnie stosowanymi koagulantami w zakładach oczyszczania wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Wapno stosowane jest najczęściej w układach oczyszczania wody przeznaczonej do celów przemysłowych (dekarbonizacja wapnem, zmiękczanie metodą wapno-soda) oraz w układach technologicznych odnowy wody. W przypadku konieczności usuwania z wody również zanieczyszczeń koloidalnych, proces dekarbonizacji wapnem prowadzi się razem z koagulacją solami żelaza [1, 3, 4]. Jednym ze sposobów zmniejszania objętości osadów jest proces zagęszczania grawitacyjnego, a miarą jego skuteczności jest stopień zagęszczenia osadu. Pod pojęciem zagęszczania osadów rozumie się umownie procesy, w których na skutek oddzielania fazy stałej od cieczy, osad zmniejsza swoją objętość, nie tracąc płynnej konsystencji [5]. Efektywność grawitacyjnego zagęszczania osadów zależy od: - składu fizyczno-chemicznego oraz wielkości i gęstości cząstek osadów, - czasu zagęszczania, - temperatury, - stosowania czynników wspomagających (koagulanty, mieszanie) [6, 7]. 2. CZĘŚĆ EKSPERYMETNALNA 2.1. PRZEDMIOT ORAZ ZAKRES BADAŃ Przedmiotem badań były osady powstające w układach oczyszczania wody powierzchniowej i podziemnej. W Zakładzie Oczyszczania Wody (ZOW) Mokry Dwór (MD) osad powstaje w wyniku sedymentacji zawiesin pokoagulacyjnych realizowanej w 12 trzypoziomowych osadnikach o przepływie poziomym. Koagulacja zanieczyszczeń wody realizowana jest przy użyciu koagulantów glinowych. W ZOW Leśnica (L) oczyszczana jest woda podziemna, ujmowana z głębokości m, w układzie technologicznym: napowietrzanie, sedymentacja, filtracja pospieszna przez złoże piaskowe, dezynfekcja. W wyniku płukania złóż filtracyjnych, jednocześnie powietrzem i wodą przez około 30 minut, powstają popłuczyny. Próbki osadów przeznaczone do badań wydzielane były w wyniku zagęszczania popłuczyn i oddzielenia osadu od wody nadosadowej. W ZOW Kogeneracja S.A. (K) oczyszczana jest woda do celów energetycznych. Osady powstają w wyniku jednoczesnej dekarbonizacji i koagulacji zanieczyszczeń wody pobranej z rzeki Odry. Proces ten realizowany jest w osadniku o przepływie pionowym zespolonym z wirową komorą reakcji. Wap-

3 Porównanie podatności na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne osadów 467 no dawkowane jest w postaci mleka wapiennego o stężeniu 2,5 3,0 % CaO. Dawka koagulantu, którym jest siarczan żelaza (II), jest stała. Próbki osadów przeznaczone do badań pobierane były bezpośrednio z reaktora. Zakres badań obejmował określenie: - wartości wybranych wskaźników składu fizyczno-chemicznego badanych osadów, - przebiegu i skuteczności porcjowego zagęszczania grawitacyjnego osadów, - wpływu wybranych parametrów składu fizyczno-chemicznego na efekty rozdziału faz osad woda nadosadowa SKŁAD FIZYCZNO-CHEMICZNY OSADÓW PRZED ICH ZAGĘSZCZNIEM W tabelach 1 i 2 przedstawiono wartości wskaźników jakości próbek osadów przed ich zagęszczaniem. Tabela 1. Wartości wskaźników jakości próbek osadu pokoagulacyjnego z ZOW Mokry Dwór Wskaźnik Jednostka MDI Rodzaj próbki MDII MDIII MDIV MDV MDVI MDVII MDVIII MDIX MDX MDXI MDXII MDXIII ph 7,37 7,18 7,13 7,18 7,60 7,40 7,60 