Zagęszczanie osadów metodą flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF)

• 1. Wprowadzenie do zagęszczania szlamu
• 2. Zagęszczanie osadów ściekowych
• 3. Zagęszczanie osadów poprzez sedymentację
• 4. Zagęszczanie osadów metodą flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF)
• 5. Porównanie procesów zagęszczania
• 6. Podsumowanie

1. Wprowadzenie do zagęszczania szlamu

W wyniku oczyszczania ścieków powstających w procesach przemysłowychpowstaje koncentrat odpadów w postaci szlamu, który może być w mniejszym lub większym stopniu uwodniony.

Procesy oczyszczania ścieków dzieli się głównie na procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne.

• W przypadku procesów fizykochemicznych powstają ścieki w postaci świeżego osadu, który występuje jako zawiesina stała w wodzie (SST). Osady powstające w procesach fizykochemicznych (osady pierwotne) składają się zazwyczaj z materiałów o większej gęstości niż osady pochodzące z procesów biologicznych (osady wtórne).
• Z kolei w procesach biologicznych i chemicznych zachodzą procesy utleniania i reakcje, które powodują ich przemianę. Osady biologiczne składają się z materii organicznej i mineralnej, a także z resztek bakterii, które się nimi odżywiają (osady aktywne). Gęstość tych osadów jest mniejsza niż w przypadku osadów pierwotnych i trudniej je odwodnić.

Oczyszczalnie ścieków posiadają linię do oczyszczania wody oraz linię do przetwarzania osadu. Celem jest uzyskanie wody spełniającej parametry wymagane przez obowiązujące normy oraz zmniejszenie objętości osadu do poziomu umożliwiającego jego wywóz na wysypisko, wykorzystanie w kompostowaniu lub do produkcji produktów ubocznych.

Jak już wspomnieliśmy, jednym z głównych celów jest maksymalne zmniejszenie objętości osadu. Na większości składowisk wymagana jest minimalna zawartość suchej masy wynosząca 30%, którą można uzyskać wyłącznie za pomocą środków mechanicznych (prasy filtracyjne, filtry taśmowe, wirówki…) lub za pomocą termicznych systemów suszenia.

Procesem pośrednim, który pozwala zmniejszyć rozmiar kosztownych instalacji do suszenia osadów, jest zagęszczanie lub odwadnianie.

2. Zagęszczanie osadów ściekowych

Zagęszczanie osadów to proces stosowany w celu zmniejszenia objętości osadu przed przeprowadzeniem dalszego procesu odwadniania. Dwa główne źródła powstawania osadów to oczyszczanie wstępne i wtórne. Osady stałe usuwane z dna osadników pierwotnych i wtórnych stanowią mieszaninę wodną zawierającą oddzielone cząstki stałe w zawieszeniu. Mieszaninę tę nazywamy osadem.

Osady powstające podczas oczyszczania wstępnego i wtórnego w linii wodnej oczyszczalni ścieków mają następujące cechy:

• Zawierają dużą ilość wody (95–99%), przez co zajmują sporo miejsca i są trudne w obsłudze.
• Zawierają duże ilości materii organicznej, przez co łatwo ulegają rozkładowi (gniją), powodując nieprzyjemny zapach.
• Zawierają ogromną ilość patogenów wywołujących choroby.

Wszystko to sprawia, że należy je przetwarzać z najwyższą starannością. Proces ten składa się z trzech etapów, mających na celu maksymalne ograniczenie wyżej wymienionych problemów:

• Zmniejszenie zawartości wody w osadach w celu zmniejszenia ich objętości.                                         
• Stabilizacja materii organicznej w celu zapobiegania problemom związanym z fermentacją i gniciem.
• Uzyskanie odpowiedniej konsystencji, aby były łatwe w obróbce i transporcie.

Ilość i właściwości osadu poddawanego oczyszczaniu w oczyszczalni ścieków zależą od charakterystyki ścieków, z których pochodzi, a także od sposobu ich oczyszczania.

Pochodzenie i główne cechy szlamów to:

a) Osady pierwotne

Powstają one w procesie sedymentacji wstępnej. Osady te nie zostały poddane obróbce biologicznej ani nie uległy rozkładowi, dlatego są bardzo niestabilne i podatne na gnicie. Po pewnym czasie wydzielają nieprzyjemny zapach. Około 60% tych osadów uznaje się za osady sedymentacyjne.

