wpływ dawki polielektrolitu na charakterystyki osadów ściekowych w

Proceedings of ECOpole
Vol. 2, No. 2
2008
Anna KORZEKWA-WOJTAL1 i Lidia WOLNY1
WPŁYW DAWKI POLIELEKTROLITU NA CHARAKTERYSTYKI
OSADÓW ŚCIEKOWYCH W PROCESACH SEDYMENTACJI
W MAŁYCH OCZYSZCZALNIACH ŚCIEKÓW
INFLUENCE OF POLYELECTROLYTE DOSE ON THE CHARACTERISTIC
OF SLUDGE FROM SMALL WASTEWATER TREATMENT PLANTS
IN THE SEDIMENTATION PROCESS
Streszczenie: Przedstawiono badania dotyczące charakterystyki fizykochemicznej osadów ściekowych kondycjonowanych polielektrolitem Zetag 7631 wysokokationowym. Osady, oznaczone jako OSAD A, OSAD B i OSAD
C, pobierane były w określonych odstępach czasu z tej samej małej oczyszczalni ścieków. Na podstawie testu
czasu ssania kapilarnego określono właściwości i skuteczność polielektrolitu. Na podstawie wykreślonych krzywych zaleŜności CSK od dawki polielektrolitu wybrano do dalszych badań następujące dawki: 2,0 mg/g s.m.;
2,5 mg/g s.m. i 3,0 mg/g s.m., które mieszczą się w zakresie dawek optymalnych. Dla wskazanego przedziału
wykonano badania technologiczne opisujące efekty zagęszczania grawitacyjnego i odwadniania w procesie odwirowania analizowanych osadów. Badania wykazały, Ŝe w kaŜdym przypadku osad niepreparowany zagęszczał
i odwadniał się gorzej niŜ ten sam kondycjonowany polielektrolitem. W czasie 2-godzinnej próby opadalności
osady niepreparowane w bardzo słabym stopniu ulegały sedymentacji. W przypadku procesu odwirowania sytuacja wyglądała podobnie. Uwodnienie końcowe osadów niepreparowanych zmniejszyło się w niewielkim stopniu,
dopiero wprowadzenie środka kondycjonującego wpłynęło na obniŜenie badanego parametru. Na podstawie
uzyskanych wyników badań wykreślono krzywe zaleŜności wybranych parametrów charakteryzujących odwadniane osady. Następnie wykonano obserwacje mikroskopowe osadów preparowanych wybranym polielektrolitem.
Na ich podstawie określono zaleŜność zamian struktury kondycjonowanego osadu od jego dawki. Stwierdzono, Ŝe
ze wzrostem dawki polielektrolitu wzrasta rozmiar sflokulowanych cząstek. Równocześnie obserwowano zwiększenie się ilości wody wolnej, obecnej pomiędzy nimi. Za pomocą mikroskopu dokonano pomiaru odległości
pomiędzy tworzącymi się aglomeratami kłaczków.
Słowa kluczowe: osady ściekowe, polielektrolit, zagęszczanie grawitacyjne, odwirowanie, uwodnienie końcowe,
struktura
Gospodarka osadowa w małych oczyszczalniach ścieków jest obecnie jednym
z waŜniejszych problemów gmin wiejskich. Rosnąca ilość funduszy zewnętrznych zarówno
krajowych, jak i zagranicznych, zwłaszcza unijnych, stwarza duŜe moŜliwości rozwoju. Dla
władz samorządowych priorytetem staje się budowa kanalizacji sanitarnej i lokalnych
oczyszczalni ścieków. Wraz z inwestowaniem w ochronę środowiska powstają problemy
związane z zagospodarowaniem powstających odpadów, w tym osadów ściekowych, których właściwości są bardzo zróŜnicowane i zaleŜne od wielu czynników. Skład i charakter
komunalnych osadów ściekowych zaleŜy od rodzaju ścieków trafiających do oczyszczalni
oraz od sposobu ich oczyszczania. Praktyka wskazuje, Ŝe nie ma dwu identycznych osadów
ściekowych [1-3]. Osady stanowią skomplikowany układ wielofazowy i polidyspersyjny.
