KOMPUTEROWA SYMULACJA PROCESU CHEMICZNEGO OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM Autorzy: dr hab. Piotr Konieczny, mgr Marcin Szymański, mgr Renata Dobrucka Wydział Nauk o Żywności i Żywieniu, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Wprowadzenie Najstarszy przekaz odnoszący się do użycia związku chemicznego w celu poprawy jakości wody dotyczy wydarzenia sprzed około 3000 lat, kiedy prorok Elizeusz posługując się najprawdopodobniej siarczanem glinu, oczyścił wodę mieszkańcom Jerycha. Elizeusz posiadał zapewne pewną wiedzę o właściwościach glinu i jego uznaje się za ojca chemicznego oczyszczania wody, a właśnie glin i żelazo są obecnie najpowszechniej stosowanymi środkami do tego celu [1]. Oczyszczanie ścieków przemysłowych rozpoczęło się natomiast dopiero w XIX wieku, gdy wskutek industrializacji i urbanizacji, znacznie nasiliły się problemy sanitarne związane z wodą i ściekami. Eksploatowane najwcześniej, tradycyjne mechaniczne oczyszczalnie ścieków z czasem rozbudowano dodając część biologiczną i chemiczną. Kombinacje tych trzech metod wykorzystywane są współcześnie w prawie wszystkich nowoczesnych oczyszczalniach [2]. Stosowanie metod chemicznych jest możliwe i uzasadnione również w oczyszczaniu ścieków pochodzących z zakładów spożywczych, których działalności produkcyjnej towarzyszy nieuniknione wytwarzanie wielu substancji niekorzystnie oddziałujących na otoczenie. Dążenie do zmniejszenia ilości ścieków wyłącznie poprzez ograniczanie zużycia wody, podobnie jak teza, że przetwarzanie surowców roślinnych i zwierzęcych w zakładach spożywczych może odbywać się bez powstawania ścieków jest mało realne. Realizacja takich tendencji stwarzałaby bowiem niebezpieczeństwo pogarszania higieny osobistej pracowników, narzędzi pracy i całego procesu produkcji wyrobów, a w konsekwencji - jakości i bezpieczeństwu zdrowotnemu wszystkich konsumentów. Procesy oczyszczania ścieków, zwłaszcza przemysłu spożywczego można, a wręcz należy rozpatrywać w dwóch aspektach: a) zapewnienia wymaganej jakości ścieków odprowadzanych z zakładu dla uniknięcia odpowiedzialności karnej, oraz 128
b) ewentualnego wykorzystania surowców zawartych w ściekach poprodukcyjnych [3]. Jako przykłady licznych możliwości w tym ostatnim zakresie można podać wykorzystanie niektórych rodzajów ścieków, wysokoenergetycznych tłuszczów odpadowych, także wstępnych osadów ściekowych do pozyskiwania biogazu czy też używanie innych rodzajów ścieków, serwatki lub zużytych marynat octowych z przemysłu rybnego jako źródła łatwo przyswajalnego, zewnętrznego węgla dla bakterii osadu czynnego (zawierają głównie łatworozkładalne cukry) [ 4]. Chemiczne oczyszczanie ścieków przemysłu spożywczego może stanowić część wielu różnych systemów oczyszczania, a dobór konkretnego rozwiązania należy poprzedzić staranną analizą oczekiwań eksploatatorów oczyszczalni zarówno w aspekcie korzyści jak i ewentualnych zagrożeń dla pracy rozpatrywanej instalacji. Jej lokalizacja w istniejącym otoczeniu, wymagania formalno-prawne, stan techniki, skład chemiczny i inne właściwości oczyszczanych ścieków są obok kosztów najważniejszymi czynnikami branymi pod uwagę przy podejmowaniu decyzji o modernizacji procesu oczyszczania. [5,6]. W ostatnich latach bardzo przydatnym narzędziem w takiej analizie okazuje się być komputer. Posługując się procedurą oceny tzw. cyklu życia (ang. LCA = Life Cycle Assessment) i odpowiednim oprogramowaniem komputerowym wraz z bazą danych dotyczących różnych kategorii oddziaływań środowiskowych można wykazać, na przykład, że procesy oczyszczania ścieków metodą strącania bezpośredniego z użyciem koagulantów żelazowych z rodziny PIX oddziaływają negatywnie na środowisko w stopniu znacznie mniejszym od konwencjonalnego oczyszczania biologicznego tych samych ścieków. Wykorzystanie metody