Wstęp
Wapnowanie osadów ściekowych zaliczane jest do chemicznych metod ich stabilizacji. Alkalizacja osadów ściekowych wapnem poprawia ich właściwości fizyczne i chemiczne, w tym skład chemiczny i zdolność do odwaniania. Przerywa też procesy gnilne nie dopuszczając do wystąpienia nieprzyjemnych zapachów, a także zabija w osadach patogeny i organizmy chorobotwórcze, będąc jedną z najszybszych metod higienizacji osadów. Do alkalizacji stosowane jest zwykle wapno palone w postaci tlenku CaO lub gaszone, jako wodorotlenek wapnia Ca(OH)2. Wysokie pH osadów, utrzymywane na poziomie 11 i większym, powoduje zmiany w strukturze białkowej mikroorganizmów, zatrzymując ich procesy życiowe. Dodajmy, że wapno jest środkiem ogólnie dostępnym, stosowanie tej metody kondycjonowania jest więc relatywnie tanie.
Trochę o wapnie
Uczymy się wszystkiego. Dobry inżynier jest omnibusem, więc parę słów na temat produkcji i właściwości wapna.
Wapno palone (niegaszone) – inaczej tlenek wapnia CaO, otrzymywane przez wypalanie (prażenie) kamienia wapiennego w temperaturze 900 – 1300 °C, w wapienniku. Po wypaleniu ma formę brył, których barwa zależy od domieszek. Do niektórych zastosowań wapno palone bywa mielone. Im mniej jest domieszek, tym bardziej białe jest wapno. Wapno palone jest silnie higroskopijne, dlatego musi być przechowywane w szczelnym workach.
Wapno gaszone, hydratyzowane – inaczej wodorotlenek wapnia Ca(OH)2 lub wapno lasowane. Otrzymywane z wapna palonego przez działanie wodą. Proces ten jest egzotermiczny, z wydzielaniem dużej ilości ciepła. Wzór reakcji poniżej.
UWAGA! – Gaszenie wapna jest niebezpieczne z punktu widzenia BHP i grozi poparzeniem, tak z uwagi na wysoką temperaturę, jak i silnie alkaliczny odczyn, dlatego należy stosować bezwzględnie okulary i rękawice ochronne!
Właściwości wapna
Jest materiałem lekkim, łatwo chłonącym wilgoć, często wykorzystywanym do osuszania innych materiałów. Wapno palone potrafi wchłonąć do ponad 40% wody, puchnąc przy tym i utrzymując ją przez długi okres czasu. Wapno ma silne właściwości alkaliczne, często wykorzystywane w technice. W budownictwie dodatek wapna do betonu powoduje pasywację stali zbrojeniowej. Wapno stosowane w tynkach wapiennych chroni ściany przed rozwojem grzybów i pleśni. Farby wapienne są powszechnie stosowane do dezynfekcji sanitariatów, pomieszczeń gospodarskich, (obory, stajnie). Właściwości dezynfekcyjne wapna wykorzystywane są także w pastach do zębów.
W technice sanitarnej wapno stosowane jest w uzdatnianiu wody, szczególnie powierzchniowej, bogatej w mikroorganizmy saprobowe. Używane tutaj w postaci mleka wapiennego służy do dezynfekcji, usunięciu barwy, zapachu, a także zmiękczania wody (usuwania twardości) w procesie jej dekarbonizacji. Dekarbonizacja przy użyciu wapna pozwala na powstawanie łatwych do usuwania osadów z osadników i możliwych do późniejszego wykorzystania w przyrodzie. W oczyszczaniu ścieków wapno służy do ich dezynfekcji, ale też, dzięki silnym właściwościom alkalicznym, pozwala na procesy koagulacji zanieczyszczeń, strącania osadów, które o wiele łatwiej później ulegają sedymentacji i odwadnianiu. W ściekach przemysłowych stosowania wapna daje dobre rezultaty w usuwaniu metali ciężkich.
Alkalizacja osadów ściekowych Ca(OH)2
Wodorotlenek wapnia wchodzi w reakcje ze składnikami zarówno mineralnymi jak i organicznymi osadów ściekowych i w przeciwieństwie do innych silnych związków alkalicznych jak KOH, czy NaOH, nie powoduje utraty ich właściwości nawozowych, a wręcz je wzmacnia. Ustabilizowane, wapnowane osady po dalszej przeróbce, mogą być wykorzystywane rolniczo jako cenny nawóz wapienno-osadowy.
