docCiśnieniowe techniki membranowe
download 
Reklamacja Transkrypt
Ciśnieniowe techniki membranowe
Woda i Ścieki w Przemyśle Spożywczym Ciśnieniowe techniki membranowe w oczyszczaniu ścieków z przemysłu mięsnego prof. dr hab. inż. Jolanta Bohdziewicz, mgr inż. Ewa Sroka Instytut Inżynierii Wody i Ścieków, Politechnika Śląska Przemysł mięsny jest gałęzią sektora spożywczego, która w znacznym stopniu wpływa na degradację środowiska naturalnego. Ponad 90% wody pobieranej na potrzeby produkcyjne odprowadzane jest w postaci ścieków charakteryzujących się dużą zawartością składników organicznych, wysokim stężeniem zawiesiny, soli nieorganicznych oraz substancji biogennych. Ich zrzut jest nierównomierny i przebiega w sposób falowy. z odwróconą osmozą, w drugim skojarzono te procesy z koagulacją. Ze względu na wysokie obciążenie, ścieki te przed odprowadzeniem Podjęto próbę opracowania układu, który zapewniłby usunięcie ładundo odbiornika powinny być poddane procesowi dokładnego oczyszczeku zanieczyszczeń z oczyszczanych ścieków w najwyższym stopniu nia. Wymaga on jednak zastosowania szeregu wzajemnie uzupełniająi umożliwił ich odprowadzenie do odbiornika naturalnego lub zawrócecych się technologii zapewniających uzyskanie takiego stopnia usunięcia nie do cyklu technologicznego zakładu produkcyjnego. ładunku zanieczyszczeń, by oczyszczone wody odpadowe mogły zostać odprowadzone do odbiornika naturalnego lub ponownie wykorzystane Przedmiot badań w formie wody technologicznej w cyklu produkcyjnym. Badania prowadzono na ściekach rzeczywistych pochodzących Obecnie więcej uwagi poświęca się rozwojowi niekonwencjonalnych z Zakładu Przetwórstwa Mięsnego prowadzącego przetwórstwo i ubojnię metod unieszkodliwiania ścieków. Coraz częściej stosowane są ciśnieniotrzody chlewnej. Charakteryzowały we techniki membranowe, między się one znacznym ładunkiem zanieinnymi ultrafiltracja zapewniającą W ostatnich latach obserwuje się intensywny rozwój czyszczeń, dużą ilością zawiesiny usunięcie ze strumieni odpadowych technologii wytwarzania membran nowych generacji, oraz wysokimi stężeniami azotu zawiesiny, wielkocząsteczkowych bardziej skutecznych i mniej kosztownych. ogólnego i fosforu. Wartości podsubstancji organicznych i koloistawowych i eutroficznych wskaźdalnych oraz proces odwróconej ników zanieczyszczeń opisujących te wody odpadowe w całym okresie osmozy, który pozwala na usunięcie substancji mineralnych i małoczącyklu produkcyjnego wahały się w szerokich granicach. Badane ścieki steczkowych związków organicznych. posiadały czerwono-brunatną barwę, intensywny nieprzyjemny zapach W ostatnich latach obserwuje się intensywny rozwój technologii oraz wykazywały tendencję do pienienia się i zagniwania. Charakterywytwarzania membran nowych generacji, bardziej skutecznych i mniej stykę ścieków surowych zamieszczono w tabeli 1. kosztownych, co zdecydowanie zwiększa atrakcyjność ekonomiczną stosowania technik membranowych. Aparatura badawcza Cel badań Celem podjętych badań było porównanie efektywności oczyszczania ścieków z przemysłu mięsnego w dwóch układach zintegrowanych. Proces ultrafiltracji i odwróconej osmozy prowadzono stosując urządzenie ciśnieniowe amerykańskiej firmy Osmonics typu SEPA CF-HP z modułem płytowo - ramowym o powierzchni czyn- Tabela 1. Charakterystyka ścieków surowych oraz dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych odprowadzanych do odbiornika Pierwszy obejmował jednostkowe procesy membranowe tj. ultrafiltrację *Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 8 lipca 2004, w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, sektor 5 – chów, hodowla i przetwórstwo zwierząt gospodarskich (Dz. U. Nr 168, poz. 1763) Agro Przemysł 2/2008 67 Woda i Ścieki w