zagęszczanie osadów, oczyszczanie wody Sławomir SZERZYNA * PORÓWNANIE PODATNOŚCI NA PORCJOWE ZAGĘSZCZANIE GRAWITACYJNE OSADÓW POWSTAJĄCYCH W RÓŻNYCH UKŁADACH OCZYSZCZANIA WODY Rosnące w ostatnich latach wymagania formalne związane z zagospodarowaniem odpadów a także potrzeba ochrony jakości wód powierzchniowych, do których często odprowadzane są wody nadosadowe, spowodowały zwiększenie zainteresowania badaniami intensyfikacji zagęszczania osadów powstających podczas oczyszczania wody. Podstawowym procesem stosowanym w zakładach oczyszczania wody, mającym na celu maksymalne zmniejszenie objętości oraz uwodnienia osadów i przygotowanie ich do dalszego zagospodarowania, jest zagęszczanie grawitacyjne. W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu wybranych parametrów składu fizyczno-chemicznego osadów z różnych zakładów oczyszczania wody na skuteczność ich porcjowego grawitacyjnego zagęszczania. 1. WSTĘP Podczas oczyszczania wody powstają określone ilości ścieków i osadów zawierające usunięte z wody zanieczyszczenia oraz stosowane reagenty. W zakładach oczyszczania wody mogą powstawać następujące osady: - pokoagulacyjne, - wodorotlenku żelazowego wytrąconego z wody podziemnej lub infiltracyjnej, - powstające podczas strąceniowych metod oczyszczania wody, - wydzielone z popłuczyn [1]. Ilość wytwarzanych osadów w zakładach oczyszczania wody zależy od ilości oczyszczanej wody oraz wartości wskaźników jej składu fizyczno-chemicznego, a w szczególności od zawartości zawiesin, mętności, intensywności barwy oraz sto- * Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, pl. Grunwaldzki 9, 50-377 Wrocław.
466 S. SZERZYNA sowanych dawek reagentów. Średnia ilość ścieków i osadów stanowi około 5 % objętości oczyszczanej wody, a główny udział w tej ilości stanowią popłuczyny [1, 2]. Głównym komponentami osadów pokoagulacyjnych są wodorotlenki glinu lub żelaza (III) wraz z usuniętymi z wody zanieczyszczeniami, ponieważ sole glinu i żelaza są powszechnie stosowanymi koagulantami w zakładach oczyszczania wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Wapno stosowane jest najczęściej w układach oczyszczania wody przeznaczonej do celów przemysłowych (dekarbonizacja wapnem, zmiękczanie metodą wapno-soda) oraz w układach technologicznych odnowy wody. W przypadku konieczności usuwania z wody również zanieczyszczeń koloidalnych, proces dekarbonizacji wapnem prowadzi się razem z koagulacją solami żelaza [1, 3, 4]. Jednym ze sposobów zmniejszania objętości osadów jest proces zagęszczania grawitacyjnego, a miarą jego skuteczności jest stopień zagęszczenia osadu. Pod pojęciem zagęszczania osadów rozumie się umownie procesy, w których na skutek oddzielania fazy stałej od cieczy, osad zmniejsza swoją objętość, nie tracąc płynnej konsystencji [5]. Efektywność grawitacyjnego zagęszczania osadów zależy od: - składu fizyczno-chemicznego oraz wielkości i gęstości cząstek osadów, - czasu zagęszczania, - temperatury, - stosowania czynników wspomagających (koagulanty, mieszanie) [6, 7]. 