7,40 7,48 7,22 7,05 7,40 7,00 Sucha pozostałość Pozostałość po prażeniu Strata prażenia ogólne mineralne lotne Substancje rozpuszczone Subst. rozp. mineralne Subst. rozp. lotne , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Uwodnienie % 99,39 99,22 99,77 99,17 99,23 98,95 99,57 99,25 99,65 99,55 98,92 99,35 99,39 CSK 0 s 17,9 22,6 20,3 25,1 15,1 32,4 23,0 18,8 22,6 39,2 64,7 34,2 34,4 Wapń Magnez Glin Żelazo ogólne g/kg smo 57,6 353,4 g/kg smo 32,0 196,4 g/kg smo 56,7 347,9 g/kg smo 12,4 76,1 78,4 608,9 38,4 298,2 57,6 447,3 9,6 76,6 68,5 155,2 31,4 71,2 28,0 63,4 6,5 14,7 59,6 496,1 34,4 286,3 27,6 229,7 7,4 61,6 55,5 424,9 7,8 59,7 75,1 574,9 144,6 1105,9 39,9 417,3 11,3 118,1 99,1 1036,4 129,9 1358,5 115,8 495,2 6,1 26,1 91,6 391,7 128,4 549,0 127,2 954,5 4,4 33,0 117,2 879,5 108,0 810,4 158,7 552,0 9,2 32,0 113,5 394,8 110,0 382,6 60,0 270,7 7,9 35,6 98,9 446,2 176,4 795,9 65,8 710,6 8,3 89,6 86,7 936,3 172,4 1861,7 34,3 222,0 10,8 69,9 91,3 590,9 186,3 1205,7 34,2 207,8 7,0 42,5 92,5 562,0 195,8 1189,7

4 468 S. SZERZYNA Tabela 2. Wartości wskaźników jakości próbek osadów z ZOW Leśnica i Kogeneracja S.A. Wskaźnik Jednostka ZOW "Leśnica" ZOW "Kogeneracja S.A." LI LII LIII LIV LV LVI KI KII KIII KIV ph 7,00 7,40 8,51 8,12 7,55 7,80 10,3 10,2 9,90 9,14 Sucha pozostałość Pozostałość po prażeniu Strata prażenia ogólne mineralne lotne Substancje rozpuszczone Subst. rozp. mineralne Subst. rozp. lotne , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Uwodnienie % 99,39 99,64 99,53 99,50 99,46 99,59 99,53 99,48 99,37 98,73 CSK 0 s 23,3 19,1 26,2 25,4 22,8 20,6 24,1 29,7 32,1 35,5 Wapń Magnez Żelazo ogólne Mangan g/kg smo 55,99 340,20 g/kg smo 9,78 59,42 g/kg smo 381,2 2316,2 g/kg smo 121,4 737,6 61,13 218,11 9,61 34,29 434,3 1549,6 227,4 811,4 63,78 303,08 14,97 71,14 506,4 2406,4 107,6 511,3 62,84 311,06 19,56 96,82 538,8 2667,1 47,9 237,1 61,74 332,28 10,28 55,33 452,1 2433,2 153,7 827,2 62,57 253,91 16,37 66,43 477,3 1936,9 187,4 760,5 342,1 1592,8 42,2 196,5 38,4 178,8 7,84 36,50 321,5 1660,2 34,9 180,2 41,8 215,9 12,62 65,17 298,5 1874,0 21,3 133,7 25,7 161,3 18,41 115,58 386,2 4887,0 28,6 361,9 28,7 363,2 13,42 169,82 Badane próbki osadów charakteryzowały się dużym uwodnieniem początkowym (W 0 ) zmieniającym się w zakresie 98,73 99,77 % i związaną z nim różną zawartością zawiesin ogólnych. Zawierały zmienne ilości związków glinu, żelaza, manganu, wapnia i magnezu. Największą zawartość związków wapnia i magnezu stwierdzono w próbkach osadu z ZOW Kogeneracja S.A. (tab. 2), które powstały w wyniku dekarbonizacji wody przeznaczonej do celów energetycznych. Związki żelaza i manganu są głównymi zanieczyszczeniami usuwanymi z wód podziemnych podczas ich oczyszczania, stąd tak duże ich stężenia w próbkach osadu z ZOW Leśnica. W ZOW Mokry Dwór stwierdzono natomiast największą zawartość związków organicznych (28,78 37,03 ) i związków glinu (tab. 1), co jest charakterystyczne dla osadów powstających podczas oczyszczania wody powierzchniowej. Czas ssania kapilarnego (CSK 0 ) wszystkich próbek osadów był krótki, co świadczyło o ich dużej podatności na odwadnianie w procesach mechanicznych.

