Przegląd stosowanych technologii

Podstawowe systemy osadu czynnego

Pod względem stosowanego obciążenia substratowego osadu umownie wyróżniamy trzy

podstawowe rodzaje systemów osadu czynnego:

Osad czynny nisko obciążony

W systemach nisko obciążonych stosowany jest długi czas napowietrzania ścieków – powyżej

18 godzin . Z uwagi na niskie obciążenie substratowe osadu O

X

, wiek osadu W jest wysoki - 10÷30 d

. W systemach tych uzyskuje się pełne biologiczne oczyszczanie ścieków, nitryfikację oraz zachodzi
tlenowa stabilizacja osadu.

Wymagany długi wiek osadu i długi czas napowietrzania ścieków powodują konieczność

stosowania reaktorów o dużych pojemnościach. Inną wadą systemów nisko obciążonych jest
wysokie zużycie energii na napowietrzanie.
Osad czynny średnio obciążony

W systemach średnio obciążonych zachodzi pełne biologiczne oczyszczanie ścieków; nie ma

miejsca tlenowa stabilizacja osadu. Czas napowietrzania ścieków wynosić może 5÷15 h. Stężenie
osadu czynnego nie przekracza zazwyczaj 4 kg sm

o

/m

3

, a wiek osadu jest niższy niż 15d .

Osad czynny wysoko obciążony

Wśród systemów wysoko obciążonych wyróżniamy dwa rodzaje:

•

Systemy wysokosprawne

Dobre efekty oczyszczania ścieków osiąga się poprzez stosowanie wysokich stężeń osadu
czynnego w reaktorze.

•

Systemy częściowego oczyszczania

Krótki czas napowietrzania ścieków z niewielką ilością osadu daje częściowy rezultat
oczyszczania.

Wysoki przyrost osadu oraz wrażliwość na zmiany ilości i jakości dopływających ścieków to

główne wady tych systemów.

Reaktory wysokosprawne stosowane są najczęściej jako pierwszy stopień oczyszczania w

systemach wielostopniowych.
Systemy wielostopniowe

W systemach wielostopniowych kolejne stopnie oddzielone są od siebie osadnikiem wtórnym.

Przykładowy schemat dwustopniowego systemu osadu czynnego przedstawia rysunek niżej.

Komora

napowietrzania

I stopień

Osadnik

wtórny I st.

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki surowe

Osadnik

wtórny II st.

Osad nadmierny

Osad recyrkulowany

Komora

napowietrzania

II stopień

Rysunek 2.1. Przykładowy schemat dwustopniowego systemu osadu czynnego

Zalety systemów wielostopniowych:

•

mniejsza wrażliwość na zmiany jakości i ilości dopływających ścieków,

•

lepsze dostosowanie do ścieków trudnych do oczyszczenia metodą biologiczną,

•

mniejsza całkowita wymagana objętość reaktorów.

Przykładem systemów wielostopniowych może być technologia A-B. W systemie tym stopień

pierwszy (A) jest zawsze wysoko obciążony, a stopień B pracuje jako układ konwencjonalny.

System kontaktowo – stabilizacyjny

Zasada działania polega na wykorzystaniu właściwości sorpcyjnych osadu czynnego. Ścieki

surowe zmieszane z osadem poddawane są krótkotrwałemu (poniżej 2 h) napowietrzaniu. W tym
czasie ma miejsce biosorpcja zanieczyszczeń przez kłaczki osadu. Potem następuje sedymentacja i
stabilizacja osadu, która polega na przedłużonym jego napowietrzaniu.

Systemy biologicznego usuwania ze ścieków zanieczyszczeń organicznych i
związków biogennych

Usuwanie azotu – procesy nitryfikacji i denitryfikacji

Azot w ściekach miejskich występuje głównie w formie organicznej i amonowej. W celu

usunięcia azotu ze ścieków metodą biologiczną wykorzystywane są dwa procesy: nitryfikacja i
denitryfikacja. W trakcie oczyszczania ścieków azot podlega następującym przemianom:

Proces

Opis

Biomasa

Amonifikacja Rozkład azotu organicznego do postaci amonowej

Heterotroficzn
a

Nitryfikacja

Przemiana azotu amonowego w azotyny, a następnie w
azotany

Autotroficzna

Denitryfikacj
a

Przemiana azotu azotanowego w azot gazowy

Heterotroficzn
a

Azot organiczny zawarty w ściekach w procesie ich oczyszczania ulega amonifikacji – zostaje

przekształcony w amoniak, który z kolei może zostać zaasymilowany przez drobnoustroje i
wykorzystany do budowy biomasy lub też może zostać utleniony w procesie nitryfikacji do
azotynów i azotanów. W końcu azot azotanowy może ulec denitryfikacji i w postaci gazowej ulatnia
się do atmosfery. Proces nitryfikacji zachodzi w warunkach tlenowych, natomiast denitryfikacja w
warunkach anoksycznych (niedotlenionych), czyli bez obecności tlenu rozpuszczonego, ale w
obecności azotanów.

Usuwanie związków organicznych i nitryfikacja mogą być przeprowadzone za pomocą osadu

czynnego lub na złożu biologicznym. Drobnoustroje prowadzące ww. procesy są mieszaniną
organizmów heterotroficznych odpowiedzialnych za utlenianie materii organicznej i amonifikację
oraz autotroficznych – nitryfikantów.
Usuwanie azotu ze ścieków na drodze biologicznej można realizować w systemach jedno- lub
wieloosadowych. Oznacza to, że można rozdzielić biomasę heterotroficzną od autotroficznej, co w
efekcie pozwala na skrócenie czasu zatrzymania ścieków.

Biologiczne metody usuwania związków azotu ze ścieków stosowane są już od dawna i

istnieje wiele systemów realizujących jednocześnie usuwanie węgla organicznego, nitryfikację i
denitryfikację.

Najprostszym rozwiązaniem jest system realizujący tylko nitryfikację azotu amonowego. Aby

zaszła nitryfikacja musi być zachowane odpowiednio niskie obciążenie substratowe osadu, co
pociąga za sobą odpowiednio długi jego wiek W. Wartość W musi być na tyle duża, aby bakterie
autotroficzne odpowiedzialne za przebieg procesu nie zostały wypłukane z układu. Szybkość
wzrostu nitryfikantów jest bowiem znacznie mniejsza od szybkości wzrostu bakterii
heterotroficznych.

Komora

napowietrzania

(nitryfikacji)

Osadnik

wtórny

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki surowe

Rysunek 2.2. System osadu czynnego z nitryfikacją

Kolejnym krokiem jest realizacja procesu denitryfikacji.

Komora

napowietrzania

(nitryfikacji)

Osadnik

wtórny

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

Komora

anoksyczna

(denitryfikacji)

Komora

napowietrzania

(nitryfikacji)

Osadnik

wtórny

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

Komora

anoksyczna

(denitryfikacji)

Dodatkowe

źródło węgla

Recyrkulacja wewnętrzna

A

B

Rysunek 2.3. Systemy osadu czynnego z nitryfikacją i denitryfikacją.

Denitryfikacja może być umiejscowiona po lub przed nitryfikacją. W pierwszym przypadku

(wariant A na rys. 2.10) do strefy anoksycznej często konieczne jest doprowadzenie dodatkowego
źródła węgla, aby denitryfikacja zachodziła z odpowiednią szybkością. Źródłem węgla mogą być
ścieki surowe lub np. metanol. Denitryfikacja wstępna (wariant B) wymaga wprowadzenia
recyrkulacji wewnętrznej z komory napowietrzania do komory anoksycznej. Recyrkulacja ta ma za
zadanie przetransportowanie azotanów obecnych w ściekach odpływających z reaktora tlenowego
do strefy denitryfikacji. Co prawda osad zagęszczony odbierany z dna osadnika wtórnego zawiera
pewną ilość azotanów, to jednak w celu przeprowadzenia sprawnej denitryfikacji, recyrkulacja
zewnętrzna musiałaby być tak intensywna, że zakłóciłaby pracę osadnika.

Biologiczne usuwanie fosforu ze ścieków

Proces biologicznej defosfatacji ścieków metodą osadu czynnego realizowany jest poprzez

stworzenie w układzie takiej sekwencji reaktorów lub stref, która zapewni występowanie kolejno po
sobie warunków beztlenowych i tlenowych. Niektóre drobnoustroje stanowiące część

heterotroficznej biomasy osadu czynnego posiadają zdolność nadmiernej akumulacji fosforu.
Gromadzenie to ma miejsce w warunkach tlenowych. W warunkach braku tlenu i azotanów bakterie
odpowiedzialne za proces defosfatacji uwalniają fosforany do środowiska.