2. CZĘŚĆ EKSPERYMETNALNA 2.1. PRZEDMIOT ORAZ ZAKRES BADAŃ Przedmiotem badań były osady powstające w układach oczyszczania wody powierzchniowej i podziemnej. W Zakładzie Oczyszczania Wody (ZOW) Mokry Dwór (MD) osad powstaje w wyniku sedymentacji zawiesin pokoagulacyjnych realizowanej w 12 trzypoziomowych osadnikach o przepływie poziomym. Koagulacja zanieczyszczeń wody realizowana jest przy użyciu koagulantów glinowych. W ZOW Leśnica (L) oczyszczana jest woda podziemna, ujmowana z głębokości 128 134 m, w układzie technologicznym: napowietrzanie, sedymentacja, filtracja pospieszna przez złoże piaskowe, dezynfekcja. W wyniku płukania złóż filtracyjnych, jednocześnie powietrzem i wodą przez około 30 minut, powstają popłuczyny. Próbki osadów przeznaczone do badań wydzielane były w wyniku zagęszczania popłuczyn i oddzielenia osadu od wody nadosadowej. W ZOW Kogeneracja S.A. (K) oczyszczana jest woda do celów energetycznych. Osady powstają w wyniku jednoczesnej dekarbonizacji i koagulacji zanieczyszczeń wody pobranej z rzeki Odry. Proces ten realizowany jest w osadniku o przepływie pionowym zespolonym z wirową komorą reakcji. Wap-
Porównanie podatności na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne osadów 467 no dawkowane jest w postaci mleka wapiennego o stężeniu 2,5 3,0 % CaO. Dawka koagulantu, którym jest siarczan żelaza (II), jest stała. Próbki osadów przeznaczone do badań pobierane były bezpośrednio z reaktora. Zakres badań obejmował określenie: - wartości wybranych wskaźników składu fizyczno-chemicznego badanych osadów, - przebiegu i skuteczności porcjowego zagęszczania grawitacyjnego osadów, - wpływu wybranych parametrów składu fizyczno-chemicznego na efekty rozdziału faz osad woda nadosadowa. 2.2. SKŁAD FIZYCZNO-CHEMICZNY OSADÓW PRZED ICH ZAGĘSZCZNIEM W tabelach 1 i 2 przedstawiono wartości wskaźników jakości próbek osadów przed ich zagęszczaniem. Tabela 1. Wartości wskaźników jakości próbek osadu pokoagulacyjnego z ZOW Mokry Dwór Wskaźnik Jednostka MDI Rodzaj próbki MDII MDIII MDIV MDV MDVI MDVII MDVIII MDIX MDX MDXI MDXII MDXIII ph 7,37 7,18 7,13 7,18 7,60 7,40 7,60 7,40 7,48 7,22 7,05 7,40 7,00 Sucha pozostałość Pozostałość po prażeniu Strata prażenia ogólne mineralne lotne Substancje rozpuszczone Subst. rozp. mineralne Subst. rozp. lotne 6136 7766 2266 8324 7655 10458 4276 7504 3478 4512 10799 6472 6076 3864 62,97 2272 37,03 5784 94,26 5476 70,51 2290 29,49 7366 94,85 1516 66,90 750 33,10 1814 80,05 5488 65,93 2836 34,07 7880 94,67 5412 70,70 2243 29,30 7141 93,29 7376 70,53 3082 29,47 9966 95,30 2662 62,25 1614 37,75 3790 88,63 5344 71,22 2160 28,78 7034 93,74 2422 69,64 1056 30,36 2972 85,45 3008 66,67 1504 33,33 4054 89,85 7038 65,17 3761 34,83 10357 95,91 4352 67,24 2120 32,76 6014 92,92 4234 69,68 1842 30,32 5626 92,59 3646 5226 1246 5230 5046 7038 2340 5060 2046 2742 6734 4052 3926 2138 2140 568 2650 2095 2928 1450 1974 926 1312 3623 1962 1700 352 400 452 444 514 492 486 470 506 458 442 458 450 218 250 270 258 366 338 322 284 376 266 304 300 308 134 150 182 186 148 154 164 186 130 192 138 158 142 Uwodnienie % 99,39 99,22 99,77 99,17 99,23 98,95 99,57 99,25 99,65 99,55 98,92 99,35 99,39 CSK 0 s 17,9 22,6 20,3 25,1 15,1 32,4 23,0 18,8 22,6 39,2 64,7 34,2 34,4 Wapń Magnez Glin Żelazo ogólne g/kg smo 57,6 353,4 g/kg smo 32,0 196,4 g/kg smo 56,7 347,9 g/kg smo 