LCA jako narzędzia porównawczej oceny globalnego oddziaływania chemicznych procesów oczyszczania ścieków na środowisko opisano w opracowaniu prezentowanym na poprzednim seminarium KEMI- POL-u [7]. Niniejsza publikacja omawia inne wykorzystanie komputera do analizy procesów chemicznego oczyszczania ścieków różnymi metodami. Za pomocą obiektywnego programu komputerowego udostępnionego przez KEMIPOL wykonana zostanie symulacja pokazująca, że zastosowanie wybranego koagulanta w technologii oczyszczania przykładowych ścieków z przemysłu spożywczego w istotny sposób oddziałuje nie tylko na parametry oczyszczania 129
ale i takie wskaźniki jak kubatura instalacji, ogólne zużycie energii, produkcję osadu i biogazu. Analizę wyników uzyskanych przy pomocy omawianego programu komputerowego poprzedzono krótkim omówieniem wybranych zagadnień ze specyfiką ścieków przemysłu spożywczego i możliwościami chemicznego wspomagania procesów ich oczyszczania. Ścieki przemysłu spożywczego charakterystyka ilościowa i jakościowa Wobec różnorodności i złożoności procesów jednostkowych, które podejmuje się przy przetwarzaniu większości surowców pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, zarówno charakterystykę ścieków powstających w zakładach spożywczych jak i wybór metody oczyszczania rozważa się przede wszystkim pod kątem zminimalizowania ich negatywnego oddziaływania na środowisko. Zróżnicowane wielkości poszczególnych zakładów, odmienne profile produkcji, zadania technologiczne, zasady tzw. Dobrej Praktyki Produkcyjnej (GMP) oraz różny stan wyposażenia technicznego powodują, że zakłady przemysłu spożywczego mogą bardzo różnić się zarówno w zakresie ilości zużywanej wody jak i produkcji ścieków. Warto uświadomić sobie w tym miejscu fakt, że pojedynczy zakład branży spożywczej może wytwarzać od kilku do kilku tysięcy m 3 ścieków dziennie, ale o ich rzeczywistej uciążliwości decydować będzie ilość i rodzaj zanieczyszczeń. [5]. Obciążenie ścieków z zakładów spożywczych wielu branż jest znacznie większe niż ścieków komunalnych. Zakłady branży spożywczej, zwłaszcza te, które przetwarzają surowce zwierzęce: mięso, mleko, ryby, są źródłem ścieków zawierających zanieczyszczenia o różnym charakterze, uciążliwości i rozmiarach. Można przytoczyć dane dotyczące głównych na przykład składników typowych dla ścieków zakładów mięsnych realizujących tzw. pełny profil produkcji tj. ubój zwierząt rzeźnych, działalność przetwórczą i przerób surowców ubocznych (tabela 1). Warto podkreślić, że ścieki wymienionych zakładów są między innymi potencjalnym źródłem zagrożeń epidemicznych, głównie w wyniku przedostawania się do nich znacznych ilości treści przewodów pokarmowych (żołądków i jelit) zwierząt rzeźnych oraz krwi. Zanieczyszczenia te skażają ścieki mikroorganizmami, także chorobotwórczymi. Za całkowicie uzasadniony należy zatem uznać postulat przygotowania zapisów prawnych zakazujących producentom wprowadzania do kanalizacji skażonych ścieków z niektórych zakładów branży spożywczej, podobnie jak ma to miejsce w przypadku ścieków z placówek szpitalnych [ 3, 4, 8]. 130
Typowe obciążenie ścieków zakładów spożywczych tworzą liczne substancje rozpuszczone, substancje koloidalne lub zawiesiny, reprezentowane zarówno przez związki organiczne, głównie białko i tłuszcze jak i nieorganiczne, np. chlorki, azotany, fosforany, siarczany, węglany i inne. Związki organiczne stanowią często ponad 50 % składu suchej masy zawartej w ściekach [ 7]. Tabela 1 Wpływ niektórych składników na właściwości ścieków na przykładzie przemysłu mięsnego Składnik Białka Tłuszcze Biogeny NaCl Metale ciężkie Detergenty Charakterystyka Łatwo rozkładają się biologicznie, trudno poddają się utlenianiu chemicznemu, decydują o zagniwalności ścieków. Szczególna rola krwi przyubojowej jako stymulatora rozkładu obciążeń