Efektywne oczyszczanie ścieków przemysłowych

Transkrypt

1 Efektywne oczyszczanie ścieków przemysłowych

2 Efektywne oczyszczanie ścieków przemysłowych Wymagania w zakresie oczyszczania ścieków przemysłowych ulegają ciągłemu zaostrzaniu. Istnieje zapotrzebowanie na koncepcje i procesy zapewniające najwyższą możliwą elastyczność instalacji oczyszczania, wywołane czy to nowymi regulacjami prawnymi, czy zmodyfikowanymi wymaganiami produkcyjnymi. Zastosowanie tlenu zapewnia duże rezerwy wydajnościowe, pozwalające na zaadaptowanie istniejących instalacji do nowych zadań, bez kosztownych nakładów inwestycyjnych związanych z ich rozbudową. Niniejszy katalog opisuje, opierając się na przykładach funkcjonujących aplikacji, jak zoptymalizować potencjał nowoczesnych rozwiązań inżynieryjnych dzięki zastosowaniu gazów technicznych takich jak O2, CO2 czy O3. Poza celami takimi jak zachowanie zgodności z limitami zrzutów lub zapewnienie jakości zrzutu odpowiedniej do ponownego wykorzystania technologicznego, ważną rolę w przemyśle odgrywa także zapotrzebowanie na wymagane miejsce. Filtry biologiczne, filtry ze złożem upakowanym i membranowe układy biologiczne stanowią tutaj atrakcyjne uzupełnienie dla konwencjonalnych koncepcji instalacji, gdy w grę wchodzi rozbudowa lub wymiana istniejących rozwiązań. Również w tym przypadku potencjał prowadzonych procesów może być w pełni wykorzystany tylko przy pomocy czystego tlenu (O2). Dwutlenek węgla (CO2) zapewnia szereg korzyści przy neutralizacji ścieków alkalicznych. Ozon (O3) jest skutecznym rozwiązaniem dla strumieni pobocznych zanieczyszczonych składnikami trudnymi do rozłożenia. tlen rozpuszcza się w wodzie dużo szybciej i przy niższym zużyciu energii. Pozwala to na elastyczną pracę, nawet przy dużych wahaniach zapotrzebowania. możemy zastąpić 100 dm3 powietrza poprzez wprowadzenie do układu tylko 4 dm3 czystego gazowego tlenu. Daje to dalsze korzyści, takie jak: odpowiednio niższe koszty armatury do wprowadzania gazu, nieznaczne tworzenie się aerozoli i mniejsze rozpraszanie substancji o przykrym zapachu, mniej awarii hydraulicznych w trakcie eksploatacji instalacji filtrów, brak zakłóceń procesów sedymentacji przez niepożądaną flotację (przesycenie azotem w głębokich zbiornikach aktywacyjnych prowadzi do odgazowania w następnym etapie klarowania). Tlen w technologii oczyszczania ścieków Czysty tlen jest "koncentratem tlenu atmosferycznego" pozbawionym azotowego balastu. To przyczynia się do optymalizacji jego potencjału: Rys. 1: Techniki wprowadzania tlenu opracowane przez firmę Messer: wąż perforowany (po lewej), iniektor (w środku), natleniacz (po prawej) Systemy wprowadzania tlenu Ekonomiczne korzyści wynikające z dodania czystego tlenu mogą zostać osiągnięte jedynie dzięki użyciu odpowiedniej armatury do jego wprowadzenia. W praktyce skuteczne okazały się specjalne węże perforowane, injektory i natleniacze. Zdjęcie ze strony tytułowej: oczyszczalnia ścieków firmy BASF w Ludwigshafen Dobór systemu lub jego kombinacji zależy głównie od aplikacji i lokalnych uwarunkowań. Istotne parametry to np. geometria zbiornika oraz dostępność i koszt energii elektrycznej.

