W artykule opisano jakość wód popłucznych z filtrów odżelaziania i odmanganiania wód podziemnych oraz skuteczność wybranych metod ich oczyszczania. Zaobserwowano wyraźnie podwyższone wartości stężeń żelaza, manganu i zawiesiny, a także mętność i zabarwienie, które nie pozwalały na ich bezpośredni zrzut wód do kanalizacji. 24-godzinny proces sedymentacji pozwolił na zmniejszenie tych parametrów do średniej wartości odpowiednio: 3,4 mg Fe/l, 0,1 mg Mn/l, 80,3 mg/l, 43,6 NTU i 36,7 mg Pt/l. Średnia skuteczność usuwania żelaza i zmętnienia wynosiła odpowiednio 98,0% i 94,7%. Zastosowanie jednogodzinnego napowietrzania wstecznego przed sedymentacją nie wpłynęło na skuteczność usuwania zmętnienia, ale miało pozytywny wpływ na przyspieszenie usuwania żelaza. Najlepszy efekt usuwania żelaza i zmętnienia uzyskano przez koagulację za pomocą PIX-112. Zastosowanie nawet małej dawki koagulantu znacząco zmniejszyło wymagany czas sedymentacji. Dla analizowanych płuczek zwrotnych dawka 10,8 mg Fe/l okazała się najskuteczniejsza, niezależnie od początkowego stężenia żelaza i zmętnienia. Po czasie sedymentacji 90 minut osiągnięto usuwanie żelaza i zmętnienia na poziomie 99,0 i 98,6%. Ustalenie dawki PIX-112 tylko na podstawie zmętnienia może prowadzić do pogorszenia jakości płukania wstecznego w wyniku obniżenia pH.
1. Wprowadzenie
Głównym procesem technologicznym stosowanym w zakładach wodociągowych oczyszczających wody powierzchniowe lub podziemne jest filtracja. W tym procesie okresowo powstają wody określane mianem wód popłucznych lub popłuczyn, które są rodzajem ścieków/odpadów technologicznych.
Skład popłuczyn uzależniony jest od rodzaju i ilości zanieczyszczeń, które zostały zatrzymane w trakcie cyklu filtracyjnego w złożu oraz od sposobu płukania filtrów (użytych mediów płuczących, intensywności płukania, czasu płukania) [1–4].
Na rodzaj zanieczyszczeń zawartych w wodzie wpływa głównie jej pochodzenie. Wody podziemne są stosunkowo czyste, zazwyczaj przekraczane są w nich stężenia żelaza i manganu oraz amoniaku i siarkowodoru. Do oczyszczania tego typu wód wykorzystuje się najczęściej bezreagentową technologię opartą o napowietrzanie i filtrację. Popłuczyny powstające w układach oczyszczania wód podziemnych oraz infiltracyjnych zawierają głównie związki żelaza i manganu [5]. Średnie stężenie żelaza w popłuczynach może zmieniać się od kikudziesięciu do kilkuset mg/l, natomiast manganu od kilku do kilkudziesięciu mg/l [6].
Ze względu na bardziej zróżnicowany skład chemiczny, podwyższoną barwę i mętność oraz zawartość związków organicznych, sposób oczyszczania wód powierzchniowych wymaga zastosowania innych procesów, w tym koagulacji. Większość zanieczyszczeń usuwana jest z wody wraz z osadem w osadnikach, natomiast zadaniem filtrów jest zatrzymanie drobnej zawiesiny pokoagulacyjnej wynoszonej z osadników. Po wypłukaniu filtrów znajdzie się ona w popłuczynach. Innym rodzajem filtrów stosowanych na stacjach oczyszczania wody są filtry biologicznie aktywne. W trakcie płukania tych złóż, oprócz usuniętych w nich zanieczyszczeń, wymywane są znaczne ilości mikroorganizmów [7].
