OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW MIEJSKICH
Ścieki miejskie są mieszaniną wód zużytych w gospodarstwach
domowych, w drobnych zakładach przemysłowych, w zakładach usług
komunalnych z wodami infiltrującymi do kanalizacji przez nieszczelności
sieci. W kanalizacji ogólnospławnej ścieki miejskie zawierają także wody
opadowe.
1. Rodzaje ścieków miejskich
- bytowo-gospodarcze
- fekalia
- przemysłu miejskiego
- opadowe
- infiltracyjne, drenażowe (przypadkowe)
- nielegalne zrzuty ścieków.
Ścieki bytowo-gospodarcze pochodzą z naszych domostw. Zawierają
około 60% składników organicznych, można w nich wykryć bakterie
chorobotwórcze oraz jaja pasożytów. Oczyszczanie ich nie jest kłopotliwe.
Ścieki przemysłowe powstają w procesach produkcyjnych, są one
głównym zagrożeniem dla odbiorników wodnych. Wielka różnorodność
zanieczyszczeń w tych ściekach sprawia, że nie ma standardowych
metod ich oczyszczania. Ogólne zasady gospodarki ściekowej w
zakładzie obejmują: odzyskiwanie cennych substancji, osobne
pozbywanie się odpadów bardzo szkodliwych, uśrednianie składu
ścieków, oczyszczanie metodami biologicznymi.
Ścieki miejskie to te zanieczyszczone wody, które płyną siecią
kanalizacyjną. W kanalizacji ogólnospławnej będzie to mieszanina
ścieków bytowo-gospodarczych, przemysłowych i wód opadowych.
Ścieki opadowe powstają z wód deszczowych i śniegu, cechują się
znaczną zmiennością składu i ilości.
Wody dołowe z kopalń charakteryzują się różnym zasoleniem.
2. Rodzaje kanalizacji
- ogólnospławna
- rozdzielcza
- półrozdzielcza
Sieci  sanitarna, deszczowa, ścieki dowożone do oczyszczalni.
3. Ilość ścieków miejskich
Objętość ścieków miejskich dopływających do oczyszczalni w czasie
pogody bezdeszczowej w przybliżeniu powinna odpowiadać sumie
objętości wody zużytej na cele bytowo-gospodarcze i objętości wody
zużytej przez przemysł a także muszą być zwiększone o wody
infiltracyjne. W rzeczywistości często stwierdza się znaczne różnice
między tymi wartościami.
Objętość ścieków bytowo-gospodarczych określa się iloczynem
dobowego zużycia wody przez jednego mieszkańca i liczby mieszkańców.
W państwach uprzemysłowionych jednostkowe zużycie wody przez
mieszkańca Q = 120-175 l/Mxd. Z tego 15% przypada na WC, 45% na
mycie i kąpiel, 25% na pranie i mycie naczyń, 15% na inne cele. W
polskich miastach w latach 1991-92 jednostkowe zużycie wody wynosiło
około 200 l/Mxd oraz wykazywało malejącą tendencję. Straty wody w sieci
wodociągowej ocenia się na około 30% i więcej, zatem rzeczywiste
jednostkowe zużycie wody nie przekracza na ogół 140l/Mxd. Dopływ
ścieków miejskich do oczyszczalni nie jest stały w czasie, ale ulega
wahaniom. Nierównomierności dopływu ścieków do oczyszczalni są
określane na podstawie znajomości nierównomierności godzinowej,
dobowej i sezonowej. Wartości współczynników nierównomierności
dopływu ścieków są około 20% niższe w stosunku do współczynnika
nierównomierności rozbioru wody w mieście, co jest spowodowane
retencyjnym działaniem sieci kanalizacyjnej i udziałem wód infiltracyjnych.
4. Klasyfikacja zanieczyszczeń ścieków miejskich
- ciała stałe
- substancje nieorganiczne
- materia organiczna
- drobnoustroje.
Wszystkie one można określić jako: fizyczne, chemiczne i biologiczne
Zanieczyszczenia fizyczne (organoleptyczne) to przede
wszystkim: zawiesina, mętność, barwa, zapach, temperatura. Całkowitą
ilość zanieczyszczeń zawartych w ściekach określa sucha pozostałość
(masa substancji po odparowaniu próbki ścieków i wysuszeniu do stałej
wagi w temperaturze 1050C). Jednocześnie określa się: pozostałość po
prażeniu (w temp. powyżej 5500C), strata przy prażeniu itp. Wszystko to
sprowadza się do określenia zawiesin: ogólnych, mineralnych i lotnych. W
tym przypadku rozróżnia się: ogólną ilość zawiesin (określa zawartość
składników nierozpuszczalnych, oznacza się je jako pozostałość po
odsączeniu ścieków, wysuszoną do stałej wagi w 1050C), zawiesiny
mineralne (zważenie pozostałości po wyprażeniu w temperaturze 6000C
zawiesin ogólnych), zawiesiny lotne (różnica między zawiesinami
ogólnymi a mineralnymi), uznawane są za organiczną część zawiesin
ogólnych.
Istotnym dla jakości ścieków nie oczyszczonych jest stan ich
świeżości. Parametrami określającymi ten stan oprócz zapachu i
zawartości tlenu jest zagniwalność i ilość siarkowodoru. Operator musi
wielokrotnie w czasie zmiany oglądać ścieki surowe. Zmiana barwy,
mętności czy zapachu pomoże wykryć nieoczekiwany zrzut toksycznych
zanieczyszczeń. Podwyższona temperatura ścieków przyspiesza
procesy rozkładu związków organicznych i powoduje odtlenienie ścieków
przyśpieszając tym samym ich zagniwalność.
Ścieki miejskie charakteryzują się olbrzymią różnorodnością,
chociażby ze względu na różny profil przemysłowy miast.
Zanieczyszczenia obecne w ściekach znajdują się w różnym stopniu
rozproszenia (zawiesiny, emulsje, koloidy, substancje rozpuszczone),
zwykle dzieli się je na: zawiesiny opadające (to te które opadną w ciągu
2h w znormalizowanym leju), nie opadające (dają się oddzielić na filtrze
bibułowym lub membranowym), substancje rozpuszczone.
Każda z podanych grup może być podzielona na substancje
organiczne i nieorganiczne. Szczególną grupę zanieczyszczeń
chemicznych refrakcyjnych (w tym trudno biodegradowalne) stanowią
związki toksyczne (pierwiastki, substancje, czynniki fizyczne) wywołujące
w organizmach roślinnych, zwierzęcych i u człowieka zaburzenia
fizjologiczne, uszkodzenia a nawet śmierć. Do groz
nych trucizn należą:
metale ciężkie: Cd, Hg, Pb, Zn, Cr; pestycydy, WWA, aminy aromatyczne,
nitrozoaminy, PCB, dioksyny, THM, substancje promieniotwórcze. Każda
z nich ma przynajmniej jedną z cech: rakotwórcze, mutagenne,
teratogenne, ulegają bioakumulacji w łańcuchu pokarmowym zwierząt i
ludzi.
Zanieczyszczenia biogenne (N, P, C) powodują masowy rozwój
glonów, które obumierając i ulegając rozkładowi powodują wtórne
zanieczyszczenie wód do wystąpienia procesów gnicia włącznie.
Zanieczyszczenia biologiczne to ogromna liczba drobnoustrojów
głównie wirusów, bakterii, grzybów, a także jaja helmitów (robaków
pasożytniczych). Większość z nich należy do typowej flory heterotroficznej
żyjącej w przewodzie pokarmowym człowieka i zwierząt. Wśród nich są
gatunki chorobotwórcze wywołujące: dur brzuszny, czerwonkę, cholerę,
zakażenie żołądkowo - jelitowe, żółtaczkę, gruz
licę, chorobę Heinego-
Medina, schorzenia skóry i inne.
Postępująca urbanizacja i szybki rozwój przemysłu towarzyszą wzrostowi
zapotrzebowania na wodę i zwiększeniu ładunku zanieczyszczeń, co
sprawiło, że zaczyna brakować wody czystej w niektórych regionach
kraju, stąd problem ochrony wód w naszym kraju jest bardzo ważny.
Niezależnie od ścisłego przestrzegania przepisów ilość zanieczyszczeń
odprowadzanych ograniczyć można przez: oszczędną gospodarkę wodną
w zakładach przemysłowych, zamykanie obiegów wody, oszczędną
gospodarkę surowcową, nowe, mało wodochłonne technologie produkcji,
które ograniczają ilość ścieków.