3 Denitryfikacja Nitryfikacja o 2 Input Oczyszczanie końcowe o 2 Input Oczyszczanie wstępne Osad aktywny Rys. 2: Przekształcanie oczyszczalni ścieków na proces Biox -N Praktyczne rozwiązywanie problemów Obróbka szczytowych ładunków poprzez częściowe natlenianie (partial oxygen gassing POG) Problemy z przykrymi zapachami w oczyszczalniach wskazują zazwyczaj na brak tlenu. Przez ponad 20 lat, bo od 1981 roku, z powodu krótkotrwałych wahań w zapotrzebowaniu na tlen, które przyczyniało się do problemów z odorem w oczyszczalni ścieków Emschermündung w Niemczech, z powodzeniem funkcjonował dodatkowy układ oparty na dostawach czystego tlenu, bez konieczności stosowania jakichkolwiek procesów uzupełniających. Innym przykładem jest przetwórnia ziemniaków w Meklenburgu, gdzie konieczne było zwiększenie zdolności produkcyjnych. Pomimo rozbudowy oczyszczalni ścieków o reaktor sekwencyjny SBR, nie osiągnięto wyznaczonych wartości na odpływie. W jednym z dwóch reaktorów zainstalowano dodatkowy system podawania czystego tlenu. W ten sposób połowę istniejących aeratorów kołpakowych przerobiono na podawanie tlenu, podczas gdy druga połowa nadal pracowała na powietrzu. Po przejściu na POG w przebudowanym reaktorze możliwe było osiąganie na odpływie wartości sporo poniżej wyznaczonych limitów. W procesach okresowych, takich jak tankowanie czy reaktory sekwencyjne, które wielokrotnie sprawdziły się w przemyśle spożywczym, charakterystyczne są wysokie piki zapotrzebowania tlenu w wodach na dopływie. W oczyszczalni ścieków mleczarni w Saksonii, pomimo znacznego przewymiarowania układu napowietrzania, przeciążenia na poziomie do 280% parametrów projektowych powodowały okresowe niedobory tlenu. System natleniania jest obecnie oparty na układzie częściowego natleniania (POG), który zapewnia pokrycie fazy maksymalnego zapotrzebowania na tlen. Poprawa wyników nitryfikacji i denitryfikacji W celu eliminacji związków azotu na trzecim stopniu oczyszczania, czego wymaga prawodawstwo, firma Messer opracowała dwustopniowy proces Biox N. Skuteczność stopnia biologicznego jest znacznie zwiększona poprzez wsparcie lub zastąpienie konwencjonalnego układu napowietrzania czystym tlenem oraz, w tym samym czasie, zwiększeniem stężenia biomasy. (rys. 2) W wyniku tych zmian możliwe jest wydzielenie wystarczającej objętości z istniejącego zbiornika do denitryfikacji. Jedna z największych oczyszczalni ścieków przemysłowych na świecie również używa czystego tlenu do nitryfikacji. Tlen jest wprowadzany do układu za pomocą mat natleniających firmy Messer. Przesycenie azotem/ flotacja: rozwiązanie z wykorzystaniem czystego tlenu W głębokich zbiornikach i tak zwanych układach głębokoszybowych napowietrzanie może spowodować wysokie stężenie rozpuszczonego azotu (w przeciwieństwie do tlenu nie jest on zużywany przez mikroorganizmy), który sporadycznie może uwalniać się w postaci gazu w płytszych zbiornikach osadowych, a w kolejnym, płytszym etapie klarowania może utrudniać/ uniemożliwiać sedymentację. Flotacja występująca w odstojnikach powoduje przekroczenie wartości granicznych na odpływie. W zbiorniku osadowym instalacji pilotażowej 3000 PE, na głębokości wody 10 m, oznaczono 150% stopnia przesycenia azotem. Kiedy te głębokie zbiorniki były zasilane stale lub okresowo czystym tlenem zamiast sprężonego powietrza, to przesycenie azotem zmniejszało się i zbiornik osadowy pracował optymalnie. Kompaktowe oczyszczanie w filtrach z aeracją tlenową Jeśli ścieki mają być wolne od zawiesiny i wymagane są stałe, niskie wartości parametrów odpływowych (np. dla amoniaku), biofiltracja jest wykorzystywana do oczyszczania lub oczyszczania końcowego. Szczególnie ekonomiczny i kompaktowy jest dwustopniowy ciągły filtr piaskowy, w którym piasek kwarcowy jest używany jako medium filtrujące oraz jako podłoże dla biomasy.

