Prasy filtracyjne do odwadniania osadów ściekowych
Oczyszczanie ścieków związane jest z produkcją osadów. Orientacyjnie można przyjąć, że z każdego 1 tys. m3 oczyszczonych ścieków powstaje ok. 30 tys. l osadu1. Surowe osady są odpadem niebezpiecznym sanitarnie, gdyż zawierają znaczne ilości drobnoustrojów chorobotwórczych i jaj pasożytów oraz posiadają zdolność do zagniwania, co wiąże się z powstawaniem przykrych i uciążliwych zapachów. Z tego powodu stanowią istotne zagrożenie dla środowiska i wymagają unieszkodliwienia.
Odwadnianie osadu
Jednym z procesów wykorzystywanych do unieszkodliwiania osadu jest jego odwadnianie. Polega ono na obniżeniu zawartości wody w osadach w takim stopniu, aby uwodnienie końcowe mieściło się w granicach 50-88%2 – z osadu usuwana jest woda kapilarna. W procesie odwadniania następuje rozdział osadu na suchy placek i czysty pozbawiony zawiesin odciek. W efekcie osiąga się zmniejszenie objętości osadu. Zalecane uwodnienie osadu wywożonego na składowisko osadu, zgodnie z niemieckimi normatywami, powinno wynosić 60-65%, czyli 35-40% s.m.1.
Wyróżnia się odwadnianie naturalne (poletka, laguny) i mechaniczne (wirówki, prasy). Odwadnianie mechaniczne jest bardziej efektywne i coraz powszechniej stosowane, szczególnie w przypadku średnich i dużych oczyszczalni ścieków (tab. 1).
Tab. 1. Stosowane metody odwadniania osadów w zależności od przepustowości oczyszczalni ścieków (udział procentowy)3
Najważniejsze czynniki wpływające na efektywność procesu odwadniania to właściwości osadu (opór właściwy filtracji, ściśliwość, sucha masa doprowadzanego osadu, pozostałość po prażeniu). Optymalne warunki odwadniania uzyskiwane są jedynie wtedy, gdy własności osadu są niezmienne. Istotnymi czynnikami są także rodzaj i dawka środka kondycjonującego (za duża dawka pogarsza efekt), typ urządzenia odwadniającego, obsługa urządzenia oraz stopień czystości osadu. Natomiast współczynnik rozdziału (R) określa stosunek zawartości części stałych w osadzie odwodnionym (tzw. placku osadowym) do zawartości części stałych w osadzie doprowadzanym.
Prasy do odwadniania osadu
Działanie pras opiera się na procesie wyciskania wody z osadu – zwykle z udziałem filtracji cieczy przez warstwę osadu utworzoną na przegrodzie filtracyjnej. Proces ten wymaga dobrego przygotowania osadu pod kątem wytworzenia odporności na ściskanie – kondycjonowania osadu.
Do odwadniania osadu stosuje się kilka rodzajów pras (uszeregowane wg częstotliwości stosowania)1: filtracyjno-taśmowe, komorowe, bębnowo-ślimakowe, rotacyjne, membranowe i śrubowe.
Prasy filtracyjno-taśmowe
Prasa taśmowa musi mieć strefy kondycjonowania, grawitacyjną, ściskania i ścinania osadu (strefa ciśnieniowa). Zasadę działania prasy taśmowej pokazuje rys. 1. Osad po wymieszaniu z polimerem poddawany jest odwadnianiu grawitacyjnemu na pasie filtracyjnym. Następnie przechodzi do pierwszej strefy ściskania (klinowej), gdzie formuje się struktura placka osadu o zmniejszającej się klinowo grubości. W drugiej strefie ściskania osad jest ściskany z dwóch stron taśmą filtracyjną naprężaną przez kolejne rolki o zmniejszającej się średnicy. Stale rosnące siły naporu w strefie ściskania wspomagane są w ostatniej części drogi taśmy przez proces filcowania/folowania. Wskutek nierównoległego ustawienia walców dociskowych wytwarzany jest względny ruch taśm wobec siebie, co powoduje powstanie niewielkich naprężeń ścinających. W niektórych rozwiązaniach pras taśmowych zamiast strefy ściskająco-filcującej stosowana jest strefa ściskania, wykonana na zasadzie ściskania liniowego, czy wysokociśnieniowa strefa nacisku, posiadająca własny regulowany napęd i specjalne taśmy filtracyjne4. Odprowadzanie odcieku rozwiązane jest różnie, zależnie od typu prasy. Placki filtracyjne wypadają w miejscu rozchodzenia się taśm filtracyjnych.
