Usuwanie zawiesin stałych ze ścieków przemysłowych

• 1. Czym są zawiesiny całkowite (SST)
• 2. Występowanie SST w ściekach przemysłowych
• 3. Rodzaje zawiesin, ich identyfikacja i pomiar
• 4. Metody stosowane do oddzielania i usuwania zawiesin całkowitych
• 5. Flotacja powietrzem rozpuszczonym
• 6. Porównanie technologii oczyszczania służących do oddzielania SST

1. Czym są zawiesiny całkowite?

Całkowita zawartość zawiesin stałych (SST) to substancje, które zazwyczaj występują w wodach, zarówno naturalnych, jak i przemysłowych.

Obecność zawiesin stałych w ściekach powoduje zatykanie się i zużycie instalacji, przez które przepływają ścieki. Jeśli są to substancje organiczne, stanowią one również źródło procesów fermentacyjnych i potencjalnych zakażeń.

2. Występowanie SST w ściekach przemysłowych

Poniżej wymieniono niektóre z najczęściej występujących w ściekach zawiesin ogółem, których obecność zależy od:

• Cząstki gleby, które mogą obejmować glinę, muł i piasek, przedostające się do wody w wyniku erozji, spływów powierzchniowych lub z innych źródeł.
• Materia organiczna, w szczególności cząsteczki rozkładającej się materii roślinnej i zwierzęcej, a także żywe mikroorganizmy, takie jak glony i bakterie.
• Odpady płynne powstające w procesach przemysłowych. W takich przypadkach ścieki mogą zawierać zawiesiny, takie jak substancje chemiczne, oleje, metale i inne materiały.
• Odpady spożywcze, w tym cząstki powstałe w wyniku przetwarzania, przygotowywania i spożywania żywności.
• Odpady pochodzenia ludzkiego i zwierzęcego, takie jak kał, mocz i inne płyny ustrojowe.

3. Rodzaje zawiesin, ich identyfikacja i pomiar

Dla celów analitycznych, przy określaniu jakości wody, należy rozróżnić rodzaje substancji stałych w niej zawartych:

Substancje osadzalne (MS): Są to substancje znajdujące się w cieczy, które ze względu na swoją gęstość mają tendencję do osadzania się, a tym samym do oddzielania się pod wpływem własnej masy.  Ciała stałe osadzalne mierzy się w mg/l lub ppm (części na milion) i można je oddzielić poprzez sedymentację (dekantację), zmniejszenie gęstości pozornej (flotację) lub filtrację na różnych nośnikach fizycznych (piasek, antracyt, membrany itp.).

Substancje stałe lotne (SV). Substancje stałe lotne oddziela się poprzez kalcynację w temperaturze 550°C. Zazwyczaj są to substancje organiczne. Substancje stałe pozostające w wodzie nazywane są substancjami stałymi trwałymi.

Całkowita zawartość substancji rozpuszczonych (TDS). Substancji tych nie da się wykryć w cieczy za pomocą prostych metod fizycznych, dlatego do ich wykrycia wykorzystuje się przewodność, mierzoną w µS/cm (mikrosiemensach na centymetr). Metoda fizyczna polegająca na ich pomiarze polega na podgrzaniu wody do temperatury 105°C i zważeniu powstałej pozostałości (osadu suchego). Wielkość tę mierzy się również w mg/l.

Ciała stałe w zawiesinie (TSS). Są to ciała stałe, które nie uległy rozpuszczeniu, pozostają drobno rozproszone w cieczy i nie osiadają na dnie ze względu na swój ładunek elektryczny (materiał koloidalny). Całkowite zawiesiny stałe mogą być poddawane fizykochemicznym procesom destabilizacji za pomocą środków koagulujących oraz aglutynacji za pomocą flokulantów. Zabiegi te są wykonywane jako etap poprzedzający procesy flotacji lub sedymentacji. W przypadku mikrocząstek stałych można je oddzielić poprzez filtrację. Ich stężenie mierzy się w mg/l (ppm).

4. Metody stosowane do oddzielania i usuwania zawiesin całkowitych

Metody stosowane do usuwania zawiesin z ścieków zależą od takich czynników, jak:

• Rodzaj ciał stałych
• Zawartość substancji stałych
• Obecność lub brak innych rodzajów zanieczyszczeń
• Pożądany poziom oczyszczania
• Potrzeby i cele określone przez klienta
• Obowiązujące przepisy.

Istnieje wiele metod usuwania SST ze ścieków:

Przesiewanie

Ścieki przepływają najpierw przez sito lub kratę, aby usunąć większe cząstki stałe. Są to kraty i sita o rozmiarze oczek wahającym się od kilku centymetrów do kilku milimetrów (najczęściej nie mniejszym niż 3 mm). W zależności od częstotliwości czyszczenia oraz rodzaju oddzielanych cząstek stałych można zastosować automatyczne systemy czyszczące.

