Na oczyszczalni ścieków w Tczewie powstają osady po stabilizacji tlenowej, które należą do grupy trudno odwadniających się. Jest to związane z rozbijaniem kłaczków osadu podczas długotrwałego napowietrzania, powodującego dużą turbulencję w reaktorze [1,2]. Ponadto realizacja procesu oczyszczania ścieków przy długim wieku osadu pogarsza zdolności osadów do odwadniania [2]. Wyniki badań z kondycjonowania osadów ściekowych w Tczewie za pomocą koagulantów PIX 113 i PAX 18 oraz flokulantu – emulsji kationowej przedstawiono poniżej.

Kondycjonowanie osadów z wykorzystaniem koagulantu PIX 113
    W pierwszym etapie badań (w latach 2006÷2008) kondycjonowanie osadów prowadzono z wykorzystaniem koagulantu nieorganicznego PIX 113 zawierającego jony żelaza(III). Koagulant dodawano przed osadnikiem wtórnym w dawce 15÷180 g/m³ (w odniesieniu do 1 m³ ścieków surowych). Dozowanie koagulantu odbywało się z instalacji wyposażonej w zbiornik magazynowy o objętości 28 m³ i 2 pompy o maksymalnej wydajności 100 dm³/h każda.
    W efekcie koagulacji cząstek osadów odnotowano wzrost średniej rocznej suchej masy osadów odwodnionych z 14,3% w 2005 roku do 15,5% w 2008 roku, co pokazano w tabeli 1. Jednocześnie obniżono zawartość zawiesin w odciekach z wirówek z 746 do 254 g/m3. W tym okresie jednostkowe zużycie polimeru dodawanego do wirówek oscylowało w przedziale 4,16÷4,74 g/kg s.m., podczas gdy w 2005 roku wynosiło 4,57 g/kg s.m.
    Należy jednak nadmienić, że uzyskaniu lepszych wyników odwadniania mogła sprzyjać niższa zawartość substancji organicznych w osadach ściekowych w latach 2007÷2008 niż w 2005 roku. Dla przykładu udział substancji organicznych w osadach w 2005 roku wynosił 79%, a w 2007 roku – 72% [3]. Z drugiej strony od roku 2007 nastąpiło pogorszenie charakterystyki opadania osadu, co objawiło się wzrostem indeksu objętościowego z 93 cm³/g (w 2005 roku) do 174 cm³/g (w 2007 roku) [3].
    Generalnie, osady z dużym udziałem substancji organicznych trudniej się odwadniają [1,2,3]. W 2005 roku osady stabilizowane tlenowo zawierały duże ilości koloidalnych zanieczyszczeń organicznych pochodzących ze ścieków drożdżowniczych, które były trudno rozkładalne biologicznie [2,3]. W roku 2007 i 2008 proces oczyszczania ścieków był prowadzony bez udziału ścieków drożdżowniczych z powodu zamknięcia drożdżowni. Wówczas mniejsza ilość substancji organicznych była wbudowywana w osad czynny. Ponadto w warunkach niższego obciążenia osadu ładunkiem BZT5 w latach 2007÷2008 przebiegała z większą wydajnością symultaniczna stabilizacja osadów, która prowadziła do obniżenia procentowej zawartości materii organicznej w osadzie. Ostatecznie zwiększyła się podatność osadów na odwodnienie.

Tab. 1. Wpływ koagulantu PIX 113 dozowanego przed osadnikami wtórnymi na efektywność odwadniania osadu w latach 2005÷2008