Na trasie powrotu taśm, przed następnym procesem odwadniania, myte są one wodą/filtratem pod ciśnieniem 5-8 barów. Bieg taśmy regulowany jest urządzeniem naciągowym i sterującym.
Prasy taśmowe nadają się do odwadniania osadów, które po dodaniu flokulantu i przejściu przez strefę wstępnego odwadniania tworzą stabilny i ściśliwy placek filtracyjny.
Prasy te pracują w sposób ciągły (zwykle 8 h/d). Szerokość taśmy wynosi od 800 do 3000 mm, co umożliwia uzyskanie wydajności4 2-30 m3/h oraz 100-1500 kgs.m./h. Przepustowość zależy od rodzaju i gęstości osadu, warunków kondycjonowania oraz optymalizacji parametrów prasy (tab. 2).
Podstawowe parametry charakteryzujące proces2 to ciśnienie filtracji, grubość placka oraz prędkość przesuwu taśmy, związana z długością strefy i czasem filtracji.
Tab. 2. Typowe efekty odwadniania na prasach filtracyjno-taśmowych w zależności od typu osadu5
Oprócz wymienionych wcześniej czynników na efekt odwadniania osadów na prasie filtracyjnej wpływają: rodzaj i naprężenie taśmy, jakość i ilość wody płuczącej, zasadowość, pH i temperatura nadawy, równomierny rozdział na całej szerokości taśmy, lokalizacja mieszania osadu z polimerem w stosunku do strefy grawitacyjnej oraz warunki flokulacji osadu. Czynniki te muszą być kontrolowane przez operatora w trakcie eksploatacji.
Konwencjonalne prasy taśmowe wytwarzają placek o stężeniu suchej masy 20-23%. Przy dobrze zagęszczonych i kondycjonowanych osadach importowane prasy taśmowe pozwalają osiągnąć placek o stężeniu suchej masy 23-31(36)%1.
Prasa taśmowa zawdzięcza popularność dużej przepustowości i niskiej cenie w wydaniu krajowym, najdroższe zagraniczne prasy mają szereg ulepszeń1. Zużycie energii w prasach filtracyjno-taśmowych jest mniejsze niż w prasach komorowych. Wadą tych urządzeń jest wymagana duża powierzchnia tkaniny filtracyjnej oraz jej znacznie szybsze zużycie6.
Rys. 1. Budowa ogólna prasy komorowej5: 1 – osłona prasy, 2 – doprowadzenie osadu, 3 – ramy stacjonarne, 4 – wgłębienie płyty, 5 – ramy ruchome, 6 – suport, 7 – przesuw palcowy, 8 – prowadnica centrująca płyty, 9 – bieżnie, 10 – blokada przesuwu, 11 – cylinder hydrauliczny, 12 – panel kontrolny, 13 – odprowadzenie filtratu
Rys. 2. Schemat prasy komorowej (a) i membranowej (b)2
Prasy ciśnieniowe (komorowe i membranowe)
Stosuje się prasy komorowe nisko- (350-850 kPa) i wysokociśnieniowe (700-1400 kPa). Prasa komorowa składa się z szeregu przylegających do siebie płyt z wgłębieniami (komorami) – rys. 1. Każda płyta pokryta jest tkaniną filtracyjną o splocie dostosowanym do rodzaju filtrowanego osadu (przeważnie z tworzyw sztucznych), która zatrzymuje dopływający osad, a pozwala na przepływ filtratu. Osad jest doprowadzany, rozprowadzany i odwadniany wewnątrz jednocześnie ściskanego zestawu płyt filtracyjnych. Filtrat odpływa ciągle, a osad wyładowywany jest po skończeniu filtracji (rys. 2a).
Prasy komorowe pracują periodycznie, przykładowy cykl to napełnianie (10 minut), filtracja (120 minut) i wyładowanie (30 minut). Długość cyklu filtracyjnego wynosi 2,5-4,5 godziny6. Stosowanie stopniowania ciśnienia, np. podnoszenie skokami o 400 kPa, poprawia efekt filtracji. Skuteczność odwadniania na początku procesu warunkowane jest przepuszczalnością tkaniny, a w dalszej części – kapilarnością placka filtracyjnego.
Opór filtracji wytwarzany przez tkaninę i placek osadowy określa właściwą wydajność filtracji na jednostkę powierzchni tkaniny filtracyjnej [kgs.m./(m2•h) lub m3/(m2•h)]. Największe płyty filtracyjne mają wymiary 2250 x 2250 mm lub 2400 x 2400 mm. W jednej prasie może być zainstalowane nawet 200 płyt, powierzchnia filtracyjna2 jednej prasy może osiągnąć wielkość do 600 m2. Wydajność prasy jest proporcjonalna do liczby komór/powierzchni filtracji.