Przewody należy projektować z uwzględnieniem prędkości przepływu > 0,3 m/s, aby zapobiec osadzaniu się osadów. Punkty retencyjne (zbiorniki, studzienki itp.) powinny być wyposażone w systemy odprowadzania i przedmuchiwania.

Osadzanie się osadu

Ścieki są zatrzymywane w zbiorniku lub basenie wyrównawczym przez pewien czas, co pozwala cięższym cząstkom osiadać na dnie, skąd można je następnie usunąć.

Koagulacja i flokulacja

Ścieki są uzdatniane poprzez dodanie środków chemicznych, takich jak sole glinu (siarczan, polichlorek itp.) lub żelaza (chlorek, siarczan…), w celu utworzenia skupisk cząstek zwanych koagulami, które następnie mogą się aglomerować w kłaczki dzięki dodaniu polimerów flokulujących. Flokule te są następnie oddzielane poprzez flotację, sedymentację lub filtrację.

Dekantacja

Tradycyjny proces oddzielania zawiesin stałych polega na wstępnym sedymentowaniu, poprzedzonym koagulacją/flokulacją oraz regulacją pH. Proces ten odbywa się w zbiornikach o dnie stożkowym lub piramidalnym (minimalne nachylenie ścianek dna = 45º), które są wymiarowane na prędkość wznoszenia rzędu 1^m3/m2/h i czas retencji wynoszący 3–4 godziny, co wymaga dużych powierzchni do obsługi wysokich przepływów. Prędkość tę można zwiększyć nawet trzykrotnie lub więcej dzięki systemom przyspieszonego sedymentacji z recyrkulacją osadu lub dzięki sedymentatorom lamelowym, które są stosowane w przypadku cząstek stałych o dużej gęstości, ponieważ zapewniają one dużą powierzchnię sedymentacji i krótki czas przebywania.

Osady powstające w osadniku pierwotnym mają zazwyczaj stężenie poniżej 1%, dlatego należy je zagęścić w zagęszczaczu, który zwiększa ich stężenie do 3–4% suchej masy. Proces ten jest niezbędny do zapewnienia odpowiedniego zasilania systemów suszenia osadów.                     

Gdy natężenie przepływu jest duże, a co za tym idzie powierzchnia osadnika znaczna, instaluje się kilka osadników równolegle i zmniejsza się nachylenie, umieszczając most promieniowy lub średnicowy wyposażony w zgarniacze dna, które wspomagają proces zagęszczania, a także w element kierujący osad do centralnego leja osadnika.

Flotacja

Technologia ta pozwala na oddzielanie cząstek stałych o gęstości mniejszej niż woda, umożliwiając im unoszenie się na powierzchnię zbiorników przy określonym czasie przebywania i prędkościach unoszenia.

Techniki flotacji umożliwiają wprowadzanie powietrza kawitacyjnego (CAF) lub sprężonego, a następnie rozprężanego (DAF) do strumienia ścieków, co powoduje, że powstałe mikropęcherzyki przylegają do cząstek stałych i sprawiają, że ich gęstość pozorna staje się mniejsza od gęstości cieczy, co pozwala na ich oddzielenie metodą flotacji.

System ten jest bardzo skuteczny w przypadku wielu różnych rodzajów ścieków i coraz częściej zastępuje proces sedymentacji.

Oczyszczanie biologiczne

Mikroorganizmy rozkładają biodegradowalną materię organiczną zawartą w ściekach, co może pomóc w usuwaniu zawiesin. Należy pamiętać, że w procesach aerobowych dochodzi również do zjawiska bioflokulacji i tworzenia się mas osadu czynnego, a w procesach beztlenowych – do tworzenia się„granulek”.

Filtracja prosta

W najbardziej wymagających przypadkach lub gdy zamierza się odzyskać część oczyszczonych ścieków, stosuje się zazwyczaj system filtracji stanowiący oczyszczanie trzeciego stopnia. W takich systemach ścieki przepływają przez medium filtrujące, takie jak piasek, żwir lub membrana, które usuwa drobne cząstki.

Filtracja membranowa

W tym rozdziale na szczególną uwagę zasługują traktatymetodyMBR (Membrane Bio Reactor), które pozwalają utrzymać wysokie obciążenia biomasą w reaktorze biologicznym tlenowym.

Stopień filtracji uzyskiwany w tym procesie jest podobny do stopnia filtracji w przypadku mikrofiltracji (MF) lub ultrafiltracji (UF), które oddzielają makrocząsteczki i cząsteczki.

Na poniższym schemacie przedstawiono stopnie filtracji poszczególnych technologii oraz różne osiągalne poziomy czystości.