Przemyśle Spożywczym nej membrany wynoszącej 155 cm 2. Układ pracował w systemie cross-flow. Metodyka badań Ścieki z Zakładu Przemysłu Mięsnego wstępnie oczyszczone na stopniu mechanicznym (kraty, sita, separator tłuszczu i flotator), oczyszczano następnie w dwóch układach zintegrowanych kojarzących: • proces ultrafiltracji z odwróconą osmozą, • proces koagulacji z ultrafiltracją i odwróconą osmozą. Podstawowym kryterium oceny efektywności oczyszczania ścieków w procesach membranowych był objętościowy strumień permeatu (Jv, m3/m2s), który wyznaczano dokonując pomiaru objętości oczyszczonych ścieków transportowanych przez jednostkę powierzchni membrany w jednostce czasu, natomiast efektywność oczyszczania ścieków (R) oceniono na podstawie obniżenia wartości wskaźników zanieczyszczeń organicznych tj. ChZT i BZT5, stężeń substancji biogennych: azotu ogólnego i fosforu oraz związków mineralnych. Oznaczano także sucha masę, pH i stężenie tlenu. , (1) gdzie: Ss – wartość wskaźnika charakteryzującego ścieki surowe, So - wartość wskaźnika charakteryzującego ścieki oczyszczone W badaniach zastosowano cztery polimerowe, płaskie membrany ultrafiltracyjne wyprodukowane przez amerykańską firmę Osmonics, a mianowicie: polisulfonową membraną typu SEPA-H oznaczoną symbolem HN, celulozową membranę DSCQ, membrany kompozytowe o symbolach DSGH2K i DSGH8K, a także dwie ultrafiltracyjne membrany z polisulfonu preparowane metodą rozdziału fazowego w laboratorium Zakładu Chemii Sanitarnej i Procesów Membranowych Politechniki Śląskiej, z roztworów błonotwórczych zawierających 12% wag. (PSf-12) i 15% wag. (PSf-15) polimeru. Przetestowano również membranę osmotyczną tej samej firmy, a mianowicie SS10 wytworzoną z octanu celulozy. Proces filtracji ciśnieniowej oczyszczanych ścieków prowadzono stosując ciśnienie transmembranowe w przypadku ultrafiltracji - 0,3 MPa, natomiast dla odwróconej osmozy 2,0 MPa. Liniową prędkość przepływu filtrowanego medium nad powierzchnią membrany każdorazowo utrzymywano na poziomie 2,0 m/s. W badaniach, w procesie koagulacji zastosowano cztery koagulanty techniczne ALF, PAC, PAX oraz PIX, które dozowano do ścieków w formie 1% roztworu wodnego. Podstawowe dawki reagentów wyznaczono z reakcji chemicznej strącania fosforanów. Proces koagulacji przy użyciu podstawowej dawki koagulantu oraz jego 100%, 200% i 300% nadmiaru prowadzono w temperaturze 180C - 200C dla pH ścieków 6,5-8,0. Czas szybkiego mieszania wynosił 45s, natomiast czasy wolnego mieszania i sedymentacji po 30 min. Doboru rodzaju koagulantu dokonywano na podstawie obniżenia wartości wskaźnika ChZT oraz stężenia fosforu w oczyszczanych ściekach. Rys. 1. Zależność objętościowego strumienia permeatu od stopnia jego odzysku w procesie ultrafiltracyjnego oczyszczania ścieków Największą wydajnością charakteryzowała się membrana DSCQ, dla której strumień permeatu zmalał o 12% przy jego 50% stopniu odzysku. Był on jednak 3 razy niższy w porównaniu ze strumieniem wyznaczonym dla wody destylowanej. Zdecydowanie niższe szybkości filtracji zaobserwowano dla pozostałych membran. Otrzymane objętościowe strumienie permeatów w tych samych warunkach (50% odzysku permeatu i te same parametry prowadzenia procesu) były od 2 do 4 razy niższe. O efektywności prowadzonego procesu membranowego decyduje jednak nie tylko wydajność membrany, ale także stopień usunięcia ładunku zanieczyszczeń ze ścieków. W zależności od rodzaju stosowanej membrany obserwowano różne stopnie obniżenia wartości poszczególnych wskaźników zanieczyszczeń charakteryzujących oczyszczane ścieki tj.: ChZT, BZT5 oraz stężeń azotu ogólnego i fosforu (rys. 2). Najwyższe stopnie obniżenia wartości ChZT i BZT5 oraz największe wartości współczynników retencji azotu