Oczyszczanie złożonych ścieków za pomocą separatora DAF i filtracji tangencjalnej

• 1. Wprowadzenie
• 2. DAF i filtracja tangencjalna
• 3. Porównanie obu technologii
• 4. Podsumowanie

1. Wprowadzenie

Technologie oczyszczania ścieków mają na celu oddzielenie tych pierwiastków lub związków, które zawierają substancje zanieczyszczające, niepożądane dla środowiska.

Chociaż istnieje wiele technologii oczyszczania ścieków (metody fizykochemiczne, biologiczne, utlenianie, filtracja itp.), skupimy się na tych, które mają na celu odzyskiwanie najcenniejszych związków lub oddzielanie tych, które stanowią problem ze względu na swoją toksyczność, niską biodegradowalność, gęstość, lepkość, ekstremalne temperatury lub pH.

Wiele technik oczyszczania ścieków jest odrzucanych ze względu na ich nieskuteczność w usuwaniu niektórych zanieczyszczeń, takich jak rozpuszczalniki, oleje i tłuszcze, węglowodory, ścieki o bardzo wysokim lub niskim pH, ścieki o wysokiej lub niskiej temperaturze itp.

Z drugiej strony istnieją inne czynniki, takie jak oczekiwana wydajność separacji, zużycie energii, ponowne wykorzystanie wody czy odzysk surowców, które decydują o tym, czy dana technologia jest odpowiednia dla rozwiązania, które zamierza się wdrożyć.

Istnieją dwie technologie, które zapewniają doskonałą skuteczność w usuwaniu szerokiej gamy zanieczyszczeń:

• Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF)
• Separacja metodą filtracji tangencjalnej

Są to dwie bardzo różne technologie, które znajdują zastosowanie w oczyszczaniu szerokiej gamy ścieków.

2. DAF i filtracja tangencjalna

Technologie te nadają się do oczyszczania niektórych złożonych ścieków, a ich zastosowanie – osobno lub łącznie – zależy od rodzaju i stężenia zanieczyszczeń, które mają zostać usunięte, oraz od pożądanego efektu oczyszczania.

Flotacja powietrzem rozpuszczonym (DAF) to fizykochemiczny proces oczyszczania ścieków, który charakteryzuje się wysoką skutecznością w przypadku ścieków zawierających zawiesiny ogólne, a jest szczególnie skuteczny w przypadku związków o niskiej gęstości. Technologia ta pozwala na oddzielenie zawiesin i koloidów zawartych w ściekach, które zostały wcześniej poddane flokulacji.

Proces polega na wtłaczaniu sprężonego powietrza do części oczyszczonej wody, która jest następnie recyrkulowana i sprężana w zbiorniku. Woda ta miesza się ze ściekami wpływającymi do flotatora, powodując wypłukiwanie zanieczyszczeń znajdujących się w zawieszeniu. Po rozprężeniu wtryskiwanego powietrza, w postaci mikropęcherzyków o wielkości rzędu 50 µm, przylegają one do flokulowanych cząstek i powodują ich unoszenie się ku powierzchni, gdzie tworzy się warstwa pływająca, która jest usuwana za pomocą zgarniacza lub skimmera.

Schemat flotacji DAF ścieków

Systemy DAF są powszechnie stosowaną technologią w oczyszczalniach ścieków przemysłowych i komunalnych. Wykorzystuje się je do usuwania zawiesin, olejów i tłuszczów oraz wielu innych zanieczyszczeń obecnych w ściekach przemysłowych (z branży chemicznej, spożywczej, naftowej i gazowej itp.).

W niektórych zastosowaniach flotację powietrzem rozpuszczonym można wykorzystać do odzyskiwania cennych produktów z niektórych ścieków, takich jak oleje lub białka, ze względu na niewielki wpływ procesu chemicznego oraz wysokie stężenie oddzielonych osadów (4–6%).