ścieków. Krew kształtuje najsilniej BZT 5 : krwi świńskiej= 200 g O 2/ m3, krwi bydlęcej - 150 g O 2 /dm 3 Zatykają kanały ściekowe, utrudniają pochłanianie tlenu z powietrza. Z tego powodu w większych stężeniach są bakteriobójcze (dla tlenowców) lub hamują proces samooczyszczenia. Na natłuszczonych powierzchniach osiada kurz, środki ochrony roślin itp. Utrudniają fermentację i odwodnienie osadów. Po hydrolizie, wolne kwasy tłuszczowe niszczą beton, zatykają biofiltry. Zatykają kanalizację, krzepnąc na ścianie kanału, gdy ciepłe i zatłuszczone ścieki stygną w kanalizacji. Fosfor i azot, trafiając do wód powierzchniowych przyczynia się do niekontrolowanego rozwoju fitoplanktonu, a w następstwie - eutrofizacji wód. Problem nadmiernych ilości fosforu może dotyczyć zwłaszcza tych zakładów gdzie w recepturach niektórych przetworów używa się wielofosforanów. Innym jego źródłem są również środki myjące oparte na związkach fosforu jak np. heksametafosforan sodowy, używane do mycia urządzeń i powierzchni roboczych. Przeciętne zawartości fosforu ogólnego w ściekach surowych zakładów mięsnych wahają się w granicach 10-20 g/m 3. Trzy podstawowe źródła zasolenia ścieków w zakładach mięsnych: dział obróbki skór, jeliciarnia i peklownia. NaCl ma w ściekach zakładów mięsnych zawsze największy procentowy udział w porównaniu z innymi substancjami rozpuszczonymi, jest powodem wysokiej agresywności ścieków wobec metali i betonu, zwłaszcza przy wartości ph < 6.0. Stanowi element najtrudniejszy do usuwania ze ścieków. Zasolenie zmniejsza nasycenie ścieków powietrzem. Sól kuchenna pogarsza warunki biologicznego oczyszczenia ścieków dokonywanego za pomocą fermentacji tlenowej, Utrudniają biologiczne oczyszczanie ścieków, bo utrudniają biochemiczną stabilizację, mniejsze znaczenie w ściekach przemysłu spożywczego, w tym zakładów mięsnych Gdy zawartość detergentów w ściekach przekracza stężenie 40 g / m 3, dyspergują one zawiesiny. Utrudniają tym samym oczyszczanie ścieków, szczególnie sedymentację i flotację ich zawiesin. Rozpuszczając tłuszcz na naskórku rąk pracowników, mogą przyczynić się do schorzeń skóry. Nie zawsze są szkodliwe dla zdrowia ludzkiego, lecz zawsze bakteriobójcze. Jako związki powierzchniowo czynne powodują spienienie ścieków. Piana utrudnia przenikanie tlenu do ich fazy rozpraszającej, a tym samym ich biologiczne oczyszczanie. Niekiedy występują w stężeniach bliskich temu, w którym detergenty hamują oczyszczenie ścieków dokonywane za pomocą 131
Drobnoustroje, pasożyty, mikrofauna fermentacji metanowej. Wśród istot żywych, wegetujących w ściekach, stwierdza się takie, które biorą udział w ich biologicznym oczyszczaniu oraz chorobotwórcze dla ludzi i zwierząt. Patogenną florę i faunę ścieków z zakładów mięsnych można podzielić na trzy grupy systematyczne. Są to: 1) wirusy patogenne, np. pryszczycy, pomoru świń, pomoru bydła (księgosuszu), kulawki świń, porażenia dziecięcego, wścieklizny, zakaźnej żółtaczki człowieka i ospy, 2) bakterie chorobotwórcze, np. Salmonella, cholery, leptospirozy różycy, gruźlicy, zgorzeli gazowej 3) pasożyty (głównie przewodu pokarmowego i płuc) i ich jaja, jak np. obleńców, glist, płazińców, tasiemców, itp. Populację saprofitycznych drobnoustrojów ścieków stanowią bakterie i grzyby, Populacja bakterii żyjących w ściekach, jest bardzo imienna. Zależy bowiem ona m.in. od składnika organicznego, który przeważa ilościowo jako składnik obciążenia i zaawansowania jego zmian. Mikrofauna ścieków jest reprezentowana przez pierwotniak, znajdują się w nich takie jaja robaków i larw Względy higieniczne oraz wymagana wysoka jakość żywności są nie tylko główną przyczyną dużego zużycia wody w przemyśle spożywczym i stosunkowo ograniczonych, w porównaniu z innymi gałęziami przemysłu, możliwości jej recyrkulacji. Wobec wymogu utrzymania odpowiedniej