Popłuczyny na stacjach uzdatniania są produkowane w dużej ilości. Zazwyczaj stanowią od 2 do 5% wydajności stacji, choć bywają zakłady, w których ilość powstających popłuczyn sięga 15% produkcji wody. Przyjmuje się, że zużycie wody do płukania nieprzekraczające 2% przefiltrowanej wody wskazuje na bardzo dobrą, a powyżej 5% na złą pracę filtrów i reżim ich płukania [8].
Oczyszczenie wód popłucznych zazwyczaj ma na celu osiągnięcie takiej jakości, która umożliwi wprowadzenie ich do kanalizacji [9] lub do wód powierzchniowych lub rowów melioracyjnych [10]. Wody popłuczne powstające na stacjach oczyszczania wody najczęściej przed odprowadzeniem do odbiornika są oczyszczane w odstojnikach, w których następuje sedymentacja zawiesin wypłukanych z filtrów. Dość częstym powodem odprowadzania do środowiska źle oczyszczonych popłuczyn jest zbyt krótki czas ich przetrzymania w odstojnikach. Problem również stanowią małe cząstki zawiesiny (mniejsze niż 1 μm), które nie podlegają sedymentacji. Ich ilość w popłuczynach jest znaczna i może wynosić nawet ok. 90% całkowitej ilości cząstek, które tworzą zawiesinę [3, 4]. W takim przypadku oczyszczanie w odstojnikach nie jest skuteczne. Należy wspomagać proces dawkowaniem koagulantów mineralnych, wapna bądź polielektrolitów. Po użyciu środków chemicznych następuje skrócenie czasu sedymentacji. Jednocześnie możliwe jest zanieczyszczenie wód nadosadowych pozostałościami po reagentach. Osady pokoagulacyjne charakteryzują się większym uwodnieniem oraz objętością niż osady wytrącane bez użycia środków chemicznych [4].
2. Metodyka badań
2.1 Źródło popłuczyn
Popłuczyny do badań pobierane były trzykrotnie podczas płukania filtrów pospiesznych eksploatowanych w skali technicznej. Ciąg technologiczny stacji oczyszczania wody składał się z napowietrzania kaskadowego, komór reakcji i antracytowo-kwarcowych filtrów pospiesznych, w których jednostopniowo usuwane były związki żelaza i manganu. Przewidziano również stosowanie węgla pylistego w komorach reakcji, jednak nie był od dawkowany w czasie realizacji badań. Jakość wody ujmowanej i po procesie filtracji przedstawia tab. 1. Czas trwania cyklu filtracyjnego wynosi 48–120 godzin w zależności od jakości wody dopływającej. Sygnałem do rozpoczęcia płukania jest osiągnięcie na filtrze strat hydraulicznych wynoszących 1,6 m słupa wody.
Proces płukania filtrów antracytowo-kwarcowych na stacji uzdatniania wody realizowany jest z wykorzystaniem powietrza i wody [11]. Przed procesem płukania obniża się wysokość zwierciadła wody nad złożem filtracyjnym do około 1 m poniżej krawędzi przelewowej koryt popłucznych. Następnie realizowane jest trwające 2–3 min płukanie powietrzem z intensywnością 60 m3/(m2 ∙ h). Po jego zakończeniu uruchamiane jest płukanie wodą. Do momentu odgazowania złoża (osiągnięcia przez wodę poziomu krawędzi przelewowych koryt popłuczyn) z intensywnością 25 m3/(m2 ∙ h), natomiast później intensywność płukania zostaje zwiększona do 72–75 m3/(m2 ∙ h). Ekspansja przy maksymalnej intensywności płukania wynosi 30%. Czas trwania tego etapu płukania zależy od jakości wody surowej oraz czasu trwania cyklu filtracji i wynosi od 8 do 10 minut. Końcowy etap płukania, polegający na stopniowym ograniczeniu intensywności przepływu wody do ok. 25 m3/(m2 ∙ h) w celu umożliwienia ułożenia się warstw kwarcu i antracytu w filtrze, trwa około 2,5 minuty.
Popłuczyny do badań pobierane były bezpośrednio po płukaniu filtra, ze zbiornika wyrównawczego, do którego były odprowadzane przed dalszym oczyszczaniem. Dane dotyczące długości cyklu filtracyjnego, strat hydraulicznych w momencie płukania i ilości zużytej do płukania wody przedstawia tab. 2.
