Mariusz Pepliński, Ryszard Lidzbarski Chemiczne wspomaganie usuwania...

Transkrypt

1 CHEMICZNE WSPOMAGANIE USUWANIA KOLOIDALNYCH ZWIĄZKÓW WĘGLA I AZOTU ORGANICZNEGO ZE ŚCIEKÓW ZA POMOCĄ KOAGULANTU GLINOWEGO PAX XL 1905 W OCZYSZCZALNI W TCZEWIE Autorzy: Mariusz Pepliński, Ryszard Lidzbarski ZWiK Sp. z o.o. Tczew 100 Wprowadzenie Proces koagulacji i adsorpcji wykorzystywany jest często do usuwania koloidalnych zanieczyszczeń z wody i ścieków. Zaprezentowane w artykule [1] badania nad sorpcją koloidalnych i rozpuszczonych związków węgla i azotu dowiodły wysokiej efektywności pylistego węgla aktywnego i tlenku glinowego w zakresie usuwania tych zanieczyszczeń ze ścieków. Jednak bardzo duże dawki adsorbentów (2 5 kg/m 3 węgla aktywnego i kg/m 3 tlenku glinowego) [1], a tym samym wysokie koszty np. węgla aktywnego uniemożliwiają zastosowanie procesu sorpcji w pełnej skali technicznej. Z tego względu korzystniejszym rozwiązaniem wydaje się być proces koagulacji. Zasadniczym celem przedstawionych badań w niniejszym artykule było określenie skuteczności usuwania koloidalnego azotu organicznego ze ścieków w procesie chemicznej koagulacji za pomocą soli glinowej oraz ocena możliwości uzyskania na wyjściu oczyszczalni stężenia azotu ogólnego poniżej 10 gn/m 3 lub stopnia jego redukcji na poziomie 85% w sposób ciągły. Ponadto sprawdzono możliwości obniżenia koloidalnego węgla organicznego w ściekach oczyszczonych za pomocą koagulantu PAX XL1905 w porze zimowej, w której często notowano podwyższone wartości parametru ChZT. Opis badań W pierwszym etapie badań proces chemicznej koagulacji prowadzono w warunkach laboratoryjnych w mieszaninie osadu czynnego i ścieków oczyszczonych pobranej na odpływie z komory nitryfikacji w oczyszczalni w Tczewie. Badaniom poddano dwie różne próbki ww. mieszaniny. W pierwszej próbce ścieków zastosowano następujące koagulanty: PAX XL 61, SAX 18, PAX 18 i PAX XL 19, zaś w drugiej wykorzystano tylko najskuteczniejsze reagenty chemiczne w zakresie usuwania zanieczyszczeń koloidalnych ze ścieków (PAX 18, PAX XL 19). Sole glinowe dodawano do 1dm 3 mieszaniny osadu czynnego i ścieków w dawce 100 g/m 3. Proces koagulacji prowadzono

2 w następujących warunkach: szybkie mieszanie (10s), wolne mieszanie (10 minut) i sedymentacja (20 minut). W drugiej części badań przeprowadzono test z najefektywniejszym koagulantem glinowym PAX XL 1905 w pełnej skali technicznej w okresie roku. Reagent chemiczny dozowano do koryta rozdziału, bezpośrednio przed osadnikami wtórnymi w dawce 70 g/m 3. Schemat technologiczny oczyszczalni ścieków przedstawiono na rys.1. Rys.1. Blok biologicznego oczyszczania ścieków w oczyszczalni w Tczewie Charakterystyka fizyczno-chemiczna koagulantów PAX XL 61: chlorek poliglinu o zawartości 5,4 % Al(III), modyfikowany krzemionką i jonami Ca (II), zasadowość - 70% (stosunek molowy OH/Al), ph = 3, d = 1,25 g/cm 3. SAX 18: glinian sodowy o zawartości 9,5% Al(III), ph = 14, d = 1,45 g/cm 3. PAX 18: chlorek poliglinu o zawartości 9% Al(III), zasadowość - 41% (stosunek molowy OH/Al), ph = 1,0, d = 1,36 g/cm 3. PAX XL 19: chlorek poliglinu o zawartości 12,5% Al(III), zasadowość - 80% (stosunek molowy OH/Al), ph = 3,2 3,5, d = 1,35 g/cm 3. PAX XL 1905: chlorek poliglinu o zawartości 6,0% Al(III), ph = 3,6, d = 1,15 g/cm

