Szara woda, koagulacja, elektrokoagulacja Sylwia JANISZEWSKA * PORÓWNANIE METOD KOAGULACJI I ELEKTROKOAGULACJI W OCZYSZCZANIU MODELOWEJ SZAREJ WODY Szara woda jest to woda nieznacznie zanieczyszczona przez ludzką działalność, która po odpowiednim podczyszczeniu może ponownie zostać wykorzystana: do spłukiwania toalet, podlewania roślin ogrodowych oraz do celów porządkowych. Celem oczyszczania szarej wody jest zmniejszenie zużycia wody do picia. Szara woda stanowi od 50 do 80% ilości ścieków w tradycyjnym gospodarstwie domowym. Wytwarzana jest podczas domowych procesów takich jak: mycie naczyń, kąpiel, pranie, dlatego potocznie nazywana jest miejskimi ściekami. W jej skład wchodzą przede wszystkim detergenty: mydła, proszki do prania, szampony. Do fizyczno-chemicznych metod oczyszczania szarej wody zaliczamy koagulację i elektrokoagulację. Proces elektrokoagulacji posiada wiele zalet związanych z prostotą obsługi aparatury, a także ze zmniejszeniem kosztów. Metoda ta może stać się konkurencyjna dla koagulacji chemicznej. W pracy porównano efektywność procesu elektrokoagulacji z wykorzystaniem elektrod aluminiowych, jako metody oczyszczania ścieków modelowych, ze standardowym procesem koagulacji. Badania z wykorzystaniem ścieków modelowych były prowadzone w warunkach laboratoryjnych. Wyniki przeprowadzonych badań pozwoliły określić skuteczność danych procesów oraz określić przydatność oczyszczonej wody do ponownego jej wykorzystania. W tym celu wykonano podstawowe oznaczenia dla ścieków: ChZT, mętność, OWO, Nog. 1. WSTĘP Elektrokoagulacja, jako metoda oczyszczania ścieków, posiada wiele zalet związanych z prostotą i łatwością jej obsługi. Daje ona nowe możliwości zmniejszenia kosztów oczyszczania szarej wody. W literaturze opisanych jest wiele przypadków oczyszczania ścieków np. włókienniczych [2, 5], zawierających * Politechnika Łódzka, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska, Al. Politechniki 6, 90-924 Łódź.
224 S. JANISZEWSKA ortofosforany [8], oraz z zakładów celulozowo-papierniczych [7]. Badania te wskazują, że elektrokoagulacja może stać się alternatywą dla konwencjonalnego procesu koagulacji. Proces koagulacji zapewnia wysoki stopień usunięcia koloidów, zawiesin trudno opadających, mikrozanieczyszczeń [4]. W procesie koagulacji dozowanie koagulantu powoduje jednak wtórne zanieczyszczenie ścieków jonami reszt kwasowych dozowanych soli. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie elektrokoagulacji [3, 1]. Proces elektrokoagulacji jest podobny do koagulacji chemicznej, ale w tej metodzie koagulant jest wytwarzany bezpośrednio w reaktorze podczas zachodzącej reakcji jonów wydzielonych z elektrod metalowych pod wpływem prądu stałego miedzy elektrodami zanurzonymi w środowisku wodnym [6]. Procesy przebiegające na powierzchni elektrody prowadzą do stopniowego rozpuszczania elektrody zgodnie z reakcją: 2Al 6ē 2Al 3+ Zachodzącemu procesowi towarzyszy wydzielenie się wodoru na katodzie w postaci atomowej lub cząsteczkowej w zależności od ph badanych ścieków. 1,5O 2 + 3H 2 O + 6ē 6OH Zarówno jony glinu jak i wodór zostają wykorzystane do oczyszczania ścieków. Powstające jony glinu (III) tworzą tlenki, wodorotlenki lub sole, podobnie jak ma to miejsce w standardowej koagulacji. Różnica jednak polega na tym, że w procesie elektrokoagulacji wymusza się utlenianie glinu za pomocą prądu, a w przypadku standardowej koagulacji proces ten przebiega samorzutnie. 2. CEL I ZAKRES PRACY Badania zostały przeprowadzone w celu porównania efektów oczyszczenia modelowej szarej wody sporządzonej w laboratorium, z wykorzystaniem dwóch metod: elektrokoagulacji (zastosowanie procesu elektrochemicznego z użyciem prądu stałego) oraz koagulacji (zastosowanie koagulantu). Ponadto w pracy podjęto zagadnienie ustalenia optymalnej dawki koagulantu w procesie koagulacji, a w procesie elektrokoagulacji - wyznaczenia optymalnego czasu procesu oraz zużycia prądu do oczyszczenia badanej wody. Zakres niniejszej pracy obejmował oznaczenie podstawowych parametrów charakteryzujących ścieki: mętności, detergentów, ChZT, OWO, N og.
