Porównanie metod koagulacji i elektrokoagulacji w - Eko-DOk

Porównanie metod koagulacji i elektrokoagulacji w - Eko-DOk

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 → 2Al3+
Zachodzącemu procesowi towarzyszy wydzielenie się wodoru na katodzie
w postaci atomowej lub cząsteczkowej w zależności od pH badanych ścieków.
1,5O2 + 3H2O + 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, Nog.
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, Nog.
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, Nog.
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/dm3. 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/dm3. Największy stopień usunięcia ChZT (ok. 82%) uzyskano przy dawce równej 140 mg/dm3.
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 Nog. 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]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
10
5
15
30
60
5
15
30
60
5
15
30
60
14,60
6,30
4,66
4,68
6,18
10,70
5,94
7,42
15,90
15,70
6,41
2,34
15,70
20
26
Ścieki
Detergenty OWO
Nog
ChZT
[mg/dm3] [mg/dm3] [mg/dm3] [mg/dm3]
2,00
2,10
0,08
0,13
4,40
1,60
0,01
0,00
2,50
2,10
0,00
0,00
5,40
86,37
72,57
76,26
67,66
76,46
65,13
67,42
68,10
75,42
67,06
70,66
57,23
104,10
2,02
1,50
1,44
1,33
1,46
1,44
1,19
1,20
1,43
1,37
1,23
1,21
2,23
380
260
100
60
320
280
40
20
260
220
0
0
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
Nog. Pozwala to sądzić, że metoda elektrokoagulacji będzie coraz częściej uznawana
jako alternatywa dla konwencjonalnego procesu koagulacji.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
BAYRAMOGLU M. I IN., Operating cost analysis of electrocoagulation of textile dye wastewater,
Separation and Purification Technology, 2004, Vol. 37, 117–125.
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.
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.
KALETA J., Proces koagulacji w usuwaniu wybranych zanieczyszczeń organicznych z roztworów
wodnych, Zeszyt naukowy Politechniki Rzeszowskiej, 2007.
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
[6]
[7]
[8]
229
MIELCZAREK K., I IN., Oczyszczanie ścieków koksowniczych z zastosowaniem procesu koagulacji, Nauka Przyroda Technologie, 2011, Vol. 5, No. 4, 1965–1984.
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.
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, Nog.