3 Skuteczność usuwania związków węgla i azotu organicznego ze ścieków w warunkach laboratoryjnych Największe obniżenie zawartości azotu organicznego w ściekach oczyszczonych uzyskano po zastosowaniu koagulantu PAX XL 19, co pokazano w tabeli 1. Reagent ten zawiera najwięcej jonów glinu (12,5%) spośród wszystkich przetestowanych koagulantów. Jest to spolimeryzowana sól glinowa zbudowana prawdopodobnie z długich i rozgałęzionych łańcuchów polimerowych, które są efektywniejsze w procesie koagulacji koloidów zawartych w ściekach. Zaskakującym jest natomiast fakt, iż identyczne zmniejszenie stężenia azotu organicznego w ściekach osiągnięto za pomocą tego samego koagulantu, lecz rozcieńczonego wodą w stosunku 1:1 tj. PAX XL 1905 (tab.2). W obu przypadkach zarejestrowano stężenie azotu Kjeldahla w ściekach na poziomie 5,0 gn/m 3. Dobrymi efektami koagulacyjnymi w stosunku do koloidalnego azotu organicznego wykazał się także PAX 18. Znajdujący się w tym koagulancie wodorotlenek glinowy bierze udział od początku w reakcji koagulacji i flokulacji zanieczyszczeń w ściekach. Nie odnotowano żadnego spadku stężenia azotu organicznego w ściekach po procesie koagulacji z wykorzystaniem środków chemicznych PAX XL 61 i SAX 18. Prawdopodobnie związane to było z niedostateczną zawartością jonów Al(III) - 5,4% w reagencie PAX XL 61, zaś w przypadku glinianu sodowego (SAX 18), który zawiera 9,5% Al(III) jony metalu nie tworzą polimerycznych połączeń jak to ma miejsce w koagulantach z grupy PAX. W środkach chemicznych np. z grupy PIX lub w glinianie sodowym (SAX 18) koloidalny wodorotlenek metalu powstaje dopiero w wyniku reakcji hydrolizy, by następnie mógł uczestniczyć w procesie koagulacji i flokulacji. Proces chemicznej koagulacji z użyciem PAX 18 doprowadził do spadku zawartości substancji organicznych w ściekach (ChZT) ze 122 do 95 go 2 /m 3, a w przypadku PAX XL 19 wartość parametru ChZT obniżyła się do 82 go 2 /m 3 (tab.2). Tabela 1. Wpływ rodzaju koagulantu na skuteczność usuwania azotu Kjeldahla ze ścieków (próba I) gdzie:,,0 - próba odniesienia (ścieki biologicznie oczyszczone) 102

