Wpływ wstępnej obróbki osadu nadmiernego na stopień - Eko-DOk

stopień dezintegracji, osad nadmierny,
chemiczne zapotrzebowanie na tlen, wstępna obróbka
Krzysztof ISKRA, Stanisław MIODOŃSKI*
WPŁYW WSTĘPNEJ OBRÓBKI OSADU NADMIERNEGO NA
STOPIEŃ DEZINTEGRACJI
W wyniku dynamicznego rozwoju sieci kanalizacyjnych prognozowany jest stopniowy wzrost zanieczyszczeń dopływających do komunalnych oczyszczalni ścieków, a co się również z tym wiąże problem
zagospodarowania nadwyżek osadów ściekowych. Wśród rozwiązań, które zyskują coraz większy entuzjazm, są metody minimalizacji powstawania osadów na terenie samej oczyszczalni. Na szczególne zainteresowanie zasługuje dezintegracja osadu nadmiernego kierowanego do komór fermentacyjnych.
Ważną kwestią przydatności wstępnej obróbki osadu jest jej miarodajna ocena efektywności. W niniejszej pracy dokonano oceny wpływu podstawowych parametrów określających stopień dezintegracji osadu nadmiernego na wartość końcową modułu dezintegracji. W artykule uwagę skupiono przede wszystkim na spotykanych modyfikacjach modułu dezintegracji oraz na charakterystyce jakościowej cieczy
nadosadowej osadu surowego magazynowanego w różnych warunkach temperaturowych. Przeprowadzone badania dowiodły, że zmienne warunki prowadzenia hydrolizy alkalicznej oraz sposób i czas magazynowania osadu surowego mogą powodować znaczne różnice wartości modułu dezintegracji.
1. WSTĘP
W ostatnich latach wzrasta szczególne zainteresowanie procesami wstępnego przygotowania osadów ściekowych przed kluczowymi węzłami gospodarki osadowej. Wiodącym kierunkiem rozwoju tych działań jest dezintegracja osadu nadmiernego podawanego
wraz z osadem wstępnym do komór fermentacyjnych. W rezultacie takie działanie ma
skutkować większą dostępnością związków organicznych podczas fermentacji metanowej,
a to z kolei może przełożyć się na wzrost ilości wyprodukowanego biogazu względem
klasycznych układów [2, 5, 6]. Kolejną istotną kwestią stają się zatem działania optymalizacyjne technik dezintegracyjnych oraz ocena efektywności procesu. Dobrym narzędziem
określającym efekty energetyczne procesu dezintegracji jest wskaźnik ES, czyli tzw. ener__________
* Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej, 50-377 W-w pl. Grunwaldzki 9,
[email protected].
214
K. ISKRA, S. MIODOŃSKI
gia specyficzna (z ang. specyfic energy). Prezentuje ona nakłady energetyczne procesu |
w odniesieniu do przerabianej suchej masy osadu podczas procesu. Wadą takiego sposobu
określania efektów wstępnej obróbki jest niestety jego przydatność tylko dla metod mechanicznych, gdyż dla pozostałych metod trudno określić zapotrzebowanie energetyczne.
Uniwersalnym narzędziem służącym do oceny stopnia dezintegracji osadu może być moduł dezintegracji (M-d). Jego geneza sięga połowy lat 90, kiedy to pierwszy raz zdefiniował go niemiecki badacz Müller, wtedy jednak wyłącznie dla potrzeb badań laboratoryjnych [4]. Dzisiaj istnieje jednak duża potrzeba szybkiego i miarodajnego określania
efektywności wstępnej obróbki osadu w kontekście potencjalnych korzyści podczas stabilizacji beztlenowej zwłaszcza w pełnej skali technicznej.
2. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA
2.1. METODYKA BADAŃ
Szacunek efektywności procesu dezintegracji osadu nadmiernego przeprowadzono
na podstawie modułu dezintegracji (M-d). Jego wartość bazuje na zawartości związków organicznych substancji rozpuszczonych określanych za pomocą chemicznego
zapotrzebowania na tlen (ChZT) przed i bezpośrednio po procesie dezintegracji osadu
i jest definiowany formułą (1). Oznaczenia ChZT wykonywano metodą dwuchromianową, której stosowanie jest zalecane w wielu krajach UE i w Stanach Zjednoczonych.