Na wypłukanie 1 m2 filtra zużywane jest 11,7–14,6 m3 wody. Całkowite straty wody oczyszczonej na płukanie wynoszą 1,6–3,2% wydajności stacji, co wskazuje na dobrą pracę filtrów.
2.2 Metodyka badań
Przed rozpoczęciem testów laboratoryjnych oczyszczania popłuczyn z wykorzystaniem procesu sedymentacji oraz koagulacji PIX-112 (Kemipol) oznaczono w popłuczynach pobranych na stacji uzdatniania wody: odczyn pH, zasadowość, kwasowość, przewodność, barwę, mętność, stężenie zawiesin ogólnych, żelaza ogólnego, żelaza(II), żelaza(III), manganu i siarczanów, utlenialność, ChZT oraz stratę po prażeniu. Oznaczenia wykonano zgodnie z Polskimi Normami, w szczególności do oznaczania żelaza wykorzystano metodę kolorymetryczną z 1,10-fenantroliną, a mętności – metodę nefelometryczną. Siarczany oznaczono wykorzystując test probówkowy Nanocolor Siarczany 200.
Do określenia efektywności oczyszczania popłuczyn w procesie sedymentacji w użyto cylindra miarowego o objętości 2 litrów i wysokości 52,3 cm. Próby pobierano po ustalonych czasach sedymentacji w ilości 100 ml za pomocą pipety automatycznej zanurzonej 2 cm pod zwierciadło wody w cylindrze. W próbach po różnym czasie oznaczano stężenie żelaza ogólnego oraz mętność. Po 24 h sedymentacji oczyszczone popłuczyny zdekantowano i wykonano pełną analizę jakości analogicznie jak w przypadku próby popłuczyn surowych oraz dodatkowo oznaczono twardość ogólną.
W dwóch testach badano ponadto jaki jest wpływ napowietrzania popłuczyn na polepszenie efektu sedymentacji. Próby świeżych popłuczyn napowietrzano przez około 1 h przy użyciu pompki akwariowej do stężenia tlenu około 8,0 mg O2/l, następnie przelewano do 2-litrowego cylindra, w którym przebiegał proces sedymentacji. Czas, w którym pobierano popłuczyny, objętość prób oraz mierzone parametry, były analogiczne jak w przypadku sedymentacji świeżych popłuczyn.
Testy koagulacyjne z wykorzystaniem PIX-112 wykonano w koagulatorze wyposażonym w 1-litrowe zlewki. Dawki wyjściowe koagulantu wyznaczono uwzględniając mętność popłuczyn. Szybkie mieszanie z prędkością 120 obr./min trwało 1 minutę, a mieszanie wolne z prędkością 30 obr./min przez 15 minut. Po tym czasie następował proces sedymentacji. Pierwszą próbę popłuczyn pobierano po 10 minutach, a ostatnią po 90 minutach sedymentacji, z głębokości 1 cm poniżej powierzchni zlewki. W próbach oczyszczonych popłuczyn oznaczano pH, mętność i stężenie żelaza.
3. Wyniki badań
3.1 Jakość popłuczyn
Pomimo podobnego przyrostu strat hydraulicznych w czasie cyklu filtracyjnego, co pośrednio świadczy o ilości zanieczyszczeń zgromadzonych w filtrze, oraz ilości wody zużytej do płukania, jakość badanych popłuczyn była mocno zróżnicowana w przypadku barwy, mętności, stężenia zawiesin ogólnych, żelaza i manganu. Pozostałe parametry wody różniły się nieznacznie (tab. 3). Jak należało się spodziewać, w przypadku poboru 2, gdy cykl filtracyjny trwał najkrócej, a ilość wody zużytej do płukania była największa (tab. 2), popłuczyny były najmniej zanieczyszczone.