4 Tabela 2. Wpływ rodzaju koagulantu na skuteczność usuwania azotu Kjeldahla i związków organicznych określonych parametrem ChZT ze ścieków (próba II) gdzie: n.b. - nie badano,,,0 - próba odniesienia (ścieki biologicznie oczyszczone) Skuteczność usuwania związków węgla i azotu organicznego ze ścieków w oczyszczalni W tabelach 3, 4 i 5 zaprezentowano zmiany stężenia i ładunku parametru ChZT, azotu Kjeldahla i azotu organicznego w ściekach surowych i oczyszczonych oraz obciążenia hydraulicznego oczyszczalni w ostatnich 4 latach. Z danych tych wynika, że wraz ze spadkiem ilości ścieków znacznie wzrastała zawartość azotu Kjeldahla w ściekach surowych (tab. 3). Zastanawiające jest to, że ładunki azotu Kjeldahla w ściekach także uległy zwiększeniu. Spowodowane to było tym, że procentowy wzrost stężenia azotu ogólnego w dopływie do oczyszczalni był wyższy niż procentowy spadek ilości ścieków. Natomiast inną prawidłowość odnotowano dla zanieczyszczeń organicznych (ChZT), z której wynika, ze wartości parametru ChZT rosły proporcjonalnie (w latach ) do zmniejszającej się ilości ścieków. Tak, więc ładunki związków organicznych praktycznie pozostały na tym samym poziomie (tab. 4). Można przypuszczać, że postępująca w czasie zmiana relacji stosunków węgla do azotu w ściekach surowych była wynikiem zmian w procesie technologicznym produkcji drożdży (Drożdżownia). Podwyższonemu stężeniu zanieczyszczeń organicznych (ChZT) i związków azotu na wejściu do oczyszczalni towarzyszył zwiększony udział związków refrakcyjnych (opornych na biologiczny rozkład) i substancji koloidalnych w ściekach pochodzących z Drożdżowni. Efektem tego był wzrost stężenia wskaźnika ChZT i azotu Kjeldahla w ściekach oczyszczonych (tab. 5). 103

5 Tabela 3. Zmiany stężenia parametru ChZT i azotu Kjeldahla w ściekach surowych oraz obciążenia hydraulicznego oczyszczalni w latach Tabela 4. Zmiany ładunku parametru ChZT i azotu Kjeldahla w ściekach dopływających do oczyszczalni w latach Tabela 5. Zmiany stężenia parametru ChZT, azotu Kjeldahla i azotu organicznego w ściekach oczyszczonych w latach Porównanie parametrów technologicznych procesu oczyszczania ścieków nie wykazało znaczących różnic ich wartości w okresie przed i w trakcie prowadzonych badań ze wspomaganiem chemicznym w oczyszczalni, co pokazano w tabeli 6. Istotną zaś korzyścią zastosowania koagulantu PAX XL 1905 w oczyszczalni była poprawa własności sedymentacyjnych osadu czynnego, przez co uzyskano obniżenie indeksu osadu ze 129 do 93 cm 3 /g. 104

6 Tabela 6. Parametry technologiczne procesu oczyszczania ścieków w okresie poprzedzającym zastosowanie koagulantu PAX XL 1905 ( r.) i w trakcie jego dozowania ( r.) gdzie: s.m.o. - sucha masa organiczna Zastosowanie chemicznego wspomagania procesu oczyszczania za pomocą preparatu PAX XL 1905 spowodowało spadek parametru ChZT ze średniej wartości 120 do 86 go 2 /m 3 w ściekach oczyszczonych, czyli uzyskano stopień zmniejszenia tego wskaźnika o 28%. Powyższe efekty osiągnięto przy stosunkowo małej dawce koagulantu - 70 g/m 3. Zauważalny spadek zawartości wskaźnika ChZT w ściekach oczyszczonych stwierdzono dopiero po 10 dniach dozowania koagulantu (rys.2), co świadczyłoby, że układ biologiczny wymagał wysycenia reagentem chemicznym z uwagi na jego niewielką dawkę. Po tym czasie proces usuwania związków węgla (ChZT) przebiegał w miarę stabilnie do końca testu. W trakcie prowadzonych badań zaobserwowano znaczne wahania wartości azotu Kjeldahla w odpływie z oczyszczalni. Stężenie azotu Kjeldahla w ściekach oczyszczonych oscylowało w granicach 4,9 9,4 gn/m 3, co ilustruje rys 3. Jedynie w dwóch próbkach ścieków zawartość azotu Kjeldahla uległa obniżeniu do 4,9 gn/m 3. Mogło to być spowodowane zbyt małą dawką koagulantu, a jednocześnie niedostateczną ilością jonów Al(III) w stosunku do zawartości azotu organicznego w ściekach. Podczas testu z PAX XL 1905 w skali technicznej rejestrowano istotne fluktuacje natężenia dopływu ścieków do oczyszczalni. Zmienność przepływu ścieków kształtowała się na poziomie m 3 /d w czasie pierwszych 10 dni dozowania środka chemicznego. Wartości maksymalne obciążenia hydraulicznego dotyczą okresu przedświątecznego, w którym występowała zwięk- 105