Filtracja tangencjalna toproces fizyczny, w którym płyn zasilający przepływa równolegle do powierzchni membrany. W tym procesie nierozpuszczalne cząstki stałe, koloidy, emulsje, cząsteczki i jony obecne w płynie są od niego oddzielane, krążąc z dużą prędkością, co ogranicza zanieczyszczenie membran. Jest to oczywista zaleta w porównaniu z procesem filtracji czołowej, który jest znacznie bardziej podatny na zanieczyszczenie i zatykanie.

W systemach filtracji stycznej stosuje się trzy rodzaje membran:                 

• Membrany spiralne, które są nawijane wokół perforowanego kolektora centralnego, tworząc spiralne moduły filtracyjne. Znajdują zastosowanie w przemyśle mleczarskim, spożywczym i farmaceutycznym do klarowania, zagęszczania i oczyszczania cennych składników.
• Membrany z włókien kanalikowych. Charakteryzują się unikalną budową, która ułatwia kontrolę przepływu i oddzielanie zanieczyszczeń podczas produkcji i czyszczenia. Stosuje się je do filtracji ultrafiltracyjnej i mikrofiltracyjnej.
• Membrany rurowe. Składają się one z cylindrycznych osłon zawierających różną liczbę włókien pustych w środku. Przepływ boczny permeatu odbywa się przez ścianki, natomiast koncentrat jest odzyskiwany na końcu przeciwległym do strony zasilania. ,          

Membrany ceramiczne

Jest to bardzo skuteczna technologia służąca do usuwania olejów, tłuszczów i ogólnie rzecz biorąc mikrozanieczyszczeń.

Membrany te charakteryzują się wysoką hydrofilowością, co oznacza, że przyciągają wodę i odpychają olej. Ta właściwość zapewnia doskonałe wyniki w procesie filtracji, pozwalając uzyskać wodę uzdatnioną o wysokiej jakości. Jest to solidna i kompaktowa technologia, dzięki której uzyskuje się wodę, którą można bezpośrednio ponownie wykorzystać lub poddać dalszemu uzdatnianiu metodą odwróconej osmozy, jeśli konieczne jest usunięcie rozpuszczonych soli.

Przepływy permeatu są znacznie większe niż w przypadku membran polimerowych o właściwościach hydrofobowych. Na uwagę zasługuje również wysoka wytrzymałość mechaniczna, termiczna i chemiczna materiału ceramicznego, która umożliwia pracę w ekstremalnych warunkach pH i temperatury (na przykład podczas oczyszczania kąpieli odtłuszczających). Cechy te pozwalają również na stosowanie procedur czyszczenia zapewniających bardziej wydajną regenerację.

Wydajność mierzy się w cyklach (tryb przerywany), ponieważ membrany ulegają zanieczyszczeniu i w określonych odstępach czasu konieczne jest przeprowadzenie płukania chemicznego, w którym zazwyczaj stosuje się bardzo agresywne odczynniki w celu przywrócenia warunków pracy systemu. Ponadto, ponieważ jest to system filtracji tangencjalnej, należy pracować przy bardzo wysokich przepływach recyrkulacyjnych, aby nie dochodziło do zatorów, co wiąże się z kosztownymi instalacjami i wysokim zużyciem energii.

Membrany ceramiczne wytwarza się głównie z tlenku glinu o strukturze płytkowej (_αAl₂O₃) oraz z węglika krzemu (SiC), zawsze w wysokich temperaturach spiekania (1800–2000°C). Chociaż istnieją również modele membran płaskich przeznaczone do konkretnych zastosowań, membrany te mają zazwyczaj kształt rurowy.

Membrany ceramiczne mogą być dostarczane w różnych konfiguracjach w zależności od liczby kanałów, które je przecinają. W związku z tym w przypadku ścieków o dużym obciążeniu lub większej lepkości stosuje się zazwyczaj membrany z mniejszą liczbą kanałów o większej średnicy, natomiast w przypadku ścieków bardziej płynnych i o mniejszym obciążeniu stosuje się membrany z większą liczbą kanałów o mniejszej średnicy. Membrany z większą liczbą kanałów mają większą równoważną powierzchnię filtracji.