4 Te instalacje nadają się zarówno do ciągłego jak i okresowego stosowania. Gdy na pierwszy stopień natleniania jest podawany czysty tlen, zapewniona jest optymalna praca tj.: Ścieki z układu z membraną biologiczną są wolne od zawiesin i z higienicznego punktu widzenia odpowiadają normom wody do kąpieli, co niesie za sobą możliwości ponownego wykorzystania otrzymanej wody. bezproblemowa filtracja dzięki niskim ilościom gazu brak efektu kanałowego w obrębie złoża piaskowego zmniejszone rozprzestrzenianie się składników o przykrym zapachu brak niepożądanego osadzania się wapna. Potencjał wydajności membrany biologicznej można w pełni uzyskać, gdy konwencjonalne napowietrzanie jest uzupełnione lub zastąpione systemem z użyciem czystego tlenu. Mieszanka ścieków z osadem aktywnym w membranowym układzie biologicznym jest niezwykle lepka, co znacznie utrudnia przepuszczanie tlenu przy wykorzystaniu drobnopęcherzykowego układu napowietrzania ciśnieniowego. Firma Messer opracowała jedyny w swoim rodzaju system wprowadzania tlenu, przeznaczony specjalnie dla tego wysoce lepkiego osadu, przy zastosowaniu którego można w sposób ekonomiczny pokryć nawet wysokie zapotrzebowanie na tlen. W bezpośrednim porównaniu z wtryskiem powietrza, dzięki systemowi membran biologicznych osiągnięty zostaje ponad 2,5 razy wyższy stopień rozpuszczania tlenu, przy 2,5 razy niższym zużyciu energii. Przy reaktorach ciśnieniowych oszczędność energii jest jeszcze wyższa. Ten sam system wprowadzania tlenu był także pomyślnie wdrożony w oczyszczalni odcieków ze składowiska odpadów, jako uzupełniające doprowadzenie tlenu podczas obciążeń szczytowych. Skuteczność oczyszczania wzrosła o 40%. Zawartość zawiesiny całkowitej w ściekach oczyszczonych powinna wynosić znacznie poniżej 10 mg/l. To pozwala na ponowne wykorzystanie oczyszczonych ścieków w procesach produkcyjnych. Przykłady zastosowań: W kontekście rekultywacji i odwadniania gleby ciągłe filtry piaskowe z krótkim czasem retencji (poniżej 10 minut) osiągnęły skuteczność eliminacji na poziomie ponad 99% dla JWA (jednopierścieniowe węglowodory aromatyczne) i ponad 92% dla WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne). Wartości dla JWA i WWA na odpływie były mniejsze od 3 µg/l. W przetwórni makulatury filtr piaskowy był zainstalowany za stopniem oczyszczania anaerobowego. Przy ładunku do 2,7 kg S/m3 d osiągnięto ponad 97% skuteczność usuwania siarczków oraz wartość na odpływie poniżej 1mg/l. Spadek zawiesiny całkowitej (TSS) od 80% do praktycznie 100% dał w wyniku wartość na odpływie poniżej 20 mg/l. Redukcja ChZT w tym filtrze wynosiła około 50%. Korzyści stosowania czystego tlenu w przemysłowych oczyszczalniach ścieków: ogólny wzrost jakości oczyszczania niezawodne panowanie nad obciążeniami szczytowymi i ciągłymi przeciążeniami bezpieczna nitryfikacja znacząco niższa emisja przykrych zapachów cicha iniekcja tlenu wyższa niezawodność operacyjna odpowiednie do awaryjnego wykorzystania w przypadku defektu aeratorów niskie koszty i krótki czas realizacji