Określenie typowych składników w ściekach ma na celu
przygotowanie sumarycznej charakterystyki zanieczyszczeń.
Zanieczyszczenia chemiczne można podzielić na: rozpuszczone
substancje organiczne (białko  do 60%, węglowodany, (do 50%), oleje i
tłuszcze (do 10%) oraz rozpuszczone substancje mineralne
Ich ilość określamy głównie poprzez oznaczenie BZT, ChZT, OWO. Nie
ma typowego składu ścieków miejskich. Każdy obiekt musi kontrolować
te parametry, aby dokonać wyboru technologii oczyszczania ścieków.
Pięciodniowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu - BZT , jest to
5
ilość tlenu wyrażona w mgO /l, która zużywana jest w danym okresie
2
obserwacji, na utlenienie związków organicznych na drodze
biochemicznej w warunkach aerobowych, w temp. 200C. Ostatecznym
produktem tej przemiany jest głównie CO i woda. Część związków
2
organicznych ulega syntezie na nowe komórki bakteryjne, które z kolei
ulegają rozkładowi tlenowemu. Proces biochemicznego utleniania
przebiega w dwóch stadiach. Pierwsze obejmuje rozkład związków węgla,
nie zawierających azotu, w drugim zaś utleniane są związki azotowe do
azotynów i azotanów (przyjmuje się, że jest to równanie I-go rzędu
kinetycznego, ze stałą k=0,1).
Chemiczne zapotrzebowanie tlenu - ChZT, jest to ilość utleniacza
potrzebna na utlenienie składników zawartych w ściekach w ściśle
określonych warunkach  przeliczona na równoważną ilość tlenu
wyrażona w mgO /l. Utleniaczami do oznaczania ChZT są:
2
nadmanganian potasu (utlenialność), dichromian potasu i jodan potasu.
Ogólny węgiel organiczny jest najważniejszym wskaz
nikiem
zawartości składników organicznych w ściekach. W rutynowej analizie
zawartość związków organicznych charakteryzuje się różnymi pośrednimi
metodami: stratą przy prażeniu suchej pozostałości, utlenialnością, BZT i
ChZT, absorbancją w UV. Zawartość OWO oznacza się zwykle po
spaleniu substancji organicznych do CO , który następnie oznacza się np.
2
spektrofotometrycznie w podczerwieni lub metodą miareczkowania.
Korelacje pomiędzy wartościami podstawowych wskaz
ników
zanieczyszczeń ścieków są pomocne w praktyce eksploatacyjnej
oczyszczalni i pomagają sprawdzić jakość analiz. Wymienione wskaz
niki
zawartości związków organicznych w ściekach socjalno-bytowych nie
zawierających substancji toksycznych korelują miedzy sobą.
Im bardziej rozłożone są związki organiczne w ściekach tym
mniejszy jest stosunek BZT /OWO i ChZT/OWO.
5
W praktyce eksploatacyjnej korzysta się z następujących
zależności:
a) dla ścieków surowych
BZT /OWO= 1,8 do 2,5 ChZT/OWO = 2,5 do 4,0
5
ChZT/BZT <2 ścieki łatwo biodegradowalne
5
ChZT/BZT >2 ścieki trudnobiodegradowalne
5
b) dla ścieków oczyszczonych
BZT /OWO = 0,5 do 1,0 ChZT/OWO = 1,0 do 2,0
5
Azot całkowity = azot ogólny + azot azotanowy + azot azotynowy
Azot ogólny = azot organiczny +azot amonowy= azot Kjeidhala
Fosfor ogólny = ortofosforany + polifosforany + fosfor organiczny (związany)
Oprócz podanych oznaczeń w ściekach określa się: pH, chlorki,
siarczki, siarczyny, związki azotowe, wapń, magnez, fosfor, potas.
Odrębne zagadnienie stanowi oznaczenie organizmów żywych a w
szczególności bakterii chorobotwórczych i wirusów.
Procesy samooczyszczania
Procesy te zależą od: temperatury, nasłonecznienia, rozwinięcia linii
brzegowej, prędkości przepływu i inne. Ogólnie pojęcie
samooczyszczania obejmuje złożony zespół procesów fizycznych,
chemicznych i biologicznych. Związki organiczne rozkładane są przede
wszystkim przez bakterie saproficzne, które wykorzystują te substancje
jako z
ródło energii oraz na budowę nowej, żywej materii organicznej.
Proces rozkładu przebiega poprzez reakcje enzymatyczne typu redox. W
warunkach tlenowych, w obecności odpowiednich organizmów,
substancje organiczne odprowadzone ze ściekami do odbiornika ulegają
utlenieniu do: CO , H O, siarczanów, azotanów i in.. Oprócz bakterii duże
2 2
znaczenie mają glony, różne formy zwierzęce. W warunkach
beztlenowych procesy rozkładu , często nazywane procesami gnicia lub
fermentacji , przebiegają znacznie wolniej od procesów aerobowych, a ich
produktami są m. in. H S, CH , NH , CO , kwasy organiczne, indol, skatol.
2 4 3 2
Niektóre z nich mają przykry zapach, są szkodliwe a nawet trujące. W
zależności od stopnia zanieczyszczenia odbiornika ściekami występują
odmienne zespoły organizmów wodnych tzw. organizmy wskaz
nikowe -
saprobionty. Rozkład substancji organicznych zachodzi również w
glebie. Najszybciej rozkładowi ulegają węglowodany a następnie białka,
znacznie wolniej: pektyny, ligniny, celuloza, woski, węglowodory o ile nie
są glebami kwaśnymi.
SPOSOBY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW
1.Mechaniczne
2. Fizyczno-chemiczne
3. Biologiczne
Poddawane oczyszczaniu ścieki składają się z nośnika, jakim jest woda,
oraz z zanieczyszczeń: H O + X.
2
Całość procesów oczyszczania umownie rozdzielono na 4 fazy zwane
stopniami oczyszczania:
oczyszczanie I stopnia - wstępne (najczęściej fizyczne)
oczyszczanie II stopnia - biologiczne lub równorzędne chemiczne
oczyszczanie III stopnia - doczyszczanie ścieków z usuwaniem
substancji biogennych
oczyszczanie IV stopnia - odnowa wody.
Oczyszczanie I0 może spełniać rolę samodzielną tylko przy dostatecznie
dużej zdolności samooczyszczania odbiornika, zwykle traktuje się jako
przygotowanie ścieków do dalszych procesów technologicznych. W
ramach tego stopnia oczyszczania stosuje się proste operacje
mechaniczne i procesy fizyczne: cedzenie, sedymentacja, filtrowanie
przez które zmierza się do wydzielenia większych ciał pływających i
wleczonych (skratki), cząstek ziarnistych o umownym zakresie 0,1mm i
większych (piasek), zawiesin łatwo opadających (osady wstępne),
olejów i tłuszczów podatnych na wydzielenie. W najczęściej
stosowanych technologiach oprócz wydzielania skratek i piasku, zakłada
się usuwanie dalszych zanieczyszczeń z następującą efektywnością:
zawiesiny - 60-90%, BZT i ChZT - do 40%, azot i fosfor ogólny - do 20%,
5
bakterie do 75%.
Skratki oddziela się cedząc przez kraty dostosowane prześwitem do
wymogów technologicznych dalszych urządzeń oczyszczalni (10-50mm).
W celu ułatwienia usuwania zanieczyszczeń kraty ustawia się pochyło.
Szybkość przepływu ścieków przez kraty nie może być mniejsza od
0,6m/s, co zapobiega opadaniu piasku. Nadmiernemu spiętrzeniu się
ścieków zapobiega przelew do kanału obiegowego zaopatrzonego w
kratę rzadką.
Sita służą do zatrzymywania zawiesin o wymiarach większych od
1mm. Zasadniczym elementem sita jest siatka lub perforowana blacha
przez którą przepływają ścieki. Stosuje się je do oczyszczania ścieków
przemysłowych, a zwłaszcza do odzyskiwania surowców z tych ścieków.
Zadaniem piaskowników jest zatrzymywanie ziarnistych
zanieczyszczeń mineralnych - piasek i popiół. Są to urządzenia w
kształcie komór o wymiarach tak dobranych, aby umożliwić proces
sedymentacji ziarnistych zanieczyszczeń.
Osadniki wstępne przyjmują ścieki nie oczyszczone lub
oczyszczone tylko metodami mechanicznymi.
