Wofil – Systemy ozonowania wody i ścieków

20 lip 2021

Ozon W WALCE Z FARMACEUTYKAMI W ŚCIEKACH

ZAOPATRZENIE W WODĘ

Stosowane obecnie metody oczyszczania nie zapewniają wysokiej efektywności usuwania farmaceutyków ze ścieków. Dlatego konieczne staje się wprowadzenie nowych, zaawansowanych metod oczyszczania, zapewniających znacznie lepsze efekty. Jedną z nich jest ozonowanie, którego badania skuteczności przeprowadzono w oczyszczalni Jaworzno Dąb.

Farmaceutyki – w tym suplementy diety i odżywki spożywcze – stanowią poważne zagrożenie
dla zasobów wodnych. Badania nad metodami ich eliminacji z wody i ścieków rozpoczęto pod koniec lat 90. XX w. Dowiodły one, że dla zwiększenia skuteczności procesów ich usuwania z wody, należy przeprowadzić modernizację istniejących oczyszczalni ścieków poprzez dodanie kolejnych stopni oczyszczania. Takie modernizacje przeprowadzono m.in. w Szwajcarii, Szwecji i Niemczech. Inwestycje te poprzedzone zostały licznymi badaniami w skali laboratoryjnej i pilotowej. Podobne badania, których wyniki okazały się bardzo obiecujące, przeprowadzono w pilotowej stacji badawczej, zainstalowanej w należącej do przedsiębiorstwa Wodociągi Jaworzno – oczyszczalni Jaworzno Dąb.
Leki nie tylko leczą
Leki występują w ściekach i wodach rzek na stosunkowo niskim poziomie
stężeń (rzędu 10 -3– 102 μg·dm-3), jednak negatywnie oddziałują na organizmy żywe. Dodatkowo antybiotyki mogą przyczynić się do rozprzestrzeniania bakterii lekoopornych. Nie wszystkie obecne w lekach związki ulegają bowiem biotransformacji w ludzkim organizmie. Wydalane w formie Pierwotnej dostają się do ścieków. Związki te w małym stopniu są usuwane podczas mechaniczno-biologicznego procesu oczyszczania ścieków komunalnych. To przekłada się na ich obecność w ściekach oczyszczonych, a następnie w wodach odbiornika. Ze względu na sytuację epidemiczną i utrudniony dostęp do lekarzy, dynamika wzrostu branży farmaceutycznej, a w ślad za nią także dynamika wzrostu obecności farmaceutyków w ściekach, była niższa niż w poprzednich latach. Jednak wzrost liczby ludności i nieustanny rozwój medycyny sprawiają, że przemysł ten pozostaje jedną z najprężniej rozwijających się gałęzi gospodarki.
Właśnie dlatego należy się spodziewać wzrostu stężeń farmaceutyków w środowisku. Z jednej strony należy więc podejmować działania ograniczające przyrost tych stężeń w ściekach, a z drugiej doskonalić naukowe podstawy ich usuwania. Jedną z technologii usuwania farmaceutyków jest metoda ozonowania.

Badania w Jaworznie
Oczyszczalnia w Jaworzno Dąb to obiekt o przepustowości średniodobowej 25 tys. m3·d-1 zaprojektowany na 125 tys. RLM, do którego dopływają i są dowożone ścieki komunalne.
W okresie od 1 czerwca 2020 r. do 26 lutego 2021 r. w oczyszczalni prowadzono w skali ułamkowo-technicznej badania efektywności stosowania ozonu do usuwania ze ścieków trzech leków: karbamazepiny, diklofenaku i sulfametoksazolu. Ozonowaniu poddawano ścieki po mechaniczno-biologicznym ich oczyszczaniu.
Badania prowadzono przy zmiennym przepływie ścieków w zakresie od 2 do 5 m3·h-1
i zmiennej dawce ozonu: 6,0; 6,4 i 7,2 gO3·m-3. Próbki pobierano raz dziennie przez pięć dni w tygodniu, w sześciu punktach układu technologicznego, tj. na dopływie i odpływie oraz w czterech punktach pośrednich, w celu oceny udziału w procesie zmian jakości ścieków poszczególnych modułów stacji.

