BohdziewiczKwarciak_..

Proceedings of ECOpole
Vol. 2, No. 2
2008
Jolanta BOHDZIEWICZ1, Anna KWARCIAK-KOZŁOWSKA2 i Mariusz KUGLARZ3
WPŁYW PROCESU DEZINTEGRACJI ULTRADŹWIĘKOWEJ
NA EFEKTYWNOŚĆ WSPÓŁOCZYSZCZANIA ODCIEKÓW
W UKŁADZIE ZINTEGROWANYM
FERMENTACJA METANOWA-ODWRÓCONA OSMOZA
INFLUENCE OF ULTRASONIC DISINTEGRATION ON THE EFFICIENCY
OF LANDFILL LEACHATE CO-TREATMENT
IN ANAEROBIC DIGESTION-REVERSE OSMOSIS SYSTEM
Streszczenie: Celem pracy było określenie wpływu pola ultradźwiękowego (UD) na zwiększenie efektywności
współoczyszczania odcieków ze ściekami syntetycznymi w układzie zintegrowanym kojarzącym beztlenowy
bioreaktor membranowy (MBR) z procesem odwróconej osmozy (RO). Stwierdzono, Ŝe wstępne
kondycjonowanie odcieków w polu UD przyczyniło się do skrócenia hydraulicznego czasu zatrzymania
mieszaniny oczyszczanych ścieków w reaktorze MBR z 2 do 1,5, stopień obniŜenia wartości ChZT wzrósł średnio
o 10%, a produkcja biogazu o 11%. Z uwagi na fakt, Ŝe ścieki po procesie beztlenowej biodegradacji w obu
przebadanych układach (MBR i MBR+UD) nadal charakteryzowały się duŜym ładunkiem zanieczyszczeń
uniemoŜliwiającym ich bezpośrednie odprowadzenie do odbiornika naturalnego, podjęto próbę ich doczyszczania
metodą odwróconej osmozy. Pomimo bardzo duŜej retencji ładunku zanieczyszczeń, w otrzymanym permeacie
stęŜenie azotu amonowego pozostało nadal nadmiernie duŜe. W celu zmniejszenia pozostałego azotu amonowego
poniŜej wartości umoŜliwiającej odprowadzenie do odbiornika naturalnego zaproponowano, aby w kolejnych
etapach badań włączyć do badanego układu proces odpędzania amoniaku.
Słowa kluczowe: fermentacja metanowa, reaktor membranowy (MBR), odwrócona osmoza (RO), pole
ultradźwiękowe
Z uwagi na duŜe znaczenie ochrony wód gruntowych przed odciekami gromadzenie
odpadów komunalnych na składowiskach, nawet prawidłowo zaprojektowanych
i eksploatowanych, jest waŜnym zagadnieniem w inŜynierii środowiska. Odcieki powstają
w wyniku przesiąkania opadów atmosferycznych przez złoŜe składowiska wymywania
z niego substancji organicznych i nieorganicznych często o charakterze toksycznym [1-3].
Skład odcieków oraz ich ilość są zmienne i zaleŜą od wielu czynników, m.in. pory roku,
wieku składowiska, charakteru odpadów oraz techniki składowania. Biorąc pod uwagę
ograniczoną podatność na proces biodegradacji ładunku zanieczyszczeń znajdujących się
w odciekach, oczyszczanie ich wymaga niejednokrotnie stosowania oprócz klasycznej
metody biologicznej takŜe wspomagających i uzupełniających procesów fizykochemicznych.
Oczyszczanie odcieków, zwłaszcza powstających na starych składowiskach,
poddanych wstępnemu kondycjonowaniu w polu ultradźwiękowym, a następnie
stabilizowanych w beztlenowym bioreaktorze membranowym skojarzonym z procesem
1
Instytut InŜynierii Wody i Ścieków, Politechnika Śląska, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice,
email: [email protected]
2
Instytut InŜynierii Środowiska, Politechnika Częstochowska, ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa,
email: [email protected]
3
Instytut Ochrony i InŜynierii Środowiska, Akademia Techniczno-Humanistyczna, ul. Willowa 2,
43-309 Bielsko-Biała, email: [email protected]
424
Jolanta Bohdziewicz, Anna Kwarciak-Kozłowska i Mariusz Kuglarz
odwróconej osmozy wydaje się być obiecującym rozwiązaniem problemu oczyszczania
tego rodzaju wód odpadowych.
