PRZYDATNOŚĆ WĘGLA AKTYWNEGO W OCZYSZCZANIU WODY POWIERZCHNIOWEJ Z ZASTOSOWANIEM KOAGULACJI

Transkrypt

1 Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2006) LIDIA DĄBROWSKA, ELŻBIETA SPERCZYŃSKA Politechnika Częstochowska, Katedra Chemii, Technologii Wody i Ścieków ul. Dąbrowskiego 69, Częstochowa PRZYDATNOŚĆ WĘGLA AKTYWNEGO W OCZYSZCZANIU WODY POWIERZCHNIOWEJ Z ZASTOSOWANIEM KOAGULACJI Badania prowadzono w kierunku oceny przydatności węgli aktywnych do wspomagania procesu koagulacji w usuwaniu wybranych zanieczyszczeń z wód powierzchniowych. Zastosowano dwa koagulanty: siarczan glinu i wstępnie zhydrolizowany chlorek poliglinu (PAX-XL1) oraz węgiel aktywny pylisty: CWZ-30 i AKPA-22. Analizowano efekty obniżenia mętności, barwy, ogólnego węgla organicznego i stężenia jonów metali ciężkich (Zn, Cu, Ni) w próbkach wody z rzeki Warty. Wspomaganie koagulacji z zastosowaniem PAX dało lepsze efekty usuwania zanieczyszczeń z wody niż w przypadku siarczanu glinu. Zmniejszenie barwy o 87% i mętności o 91% uzyskano, wprowadzając CWZ-30 po PAX, a nieco gorsze dla węgla AKPA-22 (75 i 89%). Uzyskane obniżenie stężenia cynku wyniosło 77%, a miedzi 86%. Stosując siarczan glinu efekty obniżenia barwy i mętności (odpowiednio o 78 i 91%) uzyskano dla obu węgli w kolejności dawkowania: węgiel - koagulant. SŁOWA KLUCZOWE: oczyszczanie wody, koagulacja, adsorpcja, węgiel pylisty WPROWADZENIE Wykorzystanie węgli aktywnych w technologii oczyszczania wody jest coraz bardziej rozpowszechnione w naszym kraju. Uwzględniając wymagania dotyczące jakości wody do picia, jak i wód przeznaczonych do uzdatniania należy się spodziewać, że tendencja ta będzie wzrastać [1]. W sytuacjach awaryjnych i/lub tam, gdzie mikrozanieczyszczenia występują okresowo, zastosowanie pylistego węgla aktywnego - PWA jest nie tylko ekonomicznie uzasadnione, ale często jest jedynym bezinwestycyjnym (nisko inwestycyjnym) rozwiązaniem problemu. Pylisty węgiel aktywny dawkowany jest do wody najczęściej do komór szybkiego mieszania w procesie koagulacji lub przed osadnikiem z osadem zawieszonym. W przypadku stosowania PWA łącznie z procesem koagulacji objętościowej węgiel aktywny może spełniać dwojaką rolę - jako obciążnik kłaczków oraz jako sorbent. Istotną sprawą w łączeniu koagulacji z PWA jest kolejność dodawania reagentów. Najczęściej do komór szybkiego mieszania dodawany jest najpierw koagulant, a dopiero później węgiel aktywny - taka kolejność zapobiega wbudowywaniu się cząstek węgla w powstające kłaczki, odwrócenie kolejności dawkowania reagentów zwiększa obciążenie kłaczków, nieko-