Kondycjonowanie osadów z wykorzystaniem koagulantu PAX 18
    W drugiej fazie badań, w okresie od 11 lutego do 28 marca 2008 roku do kondycjonowania osadów zastosowano koagulant nieorganiczny PAX 18 - chlorek poliglinu. Przy czym koagulant dodawano bezpośrednio do komory stabilizacji tlenowej w dawce 150 g/m3 (w odniesieniu do 1 m³ osadu doprowadzanego do tej komory).
    Warto zaznaczyć, że przed i w czasie prowadzonych badań nie oczyszczano już ścieków drożdżowniczych w oczyszczalni, co umożliwiło obiektywne porównanie efektów odwadniania osadów. Celowo wybrano porę zimową do przeprowadzenia testu z koagulantem PAX 18, ponieważ w warunkach niskich temperatur osad źle się odwadniał. Niska temperatura ścieków w porze zimowej – ok. 8÷10^OC [4] hamowała proces stabilizacji tlenowej, przez co osad był słabo zmineralizowany [5]. Wraz ze spadkiem temperatury w komorze stabilizacji rosła prawdopodobnie też lepkość osadów ściekowych, która zmniejszała efektywność działania polimeru dozowanego do wirówek. Poza tym osad posiadał gorsze własności sedymentacyjne zimą, co również miało niekorzystny wpływ na końcowy wynik odwadniania. Indeks osadu czynnego w okresie zimowym wynosił 210÷231 cm³/g [4].

Tab. 2. Wpływ koagulantu PAX 18 dozowanego do komory stabilizacji tlenowej
na efektywność odwadniania osadu w porze zimowej 2008 roku

    W następstwie dozowania koagulantu PAX 18 sucha masa osadów odwodnionych uległa zwiększeniu z 14,3% (w styczniu 2008 roku) do 15,5% (luty-marzec 2008 roku), czego dowodzą wyniki badań zamieszczone w tabeli 2. Tak więc osiągnięte wyniki potwierdzają skuteczność koagulantu w zakresie poprawy stopnia odwadniania osadów. W trakcie kondycjonowania koagulantem PAX 18 jednostkowe zużycie polimeru dozowanego do wirówek wynosiło 4,91 g/kg s.m. i było niemal identyczne jak przed kondycjonowaniem.

Kondycjonowanie osadów z wykorzystaniem flokulantu – emulsji kationowej
    W ostatniej części badań kondycjonowanie osadów realizowano za pomocą flokulantu organicznego – emulsji kationowej o zawartości ok. 45% substancji aktywnej. W latach 2009÷2010 emulsję kationową dodawano do rurociągu doprowadzającego osad do komory stabilizacji tlenowej w dawce 0,27÷0,34 g/kg s.m. (w odniesieniu do 1 kg suchej masy osadu doprowadzanego do tej komory). W roku 2011 emulsję kationową dozowano także do rurociągu odprowadzającego osad z komory stabilizacji do wirówek w dawce 0,26 g/kg s.m. (w odniesieniu do 1 kg suchej masy osadu odprowadzanego z tej komory). Dozowanie emulsji kationowej odbywało się z instalacji składającej się ze zbiornika magazynowego o objętości 1 m³ wyposażonego w dwuwirnikowe mieszadło wolnoobrotowe – 230 obr/min i pompę dozującą o maksymalnej wydajności 156 dm³/h.
    Dzięki kondycjonowaniu osadu z wykorzystaniem emulsji kationowej osiągnięto następujące średnie roczne wartości suchej masy osadu odwodnionego: 16,0% w 2009 roku, 16,2% w 2010 roku i 16,7% w 2011 roku. Stężenie zawiesiny w odciekach z wirówek zmieniało się w przedziale 258÷362 g/m³ (tab. 3). Tymczasem zużycie polimeru wprowadzanego bezpośrednio do wirówek wynosiło: 4,31 g/kg s.m. w 2009 roku, 4,67 g/kg s.m. w 2010 roku i 4,58 g/kg s.m. w 2011 roku. Wyższy stopień odwodnienia osadu w roku 2011 w porównaniu z rokiem 2009 i 2010 należy tłumaczyć tym, że dodawana emulsja kationowa dodatkowo do rurociągu doprowadzającego osad do wirówek wpłynęła korzystnie na strukturę osadu poprzez zwiększenie wielkości kłaczków, które uległy rozdrobnieniu podczas napowietrzania w procesie stabilizacji tlenowej. To spowodowało, że w październiku 2011 roku zrezygnowano z dozowania emulsji kationowej do komory stabilizacji tlenowej. Od listopada 2011 roku emulsję kationową dodawano już tylko do rurociągu doprowadzającego osad do wirówek w dawce ok. 0,5÷0,70 g/kg s.m.