Aby zapewnić prawidłowy projekt instalacji, zaleca się przeprowadzenie testów lub prób z wykorzystaniem cieczy, która ma być poddana obróbce.

Zespół membran jest umieszczony wewnątrz obudów wykonanych ze stali nierdzewnej, wyposażonych w uszczelki z elastomerów dostosowanych do środowiska pracy i cykli czyszczenia (zazwyczaj z vitonu lub PTFE)

Zastosowania membran ceramicznych:

• Oczyszczanie ścieków komunalnych. Membrany ceramiczne stosuje się do filtrowania zawiesin, bakterii i wirusów ze ścieków komunalnych. Wykorzystuje się je również do usuwania składników odżywczych, takich jak azot i fosfor.
• Oczyszczanie ścieków przemysłowych. Membrany ceramiczne stosuje się do oczyszczania złożonych ścieków przemysłowych, takich jak te powstające w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym i spożywczym.
• Służą do oddzielania zanieczyszczeń i odzyskiwania cennych produktów.
• Ponowne wykorzystanie wody. Membrany ceramiczne umożliwiają bezpieczne ponowne wykorzystanie uzdatnionej wody do nawadniania i procesów przemysłowych.

Schemat tangencjalnego filtrowania ścieków

3. Porównanie obu technologii

Biorąc pod uwagę, że mamy do czynienia ze złożonymi ściekami, których oczyszczanie przy użyciu konwencjonalnych metod fizykochemicznych lub biologicznych wiąże się ze znacznymi trudnościami, przystępujemy do porównania wydajności i opłacalności systemów DAF z filtracją ceramiczną.

Flotacja DAF

Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF) ma następujące zalety:

• Proces ciągły. Odprowadzanie i oddzielanie osadu oraz frakcji pływającej odbywa się równocześnie z przebiegiem procesu.
• Wysoka skuteczność w oddzielaniu olejów i tłuszczów oraz związków o niskiej gęstości, takich jak rozpuszczalniki i węglowodory.
• Wysokie stężenie MS w oddzielonych osadach, ponieważ substancje pływające są oddzielane, a straty wody są niewielkie. Takie wysokie stężenie ułatwia odzyskiwanie cennych produktów. Jeśli konieczne będzie zastosowanie systemu odparowywania lub krystalizacji, koszt i rozmiar takiej instalacji będą znacznie mniejsze.
• Niskie koszty energetyczne. Jedynymi istotnymi odbiornikami energii są pompa recyrkulacyjna oraz sprężarka służąca do zwiększania ciśnienia powietrza, jednak przepływ wymagający nasycenia jest niewielki (ok. 1/10 przepływu zasilającego).
• Duże obciążenia robocze i prędkości przepływu, co pozwala na przetwarzanie bardzo dużych ilości ścieków na niewielkiej przestrzeni.
• Umiarkowane koszty instalacji i konserwacji, zwłaszcza w porównaniu z technologią filtracji z wykorzystaniem membran ceramicznych.

W porównaniu z metodą wykorzystującą membrany ceramiczne, jako wady można wymienić następujące:

• Umiarkowana wydajność oczyszczania. Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza jest traktowana jako proces wstępnego oczyszczania, natomiast membrany ceramiczne jako proces końcowy. Stopień separacji w systemie DAF może wynosić ponad 90%, podczas gdy w przypadku membran z łatwością przekracza 99%.
• Wielkość cząstek stałych zawieszonych w ściekach. W systemie DAF wielkość ta będzie zmienna i trudna do kontrolowania. Nie można mówić o konkretnej wielkości granicznej, ponieważ dotyczy to wyłącznie fizycznego procesu filtracji na różnych poziomach. Niemniej jednak przy zastosowaniu odpowiedniego systemu koagulacji/flokulacji na etapie wstępnym można ograniczyć ilość przedostających się cząstek stałych, co – w zależności od wymagań klienta – może okazać się wystarczające.

