WPŁYW WSTĘPNEJ OBRÓBKI OSADU NADMIERNEGO NA STOPIEŃ DEZINTEGRACJI

Transkrypt

1 Krzysztof ISKRA, Stanisław MIODOŃSKI* stopień dezintegracji, osad nadmierny, chemiczne zapotrzebowanie na tlen, wstępna obróbka WPŁYW WSTĘPNEJ OBRÓBKI OSADU NADMIERNEGO NA STOPIEŃ DEZINTEGRACJI W wyniku dynamicznego rozwoju sieci kanalizacyjnych prognozowany jest stopniowy wzrost zanieczyszczeń dopływających do komunalnych oczyszczalni ścieków, a co się również z tym wiąże problem zagospodarowania nadwyżek osadów ściekowych. Wśród rozwiązań, które zyskują coraz większy entuzjazm, są metody minimalizacji powstawania osadów na terenie samej oczyszczalni. Na szczególne zainteresowanie zasługuje dezintegracja osadu nadmiernego kierowanego do komór fermentacyjnych. Ważną kwestią przydatności wstępnej obróbki osadu jest jej miarodajna ocena efektywności. W niniejszej pracy dokonano oceny wpływu podstawowych parametrów określających stopień dezintegracji osadu nadmiernego na wartość końcową modułu dezintegracji. W artykule uwagę skupiono przede wszystkim na spotykanych modyfikacjach modułu dezintegracji oraz na charakterystyce jakościowej cieczy nadosadowej osadu surowego magazynowanego w różnych warunkach temperaturowych. Przeprowadzone badania dowiodły, że zmienne warunki prowadzenia hydrolizy alkalicznej oraz sposób i czas magazynowania osadu surowego mogą powodować znaczne różnice wartości modułu dezintegracji. 1. WSTĘP W ostatnich latach wzrasta szczególne zainteresowanie procesami wstępnego przygotowania osadów ściekowych przed kluczowymi węzłami gospodarki osadowej. Wiodącym kierunkiem rozwoju tych działań jest dezintegracja osadu nadmiernego podawanego wraz z osadem wstępnym do komór fermentacyjnych. W rezultacie takie działanie ma skutkować większą dostępnością związków organicznych podczas fermentacji metanowej, a to z kolei może przełożyć się na wzrost ilości wyprodukowanego biogazu względem klasycznych układów [2, 5, 6]. Kolejną istotną kwestią stają się zatem działania optymalizacyjne technik dezintegracyjnych oraz ocena efektywności procesu. Dobrym narzędziem określającym efekty energetyczne procesu dezintegracji jest wskaźnik E S, czyli tzw. ener- * Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej, W-w pl. Grunwaldzki 9, krzysztof.iskra@pwr.wroc.pl.

2 214 K. ISKRA, S. MIODOŃSKI gia specyficzna (z ang. specyfic energy). Prezentuje ona nakłady energetyczne procesu w odniesieniu do przerabianej suchej masy osadu podczas procesu. Wadą takiego sposobu określania efektów wstępnej obróbki jest niestety jego przydatność tylko dla metod mechanicznych, gdyż dla pozostałych metod trudno określić zapotrzebowanie energetyczne. Uniwersalnym narzędziem służącym do oceny stopnia dezintegracji osadu może być moduł dezintegracji (M-d). Jego geneza sięga połowy lat 90, kiedy to pierwszy raz zdefiniował go niemiecki badacz Müller, wtedy jednak wyłącznie dla potrzeb badań laboratoryjnych [4]. Dzisiaj istnieje jednak duża potrzeba szybkiego i miarodajnego określania efektywności wstępnej obróbki osadu w kontekście potencjalnych korzyści podczas stabilizacji beztlenowej zwłaszcza w pełnej skali technicznej. 2. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA 2.1. METODYKA BADAŃ Szacunek efektywności procesu dezintegracji osadu nadmiernego przeprowadzono na podstawie modułu dezintegracji (M-d). Jego wartość bazuje na zawartości związków organicznych substancji rozpuszczonych określanych za pomocą chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZT) przed i bezpośrednio po procesie dezintegracji osadu i jest definiowany formułą (1). Oznaczenia ChZT wykonywano metodą dwuchromianową, której stosowanie jest zalecane w wielu krajach UE i w Stanach Zjednoczonych. ChZT M d ChZT ChZT ChZT 1 0 a 0 100% (1) gdzie: ChZT 0 wartość ChZT substancji rozpuszczonych z próbki osadu surowego, mgo 2 /dm 3 ChZT 1 wartość ChZT substancji rozpuszczonych z próbki poddanej dezintegracji, mgo 2 /dm 3 ChZT a minimalna wartość ChZT substancji rozpuszczonych z próbki referencyjnej poddanej hydrolizie chemicznej z wykorzystaniem 1-molowego roztworu NaOH w stosunku 1:1 w temperaturze 20 0 C w czasie 24 h, mgo 2 /dm 3.

