Politechnika Warszawska

Wydział Inżynierii Środowiska

Laboratorium z „Technologii oczyszczania wody i ścieków”

Temat: Analiza ścieków

ISiW 3, gr.1:

Karolina Tyburska

Agata Wiecierzycka

Marcin Martyniuk

Piotr Marczykowski

Warszawa, 06.01.2016 r.

1. Wprowadzenie do tematu

Fosfor będący związkiem biogennym (fosfor ogólny jest sumą ortofosforanów, polifosforanów i fosforu organicznie związanego) powoduje zanieczyszczenie wód i jezior, co za tym idzie, zanieczyszczenie ścieków. Pochodzi on ze środków piorących, detergentów czy nawozów sztucznych. Jest on uciążliwy dla środowiska wodnego – powoduje nieprzyjemny zapach, obniża pH w strefie przydennej. Głównym jednak skutkiem wprowadzania fosforu do wód jest intensyfikacja przyrostu biomasy glonów; następuje ograniczenie dostępu do tlenu, obumieranie organizmów, powstawania eutrofizacji – procesu zarastania jezior.

Aby usunąć fosfor ze ścieków, stosuje się proces chemicznego usuwania fosforu. Zaletami tego działania są: wysoka skuteczność, prostota, łatwość wdrażania, stosunkowo niskie koszty inwestycyjne. Niestety, mogą pojawić się także wady tego procesu związane przede wszystkim z powstawaniem większej ilości osadów.

Fosfor, który występuje w ściekach w nadmiernych ilościach, może być bowiem usunięty metodami strąceniowymi, przy użyciu substancji tworzących z fosforanami nierozpuszczalne związki (sole: żelaza, glinu, wapnia).

Równanie reakcji strącania fosforanów chlorkiem żelaza (III) wygląda następująco:

FeCl₃ + PO₄³⁻ → FePO₄ + 3Cl⁻

Stosunek molowy: 1 mol siarczanu chlorku żelaza : 2 mole fosforu

Stosunek wagowy: 342 g/mol : 2*31 g/mol

$$\frac{m_{\text{FeCl}_{3}}}{m_{P}} = \frac{162,5}{62} = 5,52$$

W zależności od miejsca dawkowania reagentów, możemy rozróżnić cztery rodzaje strącania fosforu:

- Strącanie wstępne: gdzie reagenty dawkowane są do piaskownika lub między piaskownikiem a osadnikiem wstępnym

- Strącanie symultaniczne: dawkowanie bezpośrednio do komory napowietrzania w jednym lub kilku punktach

- Strącanie wielostopniowe: dawkowanie za równo w komorze mieszania przed osadnikiem wstępnym, jak i w komorze napowietrzania

- Strącanie wtórne: reagenty dodawane są w dodatkowo wbudowanej komorze mieszania ścieków, konieczne jest również wybudowanie osadnika pokoagulacyjnego występującego po biologicznym oczyszczaniu.

1. Cel ćwiczenia:

Analiza fizyko-chemiczna ścieków przed i po defosfatacji chemicznej.

1. Metodyka

W pierwszej kolejności oznaczono fosfor w ściekach surowych. Jego ilość wyniosła 18,5gP/dm3. Ponieważ równanie reakcji zachodzącej z fosforanami przy użyciu FeCl3 jako koagulantu przedstawia się następująco:

FeCl₃ + PO₄³⁻ → FePO₄ + 3Cl⁻

162,5g/mol - 31g/mol

x - 18,5mg/dm³

x – to wymagana dawka koagulantu przy usuwaniu fosforu; x=97 mgFeCl3/dm³

Z kolei roztwór 1-proc. koagulantu, który został stosowany zawiera 1g=1000mg koagulantu w 100 ml H2O. Oznacza to, że 1 ml roztworu zawiera 10mg koagulantu. Z tych zależności założono kolejne dawki koagulantu: 100% (9,7g/dm³), 110% (10,67g/dm³), 120% (11,64g/dm³), 240% (23,28g/dm³).

Następnie, po dodaniu dawek koagulantu do około 1 l wody, zastosowano mieszanie szybkie (t=1min, prędkość obrotowa=150obr/min) – komora szybkiego mieszania.