2 270 L. Dąbrowska, E. Sperczyńska niecznie powodując utracenie właściwości sorpcyjnych PWA. Zdania dotyczące kolejności stosowania reagentów są podzielone. Można znaleźć przykłady zastosowania w pierwszej kolejności PWA [2] oraz najpierw koagulantu [3]. Celem badań było określenie możliwości zastosowania pylistego węgla aktywnego do wspomagania procesu koagulacji wody powierzchniowej rzeki Warty prowadzonej siarczanem glinu lub chlorkiem poliglinu. 1. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Do badań wykorzystano wodę powierzchniową z rzeki Warty, pobraną w lutym 2006 r. (ul. Dębowa, dzielnica Częstochowa-Raków). Badania oczyszczania wody procesem koagulacji i adsorpcji wykonywano następnego dnia. Temperatura wody wynosiła 19ºC, a jej skład zmodyfikowano, wprowadzając jony cynku, miedzi i niklu. Proces koagulacji prowadzono w pojemnikach z plexi o pojemności 2000 cm 3, do których odmierzano 1000 cm 3 wody badanej. Po dodaniu koagulantu przy użyciu mieszadła mechanicznego prowadzono szybkie mieszanie (200 obrotów/min) przez 1 minutę, a następnie wprowadzano węgiel pylisty i mieszano przez kolejną minutę (dla wybranej dawki przeprowadzono dodatkową próbę, zmieniając kolejność wprowadzonych reagentów). Później stosowano przez 15 minut wolne mieszanie - 20 obrotów/min. Po tym czasie próbki poddawano 60-minutowej sedymentacji. Następnie dekantowano 200 cm 3 wody i wykonywano następujące oznaczenia, stosując metody: ph - potencjometryczną, zasadowość - miareczkową wobec wskaźników, barwę i glin - spektrofotometryczną (spektrofotometr Unicam Heλios ε firmy Thermo Electron Corporation), mętność - przy użyciu mętnościomierza TN-100 firmy Eutech Instruments, ogólny węgiel organiczny - spektrofotometrii w podczerwieni (analizator Multi N/C firmy Analytik Jena GmbH), cynk, miedź, nikiel - absorpcyjnej spektrometrii atomowej przy wykorzystaniu spektrometru novaa 400 firmy Analytik Jena GmbH. Jako koagulanty wykorzystano osiemnastowodny siarczan glinu produkowany przez Przedsiębiorstwo Handlowe POLSKIE ODCZYNNIKI CHEMICZNE w Gliwicach oraz zhydrolizowany chlorek poliglinu o nazwie handlowej PAX-XL1 produkowany przez KEMIPOL w Policach. Zastosowane koagulanty i ich dawka (5 mgal/dm 3 ) zostały wyznaczone we wcześniej przeprowadzonych badaniach [4]. Do badań przygotowano 1% roztwór siarczanu glinu oraz roztwór PAX-u, rozcieńczając produkt handlowy. Charakterystykę przygotowanych roztworów roboczych zastosowanych koagulantów przedstawiono w tabeli 1. Proces koagulacji wspomagano poprzez zastosowanie pylistego węgla aktywnego produkowanego przez GRYFSKAND sp. z o.o. w Hajnówce. Węgiel wprowadzano w ilości mg/dm 3 w postaci 0,3% roztworu. Charakterystykę użytych węgli pylistych przedstawiono w tabeli 2. TABELA 1. Charakterystyka roboczych roztworów użytych koagulantów

3 Przydatność węgla aktywnego w oczyszczaniu wody powierzchniowej z zastosowaniem koagulacji 271 Koagulant Wartość ph Stężenie, mg/dm 3 glinu chlorków siarczanów Siarczan glinu 3, PAX-XL1 3, TABELA 2. Wybrane właściwości użytych węgli pylistych [5] Parametr Jedn. Wartość dla węgla CWZ-30 AKPA-22 Powierzchnia właściwa m 2 /g ph wyciągu - 11,1 10,5 Liczba jodowa mg/g Liczba metylenowa cm Uziarnienie < 0,06 mm % OMÓWIENIE WYNIKÓW Woda powierzchniowa miała odczyn lekko alkaliczny (ph = 7,7). Charakteryzowała się mętnością i barwą równą odpowiednio 15,2 NTU i 86 mgpt/dm 3. Zasadowość wynosiła 2,5 mval/dm 3. Po przeprowadzeniu koagulacji siarczanem glinu w ilości 5 mgal/dm 3 wartość ph wody obniżyła się do 6,9, natomiast zasadowość do 2,0 mval/dm 3 ; przy zastosowaniu PAX-XL1 odpowiednio do 7,1 i 2,1 mval/dm 3. Wprowadzenie węgla pylistego w dawkach mg/dm 3 nie wpłynęło na zmiany wartości tych wskaźników. Zmiany mętności i barwy oraz stężenia glinu pozostałego w zależności od użytego koagulantu, węgla pylistego i jego dawki przedstawiono w tabeli 3. Dla dawki koagulantu równej 5 mgal/dm 3 uzyskano podobne obniżenie mętności i barwy wody (odpowiednio o ok. 87 i 64%) zarówno przy zastosowaniu siarczanu glinu, jak i PAX-XL1. Różniło się natomiast stężenie glinu pozostałego w wodzie po koagulacji i było niższe o 0,19 mg/dm 3 po użyciu PAX-u. Dalsze obniżenie barwy i glinu pozostałego, w mniejszym stopniu mętności, uzyskano, wprowadzając węgiel pylisty. Przy zastosowaniu siarczanu glinu efekty obniżenia mętności i barwy (odpowiednio o ok. 91 i 78%) uzyskano zarówno po wprowadzeniu węgla CWZ-30, jak i AKPA-22, jednak przy zmienionej kolejności dawkowania (najpierw węgiel, a później koagulant). Zachowując kolejność wprowadzenia reagentów: koagulant - węgiel, uzyskano niewielkie obniżenie barwy i stężenia glinu pozostałego przy wykorzystaniu węgla CWZ-30, zaobserwowano natomiast brak takiego efektu przy zastosowaniu węgla AKPA-22 w stosunku do działania samego siarczanu glinu. TABELA 3. Mętność, barwa i glin w wodzie przed i po koagulacji