    Gdyby proces stabilizacji tlenowej (redukcji substancji organicznych w osadzie) przebiegał z jednakową wydajnością w temperaturze ok. 21^OC przez cały rok, to wtedy średnia roczna sucha masa osadu odwodnionego z pewnością byłaby jeszcze wyższa. W porze zimowej 2011 roku osady zawierały ok. 74,0÷76,5% substancji organicznych, a w porze letniej zawartość ich spadała nawet do 66,7% [4]. Taka sytuacja bezpośrednio rzutowała na stopień odwodnienia osadów, ponieważ wysoki udział substancji organicznych w osadach utrudniał proces ich odwadniania. W rezultacie sucha masa osadu odwodnionego zimą kształtowała się na poziomie ok. 16%, a latem w granicach 17÷18,3% [6].

Tab. 3. Wpływ emulsji kationowej dozowanej do komory stabilizacji tlenowej i rurociągu doprowadzającego osad do wirówek na efektywność odwadniania osadu w latach 2009÷2011

Parametry odwadniania osadów w 2011
    Odwadnianie osadów w Tczewie w 2011 roku odbywało się przy obciążeniu hydraulicznym wirówki w granicach 16,5÷18,0 m³/h i obciążeniu suchą masą osadów ok. 265 kg s.m./h (tab. 4). Maksymalna przepustowość wirówki wynosi 20 m³/h i 800 kg s.m./h. Z tego wynika, że obciążenie hydrauliczne stanowiło 82,5÷90%, a obciążenie suchą masą osadów - 33% wartości nominalnej wirówki. Pomimo że wirówki posiadały jeszcze rezerwę w zakresie przepustowości, to dalsze zwiększanie obciążenia wirówki suchą masą osadu powodowało pogorszenie skuteczności odwadniania. Również zmniejszanie obciążenia hydraulicznego wirówek do 15 m³/h [6] nie przynosiło oczekiwanych rezultatów, ponieważ przy niskim stężeniu osadu poddawanego odwodnieniu spadało drastycznie obciążenie wirówek suchą masą osadu. Dlatego obciążenie wirówki masą osadu było utrzymywane na stałym poziomie przez cały rok poprzez regulację przepływu osadu w zależności od jego stężenia doprowadzanego do wirówek.
    Oprócz obciążenia wirówek masą osadu, istotnym parametrem pracy wirówek jest różnica prędkości obrotowej między bębnem i ślimakiem. Różnicowa prędkość obrotowa decyduje o czasie przebywania osadu w bębnie. Im ta różnica jest mniejsza, tym osad jest bardziej suchy. W roku 2011 w wyniku dodawania emulsji kationowej proces odwadniania prowadzono przy stosunkowo niskiej różnicy prędkości obrotowej bębna i ślimaka w obu wirówkach 2,5÷3,5 obr/min. Natomiast w roku 2005, kiedy osad słabo się odwadniał i zawierał zanieczyszczenia drożdżownicze, różnica prędkości obrotowej bębna i ślimaka wynosiła aż 7,0 obr/min [6], ponieważ każda próba zmniejszenia tej różnicy skutkowała znacznym pogorszeniem jakości odcieku z wirówek. Zatem głównym kryterium decydującym o efektywności odwadniania osadu była zawartość zawiesin w odciekach z wirówek.

