Koagulacja i flokulacja w oczyszczaniu ścieków

• 1. Wprowadzenie do procesu koagulacji i flokulacji
• 2. Czym jest materia koloidalna?
• 3. Proces koagulacji i flokulacji substancji koloidalnej.
• 4. Rozdzielanie koloidów metodą flotacji DAF
• 5. Podsumowanie

1. Wprowadzenie do procesu koagulacji i flokulacji

Ścieki zazwyczaj zawierają cząstki stałe o różnej wielkości i pochodzeniu, które przyczyniają się do ich zanieczyszczenia. Cząstki te mogą być pochodzenia organicznego lub nieorganicznego, a ich wielkość może wahać się od ułamków mikrona do milimetrów. Znane są one jako całkowite zawiesiny stałe (SST) , a ich obecność może powodować zatory i uszkodzenia w instalacjach, przez które przepływa ściek. Gdy mają charakter organiczny, mogą również tworzyć biofilmy i stanowić ogniska fermentacji oraz infekcji.

Podobnie jak w ściekach komunalnych, w których często występują pozostałości fekalne, detergenty i inne zanieczyszczenia domowe, ścieki przemysłowe zazwyczaj zawierają zanieczyszczenia pochodzące z mycia produktów, odpadów produkcyjnych, mycia obwodów i instalacji, środków chemicznych itp.          

Całkowita zawartość cząstek stałych w zawiesinie to niez rozpuszczone cząstki stałe, które pozostają rozproszone w cieczy i nie mają tendencji do osiadania. Występują one w postaci zawiesiny lub w postaci koloidalnej ze względu na swój ładunek elektryczny. Ich stężenie mierzy się w mg/l (ppm).

Cechy	Zawieszenia	Rozwiązania	Koloidy
Wielkość cząstek	≥1000 nm	0,1 – 1 nm	1–1000 nm
Występuje osadzanie się osadu	Tak	Nie	Nie
Widoczność	Przezroczyste lub nieprzezroczyste	Przezroczyste	Nieprzezroczyste lub przezroczyste
Separacja przez filtrację	Tak	Nie	Nie
Występuje zjawisko Tyndalla	Nie dotyczy	Nie	Tak
Obecne etapy	2	1	2

W roztworze cała ciecz jest jednorodna i nie można w niej dostrzec rozpuszczonych cząstek stałych, natomiast w zawiesinie cząstki stałe są widoczne, można je odfiltrować i mają tendencję do osadzania się na dnie. W dyspersji koloidalnej cząstki stałe nie poddają się filtracji i są widoczne gołym okiem jedynie dzięki efektowi Tyndalla.         

Efekt Tyndalla to technika wizualna, która pozwala wykryć rozpraszanie światła przez cząstki koloidalne. Gdy roztwór koloidalny zostanie oświetlony wiązką światła, cząstki rozpraszają je, sprawiając, że mieszanina wydaje się mętna lub nieprzezroczysta.

Efekt Tyndalla

2. Czym jest materia koloidalna?

Powstawanie koloidów wynika z faktu, że mikrocząstki stałe zawieszone w roztworach wodnych nie mogą zostać oddzielone poprzez sedymentację ani filtrację. Jest to delikatna równowaga między siłami elektrostatycznymi, wielkością cząstek i warunkami otoczenia. Czynniki te decydują o stabilności i właściwościach koloidów w roztworze. Jest to złożony proces, który zależy od:

Wielkość cząstek: Cząstki koloidalne mają wielkość pośrednią między największymi cząstkami a najmniejszymi cząsteczkami. Wielkość wpływa na stabilność koloidu. Mniejsze cząstki tworzą zazwyczaj koloidy bardziej stabilne.