Innowacyjna technologia ozonowania
Układ technologiczny stacji pilotowej mającej charakter obiektu kontenerowego, składa się z trzech stopni usuwania farmaceutyków :
I. usuwanie za pomocą zjonizowanego powietrza i prefiltracji,
II. usuwanie za pomocą wody wysokoozonowanej w wielostopniowych kolumnach kontaktowych,
III. usuwanie przy pomocy procesów filtracyjnych na filtrze żwirowo-piaskowym i filtrze węglowym.
Ścieki pobierane są z kanału odpływowego odprowadzającego ścieki oczyszczone z czyszczalni. Do ich poboru służy specjalnie skonstruowany wkład piętrzący z zamontowaną w nim pompą. Pobrane ścieki są filtrowane na pierwszym stopniu filtracji ciśnieniowej, a następnie kierowane do zbiornika buforowego uśredniającego przepływ. Przed zbiornikiem realizowany jest pomiar temperatury i mętności. W przypadku przekroczenia określonej wartości mętności, ścieki zostają zawrócone do kanału odpływowego. Ze zbiornika buforowego ścieki pompowane są do aeratora-desorbera, pracującego na zjonizowanym powietrzu. Przed aeratorem mierzone są: natężenie przepływu, wartość pH i temperatura. W aeratorze następuje napowietrzanie ścieków recyrkulowaną mieszaniną powietrza z ozonem odpadowym pochodzącym z kolumny kontaktowej, w której realizowany jest główny proces ozonowania. Ilość mieszanki powietrzno-ozonowej wtłaczanej do aeratora mierzona jest przez automatykę układu. Mieszanina powietrzno-ozonowa usuwana z aeratora kierowana jest do katalitycznego destruktora ozonu. Następnie ścieki pompowane są ze zbiornika reakcyjnego aeratora-desorbera na drugi stopień filtracji przez złoże piasku kwarcowego filtra ciśnieniowego. Po filtracji ścieki trafiają do systemu ozonowania. Przepływają przez układ wprowadzania ozonu do ścieków, gdzie są mieszane z ustaloną dawką ozonu, którą można zmieniać w dowolny sposób. Następnie ścieki trafiają do pierwszej kolumny kontaktowej – utleniająco-wznoszącej, w której następują reakcje utleniania. Z pierwszej kolumny ścieki przelewają się do kolumny drugiej (odgazowującej i przetrzymania). Poziom napełnienia drugiej kolumny jest regulowany, więc w dowolny sposób ustalany jest czas kontaktu ścieków z ozonem. Dodatkowo zastosowane kolumny kontaktowe są kolumnami wielostopniowymi. Umożliwia to precyzyjniejsze ustalenie czasu kontaktu ścieków z ozonem, poprzez zmianę czynnej objętości kolumn. Przed kolumnami kontaktowymi mierzona jest objętość przepływu ścieków i ich temperatura. Na podstawie natężenia przepływu ścieków dodawana jest odpowiednia ilość ozonu, zapewniająca założone stężenie ozonu resztkowego w ściekach, a pośrednio – dawkę ozonu. Pobór próbki ścieków do pomiaru stężenia ozonu resztkowego następuje w sposób ciągły, z górnego poziomu pierwszej kolumny kontaktowej. Zjonizowane powietrze wtłaczane do aeratora-desorbera powstaje przez zmieszanie powietrza wdmuchiwanego do wielostopniowych kolumn kontaktowych z ozonem desorbującym z zaozonowanych ścieków przepływających przez kolumny.
Odgazowane ścieki pompowane są z wielostopniowych kolumn kontaktowych na trzeci i czwarty stopień filtracji ciśnieniowej. Trzeci stopień to filtracja ciśnieniowa na złożach kwarcowych, pozwalająca na usunięcie ze ścieków jak największych ilości utlenionych zanieczyszczeń.

Leki występują w ściekach i wodach rzek na stosunkowo niskim
poziomie stężeń, jednak negatywnie oddziaływują na organizmy
żywe. Dodatkowo antybiotyki mogą przyczynić się do
rozprzestrzeniania bakterii lekoopornych. Nie wszystkie obecne
w lekach związki ulegają biotransformacji w ludzkim organizmie

Czwarty stopień to z kolei filtracja ciśnieniowa na złożu filtracyjnym, złożonym z hydroantracytu i bitumicznego węgla aktywnego. Zapewnia ona doczyszczanie ścieków z wszystkich utlenionych zanieczyszczeń. Po filtracji czwartego stopnia, oczyszczone ścieki przepływają dodatkowo przez średniociśnieniową lampę UV i wpływają do zbiornika ścieków oczyszczonych. Oczyszczone i zdezynfekowane ścieki ze zbiornika ścieków oczyszczonych służą do płukania filtrów drugiego, trzeciego i czwartego stopnia filtracji. Opisany ciąg może działać w dowolnej konfiguracji urządzeń technologicznych z możliwością pracy lub pominięcia każdego z nich.

