Oddzielanie olejów i tłuszczów za pomocą systemów DAF

• 1. Oczyszczanie ścieków zawierających oleje i tłuszcze
• 2. Systemy DAF do oddzielania olejów i tłuszczów ze ścieków
• 3. Oddzielanie olejów i tłuszczów metodą koalescencji
• 4. Inne technologie stosowane do usuwania olejów i tłuszczów ze ścieków
• 5. Podsumowanie

Oleje i tłuszcze należą do najczęściej występujących zanieczyszczeń w ściekach powstających w procesach przemysłowych. Ich obecność w ściekach może powodować poważne szkody dla środowiska i zdrowia ludzkiego, dlatego konieczne jest podjęcie odpowiednich działań w celu oddzielenia olejów i tłuszczów od ścieków.

Są one również przyczyną problemów z wydajnością w oczyszczalniach ścieków. Z jednej strony są to zazwyczaj substancje lepkie, które przywierają do sit, zbiorników, rur, elementów mechanicznych i przyrządów, przez które przepływają ścieki; co powoduje problemy z punktu widzenia wydajności i konserwacji, a z drugiej strony mogą powodować anoksję w zbiornikach utleniających, utrudniając w ten sposób biologiczne oczyszczanie ścieków, a jednocześnie łatwo zapychają media filtracyjne (filtry, membrany itp.).

1. Oczyszczanie ścieków zawierających oleje i tłuszcze

Oleje i tłuszcze (FOG) często występują w ściekach pochodzących z różnych gałęzi przemysłu, takich jak zakłady przetwórstwa spożywczego, rafinerie ropy naftowej czy warsztaty samochodowe, by wymienić tylko kilka przykładów, i są trudniejsze do biodegradacji niż inne substancje obecne w ściekach.

Jeśli nie zostaną wcześniej usunięte, osady olejów i tłuszczów mogą zmniejszyć skuteczność procesów biologicznych i membranowych, powodując zatory, zatykanie i dławienie systemów oczyszczania oraz ograniczając zdolność mikroorganizmów wykorzystywanych w procesach oczyszczania ścieków do rozkładu osadów.

W związku z tym najskuteczniejszym rozwiązaniem jest oddzielenie olejów i tłuszczów w ramach oczyszczania wstępnego za pomocą flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF). Po tym etapie oczyszczania wstępnego ścieki można kierować do kolejnych urządzeń oczyszczających, mając pewność, że nie wpłynie to negatywnie na proces oczyszczania wtórnego.

2. Systemy DAF oraz koagulacja i flokulacja do oddzielania olejów i tłuszczów ze ścieków

Najskuteczniejszym rozwiązaniem jest oddzielenie olejów i tłuszczów w ramach oczyszczania wstępnego metodą flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF). Po tym etapie oczyszczania wstępnego ścieki można kierować do kolejnych urządzeń oczyszczających, mając pewność, że nie wpłynie to negatywnie na proces oczyszczania wtórnego.

Systemy flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF) wykorzystują zasadę wyporności do oddzielania olejów i tłuszczów od ścieków. Proces ten polega na wprowadzaniu do ścieków mikropęcherzyków powietrza, które przylegają do cząstek oleju i tłuszczu i powodują ich wypłynięcie na powierzchnię; w tym przypadku pęcherzyki te mają wielkość ≤50 µm i są równomiernie rozprowadzane w flotatorze.

Koagulacja i flokulacja to dwa procesy chemiczne polegające na dodawaniu środków chemicznych do ścieków. Środki te neutralizują ładunek cząstek oleju i tłuszczu, powodując ich wzajemne przyleganie i tworzenie większych grudek lub kłaczków, które można następnie usunąć z wody poprzez flotację.

• Koagulacja to pierwszy etap procesu, w którym do ścieków dodaje się środek koagulujący, zazwyczaj sól metalu, taką jak siarczan glinu (alun) lub chlorek żelaza. Środek koagulujący neutralizuje ładunek cząsteczek oleju i tłuszczu, powodując ich zlepianie się i tworzenie niewielkich grudek (skrzepów). Czasami konieczna jest regulacja pH, aby ten proces i następujący po nim przebiegały prawidłowo.                                                                                                                       
• Flokulacja to drugi etap procesu, w którym do ścieków dodaje się chemiczny środek flokulujący, zazwyczaj polimer o dużej masie cząsteczkowej. Flokulant działa jak środek wiążący, powodując, że małe grudki oleju i tłuszczu przylegają do siebie i tworzą większe i cięższe flokule, które można łatwiej usunąć z wody poprzez flotację DAF. Flokule tworzą warstwę piany lub szlamu na powierzchni wody, która jest oddzielana i usuwana z systemu.