4 272 L. Dąbrowska, E. Sperczyńska Użyty reagent, dm 3 Mętność, NTU Barwa, mgpt/dm 3 Glin, mgal/dm 3 Woda z rzeki Warty 15,7 69 < 0,01 Al 2 (SO 4 ) 3 1,9 26 0,53 Al 2 (SO 4 ) mg C 2,1 23 0,38 Al 2 (SO 4 ) mg C 2,3 21 0,27 30 mg C +Al 2 (SO 4 ) 3 1,3 13 0,27 Al 2 (SO 4 ) mg C 2,3 21 0,34 Al 2 (SO 4 ) mg C 2,5 18 0,30 Al 2 (SO 4 ) mg A 2,2 23 0,56 Al 2 (SO 4 ) mg A 2,4 23 0,54 30 mg A +Al 2 (SO 4 ) 3 1,5 18 0,58 Al 2 (SO 4 ) mg A 2,6 23 0,58 Al 2 (SO 4 ) mg A 2,7 24 0,52 PAX 2,1 24 0,34 PAX + 15 mg C 1,9 18 0,19 PAX + 30 mg C 1,3 12 0,12 30 mg C + PAX 2,3 16 0,13 PAX + 45 mg C 1,4 10 0,13 PAX + 60 mg C 2,0 16 0,17 PAX + 15 mg A 2,1 20 0,18 PAX + 30 mg A 1,8 18 0,19 30 mg A + PAX 2,2 15 0,36 PAX + 45 mg A 1,8 17 0,18 PAX + 60 mg A 1,7 17 0,14 dawka Al 2 (SO 4 ) 3 i PAX - 5 mgal/dm 3 ; C - węgiel pylisty CWZ-30; A - węgiel AKPA-22 Stosując PAX-XL1, obniżenie mętności, barwy i glinu stwierdzono przy wykorzystaniu obu węgli, zachowując kolejność wprowadzania reagentów (najpierw koagulant, później węgiel). Najlepsze efekty uzyskano dla dawki węgla pylistego CWZ-30 równej 30 i 45 mg/dm 3. Obniżenie mętności i barwy w stosunku do wody surowej wyniosło odpowiednio ok. 91 i 84%. Uzyskano także dla tych dawek zawartość glinu pozostałego poniżej 0,15 mg/dm 3. Nieco gorsze wyniki otrzymano w przypadku węgla AKPA-22. Usunięcie mętności i barwy przy wykorzystaniu samych koagulantów i przy wspomaganiu węglem pylistym przedstawiono na rysunku 1. Zawartość ogólnego węgla organicznego w wodzie powierzchniowej wynosiła 5,6 mgc/dm 3. Po przeprowadzeniu koagulacji siarczanem glinu uległa obniżeniu do 3,4 mgc/dm 3, a po zastosowaniu PAX-XL1 do 3,2 mgc/dm 3. Dalsze obniżenie stężenia OWO otrzymano tylko wspomagając działanie PAX-u węglem CWZ-30.