M d 
ChZT1  ChZT0
100%
ChZTa  ChZT0
(1)
gdzie:
ChZT0 – wartość ChZT substancji rozpuszczonych z próbki osadu surowego,
mgO2/dm3
ChZT1 – wartość ChZT substancji rozpuszczonych z próbki poddanej dezintegracji, mgO2/dm3
ChZTa – minimalna wartość ChZT substancji rozpuszczonych z próbki referencyjnej poddanej hydrolizie chemicznej z wykorzystaniem 1-molowego roztworu NaOH
w stosunku 1:1 w temperaturze 20 0C w czasie 24 h, mgO2/dm3.
Wpływ wstępnej obróbki osadu nadmiernego na stopień dezintegracji
215
2.2. DYSKUSJA METODY OKREŚLANIA MODUŁU DEZINTEGRACJI
Proponowana formuła (1) określająca stopień dezintegracji jest coraz powszechniej
stosowanym wskaźnikiem służącym do oceny bezpośrednich efektów po dezintegracji
osadu. Wartość modułu dezintegracji w dużym stopniu zależy od wartości ChZT
w cieczy nadosadowej po hydrolizie alkalicznej. Pomimo zalecanych czy też najczęściej spotykanych warunków prowadzenia „całkowitej” hydrolizy przy udziale roztworu wodorotlenku sodu nadal są spotykane odstępstwa od tych warunków. Modyfikacje najczęściej dotyczą temperatury prowadzenia procesu i/lub czasu reakcji osadu
z alkaliami, ale również są spotykane przypadki stosowania roztworów wodorotlenku
sodu o stężeniu innym niż 1-molowe (np. roztwory 0,5 lub 2-molowe) [3]. Duże wątpliwości związane są także z przeliczaniem rozcieńczenia dawką roztworu wodorotlenku sodu stosowanego do całkowitej hydrolizy. Dla rozcieńczenia 1:1 zadaje się
jednakową ilość osadu oraz wodorotlenku sodu do reakcji, natomiast podczas wirowania próby nie jest zidentyfikowana ta część cieczy, która pochodzi z osadu, a która
z roztworu. Spotyka się zatem wartości minimalne oraz maksymalne ChZT cieczy
nadosadowej służące do wyznaczania modułu dezintegracji.
2.3. WPŁYW WARUNKÓW PROCESOWYCH NA EFEKTY HYDROLIZY ALKALICZNEJ
W ramach niniejszej pracy przeprowadzono eksperyment pokazujący charakterystykę jakościową cieczy nadosadowej po hydrolizie alkalicznej w zróżnicowanych
warunkach procesowych. Próby zagęszczonego osadu nadmiernego poddano jednocześnie wstępnej obróbce z dodatkiem wodorotlenku sodu w następujących warunkach:
 10 min. w temp. 20 0C
 10 min. w temp. 90 0C
 24 h w temp. 20 0C
 48 h w temp. 20 0C.
Tabela 1. Wartości ChZT substancji rozpuszczonych w zależności od warunków procesowych
Rodzaj próbki
Osad surowy
Osad po dezintegracji 10 min. w 20 0C (+NaOH)
Osad po dezintegracji 10 min. w 90 0C (+NaOH)
Osad po dezintegracji 24 h w 20 0C (+NaOH)
Osad po dezintegracji 48 h w 20 0C (+NaOH)
ChZT subst. rozp.
mgO2/m3
117±18
8738±1311
10491±1574
14017±2103
16041±2406
Wartość M-d
%
11,6
9,6
7,2
6,3
Zmienne warunki procesowe hydrolizy alkalicznej spowodowały dość istotne
zmiany ChZT substancji rozpuszczonych. Pomiędzy skrajnymi wartościami zanoto-
216
K. ISKRA, S. MIODOŃSKI
wano ponad 80%-ową różnicę. Ważną rolę w takich oznaczeniach spełnia również
niepewność metody oznaczania ChZT. W przypadku oznaczania ChZT metodą dwuchromianową niepewność wynosi 15%. Oprócz wpływu warunków procesowych na
wartość ChZT substancji rozpuszczonych zbadano również wpływ zmian ChZT na
wartość modułu dezintegracji przy założeniu wzrostu ChZT frakcji rozpuszczonej
o 1000 mgO2/dm3 po procesie dezintegracji. Przyjęty wzrost ChZT jest rezultatem
dobrej pracy dezintegratora, spotykany dla metod mechanicznych. Finalnie wartość
modułu zmniejszyła się prawie dwukrotnie z 11,6 do 6,3% dla najwyższego stężenia
ChZT frakcji rozpuszczonej.