Mogą zawierać związki o charakterze organicznym i mineralnym w postaci nierozpuszczalnej, koloidalnej i rozpuszczalnej. Jednak najwaŜniejszymi cechami, decydującymi
o uciąŜliwości osadów, są ich ilość i uwodnienie [4, 5]. Spośród róŜnych metod kondycjo1
Instytut InŜynierii Środowiska, Wydział InŜynierii i Ochrony Środowiska, Politechnika Częstochowska,
ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa, tel./fax 034 325 09 17, email: [email protected],
[email protected]
446
Anna Korzekwa-Wojtal i Lidia Wolny
nowania najczęściej stosowane jest kondycjonowanie chemiczne, które moŜe przebiegać
z zastosowaniem np. polielektrolitów. Osady wówczas łatwiej ulegają sedymentacji
i zagęszczaniu w urządzeniach mechanicznych. W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie
zastosowaniem polielektrolitów syntetycznych o duŜej masie molekularnej, określanych
mianem środków najskuteczniej wspomagających procesy wstępnego preparowania osadów przed ich odwadnianiem [6-8]. Dotychczasowe badania prowadzone w kraju i za granicą wykazały, Ŝe zastosowanie polielektrolitów w kondycjonowaniu osadów powoduje
poprawę właściwości filtracyjnych, wywołując tym samym zmiany w ich strukturze [9].
Zmiana struktury osadów doprowadza między innymi do znacznego osłabienia sił wiąŜących wodę z powierzchnią cząstek fazy stałej i łatwiejszego usunięcia wody
w procesach mechanicznego odwadniania. WaŜną operacją w kaŜdej oczyszczalni ścieków
jest odpowiedni dobór polielektrolitu i jego dawki, który zaleŜy od rodzaju trafiających do
oczyszczalni ścieków i sposobu ich oczyszczania oraz dawkowania polielektrolitu. Dlatego
dobór polielektrolitu powinien być przeprowadzony na podstawie doświadczeń eksperymentalnych wykonanych w kaŜdej oczyszczalni ścieków. Niewłaściwy dobór dawki polielektrolitu moŜe spowodować zwiększone koszty eksploatacji, jak równieŜ moŜe pogorszyć
efekt odwadniania osadów ściekowych [5, 10]. Środki kondycjonujące wspomagają procesy sedymentacji osadów ściekowych w procesie zagęszczania grawitacyjnego i odwadniania m.in. w procesach wirowania osadów ściekowych w wirówkach. Sedymentacja jest to
rozdzielanie mieszaniny na czystą ciecz i ziarna fazy stałej na skutek opadania ziaren na
nieporowatą powierzchnię zbiornika pod wpływem siły grawitacyjnej lub innego wymuszonego ruchu ziaren, np. siły odśrodkowej [11].
Część doświadczalna
Badano osady ściekowe pobrane z komory stabilizacji osadu w celu charakterystyki fizykochemicznej oraz zbadania tych samych osadów kondycjonowanych polielektrolitem
i procesu kondycjonowania. Parametrami określającymi zachodzące procesy były: czas
ssania kapilarnego (CSK), zagęszczanie grawitacyjne i uwodnienie w procesie wirowania.
W badaniach wykorzystano osady ściekowe pochodzące z oczyszczalni ścieków typu
SBR o przepustowości Q = 500 m3/dobę i oznaczono je symbolami A, B, C. Osady pobierano w 2,5-miesięcznych odstępach czasu w 2006 roku: osad A pobrano na początku stycznia, osad B w połowie marca, a osad C pod koniec maja. W dniu pobrania osadów ścieki
dowoŜone stanowiły: w przypadku osadu A: 14%, osadu B 28% i osadu C 5%.