Zazwyczaj mają kolor szary i zawierają duże ilości biodegradowalnych substancji stałych oraz innych rodzajów odpadów. Łatwo tracą zawartą w sobie wodę i dobrze gęstnieją. Ich wilgotność wynosi od 95 do 99%.

b) Szlamy biologiczne

Nazywane są potocznie nadmiarem osadu i powstają w procesie osadu czynnego. Zazwyczaj mają ciemnobrązowy kolor, a zawarta w nich materia organiczna jest częściowo rozłożona.

Pachną wilgotną ziemią – zapach ten nie jest nieprzyjemny, jednak w trakcie dalszego rozkładu zaczynają gnić i wydzielać nieprzyjemny zapach. Ich wilgotność wynosi od 98 do 99,5% i trudno je zagęścić.

Można je zagęścić bezpośrednio lub skierować do osadnika wstępnego, gdzie osadzają się wraz z osadem pierwotnym, tworząc osad mieszany.

c) osady poddane fermentacji tlenowej

Są to błota o ciemnobrązowym kolorze. Mają konsystencję floków, a ich zapach nie jest szczególnie intensywny.

d) Osady z procesu strącania chemicznego

Ich tempo rozkładu jest nieco mniejsze niż w przypadku osadów pierwotnych. Mają ciemny kolor, a jeśli zawierają dużo żelaza, są czerwonawą. Zapach może być nieprzyjemny, choć nie tak bardzo jak w przypadku osadów pierwotnych.

3. Zagęszczanie osadów ściekowych poprzez sedymentację

Zagęszczanie osadów poprzez sedymentację, zwane również zagęszczaniem mechanicznym, to proces zachodzący w okrągłych urządzeniach wyposażonych w powoli obracający się most z zamontowanymi na dnie zgarniaczami. Most posiada zestaw pionowych kolców, które ułatwiają usuwanie związków lotnych poprzez tworzenie rowków w warstwie osadu, co z kolei sprzyja zagęszczeniu.

Skrobaki na dnie zbierają zagęszczony szlam do odpływu, skąd jest on okresowo usuwany.

Zazwyczaj w silniku napędowym zainstalowany jest ogranicznik momentu obrotowego, który zapobiega zablokowaniu mostu obrotowego i wystąpieniu awarii.

Całkowita wysokość tych urządzeń zazwyczaj nie przekracza 3,5 metra, a nachylenie ścian dna wynosi około 15%.

Wymiarowanie zagęszczacza mechanicznego opiera się na krzywej sedymentacji osadu, zgodnie z teorią Kyncha, według której prędkość opadania danego rodzaju cząstki zależy wyłącznie od lokalnego stężenia tej cząstki.  

Strefa_t1 –_{t2 odpowiada}pionowym osadnikom hydraulicznym ze stałym złożem osadu. Od punktu_{t2 następuje} stopniowy spadek prędkości opadania cząstek stałych, aż do punktu_{t3, w} którym cząstki stałe stykają się ze sobą i wywierają nacisk na niższe warstwy. Strefa_t2 –_{t3 jest} wykorzystywana w mechanicznych zagęszczaczach osadu.

W mechanicznym zagęszczaczu osadu obciążenie właściwe wynosi od 25 do 70 kg^{suchej masy/m²} na dobę. Podczas pracy na dnie utrzymywana jest gruba warstwa osadu, co ułatwia jego lepsze zagęszczenie. Jedną ze zmiennych operacyjnych tych urządzeń jest wskaźnik objętości osadu (RVF), który jest ilorazem objętości warstwy osadu w zagęszczaczu i objętości osadu zagęszczanego dziennie. Wartości RVF wahają się od 0,5 do 2 dni, przy czym najniższe wartości występują w okresie letnim.

4. Zagęszczanie osadów metodą flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF)

Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF) to technika stosowana do oddzielania cząstek stałych od cieczy oraz do separacji i zagęszczania osadów.

W tym procesie osad unosi się znacznie szybciej niż w przypadku sedymentacji grawitacyjnej. Ten już zagęszczony osad jest zbierany z powierzchni pływaków za pomocą systemu zgarniaczy. Urządzenia DAF osiągają bardzo wysoką wydajność w miejskich i przemysłowych oczyszczalniach ścieków.