czystości i higieny przy produkcji i obrocie żywnością, co stanowi fundamentalny warunek zapewniania jej odpowiedniej jakości zdrowotnej, do ścieków zakładów spożywczych i dalej do środowiska, zwłaszcza wodnego, trafiają bardzo liczne związki związane z procesami mycia i dezynfekcji. Środki używane obecnie do tych celów to złożone wieloskładnikowe kompozycje związków powierzchniowo-czynnych, a także innych składników pomocniczych jak stabilizatory, polifosforany, borany, koloidy ochronne, związki kompleksujące jony metali ziem alkalicznych i ciężkich itp. Problem nieracjonalnej gospodarki środkami myjącymi i dezynfekującymi dotyczy bardzo wielu zakładów branży spożywczej, a ekologiczne skutki oddziaływania tych związków i produktów ich degradacji na środowisko naturalne są dzisiaj zarówno aktualnym tematem badawczym jak i problemem ważnym dla praktyki przemysłowej [ 9]. Chemiczne oczyszczanie ścieków przemysłu spożywczego Podsumowując uwagi przedstawione powyżej można stwierdzić, że na terenie zakładu spożywczego występują zazwyczaj ścieki o różnym charakterze obciążeń. Usuwanie poszczególnych składników ze ścieków jest tym łatwiejsze im większe są rozmiary rozproszonych zanieczyszczeń (tabela 2). Zróżnicowanie to motywuje stosowanie odmiennych technologii usuwania ze strumienia ścieków poszczególnych składników obciążeń. 132
Tab2 Podział zanieczyszczeń zawartych w ściekach w zależności od rozmiaru ich cząstek[ 4] Substancje Substancje Zawiesiny Zawiesiny łatwo rozpuszczone koloidalne opadające Rozmiar cząsteczek, µm. < 0.01 0.01-1.0 1-100 >100 Chemiczne wspomaganie procesu oczyszczania ścieków wiąże się z wieloma ciekawymi skutkami technologicznymi, które, powinny być każdorazowo przedmiotem badań i oddzielnej analizy. Polega na oddziaływaniu na technologię oczyszczania ścieków wybranymi reagentami chemicznymi, które ze względu na ich właściwości można podzielić na następujące grupy: (a) koagulanty i flokulanty, (b) środki dezynfekcyjne, (c) środki utleniające (d) reagenty do korekty odczynu ph, jak np. NaOH lub mleczko wapienne [10]. Spośród wymienionych warto skoncentrować się przede wszystkim na powszechnie stosowanej w praktyce oczyszczania ścieków zakładów spożywczych metodzie intensyfikowania oczyszczania ścieków metodą koagulacji lub flokulacji. Koagulacja jest to destabilizacja zawiesiny koloidalnej przy użyciu cząsteczek o wysokiej gęstości ładunku jonowego. Zachodzi ona poprzez działanie taką ilością kationów na zawiesinę koloidalną, która równa jest ładunkowi ujemnemu zgromadzonemu na drobinach zawiesiny. Mówiąc ogólnie, mechanizm działania koagulantów polega na zmniejszaniu elektrostatycznych sił odpychania między cząstkami i powiększaniu sił przyciągania (sił van der Waalsa). W rezultacie wzajemnego zobojętnienia się ładunków cząsteczek obciążeń ścieków i koagulantu, te pierwsze, wskutek działania sił grawitacji, wypadają z roztworu w postaci kłaczków o różnej wielkości, a ścieki stają się coraz bardziej klarowne [10]. Szybkość i skuteczność koagulacji zależy między innymi od rodzaju koagulantu, ph, temperatury, intensywności mieszania. Budowę większych kompleksów inicjuje neutralizacja ładunku powierzchniowego. Koagulanty reagują nie tylko powierzchniowo, ale również z wodą tworząc wodorotlenki (produkt końcowy). Powstające kłaczki sedymentują szybko i łatwo poddają się flotacji. Do najlepszych koagulantów nieorganicznych należą sole wielowartościowych metali, zwłaszcza żelaza i glinu np. FeSO 4, Al 2 (SO 4 ) 3, chlorki poliglinu, FeCl 3, a także Ca(OH) 2. Wybrane koagulanty nieorganiczne, pojedynczo lub w mieszaninie, działając w określonej dawce, przy odpowiednio dobranym stężeniu jonów wodoro- 133
