Usuwanie glonów i całkowitej zawartości węgla organicznego w zakładach odsalania wody

• 1. Wprowadzenie
• 2. Wstępne oczyszczanie wody morskiej przy użyciu alg i całkowitego węgla organicznego (TOC)
• 3. Oczyszczanie ścieków o wysokiej zawartości fosforu i TOC za pomocą DAF i MBR
• 4. Podsumowanie

1. Rozwój szkodliwych glonów i obecność całkowitego węgla organicznego (TOC)

Niektóre warunki środowiskowe, takie jak wysokie temperatury, sprzyjają rozwojowi glonów w zbiornikach wodnych.

W innych przypadkach glony powstają w wyniku niewłaściwego gospodarowania ściekami odprowadzanymi do środowiska. Glony rozwijają się w obecności składników odżywczych (azotu i fosforu) oraz przy odpowiednim nasłonecznieniu, pH i temperaturze. Wraz ze wzrostem stężenia fosforu w zbiorniku wodnym nasila się również wzrost tych glonów.

Ograniczanie rozrostu szkodliwych glonów stanowi poważne wyzwanie środowiskowe. Konieczne jest zmniejszenie stężenia fosforu, ponieważ jest to główny czynnik przyczyniający się do tego problemu. Ponadto należy podjąć działania mające na celu eliminację rozrastających się kolonii.

Istnieją dodatki chemiczne, które można wprowadzić do zbiornika wodnego w celu powstrzymania wzrostu glonów, jednak nie pozwala to na usunięcie pływającej zielonej warstwy z osadu. Skuteczniejsze jest fizyczne usunięcie tej warstwy oraz zmniejszenie stężenia fosforu w wodzie. Procesem, który przynosi dobre wyniki w powstrzymywaniu zakwitów glonów, jest flotacja rozpuszczonegorozpuszczony (DAF).

Całkowita zawartość węgla organicznego (TOC) stanowi bezpośrednią miarę węgla organicznego obecnego w próbce wody, obejmującą zarówno rozpuszczoną materię organiczną, jak i cząstki zawieszone. W odróżnieniu od BZT i ChZT, TOC nie rozróżnia między materią organiczną ulegającą biodegradacji a nieulegającą biodegradacji, a jedynie mierzy całkowitą ilość węgla organicznego w próbce.

2. Wstępne uzdatnianie wody morskiej w zakładach odsalania

W procesie odsalania wody morskiej konieczne jest zastosowanie odpowiedniej obróbki wstępnej, ponieważ należy zapobiegać przedostawaniu się glonów, TOC, węglowodorów, olejów i tłuszczów do membran odsalających.

Systemy membranowe stosowane do odsalania wody morskiej są podatne na zanieczyszczenia i zatykanie spowodowane przez te substancje, co skraca ich żywotność i obniża wydajność. Aby uniknąć tych problemów, przed doprowadzeniem do instalacji odwróconej osmozy wodę morską należy poddać obróbce wstępnej.

Dezynfekcja, odsiew mechaniczny i regulacja pH

Dezynfekcję utleniającą stosuje się w celu zapobiegania rozwojowi mikroorganizmów, który powoduje zanieczyszczenie filtrów i membran. Ze względu na niskie koszty i skuteczność najczęściej stosowanym utleniaczem jest chlor, jednak konieczne jest przeprowadzenie późniejszego procesu odchlorowania, aby uniknąć obecności chloru resztkowego w strumieniu, ponieważ ten środek utleniający atakuje strukturę membran. Z drugiej strony należy pamiętać, że związki powstające w wyniku reakcji (chloraminy, trihalometany itp.) są toksyczne w określonych stężeniach.

Proces przesiewania polega na umieszczeniu siatki lub kraty na linii poboru wody morskiej. Rośliny i inne zanieczyszczenia zostają zatrzymane na kratach i usuwane za pomocą grabi lub podobnych narzędzi.