Separatory DAF są szczególnie skuteczne w oczyszczaniu ścieków przemysłowych zawierających oleje i tłuszcze, takich jak ścieki powstające w zakładach przetwórstwa spożywczego, zakładach petrochemicznych i innych zakładach produkcyjnych. Nadają się one również do usuwania innych rodzajów zanieczyszczeń, takich jak zawiesiny, metale ciężkie i związki organiczne.

Wśród zalet oczyszczania ścieków za pomocą systemu DAF można wymienić następujące:

• Wysoka skuteczność usuwania olejów i tłuszczów ze ścieków, zazwyczaj na poziomie 90–99%.            
• Jest to proces charakteryzujący się dużą wszechstronnością, umożliwiający oczyszczanie szerokiej gamy rodzajów i stężeń ścieków. Proces ten można dostosować do konkretnych właściwości ścieków, w tym do wartości pH, temperatury oraz rodzaju i stężenia obecnych zanieczyszczeń.
• Proces koagulacji i flokulacji zazwyczaj wymaga mniejszych dawek środków chemicznych niż inne metody oczyszczania, co przekłada się na niższe koszty zakupu środków chemicznych i mniejsze ilości wytwarzanych odpadów chemicznych. 
• Proces flotacji powietrzem rozpuszczonym zmniejsza również ilość osadu powstającego podczas procesu oczyszczania, co przekłada się na niższe koszty związane z jego zagospodarowaniem i utylizacją, a także na mniejszy wpływ na środowisko.
• Koszty eksploatacyjne procesu koagulacji i flokulacji w połączeniu z systemem DAF są stosunkowo niskie w porównaniu z innymi technologiami. Może to być szczególnie korzystne dla gałęzi przemysłu, które wytwarzają duże ilości ścieków i potrzebują opłacalnego rozwiązania w zakresie oczyszczania.
• Systemy DAF są stosunkowo łatwe w obsłudze i wymagają minimalnych nakładów na konserwację w porównaniu z innymi technologiami. Może to stanowić znaczną zaletę dla branż, które potrzebują niezawodnego systemu oczyszczania o niewielkich wymaganiach konserwacyjnych.

Branże, które czerpią największe korzyści z tego procesu, to:

• Przetwórstwo spożywcze i napojów: branże przetwórstwa spożywczego, takie jak przemysł mięsny i mleczarski, wytwarzają duże ilości ścieków o wysokim stężeniu olejów i tłuszczów, które wymagają oczyszczenia.
• Rafinacja ropy naftowej: rafinerie ropy naftowej wytwarzają duże ilości ścieków olejowych zawierających węglowodory, które wymagają oczyszczenia przed odprowadzeniem.               
• Produkcja chemikaliów: procesy produkcji chemikaliów mogą powodować powstawanie ścieków zawierających szerokie spektrum zanieczyszczeń, wśród których mogą znajdować się oleje.
• Metalurgia: gałęzie przemysłu metalurgicznego, takie jak obróbka skrawaniem i wykańczanie metali, wytwarzają ścieki o wysokim stężeniu oleju, które przed odprowadzeniem lub ponownym wykorzystaniem wymagają skutecznego oczyszczania w celu oddzielenia zanieczyszczeń. 
• Produkcja tekstylna: procesy produkcji tekstylnej mogą powodować powstawanie ścieków zawierających oleje, w których występuje szerokie spektrum zanieczyszczeń.
• Produkcja celulozy i papieru: zakłady produkujące celulozę i papier wytwarzają znaczne ilości ścieków, które mogą zawierać oleje pochodzące z procesów produkcyjnych.
• Produkcja samochodów i przemysł lotniczy: zakłady produkcji samochodów wytwarzają ścieki zawierające oleje, pochodzące z różnych procesów, takich jak czyszczenie części i obróbka metali.
• Wytwarzanie energii: zakłady energetyczne, takie jak elektrownie węglowe, mogą wytwarzać ścieki zawierające oleje, które przed odprowadzeniem wymagają oczyszczenia. 
• Górnictwo: w przemyśle górniczym mogą powstawać ścieki zawierające oleje w wyniku różnych procesów, takich jak przetwarzanie rud i konserwacja sprzętu.                                                           
• Przemysł farmaceutyczny. 
• Produkcja tworzyw sztucznych. 
• Produkcja farb i powłok.