Chemizm procesu wapnowania polega na toksycznym oddziaływaniu jonów wodorotlenkowych OH– na mikroorganizmy zawarte w osadach. Większość bakterii i wirusów ginie w środowisku kwaśnym przy odczynie pH≤3 i alkalicznym pH>9. Badania nad destrukcją wegetatywnych form bakterii w środowisku alkalicznym ujawniły ich obumieranie po 1 godzinie ekspozycji w środowisku przy pH = 11,0. Również stwierdzono redukcję wskaźnikowych bakterii Escherichia coli w osadach przy pH 11,5 do 12,0 w temperaturze 1°C. Także bakterie z rodzaju Salmonella ulegają zniszczeniu przy pH osadów wynoszącym około 11,6.
Do zniszczenia wirusów wymagane jest z kolei pH od 10,5 do 11,5. Najtrudniej zniszczyć wapnem jaja pasożytów przewodu pokarmowego. Całkowita destrukcja jaj helmintów następuje dopiero po dodaniu CaO do odwodnionego osadu w takich ilościach, które powodują wzrost temperatury co najmniej do 48°C, po czasie około 24 godzin. W praktyce bardzo dobre rezultaty daje stosowanie wapna palonego bezpośrednio do osadów i wykorzystanie ich uwodnienia, dla zajścia reakcji chemicznej hydratacji. Wzrost temperatury do 50-60°C i powstawanie wody wapiennej, ma silne działanie toksyczne w stosunku do wszystkich mikroorganizmów.
W oczyszczalniach scieków stosuje się zwykle dwie metody wapnowania osadów:
- wapnowanie osadów przefermentowanych wapnem gaszonym, hydratyzowanym
Orientacyjne dawki wapna wynoszą tutaj 50÷60 g Ca(OH)2 – postać pylista – na 1 kg osadów odwodnionych do Ue = 80%, lub 30÷40 g Ca(OH)2 – w postaci zawiesiny. Takie dawki umożliwiają dezodoryzację osadu, ale odkażenie osadu przy tych dawkach jest niepełne, mogą przetrwać jaja pasożytów oraz przetrwalnikowe formy bakterii chorobotwórczych [Oleszkiewicz 1998].
- wapnowanie osadów surowych wapnem palonym
W przypadku stosowania wapna palonego CaO czynnikiem odkażającym przede wszystkim jest wysoka temperatura i jako czynnik dodatkowy, silnie alkaliczny odczyn. Natomiast, gdy jest to wapno hydratyzowane Ca(OH)2 w formie suchej lub jako suspensji (zawiesiny), czynnikiem odkażającym jest jedynie odczyn silnie alkaliczny. Według Oleszkiewicza (1998), skuteczne odkażanie osadów ściekowych wapnem palonym osiąga się, gdy:
- temperatura mieszaniny (osad + wapno) utrzymywana jest między 55÷70°C w czasie 24 godzin,
- na początku procesu utrzymane jest wysokie pH, min. 12,5,
- w urządzeniach zachowano termoizolację,
- wykonano intensywne mieszanie osadu z wapnem,
- doprowadzono osad odpowiednio odwodniony, do około 80%,
W literaturze podawane są różne dawki wapna do higienizacji lub stabilizacji osadów. Dawka rzeczywista wapna palonego dla uzyskania temperatury 50°C zmienia się od 850 do 410 kg CaO/Mg s.m. osadu – dla temperatury początkowej osadu 5°C÷25°C. Jako średnią dawkę można przyjąć 617 kg CaO/Mg s.m. Przy gaszeniu wapna niebagatelne znaczenie ma ilość i skład wody zarobowej. Zwiększenie ilości wody obniża szybkość wydzielania się ciepła, powodując też zmniejszenie szybkości hydratacji. Wpływ ten pokazuje poniższy wykres.
Wykres.1 ilości wody zarobowej na przebieg procesu gaszenia wapna (źr. Politechnika Wrocławska, ćwiczenia)
Generalnie chemiczna stabilizacja osadów ściekowych wapnem jest najbardziej opłacalna dla osadów wstępnie odwodnionych. Wzrost uwodnienia osadu wpływa na wzrost dawki wapna. Pokazuje to poniższy wykres 2.
Wykres 2. Teoretyczny wzrost temperatury osadu z wapnem w zależności od dawki wapna palonego i zawartości suchej masy. Im bardziej odwodniony osad, tym mniejsze zużycie wapna (źr. Oleszkiewicz 1997)
Natomiast wpływ zanieczyszczeń typu osadowego zawartych w wodzie zarobowej na przebieg gaszenia
wapna przedstawiono wykres 3.