5 Przydatność węgla aktywnego w oczyszczaniu wody powierzchniowej z zastosowaniem koagulacji 273 Najlepszy efekt (zawartość OWO 1,9 mgc/dm 3 ) uzyskano dla dawki węgla 15 mg/dm 3. Usunięcie [%] Mętność Barwa SG 30mgC+SG 30mgA+SG PAX PAX+45mgC PAX+30mgA SG - siarczan glinu; C - węgiel pylisty CWZ-30; A - węgiel AKPA-22 Rys. 1. Zmniejszenie mętności i barwy wody po procesie koagulacji, bez i ze wspomaganiem węglem pylistym Przeprowadzono również usuwanie metali ciężkich z próbek wody rzeki Warty. Ponieważ woda powierzchniowa charakteryzowała się niskim stężeniem metali (Zn - 0,06 mg/dm 3, Cu - 0,03 mg/dm 3 i Ni - 0,04 mg/dm 3 ), zmodyfikowano jej skład poprzez wprowadzenie roztworu zawierającego jony wybranych metali ciężkich. Uzyskane obniżenie stężenia metali w zmodyfikowanej wodzie powierzchniowej po przeprowadzeniu procesu koagulacji wspomaganej węglem aktywnym przedstawiono w tabeli 4. Woda powierzchniowa po modyfikacji charakteryzowała się stężeniem każdego metalu równym ok. 3 mg/dm 3. Zastosowanie procesu koagulacji siarczanem glinu spowodowało obniżenie stężenia cynku o 11%, miedzi o 55%, natomiast praktycznie nie wpłynęło na zmianę stężenia niklu i kadmu. W przypadku użycia PAX-XL1 uzyskano obniżenie zawartości cynku i miedzi odpowiednio o 59 i 76%. Wspomagając węglem pylistym koagulację prowadzoną siarczanem glinu, otrzymano dodatkowe usunięcie cynku (o 7%), przy użyciu PAX - o 18% dla obu zastosowanych węgli. W przypadku miedzi uzyskane dodatkowe obniżenie stężenia wyniosło odpowiednio 18 i 10%. Jednocześnie nie stwierdzono znaczącego wpływu koagulacji wspomaganej węglem pylistym na usunięcie niklu - maksymalne obniżenie stężenia wyniosło 13%. Porównanie efektu usunięcia cynku i miedzi procesem koagulacji z próbek wody rzeki Warty przy wykorzystaniu samych koagulantów i przy wspomaganiu węglem pylistym przedstawiono na rysunku 2. TABELA 4. Stężenia wybranych metali ciężkich w wodzie przed i po koagulacji

6 274 L. Dąbrowska, E. Sperczyńska Użyty reagent, dm 3 Cynk, mg/dm 3 Miedź, mg/dm 3 Nikiel, mg/dm 3 Woda z rzeki Warty 3,16 2,92 3,08 Al 2 (SO 4 ) 3 2,82 1,32 3,01 Al 2 (SO 4 ) mg C 2,68 1,09 2,86 Al 2 (SO 4 ) mg C 2,64 1,06 2,85 30 mg C +Al 2 (SO 4 ) 3 2,60 0,91 2,83 Al 2 (SO 4 ) mg C 2,62 0,85 2,86 Al 2 (SO 4 ) mg C 2,62 0,80 2,86 Al 2 (SO 4 ) mg A 2,72 1,13 2,85 Al 2 (SO 4 ) mg A 2,64 1,02 2,85 30 mg A +Al 2 (SO 4 ) 3 2,70 1,02 2,89 Al 2 (SO 4 ) mg A 2,64 0,94 2,86 Al 2 (SO 4 ) mg A 2,60 0,94 2,84 PAX 1,31 0,69 2,87 PAX + 15 mg C 0,80 0,52 2,76 PAX + 30 mg C 0,78 0,45 2,72 30 mg C + PAX 0,76 0,49 2,72 PAX + 45 mg C 0,76 0,40 2,70 PAX + 60 mg C 0,74 0,41 2,71 PAX + 15 mg A 0,78 0,58 2,68 PAX + 30 mg A 0,76 0,53 2,66 30 mg A + PAX 0,86 0,57 2,74 PAX + 45 mg A 0,76 0,45 2,68 PAX + 60 mg A 0,78 0,42 2,68 dawka Al 2 (SO 4 ) 3 i PAX - 5 mgal/dm 3 ; C - węgiel pylisty CWZ-30; A - węgiel AKPA-22 Usunięcie [%] Cynk Miedź SG 30mgC+SG 30mgA+SG PAX PAX+45mgC PAX+45mgA SG - siarczan glinu; C - węgiel pylisty CWZ-30; A - węgiel AKPA-22 Rys. 2. Skuteczność obniżenia stężenia cynku i miedzi procesem koagulacji, bez i ze wspomaganiem węglem pylistym