Schematycznie proces nadmiernego pobierania fosforu można opisać następująco :

•

Warunki beztlenowe:

o pobieranie rozpuszczonych substratów organicznych i ich przekształcanie w en-

dogenną substancję zapasową (poli-ß-hydroksy maślan PHB) kosztem energii
uwolnionej przy rozkładzie polifosforanów, czemu towarzyszy wydzielanie
ortofosforanów do środowiska.

•

Warunki tlenowe

o Utlenianie zmagazynowanego PHB i substancji organicznych pobieranych z oto-

czenia.

o Magazynowanie części uzyskanej w ten sposób energii w postaci polifosforanów,

czemu towarzyszy pobieranie fosforanów ze środowiska w ilości większej niż
uprzednio wydzielona.

o Wzrost mikroorganizmów.

Możliwość oczyszczania ścieków ze związków fosforu w procesie osadu czynnego jest

limitowana głównie dwoma wielkościami:

•

dobowym przyrostem osadu, a tym samym ilością odprowadzanego osadu nadmiernego,

•

zawartością fosforu w odprowadzanym osadzie.

W większości układów do zintegrowanego usuwania azotu i fosforu występuje dodatkowo,

dla potrzeb denitryfikacji, reaktor anoksyczny. Eliminowany ładunek fosforu usuwany jest
ostatecznie z osadnika wtórnego wraz z osadem nadmiernym i wymaga dalszej utylizacji.

Zintegrowane systemy osadu czynnego

Istnieje wiele systemów osadu czynnego z równoczesnym usuwaniem związków azotu i

fosforu. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę najpopularniejszych.

System PHOREDOX

Jest to modyfikacja systemu technologicznego przeznaczonego jedynie do usuwania

związków organicznych umożliwiająca biologiczne usuwanie fosforu. Zmiana systemu polegała na
poprzedzeniu komory napowietrzania komorą beztlenową, w której poprzez uwalnianie fosforanów
z komórek mikroorganizmów osadu czynnego inicjowany jest proces usuwania fosforu. W systemie
PHOREDOX zakłada się takie sterowanie procesem, aby do komory beztlenowej nie dopływały
azotany wraz z osadem recyrkulowanym.

KT

OW

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

KB

KB – reaktor beztlenowy, KT – reaktor tlenowy, OW – osadnik wtórny

Rysunek 2.4. System PHOREDOX

Systemy A/O i A2/O

Różnica między systemami A/O i PHOREDOX polega głównie na sposobie przepływu

ścieków przez reaktory. W komorach systemu A/O zbudowane są przegrody powodujące, że
przepływ jest tłokowy.

System A/O został pierwotnie stworzony z myślą o usuwaniu fosforu. Nie przewidywano

nitryfikacji i denitryfikacji. Rozszerzenie sytemu A/O do A2/O polega na wprowadzeniu dodatkowo
denitryfikacji wyprzedzającej z jednoczesnym wydłużeniem wieku osadu tak, aby zaszła

nitryfikacja.

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

KB

KB – reaktor beztlenowy, KA – reaktor anoksyczny, KT – reaktor tlenowy, OW – osadnik wtórny

KT

OW

Rysunek 2.5. System A/O

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

KB

KB – reaktor beztlenowy, KA – reaktor anoksyczny, KT – reaktor tlenowy, OW – osadnik wtórny

KA

KT

rec. wewn.

OW

Rysunek 2.6. System A2/O

System Bardenpho

Jest to jeden z pierwszych systemów stosowanych do usuwania związków węgla oraz

pierwiastków biogennych. Konfiguracja komór osadu czynnego umożliwia w pierwszej kolejności
usuwanie azotu odpowiednio poprzez nitryfikację w komorze tlenowej i denitryfikację azotanów
recyrkulowanych do pierwszej komory niedotlenionej. W celu uniknięcia wpływu azotanów na
proces defosfatacji, inicjowany w pierwszej komorze beztlenowej, umieszczono drugi reaktor
anoksyczny i drugi reaktor tlenowy. Dla zmodyfikowanej w ten sposób sekwencji komór, osad
recyrkulowany z osadnika wtórnego do komory beztlenowej pierwszej nie powinien zawierać ilości
azotanów, mogącej zakłócać proces usuwania fosforu.