wych (ph) posiadają kilka właściwości przydatnych w oczyszczaniu ścieków [10]: właściwości koagulujące, polegające na usuwaniu ze ścieków trudnoopadalnych zawiesin i koloidów, co powoduje zmniejszenie przede wszystkim ChZT, BZT 5 i zawartości ekstraktu eterowego, 3- właściwości strącania jonu ortofosforanowego PO 4 przez tworzenie trudnorozpuszczalnego osadu, właściwości wiązania siarkowodoru dla jonów żelaza przez tworzenie trudnorozpuszczalnych, nieszkodliwych siarczków; jest to szybka metoda usuwania toksycznego i powodującego korozję siarkowodoru ze ścieków w miejscach gdzie zachodzą procesy fermentacyjne np. kolektory, osadniki, komory fermentacyjne, zwalczania puchnięcia osadu czynnego powodowanego przez bakterie nitkowate wskutek zmiany stosunku P:N w osadzie czynnym, jak również przez koagulację tłuszczy lub blokowanie lipazy (enzymu) odpowiedzialnego za przyswajanie substratów przez te bakterie, przy stosowaniu wysokozasadowych chlorków poliglinu obserwowany jest niewielki spadek odczynu oczyszczanych ścieków, co umożliwia wyeliminowanie korekty ph ścieku wykonywanej tradycyjnie przy pomocy ługu sodowego; Do usuwania obciążeń ścieków znalazły zastosowanie również koagulanty organiczne takie jak: sproszkowany ług posiarczynowy (tzw. klutan), poliamina, polidadmac, kwas lignosulfonowy (uboczny produkt wytwarzania waniliny) i jego sole, wanilinian, siarczany alkilowe oraz kwasy arylosulfonowe. Innym procesem agregacji cząstek występujących w ściekach przemysłu spożywczego i przyspieszenia ich sedymentacji jest flokulacja. Flokulacją określa się proces łączenia cząstek o charakterze koloidu, w większe agregaty na skutek oddziaływania z dawkowanym do zawiesiny polimerem organicznym o wysokiej masie cząsteczkowej. Wiązania pomiędzy poszczególnymi cząstkami fazy stałej są silniejsze niż w przypadku koagulacji. Na przebieg flokulacji wpływa wiele czynników związanych z właściwościami stosowanego polimeru, właściwościami zawiesiny oraz parametrami hydrodynamicznymi procesu [6]. Jako substancje wywołujące flokulację znajdują obecnie zastosowanie substancje pochodzenia naturalnego jak żelatyny, alginiany, karageniany, chito- 134
san, jak również pochodne skrobi i celulozy. Jako flokulanty syntetyczne najczęściej stosuje się poliakryloamidy, kwasy poliakrylowe, tlenek polietylenu, alkohol poliwynylowy i ich pochodne. Spotykane w praktyce przemysłowej zawiesiny są różnorodne i wymagają doboru flokulantów o zróżnicowanych ciężarach cząsteczkowych, a w zależności od charakteru chemicznego grup funkcyjnych, rozmieszczonych wzdłuż łańcucha są to flokulanty kationowe, anionowe lub niejonowe [4,6]. Znaczenie oczyszczania chemicznego ścieków, w tym ścieków wytwarzanych w zakładach spożywczych, rośnie wraz ze wzrostem wymagań odnośnie ścieków oczyszczonych. Dobre efekty daje tu zarówno zastosowanie jedynie chemii, czyli tzw. strącania bezpośredniego (np. w połączeniu z flotacją DAF), jak i połączenie tradycyjnego oczyszczania biologicznego ze wspomaganiem chemicznym i realizowane jako strącanie symultaniczne, strącanie wstępne lub strącanie końcowe. Miejsce dozowania reagentów chemicznych w każdej z wymienionych metod wyjaśnia rysunek 1 [4]: Rys. 1 Cztery metody strącania chemicznego stosowane w praktyce oczyszczania ścieków (a) oczyszczanie metodą osadu czynnego (b) strącanie bezpośrednie (c) strącanie symultaniczne (d) strącanie wstępne W celu uzyskania informacji niezbędnych przy modernizacjach technologii oczyszczania ścieków, ułatwienia pracy projektantom, a także porównania różnych parametrów eksploatacyjnych związanych z wyborem jednej z wymienionych powyżej metod można sięgnąć po specjalistyczne oprogramowa- 135