• Ładunek elektryczny: Cząstki koloidalne posiadają ładunek elektryczny na swojej powierzchni w wyniku adsorpcji jonów. Odpychanie elektrostatyczne między cząstkami o tym samym znaku ładunku zapobiega ich agregacji. Ładunek powierzchniowy można modyfikować poprzez dodanie elektrolitów lub środków powierzchniowo czynnych.
• Właściwości rozpuszczalnika: Polaryzacja rozpuszczalnika wpływa na tworzenie się koloidów. W rozpuszczalnikach polarnych, takich jak woda, cząstki koloidalne mają tendencję do łatwiejszego rozpraszania się.
• Temperatura: Temperatura wpływa na rozpuszczalność i stabilność koloidów. Niektóre koloidy mogą ulegać koagulacji lub wytrącaniu się w ekstremalnych temperaturach.
• Charakter cząstek: Cząstki koloidalne mogą być pochodzenia organicznego lub nieorganicznego. Na powstawanie koloidów wpływa również obecność grup funkcyjnych w cząstkach.
• Mieszanie i mieszanie: Mieszanie mechaniczne sprzyja rozpraszaniu cząstek i tworzeniu się koloidów. Odpowiednie mieszanie ma zasadnicze znaczenie dla uzyskania równomiernego rozkładu.

Wiele koloidów powstaje w wyniku peptyzacji lub deflokulacji. Jest to proces chemiczny, w którym osad przekształca się w koloid poprzez mieszanie z elektrolitem zwanym środkiem peptyzującym. Zjawisko to występuje, gdy cząstki koloidalne mają ładunki elektryczne tego samego znaku, które się wzajemnie odpychają. Powstaje to w wyniku dodania elektrolitu do układu (na przykład stężonego roztworu NaCl).

Peptyzacja ma negatywny wpływ na procesy sedymentacji i filtracji zawiesin w ściekach

Pomiar ładunków powierzchniowych cząstek koloidalnych ma zasadnicze znaczenie dla zrozumienia ich zachowania i stabilności. Poniżej przedstawiamy najczęściej stosowane metody oceny tych ładunków:

• Efekt Tyndalla: Jak wspomnieliśmy w poprzednim punkcie, jest to zjawisko widoczne gołym okiem, wynikające z załamania światła przez cząsteczki.
• Potencjał zeta: Potencjał zeta jest ilościową miarą ładunku elektrycznego w podwójnej warstwie elektrycznej otaczającej cząstki koloidalne. Mierzy się go za pomocą technik takich jak elektroforeza lub mikroskopia sił atomowych. Elektroforeza polega na przyłożeniu pola elektrycznego do roztworu koloidalnego i pomiarze prędkości ruchu cząstek. Potencjał zeta oblicza się na podstawie tej prędkości za pomocą urządzeń zwanych zetametrami. W pomiarze tym uwzględnia się pH środowiska, które w przypadku wód naturalnych wynosi od -14 do -30 mV przy pH od 5 do 8. Im bardziej ujemna jest ta wartość (mV), tym większy jest ładunek elektryczny cząstek. Mikroskopia sił atomowych pozwala na wizualizację i pomiar sił odpychania lub przyciągania między cząstkami koloidalnymi na powierzchni stałej.
• Mętność: Jest to jedyny parametr mierzony w trybie ciągłym. Zazwyczaj wyraża się go w jednostkach NTU (Nephelometric Turbidity Unit) i można ustalić korelację z temperaturą powierzchni morza (SST), choć do ustalenia tej korelacji matematycznej zawsze konieczne jest uzyskanie wyników laboratoryjnych. Do pomiaru tego parametru wykorzystuje się przyrządy zwane turbidimetrami.
• Przewodnictwo powierzchniowe: Przewodnictwo powierzchniowe dostarcza również informacji na temat ładunków elektrycznych. Opiera się ono na rozkładzie jonów w podwójnej warstwie elektrycznej i pozwala ocenić, w jaki sposób wpływa to na pole elektryczne. Jeśli przewodnictwo jest wysokie, potencjał zeta jest zaniżony.
• Analiza podwójnej warstwy elektrycznej: Podwójna warstwa elektryczna to obszar wokół cząstki koloidalnej, w którym ładunki elektryczne oddziałują z otaczającym środowiskiem. Jej badanie dostarcza informacji na temat ładunków powierzchniowych.

3. Proces koagulacji i flokulacji substancji koloidalnej

Koagulacja i flokulacja to procesy o zasadniczym znaczeniu w oczyszczaniu ścieków, ponieważ umożliwiają one oddzielenie zawieszonych cząstek stałych o charakterze koloidalnym i mniejszych rozmiarach.