Membrany ceramiczne

Główne zalety membran ceramicznych są następujące:

• Odporność termiczna. Wytrzymują wysokie temperatury.
• Zgodność chemiczna. Są odporne na agresywne środowiska.
• Wytrzymałość mechaniczna. Są wykonane z materiałów ceramicznych, takich jak korund, dzięki czemu charakteryzują się wysoką twardością i wytrzymałością mechaniczną, co gwarantuje ich długą żywotność.
• Wysoka jakość uzdatnionej wody. Tego typu membrany pozwalają uzyskać wodę o wysokiej jakości, co w wielu przypadkach umożliwia jej ponowne wykorzystanie lub odzysk.
• Konfiguracja. Membrany ceramiczne mogą posiadać warstwy selektywne, pośrednie i nośne, co pozwala na uzyskanie różnych stopni filtracji.                                         

Wśród wad należy wymienić:

• Kruchość. Charakteryzują się niską odpornością na szok termiczny i mechaniczny.
• Wysokie koszty początkowej inwestycji.
• Wysoki koszt wymiany. Membrany ceramiczne są stosunkowo drogie, ale mają bardzo długą żywotność, więc nie trzeba ich często wymieniać.
• Wysokie koszty energii. Pompy obiegowe tych membran pracują przy bardzo dużych przepływach, co wiąże się z wysokim zużyciem energii.
• Praca przerywana. Membrany działają w cyklach zanieczyszczania i czyszczenia, co wymaga zastosowania zbiorników pośrednich oraz przewymiarowania instalacji, aby zapewnić ciągłość pracy, albo też posiadania linii rezerwowej.

Tabela porównawcza wydajności i parametrów technicznych

Proces	Działanie	Wydzielność SS (%)	Stopień separacji (µm)	Odzysk wody Q (%)
DAF	Ciąg ciągły	≥ 90	Około 100	≥99
Filtracja tangencjalna z wykorzystaniem filtrów ceramicznych	nieciągły	≥ 99	≤0,1	≥90

Tabela porównawcza kosztów i zużycia

Proces	Koszt instalacji	Zużycie odczynników	Zużycie energii (kW/m³)	Zakres natężenia przepływu (m³/h) (*)
DAF	1	Środki koagulujące + flokulanty	≤ 0,3	1 – 100
Filtracja tangencjalna z wykorzystaniem ceramiki	10	Środki czyszczące	≤ 3	0,1 – 1

4. Podsumowanie

Aby porównać te procesy, można podsumować, że podczas gdy filtracja styczna opiera się na membranach służących do oddzielania cząstek od płynu, w procesie DAF wykorzystuje się mikropęcherzyki powietrza do oddzielania cząstek zawieszonych w wodzie.

Są to dwa odrębne procesy, które można jednak zastosować w przypadku złożonych zanieczyszczeń, takich jak oleje, smary, węglowodory, rozpuszczalniki i substancje wysoce toksyczne, a także wykorzystać do odzyskiwania cennych materiałów m.in. w przemyśle farmaceutycznym lub w branży metali szlachetnych.

Jak wynika z podanych informacji, oba rozwiązania charakteryzują się znacznymi różnicami zarówno pod względem kosztów instalacji, jak i eksploatacji, a także pod względem osiąganej wydajności.

W niektórych przypadkach można zastosować wstępny etap flotacji DAF, a następnie system ultrafiltracji z membranami stycznymi, aby połączyć zalety obu technologii.

Bibliografia i źródła

http://www.membranesamta.org/amta_media/pdfs/MFUF.pdf, junio 2006

AMERYKAŃSKIE STOWARZYSZENIE TECHNOLOGII MEMBRANOWYCH.

DAF w oczyszczaniu ścieków: zrozumienie jego znaczenia i działania | Instytut Wody

System DAF do oczyszczania ścieków