Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2006) WOJCIECH BALCERZAK, BARTOSZ ŁUSZCZEK Politechnika Krakowska, Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Ochrony Środowiska ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków BADANIA PILOTOWE JAKO METODA DOBORU WĘGLA AKTYWNEGO W PROCESIE UZDATNIANIA WODY Przedstawiono problemy związane z zastosowaniem wyników badań pilotowych do rozwiązywania zagadnień technologicznych dotyczących jakości uzdatnianej wody. Omówiono wyniki badań uzyskanych na stacji pilotowej pracującej w układzie technologicznym, obejmującym procesy: koagulacji, sedymentacji, ozonowania pośredniego, filtracji na filtrze piaskowym oraz na filtrach węglowych. Jako wypełnienie filtrów węglowych stosowano węgle formowane i ziarniste. Przeanalizowano zmianę jakości wody po przejściu przez filtry węglowe. Dokonano oceny efektywności działania badanych układów i wybrano optymalny rodzaj węgla. SŁOWA KLUCZOWE: badania pilotowe, uzdatnianie wody, węgiel aktywny WSTĘP Ocena realności technologicznej uzdatniania coraz bardziej zanieczyszczonych wód, jak i celowości ekonomicznej stosowania poszczególnych wysoko efektywnych procesów, wymaga w wielu przypadkach prowadzenia kompleksowych i wieloetapowych prac badawczych. Badania technologiczne służą do znalezienia najwłaściwszego sposobu uzdatniania, do określenia parametrów procesów, doboru urządzeń, w których mają być prowadzone i wzajemnych powiązań między nimi. Można rozróżnić trzy rodzaje badań technologicznych: badania testowe, badania techniczne, badania mode-lowe. Badania testowe prowadzone są w warunkach sztucznych. Polegają na imitowaniu określonych zabiegów w standardowych aparatach laboratoryjnych i wyznaczaniu charakterystycznych wielkości opisujących badane procesy. Badania techniczne prowadzone są na eksploatowanych urządzeniach stacji uzdatniania wody. Badania modelowe (badania w skali ułamkowo-technicznej) polegają na odwzorowaniu przebiegu operacji jednostkowych lub połączonych operacji technologicznych w urządzeniach pomniejszonych w stosunku do wielkości urządzeń technicznych do uzdatniania wody. Zakres tych badań może obejmować: badanie modelowe operacji jednostkowych, badania modelowe elementów, badania kompleksowe - stacje pilotowe [1-3].
214 W. Balcerzak, B. Łuszczek Stacja pilotowa jako przykład badań modelowych Stacje pilotowe są niezbędne do realizacji wielu prac rozwojowych, między innymi związanych z rozwojem nowych procesów, technologii i urządzeń do uzdatniania wody oraz do badania efektów oczyszczania dla szeregu kombinacji struktur systemu technologicznego. Stacja pilotowa powinna być możliwie najbardziej zbliżona do zakładu uzdatniania zarówno pod względem urządzeń, jak i procesów technologicznych oraz sposobu eksploatacji [3]. Na stacjach pilotowych wykorzystuje się nowoczesne urządzenia technologiczne do prowadzenia procesów, jak również nowe techniki, a także środki sterowania tymi skomplikowanymi urządzeniami. Badania na stacji pilotowej umożliwiają: zwiększenie prawdopodobieństwa, że urządzenia zaprojektowane na podstawie badań będą bliższe optymalnym dla danych warunków, wykonanie prób niedopuszczalnych dla znajdującej się w ruchu instalacji, uzyskanie informacji, jak udoskonalić procesy uzdatniania wody w istniejącym układzie technologicznym, właściwy wybór i realizację inwestycji modernizacyjnych, optymalizację procesów technologicznych i kosztów uzdatniania wody. 1. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem pracy było wykonanie badań dla określenia przydatności stosowania wybranych węgli aktywnych w procesie adsorpcji współpracującym z procesem ozonowania pośredniego. Badania przeprowadzono na stacji pilotowej zlokalizowanej w ZUW Rudawa (rys. 1) [4]. Woda do stacji pilotowej dostarczana była z układu technologicznego ZUW Rudawa po procesach koagulacji i sedymentacji. Układ badawczy stacji pilotowej obejmował następujące procesy: ozonowanie pośrednie, filtrację przez złoże piaskowe, filtrację przez 4 różne złoża węglowe. Woda z osadnika (po koagulacji) doprowadzana była do stacji pilotowej, gdzie do wody wprowadzany był ozon wytwarzany przez generator (GO). Następnie mieszanina ozonu z wodą przepływała przez mieszacz statyczny do komory kontaktowej (KK), z kolei woda podnoszona jest na filtr piaskowy (FP), skąd po przefiltrowaniu doprowadzana była do komory wyrównawczej (KW). Po komorze wyrównawczej strumień wody rozdzielany był na 4 filtry węglowe (FW). Woda przefiltrowana odprowadzana była do zbiorników przelewowych. Do transportu wody użyto pomp Grundfos UPS 25-60. Do pomiaru natężenia przepływu wody zastosowano przepływomierz elektromagnetyczny MPP DN10mm, umieszczony na przewodzie doprowadzającym wodę z osadnika, oraz rotametry zlokalizowane przed mieszaczem statycznym, przed filtrami węglowymi oraz na przewodzie doprowadzającym ozon do rurociągu z wodą.