Prasy komorowe są droższe od taśmowych, ale dają placek o zawartości suchej masy 30-35%, a nawet 37%. Mają duże zapotrzebowanie na chemikalia – stosowane są duże dawki chlorku żelaza i wapnia (0,15-0,3 kg CaO/kgs.m.), zwiększa to ilość osadu, ale jednocześnie stabilizuje i higienizuje osad. Ostatnio duże dawki koagulantów nieorganicznych zmniejsza się poprzez zastosowanie nieorganicznych polimerów. Prasy komorowe wymagają także większego dozoru operatora niż inne urządzenia odwadniające, choć ostatnio producenci poprawili stopień zautomatyzowania eksploatacji prasy.
Do czyszczenia tkaniny filtracyjnej i kanalików odpływowych stosuje się dysze wodne, pracujące pod ciśnieniem 70-100 bar. W przypadku szczególnie zanieczyszczonych tkanin, szczególnie przez krystalizujące związki wapnia, wymagane jest czyszczenie roztworem kwasu solnego.
Prasy membranowe (rys. 2b) różnią się od komorowych tym, że po cyklu filtracji ciśnieniowej (700-1100 kPa) następuje 30-minutowy okres wyciskania wody z placka przez membranę (z tworzywa sztucznego lub z gumy naturalnej), pod którą doprowadza się sprężone powietrze lub wodę (pod ciśnieniem 1500-2000 kPa). Pozwala to na uzyskanie placka o zawartości suchej masy osadu o 5-8% wyższej niż w przypadku pras komorowych, średnio 30-38% s.m.1.
Najnowsze prasy membranowe pracują tylko z kondycjonowanym polimerem. Podczas napełniania, przed włączeniem ciśnienia osad w komorach podlega grawitacyjnemu odwadnianiu, podobnie jak w przypadku strefy grawitacyjnej pras taśmowych. Powoduje to lepsze odwodnienie i możliwość zastosowania polimerów. Dodatkowymi zaletami są: krótszy niż w przypadku pras komorowych cykl pracy, ułatwione wyładowywanie prasy (membrana zatyka się rzadziej niż tkanina filtracyjna) oraz mniejsze zużycie kwasu solnego do płukania membran (a co za tym idzie, mniejsza korozja i mniejsze niebezpieczeństwo poparzenia operatora).
Podstawowymi parametrami technologicznymi odwadniania osadów w prasach komorowych są2 czas odwadniania, obciążenie powierzchni filtracyjnej prasy masą osadów [kgs.m./(m2•h)] i uwodnienie placka osadu.
Przy projektowaniu lub planowaniu zakupu prasy należy ponadto zwrócić uwagę na rodzaj i koszt tkaniny, częstotliwość jej mycia, długość cyklu filtracji, liczbę i wielkość urządzeń, a także na optymalizację ciśnienia na membranie.
Od tkaniny filtracyjnej6, stosowanej w prasach taśmowych i komorowych, wymagane są niski opór właściwy, stabilny w czasie wielu cykli filtracji, dobre zapewnienie rozdziału cząstek osadu od cieczy oraz łatwe odspajanie placka osadu.
Dla większości osadów tkaninę filtracyjną dobiera się eksperymentalnie.
Rys. 3. Zasada działania prasy rotacyjnej7
Prasy bębnowo-ślimakowe, rotacyjne, śrubowe
Działanie prasy ślimakowej opiera się na wykorzystaniu ruchu ślimaka o zmiennym skoku, przesuwającego osad w strefę stopniowo zwiększającego się ciśnienia (ciśnienie filtracji uzyskiwane jest w wyniku zmiany objętości osadu). Ciecz nadosadowa odprowadzana jest poprzez nieruchomy perforowany bęben.
Prasa rotacyjna (rys. 3 i 4) oparta jest na zasadzie wolno obracającego się rotora (3 obr./min), umieszczonego w statorze z perforowanymi ścianami, przez które wypływa filtrat. Osad ściskany jest wskutek istnienia przeszkody w kanale odprowadzającym osad. Prasa ta przypomina kształtem pompę wirową.
Urządzenia te charakteryzuje mała powierzchnia rzutu, bardziej uwodniony placek (o zawartości suchej masy ok. 20%6) oraz mniejsze zużycie energii niż w prasach wykorzystujących tkaninę filtracyjną.