7 Przydatność węgla aktywnego w oczyszczaniu wody powierzchniowej z zastosowaniem koagulacji 275 Podczas koagulacji prowadzonej siarczanem glinu i wspomaganej węglem aktywnym obniżenie stężenia cynku i miedzi wyniosło ok. 18 i 73%, a przy zastosowaniu PAX z węglem odpowiednio 77 i 86%. PODSUMOWANIE Węgiel pylisty może wspomagać proces koagulacji. Najlepsze efekty obniżenia barwy i mętności z próbek wody powierzchniowej oraz najniższe stężenie glinu pozostałego uzyskano po koagulacji prowadzonej chlorkiem poliglinu PAX-XL1 i wspomaganej aktywnym węglem pylistym CWZ-30. W przypadku usuwania cynku i miedzi oba użyte węgle dały podobny efekt wspomagania koagulacji tym reagentem. Przeprowadzone badania miały charakter rozpoznawczy i dlatego otrzymane wyniki wymagają potwierdzenia w dalszych eksperymentach. Opracowano na podstawie badań własnych wykonanych w ramach BW /02. LITERATURA [1] Dębowski Z., Przydatność krajowych węgli aktywnych do uzdatniania i odnowy wody, Mat. Konferencji Naukowej nt. Uzdatnianie, odnowa i ochrona wód, Częstochowa 1998, [2] Jodłowski A., Usuwanie mikrocystyn w pilotowym układzie uzdatniania wody z wykorzystaniem pylistego węgla aktywnego, Mat. Konferencji Naukowej nt. Mikrozanieczyszczenia w środowisku człowieka, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2005, [3] Kowal A., Świderska-Bróż M., Oczyszczanie wody, WN PWN, Warszawa-Wrocław [4] Janic E., Skuteczność procesu koagulacji w oczyszczaniu wody z rzeki Warty, praca dyplomowa inżynierska, Politechnika Częstochowska, Częstochowa [5] Świadectwo Kontroli Jakości Nr 399 i Nr 400 z dnia r. wystawione przez GRYFSKAND sp. z o.o. Zakład Produkcji Węgli Aktywnych w Hajnówce. SUITABILITY OF ACTIVATED CARBON IN SURFACE WATER TREATMENT BY THE COAGULATION PROCESS Suitability of two powdered activated carbons (PAC): CWZ-30 and AKPA-30 for enhancing the coagulation process used for the removal of contaminants from surface water was evaluated. Aluminium sulphate and pre-hydrolyzed polyaluminium chloride (PAX-XL1) were used as coagulants, and the following parameters were analysed in water samples from the Warta River: turbidity, colour, total organic carbon and concentrations of heavy metals (Zn, Cu and Ni). The removal of contaminants from surface water was better for PAC-enhanced coagulation with PAX as compared to aluminium sulphate. The colour and turbidity were reduced by 87% and 91%, respectively, when CWZ was introduced after PAX, and only slightly lower reduction

8 276 L. Dąbrowska, E. Sperczyńska was achieved in the case of AKPA-22 (75 and 89%). The concentration of Zn was reduced by 77% and of Cu by 86%. For aluminium sulphate as a coagulant, similar effects of reduction of colour (78%) and turbidity (91%) were observed for both types of PAC that were applied to water samples prior to the coagulant. KEYWORDS: water treatment, coagulation, adsorption, powdered activated carbon (PAC)