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody 215 Przelewy FW IV FW III FW II FW I FP I O1 M Mieszacz statyczny Rotametry do pomiaru przepływu gazu Rotametr KW KK GO Przepływomierz elektromagnetyczny MPP DN 10mm Doprowadzenie wody z osadnika Przelew Generator ozonu Ozomatic LAB 802 P3 P2,O2 P1 P7 Zbiornik V = 450 l P6 Zbiornik V = 450 l P5 P4 Pompy Grundfos UPS 25-60 Pompa wody do płukania Doprowadzenie wody z sieci i powietrza do płukania Przewody prowadzące wodę Przewody prowadzące wodę i powietrze do płukania Przewody prowadzące ozon FW - Filtr węglowy FP - Filtr piaskowy KK - Komora kontaktowa KW - Komora wyrównawcza P - punkty poboru prób O - punkty poboru prób na ozon GO - Generator ozonu Rys. 1. Schemat stacji pilotującej Punkty poboru prób zlokalizowano na przewodzie doprowadzającym wodę z osadnika, przed i za komorami kontaktowymi, za filtrami piaskowymi oraz w zbiornikach przelewowych (za filtrami węglowymi). Zainstalowano też układ odprowadzający ozon resztkowy z komory kontaktowej. Podstawowe parametry pracy stacji pilotowej: - wydajność stacji 0,58 m 3 /h - uziarnienie filtru piaskowego 0,5 1,0 mm - prędkość filtracji na złożu piaskowym ok. 8,2 m 3 /(m 2 h) - intensywność płukania filtrów piaskowych powietrzem ok. 20 m 3 /(m 2 h) - intensywność płukania filtrów piaskowych wodą ok. 12 m 3 /(m 2 h) - częstotliwość płukania filtru piaskowego - 2 razy na dobę - uziarnienie filtrów węglowych 0,6 2,4 mm - prędkość filtracji na filtrach węglowych ok. 5,7 m 3 /(m 2 h) - częstotliwość płukania filtrów węglowych - 1 raz na dwie doby - intensywność płukania filtrów węglowych powietrzem ok. 40 m 3 /(m 2 h) - intensywność płukania filtrów węglowych wodą ok. 15 m 3 /(m 2 h) - średni czas kontaktu ozonu z wodą ok. 12 min - stosowane dawki ozonu 0,8 1,0 mgo 3 /dm 3 W tabeli 1 zestawiono podstawowe parametry badanych węgli aktywnych [5]. TABELA 1. Parametry badanych węgli aktywnych podawane przez producentów Nr kolumny I II III IV Surowiec w. kamienny w. kamienny w. kamienny w. kamienny
216 W. Balcerzak, B. Łuszczek Uziarnienie, mm 0,6 2,36 0,6 2,4 0,6 2,36 0,6 2,36 Powierzchnia właściwa BET, m 2 /g 1000 1100 1100 1000 Liczba jodowa min., mg/g 950 1050 1050 1050 950 Liczba metylenowa 24 20 28 26 28 Masa nasypowa po płukaniu i wysuszeniu, kg/m 3 460 brak danych 410 460 Zawartość popiołu (max), % 6 8 brak danych brak danych 2. METODYKA PROWADZONYCH BADAŃ Próbki pobierano w okresie prowadzenia badań codziennie w sposób umożliwiający ocenę jakości wody po każdym procesie jednostkowym w następujących miejscach układu technologicznego: woda z rzeki Rudawy, woda po osadniku pokoagulacyjnym, woda po komorze kontaktowej (KKI), woda po filtrze piaskowym I (FPI), woda po filtrze węglowym I (FW I), woda po filtrze węglowym II (FWII), woda po filtrze węglowym III (FWIII), woda po filtrze węglowym IV (FWIV). Zakres i metodyka oznaczeń fizykochemicznych: Ogólny węgiel organiczny (OWO) - w analizatorze OWO SKALAR po usunięciu zawiesiny na drodze wirowania i węgla nieorganicznego poprzez zakwaszenie próbki kwasem fosforowym i przedmuchanie powietrzem syntetycznym Absorbancja UV - przy użyciu spektrofotometru UNICAM z zastosowaniem długości fali 254 nm Mętność - metodą nefelometryczną ph - metodą potencjometryczną Utlenialność - metodą miareczkową Barwa - metodą spektrometryczną Temperatura - metodą termometryczną Chlor pozostały - metodą miareczkową Oznaczenia wykonywano natychmiast po pobraniu próbek, z wyjątkiem oznaczenia OWO. Z tego względu próbki do oznaczenia OWO były utrwalane kwasem fosforowym. 