zakłócenia procesu oczyszczania ścieków z przemysłu spo ywczego

Proceedings of ECOpole
Vol. 1, No. 1/2
2007
Lidia WOLNY1, Mariusz KUGLARZ1 i Lucyna PRZYWARA2
ZAKŁÓCENIA PROCESU OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW
Z PRZEMYSŁU SPOŻYWCZEGO
OBSTACLES IN SEWAGE TREATMENT PROCESS
FROM FOOD INDUSTRY
Streszczenie: Ścieki pochodzące z produkcji olejów jadalnych zawierają duże stężenia fosforanów, siarczanów
i związków organicznych, dlatego są trudne do oczyszczenia. Podczas strącania fosforanów za pomocą wapna
powstają fosforany wapnia zazwyczaj w postaci hydroksyapatytu (HAP), który wraz z nadmiarem wodorotlenku
wapnia tworzy dobrze sedymentujący osad. Zastosowanie powyższej metody do oczyszczania analizowanych
ścieków w warunkach technicznych powoduje powstawanie uciążliwego osadu flotującego na powierzchni
ścieków. Szukając przyczyn wypływania części osadów, wykonano badania obejmujące charakterystykę
jakościową ścieków dopływających oraz po procesie sedymentacji, a także osadów zatrzymywanych w osadniku.
Zmierzając do głębszego poznania procesów zachodzących w osadniku, badano wpływ mieszania mechanicznego
na osady przetrzymywane w warunkach laboratoryjnych. W pracy analizowano podstawowe parametry
fizykochemiczne, w tym zawartość wapna oraz substancji tłuszczowej. Stwierdzono, że obecność w ściekach
tłuszczów w znacznych stężeniach przyczynia się do powstawania związków wapniowo-tłuszczowych flotujących
na powierzchni ścieków, co w rezultacie zakłóca proces podczyszczania ścieków. Ponadto wapno stosowane do
strącania fosforanów przyczynia się do uwalniania jonów siarczanowych.
Słowa kluczowe: ścieki przemysłowe, usuwanie związków fosforu, koagulacja, substancje tłuszczowe
Specyfika ścieków z przemysłu spożywczego, w tym z zakładów tłuszczowych,
wynika głównie z obecnie stosowanej technologii wytwarzania produktów, przerabianego
surowca i stosowanych reagentów. Głównym zanieczyszczeniem ścieków zakładów
tłuszczowych są substancje tłuszczowe. Ścieki z produkcji oleju rzepakowego czy
słonecznikowego oprócz znacznych ilości kwasów tłuszczowych i lipidów zawierają
znaczne ilości związków fosforu, siarczanów oraz związków organicznych [1, 2].
W celu dostosowania jakości ścieków do wymagań stawianych przez oczyszczalnie
ścieków oraz uniknięcia wysokich kar zakłady tłuszczowe stanęły przed koniecznością
budowy zakładowych oczyszczalni ścieków. Usuwanie tłuszczów odbywa się zazwyczaj
podczas procesu flotacji. Związki fosforu obecne w ściekach usuwane są przede wszystkim
przez chemiczne strącanie. Ortofosforany wskutek reakcji z wapnem wytrącają się
w postaci amorficznego fosforanu trójwapniowego Ca3(PO4)2 lub w postaci krystalicznego
amorficznego Ca5(PO4)3OH, rzadziej w postaci fosforanu czterowapniowego Ca4H(PO4)3.
Lecz ze względu na różnorodność form wytrącanych związków wapna i fosforu oraz
obecność innych substancji trudno określić jednoznacznie, jaki związek otrzymuje się
podczas procesu podczyszczania. Formy wytrącanych związków zależą głównie od pH,
zasadowości, temperatury oraz stężenia początkowego jonów wyrażonych jako Ca/P [3, 4].
Dodatek wapna, będący koagulantem, przyczynia się do usuwania związków organicznych.
1
Instytut Inżynierii Środowiska, Politechnika Częstochowska, ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa,
tel. 034 325 09 17, e-mail: [email protected]
2
Wydział Nauk o Materiałach i Środowisku, Akademia Techniczno-Humanistyczna, pl. Fabryczny 5,
Bielsko-Biała, tel. 033 827 91 81, e-mail: [email protected]
272
Lidia Wolny, Mariusz Kuglarz i Lucyna Przywara
Usunięcie związków organicznych ze ścieków oznacza jednocześnie zatrzymanie ich
w osadach.
Zazwyczaj proces podczyszczania ścieków, polegający na wytrącaniu fosforanów
wapnia, prowadzi do powstawania osadów dobrze sedymentujących. W przypadku ścieków
pochodzących z produkcji olejów jadalnych powstają dodatkowo uciążliwe osady na
powierzchni osadnika, które zakłócają proces podczyszczania ścieków [5].