Osadniki wtórne są stosowane po urządzeniach do biologicznego
lub fizyczno-chemicznego oczyszczania.
W zależności od sposobu eksploatacji dzielimy je na: o działaniu
ciągłym bądz
okresowym, ponadto ze względu na sposób usuwania
osadu: z ręcznym, z hydraulicznym, z mechanicznym, bądz
osadniki
zespolone z komorą fermentacyjną oraz stawy wypełnione osadem.
Sprawność osadników można zwiększyć przez zastosowanie
koagulantów.
Procesy I stopnia oczyszczania mogą być niekiedy poprzedzane
dodatkowym napowietrzaniem w odrębnych komorach przed osadnikami
wstępnymi. Napowietrzanie stosuje się w celu odświeżenia zagniłych
ścieków.
Oczyszczanie II0 przeprowadza się z reguły przy udziale przystosowanej
do tego celu biocenozy. Zanieczyszczenia te służą mikroorganizmom jako
pokarm i jako budulec nowych komórek. Dzięki tym procesom życiowym
następuje rozkład, utlenianie i ubytek zawartych w ściekach
zanieczyszczeń - w tym zwłaszcza organicznych. Oczyszczone
biologicznie ścieki są mniej podatne na zagniwanie, a tym samym w
mniejszym stopniu naruszają równowagę tlenową wód płynących.
Podstawową miarą efektywności pracy oczyszczalni II stopnia jest
zdolność obniżania ładunku zanieczyszczeń organicznych podatnych
na rozkład i wyrażonych konwencjonalnie przez ubytek BZT . Umownie
5
wyróżnia się:
 niepełne biologiczne oczyszczanie, gdy osiąga się 85% obniżenie
BZT,
pełne, gdy osiąga się efektywność powyżej 85% - zwykle 95% a
stężenie zawiesin nie przekracza 30mg/l.
Dodatkowymi miernikami II stopnia oczyszczania są ubytki ChZT,
OWO, bakterii, a także usuwanie zanieczyszczeń biogennych.
Najbardziej rozpowszechniły się dwie klasyczne formy intensywnego
biologicznego oczyszczania:
z biocenozą osiadłą - złoża biologiczne,
z biocenozą pływającą - komory z osadem czynnym.
W odpływie po klasycznych złożach biologicznych przyrost biomasy
od razu wydzielany jest z osadników wtórnych poza układ, zaś w
komorach osadu czynnego stosuje się wielokrotne zawracanie masy do
obiegu przy jednoczesnym wydzielaniu osadu nadmiernego. Niezależnie
od rozwijających się metod intensywnego oczyszczania ścieków, mogą
okazać się przydatne uproszczone rozwiązania.
Oczyszczanie III0 to usuwanie resztkowych zawiesin i substancji
biogennych. Pozostałe po wcześniejszym oczyszczaniu mikroorganizmy
powodują, że w odpływie z oczyszczalni ChZT utrzymuje się jeszcze w
granicach kilkudziesięciu gO /m3, tylko częściowo są usunięte substancje
2
biogenne, nadal jest wysoki poziom innych rozpuszczonych soli,
zwłaszcza mineralnych. W naszych warunkach daje się stosować stawy
biologiczne, drenaż, pola nawadniające. Doczyszczanie ścieków w
warunkach zbliżonych do naturalnych nie zawsze jest wystarczające ze
względów gospodarczych.
W pierwszej kolejności przeprowadza się usuwanie fosforu (jest
on odpowiedzialny przede wszystkim za eutrofizację wód) i najczęściej
realizuje się to na drodze chemicznej.
Azot usuwa się mając na uwadze nie tylko eutrofizację wód
powierzchniowych, lecz także względy zdrowotne a także jakość wody
pobieranej do celów przemysłowych. W dopływie do oczyszczalni
miejskich przeciętnie blisko połowa azotu występuje w postaci azotu
amonowego, a reszta to azot organiczny, udział azotynów i azotanów jest
około 5%.
Usuwanie azotu w postaci amoniakalnej (50-90% ubytku N
całkowitego) w krajach o ciepłym klimacie osiąga się przez desorpcję.
Praktycznie łączy się ten proces z uprzednią koagulacją ścieków
wapnem, uzyskując przy tym eliminację fosforu. W naszych warunkach
można byłoby usuwać amoniak metodami biologicznymi, można
wykorzystywać selektywną wymianę jonową bądz
odwróconą osmozę. W
drugiej grupie procesów ukierunkowanych na usunięcie azotu w postaci
azotanów, zmierza się wpierw do osiągnięcia możliwie pełnej
nitryfikacji azotu, a następnie z tej postaci uwalnia się go podczas
denitryfikacji.
Korzystne efekty uzyskuje się podczas oczyszczania ścieków w
gruncie (do 90%) albo przez desorpcję przez glony (do 80%).
Skuteczne usuwanie azotanów (do 90%) następuje równocześnie z
demineralizacją w procesie odwróconej osmozy. W ramach III stopnia
oczyszczania, oprócz opisanych sposobów usuwania biogenów,
stosowane są inne procesy zmierzające do obniżenia stężeń dalszych
zanieczyszczeń. W tym celu stosuje się różne kombinacje procesów.
Do podstawowych należą:
chemiczna obróbka ścieków,
klarowanie,
filtrowanie.
Oczyszczanie IV0 (odnowa wody) - w wodach poprzednio oczyszczonych
pozostają zanieczyszczenia refrakcyjne oraz duże zasolenie.
Resztkowe organiczne zanieczyszczenia pozostające po chemicznym
strąceniu i filtracji usuwane są za pomocą adsorpcji na węglu aktywnym
bądz
utlenianiem ozonem.
W ramach IV stopnia oczyszczania osobną grupę stanowią procesy
nastawione na odsolenie. Osiąga się je przez dekarbonizację ścieków
wapnem, usuwając w ten sposób twardość węglanową. Pełniejsze
odsalanie uzyskuje się poprzez:
wymianę jonową,
filtrację przez półprzepuszczalne błony
odparowanie,
elektrodializę,
procesy wymrażania.
RODZAJE OCZYSZCZALNI
Oczyszczalnią ścieków nazywany jest zespół obiektów technologicznych
i pomocniczych służących do oczyszczania ścieków i przeróbki osadów
pościekowych. Ze względu na stosowane metody oczyszczania i
odpowiadające im urządzenia oczyszczalnie dzielimy na: mechaniczne,
chemiczne, biologiczne. Ponieważ metody chemiczne i biologiczne są
zazwyczaj stosowane w połączeniu z metodami mechanicznymi, stąd
oczyszczalnie dzielą się na: mechaniczno-chemiczne, mechaniczno-
biologiczne, mechaniczno-chemiczno- biologiczne.
Ze względu na stopień oczyszczania ścieków można wyróżnić
oczyszczalnie o następującym zakresie działania:
- wstępne mechaniczne oczyszczanie ścieków z zagospodarowaniem
osadów,
- pełne mechaniczne (lub mech.-chem.) i przeróbka osadów
pościekowych,
- pełne mechaniczne (lub mech.-chem.) i biologiczne oraz przeróbka
osadów pościekowych,
- pełne mechaniczne i biologiczne oczyszczanie, usuwanie azotanów
i fosforanów, przeróbka osadów pościekowych.
Do wstępnego mechanicznego oczyszczania stosowane są kraty,
piaskowniki, odtłuszczacze. Ścieki mogą być dalej oczyszczane
mechanicznie na sitach i w osadnikach (pełne mechaniczne
oczyszczanie). W razie potrzeby ścieki po pełnym oczyszczaniu
mechanicznym lub nawet mechaniczno-chemicznym kieruje się do
oczyszczania biologicznego. Odpływy po biologicznym oczyszczaniu
zawierać mogą znaczne ilości azotanów i fosforanów, stąd też należy
zastosować III lub IV stopień oczyszczania.
MECHANICZNE OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW
Kraty służą do uwalniania ścieków od większych zanieczyszczeń
(prześwit od 10 do 50 mm), mogą one być ruchome lub stałe,
oczyszczane ręcznie lub mechanicznie. Szybkość przepływu ścieków
przez kraty nie może być mniejsza od 0,6 m/s.
Sita służą do zatrzymywania zawiesin o wymiarach większych od 1 mm.