3. ZESTAWIENIE I ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Badania przeprowadzono w dwóch etapach (tab. 2). W pierwszym etapie wykonano badania określające efektywność działania układu technologicznego z zastosowaniem ozonowania pośredniego, filtracji przez filtr piaskowy i adsorpcji na
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody 217
218 W. Balcerzak, B. Łuszczek
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody 219 4 filtrach wypełnionych różnymi gatunkami węgla aktywnego. W badaniach tak dobierano początkową dawkę ozonu, aby jego stężenie w wodzie przed filtrem piaskowym było poniżej 0,1 mgo 3 /dm 3. W drugim etapie wykonano badania mające na celu sprawdzenie efektywności dobranej dawki ozonu w procesie ozonowania wstępnego współpracującego z opisanym wcześniej układem technologicznym. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę wybranych wskaźników jakości wody. Barwa średnia wartość tego wskaźnika dla wody surowej wynosiła 10,8 mgpt/dm 3 w pierwszym etapie i 11,8 mgpt/dm 3 w drugim etapie, proces wstępnego uzdatniania wody obniżał wartość barwy o około 68 do 77%, tj. do poziomu 2,7 3,4 mgpt/dm 3, barwa wody po wszystkich filtrach węglowych była na stałym poziomie i wynosiła około 1 mgpt/dm 3. Utlenialność (rys. rys. 2 i 3) średnia wartość tego wskaźnika dla wody surowej wynosiła około 2 mgo 2 /dm 3, proces wstępnego uzdatniania wody obniżał wartość utlenialności o około 44 do 61%, tj. do poziomu 0,85 1,0 mgo 2 /dm 3, efektywność usuwania tego wskaźnika dla filtrów węglowych wahała się od 46 do 74%, największą efektywność - 74% wykazywał filtr węglowy nr IV. Absorbancja UV (rys. rys. 2 i 3) średnia wartość tego wskaźnika dla wody surowej wynosiła w pierwszym etapie 5,2 i 7,1 1/m w etapie drugim, 100 90 Stopień zmniejszenia wartości wskaźnika [%] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Utlenialność Absorbancja UV OWO Filtr węglowy I Filtr węglowy II Filtr węglowy III Filtr węglowy IV Rys. 2. Skuteczność zmniejszania wartości wybranych wskaźników - I seria
220 W. Balcerzak, B. Łuszczek Stopień zmniejszenia wartości wskaźnika [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Utlenialność Absorbancja UV OWO Filtr węglowy I Filtr węglowy II Filtr węglowy III Filtr węglowy IV Rys. 3. Skuteczność zmniejszania wartości wybranych wskaźników - II seria proces wstępnego uzdatniania wody obniżał wartość absorbancji o około 53 do 58% poziomu 2,4 3,0 1/m, efektywność usuwania tego wskaźnika dla filtrów węglowych wahała się od 52 do 89%, największą efektywność - 89% wykazywał filtr węglowy nr IV, najmniejsze zmiany efektywności usuwania absorbancji w zależności od całkowitej ilości wody, która przepłynęła przez złoże wykazywał filtr węglowy nr IV. OWO (rys. rys. 2 i 3) średnia wartość tego wskaźnika dla wody surowej wynosiła 2,1 mgc/dm 3 w pierwszym etapie i 1,8 mgc/dm 3 w drugim etapie, proces wstępnego uzdatniania wody obniżał wartość OWO o około 26 do 53%, tj. do poziomu 1,2 1,7 C/dm 3, efektywność usuwania tego wskaźnika dla filtrów węglowych