nie komputerowe. Program symulacyjny udostępniony przez koncern KE- MIRA wylicza parametry oczyszczania ścieków, a ponadto porównuje kubatury różnych rozwiązań, ilości produkowanego osadu, dzienne zużycie energii itp.[1]. Poniżej przedstawione zostaną wyniki takiej porównawczej analizy chemicznego oczyszczania różnymi metodami w zastosowaniu do ścieków o parametrach typowych dla zakładów mięsnych. Program symulacyjny KEMIRA WATER - opis i przykład zastosowania Pracę z wykorzystaniem modułu symulacji rozpoczyna się od wprowadzenia liczb charakteryzujących wybrane parametry ścieków surowych. Dane wejściowe wymagane przez program to: wielkość przepływu ścieków surowych, biologiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT) chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT), całkowita zawartość fosforu, całkowita zawartość azotu, zawartość zawiesiny ogólnej. Stronę wprowadzania danych wejściowych do programu przedstawia się następująco: Przepływ RLM- liczba mieszkańców równoważnych Biologiczne zapotrzebowanie na tlen Chemiczne zapotrzebowanie na tlen Fosfor ogólny Azot ogólny Zawiesina ogólna Dla potrzeb niniejszego opracowania przyjęto przepływ badanych ścieków równy 1100 m 3 /d, o charakterystyce typowej dla ścieków technologicznych z zakładów mięsnych prowadzących ubój zwierząt rzeźnych (trzody chlewnej), rozbiór tusz oraz typową działalność przetwórczą obejmującą wytwarzanie kilkunastu rodzajów wędlin. Ścieki surowe z takich zakładów charakteryzują się następującymi parametrami jakościowymi [ ]: 136
BZT 5 [g O 2 /m 3 ] = 200 1800 (1500) * ChZT Cr [g O 2 /m 3 ] = 1000 3500 (2500) Ekstrakt eterowy [g/m 3 ] = 300-1000 Zawiesina ogólna [g/m 3 ] = 400-1500 (1300) Chlorki [g/m 3 ] = 200 1000 Substancje rozpuszczone [g/m 3 ] = 5000 18 000 Fosfor ogólny [g/m 3 ] = 10-20 (15) Azot ogólny [g/m 3 ] = 50 150 (120) * w nawiasach okrągłych podano wartości wprowadzone do programu symulacyjnego Zgodnie z celem pracy skoncentrowano się na pokazaniu głównych skutków wynikających z wprowadzenia do procesu oczyszczania ścieków wybranego koagulanta żelazowego (III). W praktyce przemysłowej do takiego typu ścieków stosuje się koagulanty żelazowe z rodziny PIX (np. PIX 111, 112 lub 113). Dawki stosowane w praktyce przemysłowej wahają się od 50 do 800 g/m 3 w zależności od realizowanego wariantu oczyszczania, koncentracji zanieczyszczeń i ich właściwości fizyko-chemicznych. Spośród opcji dostępnych w omawianym programie komputerowym do przykładowej analizy wytypowano: oczyszczanie mechaniczne (bez wspomagania chemicznego), strącanie bezpośrednie.( z dawką PIX 111 = 75 g/m 3 ), konwencjonalne oczyszczanie biologiczne (bez wspomagania chemicznego), strącanie wstępne (z dawką PIX 111 = 75 g/m 3 ). Wydruki z obliczeń wykonanych dla potrzeb niniejszego opracowania zestawiono zachowując ich oryginalny format. W tabeli 3 zestawiono wybrane obliczenia dla warunków określonych w omawianym przykładzie: 137
Tabela 3 Wyniki programu symulacyjnego dla zakładu mięsnego o przepływie ścieków 1100 m 3 /d dla 27500 mieszkańców równoważnych. Parametr 138 Oczyszczanie mechaniczne Strącanie bezpośrednie Konwencjonalne oczyszczanie biologiczne Strącanie wstępne Kubatura (m 3 ) 80 80 517.6 346 Parametry na wyjściu BZT (mg/l) 1050 375 150 150 P (mg/l) 12.75 1.5 6.75 1.5 N (mg/l) 114 108 102 102 Zawiesina ogólna (mg/l) 650 52 130 65 Zużycie energii na osad 0 0 990 330 czynny (kwh/d) Energia wyprodukowana 741 1422 1004 1447 z biogazu (kwh/d) Produkcja osadu (m 3 /d) 2.0 3.9 3.3 4.0 Produkcja osadu (tony suchej masy/d) 0.5 1.0 0.8 1.0 Jak wynika z powyższego zestawienia, dane uzyskane przy pomocy analizy komputerowej, potwierdziły, że wprowadzenie wybranego koagulanta żelazowego do technologii oczyszczania ścieków wiąże się z licznymi konsekwencjami zarówno w odniesieniu do jakości odpływających ścieków jak i gospodarki osadami. Jak widać przy porównaniu strącania bezpośredniego z oczyszczaniem mechanicznym ścieków o charakterystyce typowej dla zakładów mięsnych, przy odpowiednim dobraniu dawki i typu koagulanta, nie będzie stanowiło problemu uzyskanie znacznych