12,4 76,1 78,4 608,9 38,4 298,2 57,6 447,3 9,6 76,6 68,5 155,2 31,4 71,2 28,0 63,4 6,5 14,7 59,6 496,1 34,4 286,3 27,6 229,7 7,4 61,6 55,5 424,9 7,8 59,7 75,1 574,9 144,6 1105,9 39,9 417,3 11,3 118,1 99,1 1036,4 129,9 1358,5 115,8 495,2 6,1 26,1 91,6 391,7 128,4 549,0 127,2 954,5 4,4 33,0 117,2 879,5 108,0 810,4 158,7 552,0 9,2 32,0 113,5 394,8 110,0 382,6 60,0 270,7 7,9 35,6 98,9 446,2 176,4 795,9 65,8 710,6 8,3 89,6 86,7 936,3 172,4 1861,7 34,3 222,0 10,8 69,9 91,3 590,9 186,3 1205,7 34,2 207,8 7,0 42,5 92,5 562,0 195,8 1189,7
468 S. SZERZYNA Tabela 2. Wartości wskaźników jakości próbek osadów z ZOW Leśnica i Kogeneracja S.A. Wskaźnik Jednostka ZOW "Leśnica" ZOW "Kogeneracja S.A." LI LII LIII LIV LV LVI KI KII KIII KIV ph 7,00 7,40 8,51 8,12 7,55 7,80 10,3 10,2 9,90 9,14 Sucha pozostałość Pozostałość po prażeniu Strata prażenia ogólne mineralne lotne Substancje rozpuszczone Subst. rozp. mineralne Subst. rozp. lotne 6076 3568 4752 4950 5382 4058 4656 5164 6278 12654 4234 69,68 1842 30,32 5626 92,59 3312 92,83 256 7,17 3328 93,27 3914 82,37 838 17,63 4118 86,66 4078 82,38 872 17,62 4292 86,71 4286 79,64 1096 20,36 4750 88,26 3462 85,31 596 14,69 3710 91,42 3278 70,40 1378 29,60 4200 90,40 4270 82,69 894 17,31 4696 90,93 4712 75,06 1566 24,94 5886 93,44 9612 75,96 3042 24,04 12124 95,81 3926 3102 3436 3626 3826 3210 2942 3928 4414 9186 1700 226 682 666 924 500 1258 768 1472 2938 450 240 634 658 632 348 456 468 392 530 308 210 478 452 460 252 336 342 298 426 142 30 156 206 172 96 120 126 94 104 Uwodnienie % 99,39 99,64 99,53 99,50 99,46 99,59 99,53 99,48 99,37 98,73 CSK 0 s 23,3 19,1 26,2 25,4 22,8 20,6 24,1 29,7 32,1 35,5 Wapń Magnez Żelazo ogólne Mangan g/kg smo 55,99 340,20 g/kg smo 9,78 59,42 g/kg smo 381,2 2316,2 g/kg smo 121,4 737,6 61,13 218,11 9,61 34,29 434,3 1549,6 227,4 811,4 63,78 303,08 14,97 71,14 506,4 2406,4 107,6 511,3 62,84 311,06 19,56 96,82 538,8 2667,1 47,9 237,1 61,74 332,28 10,28 55,33 452,1 2433,2 153,7 827,2 62,57 253,91 16,37 66,43 477,3 1936,9 187,4 760,5 342,1 1592,8 42,2 196,5 38,4 178,8 7,84 36,50 321,5 1660,2 34,9 180,2 41,8 215,9 12,62 65,17 298,5 1874,0 21,3 133,7 25,7 161,3 18,41 115,58 386,2 4887,0 28,6 361,9 28,7 363,2 13,42 169,82 Badane próbki osadów charakteryzowały się dużym uwodnieniem początkowym (W 0 ) zmieniającym się w zakresie 98,73 99,77 % i związaną z nim różną zawartością zawiesin ogólnych. Zawierały zmienne ilości związków glinu, żelaza, manganu, wapnia i magnezu. Największą zawartość związków wapnia i magnezu stwierdzono w próbkach osadu z ZOW Kogeneracja S.A. (tab. 2), które powstały w wyniku dekarbonizacji wody przeznaczonej do celów energetycznych. Związki żelaza i manganu są głównymi zanieczyszczeniami usuwanymi z wód podziemnych podczas ich oczyszczania, stąd tak duże ich stężenia w próbkach osadu z ZOW Leśnica. W ZOW Mokry Dwór stwierdzono natomiast największą zawartość związków organicznych (28,78 37,03 ) i związków glinu (tab. 1), co jest charakterystyczne dla osadów powstających podczas oczyszczania wody powierzchniowej. Czas ssania kapilarnego (CSK 0 ) wszystkich próbek osadów był krótki, co świadczyło o ich dużej podatności na odwadnianie w procesach mechanicznych.