ogólnego i fosforu uzyskano stosując w procesie ultrafiltracji membranę DSCQ. Wynosiły one odpowiednio: ChZT-84,6 %, BZT5-81,5 %, N-85,9 %, P-58 %. Zbliżony do nich stopień oczyszczenia ścieków otrzymano w procesie ultrafiltracji prowadzonym na membranie PSF-15. Stopnie usunięcia ładunku zanieczyszczeń ze ścieków uzyskane na obu membranach nie pozwoliły jednak na bezpośrednie odprowadzenie ich do odbiornika naturalnego, a tym bardziej na zawrócenie do cyklu technologicznego. Dlatego permeaty ultrafiltracyjne poddano dodatkowemu doczyszczaniu w procesie odwróconej osmozy. Oczyszczanie ścieków w układzie hybrydowym kojarzącym proces ultrafiltracji i odwróconej osmozy Do modułu ultrafiltracyjnego wprowadzano ścieki surowe podczyszczone wstępnie w procesach separacji tłuszczy i flotacji, a następnie filtracji na złożu piaskowym o uziarnieniu 0,2 mm0,4 mm. Procesy ultrafiltracji prowadzono na sześciu membranach ultrafiltracyjnych różniących się rodzajem polimeru z jakiego zostały wytworzone, a w związku z tym odmienną zwartością struktury. Ich graniczna rozdzielczość charakteryzowana wartością cut-off, zmieniała się w granicach od 2000 do 100000. Zależności objętościowych strumieni permeatów od stopnia ich odzysku dla różnych membran przedstawiono na rys. 1. 68 Rys. 2. Wpływ rodzaju membrany ultrafiltracyjnej na stopień usunięcia zanieczyszczeń ze ścieków Na rys. 3 zilustrowano zależności zmiany wielkości objętościowych strumieni permeatów otrzymanych w procesie odwróconej osmozy od stopnia ich odzysku. Nadawą w tym procesie były permeaty uzyskane w wyniku oczyszczania ultrafiltracyjnego ścieków surowych. Stwierdzono, że najwyższy objętościowy strumień permeatu uzyskano 2/2008 Agro Przemysł Woda i Ścieki w Przemyśle Spożywczym w procesie odwróconej osmozy, gdy nadawą były ścieki po oczyszczaniu ultrafiltracyjnym na membranie DSCQ. Strumień permeatu przy 30% jego odzysku wynosił wtedy 0,46×10-6 m3/m2s. Natomiast najmniejszy objętościowy strumień permeatu uzyskano w procesie odwróconej osmozy, gdy nadawą były ścieki po oczyszczaniu ultrafiltracyjnym na membranie DSGH2K. Strumień permeatu wynosił w tym przypadku 0,36×10 6 m3/m2s. Rys. 3. Zależność objętościowego strumienia permeatu od stopnia jego odzysku w procesie odwróconej osmozy ścieków po oczyszczeniu ultrafiltracyjnym W tabeli 2 zestawiono końcową charakterystykę ścieków oczyszczonych w układzie hybrydowym kojarzącym procesy ultrafiltracji i odwróconej osmozy. W procesie ultrafiltracji stosowano membranę DSCQ, ponieważ charakteryzowała się ona zbliżonymi właściwościami rozdzielczymi w porównaniu z membraną PSF-15 jednak posiadała zdecydowaniu wyższą wydajność. Rys. 4. Zależność objętościowego strumienia permeatu od stopnia jego odzysku w procesach ultrafiltracji i odwróconej osmozy ścieków po ich wstępnym oczyszczeniu metoda chemiczną lały o 53,1% i 85,9% i przyjęły wartości 150,0 g/m 3 i 2,5 g/m 3. Zbliżone wartości stopnia usunięcia zarówno fosforu jak i ChZT uzyskano w przypadku stosowania koagulantu ALF również przy Tab. 2. Wskaźniki zanieczyszczenia ścieków po ich oczyszczaniu w układzie kojarzącym proces ultrafiltracji i odwróconej osmozy Otrzymane wyniki świadczą o tym, że doczyszczone w procesie odwróconej osmozy ścieki mogły być zawracane do obiegu wody technologicznej w zakładzie. Oczyszczanie ścieków w za pomocą ciśnieniowych technik membranowych skojarzonych z procesem koagulacji Ponieważ w jednostkowym procesie ultrafiltracji badanych ścieków nie uzyskano dostatecznie wysokiego stopnia oczyszczenia, umożliwiającego odprowadzenie ich do odbiornika naturalnego, podjęto próbę ich wstępnego oczyszczenia w procesie koagulacji. Najwyższy stopień usunięcia ładunku zanieczyszczeń ze ścieków uzyskano stosując 300% nadmiar