W porównaniu z innymi systemami zagęszczania osadów flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF) ma kilka zalet:

• Po pierwsze, proces DAF przebiega szybciej niż sedymentacja grawitacyjna, co pozwala na uzyskanie większej wydajności w zastosowaniach związanych z oczyszczalniami ścieków. 
• Po drugie, flotacja DAF jest skuteczniejsza w usuwaniu drobnych cząstek i koloidów niż sedymentacja grawitacyjna. 
• Ponadto urządzenia DAF mogą przetwarzać większe ilości substancji stałych, co przekłada się na większą wydajność separacji substancji stałych od cieczy. 

Systemy DAF są również wykorzystywane jako fizykochemiczne systemy separacji osadów biologicznych, ponieważ przy takim samym przepływie zajmują około pięć razy mniej miejsca niż osadnik statyczny. Ponadto mogą służyć do zagęszczania już odseparowanych osadów i zazwyczaj pozwalają zwiększyć stężenie osadu do 8–10% suchej masy, w zależności od jego pochodzenia.

Schemat urządzenia do zagęszczania osadu DAF

Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF) to proces stosowany do oddzielania cząstek stałych od cieczy, w których się znajdują. W procesie tym cząstki stałe przyczepiają się do bardzo drobnych pęcherzyków powietrza, co zapewnia im bardzo szybkie wynurzanie. Pęcherzyki powietrza powstają w wyniku rozpuszczenia powietrza w wodzie pod wysokim ciśnieniem, a następnie jego rozprężenia i uwolnienia do zbiornika flotacyjnego.

Firma SIGMADAF zainstalowała urządzenia DAF do oddzielania zawiesin stałych (TSS) w procesie wstępnego i wtórnego klarowania, a także do zagęszczania osadów.

Wstępna koagulacja/flokulacja poprawia wydajność filtrów flokulacyjno-flotacyjnych (DAF) oraz zwiększa stopień odwodnienia osadu.

Firma SIGMADAF oferuje szeroką gamę pływaków DAF do tych zastosowań:

• SIGMADAF FPAC Compact: Wydajność od 3 do 200 m³/h, wykonane w metalowych zbiornikach.
• SIGMADAF FPAC-CW: Od 1000 do 4000 m³/h w zbiornikach betonowych.
• SIGMADAF FPHF Compact: Od 100 do 1000 m³/h Kompaktowe urządzenia wykonane z metalu lub tworzywa sztucznego.

Wszystkie te urządzenia są odporne na działanie wysokiego stężenia soli w ściekach.

Konstrukcja pływaka z rozpuszczonym powietrzem

Porównując system flotacji DAF z zastosowaniem osadników pierwotnych i wtórnych, można zauważyć, że urządzenia do flotacji mają znaczną przewagę nad konwencjonalnymi technologiami sedymentacji, ponieważ prędkość unoszenia się cząstek jest około 5 razy większa niż prędkość osadzania się w osadniku grawitacyjnym, co pozwala zaoszczędzić czas i miejsce.      

Powierzchnia urządzenia jest ustalana na podstawie takich parametrów, jakobciążenie substancjami stałymiorazobciążenie powierzchniowe(zwane również prędkością wznoszenia). Obciążenie substancjami stałymi wyraża się wkgSS/(m²·d), a obciążenie powierzchniowe wm³/(m²·h).Typowewartościtych parametrów to: 50–100 kgSS/(m²·d) oraz 3–5 m³/(m²·h).

System flotacji z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza może być zaprojektowany z recyrkulacją lub bez niej, w zależności od konkretnych potrzeb oczyszczalni.

Zagęszczanie osadów flotacyjnych

Do odwadniania osadów pływających stosuje się system statyczny oparty napochyłych płytachoraz zgrabiacza o prostym ruchu. System ten pozwala uzyskać zawartość suchej masy 3–4 razy wyższą niż w przypadku jakiegokolwiek systemu konwencjonalnego. 

Flotacja z użyciem sprężonego powietrza jest zazwyczaj stosowana do zagęszczania osadów czynnych i odzyskiwania włókien celulozowych, ale ma również zastosowanie w przypadku gęstszych osadów, takich jak mieszanka osadów pierwotnych i osadów czynnych.

Chociaż zazwyczaj dodaje się flokulant, aby wspomóc ten proces, zagęszczenie można również przeprowadzić bez stosowania tego środka, ale przy niższych stężeniach suchej masy.