Materiał badawczy i metodyka badań
Materiałem badawczym były ścieki i osady sedymentacyjne pochodzące
z podczyszczalni służącej do strącania fosforanów za pomocą wapna. Osady pobierano
z górnej i dolnej części osadnika, zwane dalej odpowiednio osadami flotującymi oraz
sedymentującymi. Oznaczenia wykonano zgodnie z metodyką opisaną w Standard Methods
for Examination of Water and Wastewater [6]. Materiał badawczy pobierano bez względu
na panujące warunki technologiczne i pogodowe. Analizy wykonywano zawsze w dniu
pobierania próbek, następnie osady przetrzymywano w warunkach laboratoryjnych,
mieszając za pomocą mieszadła wolnoobrotowego.
Zakres analiz fizykochemicznych obejmował: fosforany, siarczany, zawartość
związków organicznych oznaczanych jako ChZT, zawartość tłuszczów, zawartość jonów
wapnia, pomiar pH i przewodności. W przypadku osadów oznaczenia fosforanów,
siarczanów oraz ChZT wykonano w cieczy nadosadowej po ich odwirowaniu.
Omówienie wyników badań i ich analiza
Metoda strącania fosforanów za pomocą wapna prowadzi do prawie całkowitego
usunięcia fosforanów, pozostawiając w większości przypadków ilości nieprzekraczające
2 mg PO4/dm3. Uzyskane stężenie siarczanów w ściekach oczyszczonych na poziomie od
500 do 2100 mg SO4/dm3 świadczy o niewielkim efekcie usuwania tych związków pod
wpływem wapna, co jest zgodne z danymi Ruffera i in. [7], który podaje, że wytrącanie
siarczanów technicznym Ca(OH)2 prowadzi jedynie do obniżenia stężenia tych związków
do wartości 2000 mg SO4 /dm3.
70
Ekstrakt eterowy [ g/ dm3]
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Serie badań
Osad sedymentujący
Osad flotujący
Rys. 1. Zawartość substancji tłuszczowych oznaczanych jako ekstrakt eterowy z osadów
Fig. 1. Fatty substances measured as an ether extract from the sludge
273
Zakłócenia procesu oczyszczania ścieków z przemysłu spożywczego
Udział substancji tłuszczowych w
s.m.o. [%]
Ponadto stwierdzono, że w wyniku doprowadzenia wapna następuje średnie
zmniejszenie zawartości substancji tłuszczowych o 90% oraz związków organicznych
oznaczanych jako ChZT o 60%.
Usunięcie substancji organicznych oraz związana z tym redukcja substancji
tłuszczowych jako skutek dodania wapna w celu wytrącania fosforanów uwidacznia się
w jakości osadów. Zatrzymywane osady sedymentujące cechowały się zawartością
substancji tłuszczowych w zakresie od 10 do 20 g/dm3, podczas gdy zawartość substancji
tłuszczowych w osadach flotujących była od dwóch do trzech razy większa (rys. 1).
Nieco inaczej przedstawione wyniki oznaczeń zawartości substancji tłuszczowych,
wyrażone jako ich udział procentowy w suchej masie, pokazano na rysunku 2.
100
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Nmer serii badań
Osad sedymentujący
Osad flotujący
Rys. 2. Udział substancji tłuszczowych w suchej masie osadów
Fig. 2. Fatty substances in the sludge solid
4000
3
Siarczany [mgSO4/dm ]
5000
3000
2000
1000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Czas [doby]
Próbka I
Próbka II
Próbka III
Próbka IV
Rys. 3. Zmiany zawartości siarczanów (w wybranych seriach badań)
Fig. 3. Changes in sulphates concentration ( in selected series of measurements)
Osadom flotującym towarzyszyła zawartość jonów wapna w zakresie od
2000 do 3125 mg Ca2+/dm3, średnio około 2600 mg Ca2+/dm3, a osadom sedymentującym
od 937 do 2681 mg Ca2+/dm3, średnio około 1900 Ca2+/dm3. Większe wartości substancji
tłuszczowych w osadach flotujących korespondują z większymi stężeniami jonów wapnia,
274
Lidia Wolny, Mariusz Kuglarz i Lucyna Przywara
co potwierdza założenie, że dozowane wapno, w celu strącenia fosforanów, przyczynia się
równocześnie do powstawania związków zawierających wapno i substancje tłuszczowe.
W dalszej kolejności, zmierzając do wyjaśnienia procesów zachodzących w osadniku,
osady przetrzymywano w warunkach laboratoryjnych z jednoczesnym mieszaniem.
