Χρήση ανόργανων κροκιδωτικών στην επεξεργασία λυμάτων και ιλύος

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, η οποία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας (Ε.Υ.Τ.) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, είναι η μελέτη της επιρροής των κροκιδωτικών FeCl3 και Al2(SO4)3 όταν προστίθενται σε χωνεμένη ιλύ και σε πρωτοβάθμια λύματα, όσον αφορά την αφυδατωσιμότητα και την απομάκρυνση φωσφόρου αντίστοιχα. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα εργαστηριακής κλίμακας ώστε να προσδιοριστεί σε ποιο βαθμό είναι σκόπιμη η χρήση ανόργανων κροκιδωτικών σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος. Η αφυδατωσιμότητα της χωνεμένης ιλύος εξετάστηκε με βάση πειράματα μέτρησης του Χρόνου Τριχοειδούς Αναρρόφησης (CST). Αξιολογήθηκε η ευκολία στην αφαίρεση νερού σε χωνεμένη ιλύ προερχόμενη από την ΕΕΛ της Ψυττάλειας, με την ταυτόχρονη χρήση των κροκιδωτικών και ενός κατιονικού πολυμερούς σε ένα εύρος δόσεων. Σκοπός ήταν η διερεύνηση της επιρροής της προσθήκης σιδήρου και αργιλίου στα χαρακτηριστικά αφυδατωσιμότητας της χωνεμένης ιλύος αλλά και στην απαιτούμενη δόση πολυμερούς προκειμένου η ιλύς να αποκτήσει ικανοποιητικές ιδιότητες αφυδάτωσης. Η χημική απομάκρυνση φωσφόρου από τα πρωτοβάθμια λύματα τα οποία επίσης προέρχονταν από την ΕΕΛ της Ψυττάλειας, εξετάστηκε φασματοφωτομετρικά. Αξιολογήθηκε η ικανότητα του σιδήρου και του αργιλίου να σχηματίζουν ιζήματα με το φωσφόρο και να τον απομακρύνουν από τα λύματα με τη μορφή ιζήματος. Διερευνήθηκε ποιος είναι ο βέλτιστος λόγος του μετάλλου που προστίθεται (Fe+3 ή Αl+3 ) ως προς το φωσφόρο που απομακρύνεται ώστε να επιτευχθεί η ελάχιστη συγκέντρωση διαλυτού φωσφόρου. Σε ένα δεύτερο επίπεδο, γινόταν και συνεχής παρακολούθηση του ποσοστού των ολικών στερεών (ΤS) που υπήρχαν σε συγκεκριμένη ποσότητα δείγματος ιλύος-κροκιδωτικών καθώς και των ολικών αιωρούμενων στερεών (ΤSS) προερχόμενων από φυγοκέντριση και διήθηση του παραπάνω δείγματος. Σκοπός αυτού ήταν να αποδειχθεί κατά πόσο τα κροκιδωτικά μειώνουν τα ολικά στερεά στην ιλύ και τα ολικά αιωρούμενα στερεά στο υπερκείμενο υγρό, λόγω της κροκίδωσης-καθίζησης που προκαλούν σε αυτά. Όσον αφορά τα λύματα, υπολογίστηκε η χημική ιλύς (SS αδρανών) που παράγεται ανάλογα με τη δοσολογία και το είδος του κροκιδωτικού, διηθώντας τα δείγματα. Σχετικά με τη χρήση των κροκιδωτικών FeCl3 και Al2(SO4)3 στην αφυδατωσιμότητα της ιλύος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα CST σε δείγματα χωνεμένης ιλύος και σε δόσεις πολυμερούς 0-30 g/kg TS και δόσεις κροκιδωτικών 0,5% (g/ kg TS), 1% (1 g/kg TS), 2% (2 g/kg TS). Στη μηδενική δόση πολυμερούς και κροκιδωτικού όπως προαναφέρθηκε, τα αποτελέσματα δεν είναι ικανοποιητικά, γεγονός που επιβεβαιώνει την ανάγκη για χρήση κροκιδωτικών στην αφυδατωσιμότητα της ενεργού ιλύος. Από τα αποτελέσματα της αφυδατωσιμότητας της χωνεμένης ιλύος χρησιμοποιώντας FeCl3 προέκυψε ότι η βέλτιστη και οικονομικότερη