2.4. WPŁYW CZASU I SPOSOBU MAGAZYNOWANIA OSADU NA JAKOŚĆ CIECZY
NADOSADOWEJ
Kolejną rozpatrywaną kwestią była zmiana wartości ChZT substancji rozpuszczonych osadu surowego (stanowiącej próbę referencyjną) i jej wpływ na wartość modułu
dezintegracji. Oznaczenia analityczne cieczy nadosadowej badanej próbki osadu
zgodnie z metodyką powinny być wykonywane bezpośrednio po procesie wstępnej
obróbki. Niestety w praktyce może się to okazać niewykonalne np. z uwagi na
znaczną odległość z oczyszczalni do laboratorium bądź awarię urządzeń laboratoryjnych niezbędnych do wykonywania oznaczeń.
Wobec tego przeprowadzono kolejny eksperyment mający na celu zbadanie charakterystyki jakościowej osadu po kolejnych tygodniach jego magazynowania w warunkach temperatury pokojowej (ok. 20 0C) oraz w warunkach chłodniczych (ok.
4 0C). W tym celu wykorzystano zagęszczony osad nadmierny o zawartości 4,5% suchej masy i ChZT frakcji rozpuszczonej w „świeżym” osadzie wynoszącym 140
mgO2/dm3. W porównaniu z wyjściową wartością po 4 tygodniach zanotowano 13krotny wzrost ChZT w cieczy nadosadowej dla osadu przetrzymywanego w chłodni
oraz ponad 27-krotny dla osadu magazynowanego w warunkach pokojowych.
5000
ChZT subst. rozp., mgO2/dm 3
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
po 1 tyg.
po 2 tyg.
4 st. C
po 3 tyg.
po 4 tyg.
temp. pok.
Rys. 1. Wartości ChZT substancji rozpuszczonych w kolejnych tygodniach magazynowania osadu
Wpływ wstępnej obróbki osadu nadmiernego na stopień dezintegracji
217
Magazynowanie osadu surowego w skrajnych warunkach temperaturowych przyniosło rezultaty podobne do efektu dezintegracji, tj. zainicjowano pierwszą fazę fermentacji osadu (kwasogenezę), podczas której uzyskano znaczny przyrost ChZT substancji rozpuszczonych w porównaniu z wartością wyjściową w osadzie świeżym.
Należy jednak pamiętać, że takie efekty można byłoby uzyskać w pełnej skali technicznej mając do dyspozycji duże kubatury zbiorników, co jest zdecydowanie nieekonomiczne. W ramach tego doświadczenia zasymulowano również jak zmieniałaby się
wartość modułu w przypadku traktowania sposobu magazynowania osadu jako metody dezintegrującej (tabela 2). Wartość modułu dezintegracji po całym cyklu magazynowania osadu wzrosła nawet do 25% (po 4 tygodniach magazynowania w temperaturze pokojowej).
Tabela 2. Wpływ sposobu magazynowania osadu na wartość modułu dezintegracji
Rodzaj próbki
Osad surowy po 1 tygodniu
Osad surowy po 2 tygodniach
Osad surowy po 3 tygodniach
Osad surowy po 4 tygodniach
Wartość modułu dezintegracji
%
temp. ~ 4 0C
temp. pokojowa
3,8
15,3
5,4
20,7
9,0
25,3
11,5
25,5
2.5. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ
Przeprowadzone badania oraz wątpliwości związane z wyznaczaniem modułu dezintegracji pokazują skalę trudności w tematyce procesu dezintegracji osadu. Niewątpliwą zaletą tego sposobu określania efektywności procesu jest łatwość i szybkość
oznaczania wskaźnika ChZT w warunkach laboratoryjnych. Niestety każde modyfikacje w formule (1) prowadzą do różnic w otrzymywanych wynikach. Pierwszy eksperyment pokazał, że w zależności od warunków prowadzenia hydrolizy alkalicznej (1molowym roztworem wodorotlenku sodu) wartość modułu może różnić się nawet
dwukrotnie. Co więcej uzyskano również różnice w wartościach ChZTa dla obu równoważnych metod zalecanych przez grupę roboczą ATV [1], tj. 10 min. w 90 0C oraz
24 h w 20 0C. Ważną rolę spełnia także miarodajne określenie ChZT próby odniesienia (osadu surowego), gdyż zbyt długie przetrzymywanie tej próby dodatkowo w niewłaściwych warunkach temperaturowych może prowadzić nawet do paradoksu
w postaci ujemnej wartości modułu dezintegracji (gdy ChZT0 > ChZT1).