Analiza wyników badań
Wyniki badań obejmujące stężenie farmaceutyków (diklofenaku, sulfametaksazolu, karbamazepiny) w ściekach na dopływie i odpływie ze stacji pilotowej wykazały wysoką redukcję badanych farmaceutyków po poddaniu ich procesom ciągu technologicznego stacji pilotowej, a w szczególności procesowi ozonowania. Najwyższą procentową redukcję uzyskano dla diklofenaku.
Średnio wyniosła ona od 89,3% (dla dawki 6,0 gO3·m-3), poprzez 94,9% (dla dawki 6,4 g O3·m-3), aż do 96,4% (dla dawki 7,2 g O3·m-3). Nieco gorsze efekty uzyskano przy usuwaniu karbamazepiny, która była redukowana o 88,7%, 92,5% i 96,3% odpowiednio dla dawek ozonu na poziome 6,0; 6,4 i 7,2 g O3·m-3. Najtrudniej usuwalnym lekiem okazał się sulfametaksasol, w przypadku którego efektywność ponad 90% uzyskano dopiero przy dawce 7,2 g O3·m3. Dla dawki ozonu 6,0 g O3·m-3 redukcja jego stężenia wyniosła 68,2%.

Optymalizacja zużycia energii
Badania miały także określić zużycie energii elektrycznej i odpowiedzieć na pytania o ekonomiczne uzasadnienia wprowadzania tej technologii, bowiem proces stosowania ozonu w różnych technologiach był przez wiele lat uważany za relatywnie drogi, dlatego stosowano go głównie w dużych zakładach wodociągowych. Analizę energochłonności procesu usuwania farmaceutyków ze ścieków w oczyszczalni Jaworzno Dąb, przeprowadzono w czasie stosowania dawki ozonu równej 6,0 g O3·m-3. Przyjęto bowiem założenie, że z uwagi na znacznie dłuższy czas tego okresu w stosunku do pozostałych, będzie on najbardziej reprezentatywny.
Średnie zużycie energii elektrycznej do ozonowania ścieków w stacji pilotowej, przy dawce ozonu 6,0 g O3·m-3, w przeliczeniu na 1 m3 ścieków wyniosło 0,96 kWh. Warto przy tym pamiętać, że zużycie energii w stacji pilotowej obejmuje pracę urządzeń bezpośrednio związanych z ozonowaniem, a także pomocniczych, tzn. lampy UV (0,5 kW) i wytwornic tlenu (2 x 0,5 kW). W praktyce, stosowanie lampy UV do dezynfekcji ścieków nie jest obowiązkiem, dlatego stosuje je niewielka liczba zakładów. Z kolei w przypadku wytwornicy tlenu praktyka pokazuje, że obecnie zakłady częściej kupują tlen niż produkują go z powietrza.
Uzyskane wyniki badań wskazują, że wprowadzenie procesu usuwania farmaceutyków ze ścieków oczyszczonych poprzez ich ozonowanie, będzie powodowało podwyższenie zużycia energii. Jednak wprowadzany proces, który w wysokim stopniu usuwa farmaceutyki, jest technologią bezodpadową i nie powoduje toksyczności oczyszczonych ścieków. Należy jeszcze dodać, że jednostkowe zużycie energii uzależnione jest także od skali obiektu. Prowadzone badania dotyczyły małego obiektu o obciążeniu hydraulicznym około 120 m3·d-1. W przypadku stosowania tej technologii na skalę techniczną w obiektach większych, jednostkowe zużycie energii będzie znacznie niższe.

Korzyści wyższe od kosztów
Analiza sprawności technologicznej usuwania wybranych farmaceutyków ze ścieków oczyszczonych i uzyskane efekty na poziomie od 80 do ponad 90%, a także zużycie energii elektrycznej na poziomie 0,96 kWh·m-3 w obiekcie o skali pilotowej, pozwalają na rekomendowanie do stosowania w praktyce tej innowacyjnej technologii do usuwania farmaceutyków ze ścieków. Korzyści, tj. uzyskanie poprawy jakości ścieków oczyszczonych wprowadzanych do środowiska bez konieczności dozowania do nich środków chemicznych, należy rozpatrywać w aspekcie doskonalenia sprawności technologicznej oczyszczalni. Należy również zwrócić uwagę na fakt, że jest to technologia bezodpadowa, a w porównaniu z innymi metodami usuwania farmaceutyków, takimi jak choćby techniki zużywające 0,5–1,0 kWh·m-3, sprawia, że jest to technologia znacznie od nich korzystniejsza.