δόση κροκιδωτικού και πολυμερούς που δίνει το ελάχιστο CST είναι 1% και 15 g/kg TS αντιστοίχως, με μικρή διαφορά από το Fe+3 με συγκέντρωση 2%, που επίσης έχει πολύ καλή απόδοση όσον αφορά το μέσο χρόνο τριχοειδούς αναρρόφησης. Όσον αφορά την επίδραση στην αφυδατωσιμότητα της ιλύος χρησιμοποιώντας Al2(SO4)3 ως κροκιδωτικό, η βέλτιστη και οικονομικότερη δόση κροκιδωτικού και πολυμερούς που δίνει το ελάχιστο CST είναι 1% και 15 g/kg TS αντιστοίχως, με μικρή διαφορά από το Al2(SO4)3 με συγκέντρωση 0,5%, που επίσης έχει πολύ καλή απόδοση όσον αφορά το μέσο χρόνο τριχοειδούς αναρρόφησης. Επίσης αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι στη βέλτιστη δόση του εκάστοτε κροκιδωτικού, η συγκέντρωση των ολικών αιωρούμενων στερεών (TSS) στο υπερκείμενο υγρό ήταν σχεδόν η μικρότερη δυνατή, δεδομένο που ενισχύει την ορθότητα των μετρήσεων. Σχετικά με τη χρήση των κροκιδωτικών FeCl3 και Al2(SO4)3 στην απομάκρυνση φωσφόρου από πρωτοβάθμια λύματα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με φασματοφωτόμετρο σε διάφορες δόσεις (1-300 mg/L). Οι αναλύσεις αφορούσαν την επίδραση του λόγου προστιθέμενης δόσης Fe+3 προς Ρ απομακρυνόμενου, στη συγκέντρωση του διαλυτού φωσφόρου που παρέμενε στα λύματα. Αποδείχτηκε πως καθώς προστίθεται το συγκεκριμένο κροκιδωτικό (FeCl3), η συγκέντρωση του φωσφόρου μειώνεται με σταθερό ρυθμό και φτάνει περίπου μέχρι τα 0,4 mg/L. Από αυτό το σημείο και μετά, παρόλο που εξακολουθεί να αυξάνεται η συγκέντρωση του κροκιδωτικού, η συγκέντρωση του διαλυτού φωσφόρου δε μειώνεται παραπάνω. Αυτό το γεγονός υποδεικνύει πως καθώς προστίθεται κροκιδωτικό στο διάλυμα, δεν αντιδρά πλέον με το φωσφόρο αλλά σχηματίζει τα αντίστοιχα υδροξείδια του μετάλλου. Η απαιτούμενη δόση ισούται περίπου με 2,3 g Fe+3 προστ/g P απομακρυνόμενου, τιμή εξαιρετικά ικανοποιητική βάσει της διεθνούς βιβλιογραφίας. Αντίστοιχα από τα πειράματα που σχετίζονταν με την επίδραση του λόγου της προστιθέμενης δόσης Al+3/ Ρ απομακρυνόμενου στη συγκέντρωση του διαλυτού φωσφόρου, φάνηκε πως καθώς προστίθεται το συγκεκριμένο κροκιδωτικό (Al2(SO4)3), η συγκέντρωση του φωσφόρου μειώνεται με σταθερό ρυθμό και φτάνει περίπου μέχρι τα 0,2 mg/L. Από αυτό το σημείο και μετά, παρόλο που εξακολουθεί να αυξάνεται η συγκέντρωση του κροκιδωτικού, η συγκέντρωση του διαλυτού φωσφόρου δε μειώνεται παραπάνω. Αυτό το γεγονός υποδεικνύει πως καθώς προστίθεται κροκιδωτικό στο διάλυμα, δεν αντιδρά πλέον με το φωσφόρο αλλά σχηματίζει τα αντίστοιχα υδροξείδια του μετάλλου (Al). Η απαιτούμενη δόση κυμαίνεται στο 1,6-2 g Al+3 προστ/g P απομακρυνόμενου. Όσον αφορά την επίδραση της προσθήκης μετάλλων στην δευτεροβάθμια επεξεργασία για την απομάκρυνση φωσφόρου, η παραγόμενη ποσότητα ιλύος προέκυψε ίση με 2,5 g SS/g προστιθέμενου Fe+3 ή περίπου 14,4 g SS ανά ημέρα ανά εξυπηρετούμενο κάτοικο και 3 g SS/g προστιθέμενου Αl+3 ή περίπου 13,5 g SS ανά ημέρα ανά εξυπηρετούμενο κάτοικο, τιμές σύμφωνες με την ξένη βιβλιογραφία.