Wymiary pływaków do zagęszczania szlamu oblicza się na podstawie następujących parametrów:

Parametr	Wartości projektowe
Obciążenie właściwe	5–10 kg suchej masyna m² na godzinę
Prędkość	1–3m³/m²/h
Stężenie osadu aktywowanego pływającego	30–50 g/l
Osady pierwotne + osady aktywne pływające	50–70 g/l
Gęstość płyt pływających	0,75–0,9 kg/l

Podsumowując, system DAF stanowi skuteczne narzędzie do zagęszczania osadów w oczyszczalniach ścieków, zmniejszając ich objętość i ułatwiając dalsze przetwarzanie.

5. Porównanie zagęszczania osadów przy użyciu technologii DAF i technologii z osadnikami mechanicznymi

Flotacja powietrzem rozpuszczonym (DAF) oraz zagęszczacz grawitacyjny to dwie technologie stosowane do zagęszczania osadów w liniach osadowych oczyszczalni ścieków. Poniżej porównujemy ich zalety i wady:

Zagęszczacz z flotacją powietrzem rozpuszczonym (DAF)

Zalety zalet zal

• Skuteczność zagęszczania: System DAF pozwala uzyskać wysokie stężenie zawiesin w wodzie poprzez tworzenie mikropęcherzyków powietrza. Znacznie zmniejsza to objętość osadu. Stężenie osiągane w zagęszczonych osadach wynosi około 4–6%, przy mieszankach osadu pierwotnego i nadmiaru osadu czynnego (w tym ≥ 8%). Zastosowanie polielektrolitów jako środków flokulujących osad pozwala poprawić oddzielanie cząstek stałych z 85% do 98–99%.
• Szybka separacja: Flotacja umożliwia szybką separację cząstek stałych, co jest korzystne w sytuacjach, gdy występuje duże obciążenie osadem.                                                                       
• Mniejsze zapotrzebowanie na miejsce: Urządzenie DAF zajmuje mniej miejsca niż zagęszczacze grawitacyjne.

Wady:

• Koszty początkowe: Technologia wtrysku mikropęcherzyków powietrza oraz systemy recyrkulacji mogą spowodować wzrost kosztów początkowych.
• Zużycie energii: Wymaga większej ilości energii elektrycznej do wytwarzania mikropęcherzyków i recyrkulacji szlamu.

Zagęszczacz grawitacyjny:

Zalety zalet zal

1. Niskie koszty początkowe: Zagęszczacze grawitacyjne są tańsze pod względem początkowej inwestycji.
2. Niższe zużycie energii: Nie wymagają systemów wentylacyjnych, co pozwala obniżyć koszty eksploatacji.
3. Wytrzymałość: Są to proste i wytrzymałe urządzenia.

Wady:

1. Szybkość zagęszczania: Szybkość przepływu szlamu jest znacznie mniejsza niż w przypadku systemu DAF.
2. Wymagają więcej miejsca: zajmują więcej powierzchni w pomieszczeniu.
3. Niższa wydajność: Stężenie cząstek stałych nie jest tak wysokie jak w przypadku DAF.

Porównanie kosztów

Proces DAF stanowi skuteczne rozwiązanie w zakresie zagęszczania osadu w oczyszczalniach ścieków. Należy jednak wziąć pod uwagę koszty w porównaniu z innymi procesami. Poniżej przedstawiamy kilka kwestii, które warto rozważyć:

Koszty początkowej inwestycji

1. System DAF wymaga początkowej inwestycji związanej z zakupem i instalacją sprzętu. W porównaniu z innymi procesami, takimi jak konwencjonalne dekantatory, może być on droższy ze względu na system sprężania i rozprężania powietrza oraz konieczność stosowania systemów recyrkulacji.
2. Inne procesy, takie jak dekantatory, mogą wiązać się z niższymi kosztami początkowymi w zakresie wyposażenia mechanicznego, ale należy również uwzględnić koszty robót budowlanych niezbędnych do zainstalowania większych urządzeń.          

Koszty operacyjne

1. Koszty eksploatacyjne systemu DAF obejmują zużycie energii elektrycznej potrzebnej do wytwarzania mikropęcherzyków poprzez sprężanie i rozpuszczanie powietrza oraz recyrkulację osadu. Koszty te mogą się różnić w zależności od wielkości oczyszczalni i wydajności urządzeń.
2. Dla porównania, tradycyjne dekantatory charakteryzują się niższymi kosztami eksploatacji, ponieważ nie wymagają stosowania systemów napowietrzania.