Koagulacja to proces, w wyniku którego cząstki koloidalne obecne w wodzie ulegają destabilizacji. Osiąga się to poprzez zneutralizowanie ładunków elektrycznych na powierzchni tych cząstek.    

Neutralizację tę osiąga się za pomocą środków koagulujących, które są zazwyczaj dodatnio naładowanymi solami metali. Typowymi przykładami koagulantów są siarczan glinu, polichlorek glinu (PAC), siarczan żelaza oraz chlorek żelaza.

Proces ten odbywa się w komorze z szybkim mieszaniem (ok. 1500 obr./min) za pomocą łopatek typu szabla, a czas przebywania wynosi około 3–5 minut.

Wartość pH ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia prawidłowej koagulacji. Optymalna wartość pH zależy od rodzaju stosowanego koagulantu. W przypadku wartości pH zbliżonych do kwaśnych zazwyczaj stosuje się_FeCl₃, natomiast w przypadku wartości pH zbliżonych do zasadowych stosuje się zazwyczaj sole glinu typu PAC, a przy pH neutralnym stosuje się zazwyczaj_Al₂(_SO₄)_₃

Po koagulacji destabilizowane cząstki koloidalne łączą się, tworząc małe kłaczki, które nadal mają tendencję do utrzymywania się w zawieszeniu. Aby połączyć je w większe flokule, które można łatwo oddzielić, dodaje się środki flokulujące (polielektrolity), które są długołańcuchowymi polimerami o dużej masie cząsteczkowej. Środki te działają jak sieć i łączą skrzepy w większe grupy, które można oddzielić przez dekantację, flotację lub filtrację.

Czasami mogą powstawać tzw. „pin floc”, znane również jako „pin-point floc”. Jest to zjawisko występujące w procesach oczyszczania ścieków i w procesach z wykorzystaniem osadu czynnego, charakteryzujące się tworzeniem się niewielkich kłaczków o strukturze przypominającej czubek szpilki. Kłaczkami tymi cechują się kruchość i następujące problemy:

• Mają trudności z osadzaniem się na dnie zbiornika lub osadnika.
• Trudności z oddzieleniem się cieczy od osadu i utworzeniem gęstej warstwy na powierzchni.
• Mają tendencję do pękania, jeśli do nich dostanie się płyn; mają tendencję do pękania
• Oczyszczona woda może wydawać się mętna z powodu obecności tych cząstek stałych.

Te drobne kłaczki powstają zazwyczaj w starych osadach lub w niektórych ściekach przemysłowych o właściwościach dyspergujących. Pojawiają się one również często podczas uruchamiania oczyszczalni ścieków i znikają w momencie ustabilizowania się procesu flokulacji.

Mizele koloidalne są ściśle związane z procesami koagulacji i flokulacji w oczyszczaniu ścieków.

Micele koloidalne to agregaty cząsteczek posiadających część hydrofilową i część hydrofobową (amfifilowe), które tworzą się w roztworach wodnych. Micele te mają strukturę kulistą lub cylindryczną, w której głowy hydrofilowe znajdują się na powierzchni, a ogony hydrofobowe skupiają się wewnątrz. Micele mogą transportować i utrzymywać w zawieszeniu substancje nierozpuszczalne w wodzie, takie jak tłuszcze i oleje, a nawet zwiększać rozpuszczalność niektórych niepożądanych zanieczyszczeń. Micele koloidalne mogą również ulegać destabilizacji pod wpływem koagulantów, ponieważ hydrofilowe główki miceli mogą wchodzić w interakcje z jonami koagulantu.

Podczas flokulacji micele koloidalne mogą osadzać się na powierzchni powstałych kłaczków. Przyczynia się to do stabilności tych kłaczków i ułatwia ich zatrzymywanie w procesach filtracji lub sedymentacji.

Micele koloidalne to agregaty cząsteczek amfifilowych, których stabilność zależy od ładunków elektrycznych na ich powierzchni. Aby określić stabilność tych miceli, mierzy się potencjał Z na granicy faz cząstka–ciecz, który jest proporcjonalny do stabilności koloidu.