rozbudowy instalacji może stanowić rozwiązanie przejściowe lub tymczasowe niższe koszty inwestycyjne niż w przypadku przebudowy konwencjonalnego zakładu Membrany biologiczne: bezpieczeństwo w kompaktowej formie idealne przy zastosowaniu tlenu Oczyszczanie ścieków z użyciem membran biologicznych, w którym mikrofiltracja poprzez membrany zastąpiła konwencjonalny proces osadzania (rys. 3) znacznie oszczędzają miejsce i są bezpieczne. Zawartość osadu aktywnego jest 3 do 8 razy wyższa niż w konwencjonalnych instalacjach. Dzięki temu etap oczyszczania biologicznego jest znacznie skrócony. Technologia membranowa Biologia - podwyższona zaw. osadu Filtracja Dopływ Ścieki Ścieków oczyszczone Osad powrotny Iniekcja tlenu Rys. 3: Przestrzeń zaoszczędzona dzięki zastosowaniu membrany biologicznej Osad aktywny

5 Rys. 4: Oczyszczalnia ścieków za pomocą CO2 na stacji Berlin Główny, poprzednio Stacji Lehrter. Neutralizacja i kontrola ph za pomocą CO2: obniżenie zasolenia w cyrkulacji wody Ścieki alkaliczne należy zneutralizować przed ich wprowadzeniem do biologicznej oczyszczalni ścieków. W tym miejscu neutralizacja dwutlenkiem węgla (CO2) znacznie zyskuje na znaczeniu: Faza I Faza II Faza III Kwas CO2 Obszar dopuszczalny 2OH-+CO2 CO32-+CO2+H2O CO32-+H2O 2HCO3Zużycie CO2 Porównanie stechiometryczne poziomu zużycia CO2 i kwasu mineralnego przy pełnej neutralizacji wypada szczególnie korzystnie dla CO2. To jeden z powodów dlaczego porównanie kosztowe także często wypada na korzyść CO2. Niższy poziom zasolenia jest istotny nie tylko z tytułu opłat za zrzut ścieków, ale także z wielokrotnego wykorzystania oczyszczonych ścieków w zamkniętych obiegach wodnych. Dzięki CO2 unika się zasolenia spowodowanego przez siarczany lub chlorki, jak również towarzyszących im problemów z korozją. Rys. 5 porównuje krzywą neutralizacji dla kwasu mineralnego z krzywą dla CO2. Łagodne nachylenie krzywej neutralizacji CO2 oznacza, że jego dodanie, nawet w przedziale wokół punktu neutralnego, ma mały wpływ na ph wykluczając w praktyce przeregulowanie odczynu, czyniąc ten proces bezpiecznym dla środowiska. Można zatem, stosując CO2, zrezygnować ze skomplikowanych układów sterowania. Rys. 5: Przebieg krzywych neutralizacyjnych dla CO2 i kwasów mineralnych

6 Rys. 6: Komponenty do neutralizacji stosowane przez firmę Messer: węże natleniające (z lewej), zbiorniki wsadowe zbudowane u klienta (w środku), iniektory gazu ciekłego (z prawej) Firma Messer używa różnych systemów do wprowadzania i rozpuszczania CO2 w wodzie, takich jak reaktory rurowe, dysze, mieszalniki statyczne, iniektory lub maty natleniające. Zastosowana technika zależy od jakości wody, np. jej twardości, jak również od warunków lokalnych. Każdorazowo firma Messer oferuje użytkownikowi proces optymalny, indywidualnie dostosowany do konkretnego klienta, z opcją najlepszego wykorzystania CO2, mając przy tym na uwadze aspekt ekonomiczny. Firma Messer oferuje tę usługę w oparciu o doświadczenie nabyte w ponad 150 instalacjach neutralizacji ścieków (Rys. 4 i 