5 Porównanie podatności na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne osadów WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW SKŁADU FIZYCZNO-CHEMICZNEGO OSADÓW NA STOPIEŃ ICH PORCJOWEGO GRAWITACYJNEGO ZAGĘSZCZENIA W tabelach 3 i 4 przedstawiono wartości uwodnienia (W k ) i czasu ssania kapilarnego osadu po zagęszczaniu (CSK k ) oraz wartości wyznaczonych parametrów charakteryzujących przebieg procesu zagęszczania. Tabela 3. Wartości wybranych wskaźników jakości próbek osadu z ZOW Mokry Dwór oraz parametrów procesu ich zagęszczania Próbka MDI MDII MDIII MDIV MDV MDVI MDVII MDVIII MDIX MDX MDXI MDXII MDXIII W k % 98,44 97,97 97,92 97,69 97,73 96,81 98,55 97,95 98,42 98,25 97,12 97,97 96,95 CSK k s 77,8 51,3 81,2 77,1 20,3 37,8 84,3 116,5 60,5 126,3 144,8 82,5 121,4 ƞ z 2,56 2,60 9,04 2,78 2,95 3,04 3,37 2,73 4,51 3,89 2,67 3,12 5,00 t s min t z min Z 0,50 0,60 0,33 0,60 0,45 0,48 0,42 0,50 0,37 0,40 0,50 0,45 0,41 v s cm/min 0,035 0,038 2,570 0,166 0,276 0,179 0,262 0,034 0,978 0,383 0,135 0,148 0,746 Tabela 4. Wartości parametrów procesu zagęszczania oraz wybranych wskaźników jakości próbek osadu z ZOW Leśnica i ZOW Kogeneracja S.A. Próbka ZOW "Leśnica" ZOW "Kogeneracja S.A." LI LII LIII LIV LV LVI KI KII KIII KIV W k % 97 94,5 95,7 95, ,8 94,3 95,5 95,9 94,4 CSK k s 81,7 57,7 51,1 48,8 44,9 53,3 144,3 119,7 108,3 136,1 ƞ z 5,00 15,19 9,19 8,14 7,37 12,76 12,15 8,60 6,46 4,39 t s min t z min Z 0,33 0,11 0,19 0,22 0,21 0,17 0,18 0,21 0,32 0,34 v s cm/min 0,988 1,990 1,050 0,742 0,700 1,336 6,800 5,075 3,950 2,550 Jak wynika z danych przedstawionych w tabelach 3 i 4 oraz na rysunku 1, bez względu na rodzaj osadu, wraz ze wzrostem uwodnienia początkowego zwiększął się stopień ich zagęszczenia ( z ). Największy jego wzrost stwierdzono dla osadu powstającego w układzie oczyszczania wody podziemnej, zawierającego najmniejszą ilość związków organicznych. Również porównanie stopnia zagęszczenia osadów MDI i MDXIII o takim samym uwodnieniu początkowym (W 0 = 99,39 %) wskazuje, że czynnikiem współdecydującym o podatności osadów na zagęszczanie grawitacyjne była właśnie zawartość substancji oragnicznych w suchej masie. Dla osadu MDXIII, zawierającego mniej substancji organicznych (30,32 ) niż próbka osadu MDI

