System oparty na wirówce zmniejsza zapotrzebowanie na siłę roboczą i przynosi poprawę jakości odwadniania

W sporej oczyszczalni ścieków, która obsługuje pięć dużych zakładów chemicznych w Wirginii Zachodniej, ilość szlamu może się zmieniać każdego dnia. Utrudnia to uzyskanie odpowiedniej spoistości szlamu. Po kilkudziesięciu latach wykorzystywania prasy komorowej oczyszczalnia ścieków firmy Solvay sięgnęła po system wirówek marki Flottweg, co przyniosło skrócenie czasu produkcji z 24 do zaledwie 12 godzin na dobę. Zastosowanie systemu przełożyło się również na poprawę jakości odwadniania, obniżenie kosztów, zmniejszenie masy składowanego materiału. Wprowadzenie wydajnego, zautomatyzowanego i łatwego w użyciu sprzętu przyniosło roczne oszczędności netto na poziomie około 214 000 dolarów.

Wyzwanie

Ścieki wytwarzane przez zakłady chemiczne zawierają bardzo niewiele materii włóknistej, w związku z czym odwadnianie szlamu jest trudne.

„Mamy tu do czynienia z wieloma różnymi partiami, których właściwości zmieniają się z dnia na dzień i miesiąca na miesiąc” – wyjaśnia Brian Smith, kierownik ds. utrzymania i oczyszczania ścieków. „Utrudnia to uzyskanie zdrowej biomasy. Biomasa podlega ciągłym zmianom. Istnieje wiele grup produktów spożywczych. Zmiany składu nadawy bardzo utrudniają uzyskanie szlamu o stałych właściwościach. Gdy rano uruchamiamy wirówkę, nie wiemy, z czym będziemy mieli do czynienia. Każdy dzień jest inny”.

Jest to typowe wyzwanie oczyszczalni ścieków, do których trafiają partie z różnych źródeł praktycznie bez uśredniania. Zrzut z zakładu produkcyjnego dociera do oczyszczalni w ciągu godziny, a w zakładzie nie ma dużych zbiorników wyrównawczych.

Uzyskanie szlamu o stałych właściwościach wymaga stałych parametrów strumienia odpadów. „Gdyby każdy strumień odpadów miał podobne właściwości, mikroorganizmy mogłyby się do nich łatwiej dostosować” – wyjaśnia Smith. "Możliwe byłoby wyhodowanie zdrowej i trwałej kolonii mikroorganizmów. Niestety w przypadku ciągłych zmian pH i obecności substancji chemicznych jedne mikroorganizmy giną, podczas gdy inne rozwijają się nadmiernie. Ten rodzaj szlamu jest niezwykle trudny do odwadniania”.

Firma Solvay korzystała wcześniej z dwóch pras komorowych, ale nie zawsze była w stanie poradzić sobie z objętością. Co roku Smith był zmuszony wynająć na sześć miesięcy dodatkową prasę komorową, która pracowała przez 24 godziny na dobę przez siedem dni w tygodniu. Wiązało się to również z zapotrzebowaniem na dodatkowego operatora.

„Skutkowało to ogromnym obciążeniem personelu” – wyjaśnia Smith. „Niektórzy operatorzy musieli koncentrować się wyłącznie na prasach. Ponieważ docierający do nas szlam jest tak niejednorodny, na każdą tonę powstającego szlamu musieliśmy dodać tonę popiołów lotnych. Przekładało się to na wzrost ilości składowanego materiału. Był to bardzo suchy materiał. Mogliśmy uzyskać blisko 50% frakcji stałej, ale dużą jej część stanowił popiół lotny”.

Prasy komorowe zostały wprowadzone pod koniec lat 80. XX w. W tym czasie firma dysponowała spalarnią odpadów niebezpiecznych. W latach 90. XX w. zakład zakończył spalanie i wprowadził wiele zmian w procesach produkcyjnych. 