3. Oddzielanie olejów i tłuszczów metodą koalescencji

Każdy proces przemysłowy, w którym wykorzystuje się produkty pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, może generować ścieki zawierające oleje i tłuszcze. Z drugiej strony smary i inne oleje stosowane w maszynach i transporcie również powodują powstawanie znacznych ilości ścieków procesowych i popłuczek. Oleje i tłuszcze występują w postaci długołańcuchowych makrocząsteczek.

W zależności od rodzaju oleju, jego pochodzenia (pochodzenia zwierzęcego, roślinnego lub mineralnego) oraz właściwości fizykochemicznych stosuje się różne technologie separacji. W przypadku olejów o mniejszej gęstości (ok. 0,8 kg/l) stosuje się zazwyczaj proste systemy flotacyjne oparte na różnicy gęstości, takie jak separatory API, lub płyty koalescencyjne (CPI).

Zjawisko koalescencji to właściwość obiektów polegająca na łączeniu się lub wtapianiu w celu zwiększenia ich rozmiarów. W przypadku ścieków zawierających oleje,płyty koalescencyjnelub separatory oleju (CPI) to wypełnienia z tworzywa sztucznego, które umożliwiają fizyczne oddzielenie węglowodorów, tłuszczów i olejów zawartych w strumieniach ścieków.

Płyty są ustawione pod określonym kątem nachylenia, aby ułatwić przepływ cieczy przez nie, umożliwiając osadzanie się cząstek oleju na ich ściankach, gdzie łączą się one w wyniku koalescencji. Następnie większe cząsteczki są przenoszone na powierzchnię przez sam strumień cieczy. Powstała warstwa piany i tłuszczu na powierzchni jest usuwana lub zmiatana przez system mechaniczny (odtłuszczacz).

Gdy cząsteczki olejów i tłuszczów występują w postaci emulsji, konieczna jest obróbka wstępna polegająca na dodaniu środków dezemulgujących, czyli związków powierzchniowo czynnych, które po dodaniu do emulsji ułatwiają koalescencję olejów i tłuszczów.

Wydajność usuwania jest znacznie wyższa w przypadku stosowania powietrza do separacji koalescencyjnej.

• Wymiary pęcherzyków: Aby zapewnić prawidłową separację metodą koalescencji z wykorzystaniem powietrza, powstające pęcherzyki powinny mieć rozmiar mniejszy niż 2 mm. Przy mniejszych rozmiarach uzyskuje się lepszą separację, ale w tym celu konieczne jest dostarczenie sprężonego powietrza, a następnie prawidłowe rozprężenie mieszaniny w celu uzyskania mikropęcherzyków (≤ 0,5 mm).
• Odległość między dyfuzorami: Wraz ze wzrostem odległości między dyfuzorami zmniejsza się prawdopodobieństwo, że pęcherzyki wytworzone przez jeden dyfuzor zderzą się z pęcherzykami wytworzonymi przez inny dyfuzor.
• Wysokość słupa wody: Gdy pęcherzyki unoszą się w górę, mają tendencję do tworzenia kolumny powietrza, a odległość między nimi jest bardzo mała, co sprzyja ich koalescencji.

Na poniższym wykresie (rysunek 1) widać wzrost prędkości unoszenia się pęcherzyków wraz ze wzrostem ich wielkości, co wskazuje, że czas kontaktu jest dłuższy w przypadku mniejszych pęcherzyków.

W zależności od ilości FOG obecnej w oczyszczanych ściekach oraz od ich przeznaczenia (oczyszczanie wtórne, odprowadzanie, ponowne wykorzystanie), można zastosować system kawitacji powietrznej (CAF), w którym stosuje się specjalną śrubę mieszającą, która wytwarza wir, a tym samym podciśnienie na powierzchni cieczy, co zmniejsza jej napięcie powierzchniowe.

To powietrze w postaci pęcherzyków rozprasza się w strumieniu zrzutu, powodując oddzielenie zanieczyszczeń poprzez spadek gęstości pozornej związanych z nimi cząstek oraz dzięki koalescencji olejów i tłuszczów.