Badania krzepnięcia i flokulacji

„Test w słoiku” jest najczęściej stosowanym badaniem służącym do oznaczania i dostosowywania dawek środków koagulujących i flokulujących dodawanych do wody. Jego zaletą jest to, że można go przeprowadzić przy użyciu przenośnego urządzenia, które można wykorzystać bezpośrednio w miejscu zrzutu. Jest to technika o fundamentalnym znaczeniu w uzdatnianiu wody w ogóle, a w szczególności w oczyszczaniu ścieków.

Badanie przeprowadza się na aparaturze laboratoryjnej wyposażonej w naczynia do testów. Każde naczynie odpowiada jednemu etapowi procesu uzdatniania wody. Podczas testu w naczyniach dodaje się różne dawki koagulantów i flokulantów, aby odzwierciedlić rzeczywiste warunki uzdatniania.

Procedura Jar-test

W zależności od rodzaju dozowanego środka koagulującego reguluje się pH zrzutu i uruchamia mieszadło w celu jego homogenizacji.

Następnie dodaje się wybrany odczynnik, zaczynając od niewielkich dawek, które można stopniowo zwiększać, aż do momentu, gdy zaczną pojawiać się niewielkie flokule. Mieszanie odbywa się z dużą prędkością.

Następnie dozuje się wybrany środek flokulujący, który może być kationowy, anionowy lub niejonowy, w zależności od oczekiwanej polaryzacji powstałych zgrubień. Środki flokulujące muszą być silnie rozcieńczone (ok. 0,1%) ze względu na ich wysoką lepkość i niskie dawki.

Zazwyczaj stosuje się większą ilość koagulantu (10–20 ppm) niż flokulantów (0,5–2 ppm).

Podczas flokulacji mieszanie powinno odbywać się powoli, aby zapobiec rozpadaniu się utworzonych kłaczków.

Należy zwrócić uwagę na konsystencję i gęstość powstałych kłaczków, które opadną na dno szklanki.

Zestaw do testów koagulacji i flokulacji typu Jar

W celu optymalizacji procesu zwykle przeprowadza się szereg testów z wykorzystaniem różnych środków koagulujących i flokulujących.

Wygląd powstałego kłaczkowatego osadu może dać nam wskazówkę co do tego, jaki proces separacji będzie najkorzystniejszy. Jeśli osad jest gęsty i łatwo się wytrąca, najodpowiedniejszym procesem może być dekantacja, natomiast jeśli osad trudno się wytrąca lub jest bardzo puszysty lub tłusty, najodpowiedniejszą technologią byłaby flotacja. W każdym razie jest to jedynie wstępna wskazówka, którą należy wziąć pod uwagę przy wyborze najbardziej odpowiedniej linii technologicznej.

4. Rozdzielanie koloidów metodą flotacji DAF

System flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF)towysoce wydajna technologia oczyszczania ścieków zawierających cząstki koloidalne po przeprowadzeniu koagulacji i flokulacji.

DAF to proces klarowania wykorzystujący mikropęcherzyki powietrza do oddzielania cząstek koloidalnych i zawiesin stałych z wody. Opiera się on na zdolności pęcherzyków powietrza do przywierania do cząstek mikrosolidów i wynoszenia ich na powierzchnię, tworząc pływającą pianę. System DAF jest szczególnie skuteczny w usuwaniu olejów, tłuszczów, zawiesin stałych i flokulowanych zanieczyszczeń.

W urządzeniu flotacyjnym typu DAF zanieczyszczona woda jest wprowadzana do zbiornika flotacyjnego, do którego wtłaczane są mikropęcherzyki powietrza poddanego wcześniej sprężeniu. Mikropęcherzyki te rozszerzają się w cieczy i przylegają do cząstek koloidalnych, które unoszą się na powierzchnię, tworząc warstwę piany, która jest następnie odprowadzana do leja za pomocą mechanicznego systemu zgarniacza.

W porównaniu z konwencjonalnym procesem sedymentacji, klarowanie za pomocą flotatora DAF zapewnia istotne korzyści, takie jak bardzo wysoki stopień usuwania zawiesin ogółem, olejów i tłuszczów (≥95%) oraz zawartość suchej masy w osadzie rzędu 3–4%, w przeciwieństwie do 1%, które zwykle uzyskuje się w procesie sedymentacji.