Porównanie metod koagulacji i elektrokoagulacji w oczyszczaniu modelowej szarej wody 225 3. MATERIAŁ I METODY Do badań użyto modelową szarą wodę wytworzoną laboratoryjnie. W skład szarej wody wchodziła: pasta do zębów (1,5 g/l), żel pod prysznic (0,4 g/l), szampon do włosów (0,4 g/l), proszek do prania (0,4 g/l), mydło w płynie (1 g/l), mleczko do czyszczenia (0,4 g/l). W pierwszym etapie pracy zastosowano metodę koagulacji z zastosowaniem siarczanu glinu jako koagulantu. Koagulacja była prowadzona przy stałej wartości ph = 6,0. Sam proces był prowadzony w trzech etapach: - Szybkie mieszanie 3 min. - Wolne mieszanie 5 min. - Czas sedymentacji 30 min. Następnie przeprowadzono sączenie na sączkach bibułowych twardych w celu odsączenia powstałej zawiesiny. W przefiltrowanej wodzie wykonano oznaczenia: mętności, detergentów, ChZT, OWO, N og. W drugim etapie pracy zastosowano metodę elektrokoagulacji wykorzystując dwumiejscowy elektrolizer Sp. Pracy Metalowców Nysa typ EP-4. Zestaw ten zawierał: mieszadło magnetyczne, podgrzewacz oraz regulowane źródło prądu. Podstawowe parametry urządzenia są następujące: - Elektrody płytka aluminiowa, kształt prostokątny. - Wymiary elektrod - 2 mm x 50 mm x 110 mm. - Przestrzeń pomiędzy elektrodami podłączonymi do aparatury -10 mm. - Reaktor - zlewka o pojemności 500 ml o wymiarach 70 mm x 70 mm x 150 mm Elektrokoagulację szarej wody przeprowadzono przy trzech wartościach napięcia: 10, 20 i 26 V w czterech różnych czasach: 5, 15, 30 i 60 minut. Mieszanie próbki było prowadzone dla wszystkich pomiarów przy jednakowej prędkości. Po przeprowadzonym procesie modelowe ścieki przefiltrowano przez sączek bibułowy twardy i oznaczono podstawowe parametry charakterystyczne dla ścieków: ChZT, mętność, detergenty, OWO, N og. 4. WYNIKI Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń porównano efekty oczyszczania ścieków stosując metodę koagulacji i elektrokoagulacji. W obu przypadkach stosowano te same ścieki syntetyczne. Badania były prowadzone w tych samych warunkach laboratoryjnych. Różnica związana była z tym, że w przypadku elektrokoagulacji koagulant był wytwarzany bezpośrednio w reaktorze pod wpływem prądu elektrycznego, natomiast w procesie koagulacji koagulant był dodawany do oczyszczanej wody.