Zasadniczym elementem sita jest siatka lub perforowana blacha. Są one
zwykle ruchome z ciągłym oczyszczaniem. Nie są używane do
oczyszczania ścieków miejskich lecz przemysłowych, w celu odzyskania
surowców.
Piaskowniki - zadaniem ich jest zatrzymywanie ziarnistych
zanieczyszczeń mineralnych (piasek, popiół). Piasek usuwany w
piaskowniku powinien być wolny od organicznych zanieczyszczeń.
Odtłuszczacze służą do usuwania zanieczyszczeń o gęstości mniejszej
od wody. Przedmuchiwanie ścieków powietrzem ułatwia wypływanie
tłuszczu oraz zapobiega opadaniu zawiesin. Urządzenia typu
odtłuszczaczy znajdują zastosowanie do odzyskiwania surowców ze
ścieków przemysłowych. Zwane są one wówczas łapaczami i
instalowane są zazwyczaj na poszczególnych oddziałach produkcyjnych.
Osadniki służą do usuwania ze ścieków zawiesin łatwo opadających nie
zatrzymanych w piaskowniku. Drugą istotną funkcją osadników jest
zatrzymywanie substancji lżejszych od wody, które nie zostały oddzielone
w odtłuszczaczu. Sprawność osadników mierzy się stopniem usuwania
zawiesin łatwo opadających (2 h w leju Imhoffa). Czas przebywania
ścieków w osadniku wynosi od 1,5 do 2,5 h, aby nie nastąpiło zagnicie
ścieków, jednak im dłuższy jest czas zatrzymania tym lepsze wyniki.
Parametry do projektowania osadników dobiera się doświadczalnie w
warunkach laboratoryjnych.
Osadniki dzieli się na: wstępne (przyjmują ścieki nieoczyszczone lub po
mech. oczyszczaniu) i wtórne (po urządzeniach do biologicznego lub
chemicznego oczyszczania). Mogą one pracować w sposób ciągły lub
okresowo, ze względu na kształt mogą być prostokątne i kołowe, poziome
lub pionowe, z ręcznym bądz
mechanicznym, hydraulicznym usuwaniem
osadu, zespolone z komorą fermentacyjną, stawy wypełnione osadem.
Należy dbać o równomierny przepływ ścieków. Sprawność podnosimy
poprzez wprowadzenie koagulantów.
Koagulacja stosowana jest wtedy gdy oczyszczanie mechaniczne nie
daje zadawalających rezultatów. Proces ten prowadzi się tak samo jak
przy uzdatnianiu wody.
Zobojętnianie wykonuje się poprzez: zmieszanie ścieków kwaśnych z
zasadowymi, neutralizację chemikaliami, przepuszczanie ścieków
kwaśnych przez zasadowe złoża, przepuszczanie przez zasadowe ścieki
gazów spalinowych, wykorzystanie rezerw neutralizacyjnych odbiornika.
Podstawowym środkiem neutralizacyjnym dla ścieków kwaśnych jest
wapno palone lub hydratyzowane, NaOH i filtry z magnezytem palonym
lub węglanem wapniowym. Do neutralizacji ścieków zasadowych służą
kwasy lub gazy spalinowe w przeciwprądowych kolumnach.
Sorpcja i wymiana jonowa stosowana jest do odzysku cennych
surowców bądz
usuwania składników uciążliwych. Sorbentami mogą być:
popioły lotne, szlaka, torf, węgiel, koks, ruda darniowa. Do odzysku
cennych składników stosuje się: węgiel aktywny, żel krzemionkowy,
sorbenty i jonity syntetyczne.
Utlenianie środkami chemicznymi składników ścieków w celu
degradacji bądz
dezynfekcji odbywa się przy użyciu: chloru, dwutlenku
chloru, podchlorynu, ozonu, nadmanganianu potasu i in..
BIOLOGICZNE METODY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW
Naturalne metody biologiczne
1. Nawadnianie.
2. Irygacja.
3. Pola filtracyjne.
4. Stawy biologiczne.
Ad. 1. Wartość dla rolnictwa posiadają zawarte w ściekach
substancje nawozowe i humusowe a przede wszystkim woda. Należy
jednak pamiętać, że nawadnianiu ściekami towarzyszy
niebezpieczeństwo przenoszenia bakterii, pasożytów a także innych
substancji toksycznych. Metodę tą stosuje się tylko sezonowo, a
przeważająca ilość wody nie powraca do odbiornika, lecz zostaje pobrana
przez rośliny lub odparowuje. Metodę tą stosuje się zazwyczaj dla małych
osiedli lub zakładów i tylko w tych rejonach gdzie ilość opadów w okresie
wegetacji roślin jest odpowiednio niska (w Polsce nawadnia się około 11
tys. ha gruntów, a w USA 15 mln ha - głównie wodami powierzchniowymi,
podziemnymi lub ściekami oczyszczonymi sztucznymi metodami
biologicznymi). Może to być nawadnianie zalewowe, stokowe, bruzdowe,
podziemne, deszczowanie. Pola nawadniane dobrze przyjmują ścieki w
okresie letniej posuchy. Powinna istnieć oczyszczalnia pracująca
przynajmniej w tych okresach, w których ścieki nie mogą być użyte do
celów rolniczych.
Ad. 2. W odróżnieniu od nawadniania celem pól irygacyjnych jest
oczyszczanie ścieków, osiągane korzyści rolnicze są drugoplanowym
zagadnieniem. Pola irygacyjne zakłada się na gruntach piaszczystych,
przepuszczalnych i suchych. Ścieki oczyszczane na polach irygacyjnych
powinny być wstępnie odtłuszczone i pozbawione zawiesin. Najlepsze
efekty osiąga się w okresie letnim, zaś w innych przypadkach należy
stosować dodatkowe urządzenia: osadniki, niekiedy wymagana jest
koagulacja, sztuczne biologiczne oczyszczanie ścieków. Zaleca się
zakładanie ochronnych stref wokół pól irygacyjnych.
Ad.3. Grunty wykorzystywane do oczyszczania ścieków bez
rolniczego ich użytkowania noszą nazwę pól filtracyjnych lub
gruntowych. Pola te zakładane są tylko na gruntach piaszczystych o
odpowiedniej przepuszczalności. Pola filtracyjne składają się z szeregu
zdrenowanych poletek o wielkości do 0,4 ha, otoczonych groblami, w
których ułożone są rurociągi lub koryta na głębokości 1m, w odstępach
10m. Poletka zalewa się warstwą ścieków 5-10 cm w czasie 15 minut.
Częstotliwość zalewania uzależniona jest od stężenia ścieków. Proces
przesiąkania powinien być zakończony w ciągu 4 godzin. Redukcja BZT
przekracza 90%, a zawartość bakterii zmniejsza się o przeszło 95%.
Ścieki są klarowne, nie zagniwają. Ten wysoki stopień oczyszczania
uzyskuje się na drodze biochemicznego utleniania zanieczyszczeń. Na
ziarnach piasku znajduje się cienka warstwa błony biologicznej, która
adsorbuje związki organiczne zawarte w ściekach. Rozkład tych
substancji i regeneracja zdolności sorpcyjnych błony biologicznej
następuje w czasie przerw między kolejnymi zalewaniami. Powietrze
zawarte w porach złoża ulega wymianie podczas każdego zalania
poletka, bowiem ścieki wsiąkając powodują wypieranie powietrza.
Ad.4. Stawami biologicznymi nazywa się zbiorniki wodne
naturalne bądz
sztuczne. Oczyszczanie ścieków powodują organizmy
znajdujące się w stawie (bakterie), a w stawach tlenowych także glony.
Rozróżnia się 2 rodzaje stawów biologicznych:
- procesy oczyszczania przebiegają w warunkach beztlenowych,
- procesy oczyszczania przebiegają w warunkach tlenowych.
Znacznie większe zastosowanie mają stawy pracujące w warunkach
tlenowych. Często dodatkowo natlenia się ścieki.
W zależności od biocenozy tlenowych stawów biologicznych można
podzielić je na stawy:
- rybne,
- glonowo-bakteryjne,
- glonowe.
Stawy rybne stosuje się do oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych
oraz przemysłu spożywczego. Do stawów doprowadza się ścieki
oczyszczone mechanicznie oraz wodę rozcieńczającą, zasobną w tlen,
stężenie tlenu musi być na poziomie 3-4 g/l. Są one eksploatowane od
wiosny do jesieni.
Stawy glonowo-bakteryjne mogą przyjmować znacznie więcej ścieków.