218
K. ISKRA, S. MIODOŃSKI
3. WNIOSKI I PODSUMOWANIE
Dezintegracja osadu nadmiernego stanowi obiecujące pole badawcze w kontekście
poprawy efektów stabilizacji beztlenowej. Kluczową kwestię stanowi jej miarodajna
ocena efektywności, która powinna dać odpowiedź, w jakim zakresie uzasadniona jest
prowadzenie wstępnej obróbki. Niestety brakuje jeszcze ujednoliconych zasad i wytycznych dotyczących oceny efektów bezpośrednich procesu. Jednym z obiecujących
narzędzi oceny stopnia wstępnej obróbki osadu jest moduł dezintegracji, który jednak
może przybierać różne modyfikacje wpływając w sposób istotny na swoją końcową
wartość. Dużą rolę na jej wpływ odgrywa stężenie ChZT po tzw. hydrolizie alkalicznej będące odniesieniem dla związków organicznych substancji rozpuszczonych po
procesie dezintegracji. Odmienne warunki prowadzenia hydrolizy alkalicznej spowodowały znaczne różnice w wartości modułu, a zbyt długie magazynowanie próby odniesienia może powodować sprzeczne wyniki. Otrzymane wyniki pokazują, że każdorazowo należy w szczególny sposób dbać o jednakowe warunki wyznaczania modułu
dezintegracji dla uzyskania rzetelnych i miarodajnych rezultatów.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
ATV-ARBEITGRUPPE, Verfahren und Anwendungsgebiete der mechanischen Klärschlammdesintegration, Korrespondenz Abwasser, 2000, 4, 570-576
APPELS L., BAEYENS J., DEGÈVE J., DEWIL R., Principles and potential of the anaerobic
digestion of waste-activated sludge, Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34, 755781
KHANAL S.-K., GREWELL D., SUNG S., VAN LEEUWEN J.-H., Ultrasound Applications in
Wastewater Sludge Pretreatment: A Review, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2007, 37, 277-313
MÜLLER J., Mechanischer Klärschlammaufschluss – Dissertation, Tech. Univ. Braunschweig,
1996
ØDEGAARD H., Sludge minimization technologies – an overview, Water Science and Technology,
2004, Vol. 49, No 10, 31-40
PÉREZ-ELVIRA S.-I., NIETO DIEZ P., FDZ-POLANCO F., Sludge minimization technologies,
Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2006, 5, 375-398
INFLUENCE OF AN EXCESS SLUDGE PRETREATMENT ON THE DISINTEGRATION DEGREE
As a result of the dynamic development of sanitary sewer systems there is expected a gradual increase
in an amount of pollution flowing into municipal wastewater treatment plants, what will also require the
surplus sludge management. The solutions, which are recently gaining more enthusiasm, are the methods
of minimizing the formation of sludge in wastewater treatment plants. The topic which is especially interesting is the disintegration of excess sludge that is being directed into digesters. An important question
about the suitability of sludge pre-treatment is a reliable evaluation of its efficiency. In this paper there
has been assessed the impact of the basic parameters of an excess sludge disintegration degree on the final
Wpływ wstępnej obróbki osadu nadmiernego na stopień dezintegracji
219
value of the disintegration module. The author put special emphasis on the existing modifications of
module disintegration and qualitative characteristics of raw sludge supernatant stored under different
temperature conditions. This studies showed that changing conditions of alkaline hydrolysis and the
method and time of storage of raw sludge can cause significant differences for value of the disintegration
module.