3.2 Efekty oczyszczania popłuczyn wybranymi metodami
Na rys. 1 a i b –3 a i b przedstawiono zmiany stężenia żelaza i mętności w badanych popłuczynach podczas testu sedymentacyjnego (dawka 0,0 mg Fe/l), testu sedymentacyjnego po napowietrzaniu (tylko w przypadku poboru 2 i 3) oraz w czasie sedymentacji po procesie koagulacji różnymi dawkami PIX-112.
Zawarte w popłuczynach cząstki hydroksywodorotlenków żelaza opadały pod wpływem sił grawitacji, co skutkowało zmniejszaniem stężenia żelaza i obniżeniem mętności w cieczy nadosadowej (oczyszczonych popłuczynach). Zmiany tych parametrów początkowo zachodziły dość szybko, jednak po pewnym czasie proces zwalniał.
Zastosowanie napowietrzania miało na celu utlenienie części żelaza(II) pozostałego w popłuczynach do nierozpuszczalnego żelaza(III). Można zauważyć, że efektywność sedymentacji w przypadku popłuczyn napowietrzanych była większa, niż nienapowietrzanych, szczególnie jeżeli chodzi o zmniejszenie stężenia żelaza w próbie popłuczyn z poboru 3, w których żelaza(II) było najwięcej (rys. 3 a i b). Napowietrzanie nie wpłynęło natomiast na efektywność usuwania mętności.
Zastosowanie nawet najmniejszej z badanych dawek koagulantu zdecydowanie poprawiło efekt oczyszczania popłuczyn. Dla badanych popłuczyn najlepsze efekty koagulacji dała dawka 10,8 mg Fe/l, zarówno jeżeli chodzi o usuwanie żelaza, jak i mętności (tab. 4). Dalsze zwiększanie dawki powodowało wprowadzanie razem z koagulantem zbyt dużych ilości żelaza do próby oraz obniżanie odczynu pH (nawet do wartości 3,1), co zwiększało rozpuszczalność żelaza w wodzie.
Uzyskane efekty oczyszczania popłuczyn dla najefektywniejszej dawki koagulantu (tab. 4) były zdecydowanie lepsze niż w przypadku 24-godzinnej sedymentacji popłuczyn (tab. 5), dla której efektywność usuwania żelaza wynosiła 96,4–98,5%, a mętności 92,2–97,7%.
Po sedymentacji jakość popłuczyn była odpowiednia, by móc je odprowadzić do kanalizacji, jednakże po procesie koagulacji była porównywalna z jakością wody surowej oraz odpowiednia, by móc ją odprowadzać do rowu melioracyjnego. Szczególną uwagę przy doborze dawki i rodzaju koagulantu, oprócz osiąganego efektu oczyszczenia popłuczyn, należy zwrócić na obniżenie odczynu pH.
4. Podsumowanie
Popłuczyny są to ścieki technologiczne powstające na każdej stacji uzdatniania wody. Rodzaj zawartych w nich zanieczyszczeń zależy głównie od składników wody, które są z niej usuwane w procesie filtracji. W przypadku wód podziemnych i infiltracyjnych są to głównie związki żelaza i manganu.
Nawet na jednym obiekcie ilość i skład popłuczyn mogą się znacznie różnić w różnych cyklach filtracyjnych. W badanych popłuczynach stężenie żelaza, manganu i zawiesin oraz mętność i barwa zmieniały się odpowiednio w zakresie: 84–258 mg Fe/l, 1,7–5,6 mg Mn/l, 190–600 mg s.m./l, 437–1093 NTU i 1000–1700 mg Pt/l.
Proces sedymentacji trwający 24 h pozwolił na obniżenie tych parametrów do wartości wynoszących średnio 3,4 mg Fe/l, 0,1 mg Mn/l, 80,3 mg s.m./l, 43,6 NTU i 36,7 mg Pt/l. Efektywność usuwania żelaza wynosiła co najmniej 96%, a mętności 92%.
Zastosowanie godzinnego napowietrzania popłuczyn przed procesem sedymentacji nie wpłynęło na efektywność usuwania mętności, miało jednak pozytywny wpływ na przyspieszenie usuwania żelaza, szczególnie w przypadku, w którym w surowych popłuczynach stwierdzono dość duże ilości żelaza(II).