„Ponieważ nie byliśmy w stanie uzyskać wystarczająco szybkiego odwadniania, po prostu przestaliśmy stosować odciąganie. Z tego powodu cały szlam trafiał do oczyszczalni ścieków, co powodowało problemy” – przyznaje Smith. "Co sześć miesięcy musieliśmy wziąć w najem prasę, która pozwalała obniżyć poziom szlamu. To powodowało wprowadzenie dodatkowego cyklu do oczyszczania ścieków. Musieliśmy sobie radzić nie tylko ze zmianami właściwości nadawy, ale także z cyklicznymi wahaniami biomasy w wodzie odpadowej oczyszczalni. Nie mogliśmy liczyć na żadną stabilizację”.

Gdy w oczyszczalni ścieków rośnie poziom materii stałej, rosną również koszty. W zakładzie dodawano polimer, który pomagał w osiadaniu szlamu w osadniku wtórnym. Aby zapobiec przedostawaniu się materii stałej do rzeki, konieczne było wykorzystanie większej ilości polimeru do zagęszczania, co powodowało wzrost kosztów.

Rozwiązanie

Smith i jego zespół zainicjowali badania nad różnymi technologiami, w tym filtrami z siatkami obrotowymi. Niestety jakość produktu uzyskanego w wyniku zastosowania tych rozwiązań nie była akceptowalna. Firma zdecydowała się na najem systemu na bazie wirówki, ale producent nie był w stanie zapewnić efektywnego serwisu w przypadku awarii sprzętu. Zespół wrócił do punktu wyjścia.

Zimą 2017 r. Smith skontaktował się z oddziałem Flottweg Separation Technology. Uzgodniono uruchomienie programu pilotażowego z wynajmem wirówek wraz z umową serwisową.

„Jednostka pilotażowa była pierwotnie wyposażona w ślimak z litym korpusem, który zastąpiono korpusem otwartym” – wyjaśnia Smith. „Nareszcie dostrzegliśmy ogromną poprawę. Jednostka pilotażowa pozwoliła nam uzyskać od 19% do 20% materii stałej. Sprzęt był łatwy w obsłudze. Produkcję można było uruchomić za naciśnięciem przycisku. W okresie od kwietnia do sierpnia zastosowanie znalazł ślimak z korpusem otwartym, co przyniosło skokową zmianę. Produkt łuszczył się i znacznie łatwiejszy stało się utrzymanie czystości odcieku. Uzyskaliśmy zawartość co najmniej 21% materii stałej. Różnica na poziomie od 1% do 2% przekłada się na dużą zmianę w wyglądzie i zachowaniu szlamu. Cała wolna ciecz była usuwana, w związku z czym masa w ogóle nie wydawała się wilgotna”.

Od początku firma Flottweg oferowała firmie Solvay najem długoterminowy oraz możliwość wprowadzenia nowej konstrukcji ślimaka, gdy tylko stała się ona dostępna.

„Obecnie nie doświadczamy niemal żadnych problemów” – podkreśla Smith. „Od dnia montażu nic się nie działo. Sam montaż trwał poniżej 8 godzin. Ślimak pasował do oprawy łożyska. Uzyskujemy teraz od 1% do 1,5% więcej materii stałej. Operatorzy nie mają żadnych problemów. Ponieważ konsystencja szlamu bywa zróżnicowana, ustalamy po prostu najpierw ilość polimeru do wprowadzenia, a następnie uruchamiamy doprowadzanie szlamu z instensywnością powodującą zanieczyszczenie odcieku. Następnie nieznacznie ją zmniejszamy”.

Zaczynamy produkcję z prędkością około 190 litrów na minutę (l/min), a w miarę jak zagęszczacz zaczyna ściągać szlam w dół – rozrzedzając szlam pozostający w procesie – zwiększamy prędkość o dodatkowe 38 l/min. 