226 S. JANISZEWSKA Podczas prowadzenia koagulacji ph ścieków było stałe i wynosiło 6,0. Natomiast w procesie elektrokoagulacji ph szarej wody rosło wraz z czasem prowadzonego procesu. Według literatury, w różnym ph środowiska mogą powstawać różnego rodzaju tlenki i wodorotlenki glinu, co może powodować efekt wtórnego zanieczyszczania ścieków oczyszczonych związkami glinu. Rys. 1. Zależność ph od czasu elektrokoagulacji Obie metody wprowadzają do badanej wody różną ilość jonów glinu. W procesie koagulacji dawki koagulantu były określone. Natomiast w procesie elektrokoagulacji jony glinu pochodziły z rozpuszczania się z elektrod w czasie badanego procesu, co obrazuje rys. 2. Rys. 2. Glin rozpuszczony w czasie elektrokoagulacji
Porównanie metod koagulacji i elektrokoagulacji w oczyszczaniu modelowej szarej wody 227 W metodzie koagulacji objętościowej siarczanem glinu odnotowano spadek poszczególnych parametrów charakteryzujących ścieki wraz ze wzrostem dawki koagulantu (rys. 3). Zauważono, że mętność została obniżona o ok. 50%. Najwyższą skuteczność usunięcia detergentów (ok. 70%) uzyskano przy zastosowaniu najniższej dawki koagulantu, tj. 40 mg/dm 3. W przypadku pozostałych dawkach koagulantu, usunięcie detergentów wyniosło ok. 50%. Można zauważyć, że największy ubytek OWO i azotu ogólnego zachodzi przy dawce koagulantu równej 100 mg/dm 3. Największy stopień usunięcia ChZT (ok. 82%) uzyskano przy dawce równej 140 mg/dm 3. Przy pozostałych dawkach usunięcie ChZT było w przedziale od 50-60%. Rys. 3. Zależność parametrów charakteryzujących ścieki od dawki koagulantu Porównując oba badane procesy można zauważyć, że w procesie elektrokoagulacji osiąga się lepszy efekt oczyszczenia szarej wody (tabela 1). W przeprowadzonych badaniach uzyskano usunięcie mętności o ok. 70%. Znaczne zmniejszenie mętności (o ok. 80%) odnotowano stosując najniższe napięcie (10 V) w czasie 30 minut. Największe efektywne usunięcie mętności odnotowano przy zastosowaniu napięcia 26 V w czasie 60 minut. W przypadku detergentów, przy zastosowaniu najniższego napięcia, uzyskano ponad 50% ich usunięcia w czasie 5 minut. Zastosowanie napięcia 10 V w ciągu 30 minut spowodowało usunięcie detergentów w 99%. Całkowite usunięcie detergentów uzyskano przy 20 i 26 V w czasach, odpowiednio, 30 i 60 minut. Z kolei, największy ubytek OWO (50%) uzyskano przy 26 V w czasie 1 h. Za pomocą procesu elektrokoagulacji uzyskano ok. 90% redukcję N og. Najwyższą skuteczność usunięcia azotu ogólnego uzyskano dla napięcia 20 i 26 V w czasie 30 minut (ok. 50%). Natomiast całkowite usunięcie ChZT odnotowano w przypadku zastosowania napięcia maksymalnego w czasach 30 i 60 minut.