7 szona produkcja w zakładach przemysłu spożywczego (produkcja drożdży, przetwórstwo rybne). W konsekwencji dawka koagulantu często spadała znacznie poniżej 70 g/m 3. W tym okresie nie odnotowano wzrostu stopnia usuwania azotu organicznego ze ścieków. Dopiero, gdy przepływ ścieków ustabilizował się na poziomie ok m 3 /d, to wówczas stężenie azotu Kjeldahla uległo zmniejszeniu do 4,9 gn/m 3. Taki poziom azotu Kjeldahla w odpływie z oczyszczalni zarejestrowano tylko w kilku próbach ścieków oczyszczonych w latach , kiedy to stężenie azotu ogólnego na wejściu do oczyszczalni wynosiło ok. 80 gn/m 3. Należy podkreślić, że w I kwartale 2005 roku stężenie azotu ogólnego w ściekach surowych wzrosło do poziomu ok. 130 gn/m 3 (tab.7). Tabela 7. Efektywność usuwania związków węgla i azotu ze ścieków w okresie poprzedzającym zastosowanie koagulantu PAX XL 1905 ( r.) i w trakcie jego dozowania ( r.) Rys.2. Zmiany stężenia parametru ChZT w ściekach oczyszczonych w trakcie dozowania koagulantu PAX XL

8 Rys.3. Zmiany stężenia związków azotu w ściekach oczyszczonych w trakcie dozowania PAX XL 1905 Wspomaganie chemiczne procesu biologicznego oczyszczania ścieków za pomocą PAX 1905 okazało się jednak nieskuteczne w usuwaniu zawiesiny i fosforu ogólnego ze ścieków. Świadczą o tym wyniki badań zamieszczone w tabeli 8. W przeciwieństwie do tego koagulantu, dużą efektywność w eliminowaniu zawiesiny ze ścieków zapewnia reagent chemiczny PAX 18, z którym w 2002 roku przeprowadzono test w oczyszczalni w Tczewie. Wówczas stężenie zawiesiny w odpływie z oczyszczalni zredukowano nawet do poziomu 5 g/m 3 (praktycznie ścieki oczyszczone pozbawione były zawiesiny) [2,3]. Dodatkowo PAX 18 spowodował częściowe obniżenie fosforu ogólnego w ściekach odprowadzanych do odbiornika. Tabela 8. Wpływ koagulantu glinowego PAX XL 1905 na skuteczność usuwania fosforu i zawiesiny ze ścieków 107