Rys. 4. Prasa rotacyjna7
Kondycjonowanie osadu
Kondycjonowanie osadu jest procesem mającym na celu zmianę struktury i właściwości osadu (zmniejszenie oporu właściwego) w stopniu pozwalającym na zwiększenie efektywności ich odwadniania. Procesy kondycjonowania można stosować w przypadku wszystkich osadów. W zależności od rodzaju osadu i przyjętej metody kondycjonowania w tym samym urządzeniu do odwadniania osiąga się różne efekty usunięcia wody z osadu. Z tego powodu należy rozważyć wady i zalety poszczególnych metod obróbki, uwzględniając2 dążenie do uzyskania jak największej zawartości s.m. w osadzie, większą przepustowość urządzeń odwadniających, większy stopień rozdziału, eliminację do minimum negatywnych dla procesów oczyszczania i obciążających środowisko działań ubocznych oraz stabilizację organicznej, zdolnej do fermentacji fazy stałej.
Obecnie dominującą metodą jest kondycjonowanie chemiczne, polegające na mieszaniu osadu z nieorganicznymi lub organicznymi substancjami chemicznymi. Prowadzi to do koagulacji, flokulacji i dehydratacji osadu.
Wyróżniamy koagulację konwencjonalną, polegającą na obniżeniu potencjału powierzchni cząstek fazy rozproszonej lub zaniku stabilizującej warstewki dyfuzyjnej dookoła cząstek na skutek dodania elektrolitu (siarczan glinowy lub żelazowy, chlorek żelazowy, węglan magnezu, wapno itp.). Wartość koagulacyjna danego związku określa minimalne stężenie danego elektrolitu, jednak wzrost powyżej dawki optymalnej powoduje pogorszenie właściwości filtracyjnych osadu, ponieważ nadabsorbowany flokulant pogarsza proces łączenia się cząstek i wtórnie stabilizuje zawiesinę.
Coraz powszechniej stosowana jest koagulacja polimeryczna, w której do osadów dodaje się wielkocząsteczkowe polielektrolity organiczne (głównie na bazie akrylamidu), co powoduje tworzenie się makrocząsteczek. Dzięki swojej budowie polielektrolity powodują jednocześnie koagulację i flokulację. Dawki polielektrolitów, w zależności od odwadnianego osadu, mieszczą się w granicach 2-10 g/kgs.m.4 (tab. 2).
Warunki optymalne kondycjonowania (w tym dawkę) należy ustalić poprzez próby w warunkach laboratoryjnych, a następnie technicznych.
Do kondycjonowania osadu stosuje się również metody mechaniczne, polegające na zmianie struktury odwadnianego osadu poprzez dodanie substancji niewywołujących reakcji chemicznych (np. popiołu, drobnego węgla, trocin, piasku czy żwiru). Można je stosować we wszystkich urządzeniach do mechanicznego odwadniania, ale w szczególności w prasach komorowych4.
Kolejnym sposobem kondycjonowania osadu jest kondycjonowanie termiczne, polegające na rozbiciu struktury komórkowej organicznych składników osadu w wyniku doprowadzenia lub odprowadzenia ciepła. Metoda ta umożliwia najbardziej skuteczne oddzielenie wody, bowiem oddzielana jest tu również woda adsorpcyjna i wewnątrzkomórkowa.
Źródła
Małgorzata Komorowska-Kaufman
Instytut Inżynierii Środowiska
Politechnika Poznańska
Odwadnianie osadu
Jednym z procesów wykorzystywanych do unieszkodliwiania osadu jest jego odwadnianie. Polega ono na obniżeniu zawartości wody w osadach w takim stopniu, aby uwodnienie końcowe mieściło się w granicach 50-88%2 – z osadu usuwana jest woda kapilarna. W procesie odwadniania następuje rozdział osadu na suchy placek i czysty pozbawiony zawiesin odciek. W efekcie osiąga się zmniejszenie objętości osadu. Zalecane uwodnienie osadu wywożonego na składowisko osadu, zgodnie z niemieckimi normatywami, powinno wynosić 60-65%, czyli 35-40% s.m.1.
Wyróżnia się odwadnianie naturalne (poletka, laguny) i mechaniczne (wirówki, prasy). Odwadnianie mechaniczne jest bardziej efektywne i coraz powszechniej stosowane, szczególnie w przypadku średnich i dużych oczyszczalni ścieków (tab. 1).