Tab. 4. Parametry odwadniania osadu w 2011 roku

Produkcja odwodnionych osadów
    W tabeli 5 przedstawiono jednostkowe ilości wyprodukowanych osadów odwodnionych w Tczewie na tle średnich wartości tych wskaźników uzyskanych w oczyszczalniach w Polsce. Jak widać, jednostkowe ilości suchej masy osadów odwodnionych w oczyszczalni w Tczewie w 2001 roku odniesione do 1 m³ ścieków – 0,39 kg s.m./m³ i 1 kg BZT5 zredukowanego - 0,82 kg s.m./kg BZT5 były na poziomie średniej krajowej. Dużo niższa była jednak ilość suchej masy osadu odwodnionego przypadająca na 1 mieszkańca obsługiwanego przez oczyszczalnię – 47,1 g s.m./Mxd. Również łączne zużycie emulsji kationowej stosowanej do wstępnego kondycjonowania osadu i polimeru dodawanego w stacji wirówek w omawianej oczyszczalni (5,18 g/kg s.m.) było mniejsze od średniego zużycia flokulantu w Polsce (5,65 g/kg s.m.). Przy czym dawka samego polimeru proszkowego dodawanego bezpośrednio do wirówek wynosiła 4,58 g/kg s.m. (tab. 3). W wielu oczyszczalniach w Polsce jednostkowe zużycie flokulantu waha się w przedziale od 5 do 10 g/kg s.m., a w niektórych wynosi nawet powyżej 10 g/kg s.m. [7]. Dotyczy to prawdopodobnie odwadniania osadów w wirówkach nowej generacji o wysokiej prędkości obrotowej – od 3 000 do 4 000 obr/min.
    Można więc uznać wyżej wymienione wskaźniki za zadowalające dla oczyszczalni w Tczewie. Zwłaszcza, że proces przeróbki osadów ściekowych obejmuje stabilizację tlenową, która jest mniej efektywna od stabilizacji beztlenowej prowadzonej w zamkniętej i ogrzewanej komorze, ponieważ wysoka temperatura panująca w czasie fermentacji metanowej przez cały rok – ok. 35^OC [8] prowadzi do skuteczniejszego rozkładu substancji organicznych zawartych w osadach. Tym samym masa wyprodukowanych osadów jest mniejsza po stabilizacji beztlenowej niż po stabilizacji tlenowej. Oczywiście pod warunkiem, że proces fermentacji metanowej jest prowadzony w sposób właściwy.

 

 

 

 

 

* * *

    Przeprowadzone badania nad wstępnym kondycjonowaniem osadów ściekowych pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:
• zastosowanie koagulantu nieorganicznego do wstępnego kondycjonowania osadu wpłynęło na zwiększenie suchej masy osadu odwodnionego o 1,2% (z 14,3 do 15,5%),
• kondycjonowanie wstępne osadu z wykorzystaniem emulsji kationowej spowodowało wzrost suchej masy osadu odwodnionego o 2,4% (z 14,3 do 16,7%),
• wstępna koagulacja i flokulacja kłaczków osadów ściekowych za pomocą środków kondycjonujących doprowadziła do obniżenia zawartości zawiesin w odciekach z wirówek o ok. 50÷75% w stosunku do roku 2005,
• emulsja kationowa okazała się skuteczniejsza od koagulantu nieorganicznego w zapewnieniu lepszych efektów odwodnienia osadu,
• odnotowana niższa sucha masa osadów odwodnionych podczas kondycjonowania koagulantem może być wynikiem zbyt niskiej jego dawki,
• najkorzystniejszym miejscem dozowania emulsji kationowej wydaje się być rurociąg odprowadzający osad z komory stabilizacji tlenowej do wirówek, ponieważ struktura osadu w czasie stabilizacji tlenowej jest niszczona,
• zalecana dawka emulsji kationowej przy kondycjonowaniu wstępnym powinna wynosić przynajmniej 0,5÷0,7 g/kg s.m.,
• w wyniku dodawania emulsji kationowej objętość dobowa produkowanych osadów została zmniejszona z 28 do 22 m³/d (w czasie 9 godzin pracy wirówek), czyli o ok. 21%, tym samym koszty ich dalszej przeróbki (kompostowania) uległy obniżeniu.