OW

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

KB

KB – reaktor beztlenowy, KA – reaktor anoksyczny, KT – reaktor tlenowy,
OW – osadnik wtórny

KA

KT

KA

KT

rec. wewn.

Rysunek 2.7. System Bardenpho

System UCT oraz zmodyfikowany UCT

Azotany występujące w osadzie recyrkulowanym obniżają sprawność pierwszego stopnia

defosfatacji. aby temu zapobiec poprowadzono recyrkulację zewnętrzną do reaktora anoksycznego,
a dopiero z niego recyrkulację wewnętrzną II do reaktora beztlenowego.
Modyfikacja systemu UCT polegała na rozdziale komory niedotlenionej na dwie strefy; pierwszą z
wewnętrznym obiegiem denitryfikacji wyprzedzającej i drugą dla potrzeb denitryfikacji azotanów
pozostałych w osadzie recyrkulowanym z osadnika wtórnego. Dzięki dodatkowej strefie
denitryfikacji możliwe jest skuteczniejsze wyeliminowanie wpływu azotanów na proces defosfatacji
w komorze beztlenowej.

OW

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

KB

KB – reaktor beztlenowy, KA – reaktor anoksyczny, KT – reaktor tlenowy, OW – osadnik wtórny

KA

KT

rec. wewn. I

rec. wewn. II

Rysunek 2.8. System UCT

OW

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

KB

KB – reaktor beztlenowy, KA – reaktor anoksyczny, KT – reaktor tlenowy, OW – osadnik wtórny

KA

KT

rec. wewn. I

rec. wewn. II

KA

Rysunek 2.9 .Zmodyfikowany system UCT

System JHB

System ten jest modyfikacją układu PHOREDOX polegającą na wprowadzeniu reaktora

anoksycznego na strumieniu osadu recyrkulowanego z osadnika wtórnego do pierwszego reaktora
beztlenowego. W dodatkowej komorze następuje denitryfikacja azotanów zawartych w osadzie
recyrkulowanym do pierwszej komory beztlenowej, w której rozpoczyna się proces defosfatacji.

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

KB

KB – reaktor beztlenowy, KA – reaktor anoksyczny, KT – reaktor tlenowy, OW – osadnik wtórny

KA

KT

rec. wewn.

KA

OW

Rysunek 2.10. System JHB

System BIODENIPHO

Podstawę sytemu stanowią dwa równolegle działające reaktory poprzedzone jedną wspólną

komora beztlenową dla potrzeb defosfatacji. Każdy z reaktorów może spełniać rolę komory
nitryfikacji lub denitryfikacji w zależności od kierunku zasilania. W chwili rozpoczęcia
denitryfikacji w jednej z komór, w drugiej odbywa się nitryfikacja. Po zakończeniu denitryfikacji
(wyczerpaniu azotanów) następuje zmiana kierunku przepływu ścieków, a tym samym zamiana
funkcji komór.

OW

Osad recyrkulowany

Osad nadmierny

Ścieki

oczyszczone

Ścieki

surowe

KB

KB – reaktor beztlenowy, KA – reaktor anoksyczny, KT – reaktor tlenowy, OW – osadnik wtórny

KT (KA)

KA (KT)

Rysunek 2.11. System BIODENIPHO

System symultaniczny

Procesy nitryfikacji i denitryfikacji zachodzą w obrębie jednego reaktora (symultanicznie).

Jest to możliwe dzięki stworzeniu stref odpowiednio tlenowej i anoksycznej. Uzupełnieniem układu
jest komora beztlenowa, dzięki której możliwe jest w takim systemie biologiczne usuwanie fosforu.

System SBR

W przypadku zintegrowanego usuwania ze ścieków związków organicznych oraz azotu i

fosforu wymagane jest funkcjonowanie reaktora według sekwencji faz beztlenowej, anoksycznej i
tlenowej. Stosownie do wymaganej efektywności i warunków sterowania należy ustalić optymalny
czasu trwania każdej fazy.

Systemy z bocznym ciągiem technologicznym

Systemem z bocznym ciągiem technologicznym jest np. system PHOSTRIP. Część osadu

nadmiernego kierowana jest z osadnika wtórnego do komory beztlenowej o długim czasie
zatrzymania (powyżej 12 h), w której odbywa się uwalnianie fosforu z komórek mikroorganizmów.
Wydzielone fosforany strąca się chemicznie w oddzielnym reaktorze.