Extended Abstract

1. Introduction

Chemical conditioning improves sludge dewatering and removes the phosphorus from the primary effluent. Τhe choice of inorganic coagulants is very much dependent on the characteristics of the sludges and the effluents and it also depends on the type of dewatering/phosphorus treatment devices. Alum (Al2(SO4)3), ferric chloride (FeCl3) and polyelectrolytes are commonly used as chemical conditioners. Digested sludge samples and primary effluent were collected from a sewage treatment plant (Psyttalia) and analyzed in the Sanitary Engineering Laboratory of the Department of Civil Engineering National Technical University of Athens, in order to find out the specific resistance, capillary suction time and filter yield of the sludge and the concentration of the effluent soluble phosphorus existed after the use of inorganic flocculants (FeCl3 and Al2(SO4)3).

2. Expiremental section

a. Sludge dewaterability

Dewaterability can be characterised by the sludge bound water content as it represents the not easily removable fraction of sludge water and is an indicator of the extent of dewatering. Actually, the removal of sludge water is a solid/liquid separation requiring the forces binding the liquid to the solids to be overcome. Due to the complex structure of sludge flocs, it is agreed that there are four types of water in sludges: Bulk water: surrounds sludge flocs but is not related to the solids. Represents the largest part of the sludge and can be eliminated by the application of weak mechanical strains. Thermodynamically, it behaves as pure water. Interstitial water: trapped within the floc structure or held by capillary forces between particles. Becomes bulk water when flocs units are broken. Removed by classical mechanical dewatering devices.

Surface water: associated with individual particles by adsorption or absorption. It cannot be removed by purely mechanical means. Chemically bound water: fixed to the solids by strong chemical bindings. Is released only by thermal drying at temperatures above 105°C. To simplify, the aqueous part of sludge that behaves like pure water is generally called free water while the other part, which, due to significant binding to the solids has different properties from those of pure water, is called bound water. For good dewatering performances, it must be as low as possible. The aim of this study was to investigate how chemical conditioning of digested sludge can modify the structure and dewaterability of flocs. To characterise sludge dewaterability, capillary suction time (CST) is among the most commonly used indices for filtering techniques. The CST is shown as a good index for sludge filterability, if only the product of solid concentration and average specific resistance is of interest. On the other hand, the bound water content cannot be directly evaluated from the CST data. It provides an empirical measure of the resistance offered by the sludge to the withdrawal of water and is a good indicator of the rate of dewatering (the lower the CST the higher the dewatering rate). Digested sludges were conditioned by metal ion addition using ferric chloride (FeCl3) or aluminium sulphate (Al2(SO4)3) in proportions 0,5% (5 g Fe+3 or Al+3 /kg TS), 1% (10 g Fe+3 or Al+3 /kg TS) or 2% (20 g Fe+3 or Al+3 /kg TS) and a cationic polyelectrolyte in different dosages (0, 5, 10, 15, 20, 25 and 30 g / kg TS). It was followed by dewaterability tests measuring the bound water content of the sludges and their capillary suction time. Primary emphasis was placed on the response of these floc properties to the varied initial clay suspension concentrations and the different coagulants. From these results, the impact of the flocs structural properties on the sludge dewaterability was investigated. Correlations between conditions of coagulation, flocs properties and resulting sludges dewaterability were sought in order to deduce rules for the choice of conditions for coagulation leading to the best sludge dewaterability. Τhe experiments also included the measuring of total solids (TS) after centrifugation. Parallel with the examination of sludge dewaterability it was needed to calculate the chemical sludge created by the addition of flocculants, and monitored the percentage of total suspended solids (TSS) in the supernatant after centrifugation.