„Ustawiamy na przykład odciąganie osadu na poziomie 132 litrów na minutę. Szlam jest dostarczany przez przez cały dzień, dostaje się do zagęszczacza, a ten powoduje jego odwodnienie” – wyjaśnia Smith. „Rano nowa zmiana może zastać w zagęszczaczu 3 m materiału. Uruchamiana jest wirówka, której pozwala się pracować przez czas od 8 do 12 godzin. Wirówka wyłączana jest na noc. Następnego dnia jest o 1,8 m, 2,4 m lub 3 m więcej materiału. Nie ma nic niezwykłego we wprowadzaniu zmian, ponieważ wykorzystanie zagęszczacza odbywa się partiami. Rano po rozpoczęciu produkcji możliwe jest osiągnięcie 3% materii stałej. Zaraz przed zakończeniem produkcji zawartość materii stałej może zawierać się w przedziale od 1% do 1,5%”.

Wirówka dekantacyjna marki Flottweg jest montowana w kontenerze

Na czym to polega?

W zależności od wielkości oczyszczalni ścieków mogą być wykorzystywane różne procesy. Chociaż firma Solvay wykorzystuje wirówki wyłącznie do odwadniania, dekantery mogą również służyć do zagęszczania.

Wszystkie oczyszczalnie ścieków wykorzystują różnegop rodzaju procesy zagęszczania. Oznacza to skoncentrowanie nadwyżki zawiesiny powstającej w fazach biologicznych od 5–10 g/l całkowitej masy suchej do 5–8% przed przepompowaniem do wieży fermentacyjnej. Zawartość zawiesiny w tym procesie zostaje zredukowana o 90–95%. Firma Solvay używa obecnie osadników klarujących, ale może również wykorzystać wirówkę do realizacji tego etapu, po którym następuje proces odwadniania.

Niezależnie od tego, czy materia stała jest po odwadnianiu przewożona, wykorzystywana ponownie jako nawóz, składowana, czy spalana, najważniejszym zadaniem jest uzyskanie maksymalnej suchości. Pozostałe kluczowe czynniki to efektywność kosztowa związana ze zużyciem polimerów, energii lub części zamiennych oraz minimalizacja kosztów towarzyszących nieprzerwanej, automatycznej pracy.

Wirówkę dekantacyjną można traktować jako osadnik wirujący. W przypadku klasycznego osadnika materia stała, która jest cięższa od cieczy, osiada na dnie zbiornika pod wpływem siły grawitacji, tworząc warstwę osadu. W obracającej się misie wirówki materia stała, która jest cięższa od cieczy, przemieszcza się w stronę ścianek misy pod wpływem siły odśrodkowej, gdzie tworzy pierścień osadu. Ponieważ wartość siły odśrodkowej w dekanterze wynosi ok. 3000 x g, a nie 1 x g jak w przypadku osadnika, oddzielanie materii stałej od cieczy w wirówce odbywa się znacznie szybciej i wydajniej.

Misa wirówki dekantacyjnej ma stożkowaty kształt. Obraca się ona z dużą prędkością, co powoduje wytworzenie siły odśrodkowej potrzebnej do separacji. Wewnątrz misy znajduje się przenośnik ślimakowy, który odpowiada za ciągłe odprowadzanie osadu gromadzącego się na wewnętrznej powierzchni ściany misy. Przenośnik ślimakowy obraca się z prędkością zależną od prędkości misy. Za zróżnicowanie prędkości odpowiada obracająca się przekładnia po stronie napędowej misy. Szlam przeznaczony do odwirowania przedostaje się do misy nieruchomą rurą zasilającą. Z rury zasilającej trafia do strefy separacji w obrębie korpusu ślimaka. W strefie separacji następuje oddzielenie warstwy osadu od cieczy. Osad jest zabierany ze ścian misy za pomocą przenośnika spiralnego i prowadzony do stożkowatego końca maszyny, gdzie jest wyprowadzany przez otwory wylotowe na końcu stożka misy. Oddzielona ciecz przepływa do cylindrycznego końca misy, gdzie jest odprowadzana grawitacyjnie przez otwór przelewowy.