W okresie zimowym nie są one opróżniane, lecz pracują jako osadniki
gnilne.
Stawy glonowe stosowane są jako końcowy etap oczyszczania ścieków.
Glony usuwa się, a staw służy do usuwania substancji pożywkowych:
azotanów i fosforanów.
SZTUCZNE METODY BIOLOGICZNE
ZA
OŻE BIOLOGICZNE
Jest to urządzenie do biologicznego oczyszczania ścieków w środowisku
powietrznym, pracujące na zasadzie przekraplania ścieków przez
materiał wypełniający złoże.
Zasadniczą częścią złoża jest zatem materiał wypełniający, na
powierzchni którego w czasie przekraplania ścieków rozwija się tzw.
błona biologiczna.
Mikroorganizmy zasiedlające błonę biologiczną adsorbują zawarte w
ściekach zanieczyszczenia organiczne i następnie rozkładają je w
warunkach tlenowych.
Warunkiem odpowiedniej pracy złoża biologicznego jest istnienie
odpowiedniej ilości błony biologicznej jak też łatwość dostępu tlenu do
całej objętości złoża.
Błona biologiczna rozwija się na powierzchni materiału wypełniającego,
a procesy tlenowego rozkładu substancji organicznych zachodzą tylko w
jej cienkiej (2mm) warstwie, wypełnienie złoża powinno zapewniać
odpowiednio dużą powierzchnię, na której błona biologiczna będzie mogła
się rozwijać. Powierzchnia materiału wypełniającego złoże zależy od
jego wypełnienia i wzrasta ze zmniejszaniem się wymiarów kruszywa
wypełniającego złoże:
1m3 kruszywa o uziarnieniu 4-8 cm daje ok. 95m2 powierzchni,
1m3 kruszywa o uziarnieniu 2-4 cm daje 190m2.
Mniejsza granulacja kruszywa zapewnia korzystniejsze warunki dla
ilościowego rozwoju błony biologicznej, jest natomiast niekorzystna jest z
uwagi na zmniejszony dostęp powietrza i tlenu do złoża, przez co obniża
skuteczność oczyszczania (2x zmniejszają się wymiary - 8x zmniejsza się
objętość wolnych przestrzeni).
W praktyce wymiary kruszywa mogą wynosić 5-8 cm dla złóż wysokich i
3-6cm dla złóż niskich (poniżej 2,5 m wys.). Od wysokości złoża zależy:
czas przepływu ścieków przez złoże,
czas kontaktu ścieków z mikroorganizmami błony biologicznej.
Czas kontaktu ścieków z materiałem wypełniającym zależy od tzw.
obciążenia hydraulicznego powierzchni złoża, wyrażonego w m3 ścieków
przepływających przez m2 powierzchni złoża w ciągu godziny
(m3/m2.h=m/h). Dla złóż wysoko-obciążonych przyjmuje się obciążenie
hydrauliczne powyżej 0,8 m/h, na ogół do 1,5 m/h.
Ogólnie można powiedzieć, że czas kontaktu ścieków ze złożem jest
funkcją obciążenia hydraulicznego powierzchni złoża - q , wysokości
f
złoża - H i wewnętrznej powierzchni zwilżonej złoża F , zależnej od
zw
granulacji uziarnienia. Czas kontaktu ścieków ze złożem jest wprost
proporcjonalny do wysokości złoża H i odwrotnie proporcjonalny do
obciążenia hydraulicznego złoża ( T=H/q2/3).
Na czas kontaktu ścieków ze złożem istotny wpływ ma sposób
rozdziału ścieków po powierzchni złoża, co w praktyce jest bardzo
trudne. Kierunek ruchu ścieków nie jest prostoliniowy lecz zmienny.
Wszystkie te czynniki powodują, że rzeczywisty czas kontaktu
ścieków ze złożem nie może być obliczany teoretycznie, lecz należy go
ustalać doświadczalnie.
Wymienione parametry wywierają bardzo duży wpływ na tzw.
zdolność natleniającą złoża. Jest to ilość tlenu, która może rozpuścić
się w ściekach w czasie ich przepływu przez złoże, na jednostkę jego
objętości i w jednostce czasu (wyraża się ją w gO /m3 .dni). Zdolność
2
natleniającą zapewnia istnienie naturalnego ciągu powietrza przez złoże,
który powstaje na skutek różnicy temp. ścieków i otaczającego powietrza.
Przepływ powietrza może być skierowany z góry na dół jak i z dołu do
góry. Czasem zachodzi konieczność napowietrzania złoża sztucznie.
Proces oczyszczania ścieków na złożach biologicznych zachodzi w
czasie przepływu ścieków przez materiał wypełniający złoże. Na
powierzchni materiału wypełniającego rozwija się błona biologicznna,
którą zasiedlają bakterie, grzyby, glony, pierwotniaki i inne wyższe
organizmy.
Dzięki właściwościom sorpcyjnym i koagulacyjnym błony część
zanieczyszczeń doprowadzanych ze ściekami jest zatrzymywana na
złożu. Te organizmy w warunkach tlenowych adsorbują substancje
organiczne zawarte w ściekach i zużywają je do swoich procesów
życiowych lub do budowy nowych komórek mikroorganizmów. W ten
sposób substancje organiczne ze ścieków są częściowo bezpośrednio
utleniane (enzymatycznie) do ditenku węgla i wody lub utlenionych
związków mineralnych azotu, fosforu i siarki. Część zaś zużyta zostaje do
budowy nowych mikroorganizmów. Z kolei mikroorganizmy błony
biologicznej w sposób naturalny starzeją się, obumierają. Martwa część
błony biologicznej może być utleniona bezpośrednio w złożu
(autooksydacja), lub przy odpowiednio szybkim przepływie ścieków przez
złoże może być odrywana od materiału wypełniającego, unoszona wraz z
odpływającymi ściekami i oddzielana od ścieków w postaci osadu w
osadnikach wtórnych. Na ogół oba te zjawiska odładowania złoża
zachodzą jednocześnie.
Stopień utlenienia substancji organicznych zawartych w ściekach,
stopień przyrostu błony biologicznej i stopień autooksydacji zależą
od rodzaju złóż i warunków ich pracy. W pierwszym okresie pracy złoża
efekty oczyszczania ścieków są minimalne. Zwiększają się one w miarę
wytwarzania się błony biologicznej na powierzchni wypełnienia.
Czas potrzebny na wytworzenie 2 mm błony nazywa się
dojrzewaniem albo wpracowywaniem się złoża.
Uzyskanie odpowiedniej sprawności złoża uzależnione jest od:
możliwości rozwoju na danych ściekach błony biologicznej,
odpowiedniego napowietrzenia, równomiernego rozdziału ścieków na
złożu, temperatury.
Rozróżnia się złoża niskoobciążone (zraszane) i wysokoobciążone
(spłukiwane), średnio i bardzo wysokoobciążone. Podstawą podziału
są następujące parametry technologiczne:
- obciążenie hydrauliczne powierzchni złóż,
- obciążenie objętości złóż ładunkiem zanieczyszczeń,
- efekt oczyszczania ścieków, wyrażony w redukcji BZT w % lub jako
5
wartość BZT odpływu w mg/l.
5
Na złożach oczyszczać można ścieki bytowo-gospodarcze oraz niektóre
ścieki przemysłowe, poddane uprzednio oczyszczaniu mechanicznemu.
Stężenie ścieków dopływających nie powinno być wysokie: BZT do 150
5
mg O /l lub ChZT do 250 mg O /l, zawartość azotu w ściekach powinna
2 2
wynosić ok. 3-4%, a zawartość fosforu ok. 1% w stosunku do BZT . Są to
5
czynniki niezbędne dla rozwoju błony biologicznej i procesów
metabolizmu. Doprowadzanie ścieków o większym stężeniu powoduje
szybkie zarastanie złóż, aby temu zapobiec należy zastosować
recyrkulację (zawracanie części ścieków oczyszczonych).
Recyrkulacja powoduje także zwiększenie aktywności złoża,
ponieważ zawracane ścieki wnoszą tlen, azotany i mikroorganizmy. W
dobrze zaprojektowanym złożu przy różnicy temp. 40 dopływ tlenu jest
około 20x większy od teoretycznego zapotrzebowania. Temperatura
powietrza wewnątrz złoża jest prawie równa temperaturze ścieków.
Powietrze wewnątrz złoża jest zatem zimą cieplejsze a latem zimniejsze
od powietrza na zewnątrz.