Wykres.3 Wpływ składu wody osadowej na temperaturę procesu gaszenia wapna palonego. (źr. Politechnika Wrocławska, ćwiczenia).
Rozwiązania techniczne
Instalacja do higienizacji osadów ściekowych wapnem składa się z całego ciągu technologicznego. Najbardziej widocznym elementem jest silos wapna wyposażony w elektrowibrator, podajnik i dozownik. Wewnątrz dozownika znajduje się ślimak, obracany przez silnik z przekładnią bezstopniową. Dozowane wapno łączone jest z osadem ściekowym odwodnionym i trafia do mieszacza osadów.
Rys. Instalacja do higienizacji osadów wapnem. (źr. AMSTIL)
Pokrywa mieszacza posiada dwa kosze zasypowe – jeden do przyjmowania odwodnionego osadu, drugi – wapna. W korpusie mieszacza zamontowane są wały napędowe mieszacza, wyposażone w łopatki mieszające. Ułożyskowanie wałków jest szczelne. W dolnej części korpusu mieszacza umiejscowiony jest otwór zrzutowy mieszaniny. Przeciwbieżny napęd wałów roboczych uzyskiwany jest z dwóch niezależnych silników elektrycznych poprzez przekładnie ślimakowe. Napęd montowany jest do korpusu mieszacza. Mieszany z wapnem osad podlega przemieszczaniu wzdłużnemu, wprost do otworu zrzutowego, znajdującego się w dolnej części komory mieszacza. Uzyskana na wylocie mieszanina ma konsystencję jednorodną, nie wymagającą dalszej obróbki. Mieszanina osadu i wapna może być zrzucona bezpośrednio na miejsce składowania, lub transportowana dalej przy pomocy przenośnika (taśmowego lub ślimakowego) na wyznaczone poletko zrzutowe, ewentualnie do kontenera.
Rys. Mieszacz osadów z wapnem. (AMSTIL)
Fot. Mieszalnik osadów z wapnem BIO-VARIA firmy BIOSOW. Wydajność to 4m3/h przy poborze mocy 11kW.
Fot. Przykład przemysłowej instalacji do higienizacji osadów o wydajności 50 m3/h. (fot. MARPO)
Zastosowanie mieszanki osadowo-wapiennej
Proces wapnowania wymaga dostarczania na bieżąco do oczyszczalni wapna, co zwiększa koszty utylizacji. Powstała mieszanka w postaci granulatu ma jednak cenne właściwości nawozowe i może być z powodzeniem stosowana w rolnictwie, szczególnie przy glebach kwaśnych, gdzie jej alkaliczność wpływa pozytywnie na skład gleby, jak i późniejszy wzrost retencji wody. Warto tutaj dodać, że uzyskanie granulatu cennego rolniczo, wymaga zwykle stosowania dwóch form wapna: palnego, jako czynnika higienizującego osady i rolniczego, węglanowego, dobrze przyswajanego przez rośliny. Ta ostatnia forma sprzyja też granulacji osadów, ułatwiając ich transport i przechowywanie.
Praktyczne zastosowanie mieszanki wapienno-osadowej ma miejsce w wielu regionach kraju, min. w Sędziszowie Małopolskim. Oczyszczalnia ścieków w Sędziszowie Małopolskim przystosowana jest do oczyszczania ścieków o ładunku zanieczyszczeń na poziomie 18 000 RLM. Proces aglomeracji oraz higienizacji komunalnych osadów ściekowych odbywa się tutaj z wykorzystaniem poziomej jednowałowej mieszarki, przystosowanej do ciągłej pracy. Instalacja z użyciem mieszarki zbudowana jest z układów mieszania, transportu oraz dozowania osadów i wapna. Osad ściekowy pobierany jest z prasy, a następnie za pomocą dwóch zwałowych podajników ślimakowych podawany jest do mieszalnika. Mieszarka wyposażona jest dodatkowo w mikrodozownik pozwalający na precyzyjne określenie wymaganej dawki wapna. W mieszarce zachodzi proces egzotermiczny, polegający na reakcji między wodą zawartą w osadzie ściekowym a tlenkiem wapnia celem osuszenia osadu i utworzenia jednorodnego aglomeratu. Proces higienizacji pozwala rocznie wyprodukować około 2000 Mg organiczno-mineralnego środka poprawiającego właściwości gleby o nazwie „FLORANEKS”.