wahała się od 26 do 53%, największą efektywność - 53% wykazywał filtr węglowy nr IV. porównanie zależności ładunku usuniętego od ładunku doprowadzonego (krzywa kumulacyjna) wykazuje, że najwyższą efektywnością usuwania odznacza się filtr węglowy nr IV (rys. rys. 4 i 5). Chlor pozostały Wykonano w skali laboratoryjnej badania nad zawartością chloru pozostałego w celu: określenia zużycia utleniacza na utlenienie związków łatwo utleniających się w wodzie poddanej procesowi ozonowania, a następnie filtracji na złożu piaskowym oraz na złożach węglowych,
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody 221 określenia niezbędnej dawki chloru zapewniającej w wodzie po 24 h kontaktu uzyskanie koniecznego stężenia chloru użytecznego. 1,8 1,6 Ładunek usunięty [gc/dm 3 węgla] 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Ładunek doprowadzony [gc/dm 3 węgla] Filtr węglowy I Filtr węglowy II Filtr węglowy III Filtr węglowy IV Rys. 4. Kumulacyjne zależności ładunku OWO usuniętego na filtrach węglowych od doprowadzonego ładunku OWO 1,4 1,2 Ładunek usunięty [gc/dm 3 węgla] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Ładunek doprowadzony [gc/dm 3 węgla] Filtr węglowy I Filtr węglowy II Filtr węglowy III Filtr węglowy IV Rys. 5. Kumulacyjne zależności ładunku OWO usuniętego na filtrach węglowych od doprowadzonego ładunku OWO - II seria
222 W. Balcerzak, B. Łuszczek Oznaczono zawartość chloru pozostałego po 24 h. Na podstawie uzyskanych wyników określono średnie zużycie utleniacza na procesy utleniania. Zapotrzebowanie chloru dla tego okresu po 24 h było na poziomie: 1,05 mgcl 2 /dm 3 dla wody po filtrze piaskowym, 0,23 0,54 mgcl 2 /dm 3 dla wody po filtrach węglowych (wartość 0,23 mgcl 2 /dm 3 dotyczy filtra z węglem nr IV). Maksymalne zużycie chloru w tym okresie po czasie 24 h było na poziomie: 0,26 mgcl 2 /dm 3 - dla wody po filtrze piaskowym, 0,11 0,14 mgcl 2 /dm 3 - dla wody po filtrach węglowych (wartość 0,23 mgcl 2 /dm 3 dotyczy filtra z węglem nr IV). Otrzymane wyniki wykazują, że: optymalna dawka ozonu przy stosowaniu procesu ozonowania przed procesem filtracji wynosi około 1 mgo 3 /dm 3. Przy dawce tej stężenie pozostałego ozonu w wodzie wynosiło około 0,05 mgo 3 /dm 3, największą efektywność usuwania w zakresie badanych wskaźników wykazał filtr wypełniony węglem aktywnym nr IV, najmniejsze zapotrzebowanie na chlor wykazała woda po filtrze wypełnionym węglem aktywnym nr IV. Zależność pomiędzy absorbancją UV i OWO W celu oceny charakteru zachodzących w trakcie procesu przemian związków organicznych rozpatrzono wartość proporcji AbsUV p OWO Wybrano ten sposób interpretacji, ponieważ wskaźniki te opisują różne cechy związków organicznych: oznaczenie absorbancji UV obejmuje przede wszystkim związki o złożonej budowie chemicznej, zawierające na przykład wiązania wielokrotne lub cykliczne, w tym przede wszystkim związki zawierające pierścień aromatyczny, oznaczenie OWO obejmuje wszystkie rozpuszczone związki organiczne, zatem również te o prostej budowie, nieoznaczane jako absorbancja UV. Wartości tej proporcji wyniosły: Etap I Etap II - woda surowa 2,57 4,17 - woda po osadniku 2,17 3,58 - woda po komorze kontaktowej 1,78 3,19 - woda po filtrze piaskowym 1,50 2,52 - woda po filtrze węglowym nr I 0,55 1,71 - woda po filtrze węglowym nr II 0,59 1,85 - woda po filtrze węglowym nr III 0,61 1,82 - woda po filtrze węglowym nr IV 0,31 0,89