redukcji BZT i zawiesiny ogólnej, a także wykonanie skutecznej defosfatacji ścieków, co ważne zachowując tę samą kubaturę oczyszczalni ( w przykładzie: 80 m 3 ). W bilansie masowym obydwóch porównywanych wariantów potwierdza się teza, że im lepiej oczyszczone ścieki, tym więcej osadu ( odpowiednio, 3,9 m 3 i 2,0 m 3 /dobę). Warto zauważyć, że w nowoczesnych oczyszczalniach gospodarka osadowa jest priorytetem, a koszty końcowego zagospodarowania osadów wiążą się z dążeniem do zmniejszenia jednostkowej produkcji osadów. Jest to bardzo trudny dla operatora oczyszczalni komunalnej odpad, szczególnie uciążliwy w obróbce biologicznej i mechanicznej. W przypadku oczyszczalni ścieków pochodzących z niektórych zakładów spożywczych, na ten problem można jednak spojrzeć inaczej. O ile w przypadku osadów pochodzących z procesów oczyszczania ścieków komunalnych mamy do czynienia z cechami, które często uniemożliwiają ich wykorzystanie rolnicze jak np. zwiększoną zawartość metali ciężkich i innych silnie toksycznych związków chemicznych
pochodzenia nieorganicznego lub organicznego, przemysł spożywczy generuje raczej osady o korzystnych właściwościach np. nawozowych. Również rozpatrywany przykład i porównanie energii wyprodukowanej z biogazu ( 741 kwh/d dla oczyszczania mechanicznego wobec 1422 kwh/d dla strącania bezpośredniego) potwierdza, że zbywanie takiego osadu do oczyszczalni posiadającej instalację do fermentacji metanowej (produkcji biogazu) będzie całkowicie zasadne. Zwłaszcza osady poflotacyjne, bogate w tłuszcze i białka, a więc właśnie z przemysłu mięsnego, a także drobiarskiego, rybnego lub gastronomii powinny być poddawane fermentacji metanowej. Są to bowiem osady wysoko-energetyczne, a ponadto, przy chemicznym wspomaganiu oczyszczania, zawierają one w sobie związki żelaza (lub glinu) i będą brały udział w defosfatacji chemicznej zmniejszając niepożądane zasilanie wewnętrzne procesów oczyszczania ścieków w fosfor. Równie korzystne dla idei chemicznego wspomagania oczyszczania ścieków są wnioski wynikające z porównania obliczeń komputerowych wykonanych dla wariantów, w których użycie koagulanta łączy się z biologicznym oczyszczaniem. Jak wiadomo, wstępne strącanie zapewnia obniżenie obciążenia biologicznego etapu oczyszczania, dając przede wszystkim bardzo dobre efekty w zakresie usuwania fosforu, ale również wysoką redukcję zawartości substancji organicznych. W rozpatrywanym przykładzie, w wyniku strącania wstępnego uzyskano też jednoznaczne zmniejszenie zużycia energii potrzebnej do pracy areatorów ( 330 kwh wobec 990 kwh/ dobę), a przede wszystkim istotne zmniejszenie kubatury oczyszczalni (346 m 3 wobec 517,6 m 3 ). Z tabeli wynika, że również w tym przypadku, realizując wariant kierowania osadów nadmiernych do obiektów gospodarki osadowej i produkcji biogazu można oczekiwać wymiernych korzyści energetycznych. W podsumowaniu do przedstawionego przykładu analizy procesów oczyszczania ścieków zakładów spożywczych z udziałem reagentów chemicznych, mimo znacznego uproszczenia przeprowadzonej dyskusji wyników, należy podkreślić, że oprogramowanie komputerowe ułatwiło dokonanie przeglądu wariantowych rozwiązań i wygenerowanie obliczeń pozwalających na ich wzajemne porównanie. Ponieważ w wielu przypadkach, za coraz większą cenę energii i kubatur, podejmuje się w ostatnich latach próby spełnienia rosnących wymogów dla ścieków oczyszczonych, warto po takie narzędzie sięgnąć i na drodze symulacji rozważyć modernizację w kierunku wprowadzenia skutecznego wspomagania chemicznego. Warto przypomnieć, że szacowane inną procedurą kom- 139