Materiał i metodyka badań
W badaniach wykorzystano odcieki pochodzące z eksploatowanego od 1987 roku
regionalnego składowiska odpadów komunalnych w Sobuczynie koło Częstochowy. Ich
ChZT wahało się w zakresie wartości 3200 do 4600 mgO2 · dm–3, a stosunek BZT5/ChZT
utrzymywał się na niskim poziomie (0,11÷0,20), charakterystycznym dla odcieków ze
„starych” składowisk. Odnotowano równieŜ duŜe stęŜenia azotu amonowego kształtujące
się na poziomie 800÷1000 mgNH +4 · dm–3 oraz chlorków wynoszące od 1800 do
2500 mgCl– · dm–3. Badaniom poddano mieszaninę składającą się z odcieków (20% obj.)
oraz ścieków syntetycznych (80% obj.). Czas zatrzymania mieszaniny w bioreaktorze MBR
zmieniano w zakresie wartości od 3 d do 1 d, uzyskując dzięki temu wzrost obciąŜenia
reaktora ładunkiem zanieczyszczeń organicznych od 1,3 do 4,0 kgChZT/m3d. ObciąŜenie
osadu zmieniano w zakresie od 0,13 do 0,4 kgChZT/kg s.m. d. StęŜenie osadu
utrzymywano na stałym poziomie wynoszącym 10 g/dm3.
Stosowano wyznaczone we wcześniej przeprowadzonych badaniach najkorzystniejsze
parametry pola ultradźwiękowego, tj. czas ekspozycji 300 s oraz amplitudę drgań na
poziomie 25 µm.
Ścieki po beztlenowym procesie oczyszczania wprowadzane były do modułu
osmotycznego. Prędkość liniową filtrowanego medium nad powierzchnią membrany
utrzymywano na poziomie 2 m/s, a ciśnienie transmembranowe wynosiło 3 MPa.
Omówienie wyników badań
Wyznaczanie najkorzystniejszego czasu zatrzymania ścieków w komorze reakcyjnej
rozpoczęto od 3 d, co odpowiadało obciąŜeniu osadu i bioreaktora ładunkiem
zanieczyszczeń odpowiednio 0,13 kgChZT/kg s.m. i 1,3 kgChZT/m3d. Dla tych warunków
prowadzenia procesu (MBR+UD) w odpływie z bioreaktora odnotowano ładunek ChZT na
poziomie 620 mgO2/dm3 (stopień obniŜenia ChZT: 84,5%). Ścieki oczyszczone w tym
samym bioreaktorze (MBR), ale bez nadźwiękawiania charakteryzowały się stęŜeniem
ChZT równym 780 mgO2/dm3 (stopień obniŜenia ChZT: 80,5%). Następnie skracano
wartość czasu retencji HRT (hydraulic retention time) kolejno o 12 godzin oraz
obserwowano zmiany wartości ChZT. Porównanie jakości oczyszczonych ścieków
wstępnie kondycjonowanych i niekondycjonowanych polem ultradźwiękowym
w zaleŜności od czasu ich zatrzymania w bioreaktorze MBR zaprezentowano na rysunku 1.
Skrócenie HRT z 3 do 2,5 d spowodowało wzrost obciąŜenia bioreaktora
z 1,3 do 1,6 kg/m3d i wpłynęło na wzrost efektywności usunięcia ChZT zarówno
w przypadku odcieków kondycjonowanych, jak i niekondycjonowanych polem UD średnio o 2%. W przypadku prowadzenia procesu dla HRT wynoszącego 2 doby,
wyznaczonego jako najkorzystniejszy czas zatrzymania dla ścieków nienadźwiękawianych
(stopień redukcji ChZT: 84%), zaobserwowano dalszą poprawę jakości oczyszczonych
ścieków. Zastosowanie 1,5 d hydraulicznego czasu zatrzymania nadźwiękowionych
ścieków w bioreaktorze odpowiadał wzrost obciąŜenia reaktora ładunkiem zanieczyszczeń
organicznych do poziomu 2,6 kg/m3d. Przy tak dobranych parametrach procesowych
425
Wpływ procesu dezintegracji ultradźwiękowej na efektywność współoczyszczania odcieków …
(uznanych za najkorzystniejsze w przypadku ścieków nadźwiękawianych) uzyskano duŜe,
bo 88% obniŜenie wartości wskaźnika ChZT. Efektywność procesu fermentacji
prowadzonej w tych samych warunkach, ale dla odcieków nienadźwiękowionych była
mniejsza - 81,5%. Przy najkrótszym z badanych HRT, równym 1,0 d, i odpowiadającym
mu obciąŜeniu reaktora 4,0 kg/m3d stopień usunięcia ładunku zanieczyszczeń z odcieków
poddawanych działaniu pola UD obniŜył się o 6% w porównaniu z HRT równym
1,5 doby.