System CAF jest ekonomiczny zarówno pod względem kosztów wdrożenia, jak i zużycia odczynników oraz energii, a ponadto jest łatwy w utrzymaniu. Jednak jego skuteczność w usuwaniu olejów i tłuszczów wynosi około 60–80% ze względu na nieregularność, ilość i wielkość powstających pęcherzyków powietrza

System ten stosuje się zazwyczaj jako etap wstępnego oczyszczania przed instalacją do flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF), gdy stężenie olejów i tłuszczów jest bardzo wysokie, lub gdy stężenie jest średnie lub niskie, a ze względu na charakter zrzutu wystarcza ten wstępny etap oczyszczania.

4. Inne technologie stosowane do usuwania olejów i tłuszczów ze ścieków.

Oprócz systemów CPI, API, CAP i DAF, omówionych już w niniejszym artykule, warto wspomnieć o następujących alternatywnych systemach:

• Separacja grawitacyjna: separacja grawitacyjna to technika wykorzystująca różnicę gęstości między ropą a wodą w celu ich rozdzielenia. Metoda ta opiera się na fakcie, że olej i tłuszcz mają mniejszą gęstość niż woda i po wprowadzeniu do zbiornika lub komory dekantacyjnej unoszą się na powierzchni, podczas gdy woda, będąc cięższa, opada na dno. Po oddzieleniu oleju i tłuszczu można je usunąć z powierzchni za pomocą urządzenia do spieniania.                                                                                                            
• Filtracja: filtracja to kolejna metoda separacji fizycznej stosowana do usuwania olejów i tłuszczów ze ścieków. Metoda ta polega na przepuszczaniu ścieków przez filtr, który zatrzymuje oleje i tłuszcze, przepuszczając wodę. Jako medium filtracyjne można wykorzystać dowolny materiał zdolny do wychwytywania oleju i tłuszczu, taki jak piasek, węgiel aktywny lub włókna polimerowe, jednak zazwyczaj ulega on szybkiemu zanieczyszczeniu, a jego czyszczenie jest skomplikowane.                                                                                                                                                           
• Utlenianie chemiczne: utlenianie chemiczne to technika wykorzystująca środki utleniające, takie jak nadtlenek wodoru, ozon lub chlor, które wchodzą w reakcję z olejem i tłuszczem, powodując, że stają się one nierozpuszczalne w wodzie. Metoda ta jest skuteczna, ale może być kosztowna i powodować powstawanie produktów ubocznych wymagających dalszego przetwarzania.                                                                                  
• Bioremediacja: jest to proces polegający na wprowadzaniu do ścieków mikroorganizmów zdolnych do rozkładu olejów i tłuszczów. Mikroorganizmy te wykorzystują oleje i tłuszcze jako pożywienie, przekształcając je w nieszkodliwe produkty uboczne, takie jak woda i dwutlenek węgla.                                                                                                                                  
• Bioaugmentacja: polega na wprowadzeniu określonych szczepów bakterii lub innych mikroorganizmów, specjalnie przystosowanych do rozkładu określonych rodzajów olejów i tłuszczów. Metoda ta jest skuteczna w oczyszczaniu ścieków zawierających określone rodzaje zanieczyszczeń.

5. Podsumowanie

Oddzielanie olejów i tłuszczów ze ścieków odbywa się dzięki różnicy gęstości między tymi zanieczyszczeniami (o mniejszej gęstości) a strumieniem wody, który je zawiera.

Zanieczyszczenia te należy usunąć, ponieważ ich obecność stanowi problem dla urządzeń elektromechanicznych i procesów oczyszczania.

Spośród różnych dostępnych technik służących do tego rodzaju separacji najskuteczniejsze są separatory z rozpuszczonym powietrzem (DAF), choć w niektórych przypadkach, gdy mamy do czynienia z wysokimi stężeniami tych zanieczyszczeń, wskazane jest, aby przed ich zastosowaniem przeprowadzić inne procesy oczyszczające, które je usuną (CPI, CAF itp.).

Ponadto, jeśli konieczne jest dokładniejsze usuwanie olejów i tłuszczów, należy zainstalować dodatkowe urządzenia, które pozwolą osiągnąć pożądane parametry, takie jak na przykład oczyszczanie końcowe przy użyciu specjalnych membran.

Bibliografia i wykorzystane źródła

http://www.scielo.org.co/

Czym jest zjawisko koalescencji? Dowiedz się (ingeciv.com)

Urządzenia do rozbijania emulsji | Smart Fluid International