dawki podstawowej koagulantu PIX tj. stężenie 25,3 g koag/g P. Porównywalne wyniki uzyskano stosując dawkę 200% (19,0 g koag/g P) i w związku z tym uznano ją za korzystniejszą. Proces koagulacji 200% dawką PIX-u pozwolił na obniżenie wartości ChZT i BZT5 oczyszczanych ścieków odpowiednio o 75,5 % oraz 70 %. Wynosiły one: 662,0 gO2/m 3 i 540,0 gO2/m 3. Stężenia azotu ogólnego i fosforu w oczyszczonych ściekach zma- Agro Przemysł 2/2008 200 % jego nadmiarze w stosunku do dawki podstawowej i stężeniu 34,5 g koag/g P. Za najkorzystniejszy ze stosowanych w badaniach koagulantów uznano jednak PIX, ponieważ najskuteczniej usuwał barwę i mętność, a ponadto jest dużo tańszy w porównaniu z koagulantem ALF. Usunięcie barwy i mętności jest istotne w przypadku zastosowania ciśnieniowych technik membranowych, ponieważ związki organiczne mogłyby w istotny sposób zmniejszać wydajność membran. W kolejnej fazie badań podjęto próbę oczyszczenia ścieków w układzie kojarzącym procesy koagulacji, ultrafiltracji i odwróconej osmozy. Wprowadzenie procesu ultrafiltracji po chemicznym oczyszczaniu ścieków miało zapewnić uzyskanie takiego stopnia usunięcia ładunku zanieczyszczeń, aby mogły one być bezpośrednio odprowadzone do odbiornika. Proces odwróconej osmozy miał umożliwić zawrócenie oczyszczanych ścieków do cyklu produkcyjnego zakładu. Dlatego też ścieki, po ich wstępnej koagulacji 200% nadmiarem koagulanta PIX oczyszczano w dalszej kolejności na membranach ultrafiltracyjnych DSCQ, DSGH2K, DSGH8K oraz PSf-12 i PSf-15. Na rys. 4. przedstawiono zależności objętościowego strumienia 69 Woda i Ścieki w Przemyśle Spożywczym permeatu od stopnia jego odzysku w procesie ultrafiltracji skoagulowanych ścieków (a), a następnie ich doczyszczaniu w procesie odwróconej osmozy (b). Stwierdzono, że objętościowe strumienie permeatów uzyskane w procesie ultrafiltracji ścieków po ich wstępnej koagulacji były porównywalne do strumieni ultrafiltracyjnych ścieków surowych. Przy 50% stopniu odzysku permeatu, największą wydajnością charakteryzowała się membrana DSCQ - 1,3 m3/m2s. W przypadku pozostałych membran strumienie permeatu były znacznie niższe i wynosiły od 0,4 m3/m2s do 0,8 m3/m2s. W tabeli 3 zestawiono dane obrazujące efektywność oczyszczania ścieków w układzie hybrydowym kojarzącym procesy koagulacji, ultrafiltracji (na membranie DSCQ) i odwróconej osmozy. Ścieki oczyszczone w tym układzie można było zawrócić do cyklu technologicznego podobnie jak ścieki oczyszczone w skojarzonych procesach ultrafiltracji i odwróconej osmozy. Podsumowanie badań Przeprowadzone badania wykazały, że połączenie procesu ultrafiltracji z koagulacją w porównaniu z jednostkowym procesem ultrafiltracji w znacznym Tab. 3. Efektywność oczyszczania ścieków w układzie kojarzącym procesy koagulacji, ultrafiltracji i odwróconej osmozy W przypadku odwróconej osmozy największy objętościowy strumień permeatu otrzymano, kiedy filtracji poddano ścieki po procesach koagulacji i oczyszczania ultrafiltracyjnego przy zastosowaniu membrany DSCQ. Po sześciu godzinach prowadzenia wysokociśnieniowego procesu, dla 30% stopniu odzysku permeatu, wielkość strumienia permeatu wynosiła 0,68×10-6 m3/m2s. Jego spadek w tym czasie był bardzo nieznaczny i kształtował się na poziomie około 5%. stopniu zwiększa efektywność usunięcia ładunku zanieczyszczeń z oczyszczanych ścieków, a to zdecydowanie przyczynia się do wzrostu objętościowego strumienia permeatu w procesie ich doczyszczania metodą odwróconej osmozy. Można więc wnioskować, że ścieki po oczyszczeniu w obu układach zintegrowanych mogą być zawrócone do cyklu produkcyjnego jednak atrakcyjniejsze pod względem ekonomicznym wydaje się łączenie procesów koagulacji, ultrafiltracji i odwróconej osmozy. Reklama