Woda morska ma zazwyczaj odczyn zasadowy, jednak wydajność membran do odwróconej osmozy jest optymalna przy niskich wartościach pH. Konieczne jest utrzymanie pH wody w zakresie od 5,5 do 6,0, co osiąga się poprzez dodanie środka zakwaszającego, który zapobiega wytrącaniu się soli, a także ułatwia tworzenie się kłaczków. Regulacja pH jest korzystna zarówno dla usuwania glonów, jak i całkowitego węgla organicznego.

Nie zaleca się pracy przy pH poniżej 5,5, ponieważ komórki ulegają rozpadowi i uwalniają substancje wewnątrzkomórkowe, które mogą pozostawać na błonach, a nawet przedostawać się wraz z permeatem.

Koagulacja i flokulacja

Głównym celem procesu koagulacji i flokulacji jest usunięcie zmętnienia i zawiesin. W trakcie tego procesu do wody dodaje się koagulant w celu zneutralizowania ładunku cząstek naładowanych elektrycznie (koloidów). Rodzaj koagulantu i jego optymalną dawkę określa się poprzez przeprowadzenie testu jar-test na wodzie. Najczęściej stosowanymi koagulantami są związki glinu, sole żelaza (siarczan żelaza, chlorek żelaza) oraz sole glinu (PAC i siarczan glinu).

Komórki glonów muszą zostać całkowicie rozbite, aby proces oczyszczania osiągnął maksymalną skuteczność. Osiąga się to poprzez zastosowanie odpowiedniej dawki koagulantu i flokulantu oraz dostosowanie pH do optymalnego poziomu dla zastosowanej dawki koagulantu.

Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF)

W etapie flotacji cząstki stałe, komórki glonów, oleje i tłuszcze unoszą się na powierzchni i są usuwane. Usuwane są również kłaczki powstałe w etapie koagulacji i flokulacji.

Urządzenia firmy DAF zyskały popularność w procesach odsalania wody pitnej, ponieważ pozwalają zmniejszyć zapotrzebowanie na miejsce oraz obniżyć koszty eksploatacji i konserwacji, a jednocześnie poprawiają wyniki oczyszczania.

W firmie SIGMADAF opracowaliśmy urządzenia DAF przeznaczone specjalnie do tego zastosowania (SEADAF), które łączą zasady flotacji i sedymentacji przy użyciu rozpuszczonego powietrza z optymalną konstrukcją urządzenia.         

Materiały użyte do budowy tych urządzeń muszą być odporne na silną korozję wywołaną solami zawartymi w wodzie morskiej (głównie NaCl), dlatego do budowy zbiornika i powłok stosuje się zazwyczaj polipropylen, a do elementów metalowych – stal nierdzewną typu AISI 316L. Materiały te gwarantują długą żywotność systemów DAF.

Skuteczność usuwania glonów w systemie obejmującym koagulację i flokulację, regulację pH, system DAF oraz filtrację grawitacyjną przekracza 99%. Jeśli dodatkowo zastosuje się system membran ultrafiltracyjnych (UF), wydajność zbliża się do 100%.

3. Oczyszczanie wody o wysokiej zawartości fosforu i całkowitej zawartości węgla organicznego za pomocą DAF i MBR

Jak wspomnieliśmy na początku artykułu, należy unikać przedostawania się fosforu do środowiska, ponieważ przyczynia się on do niekontrolowanego wzrostu kolonii glonów.

Często spotyka się ścieki o wysokiej zawartości fosforu, zarówno w postaci koloidalnej, jak i w roztworze, a także o wysokim stężeniu TOC. Zjawisko to występuje zazwyczaj w ściekach komunalnych oraz w wodach pochodzących z gospodarstw rolnych.

Aby prawidłowo oczyścić ścieki, konieczny jest proces koagulacji/flokulacji połączony z regulacją pH oraz dodaniem Ca(OH)_₂ w przypadku utrzymującej się zawartości fosforu w roztworze.

Wstępnie oczyszczone ścieki są kierowane do oczyszczania wtórnego, które obejmuje system biologicznej utleniania powietrzem oraz oddzielanie osadu i zawiesin.