7). Rys. 7: Neutralizacja ścieków alkalicznych za pomocą CO2 w przemyśle tekstylnym Neutralizacja i kontrola ph za pomocą CO2 wykaz korzyści: brak zasolenia spowodowanego przez siarczany, chlorki itp., tak więc: proces bezpieczny dla środowiska brak opłat z tytułu wzrostu zawartości soli lepsze dopasowanie do ponownego wykorzystania w obiegach zamkniętych praktycznie wykluczone przeregulowania ph brak problemów z korozją niższe koszty eksploatacji możliwa kontrola wytrącania się soli metali ciężkich lub komponentów powodujących wzrost twardości wody Neutralizacja za pomocą CO2 została już wprowadzona w następujących sektorach przemysłu: napojowym, mleczarskim papierniczym i celulozowym elektrochemicznym (galwanizacja) metalurgicznym tekstylnym i skórzanym chemicznym szklarskim elektrowniach pralniach

7 Rys. 8: Generator ozonu do częsciowego natleniania ścieków (Zdjęcie: Wedeco) Ozon - Natlenianie i dezynfekcja bez dodatkowego zasolenia Oczyszczanie ozonem jest często wybierane w przypadkach, gdy ścieki zawierają związki organiczne, odporne na biodegradację albo, gdy aktywność biologiczna w obrębie recyrkulacyjnych obiegów wodnych musi być ograniczona. Po fluorze, ozon jest najsilniejszym utleniaczem. Reaguje z utworzeniem względnie nieszkodliwych produktów ubocznych utleniania oraz tlenu i nie zwiększa zasolenia oczyszczanych wód. Ozonu nie można przechowywać, dlatego jest on zawsze produkowany na miejscu w zasilanym tlenem generatorze ozonu (Rys. 8). Ozon do zastosowań przemysłowych jest zazwyczaj produkowany w stężeniu od 10 do 14% wagowych, przy zużyciu energii pomiędzy 8 a 12 kwh/kg O3. Te wysokie stężenia ozonu, osiągalne tylko przy zasilaniu tlenem, są korzystne ze względu na niższe koszty aparatury i zużycia energii wymaganej do rozpuszczenia ozonu w wodzie oraz ze względu na szybszy przebieg reakcji. Poniższe zastosowania obrazują korzyści wynikające z zastosowania ozonu: Ozon w połączeniu z aerobowym oczyszczaniem biologicznym Ze względu na wykorzystanie aktywności ozonu do utlenienia substancji nie ulegających biodegradacji, etap traktowania ozonem jest zasadniczo umieszczany za etapem oczyszczania biologicznego. Te pozostałe, nie ulegające biodegradacji składniki, ulegają tam częściowemu utlenieniu, co czyni je bardziej podatnymi na dalsze oczyszczanie w kolejnej, oszczędnej kosztowo, operacji oczyszczania biologicznego. Miarą podatności ścieków na rozkład jest stosunek ChZT (chemicznego zapotrzebowania tlenu) do BZT5 (biologicznego zapotrzebowania tlenu). Im niższy jest ten stosunek, tym łatwiejsze jest biologiczne oczyszczanie ścieków. W fabryce celulozy stosunek ChZT/BZT dla ścieków pochodzących z pierwszego stopnia oczyszczania obniżono z 8 do 3. W następstwie tego skuteczność oczyszczania w odniesieniu do ChZT dla całego układu została zwiększona z 45% do ponad 80%. W przemyśle włókienniczym ozon na odpływie z oczyszczalni jest używany do odbarwiania ścieków. W sektorze farmaceutycznym jest on używany głównie do dezynfekcji lub dezaktywacji organizmów patogennych.