Tab. 1. Stosowane metody odwadniania osadów w zależności od przepustowości oczyszczalni ścieków (udział procentowy)3
Metoda odnawialna | Przepustowość oczyszczalni [m3/d] | |||
10-2000 | 2001-10 000 | 10 001-40 000 | powyżej 40 000 | |
| Naturalne | 51,8 | 28,7 | 27,3 | 11,1 |
| Mechaniczne | 25,4 | 66,8 | 68,8 | 88,9 |
| Brak | 22,8 | 4,4 | 3,9 | 0,0 |
Najważniejsze czynniki wpływające na efektywność procesu odwadniania to właściwości osadu (opór właściwy filtracji, ściśliwość, sucha masa doprowadzanego osadu, pozostałość po prażeniu). Optymalne warunki odwadniania uzyskiwane są jedynie wtedy, gdy własności osadu są niezmienne. Istotnymi czynnikami są także rodzaj i dawka środka kondycjonującego (za duża dawka pogarsza efekt), typ urządzenia odwadniającego, obsługa urządzenia oraz stopień czystości osadu. Natomiast współczynnik rozdziału (R) określa stosunek zawartości części stałych w osadzie odwodnionym (tzw. placku osadowym) do zawartości części stałych w osadzie doprowadzanym.
Prasy do odwadniania osadu
Działanie pras opiera się na procesie wyciskania wody z osadu – zwykle z udziałem filtracji cieczy przez warstwę osadu utworzoną na przegrodzie filtracyjnej. Proces ten wymaga dobrego przygotowania osadu pod kątem wytworzenia odporności na ściskanie – kondycjonowania osadu.
Do odwadniania osadu stosuje się kilka rodzajów pras (uszeregowane wg częstotliwości stosowania)1: filtracyjno-taśmowe, komorowe, bębnowo-ślimakowe, rotacyjne, membranowe i śrubowe.
Prasy filtracyjno-taśmowe
Prasa taśmowa musi mieć strefy kondycjonowania, grawitacyjną, ściskania i ścinania osadu (strefa ciśnieniowa). Zasadę działania prasy taśmowej pokazuje rys. 1. Osad po wymieszaniu z polimerem poddawany jest odwadnianiu grawitacyjnemu na pasie filtracyjnym. Następnie przechodzi do pierwszej strefy ściskania (klinowej), gdzie formuje się struktura placka osadu o zmniejszającej się klinowo grubości. W drugiej strefie ściskania osad jest ściskany z dwóch stron taśmą filtracyjną naprężaną przez kolejne rolki o zmniejszającej się średnicy. Stale rosnące siły naporu w strefie ściskania wspomagane są w ostatniej części drogi taśmy przez proces filcowania/folowania. Wskutek nierównoległego ustawienia walców dociskowych wytwarzany jest względny ruch taśm wobec siebie, co powoduje powstanie niewielkich naprężeń ścinających. W niektórych rozwiązaniach pras taśmowych zamiast strefy ściskająco-filcującej stosowana jest strefa ściskania, wykonana na zasadzie ściskania liniowego, czy wysokociśnieniowa strefa nacisku, posiadająca własny regulowany napęd i specjalne taśmy filtracyjne4. Odprowadzanie odcieku rozwiązane jest różnie, zależnie od typu prasy. Placki filtracyjne wypadają w miejscu rozchodzenia się taśm filtracyjnych.
Na trasie powrotu taśm, przed następnym procesem odwadniania, myte są one wodą/filtratem pod ciśnieniem 5-8 barów. Bieg taśmy regulowany jest urządzeniem naciągowym i sterującym.
Prasy taśmowe nadają się do odwadniania osadów, które po dodaniu flokulantu i przejściu przez strefę wstępnego odwadniania tworzą stabilny i ściśliwy placek filtracyjny.
Prasy te pracują w sposób ciągły (zwykle 8 h/d). Szerokość taśmy wynosi od 800 do 3000 mm, co umożliwia uzyskanie wydajności4 2-30 m3/h oraz 100-1500 kgs.m./h. Przepustowość zależy od rodzaju i gęstości osadu, warunków kondycjonowania oraz optymalizacji parametrów prasy (tab. 2).
Podstawowe parametry charakteryzujące proces2 to ciśnienie filtracji, grubość placka oraz prędkość przesuwu taśmy, związana z długością strefy i czasem filtracji.