W trakcie prowadzenia procesu fermentacji dokonywano równieŜ pomiaru ilości
wydzielającego się biogazu. Zaobserwowano sukcesywny wzrost ilości powstającego
biogazu wraz ze skracaniem czasu zatrzymania ścieków w bioreaktorze. W ciągu 1 doby
dla HRT wynoszącego 3 d wydzieliło się 14,70 dm3 gazu, natomiast dla HRT równego 1 d
objętość ta wzrosła ponad 3-krotnie.
Rys. 1. ZaleŜność ładunku ChZT ścieków oczyszczonych od czasu retencji w bioreaktorze
Fig. 1. Relationship between CODs value of the biologically treated samples and hydraulic retention time (HRT)
Tabela 1
Parametry chemiczne współoczyszczanych odcieków przed i po procesie odwróconej osmozy
Table 1
Chemical properties of co-treated landfill leachates before and after reverse osmosis process
Wskaźnik
ChZT [mgO2/dm3]
BZT5 [mgO2/dm3]
NH4+ [mgO2/dm3]
Cl– [mgO2/dm3]
Ścieki
surowe
4000
1350
280
2500
Ścieki po beztlenowej
biodegradacji
MBR
MBR + UD
HRT = 2 d HRT = 1,5 d
640
480
186
135
207
207
2250
2300
Ścieki po beztlenowej
biodegradacji + odwrócona
osmoza
MBR +RO MBR + UD +RO
HRT = 2 d
HRT = 1,5 d
24
12
17
10
20
29
209
210
Dopuszczalne
wartości
[5]
125
25
10
1000
W obu przebadanych układach (MBR i MBR+UD), pomimo wysokiego stopnia
usunięcia ładunków zanieczyszczeń ze współoczyszczanych ścieków, niemoŜliwe było ich
bezpośrednie odprowadzenie do odbiornika naturalnego. Ścieki wstępnie oczyszczone
w procesie biologicznym wspomaganym i niewspomaganym polem UD poddano następnie
426
Jolanta Bohdziewicz, Anna Kwarciak-Kozłowska i Mariusz Kuglarz
procesowi doczyszczania w procesie odwróconej osmozy. Początkowe natęŜenie obu
strumieni permeatów było identyczne i wynosiło 8,13·10–3 dm3/m2s. Po 12 godzinach
prowadzenia procesu doczyszczania ich ilości obniŜyły się znacznie i wynosiły dla MBR
2,750·10–3 dm3/m2s, a dla MBR+UD 2,90·10–3 dm3/m2s. Proces odwróconej osmozy
zapewnił wysoki stopień usunięcia ładunku zanieczyszczeń ze ścieków wstępnie
oczyszczanych zarówno w układzie MBR, jak i MBR+UD. Zmiany wartości wskaźników
przed i po procesie odwróconej osmozy przedstawiono w tabeli 1.
W przypadku permeatu otrzymanego w procesie RO ścieków wstępnie oczyszczonych
w układzie MBR niewspomaganym polem UD odnotowano obniŜenie wartości
wskaźników ChZT i BZT5 odpowiednio o 96,2% (24,3 mgO2/dm3) i 90,8%
(17,10 mgO2/dm3), podczas gdy stęŜenie chlorków zmniejszyło się o 90,7%
(209,2 mg/dm3), a azotu amonowego o 89% (20 mg/dm3) w porównaniu z wartościami
wskaźników charakteryzujących ścieki po ich biologicznym oczyszczeniu. Zastosowanie
wysokociśnieniowej filtracji do doczyszczania ścieków wcześniej oczyszczonych
w procesie fermentacji metanowej wspomaganej polem ultradźwiękowym (MBR+UD)
równieŜ pozwoliło na wysoki stopień usunięcia zarówno ładunku ChZT (97,5%), jak
i BZT5 (92,6%). StęŜenia tych wskaźników w permeacie kształtowały się odpowiednio na
poziomie 12 i 10 mgO2/dm3. W obu procesach w permeatach po RO odnotowano jednak
zbyt duŜe stęŜenie azotu amonowego, wynoszące 20÷29 mg/dm3, co uniemoŜliwiało ich
odprowadzenie do odbiornika naturalnego.