Porównanie podatności na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne osadów 469 2.3. WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW SKŁADU FIZYCZNO-CHEMICZNEGO OSADÓW NA STOPIEŃ ICH PORCJOWEGO GRAWITACYJNEGO ZAGĘSZCZENIA W tabelach 3 i 4 przedstawiono wartości uwodnienia (W k ) i czasu ssania kapilarnego osadu po zagęszczaniu (CSK k ) oraz wartości wyznaczonych parametrów charakteryzujących przebieg procesu zagęszczania. Tabela 3. Wartości wybranych wskaźników jakości próbek osadu z ZOW Mokry Dwór oraz parametrów procesu ich zagęszczania Próbka MDI MDII MDIII MDIV MDV MDVI MDVII MDVIII MDIX MDX MDXI MDXII MDXIII W k % 98,44 97,97 97,92 97,69 97,73 96,81 98,55 97,95 98,42 98,25 97,12 97,97 96,95 CSK k s 77,8 51,3 81,2 77,1 20,3 37,8 84,3 116,5 60,5 126,3 144,8 82,5 121,4 ƞ z 2,56 2,60 9,04 2,78 2,95 3,04 3,37 2,73 4,51 3,89 2,67 3,12 5,00 t s min 330 320 10 90 50 70 50 340 18 40 80 80 26 t z min 1500 1440 320 1080 540 550 650 1360 420 640 740 680 480 Z 0,50 0,60 0,33 0,60 0,45 0,48 0,42 0,50 0,37 0,40 0,50 0,45 0,41 v s cm/min 0,035 0,038 2,570 0,166 0,276 0,179 0,262 0,034 0,978 0,383 0,135 0,148 0,746 Tabela 4. Wartości parametrów procesu zagęszczania oraz wybranych wskaźników jakości próbek osadu z ZOW Leśnica i ZOW Kogeneracja S.A. Próbka ZOW "Leśnica" ZOW "Kogeneracja S.A." LI LII LIII LIV LV LVI KI KII KIII KIV W k % 97 94,5 95,7 95,9 96 94,8 94,3 95,5 95,9 94,4 CSK k s 81,7 57,7 51,1 48,8 44,9 53,3 144,3 119,7 108,3 136,1 ƞ z 5,00 15,19 9,19 8,14 7,37 12,76 12,15 8,60 6,46 4,39 t s min 16 10 16 26 24 14 4 4 6 8 t z min 480 280 360 450 460 320 90 170 200 270 Z 0,33 0,11 0,19 0,22 0,21 0,17 0,18 0,21 0,32 0,34 v s cm/min 0,988 1,990 1,050 0,742 0,700 1,336 6,800 5,075 3,950 2,550 Jak wynika z danych przedstawionych w tabelach 3 i 4 oraz na rysunku 1, bez względu na rodzaj osadu, wraz ze wzrostem uwodnienia początkowego zwiększął się stopień ich zagęszczenia ( z ). Największy jego wzrost stwierdzono dla osadu powstającego w układzie oczyszczania wody podziemnej, zawierającego najmniejszą ilość związków organicznych. Również porównanie stopnia zagęszczenia osadów MDI i MDXIII o takim samym uwodnieniu początkowym (W 0 = 99,39 %) wskazuje, że czynnikiem współdecydującym o podatności osadów na zagęszczanie grawitacyjne była właśnie zawartość substancji oragnicznych w suchej masie. Dla osadu MDXIII, zawierającego mniej substancji organicznych (30,32 ) niż próbka osadu MDI