b. Phosphorus chemical removal

Phosphorus occurs in natural waters and in wastewaters almost solely as phosphates. These are classified as orthophosphates, condensed phosphates (pyro-, meta-, and other polyphosphates), and organically bound phosphates. They occur in solution, in particles or detritus, or in the bodies of aquatic organisms. These forms of phosphate arise from a variety of sources. Small amounts of orthophosphate or certain condensed phosphates are added to some water supplies during treatment. Larger quantities of the same compounds may be added when the water is used for laundering or other cleaning, because these materials are major constituents of many commercial cleaning preparations. Phosphates are used extensively in the treatment of boiler waters. Orthophosphates applied to agricultural or residential cultivated land as fertilizers are carried into surface waters with storm runoff and to a lesser extent with melting snow. Organic phosphates are formed primarily by biological processes. They are contributed to sewage by body wastes and food residues, and also may be formed from orthophosphates in biological treatment processes or by receiving water biota. Phosphorus is essential to the growth of organisms and can be the nutrient that limits the primary productivity of a body of water. In instances where phosphate is a growth-limiting nutrient, the discharge of raw or treated wastewater, agricultural drainage, or certain industrial wastes to that water may stimulate the growth of photosynthetic aquatic micro- and macroorganisms in nuisance quantities. Phosphates also occur in bottom sediments and in biological sludges, both as precipitated inorganic forms and incorporated into organic compounds. Τhe experiments included the addition of inorganic flocculants (FeCl3 or Al2(SO4)3) in concentrations between 1-300 mg/L. Parallel with the examination of the phosrhorus chemical removal it was needed to calculate the chemical sludge produced by the addition of flocculants, and monitored the percentage of total suspended solids (TSS) in the primary effluents.

3. Results and discussion

a. Sludge dewaterability

CST results Ferric chloride (FeCl3) and alum (Al2(SO4)3) were used separately as conditioners. Different dosages of conditioner varying from 0,5% to 2% by weight were used to determine the optimum chemical dosage for varying dosages of polyelectrolyte (0-30 gr/kg TS). Ferric chloride dosages of about 1% and 15 g polymer / kg TS were found to yield favourable characteristics (Figure 3.1). Alum dosages of about 1% and and 15 g polymer / kg TS were found to yield favourable characteristics (Figure 3.2). Alum and ferric chloride dosages beyond 2% and polyelectolyte dosages beyond 30 gr/kg TS only increase the solids content in the sludge cake and increase the sludge volume to be handled. A correlation between CST and specific resistance to filtration was established.

Figure 3.1: Average capillary suction time for using FeCl3 in different dosages

Figure 3.2: Average capillary suction time for using Al2(SO4)3 in different dosages

TSS concentration in the supernatant The criterion of the minimization of the TSS concentration in the supernatant seemed to correlate well with the CST results. This criterion was used for the centrifugation as well, because of its good correlation with the other experiments. Overdosing had a negative impact on the parameter of the TSS concentration in the supernatant but not on the cake solids content (centrifugation), which indicates that dewaterability deterioration in the overdosing region is due to the increase in sludge viscosity as a result of a significant portion of residual polymer remaining in solution, and does not reflect the inability of sludge to further agglomerate. The concentration of total suspended solids in the supernatant as mentioned above, was measured by the method of centrifugation. The more effective the centrifugation, the fewer the TSS in the supernatant. The optimum dosage of FeCl3 (10 g Fe+3 / kg TS and 15 g polymer / kg TS) resulted to a concentration of total suspended solids in the supernatant about 245 mg / L and the optimum dosage of Al2 (SO4)3 (10 g Al+3/ kg TS and 15 g polymer / kg TS) resulted to a concentration of total suspended solids in the supernatant about 45 mg / L. This indicates that generally the TSS in the supernatant is less when the flocculation is done with Al2 (SO4)3 rather than FeCl3. Supernatant TSS concentrations obtained with the optimum polymer dose (20 g / kg TS) without flocculant were much higher. Therefore in order to avoid high concentrations of total suspended solids in the leachate, the combined use of polymer and flocculant is preferable.