Te kluczowe elementy konstrukcyjne są wykorzystywane od początku lat 70. XX wieku. Efektem wieloletnich prac rozwojowych jest kompletna oferta dekanterów HTS marki Flottweg przeznaczonych do odwadniania szlamu, wśród których są urządzenia o wydajności od 150 do 3000 l/min.

System na bazie wirówki umożliwił oczyszczalni ścieków firmy Solvay ograniczenie ilości składowanego materiału

Efekty

System na bazie wirówki umożliwił oczyszczalni ścieków firmy Solvay skrócenie roboczogodzin przeznaczanych na obsługę sprzętu, skrócenie czasu pracy oraz zmniejszenie ilości składowanego materiału, a także na zwiększenie spoistości szlamu i zmniejszenie zużycia energii.

„Maszyna jest obecnie wkorzystywana w ramach najmu, ale mamy nadzieję, że będziemy mogli ją w końcu nabyć” – zapewnia Smith. „Nikt w zakładzie nie zgodziłby się na jej oddanie. Wszystkie bramy wyjazdowe zostałyby zablokowane. Nikt nie chciałby wrócić do starej technologii po doświadczeniach z wirówką marki Flottweg. Technologia udowodniła swoją przydatność na przestrzeni co najmniej 15 lat, a my cieszymy się, że udało nam się ją odkryć”.

System umożliwił firmie Solvay skrócenie czasu pracy w obecności operatorów z 24 do zaledwie 12 godzin na dobę. „Prasy komorowe wymagały dużego nakładu pracy fizycznej związanej ze czyszczeniem i przenoszeniem płyt” – mówi Smith. Powodowało to urazy barków i przeciążenie górnej części ciała pracowników. System na bazie wirówki zmniejszył zapotrzebowanie na dodatkową siłę roboczą, a także ryzyko urazów u operatorów.

„Dobrze było pozbyć się nadgodzin” – przyznaje Smith. „Przekierowaliśmy zaoszczędzone roboczogodziny do innych obszarów oczyszczalni, co przełożyło się na poprawę naszej działalności i jakości oczyszczania. Od czasu uruchomienia sprzętu wszystko odbywa się bardzo płynnie. Zakład firmy Solvay w Willow Island to miejsce, które będzie się rozwijać. Chcemy rozszerzyć działalność. Wcześniej martwiliśmy się, że oczyszczalnia ścieków nie będzie w stanie obsłużyć dodatkowego obciążenia. Teraz nie ma takich obaw. Wirówka oraz fakt, że mamy teraz pełną kontrolę nad oczyszczalnią ścieków, to czynniki, które umożliwiają rozwój zakładu”.

Zakład nie musi już dodawać popiołów lotnych do wirówki, co spowodowało zmniejszenie wydatków na zakupy, transport i wyładunek. Zakładowi udało się uzyskać zwrot z inwestycji w ciągu kilku miesięcy. Po pierwszym roku eksploatacji system udowodnił swoją wartość, przynosząc firmie Solvay oszczędności na poziomie ponad 214 000 USD rocznie. Kwota ta obejmuje m.in. koszty zakupu i transportu popiołów, transportu i utylizacji składowanego materiału, polimerów, najmu, robocizny, kontenerów, pojazdów do transportu kontenerów, plastikowej okładziny, konserwacji oraz zużycia energii.

„Główną zaletą jest uzyskanie pełnej kontroli nad oczyszczalnią ścieków” – mówi Smith. „Nie pozwalamy, aby frakcja stała zalegała na pryzmach. Przekazujemy ją tam, gdzie jej miejsce. Koszty polimerów dodawanych do ścieków wyraźnie spadły. Operator musi jedynie uruchomić wirówkę rano i przemieścić nieznacznie kontener”.

O autorze

Daniel Lakovic

Daniel Lakovic jest kierownikiem ds. rozwoju biznesu w oddziale Flottweg Separation Technology.