Tab. 2. Typowe efekty odwadniania na prasach filtracyjno-taśmowych w zależności od typu osadu5
Typ osadu | Obciążenie na metr taśmy | Zawartość ciał stałych [%] | Dawka polimeru
[g/kgs.m.] | |||
l/s | kg/h | nadawa | placek | |||
typowy | przedział | |||||
| Osady surowe: | ||||||
| Wstępny | 1,8-3,2 | 360-550 | 3-7 | 28 | 26-32 | 1-4 |
| Osad czynny (OCZ) | 0,7-2,5 | 45-180 | 1-4 | 15 | 12-20 | 3-10 |
| Wstępny + OCZ (50:50)1 | 1,3-3,2 | 180-320 | 3-6 | 23 | 20-28 | 2-8 |
| Wstępny + OCZ (40:60)1 | 1,3-3,2 | 180-320 | 3-6 | 20 | 18-25 | 2-10 |
| Wstępny + złoże | 1,3-3,2 | 180-320 | 3-6 | 25 | 23-30 | 2-8 |
| Osady przefermentowane: | ||||||
| Wstępny | 1,3-3,2 | 360-550 | 3-7 | 28 | 24-30 | 2-5 |
| Osad czynny (OCZ) | 0,7-3,2 | 45-180 | 3-4 | 15 | 12-20 | 4-10 |
| Wstępny + OCZ | 1,3-3,2 | 180-320 | 3-6 | 22 | 20-25 | 3-8 |
| Osady po stabilizacji tlenowej: | ||||||
| Wstępny + OCZ niezagęszczony | 0,7-3,2 | 135-225 | 1-3 | 16 | 12-20 | 2-8 |
| Wstępny + OCZ zagęszczony (50:50)1 | 0,7-3,2 | 135-225 | 4-8 | 18 | 12-25 | 2-8 |
| OCZ, O2 | 0,7-2,5 | 90-180 | 1-3 | 18 | 15-23 | 4-10 |
Oprócz wymienionych wcześniej czynników na efekt odwadniania osadów na prasie filtracyjnej wpływają: rodzaj i naprężenie taśmy, jakość i ilość wody płuczącej, zasadowość, pH i temperatura nadawy, równomierny rozdział na całej szerokości taśmy, lokalizacja mieszania osadu z polimerem w stosunku do strefy grawitacyjnej oraz warunki flokulacji osadu. Czynniki te muszą być kontrolowane przez operatora w trakcie eksploatacji.
Konwencjonalne prasy taśmowe wytwarzają placek o stężeniu suchej masy 20-23%. Przy dobrze zagęszczonych i kondycjonowanych osadach importowane prasy taśmowe pozwalają osiągnąć placek o stężeniu suchej masy 23-31(36)%1.
Prasa taśmowa zawdzięcza popularność dużej przepustowości i niskiej cenie w wydaniu krajowym, najdroższe zagraniczne prasy mają szereg ulepszeń1. Zużycie energii w prasach filtracyjno-taśmowych jest mniejsze niż w prasach komorowych. Wadą tych urządzeń jest wymagana duża powierzchnia tkaniny filtracyjnej oraz jej znacznie szybsze zużycie6.
Rys. 1. Budowa ogólna prasy komorowej5: 1 – osłona prasy, 2 – doprowadzenie osadu, 3 – ramy stacjonarne, 4 – wgłębienie płyty, 5 – ramy ruchome, 6 – suport, 7 – przesuw palcowy, 8 – prowadnica centrująca płyty, 9 – bieżnie, 10 – blokada przesuwu, 11 – cylinder hydrauliczny, 12 – panel kontrolny, 13 – odprowadzenie filtratu
Rys. 2. Schemat prasy komorowej (a) i membranowej (b)2
Prasy ciśnieniowe (komorowe i membranowe)
Stosuje się prasy komorowe nisko- (350-850 kPa) i wysokociśnieniowe (700-1400 kPa). Prasa komorowa składa się z szeregu przylegających do siebie płyt z wgłębieniami (komorami) – rys. 1. Każda płyta pokryta jest tkaniną filtracyjną o splocie dostosowanym do rodzaju filtrowanego osadu (przeważnie z tworzyw sztucznych), która zatrzymuje dopływający osad, a pozwala na przepływ filtratu. Osad jest doprowadzany, rozprowadzany i odwadniany wewnątrz jednocześnie ściskanego zestawu płyt filtracyjnych. Filtrat odpływa ciągle, a osad wyładowywany jest po skończeniu filtracji (rys. 2a).
Prasy komorowe pracują periodycznie, przykładowy cykl to napełnianie (10 minut), filtracja (120 minut) i wyładowanie (30 minut). Długość cyklu filtracyjnego wynosi 2,5-4,5 godziny6. Stosowanie stopniowania ciśnienia, np. podnoszenie skokami o 400 kPa, poprawia efekt filtracji. Skuteczność odwadniania na początku procesu warunkowane jest przepuszczalnością tkaniny, a w dalszej części – kapilarnością placka filtracyjnego.