Do preparowania osadów uŜyto polielektrolitu Zetag 7631 typu kationowego, bardzo
silnego [12].
Pomiar CSK wykonano na zestawie składającym się z przystawki pomiarowej i układu
automatycznie sterującego czas wchłaniania przez bibułę wilgoci z osadów po przejściu
pomiędzy dwoma pierścieniami. Na podstawie testu czasu ssania kapilarnego określono
zakres optymalnych dawek zastosowanego polielektrolitu.
Obserwacje mikroskopowe struktury badanych osadów prowadzono za pomocą mikroskopu przy 100-krotnym powiększeniu i z moŜliwością pomiaru odległości między powstałymi kłaczkami i aglomeratami osadu.
Proces zagęszczania grawitacyjnego prowadzono w cylindrach o pojemności
1000 cm3. Odczytów objętości oddzielającej się warstwy skoncentrowanych osadów doko-
Wpływ dawki polielektrolitu na charakterystyki osadów ściekowych w procesach sedymentacji …
447
nywano po 5, 10, 15, 30, 60, 90 i 120 minutach. Na podstawie pomiarów objętości osadów
zagęszczonych wykreślono krzywe zagęszczania.
Odwirowywanie osadów prowadzono w wirówce laboratoryjnej o działaniu okresowym, z regulacją prędkości i czasu wirowania. Objętość próbek osadów poddanych wirowaniu wynosiła 50 cm3. Próby te przeprowadzono dla prędkości obrotowej wynoszącej
4500 obr/min i czasu wirowania wynoszącym 5 minut.
Analiza wyników badań
Na podstawie testu czasu ssania kapilarnego określono właściwości i skuteczność zastosowanego polielektrolitu Zetag 7631 w procesie kondycjonowania i dobór optymalnej
dawki. Na podstawie wykreślonych krzywych, do badań wybrano następujące dawki polielektrolitów: 2,0, 2,5 i 3,0 mg/g s.m. Czas ssania kapilarnego kaŜdego z badanych osadów
zmniejszał się wraz ze wzrostem dawki zastosowanego polielektrolitu. Dalsze zwiększenie
dawki polielektrolitu przejawiało się dalszym spadkiem wartości CSK, ale obserwowane
jednocześnie zmiany struktury osadów oraz rozmiary powstających flokuł wskazywały na
brak uzasadnienia dla dalszego zwiększania ilości flokulantu (przekroczenie punktu przełamania) [2].
Mikroskopowe zdjęcia struktury osadów ściekowych pozwalają na ocenę zachodzących zmian. Obserwacje wykazują, Ŝe dawka polielektrolitów wpływała na zachodzące
w osadach procesy. Stwierdzono, Ŝe wraz ze wzrostem dawki polielektrolitu wzrasta rozmiar sflokulowanych cząstek.
Osady niepreparowane charakteryzowały się strukturą drobno zdyspergowaną, ich
cząstki równomiernie wypełniały pole widzenia. Nie obserwowano skupisk osadu oraz
wody wolnej. Kondycjonowanie osadów polielektrolitem wyraźnie wpłynęło na ich strukturę w porównaniu z osadami niepreparowanymi. Dla dawki 2,0 mg/g s.m. w polu widzenia
pojawiły się kłaczki osadu. Zwiększyła się ilość wody wolnej obecnej pomiędzy nimi.
Dokonano pomiaru odległości pomiędzy tworzącymi się aglomeratami kłaczków, wypełnionymi wodą wolną. Dla dawki 2,0 mg/g s.m. wartość ta waha się w granicach od 8,5 do
17 µm, dla dawki 2,5 mg/g s.m. wynosi od 17 do 64 µm, a dla dawki
3,0 mg/g s.m. od 63 do 94 µm (osad B) i powyŜej 100 µm (osad C). Następnie przeprowadzono proces zagęszczania grawitacyjnego dla osadów niepreparowanych oraz osadów
kondycjonowanych polielektrolitem Zetag 7631 w wyznaczonych dawkach.