  Tab. 5. Produkcja suchej masy osadów odwodnionych

    Uzyskane efekty w procesie odwadniania osadu dowodzą zasadności stosowania wstępnego kondycjonowania osadów ściekowych za pomocą emulsji kationowej. Z punktu widzenia efektywności procesu i kosztów eksploatacyjnych, kondycjonowanie osadów z wykorzystaniem emulsji kationowej jest optymalnym rozwiązaniem. Zastosowanie samego koagulantu do kondycjonowania nie gwarantuje takich samych efektów odwadniania osadów jak w przypadku emulsji kationowej. Powstające kłaczki po dodaniu koagulantu do osadów ściekowych są nieduże i nietrwałe. Natomiast flokulant powoduje powstawanie dużych i trwałych kłaczków, co pozwala na skuteczne oddzielenie osadów od cieczy osadowej [1]. Emulsja kationowa w porównaniu z polimerem proszkowym (w postaci stałej) jest skuteczniejsza w procesie flokulacji cząstek osadu, prawdopodobnie ze względu na większy udział rozgałęzionych łańcuchów z wieloma aktywnymi grupami, które działają, jako czynnik mostkujący i sieciujący.
    Wyższy stopień odwodnienia osadów można osiągnąć poprzez jednoczesne dozowanie najpierw koagulantu, a potem flokulantu. Niestety jest to rozwiązanie droższe. Z drugiej strony kondycjonowanie w układzie koagulant-flokulant nie daje pewności osiągnięcia znacznej poprawy suchej masy osadów odwodnionych, ponieważ skuteczność usuwania wody z osadów zależy w dużej mierze od właściwości osadów ściekowych.
    Biorąc pod uwagę rodzaj osadów poddawanych odwodnieniu w Tczewie (nadmierne po stabilizacji tlenowej), rodzaj urządzenia odwadniającego (wirówki o niskiej prędkości obrotowej) oraz stosunkowo niskie zużycie polimeru (ok. 5 g/kg s.m.) należy stwierdzić, że średnia sucha masa odwodnionych osadów na poziomie 16,7% jest wynikiem zadowalającym. W roku 2012 będzie dodawana do rurociągu transportującego osad do wirówek nowa emulsja kationowa o większej zawartości substancji aktywnej, tj. 50%. Można więc oczekiwać wzrostu średniej rocznej suchej masy osadów odwodnionych w kolejnych latach. Realne jest także osiągnięcie suchej masy osadu odwodnionego w przedziale 19÷20% pod warunkiem zastosowania wirówek o wysokiej prędkości obrotowej. Należy jednak liczyć się z dużo większym zużyciem polimeru niż dotychczas, co może być nieopłacalne.

 

Literatura
[1] Podedworna J., Umiejewska K., Technologia osadów ściekowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.
[2] Bojanowska I., Pepliński M., Proces stabilizacji tlenowej osadu ściekowego i jego odwadniania w oczyszczalni w Tczewie. „BMP Ochrona Środowiska”, 2006, nr 2, s. 25-29.
[3] Pepliński M, Wpływ ścieków przemysłowych na pracę komunalnej oczyszczalni w Tczewie (cz. II). „BMP Ochrona Środowiska”, 2008, nr 3, s. 62-65.
[4] Pepliński M., Parametry technologiczne oczyszczania ścieków. Materiały wewnętrzne ZWiK Sp. z o.o. w Tczewie.
[5] Pepliński M., Wtórne uwalnianie zanieczyszczeń w oczyszczalni ścieków (cz. I). „BMP Ochrona Środowiska”, 2010, nr 4, s. 36-40.
[6] Pepliński M., Parametry pracy stacji odwadniania osadu ściekowego. Materiały wewnętrzne ZWiK Sp. z o.o. w Tczewie.
[7] Heidrich Z., Mechaniczne odwadnianie osadów ściekowych. Forum Eksploatatora, 2011, nr 1, s. 32-35.
[8] Oleszkiewicz J., Gospodarka osadami ściekowymi. LEM, Kraków 1998.

 

Autor: Mariusz Pepliński, Zakład Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. w Tczewie

Artykuł został opublikowany w magazynie "Ochrona Środowiska" nr 2/2012