3 Wpływ wstępnej obróbki osadu nadmiernego na stopień dezintegracji DYSKUSJA METODY OKREŚLANIA MODUŁU DEZINTEGRACJI Proponowana formuła (1) określająca stopień dezintegracji jest coraz powszechniej stosowanym wskaźnikiem służącym do oceny bezpośrednich efektów po dezintegracji osadu. Wartość modułu dezintegracji w dużym stopniu zależy od wartości ChZT w cieczy nadosadowej po hydrolizie alkalicznej. Pomimo zalecanych czy też najczęściej spotykanych warunków prowadzenia całkowitej hydrolizy przy udziale roztworu wodorotlenku sodu nadal są spotykane odstępstwa od tych warunków. Modyfikacje najczęściej dotyczą temperatury prowadzenia procesu i/lub czasu reakcji osadu z alkaliami, ale również są spotykane przypadki stosowania roztworów wodorotlenku sodu o stężeniu innym niż 1-molowe (np. roztwory 0,5 lub 2-molowe) [3]. Duże wątpliwości związane są także z przeliczaniem rozcieńczenia dawką roztworu wodorotlenku sodu stosowanego do całkowitej hydrolizy. Dla rozcieńczenia 1:1 zadaje się jednakową ilość osadu oraz wodorotlenku sodu do reakcji, natomiast podczas wirowania próby nie jest zidentyfikowana ta część cieczy, która pochodzi z osadu, a która z roztworu. Spotyka się zatem wartości minimalne oraz maksymalne ChZT cieczy nadosadowej służące do wyznaczania modułu dezintegracji WPŁYW WARUNKÓW PROCESOWYCH NA EFEKTY HYDROLIZY ALKALICZNEJ W ramach niniejszej pracy przeprowadzono eksperyment pokazujący charakterystykę jakościową cieczy nadosadowej po hydrolizie alkalicznej w zróżnicowanych warunkach procesowych. Próby zagęszczonego osadu nadmiernego poddano jednocześnie wstępnej obróbce z dodatkiem wodorotlenku sodu w następujących warunkach: 10 min. w temp C 10 min. w temp C 24 h w temp C 48 h w temp C. Tabela 1. Wartości ChZT substancji rozpuszczonych w zależności od warunków procesowych Rodzaj próbki ChZT subst. rozp. Wartość M-d mgo 2 /m 3 % Osad surowy 117±18 - Osad po dezintegracji 10 min. w 20 0 C (+NaOH) 8738± ,6 Osad po dezintegracji 10 min. w 90 0 C (+NaOH) 10491±1574 9,6 Osad po dezintegracji 24 h w 20 0 C (+NaOH) 14017±2103 7,2 Osad po dezintegracji 48 h w 20 0 C (+NaOH) 16041±2406 6,3 Zmienne warunki procesowe hydrolizy alkalicznej spowodowały dość istotne zmiany ChZT substancji rozpuszczonych. Pomiędzy skrajnymi wartościami zanoto-