Wydajność i oszczędność miejsca

1. System DAF zapewnia szybszy przepływ osadu, co pozwala zaoszczędzić miejsce w zakładzie. Może to być korzystne w miejscach, gdzie przestrzeń jest ograniczona.

Koszty konserwacji i napraw

1. Konserwacja i naprawy pojazdów marki DAF mogą być droższe ze względu na złożoność układów wentylacji i recyrkulacji.
2. Zagęszczacze mechaniczne i inne prostsze procesy mogą charakteryzować się niższymi kosztami konserwacji.

Suszenie osadów Pomimo swojej skuteczności, filtr DAF nie nadaje się do osiągania wyjątkowo wysokich stężeń substancji stałych. Może jednak usprawnić procesy alternatywne, a tym samym zmniejszyć rozmiar i koszty kolejnych systemów odwadniania.

Aby uzyskać bardziej skoncentrowane osady, stosuje się inne urządzenia, takie jak prasy filtracyjne lub wirówki.

Rodzaj błota	% MS bez zagęszczania	% MS zagęszczony	Obciążenie substancjami stałymi (kg/m²·h)
Oddzielone szlamy
Błoto pierwotne	2,5 – 5,5	8 – 10	4 – 6
Filtr przesiękowy	4 – 7	7 – 7	1,6 – 2
Zmodyfikowana wentylacja	2 – 4	4,3 – 7,9	1,4 – 3,7
Włączone	0,5 – 1,2	2,5 – 3,3	0,8 – 1,6
Mieszanki błotne
Filtr wstępny i filtr przesiąkowy	3 – 6	7 – 7	2,4 – 4
Pierwotny i zmodyfikowana napowietrzanie	3 – 4	8,3 – 11,6	2,4 – 4
Pierwotny i aktywowany	2,6 – 4,8	4,6 – 9	1,6 – 3,2

Stężenia osadów zagęszczonych i niezagęszczonych oraz ładunki substancji stałych dla zagęszczaczy mechanicznych (Metcalf – Eddy. Wyd. Labor)

W oczyszczalniach z osadem czynnym wykorzystujących proces fermentacji zaleca się zagęszczenie nadmiaru osadu czynnego lub surowego osadu przed fermentacją, aby obniżyć koszty budowy i eksploatacji.

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu zagęszczacza, to:

• Zapewnienie wystarczającej wydajności, aby sprostać szczytowemu zapotrzebowaniu.
• Zapobieganie powstawaniu zgnilizny i związanym z tym problemom zapachowym, które pojawiają się podczas tego procesu.

Rodzaj błota	Obciążenie w kg/m²·h
Włączone (mieszanka płynna)	1 – 3
Aktywowany (osadzony)	2 – 4
50% pierwotne + 50% aktywowane	4 – 8
Tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko tylko	Do 10

Obciążenie obliczeniowe w DAF w oparciu o różne rodzaje osadów

Do recyrkulacji pod ciśnieniem lepiej jest wykorzystywać ścieki z zakładu niż ścieki z flotacji, ponieważ te ostatnie mogą zanieczyścić urządzenia wchodzące w skład instalacji.

6. Podsumowanie

Osady powstające w oczyszczalniach ścieków muszą zostać zagęszczone i poddane obróbce do momentu osiągnięcia takich wartości obciążenia i stopnia unieszkodliwienia, które umożliwią ich transport na zatwierdzone składowiska odpadów. Zazwyczaj stosuje się systemy dekantacji i zagęszczania grawitacyjnego (zagęszczanie mechaniczne) lub systemy klarowania i zagęszczania z wykorzystaniem urządzeń do flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF).

Proces DAF jest bardziej wydajny pod względem zagęszczania i oddzielania cząstek stałych, ale może wiązać się z wyższymi nakładami inwestycyjnymi i większym zużyciem energii. Zagęszczacz grawitacyjny jest tańszy i bardziej wytrzymały, ale wymaga większej powierzchni oraz rozleglejszych prac budowlanych. Wybór zależy od konkretnych potrzeb danego zakładu oraz dostępnego budżetu.

Źródła i bibliografia

• Inżynieria ścieków/Linia osadów – Wikibooks (wikibooks.org)
• Podręcznik techniczny dotyczący wody (Degrémont)
• Oczyszczanie i uzdatnianie ścieków – Metcalf-Eddy (wydawnictwo Labor S.A.)