Zimą powietrze przepływa od dołu do góry a latem w kierunku
przeciwnym, jednak sztuczny ciąg powietrza stosuje się rzadko.
Równomierny rozdział ścieków na złoże jest niezbędny do
uzyskania dobrej wydajności. W temp. 60C następuje całkowite
zahamowanie procesu oczyszczania zaś w 100C sprawność wynosi 62%
w stosunku do sprawności w temp. 200C. Gwałtowny spadek sprawności
występuje po przekroczeniu 380C. Stopień oczyszczenia ścieków
uzyskiwany w oczyszczalni ze złożami biologicznymi wynosi od 65 do
95%, przy czym dla złóż spłukiwanych nie przekracza 85%.
Zasadniczymi wadami złóż zraszanych niskoobciążonych jest:
wrażliwość na przeciążenia
zmiany temperatury powietrza
przykry zapach
plaga małych muszek  Psychoda .
Złoża biologiczne zostały opracowane w wyniku udoskonalania pól
filtracyjnych.
Dla ograniczenia dużej powierzchni pól filtracyjnych należało
zastosować wyższe warstwy materiału filtracyjnego i lepiej napowietrzane.
Wiązało się to z koniecznością wprowadzania materiału o większej
średnicy ziarna od tej, która występuje w zwykłych gruntach
piaszczystych.
METODA OSADU CZYNNEGO
Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego polega na ich
napowietrzeniu z charakterystycznym zespołem drobnoustrojów tzw.
osadem czynnym oraz na oddzieleniu osadu od oczyszczanych ścieków
w osadnikach wtórnych. Kłaczki osadu czynnego stanowią żelowatą masę
w której żyją głównie bakterie i pierwotniaki. Wskutek znacznych
własności sorpcyjnych osadu czynnego związki organiczne zawarte w
ściekach ulegają sorpcji na powierzchni kłaczków a następnie zostają
utleniane lub zużyte na biosyntezę nowych komórek. Efektywność
oczyszczania zależy przede wszystkim od działalności fizjologicznej
bakterii, których niezwykle duża liczba zgromadzona jest w małej
objętości. Rola pierwotniaków polega głównie na regulowaniu ilości
bakterii (przypomina to proces samooczyszczania). W celu zapewnienia
jak najlepszego kontaktu pomiędzy ściekami a osadem czynnym
konieczne jest utrzymywanie go w stanie zawieszenia w przepływających
ściekach. Służy do tego mieszanie ścieków sprężonym powietrzem lub
urządzeniami mechanicznymi. Chodzi tu także o dostarczenie tlenu,
którego stężenie powinno być na poziomie 2 mg/l. Podwyższenie
stężenia nie powoduje zwiększenia szybkości rozkładu zanieczyszczeń,
zmniejsza natomiast sprawność napowietrzania (wynosi ona często 10%
a wyjątkowo dochodzi do 30%). Stężenie tlenu w stanie nasycenia wynosi
10 g/m3, podczas kiedy całkowite BZT ścieków bytowych przekracza 500
g/m3 O . Z porównania tych liczb wynika, że w celu oczyszczenia ścieków
2
należałoby powtarzać kilkakrotnie napowietrzanie od zera do stanu
nasycenia kilkadziesiąt razy. Odpowiednią, dużą szybkość utleniania
zanieczyszczeń uzyskujemy w obecności zespołu drobnoustrojów.
Zbiorniki, w których odbywa się napowietrzanie ścieków i mieszanie ich z
osadem czynnym noszą nazwę komór napowietrzania.
Stosowane jest w nich napowietrzanie powierzchniowe (urządzeniami
mechanicznymi) lub sprężonym powietrzem. Do napowietrzania
powierzchniowego służą: koła łopatkowe, mieszadła turbinowe, szczotki
stalowe Kessenera, wirniki umieszczone w rurze powodujące zassanie
ścieków do rury i wyrzucenie ich na zewnątrz (sposób Boltona).
W komorach napowietrzanych sprężonym powietrzem powietrze
doprowadzane jest za pomocą: płytek perforowanych zwanych filtrosami,
dysz, rur perforowanych. Powietrze doprowadzane jest zwykle na dnie
komór (3-4 m głębokości). Stosowany powszechnie ruszt  Inka jest
umieszczony na głębokości 0,8 m, co pozwala zastąpić sprężarki
wentylatorami i obniżyć zużycie energii elektrycznej. W metodzie
oczyszczania ścieków osadem czynnym można wyróżnić następujące
etapy:
1) oczyszczanie ścieków w osadniku wstępnym
2) mieszanie ścieków wstępnie oczyszczonych z osadem
czynnym
3) napowietrzanie mieszaniny ścieków z osadem
4) oddzielanie osadu w osadniku wtórnym
5) zawracanie części osadu z osadnika do komory
napowietrzania
6) odprowadzanie nadmiaru osadu czynnego do osadnika
wstępnego lub do wydzielonej komory fermentacyjnej w celu
jego przeróbki.
Metoda oczyszczania ścieków osadem czynnym jest bardzo
elastyczna, tzn. może być realizowana przy bardzo różnych parametrach
obciążenia komór napowietrzania, obciążenia osadu czynnego, czasu
oczyszczania ścieków.
Elastyczność metody wynika z bardzo dużych możliwości regulacji
intensywności napowietrzania i zawartości osadu w komorach.
Metoda osadu czynnego została opracowana do oczyszczania
ścieków miejskich, ale już w krótkim czasie zastosowano ją do
oczyszczania ścieków przemysłowych.
W wielu przypadkach drobnoustroje potrafią  zaaklimatyzować się
nawet w obecności substancji toksycznych. Następuje przy tym albo
rozkład materiału toksycznego np. fenoli, amin, nitryli i innych, albo też
selektywny wzrost mikroorganizmów zdolnych do procesów metabolizmu
(przemiany materii) w obecności substancji trujących np. chromu, miedzi,
siarczków.
Jeśli proces biologicznego utleniania ma przebiegać sprawnie
konieczne jest zapewnienie odpowiedniej zawartości soli pokarmowych w
ściekach.
Przeciętny stosunek BZT : N : P powinien kształtować się jak
5
100 : 5 : 1. Niezbędna jest również obecność w ściekach niewielkich
ilości takich pierwiastków jak: K, Ca, Mg, Fe, Mn i innych.
Zazwyczaj uzupełniany jest niedobór azotu i fosforu, pozostałe
pierwiastki występują prawie zawsze w ściekach w wystarczających
ilościach.
Znaczny wpływ na przebieg procesu oczyszczania ścieków metodą
osadu czynnego wywiera pH.
Zmiany pH mogą spowodować obniżenie kinetyki procesu lub nawet
całkowite jego zahamowanie (optymalny zakres pH 6-9).
PRZERÓBKA OSADÓW ŚCIEKOWYCH
Osady ściekowe powstające w oczyszczalni muszą być
przetworzone na nieszkodliwe produkty końcowe i usunięte z terenu
oczyszczalni. Surowe osady wydzielone w oczyszczalni (OW i ON) są
niebezpieczne sanitarnie, ponieważ zawierają pasożyty, bakterie
chorobotwórcze i wirusy. Osady te posiadają zdolność do zagniwania tj.
rozkładu beztlenowego związków organicznych, co wiąże się z
wydzielaniem bardzo przykrych i uciążliwych zapachów. Osady surowe
wymagają stabilizacji składu chemicznego (zlikwidowanie zdolności do
zagniwania). Stabilizacja ta obejmuje procesy: chemiczne, biologiczne i
termiczne. W czasie stabilizacji osadów następują zmiany w zawartości
wody bowiem następuje hydroliza i rozkład ciał stałych, zmiany w
zawartości i właściwościach ciał stałych (cząstek osadu) oraz zmiany w
ilości rozpuszczonych gazów.
Osady po stabilizacji (ustabilizowane) wymagają ostatecznego
usunięcia z terenu oczyszczalni.
- rolnicze wykorzystanie w stanie płynnym lub odwodnionym,
ustabilizowany bez organizmów chorobotwórczych
- składowanie na wysypiskach ustabilizowanych, higienicznie
bezpiecznych i maksymalnie odwodnione
- spalanie wymaga odwodnienia bez stabilizacji. Popiół składowany jest
na składowisku.
