ENERGOPOMIAR od 2014 roku prowadzi badania nad usuwaniem jonu amonowego ze ścieków oczyszczonych w oczyszczalni ścieków z instalacji mokrego odsiarczania spalin. Specjaliści Działu Technologii Wody i Ścieków, wchodzącego w struktury Zakładu Chemii i Diagnostyki, opracowali autorską metodę pozwalającą uzyskać znacznie lepsze efekty niż oferowane na rynku technologie.

Badania zespołu ENERGOPOMIARU doprowadziły do uzyskania w 2020 roku patentu pod numerem P.413585 „Sposób usuwania amoniaku ze ścieków i kolumna strippingowa do usuwania amoniaku ze ścieków”.

Amoniak w ściekach z IOS

Problem obecności amoniaku w ściekach z instalacji odsiarczania spalin (IOS) wiąże się z koniecznością spełnienia coraz bardziej rygorystycznych wymagań środowiskowych, szczególnie w zakresie emisji tlenków azotu NOx oraz tlenków siarki SOx. Już działające, jak również powstające instalacje odsiarczania i odazotowania spalin, z uwagi na coraz częściej wymaganą przez rynek elastyczną pracę kotłów energetycznych, będą poddawane zmiennym warunkom eksploatacji. Praca jednostek w niestabilnych warunkach powoduje zmiany w mechanizmach reakcji chemicznych: stosunek stechiometryczny i stopień wymieszania reagentów, reżimy temperaturowe, co w sposób oczywisty skutkuje zaburzeniem procesu oczyszczania spalin. Z tego też powodu w instalacjach odazotowania spalin (DeNOx) dochodzi do zjawiska poślizgu amoniaku, objawiającego się jego obecnością w ściekach z instalacji odsiarczania spalin.

W przypadku metody selektywnej niekatalitycznej redukcji NOx (SNCR – ang. selective non-catalytic reduction) poślizg amoniaku jest znacznie większy niż dla instalacji selektywnej katalitycznej redukcji NOx (SCR – ang. selective catalytic reduction).

Oczyszczalnie ścieków instalacji mokrego odsiarczania spalin nie są przystosowane do usuwania ze ścieków amoniaku, gdyż głównym ich zadaniem jest usunięcie metali ciężkich oraz zawiesiny w procesach koagulacji, flokulacji i sedymentacji.

Od teorii do laboratorium i dalej do skali technicznej

Z uwagi na niestabilność parametrów jakościowych ścieków zespół badawczy skupił się na opracowaniu fizykochemicznej metody usuwania jonu amonowego. W porównaniu do metod biologicznych rozwiązanie to nie wymaga tak stabilnych warunków oraz pozwala na szybką reakcję układu na zmienne parametry procesowe.

Już na etapie badań w skali laboratoryjnej, wykorzystując teorię Broensteda-Lowry oraz Prawo Henry’ego, opracowano skuteczną metodę usuwania jonu amonowego ze ścieków.

Kluczowym rozwiązaniem wpływającym na wydajności redukcji stężenia amoniaku w ściekach było zastosowanie pary jako nośnika dla wydzielanego amoniaku oraz dla maksymalizacji powierzchni kontaktu faz ciekłej i gazowej. Umożliwiło to zmniejszenie stopnia alkalizacji ścieków ułatwiającej przejście amoniaku z formy związanej (jon amonowy) do wolnej (NH₃ gazowy).

W związku z zadowalającymi wynikami kolejnym krokiem było przeniesienie założeń i mikroskali na realne warunki – wybudowano instalację pilotażową.

Instalacja pilotażowa do oczyszczania ścieków

W zmodyfikowanej stacji odgazowania termicznego zachodzi główny proces technologiczny – odgazowanie i usuwanie amoniaku poprzez jego absorpcję na rozwiniętej powierzchni pary. W procesie reagenty stanowią podgrzane, zalkalizowane ścieki oraz para procesowa.

Dla szybszego ustalenia stanu równowagi i intensyfikacji procesu dążono do maksymalnego rozwinięcia powierzchni międzyfazowej i poprawy warunków hydrodynamicznych. W tym celu zastosowano perforowane półki w kolumnie strippingowej oraz barbotaż parą w zbiorniku odgazowania termicznego.