470 S. SZERZYNA (37,03 ) uzyskano większy stopień zagęszczenia ( z = 5,0) niż dla osadu MDI ( z = 2,56) (tab. 1 i 3). 16 z 14 12 10 8 MD L K 6 4 2 0 98,60 98,80 99,00 99,20 99,40 99,60 99,80 100,00 W 0 [%] Rys. 1. Wpływ uwodnienia początkowego (W 0 ) osadów na stopień ich zagęszczenia Wpływ udziału substancji organicznych w suchej masie osadów przed ich zagęszczaniem na efektywność procesu przedstawiono na rysunku 2. 16 14 12 10 z 8 6 4 2 0 MD L K 5 10 15 20 25 30 35 40 subst. org. [] Rys. 2. Wpływ zawartości substancji organicznych na stopień zagęszczenia osadów Z zależności przedstawionych na rysunku 2 wynika, że wraz ze zwiększającą się zawartością substancji organicznych w suchej masie próbek osadów generalnie zmniejszał się stopień ich zagęszczenia. Nie można jednak pominąć w tym przypadku
Porównanie podatności na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne osadów 471 wpływu początkowego uwodnienia osadów oraz zawartości innych substancji w zagęszczanych osadach. Świadczą o tym wyniki uzyskane dla osadu z ZOW Kogeneracja S.A.. Największą wartość z stwierdzono dla próbki KI, o największym uwodnieniu początkowym, mimo że stężenie substancji organicznych w tym osadzie było duże. Natomiast najmniejszą wartość stopnia zagęszczenia stwierdzono dla próbki osadu KIV, która charakteryzowała się największą suchą masą i zawartością zawiesin ogólnych i jednocześnie największym stężeniem związków organicznych (tab. 2 i 4). z 16 14 12 10 8 6 4 2 0 MD L K 80 82 84 86 88 90 92 94 96 Zaw og [] Rys. 3. Wpływ zawartości zawiesin na stopień zagęszczenia osadów Dla osadów wydzielonych z wody powierzchniowej oczyszczanej w procesie koagulacji koagulantami glinowymi (MD) lub siarczanem żelaza (II) w środowisku alkalicznym (K) wraz ze zwiększającą się zawartością zawiesin w suchej masie osadów skuteczność ich zagęszczania zmniejszała się (rys. 3). Natomiast w przypadku osadów powstających podczas oczyszczania wody podziemnej (L) wpływ ten nie był jednoznaczny, a wyraźnie większe wartości z uzyskano dla próbek LII i LVI, które zawierały mniej substancji organicznych niż inne próbki (rys. 3, tab. 2). Nie stwierdzono jednoznacznego wpływu zawartości związków wapnia, magnezu i żelaza na stopień zagęszczenia próbek osadów (tab. 1 4). Z zależności przedstawionych na rysunku 4 wynika, że wraz ze zwiększającym się początkowym uwodnieniem osadów generalnie zwiększała się prędkość opadania ich cząstek (v s ). Prędkość sedymentacji cząstek osadów zależała również od ich rodzaju. Najszybciej opadały cząstki osadów powstających podczas oczyszczania wody powierzchniowej do celów energetycznych (K), natomiast najwolniej sedymentowały cząstki osadów z oczyszczania wody koagulantami glinowymi (MD) (rys. 4, tab. 3 i 4).