puterową tj. tzw. analizą cyklu życia (LCA) dane wyjściowe obejmujące transport, energię elektryczną, koagulanty, koszty konstrukcji betonowych itp. wskazały, że procesy oczyszczania ścieków metodami wspomaganymi chemicznie oddziaływają negatywnie na środowisko w stopniu znacznie mniejszym od konwencjonalnego oczyszczania biologicznego tych samych ścieków. Jak wspomniano na początku niniejszego opracowania, szacowane inną procedurą komputerową tj. tzw. analizą cyklu życia (LCA) dane wyjściowe obejmujące transport, energię elektryczną, koagulanty, koszty konstrukcji betonowych itp. wskazały, że wspomaganie chemiczne procesów oczyszczania ma charakter prośrodowiskowy. W przypadku ścieków pochodzących z przemysłu spożywczego, zwłaszcza z niektórych branż, trzeba mówić dzisiaj nie tylko o zagrożeniach, ale i korzyściach dla eksploatatorów oczyszczalni komunalnych, głownie w aspekcie wykorzystania niektórych ścieków jako taniego źródła zewnętrznego węgla. Obok ograniczeń w wyborze metod przeróbki osadów, zwłaszcza poprzez ich kompostowanie w przypadku wysokiej zawartości tłuszczów ( np. w osadach poflotacyjnych ze ścieków zakładów olejarskich lub osadach z zakładów przetwórstwa surowców pochodzenia zwierzęcego), warto podejmować próby wykorzystania ich potencjału energetycznego. W przypadku wszelkich ubojni i zakładów utylizacyjnych, głównym problemem pozostaje oczywiście stan sanitarny ścieków (i osadów), a niebezpieczne dla zwierząt i ludzi może być zarówno bakteriologiczne skażenie bakteriami patogennymi, wirusami, grzybami jak i obecność jaj helmintów jelitowych. Postulat skutecznej dezynfekcji ( ścieków) lub higienizacji (osadów) jest zatem głównym zadaniem do zrealizowania w najbliższym czasie. Nie kwestionując potrzeby starannej kontroli dostawców surowych ścieków technologicznych w zakresie wybranych parametrów ścieków doprowadzanych do oczyszczalni, należy zatem konsekwentnie tworzyć warunki do dialogu i stałej współpracy między stronami podczas uzgadniania szczegółowych warunków umów. Uświadamianie praktycznego znaczenia tej współpracy, w każdym wymiarze, także ekonomicznym musi mieć znaczenie priorytetowe. 140
1. OCZYSZCZANIE MECHANICZNE 141
2. STRACANIE BEZPOŚREDNIE 142
3. KONWENCJONALNE OCZYSZCZANIE BIOLOGICZNE 143
4. STRĄCANIE WSTĘPNE 144
Literatura 1. Hansen B.,2002, Chemiczne oczyszczanie ścieków stare i nowe zastosowania. W: Materiały konferencji naukowo-technicznej KEMIPOL Sp. z o.o., Kopenhaga, Dania str.10-22 2. Bartkiewicz B., 2002, Oczyszczanie ścieków przemysłowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 3. Pezacki W.,1991, Przetwarzanie surowców rzeźnych - wpływ na środowisko przyrodnicze, WN PWN Warszawa 4. Konieczny P., Uchman W., 1997.: Wybrane działy z technologii specjalizacyjnej: zakład mięsny a środowisko naturalne. Wyd. Akademii Rolniczej im A. Cieszkowskiego w Poznaniu, Poznań, 5. Konieczny P., Szymański M., 2007, Ścieki i osady z przemysłu spożywczego charakterystyka problemu w aspekcie zagrożeń i korzyści Zeszyty Komunalne 2(49) 35-40 - Przegląd Komunalny 2/2007 6. About water treatment, 2003, Ed. Kemira Kemwater, Helsingborg, Sweden 7. Konieczny P., Wójtowicz K. (2007): Analiza cyklu życia jako narzędzie oceny oddziaływania procesów oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych na środowisko, W: Materiały na seminarium naukowotechniczne: Różnorodność zastosowań chemii w oczyszczaniu ścieków, obróbce osadów i zwalczaniu odorów, Darłówek- Koszalin Słupsk, wrzesień 2007, Kemipol-Kemira, 178-192 8. Ustawa o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzeniu ścieków (Dz. U. 2001 nr 72 poz. 747 wraz z późniejszymi nowelizacjami) 9. Szymański M., Polcyn B., Konieczny P. (2006): Wpływ środków myjących i dezynfekcyjnych na jakość ścieków powstających w zakładach mięsnych, Aparatura Badawcza i Dydaktyczna, XI, 1, 2006, 38-45 10. Konieczny P., Szymański M. (2008): Różnorodność zastosowań chemii, str. 40-44 W: Oczyszczanie ścieków przemysłu spożywczego wybrane zagadnienia, Przegląd Komunalny - Zeszyty Komunalne 2(62)/2008. 145