8 Ozon do oczyszczania wód technologicznych Jeśli, z przyczyn ekonomicznych czy ekologicznych, woda technologiczna podlega cyrkulacji, to organiczne substancje zawarte w wodzie, w wyniku ich aktywności biologicznej, mogą prowadzić do tworzenia się szlamu. Tutaj ozon stanowi biocyd, jako że nie powoduje on zwiększenia zasolenia i nawet przy względnie niskich dawkach skutecznie zapobiega tej biologicznej aktywności. Ozon do oczyszczania wód chłodzących Korzyści z wykorzystania tlenu w otwartych układach recyrkulacji wód chłodzących są tak przekonujące, że firma Messer poddaje obecnie traktowaniu ozonem wody chłodzące we wszystkich swoich zakładach produkcyjnych. Nawet przy niskich dawkach jednostkowych w wysokości 0,1 do 0,3 g na m3, ozon pozwala na: znaczącą redukcję wzrostu mikroorganizmów i glonów zapobieganie powyższego wzrostu we wszystkich elementach składowych i dlatego, m.in.: obserwujemy wzrost w wydajności oraz/lub okresu użytkowania wymienników ciepła, i w konsekwencji: znaczne obniżenie zużycia energii - w zależności od branży znaczne obniżenie kosztów utrzymania ruchu (w niektórych przypadkach zwielokrotnienia okresu użytkowania) niższe zasolenie w porównaniu z technologią konwencjonalną i w ten sposób znaczne obniżenie zużycia wody uzupełniającej. Ozon stanowi wartościowe wspomaganie dla istniejących technik oczyszczania. Kiedy tlen jest stosowany jako gaz doprowadzany, to gazy uwalniane za ozonowym układem reakcyjnym są zazwyczaj wciąż wzbogacone tlenem, który zasadniczo może być dalej wykorzystywany w innych procesach nie wymagających tlenu o zbyt wielkiej czystości, np. wzbogacanie atmosfery w piecach do spalania lub napowietrzanie na stopniach oczyszczania aerobowego. Oczyszczalnie ścieków w włókiennictwie bielenie uniknięcie AOX w ściekach Woda chłodząca mikrobiologiczne oczyszczanie systemów wody chłodzącej bez użycia biocydów organicznych lub chloru redukcja korozji uniknięcie AOX w ściekach Żywność dezynfekcja żywności, magazyny, środki opakowaniowe, maszyny produkcyjne oraz woda morska w hodowli małży Podsumowanie Oczyszczalnie ścieków przemysłowych stanowią często połączenie różnych procesów oczyszczania biologicznego, chemicznego i fizycznego. Opisane tutaj procesy zyskują na znaczeniu za sprawą coraz silniejszego trendu w kierunku funkcjonowania zamkniętych obiegów wodnych (prawie zerowe odprowadzenie ścieków oczyszczonych do środowiska). Firma Messer nie tylko dostarcza gazy do tych procesów, ale także oferuje kompletne pakiety usługowe, począwszy od doradztwa dotyczącego projektu i doboru wyposażenia po instalację i przekazanie do eksploatacji. Nasze wsparcie oparte jest na ścisłej współpracy z klientami oraz z preferowanymi przy wyborze, lokalnymi firmami inżynierskimi. W celu uzyskania szczegółowych informacji o możliwości zastosowania gazów technicznych w Państwa instalacji prosimy o kontakt z naszymi specjalistami. W poniższych zastosowaniach użycie ozonu daje następujące efekty: Bielenie celulozy Zastąpienie chloru ozonem w procesie bielenia pozwala na: zwiększenie stopnia bielenia uniknięcie AOX w ściekach Przemysł papierniczy, tekstylny, drukarski i tworzyw sztucznych Bielenie włókien papieru i tekstyliów: ozon jest pomocny w powlekaniu papieru poprawa adhezji w produkcji materiałów do pakowania napojów Przemysł chemiczny ozon to czynnik utleniający w procesach chemicznych produkcja surowców dla przemysłu Messer Polska Sp. z.o.o. ul. Maciejkowicka Chorzów Tel Fax messer@messer.pl