4 ChZT subst. rozp., mgo2/dm K. ISKRA, S. MIODOŃSKI wano ponad 80%-ową różnicę. Ważną rolę w takich oznaczeniach spełnia również niepewność metody oznaczania ChZT. W przypadku oznaczania ChZT metodą dwuchromianową niepewność wynosi 15%. Oprócz wpływu warunków procesowych na wartość ChZT substancji rozpuszczonych zbadano również wpływ zmian ChZT na wartość modułu dezintegracji przy założeniu wzrostu ChZT frakcji rozpuszczonej o 1000 mgo 2 /dm 3 po procesie dezintegracji. Przyjęty wzrost ChZT jest rezultatem dobrej pracy dezintegratora, spotykany dla metod mechanicznych. Finalnie wartość modułu zmniejszyła się prawie dwukrotnie z 11,6 do 6,3% dla najwyższego stężenia ChZT frakcji rozpuszczonej WPŁYW CZASU I SPOSOBU MAGAZYNOWANIA OSADU NA JAKOŚĆ CIECZY NADOSADOWEJ Kolejną rozpatrywaną kwestią była zmiana wartości ChZT substancji rozpuszczonych osadu surowego (stanowiącej próbę referencyjną) i jej wpływ na wartość modułu dezintegracji. Oznaczenia analityczne cieczy nadosadowej badanej próbki osadu zgodnie z metodyką powinny być wykonywane bezpośrednio po procesie wstępnej obróbki. Niestety w praktyce może się to okazać niewykonalne np. z uwagi na znaczną odległość z oczyszczalni do laboratorium bądź awarię urządzeń laboratoryjnych niezbędnych do wykonywania oznaczeń. Wobec tego przeprowadzono kolejny eksperyment mający na celu zbadanie charakterystyki jakościowej osadu po kolejnych tygodniach jego magazynowania w warunkach temperatury pokojowej (ok C) oraz w warunkach chłodniczych (ok. 4 0 C). W tym celu wykorzystano zagęszczony osad nadmierny o zawartości 4,5% suchej masy i ChZT frakcji rozpuszczonej w świeżym osadzie wynoszącym 140 mgo 2 /dm 3. W porównaniu z wyjściową wartością po 4 tygodniach zanotowano 13- krotny wzrost ChZT w cieczy nadosadowej dla osadu przetrzymywanego w chłodni oraz ponad 27-krotny dla osadu magazynowanego w warunkach pokojowych po 1 tyg. po 2 tyg. po 3 tyg. po 4 tyg. 4 st. C temp. pok. Rys. 1. Wartości ChZT substancji rozpuszczonych w kolejnych tygodniach magazynowania osadu

5 Wpływ wstępnej obróbki osadu nadmiernego na stopień dezintegracji 217 Magazynowanie osadu surowego w skrajnych warunkach temperaturowych przyniosło rezultaty podobne do efektu dezintegracji, tj. zainicjowano pierwszą fazę fermentacji osadu (kwasogenezę), podczas której uzyskano znaczny przyrost ChZT substancji rozpuszczonych w porównaniu z wartością wyjściową w osadzie świeżym. Należy jednak pamiętać, że takie efekty można byłoby uzyskać w pełnej skali technicznej mając do dyspozycji duże kubatury zbiorników, co jest zdecydowanie nieekonomiczne. W ramach tego doświadczenia zasymulowano również jak zmieniałaby się wartość modułu w przypadku traktowania sposobu magazynowania osadu jako metody dezintegrującej (tabela 2). Wartość modułu dezintegracji po całym cyklu magazynowania osadu wzrosła nawet do 25% (po 4 tygodniach magazynowania w temperaturze pokojowej). Tabela 2. Wpływ sposobu magazynowania osadu na wartość modułu dezintegracji Wartość modułu dezintegracji Rodzaj próbki % temp. ~ 4 0 C temp. pokojowa Osad surowy po 1 tygodniu 3,8 15,3 Osad surowy po 2 tygodniach 5,4 20,7 Osad surowy po 3 tygodniach 9,0 25,3 Osad surowy po 4 tygodniach 11,5 25, OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Przeprowadzone badania oraz wątpliwości związane z wyznaczaniem modułu dezintegracji pokazują skalę trudności w tematyce procesu dezintegracji osadu. Niewątpliwą zaletą tego sposobu określania efektywności procesu jest łatwość i szybkość oznaczania wskaźnika ChZT w warunkach laboratoryjnych. Niestety każde modyfikacje w formule (1) prowadzą do różnic w otrzymywanych wynikach. Pierwszy eksperyment pokazał, że w zależności od warunków prowadzenia hydrolizy alkalicznej (1- molowym roztworem wodorotlenku sodu) wartość modułu może różnić się nawet dwukrotnie. Co więcej uzyskano również różnice w wartościach ChZT a dla obu równoważnych metod zalecanych przez grupę roboczą ATV [1], tj. 10 min. w 90 0 C oraz 24 h w 20 0 C. Ważną rolę spełnia także miarodajne określenie ChZT próby odniesienia (osadu surowego), gdyż zbyt długie przetrzymywanie tej próby dodatkowo w niewłaściwych warunkach temperaturowych może prowadzić nawet do paradoksu w postaci ujemnej wartości modułu dezintegracji (gdy ChZT 0 > ChZT 1 ).