6 470 S. SZERZYNA (37,03 ) uzyskano większy stopień zagęszczenia ( z = 5,0) niż dla osadu MDI ( z = 2,56) (tab. 1 i 3). 16 z MD L K ,60 98,80 99,00 99,20 99,40 99,60 99,80 100,00 W 0 [%] Rys. 1. Wpływ uwodnienia początkowego (W 0 ) osadów na stopień ich zagęszczenia Wpływ udziału substancji organicznych w suchej masie osadów przed ich zagęszczaniem na efektywność procesu przedstawiono na rysunku z MD L K subst. org. [] Rys. 2. Wpływ zawartości substancji organicznych na stopień zagęszczenia osadów Z zależności przedstawionych na rysunku 2 wynika, że wraz ze zwiększającą się zawartością substancji organicznych w suchej masie próbek osadów generalnie zmniejszał się stopień ich zagęszczenia. Nie można jednak pominąć w tym przypadku

7 Porównanie podatności na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne osadów 471 wpływu początkowego uwodnienia osadów oraz zawartości innych substancji w zagęszczanych osadach. Świadczą o tym wyniki uzyskane dla osadu z ZOW Kogeneracja S.A.. Największą wartość z stwierdzono dla próbki KI, o największym uwodnieniu początkowym, mimo że stężenie substancji organicznych w tym osadzie było duże. Natomiast najmniejszą wartość stopnia zagęszczenia stwierdzono dla próbki osadu KIV, która charakteryzowała się największą suchą masą i zawartością zawiesin ogólnych i jednocześnie największym stężeniem związków organicznych (tab. 2 i 4). z MD L K Zaw og [] Rys. 3. Wpływ zawartości zawiesin na stopień zagęszczenia osadów Dla osadów wydzielonych z wody powierzchniowej oczyszczanej w procesie koagulacji koagulantami glinowymi (MD) lub siarczanem żelaza (II) w środowisku alkalicznym (K) wraz ze zwiększającą się zawartością zawiesin w suchej masie osadów skuteczność ich zagęszczania zmniejszała się (rys. 3). Natomiast w przypadku osadów powstających podczas oczyszczania wody podziemnej (L) wpływ ten nie był jednoznaczny, a wyraźnie większe wartości z uzyskano dla próbek LII i LVI, które zawierały mniej substancji organicznych niż inne próbki (rys. 3, tab. 2). Nie stwierdzono jednoznacznego wpływu zawartości związków wapnia, magnezu i żelaza na stopień zagęszczenia próbek osadów (tab. 1 4). Z zależności przedstawionych na rysunku 4 wynika, że wraz ze zwiększającym się początkowym uwodnieniem osadów generalnie zwiększała się prędkość opadania ich cząstek (v s ). Prędkość sedymentacji cząstek osadów zależała również od ich rodzaju. Najszybciej opadały cząstki osadów powstających podczas oczyszczania wody powierzchniowej do celów energetycznych (K), natomiast najwolniej sedymentowały cząstki osadów z oczyszczania wody koagulantami glinowymi (MD) (rys. 4, tab. 3 i 4).