Pobrane do badań osady okazały się osadami bardzo trudno zagęszczającymi się, gdyŜ
podczas 2-godzinnej próby opadalności w bardzo słabym stopniu uległy sedymentacji (objętość końcowa osadu A wynosiła 995,5 cm3, osadu B: 994 cm3, a osadu C: 991,5 cm3).
Próby opadalności badanych osadów dla zakresu wyznaczonych dawek ustalonych za pomocą testu CSK okazały się skuteczniejsze dla procesu zagęszczania grawitacyjnego. Objętość osadów preparowanych polielektrolitem Zetag 7631 w dawce 1,5 mg/g s.m. była po
30 minutach zagęszczania na poziomie: 963 cm3 w przypadku osadu A, 950 cm3 osadu B
oraz 959 cm3 osadu C.
Badane osady poddano następnie przyspieszonej sedymentacji w wyniku procesu wirowania, a następnie wyznaczono uwodnienie końcowe badanych osadów. Na podstawie
otrzymanych wyników badań stwierdzono wpływ czynnika kondycjonującego na badane
parametry. Uwodnienie końcowe osadów niepreparowanych w procesie wirowania wynosiło odpowiednio: 94,1% dla osadu A, 88,7% dla osadu B oraz 90,8% dla osadu C. Preparo-
448
Anna Korzekwa-Wojtal i Lidia Wolny
wanie
osadów dawkami
zastosowanego
polielektrolitu,
mieszczącymi
się
w zakresie ustalonych dawek wpłynęło na obniŜenie wartości badanego parametru. Uwodnienie końcowe w przypadku kondycjonowania osadów dawką 2,0 mg/g s.m. wynosiło
odpowiednio: 89,1% dla osadu A, 82,8% dla osadu B i 80,3% dla osadu C. Najlepsze efekty odwadniania uzyskano w przypadku osadu C. RóŜnica między uwodnieniem końcowym
osadu C w wyniku wirowania osadu niepreparowanego a osadu kondycjonowanego dawką
polielektrolitu 3,0 mg/g s.m. wynosiła 11,8%. Jednak w przypadku kaŜdego z badanych
osadów dawką optymalną, która w decydujący sposób wpływała na efektywność odwadniania, była dawka 2,5 mg/g s.m. Pozostałe większe dawki tylko w niewielkim stopniu
zmniejszały uwodnienie osadu.
W tym przypadku określono jedną dawkę polielektrolitu, która powodowała obniŜenie
uwodnienia osadów pochodzących z tej samej oczyszczalni ścieków, charakteryzujących
się z kolei róŜnymi parametrami początkowymi.
Wnioski
1.
2.
3.
4.
Na podstawie przeprowadzonych badań moŜna sformułować następujące wnioski:
Osady pobrane z tej samej małej oczyszczalni ścieków w róŜnych odstępach czasu
róŜniły się parametrami początkowymi oraz zdolnością do zagęszczania grawitacyjnego i odwadniania w wirówce.
Odwadnianie badanych osadów w procesie odwirowania przebiegało korzystnie, co
stwierdzono na podstawie uzyskanych wartości uwodnienia końcowego.
Kondycjonowanie osadów przed odwadnianiem dawkami polielektrolitu mieszczącymi
się w zakresie dawek optymalnych wpływało na poprawę efektu zagęszczania grawitacyjnego i odwadniania w wirówce.
Dla przebadanych osadów istnieje zaleŜność pomiędzy rozmiarami kłaczków i tworzeniem aglomeratów a ich zdolnością do odwadniania i zagęszczania.
Literatura
[1]
Bień J.B., Wolny L. i Wolski P.: Działanie ultradźwięków i polielektrolitów w procesie odwirowania osadów
ściekowych. InŜ. Ochr. Środow., 2001, 4(1), 41-50.