6 218 K. ISKRA, S. MIODOŃSKI 3. WNIOSKI I PODSUMOWANIE Dezintegracja osadu nadmiernego stanowi obiecujące pole badawcze w kontekście poprawy efektów stabilizacji beztlenowej. Kluczową kwestię stanowi jej miarodajna ocena efektywności, która powinna dać odpowiedź, w jakim zakresie uzasadniona jest prowadzenie wstępnej obróbki. Niestety brakuje jeszcze ujednoliconych zasad i wytycznych dotyczących oceny efektów bezpośrednich procesu. Jednym z obiecujących narzędzi oceny stopnia wstępnej obróbki osadu jest moduł dezintegracji, który jednak może przybierać różne modyfikacje wpływając w sposób istotny na swoją końcową wartość. Dużą rolę na jej wpływ odgrywa stężenie ChZT po tzw. hydrolizie alkalicznej będące odniesieniem dla związków organicznych substancji rozpuszczonych po procesie dezintegracji. Odmienne warunki prowadzenia hydrolizy alkalicznej spowodowały znaczne różnice w wartości modułu, a zbyt długie magazynowanie próby odniesienia może powodować sprzeczne wyniki. Otrzymane wyniki pokazują, że każdorazowo należy w szczególny sposób dbać o jednakowe warunki wyznaczania modułu dezintegracji dla uzyskania rzetelnych i miarodajnych rezultatów. LITERATURA [1] ATV-ARBEITGRUPPE, Verfahren und Anwendungsgebiete der mechanischen Klärschlammdesintegration, Korrespondenz Abwasser, 2000, 4, [2] APPELS L., BAEYENS J., DEGÈVE J., DEWIL R., Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge, Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34, [3] KHANAL S.-K., GREWELL D., SUNG S., VAN LEEUWEN J.-H., Ultrasound Applications in Wastewater Sludge Pretreatment: A Review, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2007, 37, [4] MÜLLER J., Mechanischer Klärschlammaufschluss Dissertation, Tech. Univ. Braunschweig, 1996 [5] ØDEGAARD H., Sludge minimization technologies an overview, Water Science and Technology, 2004, Vol. 49, No 10, [6] PÉREZ-ELVIRA S.-I., NIETO DIEZ P., FDZ-POLANCO F., Sludge minimization technologies, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2006, 5, INFLUENCE OF AN EXCESS SLUDGE PRETREATMENT ON THE DISINTEGRATION DEGREE As a result of the dynamic development of sanitary sewer systems there is expected a gradual increase in an amount of pollution flowing into municipal wastewater treatment plants, what will also require the surplus sludge management. The solutions, which are recently gaining more enthusiasm, are the methods of minimizing the formation of sludge in wastewater treatment plants. The topic which is especially interesting is the disintegration of excess sludge that is being directed into digesters. An important question about the suitability of sludge pre-treatment is a reliable evaluation of its efficiency. In this paper there has been assessed the impact of the basic parameters of an excess sludge disintegration degree on the final

7 Wpływ wstępnej obróbki osadu nadmiernego na stopień dezintegracji 219 value of the disintegration module. The author put special emphasis on the existing modifications of module disintegration and qualitative characteristics of raw sludge supernatant stored under different temperature conditions. This studies showed that changing conditions of alkaline hydrolysis and the method and time of storage of raw sludge can cause significant differences for value of the disintegration module.