TS concentration in the digested sludge Along with the dewaterability examination experiments and in order to be able to better interpret the outcoming results, there was constant observation of the overall efficiency of total solids concentration in dewatered digested sludge after centrifugation (Figure 3.3, Figure 3.4).

Figure 3.3: Concentration of the total solids in the dewatered sludge after centrifugation by the addition of FeCl3 depending on the dosage of polyelectrolyte Figure 3.4: Concentration of the total solids in the dewatered sludge after centrifugation by the addition of Al2(SO4)3 depending on the dosage of polyelectrolyte

From the results above it is concluded that while the concentration of the total solids in the dewatered sludge after centrifugation was increased, the concentration of suspended solids in the supernatant was reduced, proving thereby the success of the dewaterability examination experiments.

Production of chemical sludge As shown below (Figure 3.5, Figure 3.6), the use of both FeCl3 and Al2(SO4)3 produces extra chemical sludge. The increase is linear and the coefficient of determination R2 reaches 0,99. The use of FeCl3 as an inorganic flocculant has the effect of producing more chemical sludge (7 g TS/g Fe +3 added) than the increase of the quantity of total solids by the use of Al2(SO4)3 (3,85 g TS/g Al+3 added).

Figure 3.5: Determination of the amount of chemical sludge produced by adding FeCl3

Figure 3.6: Determination of the amount of chemical sludge produced by adding Al2(SO4)3

b. Phosporus chemical removal

Concentration of the soluble phosphorus in the primary effluent Figure 3.7, presents the effect of the ratio of the added dosage of g Fe+3 /g P removed to the concentration of soluble phosphorus as FeCl3 was added. The concentration of phosphorus decreases steadily and reaches up to about 0,4 mg/L. From this point on, although the concentration of the flocculant is still increasing, the concentration of soluble phosphorus is not further reduced. This fact indicates that as flocculant is added to the solution, it does not react with the phosphorus but forms hydroxy groups of the metal (Fe). The dose required equals approximately to 2,3 g Fe+3 added/ g P removed which is agood price-responsive under the international literature. Figure 3.7: The effect of the ratio of the added dosage of g Fe+3 / g P removed to the concentration of soluble phosphorus

Figure 3.8 shows the effect on the ratio of the added dosage of g Al+3 / g P removed to the concentration of soluble phosphorus, since Al2(SO4)3 was added. The concentration of phosphorus decreases steadily and approximately reaches to 0,2 mg/L. From this point on, although the concentration of the flocculant is still increasing, the concentration of soluble phosphorus is not further reduced. This fact indicates that as flocculant is added to the solution, it does not react with the phosphorus but forms hydroxy groups of the metal (Al). The dose required is around 1,6-2 g Al+3 added/ g P removed.

Figure 3.8: The effect of the ratio of the added dosage of g Al+3 / g P removed to the concentration of soluble phosphorus

TSS concentration in the primary effluent As shown in Figures 3.9 and 3.10 The suspended solids created by adding flocculants differ between FeCl3 and Al2(SO4)3. More specifically, adding flocculants in the primary effluent produced 2,58 g SS / g Fe+3 added and 3 g SS / g Al+3 added. The chemical sludge generated which is a function of the mass of SS produced by the mass of phosphorus removed is greater by flocculation with Fe+3 (6 g SS / g P removed) than Al+3 (5,4 g SS / g P removed).

Figure 3.9: Determination of the amount of suspended solids produced by adding FeCl3

Figure 3.10: Determination of the amount of suspended solids produced by adding Al2(SO4)3

4. Conclusions

The results obtained in this thesis, are useful in evaluating the use of inorganic flocculants FeCl3 and Al2(SO4)3 to optimize the operation of a Wastewater Treatment Plant. This thesis provides sufficient data to calculate the specified flocculant dosages according to the percent of P removal and the degree of sludge dewaterability required. It is obvious that by the end of this work, knowing the percentage of phosphorus removal in primary effluent or the percentage of dewatering digested sludge to be achieved, the calculation of the appropriate dosages of flocculants is easy. Undoubtedly, the combined use of flocculants and polymers in the optimal dosage can produce satisfactory results in digested sludge and in primary effluents, thus resulting in minimal environmental impact.