W celu oddzielenia cząstek stałych od ścieków o złożonym składzie, wysokiej temperaturze, kwasowości itp. (zużyte roztwory z hutnictwa, barwniki, pigmenty, oleje o dużej gęstości, chłodziwa itp.) stosuje się membrany do filtracji tangencjalnej wykonane z wytrzymałych materiałów, takich jak grafit lub ceramika. W takich przypadkach przetwarzane są niewielkie objętości ścieków, ale bardzo zanieczyszczonych i agresywnych, które poddaje się filtracji w pętli cyrkulacyjnej z dużą prędkością, z wykorzystaniem złożonego systemu płukania, który usuwa materiały cyklicznie zatykające membrany.

5. Flotacja powietrzem rozpuszczonym

Technologią, na którą warto zwrócić uwagę, jest flotacja powietrzem rozpuszczonym (DAF), która jest stosowana do oczyszczania ścieków o wysokiej zawartości substancji organicznych lub lekkich cząstek stałych. Proces polega na spowodowaniu unoszenia się cząstek stałych zawieszonych w wodzie, po ich koagulacji i flokulacji, poprzez wtłaczanie powietrza w postaci mikropęcherzyków, które przylegają do kłaczków, powodując ich unoszenie się w wyniku zmniejszenia gęstości pozornej.

Zazwyczaj mają one kształt okrągły lub prostokątny i są wyposażone w zgarniacze dna oraz powierzchniowe. Prędkości projektowe są znacznie wyższe niż w przypadku dekantatorów, a usuwany osad z łatwością osiąga stężenie 4–5%, bez konieczności stosowania pośredniego zagęszczacza.

Systemy DAF stanowią bardzo wydajną technologię usuwania zawiesin stałych z ścieków, dlatego są jedną z najczęściej stosowanych technologii w oczyszczalniach ścieków, zarówno przemysłowych, jak i komunalnych.

Proces usuwania zawiesin całkowitych metodą flotacji z użyciem rozpuszczonego powietrza przebiega w pięciu etapach:

• W pierwszej kolejności przeprowadza się proces koagulacji, polegający na dodaniu do ścieków środków chemicznych, takich jak siarczan glinu lub chlorek żelaza, w celu destabilizacji zawiesin stałych i spowodowania ich wytrącenia
• Kolejnym etapem jest proces flokulacji, w którym polielektrolity aglomerują destabilizowane cząstki stałe, tworząc większe cząstki zwane flokulami.
• Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza odbywa się w systemie DAF, w którym ścieki wprowadza się do zbiornika, w którym pod ciśnieniem rozpuszcza się powietrze. Pęcherzyki powietrza przyczepiają się do kłaczków, powodując ich wypłynięcie na powierzchnię.
• Kolejnym etapem jest odpienianie. Podczas tego procesu warstwa powierzchniowa wody zawierająca zawieszone cząstki stałe jest usuwana za pomocą urządzenia wyposażonego w system zgarniacza powierzchniowego, dzięki czemu ilość odprowadzanej wody jest znacznie mniejsza niż w przypadku systemu dekantacyjnego.
• Systemy DAF są szczególnie skuteczne w usuwaniu całkowitej zawartości zawiesin stałych występujących w ściekach, które trudno jest oczyścić innymi metodami, takich jak ścieki zawierające oleje lub tłuszcze albo ścieki zawierające bardzo drobne cząsteczki.

Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza zapewnia wysoką wydajność i efektywność w oczyszczaniu ścieków przemysłowych i komunalnych dzięki następującym zaletom:

6. Porównanie technologii oczyszczania służących do oddzielania SST

Przedstawiamy poniższą tabelę orientacyjną w celu porównania poszczególnych wymienionych metod leczenia:

Technologia	Zastosowanie	Powierzchnia użytkowa	Wydzielina SST (%)	Przekrój (µm)	Zawartość popiołu (%)	Koszty utrzymania
Przesiewanie	Gruboziarniste substancje stałe	WYŁĄCZ	–	3–100 mm	Ciała stałe	BAS
Wstępne osadzanie	Właściwości fizykochemiczne	REJESTRACJA	80–90	<200	0,5 – 1	BAS
Drugie sedymentowanie	Środek biologiczny	REJESTRACJA	80–90	<200	0,5 – 1	BAS
Sedimentacja lamelarna	Właściwości fizykochemiczne	MEDIA	75 – 85	<200	0,5 – 1	BAS
Pływak DAF	Zestaw 1. i 2.	ŚREDNIA/ NISKA	>90	100–200	3 – 5	BAS
Prosta filtracja	Po dekantacji / flotacji	ŚREDNIA/ NISKA	>90	<50	<0,5	ŚREDNIA
MBR	Liceum o profilu biologicznym	WYŁĄCZ	>95	<5	0,5 – 1	ŚREDNI/WYSOKI
Mikrofiltracja	Filtracja cząstek stałych	WYŁĄCZ	>98	<1	<1	ŚREDNI/WYSOKI
Ultrafiltracja	Filtracja makrocząsteczkowa	WYŁĄCZ	>99	<0,1	<0,1	ŚREDNI/WYSOKI
Filtracja styczna	Złożone ścieki	ŚREDNIA/ NISKA	>95	<1	0,1–1	STOP