Kolejno miało miejsce mieszanie wolne (t=10min, prędkość obrotowa=25obr/min) – komora wolnego mieszania. Miało tu miejsce powstawanie zawiesiny, a następnie tworzenie się osadu.

Po mieszaniu następował proces sedymentacji przy użyciu lejków i sączków.

Schemat technologiczny

Z otrzymanych roztworów wykonano oznaczenia:

1. pH

2. zasadowości

3. ortofosforanów

4. fosforu

1. Tabela

Badanie przebiegu defosfatacji chemicznej przy zastosowaniu FeCl₃ jako koagulantu

L.p.	Oznaczenie	Jednostka	Dopływ	Odpływ po def. chem. FeCl3 [mg/dm^3]	Wymagania dla RLM=25000
				97	106,7
				(100%)	(110%)
1.	pH	[-]	7,03	6,1	6,03
2.	Zasadowość/ kwasowość	[mval/dm^3]	2/-	1/-	0,9/-
3.	Ortofosforany	[mg PO4/dm3]	31,1	24,25	19,75
4.	Fosfor ogólny	[mg P/dm^3]	18,5	7,8	6,4
5.	Efekt obniżki fosforu	[%]	-	57,8	65,4
6.	ChZT	[mg O2/dm^3]	51,9	41,6	38,4
7.	Efekt obniżki ChZT	[%]	-	19,8	26,0
8.	Ilość osadu	[%]	-	3,4	2,4

1. Dyskusja wyników

Jak wynika z tabeli, pH w trakcie procesu maleje, zasadowość także, pojawia się nawet kwasowość wraz ze wzrostem dawki koagulantu.

W wyniku procesów strąceniowych maleje zawartość fosforanów – wiązane są one w trudnorozpuszczalne związki, które wypadają ze ścieków w formie zawiesiny. Fosfor jest składnikiem fosforanów, stąd w jego przypadku występuje to samo zjawisko.

Zauważalny jest też ubytek związków organicznych. Związane to jest z tym, że związki organiczne również reagują z koagulantem FeCl₃ i wchodzą w strukturę zawiesiny.

Osadu przybywa wraz ze wzrostem dawki koagulantu – wytrąca się więcej związków trudnorozpuszczalnych, np. Fe(OH)₃ (który ma kłaczkowatą strukturę).

1. Wnioski

Reasumując, jeśli chodzi o ścieki surowe, pod względem związków organicznych mierzonych ChZT nie budzą one zastrzeżeń. Zbyt duża jest jednak ilość fosforu. Może to doprowadzić, jak wspomniane zostało we wprowadzeniu do ćwiczenia, do obniżenia pH w wodzie, powstania warunków beztlenowych, eutrofizacji. Z tego względu ścieki muszą być poddane defosfatacji chemicznej.

Jak wynika z przeprowadzonego ćwiczenia, dawka minimalno – optymalna koagulantu, która zapewnia wartość fosforu wymaganą - 2 mgP/dm3 znajduję się w przedziale między 116,4 a 232,8 mg/dm3. Należałoby zagęścić ten przedział, powtórzyć badania lub skorzystać z wykresu „Zależność stężenia fosforu od dawki koagulantu”.

Wyk.1: „Zależność stężenia fosforu od dawki koagulantu”

Wynika z niego, że proces defosfatacji wymaga zastosowania dawki minimalno – optymalnej równej 146 mg/dm3. Dodatkowo proces powinien być przeprowadzony wg. schematu technologicznego zamieszczonego w punkcie „metodyka”. Wówczas otrzymamy pożądany efekt oczyszczania ścieków.

Biorąc pod uwagę wymagania dla RLM=25000 ścieki oczyszczone spełniają je. Efekt obniżki fosforu wynosi 80%, a ChZT 75%, co wskazuje na skuteczność procesu defosfatacji chemicznej. Należy pamiętać o ilości osadu zależnej od dawki koagulantu, która dla dawki optymalno – minimalnej wg. poniższego wykresu wynosi 3,7 %.

Wyk.2: „Zależność ilości osadu od dawki koagulantu”

Na podstawie uzyskanych wyników projektant mógłby zaprojektować wszystkie elementy układu defosfatacji chemicznej końcowej (inaczej mówiąc: część chemiczną oczyszczalni ścieków).