Wnioski
1.
2.
3.
Kondycjonowanie odcieków w polu ultradźwiękowym UD pozwoliło na skrócenie
hydraulicznego czasu zatrzymania mieszaniny oczyszczanych ścieków w reaktorze
MBR z 2 do 1,5 d w porównaniu z procesem prowadzonym bez wstępnego ich
nadźwiękawiania.
Stopień obniŜenia ChZT oraz produkcja biogazu odcieków poddanych działaniu pola
UD wzrosły odpowiednio o 10 i 11% dla kaŜdego z przebadanych czasów retencji
HRT. JednakŜe ścieki po procesie beztlenowej biodegradacji z obu przebadanych
układów (MBR i MBR+UD) nadal charakteryzowały się duŜym ładunkiem
zanieczyszczeń uniemoŜliwiającym odprowadzenie do odbiornika naturalnego.
Doczyszczanie w procesie odwróconej osmozy zapewniło wysoki stopień usunięcia
ładunku zanieczyszczeń (tab. 1). Jakkolwiek doczyszczone ścieki charakteryzowały się
zbyt duŜym stęŜeniem azotu amonowego, co w rezultacie uniemoŜliwiało ich
bezpośrednie odprowadzenie do odbiornika naturalnego. W celu usunięcia pozostałego
azotu amonowego do poziomu umoŜliwiającego bezpośrednie odprowadzenie do
odbiornika naturalnego [5] zasugerowano włączenie procesu odpędzania amoniaku do
analizowanego układu.
Praca została zrealizowana w ramach projektu badawczego MEiN nr T09D 014 25
realizowanego w latach 2003-2006.
Literatura
[1]
Surmacz-Górska J.: Degradacja związków organicznych zawartych w odciekach z wysypisk. Monografia
nr 5, Lublin 2001.
Wpływ procesu dezintegracji ultradźwiękowej na efektywność współoczyszczania odcieków …
[2]
[3]
[4]
[5]
427
śygadło M.: Gospodarka odpadami komunalnymi. Wyd. Polit. Świętokrzyskiej, Kielce 2002.
Szyc J.: Odcieki ze składowisk odpadów komunalnych. Monografia. Wyd. Nauk. Gabriel Borkowski,
Warszawa 2003.
El-Fadel M. i Findikakis N.: Environmental impacts of solid waste landfiling. J. Environ. Manage., 1997, 50,
1-25.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie naleŜy spełnić przy
wprowadzaniu ścieków do wód lub ziemi. DzU Nr 137, poz. 984.
INFLUENCE OF ULTRASONIC DISINTEGRATION ON THE EFFICIENCY
OF LANDFILL LEACHATE CO-TREATMENT
IN ANAEROBIC DIGESTION-REVERSE OSMOSIS SYSTEM
Summary: The main objective of the reseaech was to establish the influence of the UD field on the efficiency of
landfill leachates and synthetic wastewater co-treatment in the process of anaerobic digestion (MBR reactor)
associated with reverse osmosis. It was proved that landfill leachate conditioning by means of UD field allows to
shorten the HRT (hydraulic retention time) value of the co-treated mixture from 2 to 1.5 days in the MBR reactor,
compared with the same process conducted for non-ultrasonically disintegrated sample. What is more, it was
established that obtained COD reduction was on average 10% greater, for each of the analysed HRT value.
Similarly, the amount of biogas generated increased by 11%. Since the biologically treated effluent in both
analysed modes (MBR and MBR+UD) exhibited a high degree of contamination, which did not allow to their
release into the natural water, an attempt was made to post-treat them by means of high-driven membrane process,
ie reverse osmosis. The application of reverse osmosis allowed to receive a high degree of pollutants reduction.
However, final permeate flux samples exhibited too high a concentration of ammonia nitrogen, which still did not
allow to release the effluent into the receiving natural water. It was suggested that further experiments should
include the process of ammonia stripping.
Keywords: anaerobic digestion, membrane reactor (MBR), reverse osmosis (RO), ultrasonic field