[2] Wolny L.: Ultradźwiękowe wspomaganie procesu przygotowania osadów ściekowych do odwadniania.
Monografie nr 104. Wyd. Polit. Częstochowskiej, Częstochowa 2005.
[3] Kempa E.S.: Modeling of wastewater sludges - theoretical conditions and realities. I Scientific - Technical
Conference, Czestochowa, Poland, 1995, pp.16-23.
[4] Cywiński B. i in.: Oczyszczanie ścieków. Wyd. Arkady, Warszawa 1983.
[5] Bień J.B., Bień J.D. i Matysiak B.: Gospodarka odpadami w oczyszczalniach ścieków. Wyd. Polit.
Częstochowskiej, Częstochowa 1999.
[6] Anielak A.M.: Chemiczne i fizykochemiczne oczyszczanie ścieków. WN PWN, Warszawa 2000.
[7] Bień J., Kowalska E. i Zielewicz E.: Zmiany stopnia rozdziału osadu w procesie odwirowania nadźwiękawianych osadów ściekowych. Zesz. Nauk. Polit. Śląskiej 21, Gliwice 1978.
[8] Nguyen T.P i in.: Characterization of synthetic and activated sludge and conditioning with cationic polyelectrolytes. Desalination, 2008, 227, 103-110.
[9] Sozański M.M.: Technologia usuwania i unieszkodliwiania osadów z uzdatniania wody. Wyd. Polit. Poznańskiej, Poznań 1999.
[10] Bień J., Stępniak L. i Wolny L.: Ultradźwięki w dezynfekcji wody i preparowaniu osadów ściekowych przed
ich odwadnianiem. Monografie nr 37. Wyd. Polit. Częstochowskiej, Częstochowa 1995.
[11] Janosz-Rajczyk M. i in.: Wybrane procesy jednostkowe w inŜynierii środowiska. Wyd. Polit. Częstochowskiej, Częstochowa 2000.
[12] Przegląd produktów Zetag i Magnafloc. Materiały reklamowe. Ciba Specialty Chemicals, Warszawa 2002.
Wpływ dawki polielektrolitu na charakterystyki osadów ściekowych w procesach sedymentacji …
449
INFLUENCE OF POLYELECTROLYTE DOSE ON THE CHARACTERISTIC
OF SLUDGE FROM SMALL WASTEWATER TREATMENT PLANTS
IN THE SEDIMENTATION PROCESS
Summary: The investigations concerning the physico-chemical characteristic of sewage sludge after conditioning
with high-cationic polyelectrolyte Zetag 7631 were presented. Sludge, indicated as sludge A, sludge B and sludge
C was sampled in the designated time intervals from the same small wastewater treatment plant. The capillary
suction time (CST) was useful to determinate sludge properties and polyelectrolyte efficiency. On the base of
obtained results the curves of dependences between CST and polyelectrolyte dose were designated. To further
investigations polyelectrolyte doses equal: 2.0, 2.5, and 3.0 mg/g d.m. from the optimal doses range were selected.
For the mentioned range of reagent doses the technological tests of sludge were made, describing the result of
gravitational thickening and dewatering in the centrifugation process. It was noticed that in every case unconditioned sludge in comparison with the sludge after conditioning had worse characteristic in the thickening and
dewatering process. During two-hours gravitational settling attempt unprepared sludge not undergo sedimentation.
In the case of centrifugation process the result was similar. Final hydration did not decrease, but after using the
conditioning compound this parameter was lower. Moreover the microscopic observations of tested sludge before
and after conditioning with selected polyelectrolyte were made. These tests were useful to determinate relationship
between structure of conditioned sludge and polyelectrolyte dose resulted in the flocculated particles size increase.
At the same time the amount of free water in the structure of sludge was observed. The measurement of distance
between forming agglomerates of sludge flocs was also taken.
Keywords: sewage sludge, polyelectrolyte, gravitational thickening, centrifugation, final hydration, structure