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody 223 Widoczne jest wyraźne obniżenie wartości proporcji AbsUV/OWO wzdłuż badanego ciągu technologicznego zarówno w etapie I, jak i w etapie II przeprowadzonych badań. Znaczne obniżenie tej wartości obserwuje się w wodzie po procesach adsorpcji na węglach aktywnych. Szczególną uwagę zwraca wartość tej proporcji dla filtru węglowego nr IV, co potwierdza jego wysoką efektywność. WNIOSKI Badania technologiczne nad zastosowaniem sorpcji na wybranych węglach aktywnych wykonane na wodzie poddanej uprzednio procesowi koagulacji, sedymentacji, ozonowania i filtracji na złożu piaskowym wykazały, że jego zastosowanie pozwala zwiększyć efektywność działania istniejącego układu technologicznego. Analiza otrzymanych wyników wykazała, że najlepsze efekty w zakresie usuwania wszystkich badanych wskaźników wykazuje węgiel aktywny nr IV. W trakcie badań nie uzyskano wysycenia badanych węgli ładunkiem usuwanych zanieczyszczeń ze względu na stosunkowo krótki czas trwania badań, a co za tym idzie nieznaczny ładunek zanieczyszczeń usunięty w procesie sorpcji. Zdecydowane obniżenie wartości proporcji Abs-UV/OWO obserwowano wzdłuż całego ciągu technologicznego. Szczególnie w wodzie po procesie absorpcji zaobserwowano obniżenie tego wskaźnika, co sugeruje, że następuje tutaj znaczne usunięcie związków organicznych o złożonej budowie. Potwierdzeniem tego zjawiska jest niewielkie zapotrzebowanie wody na utleniacz. Najlepsze efekty zaobserwowano w wodzie przefiltrowanej przez węgiel aktywny nr IV. LITERATURA [1] Sozański M.M., Problematyka badawcza w projektowaniu i eksploatacji zakładów uzdatniania wody, Mat. Konf. Zagadnienia zaopatrzenia w wodę miast i wsi, PZITS, Poznań 1984. [2] Wilmański K., Nowok B., Badania pilotowe nad zastosowaniem filtrów z węglem aktywnym na stacji uzdatniania wody, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2000, 3, 3-4, 395-406. [3] Wilmański K., Mechanizm pracy aktywnych biologicznie filtrów węglowych na podstawie badań w skali pilotowej i technicznej, Mat. Konf. Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004, 249-260. [4] Balcerzak W., Kułakowski P., Łuszczek K., Wpływ procesu ozonowania na skuteczność działania filtrów węglowych, Ochrona Środowiska 2005, 3, 57-60. [5] Zastosowanie formowanych i ziarnistych węgli aktywnych procesie uzdatniania wody w ZUW Rudawa, Kraków 2005 (praca niepublikowana).
224 W. Balcerzak, B. Łuszczek PILOT-SCALE RESEARCH AS A METHOD FOR SELECTION OF ACTIVATED CARBON FOR WATER TREATMENT In the paper problems of application of results from pilot-scale research for solving technological issues related to treated water quality are presented. The results obtained from pilot plant operated in technological scheme comprising coagulation, sedimentation, intermediary ozonation, sand filtration, and activated carbon filtration are discussed. For carbon filtration formed and granular activated carbon was used. Quality of water after carbon filtration has been analyzed. The operational efficiency of tested schemes has been evaluated and optimum type of carbon has been selected. KEYWORDS: pilot-scale research, water treatment, activated carbon