Opór filtracji wytwarzany przez tkaninę i placek osadowy określa właściwą wydajność filtracji na jednostkę powierzchni tkaniny filtracyjnej [kgs.m./(m2•h) lub m3/(m2•h)]. Największe płyty filtracyjne mają wymiary 2250 x 2250 mm lub 2400 x 2400 mm. W jednej prasie może być zainstalowane nawet 200 płyt, powierzchnia filtracyjna2 jednej prasy może osiągnąć wielkość do 600 m2. Wydajność prasy jest proporcjonalna do liczby komór/powierzchni filtracji.
Prasy komorowe są droższe od taśmowych, ale dają placek o zawartości suchej masy 30-35%, a nawet 37%. Mają duże zapotrzebowanie na chemikalia – stosowane są duże dawki chlorku żelaza i wapnia (0,15-0,3 kg CaO/kgs.m.), zwiększa to ilość osadu, ale jednocześnie stabilizuje i higienizuje osad. Ostatnio duże dawki koagulantów nieorganicznych zmniejsza się poprzez zastosowanie nieorganicznych polimerów. Prasy komorowe wymagają także większego dozoru operatora niż inne urządzenia odwadniające, choć ostatnio producenci poprawili stopień zautomatyzowania eksploatacji prasy.
Do czyszczenia tkaniny filtracyjnej i kanalików odpływowych stosuje się dysze wodne, pracujące pod ciśnieniem 70-100 bar. W przypadku szczególnie zanieczyszczonych tkanin, szczególnie przez krystalizujące związki wapnia, wymagane jest czyszczenie roztworem kwasu solnego.
Prasy membranowe (rys. 2b) różnią się od komorowych tym, że po cyklu filtracji ciśnieniowej (700-1100 kPa) następuje 30-minutowy okres wyciskania wody z placka przez membranę (z tworzywa sztucznego lub z gumy naturalnej), pod którą doprowadza się sprężone powietrze lub wodę (pod ciśnieniem 1500-2000 kPa). Pozwala to na uzyskanie placka o zawartości suchej masy osadu o 5-8% wyższej niż w przypadku pras komorowych, średnio 30-38% s.m.1.
Najnowsze prasy membranowe pracują tylko z kondycjonowanym polimerem. Podczas napełniania, przed włączeniem ciśnienia osad w komorach podlega grawitacyjnemu odwadnianiu, podobnie jak w przypadku strefy grawitacyjnej pras taśmowych. Powoduje to lepsze odwodnienie i możliwość zastosowania polimerów. Dodatkowymi zaletami są: krótszy niż w przypadku pras komorowych cykl pracy, ułatwione wyładowywanie prasy (membrana zatyka się rzadziej niż tkanina filtracyjna) oraz mniejsze zużycie kwasu solnego do płukania membran (a co za tym idzie, mniejsza korozja i mniejsze niebezpieczeństwo poparzenia operatora).
Podstawowymi parametrami technologicznymi odwadniania osadów w prasach komorowych są2 czas odwadniania, obciążenie powierzchni filtracyjnej prasy masą osadów [kgs.m./(m2•h)] i uwodnienie placka osadu.
Przy projektowaniu lub planowaniu zakupu prasy należy ponadto zwrócić uwagę na rodzaj i koszt tkaniny, częstotliwość jej mycia, długość cyklu filtracji, liczbę i wielkość urządzeń, a także na optymalizację ciśnienia na membranie.
Od tkaniny filtracyjnej6, stosowanej w prasach taśmowych i komorowych, wymagane są niski opór właściwy, stabilny w czasie wielu cykli filtracji, dobre zapewnienie rozdziału cząstek osadu od cieczy oraz łatwe odspajanie placka osadu.
Dla większości osadów tkaninę filtracyjną dobiera się eksperymentalnie.
Rys. 3. Zasada działania prasy rotacyjnej7
Prasy bębnowo-ślimakowe, rotacyjne, śrubowe
Działanie prasy ślimakowej opiera się na wykorzystaniu ruchu ślimaka o zmiennym skoku, przesuwającego osad w strefę stopniowo zwiększającego się ciśnienia (ciśnienie filtracji uzyskiwane jest w wyniku zmiany objętości osadu). Ciecz nadosadowa odprowadzana jest poprzez nieruchomy perforowany bęben.
Prasa rotacyjna (rys. 3 i 4) oparta jest na zasadzie wolno obracającego się rotora (3 obr./min), umieszczonego w statorze z perforowanymi ścianami, przez które wypływa filtrat. Osad ściskany jest wskutek istnienia przeszkody w kanale odprowadzającym osad. Prasa ta przypomina kształtem pompę wirową.