Założono, że reakcje chemiczne mogły spowodować zmiany jakościowe osadów,
przyczyniając się do zakłóceń procesu strącania. Na podstawie kilku serii pomiarowych
stwierdzono zmiany parametrów fizykochemicznych osadów, m.in. spadek wartości pH
oraz wzrost stężenia związków organicznych (ChZT). Ponadto podczas eksperymentu
zaobserwowano wzrost stężenia siarczanów (rys. 3), co zostało również potwierdzone
wzrostem przewodności.
Podsumowanie
Obecność tłuszczów w ściekach odgrywa negatywną rolę, przyczyniając się do
powstawania uciążliwej warstwy osadów. Większe zawartości substancji tłuszczowych
w osadach, korespondujące z większymi wartościami jonów wapnia pozwalają stwierdzić,
że wapno ze względu na swe właściwości koagulacyjne powoduje tworzenie mieszanin
tłuszczów i wapna, które w wyniku zachodzenia procesów wtórnych ulegają przemianom
fizykochemicznym i są wynoszone na powierzchnię ścieków.
W trakcie eksperymentu przetrzymywania osadów w warunkach laboratoryjnych
stwierdzono:
1. Wzrost wartości ChZT - prawdopodobnie następował rozkład substancji organicznych
w warunkach beztlenowych i powstawanie prostszych, łatwiej utleniających się
związków organicznych, które także mierzone są jako ChZT, np. kwasów
tłuszczowych.
2. Wzrost stężenia siarczanów - jony siarczanowe uwalniane były z wytrąconych
siarczanów wapnia, co zostało również potwierdzone wzrastającymi wartościami
przewodności.
Przedstawione wyniki badań będą wymagały dalszej weryfikacji w kolejnych etapach
doświadczeń.
Podziękowanie
Przedstawione badania były finansowane w ramach projektów badawczych:
BW-401/202/07/R i I-220/01818/48/2006/BW.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Saatci Y., Arsen E.I. i Konar V.: Removal of total lipids and fatty acids from sunflower oil factory effluent
by USAB reactor. Biores. Technol., 2003, 87, 269-272.
Przywara L.: Warunki i możliwości usuwania fosforanów i fosforu ogólnego ze ścieków przemysłowych.
Praca doktorska. Politechnika Krakowska, Kraków 2006.
Coleman P.: Chemiczne usuwanie fosforu. Materiały Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej
Usuwanie związków biogennych ze ścieków. Kraków 1997.
Song Y., Hahn H.H. i Hoffmann E.: The effect of pH and Ca/P ratio on the precipitation of calcium
phosphate. Second International Conference on the Recovery of Phosphorus from Sewage and Animal
Wastes. Noordwijkerhout, Netherlands 2001, s. 1-9.
Kuglarz M..: Problemy ekologiczne w produkcji olejów spożywczych i technicznych z rzepaku i słonecznika.
Praca magisterska. Akademia Techniczno-Humanistyczna, Bielsko-Biała 2006.
Zakłócenia procesu oczyszczania ścieków z przemysłu spożywczego
[6]
[7]
275
Eaton A.D., Clesceri L.S. i Greenberg A.E.: Standard methods for the examination of water and wastewater.
American Public Health Association, Washington 1995.
Rüffer H. i Rosenwinnkel K.H.: Oczyszczanie ścieków przemysłowych. Proj. Przem.-EKO, Bydgoszcz
1998.
OBSTACLES IN SEWAGE TREATMENT PROCESS
FROM FOOD INDUSTRY
Summary: The application of physico-chemical methods of purification may be limited due to the varied sewage
character and its chemical properties. It is particularly difficult to treat sewage from the production of edible oils
because of high concentration of phosphates, sulphates and organic compounds. Phosphates precipitated by means
of calcium hydroxide turn into calcium phosphates, usually in the form of hydroxyapatite (HAP), which together
with an excessive amount of calcium hydroxide create well sedimenting sludge. What is more, the industrial
application of the method for the treatment of the analysed sewage leads to the burdensome floating sludge on the
surface of the sewage. The research project was carried out to establish the causes of partial sludge floating. Raw
and post-sedimentation sewage as well as sludge collected in the settling tank were analysed with a view to
identify their chemical content. One of the main aims was to transfer the sedimentation process into laboratory
conditions. The sludge samples were mixed mechanically in anaerobic conditions. The research focused on basic
physico-chemical parameters, including concentration of calcium and fatty substances. The process of sewage
pretreatment may be hindered by an excessive amount of fatty substances, which generate lime-fatty compound.
Moreover, calcium hydroxide used for phosphates precipitation lead to the release of sulphates into the treated
sewage.
Keywords: industrial sewage, removal of phosphates, coagulation, fatty substances