Wybór metody stabilizacji osadów zależy od sposobu jego
ostatecznego usunięcia z oczyszczalni oraz od wielkości oczyszczalni, np.
osady kierowane do spalania lub granulacji termicznej nie wymagają
stabilizacji biologicznej czy chemicznej i bez organizmów
chorobotwórczych.
SKA
AD FIZYCZNO-CHEMICZNY OSADÓW
Skład osadów jest ważny z powodu wyboru sposobu stabilizacji,
możliwości jego ostatecznego unieszkodliwiania, podstawą do oceny
prawidłowości przebiegu procesu stabilizacji oraz oceny stabilności
osadu. Skład uzależniony jest od rodzaju i ilości zanieczyszczeń
usuwanych ze ścieków.
Zakres analiz fizyczno-chemicznych osadów zależy od celu i
potrzeb użytkownika. Są to oznaczenia fizyczne: temperatura, barwa,
konsystencja, uwodnienie oraz chemiczne: sucha masa, sucha masa
organiczna, zawartość azotu, fosforu, potasu (NPK), zawartość
poszczególnych metali ciężkich oraz ich suma, kwasy lotne. Ponadto
wykonuje się oznaczenia biologiczne: liczba bakterii chorobotwórczych,
pasożytów i jaj pasożytów. Czasem oznacza się zawartość pestycydów,
tłuszczy i białek.
ZAG
SZCZANIE OSADÓW
Woda w osadach występuje w trzech postaciach:
- woda wolna (międzycząsteczkowa)
- woda kapilarna
- woda związana chemicznie.
Tylko woda wolna jest usuwana z osadu w procesie zagęszczania.
Może być usunięta w procesie odstania czy odsączania.
Zagęszczanie osadu może być:
- samoistne (grawitacyjne) w osadnikach lub zagęszczaczach
grawitacyjnych osadów (przepływowe, porcjowe)
- flotacyjne (wynoszenie cząstek osadu za pomocą powietrza na
powierzchnię zagęszczacza
- mechaniczne (filtracja lub wirowanie).
ODWADNIANIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH
Woda kapilarna usuwana jest w procesie odwadniania mechanicznego
lub naturalnego. Woda ta występuje w zakresie uwodnień od 50 do 80%.
Woda związana usuwana jest w procesach suszenia. Odwadnianie
stosuje się zarówno dla osadów surowych jak i dla osadów po stabilizacji.
Odwadnianie naturalne
Popularnym urządzeniem do odwadniania naturalnego w małych
oczyszczalniach są poletka osadowe. Filtracja cieczy nadosadowej przez
warstwę osadu i warstwę piasku zależy od oporu właściwego, który
decyduje o tym że udział filtracji jest niewielki. Dominującym procesem
decydującym o odwadnianiu (usunięcie wody kapilarnej i wolnej) jest
bilans opadu i parowania.
Czas odwadniania osadu na poletkach jest dość długi i wynosi od 1
do 1,5 miesiąca. W Polsce w okresie zimowym, ze względu na niską
temperaturę i wielkość opadów proces ten nie zachodzi. Odwadnianie na
poletkach można przyspieszyć poprzez wprowadzanie polimerów,
przykrycie poletek dachem oraz grubość warstwy osadu, która nie
powinna być wyższa od 0,3m.
Wysuszony osad musi być składowany przez okres przynajmniej 1
roku na terenie oczyszczalni a dalej musi znalez
ć przeznaczenie.
Laguny osadowe są to zbiorniki ziemne (najczęściej) o wysokości
warstwy osadu od 1 do 2 m. Efektywność odwadniania osadów jest
mniejsza niż na poletkach osadowych. Laguny są archaicznym
rozwiązaniem nie spełniających nawet wymogów estetycznych.
Optymalny okres ich eksploatacji wynosi 3 lata, a obecnie nie jest to
polecany sposób odwadniania.
Odwadnianie mechaniczne
Usuwa się z osadów wodę wolną oraz kapilarną. Odwadnianie
mechaniczne wykorzystuje:
- siły odśrodkowe (wirówki)
- filtrację cieczy przez warstwę osadu (prasy filtracyjne, prasy filtracyjno-
taśmowe, filtry próżniowe, prasy śrubowe)
- procesy termiczne.
Przy odwadnianiu mechanicznym stosuje się kondycjonowanie osadu
poprzez wprowadzanie polimerów, które należy dobierać dla każdego
osadu oddzielnie.
Suszenie termiczne
Proces ten wykorzystywany jest do przyspieszenia usuwania wody z
osadów poprzez kontakt z gorącym powietrzem lub gorącymi gazami
spalinowymi. Suszenie termiczne jest często uzupełniającym stopniem
odwadniania osadów przed ich spaleniem. Do suszenia wykorzystuje się
suszarki rozpyłowe, obrotowe itd.
STABILIZACJA OSADÓW
Stabilizacja osadów (przeróbka) może być prowadzona w :
- procesach biologicznych (fermentacja metanowa, tlenowa stabilizacja,
kompostowanie)
- procesach chemicznych (wapnowanie osadów)
- procesach termicznych (termokondycjonowanie, mokre spalanie,
piroliza, spalanie osadów).
W czasie stabilizacji zmianie ulega zawartość wody, zawartość i
właściwości ciał stałych (cząstek osadu), oraz ilość rozpuszczonych gazów.
Stabilizacja osadów jest procesem kosztownym (porównywalna z kosztami
budowy całej oczyszczalni). Stabilizacja osadów umożliwia ich póz
niejsze
bezpieczne składowanie lub wykorzystanie. Giną patogeny, zmniejsza się
zagniwalność osadu oraz zawartość związków organicznych.
STABILIZACJA BIOLOGICZNA
Organiczne cząstki osadów mogą być rozkładane
(biodegradowalne) przez mikroorganizmy w warunkach beztlenowych
(fermentacja metanowa) lub tlenowych (stabilizacja tlenowa).
Rozkład zanieczyszczeń organicznych osadu w warunkach
tlenowych lub beztlenowych, w obecności innych odpadów organicznych
(kora drzewna, trociny, słoma itp.) nosi nazwę kompostowania.
Biologiczna stabilizacja osadów może być prowadzona w układzie jedno-
lub wielostopniowym. Fermentacja metanowa pozwala na odzysk energii,
natomiast tlenowa stabilizacja i kompostowanie wymagają doprowadzenia
energii z zewnątrz.
Fermentacja metanowa
Jest to proces wielofazowy w którym w fazie I bakterie hydrolityczne
za pomocą enzymów zewnątrzkomórkowych rozkładają nierozpuszczalne
związki organiczne osadów (celuloza, ligniny, białka, tłuszcze) do
związków rozpuszczalnych w wodzie, takich jak kwasy tłuszczowe,
alkohole, amoniak itd.. W fazie II bakterie kwasowe rozkładają te związki
rozpuszczalne do prostych kwasów organicznych takich jak: kwas octowy,
kwas propionowy, wodór i dwutlenek węgla. Jest to tzw. fermentacja
kwaśna. Metabolity fermentacji kwaśnej są substratem fazy III dla bakterii
heterotroficznych (kwas octowy) oraz dla bakterii metanowych
autotroficznych (wodór i dwutlenek węgla). Produktem metabolizmu
bakterii metanowych jest metan, dwutlenek węgla i woda.
W większości przypadków te bakterie limitują szybkość procesu
fermentacji osadów. Należy proces prowadzić tak, aby kwasowe bakterie
nie zdominowały komory fermentacji. Osiąga się to poprzez ograniczenie
doprowadzenia świeżego osadu (pokarmu).
Bakterie metanowe są bardzo wrażliwe na: temperaturę, odczyn,
zawartość substancji toksycznych oraz namnażają się bardzo wolno.
Gaz fermentacyjny zawiera około 70% metanu i około 30%
ditlenku węgla.(ZKF i OKF  w zależności czy ujmuje się gaz czy nie).
Fermentację można prowadzić w układzie jednostopniowym (bez lub z
odzyskiem gazu), lub w układzie wielostopniowym (z odzyskiem gazu). W
zależności od temperatury fermentację dzielimy na:
- psychrofilową (T<20 stopni)
- mezofilową (T=30  38 stopni)
- termofilową (T= 45  58 stopni).
Podstawowymi wielkościami wpływającymi na przebieg procesu
fermentacji jest: kontrola ilości i częstotliwości doprowadzania osadu
surowego, intensywność mieszania, odczyn, zawartość kwasów lotnych i
zasadowość, temperatura, substancje toksyczne, produkcja gazu.