Bioreaktory membranowe (MBR) charakteryzują się wysoką wydajnością w oczyszczaniu niewielkich lub średnich przepływów o wysokim stężeniu TOC. Reaktor MBR składa się z bioreaktora tlenowego wyposażonego w system napowietrzania oraz zestawu membran ultrafiltracyjnych (UF), w którym następuje oddzielenie i recyrkulacja biomasy.

Ponieważ biomasa jest całkowicie zatrzymywana przez membranę i ponownie wprowadzana do reaktora, w jego wnętrzu osiąga się bardzo wysokie stężenia (5-krotnie wyższe niż w systemach konwencjonalnych).

Wyniki te osiągnięto dzięki krótkim czasom przebywania, niezwykłej zdolności do rozkładu, minimalnym wymaganiom przestrzennym oraz wysokiej jakości oczyszczonych ścieków.

Kolejną zaletą wynikającą z większego stężenia biomasy jest możliwość łagodzenia skutków obciążenia zanieczyszczeniami bez powodowania jej uszkodzeń. Krótkotrwałe wahania stężenia BZT na poziomie do 10 g/l na wlocie do reaktora mają zaledwie nieznaczny wpływ na przebieg procesu. Dzięki tej zdolności buforowej zapewniona jest stała jakość oczyszczonych ścieków.

W systemie MBR można osiągnąć szybkość natleniania na poziomie 200 mg O₂/l/h, co stanowi wartość znacznie wyższą niż w przypadku reaktorów konwencjonalnych. Dzięki całkowitej zawiesinie mikroorganizmów (bez tworzenia się kłaczków) uzyskuje się dużą powierzchnię, która pozwala mikroorganizmom na bezpośrednie wchłanianie tlenu przepływającego w środowisku najkrótszą drogą. Ułatwia to bakteriom osiągnięcie wysokiego tempa metabolizmu.

Mieszanie zawartości reaktora odbywa się w układzie napowietrzania za pomocą dyfuzorów drobno-pęcherzykowych. Na tym etapie szczególne znaczenie ma tworzenie się drobnych pęcherzyków, które mieszają się z całą zawartością.

W systemie membran zanurzonych cyrkulacja objętości reaktora odbywa się w sposób ciągły przez komorę membran ultrafiltracyjnych, która jest połączona z reaktorem napowietrzającym. W komorze tej membrany UF są wprowadzane bezpośrednio do biomasy lub umieszczane na zewnątrz w odpowiednich zbiornikach z pośrednim pompowaniem. Najczęściej stosowaną opcją są pakiety membran zanurzone w zbiorniku.

Systemy MBR stanowią ulepszoną wersję systemów z osadem czynnym, ponieważ łączą proces biodegradacji z separacją faz stałej i ciekłej poprzez filtrację membranową. Systemy MBR należą do najbardziej wydajnych technologii oczyszczania ścieków o wysokim stężeniu fosforu i TOC. 

4. Podsumowanie

Nadmiar składników odżywczych (zwłaszcza fosforu) oraz TOC zawarty w niektórych ściekach lub wodzie morskiej może stanowić źródło poważnych problemów dla środowiska, ponieważ w ściekach powoduje zjawisko eutrofizacji, które prowadzi do niedotlenienia i śmierci organizmów wodnych, a w przypadku zakładów odsalania – do zatykania membran do odwróconej osmozy.

W niniejszym artykule przedstawiono rozwiązania w zakresie oczyszczania oparte na technologiach i urządzeniach, którymi dysponuje firma SIGMADAF (DAF / SEADAF / SMBR) i które okazały się bardzo skuteczne w przypadku obecności tych problematycznych zanieczyszczeń.

Technologie te mają na celu osiągnięcie następujących celów:

• Obniżenie kosztów energii, robocizny, odczynników i sprzętu.
• Wysoka wydajność oczyszczania
• Zajmuje niewiele miejsca
• Łatwość obsługi i konserwacji
• Obniżenie kosztów energii, robocizny, odczynników i sprzętu.

Bibliografia i źródła

https://www.frcsystems.com/es/algae-removal-using-dissolved-air-flotation-daf/

https://sigmadafclarifiers.com/aplicaciones-daf/