Z 472 S. SZERZYNA 8 vs [cm/min] 7 6 5 4 3 MD L K 2 1 0 98,60 98,80 99,00 99,20 99,40 99,60 99,80 W 0 [%] Rys. 4. Wpływ uwodnienia początkowego osadów na prędkość sedymentacji ich cząstek Czas fazy sedymentacji (t s ) i wymagany czas zagęszczania osadów (t z ) zależały również od ich rodzaju i uwodnienia początkowego. Najkrótsze czasy fazy sedymentacji i wymagane czasy zagęszczania stwierdzono dla próbek osadu z ZOW Kogeneracja S.A. i wynosiły odpowiednio t s = 4 8 min oraz t z = 90 270 min (tab. 4). Próbki osadu z ZOW Mokry Dwór charakteryzowały się natomiast najdłuższymi czasami fazy sedymentacji (t s = 10 340) oraz najdłuższymi wymaganymi czasami zagęszczania (t z = 320 1500 min) (tab. 3). Z danych przedstawionych na rysunku 5 wynika, że rodzaj osadów, jak i ich uwodnienie początkowe miało wpływ na podatność na zagęszczanie w fazie komprymacji (Z). Generalnie wraz ze zwiększającą się wartością W 0 badanych próbek osadów podatność ta zwiększała się. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 MD L K 0,0 98,60 98,80 99,00 99,20 99,40 99,60 99,80 W 0 [%] Rys. 5. Wpływ uwodnienia początkowego osadów na ich podatność do zagęszczania w fazie komprymacji
Porównanie podatności na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne osadów 473 Najbardziej podatne na dalsze odwadnianie w procesach mechanicznych były osady powstające w ZOW Mokry Dwór (CSK k = 20,3 144,8), a najmniej osady z ZOW Kogeneracja S.A. (CSK k = 108,3 144,3) (tab. 3 i 4). 2.4. WNIOSKI Z przeprowadzonych badań wynika, że: - wraz ze wzrostem uwodnienia początkowego osadów zwiększała się skuteczność ich zagęszczania, - najbardziej podatne na porcjowe zagęszczanie grawitacyjne były osady powstające w układzie oczyszczania wody podziemnej, natomiast najmniejszą podatnością na zagęszczanie charakteryzowały się osady pokoagulacyjne z ZOW Mokry Dwór, - stopień zagęszczenia osadów nie zależał wyłącznie ich uwodnienia. O skuteczności zagęszczania współdecydowała również zawartość substancji organicznych i zawiesin w suchej masie osadów, - najkrótszy czas sedymentacji cząstek osadu stwierdzono w osadach powstających w wyniku jednoczesnej dekarbonizacji i koagulacji zanieczyszczeń wody, osady te również wymagały najkrótszego zagęszczania, - najwolniej opadały cząstki osadów powstałych w wyniku koagulacji zanieczyszczeń wody koagulantami glinowymi, osady te charakteryzowały się również najdłuższym wymaganym czasem zagęszczania, - najmniejszą podatnością na zagęszczanie w fazie komprymacji charakteryzowały się próbki osadu z ZOW Mokry Dwór (Z = 0,33 0,60), największą próbki osadu z oczyszczania wody podziemnej (Z = 0,11 0,33). LITERATURA [1] KOWAL A. L., ŚWIDERSKA-BRÓŻ M., Oczyszczanie wody, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003. [2] SOZAŃSKI M,. M.(red.), Technologia usuwania i unieszkodliwiania osadów z uzdatniania wody, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999. [3] KOWAL A. L. (red.), Odnowa wody, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 1997. [4] Y.Q. ZHAO, DH BACHE, Integrated effects of applied pressure, time, and polimer doses on alum sludge dewatering behaviour, Waste Management, 2002, Vol. 22, 813 819. [5] BIEŃ J., B., Osady ściekowe. Teoria i praktyka, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002. [6] BARTOSZEWSKI K., KEMPA E., SZPADT R., Systemy oczyszczania ścieków. Podstawy technologiczne i projektowe, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 1981. [7] JILL RUHSING PAN, CHIHPIN HUANG, YAO-CHIA CHUANG, CHIH-CHAO WU, Dewatering characteristics of algae-containing alum sludg, Colloids and Surfaces, Physicochemical and Engineering Aspects, 1999, Vol. 150, 185 190.
474 S. SZERZYNA COMPARISON OF SUSCEPTIBILITY TO GRAVITATIONAL BATCH COMPACTION OF SLUDGE ARISING FROM THE DIFFERENT WATER TREATMENT SYSTEMS Growing in recent years, the formal requirements related to waste management and the need to protect surface water quality, which often are discharged separated waters, have led to increased interest in intensifying research sludge thickening formed during water treatment. The basic process used in water treatment plants, aimed at minimizing the volume and hydration of the deposits and prepare them or further development, is a gravitational compaction. The paper presents the results of the influence of selected parameters of physical and chemical composition of sediments from different water treatment plants on the effectiveness of their batch gravitational compaction.