Sprawność procesu absorpcji w kolumnie strippingowej zwiększono wprowadzając oczyszczane ścieki w przeciwprądzie do pary procesowej. Parę z zabsorbowanym amoniakiem usuwano z kolumny strippingowej przez zawór odpowietrzający zamontowany w jej kopule. Następnie opary chłodzono i otrzymywano kondensat wody amoniakalnej.

Zabudowa instalacji umożliwiała recyrkulację ścieków. Recyrkulacja przedłużyła czas absorpcji amoniaku z fazy ciekłej, jak i powodowała znaczne obniżenie ciśnienia cząstkowego amoniaku nad lustrem ścieków.

Kluczowe parametry decydujące o wydajności instalacji to:

• pH – ułatwia przejście jonu amonowego do postaci amoniaku wolnego, zbyt wysokie przyczynia się do wypadania osadu – wodorotlenki metali;
• ciśnienie w stacji odgazowania termicznego – pozwala osiągnąć stan równowagi kwasowo-zasadowej;
• temperatura w stacji odgazowania termicznego – decyduje o rozpuszczalności amoniaku w ściekach;
• stopień otwarcia zaworu odpowietrzającego w kopule kolumny – pozwala na zmianę ciśnień cząstkowych pomiędzy fazą ciekłą a gazową;
• ciśnienie pary podawanej do instalacji – decyduje o ilości pary wprowadzanej do instalacji dla zapewnienia podgrzewu ścieków oraz rozwinięcia powierzchni absorpcji;
• poziom napełnienia zbiornika stacji odgazowania termicznego – reguluje czas zatrzymania ścieków w procesie usuwania jonu amonowego.

Wyniki badań prowadzonych prac pilotażowych

Uzyskane wyniki z przeprowadzonych badań wykazały wysoką skuteczność metody opracowanej przez zespół ENERGOPOMIARU. Badania prowadzono dla trzech poziomów pH w celu weryfikacji przyjętych założeń. Dla pH 9,5 ścieków dopływających do instalacji pracującej w trybie ciągłym redukcja stężenia amoniaku w ściekach wynosiła odpowiednio:

• 48–50% (spadek o 100 mg/l) dla instalacji pracującej w trybie ciągłym,
• 62–68% (spadek o 120 mg/l) dla godzinnej recyrkulacji ścieków,
• 70–77% (spadek o 133 mg/l) dla dwugodzinnej recyrkulacji ścieków.

Przedstawione wartości procentowe spadku stężenia amoniaku w ściekach w odniesieniu do jego końcowej zawartości przedstawiają się następująco:

• Dla ścieków zanieczyszczonych amoniakiem na poziomie ok. 200 mg/l osiągnięto w ściekach oczyszczonych spadek stężenia amoniaku do poziomu ok. 100 mg/l dla pracy w trybie ciągłym, 75 mg/l dla godzinnej recyrkulacji ścieków oraz ok. 55 mg/l dla dwugodzinnej recyrkulacji ścieków.
• Dla ścieków zanieczyszczonych amoniakiem na poziomie ok. 128 mg/l analogiczne wartości wyniosły około: 71 mg/l, 61 mg/l oraz 49 mg/l.

W trakcie prowadzonych badań maksymalnie w czasie dwugodzinnej recyrkulacji ścieków udało się obniżyć w nich stężenie amoniaku do poziomu 40,5 mg/l.

Zalety instalacji

Metoda opracowana przez ENERGOPOMIAR jest optymalnym rozwiązaniem dla obiektów, w których poślizg amoniaku stanowi znaczący problem. Główne zalety instalacji do oczyszczania ścieków:

• modułowy charakter instalacji pozwalający na jej zabudowę do już pracujących oczyszczalni ścieków mokrego odsiarczania spalin bez ingerencji w ich proces oczyszczania – instalacja nie powoduje destabilizacji;
• szybka regulacja parametrów procesowych w zależności od wymaganego poziomu redukcji stężenia amoniaku;
• krótki czas zatrzymania ścieków w instalacji w stosunku do otrzymanej wydajności oczyszczania ścieków z jonu amonowego na poziomie nawet 77%;
• instalacja nie generuje nowych ścieków – możliwość wykorzystania powstałego kondensatu wody amoniakalnej do innych procesów technologicznych.

Autor: Łukasz Kot, Dział Technologii Wody i Ścieków w Zakładzie Chemii i Diagnostyki, Zakłady Pomiarowo-Badawcze Energetyki „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.