W obliczu rosnącego zapotrzebowania na procesy ułatwiające ponowne wykorzystanie ścieków technologia DAF zyskała szerokie zastosowanie dzięki swojej skuteczności w oczyszczaniu wody, która ma być następnie poddana obróbce przy użyciu technologiifiltracji membranowej.

Proces filtracji membranowej to metoda fizyczna, która pozwala na rozdzielenie cząsteczek o różnej wielkości i właściwościach. Polega ona na wykorzystaniu membran o selektywnej przepuszczalności w celu rozdzielenia składników na dwa odrębne strumienie. Transport przez membranę odbywa się pod wpływem siły napędowej, takiej jak gradient potencjału elektrycznego, stężenia lub ciśnienia.

Niektóre procesy separacji membranowej obejmują:

• Filtracja: Wykorzystuje membrany o porach różnej wielkości do oddzielania cząstek w zależności od ich wielkości.
• Mikrofiltracja (MF): Proces ten odbywa się pod niskim ciśnieniem i służy do oddzielania cząstek o dużej masie cząsteczkowej, zawiesin koloidalnych lub rozpuszczonych substancji stałych.
• Ultrafiltracja (UF): Umożliwia oddzielanie makrocząsteczek i koloidów.              
• Dializa: Wykorzystuje membrany półprzepuszczalne do usuwania niepożądanych substancji z roztworu.

Na poniższym wykresie przedstawiono zakresy filtracji zapewniane przez różne rodzaje membran, a także negatywny wpływ cząstek koloidalnych, które powodują zanieczyszczenie i zatykanie membran.

Wskaźnik SDI (Silt Density Index) lub wskaźnik zanieczyszczenia pozwala zmierzyć skuteczność systemu oddzielania zawiesin stałych. Obliczenia polegają na przepuszczeniu strumienia badanej wody przez filtr o wielkości porów 0,45 mikrona i średnicy 47 mm, umieszczony w specjalnym uchwycie, pod stałym ciśnieniem (2,1 bara). W tym badaniu mierzy się czas potrzebny do napełnienia pojemnika o pojemności 500 cm³ przed i po przepuszczeniu wody przez filtr papierowy przez 15 minut.

Spis treści SDI = (100 * (1 – (_t1 /_t2)) / T

Gdzie_{t2 =} czas końcowy w sekundach,_{t1 =} czas początkowy w sekundach, a T = czas pomiaru w minutach.

Wartość SDI uznawana za odpowiednią do zasilania membran UF wynosi 5 (ok. 1 NTU), natomiast w przypadku membran NF i RO wartości te nie powinny przekraczać SDI = 3 (ok. 0,1 NTU). Obecnie dostępne są specjalne membrany (FR = Fouling Resistance) do ścieków, które tolerują wyższe wartości SDI (ok. SDI = 4–5) oraz wysokie stężenia rozpuszczonego ChZT.

5. Podsumowanie

Cząstki stałe w zawieszeniu (TSS) są najczęściej występującymi zanieczyszczeniami w ściekach. Wiele z tych cząstek występuje w postaci koloidalnej, przez co nie wytrąca się ani nie ulega separacji w wyniku zwykłej filtracji. W takich przypadkach konieczne jest zastosowanie procesów koagulacji i flokulacji w celu ich destabilizacji i utworzenia kłaczków o rozmiarach i właściwościach odpowiednich do separacji.

Technologie stosowane do oczyszczania ścieków to zazwyczaj dekantacja i flotacja. Flotacja DAF przewyższa wydajnością konwencjonalne procesy sedymentacji, a ponadto wymaga mniejszego miejsca do zainstalowania. Zawartość suchej masy (MS) w osadach oddzielonych metodą DAF jest znacznie wyższa niż w przypadku osadników, dlatego uznaje się ją za bardziej odpowiednią do ponownego wykorzystania tych ścieków, które następnie muszą zostać poddane oczyszczaniu membranowemu.

Bibliografia i źródła

Technologia DAF stosowana w przemyśle papierniczym do recyklingu ścieków – Aktualności – Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co., Ltd (gyeclarifier.com)

PPT – Prezentacja PowerPoint, do pobrania za darmo – ID:2632688 (slideserve.com)

Jaki jest wpływ zużycia papieru na środowisko – dowiedz się tutaj (ecologiaverde.com)