Urządzenia te charakteryzuje mała powierzchnia rzutu, bardziej uwodniony placek (o zawartości suchej masy ok. 20%6) oraz mniejsze zużycie energii niż w prasach wykorzystujących tkaninę filtracyjną.
Rys. 4. Prasa rotacyjna7
Kondycjonowanie osadu
Kondycjonowanie osadu jest procesem mającym na celu zmianę struktury i właściwości osadu (zmniejszenie oporu właściwego) w stopniu pozwalającym na zwiększenie efektywności ich odwadniania. Procesy kondycjonowania można stosować w przypadku wszystkich osadów. W zależności od rodzaju osadu i przyjętej metody kondycjonowania w tym samym urządzeniu do odwadniania osiąga się różne efekty usunięcia wody z osadu. Z tego powodu należy rozważyć wady i zalety poszczególnych metod obróbki, uwzględniając2 dążenie do uzyskania jak największej zawartości s.m. w osadzie, większą przepustowość urządzeń odwadniających, większy stopień rozdziału, eliminację do minimum negatywnych dla procesów oczyszczania i obciążających środowisko działań ubocznych oraz stabilizację organicznej, zdolnej do fermentacji fazy stałej.
Obecnie dominującą metodą jest kondycjonowanie chemiczne, polegające na mieszaniu osadu z nieorganicznymi lub organicznymi substancjami chemicznymi. Prowadzi to do koagulacji, flokulacji i dehydratacji osadu.
Wyróżniamy koagulację konwencjonalną, polegającą na obniżeniu potencjału powierzchni cząstek fazy rozproszonej lub zaniku stabilizującej warstewki dyfuzyjnej dookoła cząstek na skutek dodania elektrolitu (siarczan glinowy lub żelazowy, chlorek żelazowy, węglan magnezu, wapno itp.). Wartość koagulacyjna danego związku określa minimalne stężenie danego elektrolitu, jednak wzrost powyżej dawki optymalnej powoduje pogorszenie właściwości filtracyjnych osadu, ponieważ nadabsorbowany flokulant pogarsza proces łączenia się cząstek i wtórnie stabilizuje zawiesinę.
Coraz powszechniej stosowana jest koagulacja polimeryczna, w której do osadów dodaje się wielkocząsteczkowe polielektrolity organiczne (głównie na bazie akrylamidu), co powoduje tworzenie się makrocząsteczek. Dzięki swojej budowie polielektrolity powodują jednocześnie koagulację i flokulację. Dawki polielektrolitów, w zależności od odwadnianego osadu, mieszczą się w granicach 2-10 g/kgs.m.4 (tab. 2).
Warunki optymalne kondycjonowania (w tym dawkę) należy ustalić poprzez próby w warunkach laboratoryjnych, a następnie technicznych.
Do kondycjonowania osadu stosuje się również metody mechaniczne, polegające na zmianie struktury odwadnianego osadu poprzez dodanie substancji niewywołujących reakcji chemicznych (np. popiołu, drobnego węgla, trocin, piasku czy żwiru). Można je stosować we wszystkich urządzeniach do mechanicznego odwadniania, ale w szczególności w prasach komorowych4.
Kolejnym sposobem kondycjonowania osadu jest kondycjonowanie termiczne, polegające na rozbiciu struktury komórkowej organicznych składników osadu w wyniku doprowadzenia lub odprowadzenia ciepła. Metoda ta umożliwia najbardziej skuteczne oddzielenie wody, bowiem oddzielana jest tu również woda adsorpcyjna i wewnątrzkomórkowa.
Źródła
- Oleszkiewicz J.: Gospodarka osadami ściekowymi. Poradnik decydenta. Kraków 1998.
- Bień J.B.: Osady ściekowe. Teoria i praktyka. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002.
- Praca zbiorowa: Wodociągi i kanalizacja w Polsce, tradycja i współczesność. Poznań – Bydgoszcz 2002.
- Heidrich Z., Witkowski A.: Urządzenia do oczyszczania ścieków, projektowanie, przykłady obliczeń. Warszawa 2005.
- Metcalf & Eddy: Wastewater Engineering, Treatment and Reuse. Fourth Edition.
- Praca zbiorowa: Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków. Poznań 1997.
- Strony internetowe producentów urządzeń: DEWA, Huber Technology, Fournier Industries.
Małgorzata Komorowska-Kaufman
Instytut Inżynierii Środowiska
Politechnika Poznańska