228 S. JANISZEWSKA Tabela 1. Efekty procesu elektrokoagulacji Nr próbki Wartość napięcia [V] Czas [min] Mętność [NTU] Detergenty OWO Nog ChZT 1 10 5 14,60 2,00 86,37 2,02 380 2 15 6,30 2,10 72,57 1,50 260 3 30 4,66 0,08 76,26 1,44 100 4 60 4,68 0,13 67,66 1,33 60 5 20 5 6,18 4,40 76,46 1,46 320 6 15 10,70 1,60 65,13 1,44 280 7 30 5,94 0,01 67,42 1,19 40 8 60 7,42 0,00 68,10 1,20 20 9 26 5 15,90 2,50 75,42 1,43 260 10 15 15,70 2,10 67,06 1,37 220 11 30 6,41 0,00 70,66 1,23 0 12 60 2,34 0,00 57,23 1,21 0 Ścieki 15,70 5,40 104,10 2,23 360 5. WNIOSKI Porównując wybrane metody oczyszczania szarej wody można zauważyć, że zarówno proces elektrokoagulacji oraz koagulacji daje dobre efekty oczyszczania. Proces elektrokoagulacji okazał się bardziej skuteczną metodą. W procesie tym uzyskano całkowite usunięcie ChZT oraz detergentów. Korzystne efekty usuwania zanieczyszczeń z szarej wody uzyskano przy zastosowaniu napięcia 20 i 26 V w czasie 30 i 60 min. Uzyskano ok. 50% zmniejszenie OWO, mętności oraz N og. Pozwala to sądzić, że metoda elektrokoagulacji będzie coraz częściej uznawana jako alternatywa dla konwencjonalnego procesu koagulacji. LITERATURA [1] BAYRAMOGLU M. I IN., Operating cost analysis of electrocoagulation of textile dye wastewater, Separation and Purification Technology, 2004, Vol. 37, 117 125. [2] CIARDELLI G. I IN., The treatment and reuse of wastewater in the textile industry by means of ozonation and electrocoagulation, Water Research, 2001, Vol. 35, 567 572. [3] IRDEMEZ S., I IN., The effects of current density and phosphate concentration on phosphate removal from wastewater by electrocoagulation using aluminum and iron plate electrodes, Separation and Purification Technology, 2006, Vol. 52, 218 223. [4] KALETA J., Proces koagulacji w usuwaniu wybranych zanieczyszczeń organicznych z roztworów wodnych, Zeszyt naukowy Politechniki Rzeszowskiej, 2007. [5] LIN S.H. I IN., Continuous treatment of textile wastewater by combined coagulation, electrochemical oxidation and activated sludge, Water Research, 1996, Vol. 30, No. 2, 587 592.
Porównanie metod koagulacji i elektrokoagulacji w oczyszczaniu modelowej szarej wody 229 [6] MIELCZAREK K., I IN., Oczyszczanie ścieków koksowniczych z zastosowaniem procesu koagulacji, Nauka Przyroda Technologie, 2011, Vol. 5, No. 4, 1965 1984. [7] SMOCZYŃSKI L., I IN., Electrocoagulation of pulp and paper wastewater in a recirculation system, Polish Journal of Natural Sciences, 2002, Vol. 12, No. 3, 293 301. [8] WYSOCKA I., I IN., Porównanie efektów usuwania ortofosforanów ze ścieków metodą elektrokoagulacji i metodą roztwarzania metali, Ochrona Środowiska, 2011, 1915 1926. COMPARISON OF COAGULATION METHODS AND ELECTROCOAGULATION IN THE TREATMENT OF GREY WATER Grey water is water slightly polluted by human activity, which, after appropriate treatment, can be used again: to flush the toilets, for watering garden plants and for cleaning. The aim of grey water treatment is to reduce potable water consumption. Grey water consists of 50-80% of waste water in a traditional home. It is produced during domestic processes such as dishes washing, bathing, washing, and therefore it is commonly called "urban waste water". It is composed mainly of detergents: soap, washing powder and shampoo. There are two types of physico-chemical treatment methods which are gray water chemical coagulation and electrocoagulation. The biggest advantages of the electrocoagulation process are the simple usage of the equipment and the reduction of the economic costs. This method may become competitive to the Chemical coagulation method. The study compared the effectiveness of electrocoagulation process using aluminum electrodes as a method of wastewater treatment model with standard gray water coagulation. Studies of wastewater samples were carried out in laboratory conditions. The results of this study helped to determine the effectiveness of those processes and the suitability of treated water for re-usage. For this purpose, the determinations were made for the basic treatment: COD, turbidity, TOC, N og.