Zdecydowanie najlepszy efekt oczyszczania popłuczyn uzyskano stosując proces koagulacji PIX-112. Zastosowanie nawet niewielkiej dawki koagulantu znacząco skróciło wymagany czas sedymentacji. Ustalanie dawki PIX-112 jedynie na podstawie mętności popłuczyn może prowadzić do pogorszenia jakości oczyszczonych popłuczyn na skutek obniżenia odczynu pH i zwiększenia rozpuszczalności żelaza. Dla analizowanych popłuczyn, niezależnie od początkowej wartości stężenia żelaza i mętności, najefektywniejsza okazała się dawka 10,8 mg Fe/l. Po czasie sedymentacji trwającym 90 min osiągnięto efekt usunięcia żelaza i mętności wynoszący średnio 99,0% i 98,6%. Szczególną uwagę przy doborze dawki i rodzaju koagulantu, oprócz osiąganego efektu oczyszczenia popłuczyn, należy zwrócić na obniżenie odczynu pH.
Po 24 h sedymentacji jakość popłuczyn była odpowiednia, by móc je odprowadzić do kanalizacji, jednakże po procesie koagulacji była porównywalna z jakością wody surowej oraz odpowiednia, by móc ją odprowadzać do rowu melioracyjnego.
5. Literatura
[1] Leszczyńska M. and Sozański M.: Szkodliwość i toksyczność osadów i popłuczyn z procesu uzdatniania wody, Ochrona środowiska i zasobów naturalnych, 2009, 40, 575-585.
[2] Wiercik P.: Badania nad oczyszczaniem popłuczyn powstających podczas płukania filtrów do odżelaziania i odmanganiania wody, rozprawa doktorska, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wrocław 2011.
[3] Wiercik P. and Domańska M.: Wpływ recyrkulacji popłuczyn na jakość wody uzdatnionej – przegląd literatury, Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 2011, Vol.20 No.54, 333–343.
[4] Kyncl M., Cihalova S., Jurokova M. and Langarova S.: Disposal and Reuse of the Water Processing Sludge, Journal of the Polish Mineral Engineering Society, 2012, July-December, 11-20.
[5] Chlipalski J. and Denczew S.: Wody popłuczne a kanalizacja miejska, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 1997, 3, 92-94.
[6] Komorowska-Kaufman M., Dymaczewski Z., Jeż-Walkowiak J., Krajewski P. and Sozański M.M.: Zagospodarowanie odpadów z procesów uzdatniania wody, Instal 2016, 12, 53-58.
[7] Kowal A. L., Świderska-Bróż M.: Oczyszczanie wody, PWN, Warszawa, 2009.
[8] Kawamura S.: Integrated Design and Operation of Water Treatment Facilities, John Wiley&Sons, New York 2000.
[9] Rozporządzenie Ministra Budownictwa z dnia 14 lipca 2006 roku, w sprawie sposobu realizacji obowiązków dostawców ścieków przemysłowych oraz warunków wprowadzania ścieków do urządzeń kanalizacyjnych, Dz. U. 2006, poz. 964.
[10] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego, Dz. U. 2014 poz. 1800.
[11] Lasocka-Gomuła I., Ćwiklak B., Weber Ł.: Modernizacja SUW Mosina. Wybrane aspekty eksploatacyjne i techniczne Część I. Płukanie filtrów antracytowo-kwarcowych, Technologia Wody, 2011, 6, 47-52.
dr inż. Małgorzata Komorowska-Kaufman
Politechnika Poznańska,
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska,
Instytut Inżynierii Środowiska
mgr inż. Iwona Lasocka-Gomuła
Aquanet S.A.
Praca została zrealizowana w ramach projektu 01/13/DSPB/0857.
Autorki serdecznie dziękują absolwentce kierunku Inżynieria Środowiska Politechniki Poznańskiej
pani mgr inż. Agnieszce Narbut za pomoc w realizacji testów sedymentacyjnych i koagulacyjnych.
źródło: Technologia Wody 6/2018