8 Z 472 S. SZERZYNA 8 vs [cm/min] MD L K ,60 98,80 99,00 99,20 99,40 99,60 99,80 W 0 [%] Rys. 4. Wpływ uwodnienia początkowego osadów na prędkość sedymentacji ich cząstek Czas fazy sedymentacji (t s ) i wymagany czas zagęszczania osadów (t z ) zależały również od ich rodzaju i uwodnienia początkowego. Najkrótsze czasy fazy sedymentacji i wymagane czasy zagęszczania stwierdzono dla próbek osadu z ZOW Kogeneracja S.A. i wynosiły odpowiednio t s = 4 8 min oraz t z = min (tab. 4). Próbki osadu z ZOW Mokry Dwór charakteryzowały się natomiast najdłuższymi czasami fazy sedymentacji (t s = ) oraz najdłuższymi wymaganymi czasami zagęszczania (t z = min) (tab. 3). Z danych przedstawionych na rysunku 5 wynika, że rodzaj osadów, jak i ich uwodnienie początkowe miało wpływ na podatność na zagęszczanie w fazie komprymacji (Z). Generalnie wraz ze zwiększającą się wartością W 0 badanych próbek osadów podatność ta zwiększała się. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 MD L K 0,0 98,60 98,80 99,00 99,20 99,40 99,60 99,80 W 0 [%] Rys. 5. Wpływ uwodnienia początkowego osadów na ich podatność do zagęszczania w fazie komprymacji

9 Porównanie podatności na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne osadów 473 Najbardziej podatne na dalsze odwadnianie w procesach mechanicznych były osady powstające w ZOW Mokry Dwór (CSK k = 20,3 144,8), a najmniej osady z ZOW Kogeneracja S.A. (CSK k = 108,3 144,3) (tab. 3 i 4) WNIOSKI Z przeprowadzonych badań wynika, że: - wraz ze wzrostem uwodnienia początkowego osadów zwiększała się skuteczność ich zagęszczania, - najbardziej podatne na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne były osady powstające w układzie oczyszczania wody podziemnej, natomiast najmniejszą podatnością na zagęszczanie charakteryzowały się osady pokoagulacyjne z ZOW Mokry Dwór, - stopień zagęszczenia osadów nie zależał wyłącznie ich uwodnienia. O skuteczności zagęszczania współdecydowała również zawartość substancji organicznych i zawiesin w suchej masie osadów, - najkrótszy czas sedymentacji cząstek osadu stwierdzono w osadach powstających w wyniku jednoczesnej dekarbonizacji i koagulacji zanieczyszczeń wody, osady te również wymagały najkrótszego zagęszczania, - najwolniej opadały cząstki osadów powstałych w wyniku koagulacji zanieczyszczeń wody koagulantami glinowymi, osady te charakteryzowały się również najdłuższym wymaganym czasem zagęszczania, - najmniejszą podatnością na zagęszczanie w fazie komprymacji charakteryzowały się próbki osadu z ZOW Mokry Dwór (Z = 0,33 0,60), największą próbki osadu z oczyszczania wody podziemnej (Z = 0,11 0,33). LITERATURA [1] KOWAL A. L., ŚWIDERSKA-BRÓŻ M., Oczyszczanie wody, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa [2] SOZAŃSKI M,. M.(red.), Technologia usuwania i unieszkodliwiania osadów z uzdatniania wody, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [3] KOWAL A. L. (red.), Odnowa wody, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław [4] Y.Q. ZHAO, DH BACHE, Integrated effects of applied pressure, time, and polimer doses on alum sludge dewatering behaviour, Waste Management, 2002, Vol. 22, [5] BIEŃ J., B., Osady ściekowe. Teoria i praktyka, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa [6] BARTOSZEWSKI K., KEMPA E., SZPADT R., Systemy oczyszczania ścieków. Podstawy technologiczne i projektowe, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław [7] JILL RUHSING PAN, CHIHPIN HUANG, YAO-CHIA CHUANG, CHIH-CHAO WU, Dewatering characteristics of algae-containing alum sludg, Colloids and Surfaces, Physicochemical and Engineering Aspects, 1999, Vol. 150,

10 474 S. SZERZYNA COMPARISON OF SUSCEPTIBILITY TO GRAVITATIONAL BATCH COMPACTION OF SLUDGE ARISING FROM THE DIFFERENT WATER TREATMENT SYSTEMS Growing in recent years, the formal requirements related to waste management and the need to protect surface water quality, which often are discharged separated waters, have led to increased interest in intensifying research sludge thickening formed during water treatment. The basic process used in water treatment plants, aimed at minimizing the volume and hydration of the deposits and prepare them or further development, is a gravitational compaction. The paper presents the results of the influence of selected parameters of physical and chemical composition of sediments from different water treatment plants on the effectiveness of their batch gravitational compaction.