9 Podsumowanie i wnioski Z przeprowadzonych badań laboratoryjnych wynika, że na skuteczność usuwania koloidalnych substancji ze ścieków głównie wpływała procentowa zawartość glinu w koagulancie oraz rodzaj wiązania chemicznego metalu. Im większa była zawartość metalu w preparacie chemicznym, tym większą notowano efektywność usuwania koloidalnych zanieczyszczeń ze ścieków. Drugim warunkiem, który musiał być spełniony, aby osiągnąć powyższy efekt była obecność polimerycznych połączeń glinowych w koagulancie. Zastosowanie w oczyszczalni wstępnie zhydrolizowanego koagulantu glinowego - PAX XL 1905 zbudowanego z polimerów poliglinowych o dużym dodatnim ładunku spowodowało powstanie korzystnych warunków do destabilizacji ujemnie naładowanych substancji koloidalnych, przez co uzyskano znaczne obniżenie zawartości substancji organicznych (ChZT) w ściekach ze 120 do 86 go 2 /m 3. W porze zimowej obserwowano podwyższone wartości parametru ChZT w ściekach oczyszczonych, czasami przekraczające nawet 125 go 2 /m 3. Tak, więc okresowe dozowanie soli poliglinowej pozwoliło spełnić zaostrzone normy w zakresie usuwania zanieczyszczeń organicznych ze ścieków dla oczyszczalni powyżej 100 tys. RLM, dla których dopuszczalne stężenie wskaźnika ChZT wynosi 125 go 2 /m 3. Dodatkową korzyścią wspomagania chemicznego oczyszczania ścieków była nieco niższa opłata za korzystanie ze środowiska z tytułu odprowadzanego z oczyszczalni zmniejszonego ładunku ChZT do odbiornika. Pomimo, że nie uzyskano stężenia azotu Kjeldahla w ściekach oczyszczonych na stałym poziomie 5gN/m 3, a tym samym stężenia azotu ogólnego poniżej 10 gn/m 3 w sposób ciągły, to jednak osiągnięto stopień redukcji azotu ogólnego powyżej 85% przez cały okres trwania testu. Znaczne wahania obciążenia hydraulicznego oczyszczalni wpłynęły na spadek dawki koagulantu, czego konsekwencją były zakłócenia w procesie usuwania koloidalnego azotu organicznego ze ścieków. Analizując efektywność koagulacji stwierdzono, że reagent chemiczny PAX XL 1905 przy spadku dawki poniżej 70 g/m 3 był nieskuteczny w usuwaniu koloidalnego azotu organicznego w pełnej skali technicznej. Natomiast obniżenie dawki koagulantu nie spowodowało pogorszenia usuwania ze ścieków zanieczyszczeń organicznych określonych parametrem ChZT. Należy wnioskować, że koloidalny azot organiczny okazał się trudniejszym zanieczyszczeniem do wyeliminowania ze ścieków niż substancje organiczne. Koagulacja zanieczyszczeń za pomocą preparatu PAX XL 1905 nie doprowadziła do wzrostu usuwania zawiesiny i fosforu ogólnego ze ścieków. 108

10 Porównując skuteczność działania koagulantu PAX 18 z PAX XL 1905 w oczyszczaniu ścieków zaobserwowano, że ten pierwszy był efektywniejszy w usuwaniu zdyspergowanej zawiesiny, podczas gdy drugi w większym stopniu usuwał substancje koloidalne. Reasumując uzyskane efekty w oczyszczalni w zakresie usuwania koloidalnych związków węgla i azotu organicznego ze ścieków są potwierdzeniem otrzymanych wyników badań laboratoryjnych i świadczą o trafności wyboru najefektywniejszego koagulantu i jego zastosowania w pełnej skali technicznej. Osiągnięte rezultaty zachęcają do prowadzenia dalszych badań nad wspomaganiem procesu oczyszczania za pomocą środka chemicznego PAX XL Literatura [1] Pepliński M., Bojanowska I.: W poszukiwaniu nowych rozwiązań. Branżowy Magazyn Przemysłowy - Ochrona Środowiska, 2005, nr 2, ss [2] Pepliński M., Lidzbarski R.: Wpływ dozowania chlorku poliglinu PAX 18 na usuwanie zanieczyszczeń ze ścieków ze szczególnym uwzględnieniem azotu w oczyszczalni w Tczewie. Materiały na seminarium naukowo-techniczne w Malmö, Angelholm i Świnoujściu, wrzesień [3] Bojanowska I., Pepliński M., Lidzbarski R.: Usuwanie azotu ze ścieków w świetle zaostrzonych wymogów jakości oczyszczonych ścieków na przykładzie oczyszczalni w Tczewie. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2004, nr 5, ss