Czas przebywania w komorze fermentacji gwarantujący minimalną
stabilizację osadu zwykle określa się jako 38% obniżki suchej masy
organicznej i zależy on od temperatury. Czas ten wydłuża się znacznie dla
procesów prowadzonych w OKF, co często wymaga wielu lat. Ważna jest
także zawartość patogenów. Amerykańskie wymogi mówią o
dopuszczeniu 1 jaja robaków na 4 g s.m. osadu. W warunkach polskich
jaja Ascaris (glista ludzka) giną dopiero po 3-4 latach magazynowania
OKF. Ilość i częstotliwość doprowadzania osadu musi być zgodna z
instrukcją obsługi. Zależy to od temperatury fermentacji i wielkości
oczyszczalni. W fermentacji psychrofilowej dopuszcza się jedno- lub
kilkakrotne zasilanie w ciągu doby. Przy fermentacji mezofilowej można
doprowadzać nie rzadziej niż 6 razy w ciągu doby, zaś podczas
fermentacji termofilowej częstotliwość zasilania osadem jest wyższa.
Intensywność mieszania zawartości komór fermentacyjnych zależy
od temperatury fermentacji (wyższa T  intensywność mieszania
większa). Do mieszania osadu w komorach filtracyjnych stosuje się:
pompy wirowe, mieszacze mechaniczne zewnętrzne lub wewnętrzne,
sprężony gaz fermentacyjny.
W prawidłowo przebiegającej fermentacji odczyn cieczy
nadosadowej jest obojętny i wynosi od pH=7 do pH=7,2, przy
równoczesnej zawartości kwasów lotnych od 100 do 500 mg/l i
zasadowości nie mniejszej od 500 mg CaCO /l. Zawartość kwasów
3
lotnych wyrażonych jako kwas octowy nie powinna przekraczać wartości
2000 mg/l. Znaczne obniżenie pH niestety oznacza załamanie procesu,
co dla eksploatatora oznacza alarm. Dobrym wskaz
nikiem oceny
prawidłowego przebiegu procesu fermentacji jest wartość stosunku
kwasów lotnych (KL) do zasadowości (Z), który musi być stabilny.
Alarmujący poziom KL/Z wynosi 0,3. Powyżej tej wartości należy
podjąć działania korekcyjne (neutralizacja osadu w komorze za pomocą
zasad lub soli: Ca(OH) , Na CO , NaOH lub NH OH. Czynniki te należy
2 2 3 4
wprowadzać sukcesywnie (rozciągnięte w czasie) z powodu wiązania
rozpuszczonego CO ..
2
Temperatura jest istotnym parametrem procesu fermentacji.
Zmiana o 10 stopni w ciągu doby powodują obumieranie (szok termiczny)
bakterii metanowych, co wiąże się z zawartością LK w komorze,
wzrostem pH i spadkiem zasadowości. Zmiany w dobrze funkcjonujących
komorach fermentacyjnych nie powinny przekraczać 20C/dobę.
Substancje toksyczne to przede wszystkim: siarczki, kwasy lotne,
metale ciężkie, amoniak, węglowodory itd. Metale ciężkie są toksyczne
dla metanowców tylko w formie kationów (siarczki nie są toksyczne).
Ilość i skład powstającego gazu podczas fermentacji zależy od
rodzaju osadu i ilości związków organicznych, temperatury fermentacji i
czasu fermentacji. Głównymi składnikami gazu jest: metan, dwutlenek
węgla, od 1 do 2% siarkowodoru i śladowe ilości merkaptanów.
Tlenowa stabilizacja osadu
Jest to metoda wykorzystująca biologiczny rozkład zanieczyszczeń
organicznych zawartych w osadach surowych. Tlenowa stabilizacja oparta
jest na tlenowym rozkładzie masy organicznej w warunkach  głodu
substratowego , czyli respiracji endogennej. Proces ten prowadzony jest
w wydzielonych, otwartych lub zamkniętych komorach z doprowadzeniem
powietrza lub równolegle z oczyszczaniem ścieków w komorach osadu
czynnego w układzie z przedłużonym napowietrzaniem. Proces ten
powoduje zmniejszenie masy organicznej osadu. Podstawowe parametry
technologiczne procesu tlenowej stabilizacji to: zawartość tlenu
rozpuszczonego, pH, temperatura, szybkość zużycia tlenu oraz wiek
osadu (WO = masa osadu w komorze (kg s.m.)/masa osadu usuwanego
kg s.m./d). Wiek osadu wpływa na szybkość poboru tlenu przez osad
oraz na stopień stabilizacji osadu. Stopień stabilizacji osadu zależy od
ubytku masy organicznej osadu. Na utlenienie 1 g s.m. organicznej osadu
potrzeba średnio 1,42 g tlenu, stąd dobowe zapotrzebowanie tlenu do
stabilizacji osadu określa się jako Z=1,42 X [(S )]/t x V [kg O /d].
s-S
stab 2
Tlenowa stabilizacja jest energetycznie mniej korzystna od fermentacji
metanowej ponieważ wymaga ciągłego doprowadzania tlenu (energii).
Tlenowa stabilizacja powoduje znaczne obniżenie zawartości
zanieczyszczeń organicznych w cieczy nadosadowej. Termofilowa
stabilizacja tlenowa powoduje naturalne samoogrzanie osadu w
warunkach tlenowych do temperatury 60-70 stopni (analogia do
kompostowania).
Kompostowanie
Kompostowaniu można poddawać osady surowe (mniej korzystne) lub
osady ustabilizowane po fermentacji lub tlenowej stabilizacji.
Kompostowanie wymaga zawsze odwadniania osadów. Kompostowanie
zapewnia:
- stabilizację związków organicznych
- dezynfekcję naturalną (wysoka temperatura w czasie procesu)
- redukcję masy i uwodnienia osadów
- produkcję stabilnego produktu końcowego.
Kompostowaniu poddaje się osady po zmieszaniu np. ze słomą lub trocinami,
w których zawartość ciał stałych waha się w granicach 40 do 50% a
uwodnienie odpowiednio od 60-50%. Wymagane jest osiągnięcie wartości
stosunku węgla organicznego do azotu 26:1. W warunkach tlenowych
mieszanina ogrzewa się samorzutnie do temperatury od 50 do 70 stopni.
Kompostowanie w warunkach beztlenowych jest uciążliwe zapachowo, stąd
nie jest polecane. Proces ten można prowadzić w układzie pryzmowym w
małych i średnich oczyszczalniach lub w specjalnych reaktorach. W czasie
eksploatacji kompostowni kontroli podlega: uwodnienie mieszaniny (min. 40% i
max. 60%), stosunek węgla organicznego do azotu w mieszaninie (C/N - 20-
32) temperatura w pryzmach (około 60 stopni i wyżej), intensywność
napowietrzania (20  50 m3 powietrza /godzinę na 1000 kg s.m. osadu oraz
jakość wyprodukowanego kompostu.
Kompostowanie jest procesem długotrwałym. Sumaryczny czas
kompostowania a dalej dojrzewania kompostu w systemie pryzmowym wynosi
do 6 miesięcy.
Ostatnio wprowadzono kompostowanie beztlenowe osadu wraz z
odpadami stałymi w warunkach termofilowych (55 stopni) przy uwodnieniu
masy kompostowej 65%. Przy czym kompostowanie beztlenowe trwa 21 dób i
przez następne 10 dób kompostowanie tlenowe. W ten sposób spada
zapotrzebowanie na tlen.
Chemiczna stabilizacja osadów
Polega ona na mieszaniu osadu z reagentami chemicznymi, które
powodują zmiany we własnościach cząstek osadu. Do chemicznej przeróbki
osadu stosuje się tylko wapno w postaci wapna palonego (CaO) lub w postaci
wapna hydratyzowanego (Ca(OH) ). Wapno używane jest do stabilizacji
2
osadów surowych (wstępne i wtórne) lub osadów ustabilizowanych w
procesach fermentacji lub tlenowej stabilizacji. Stąd też mieszanie osadu z
wapnem można prowadzić w celu:
- stabilizacji osadów
- higienizacji osadów.
Wapnowanie osadu zabija patogeny podwyższoną temperaturą ~70 stopni i
podwyższonym pH>12. Wzrost uwodnienia osadu wpływa na zwiększenie
dawki wapna. Do stabilizacji potrzeba od 0,5 do 1,2 kg wapna / kg s.m. osadu
zaś do higienizacji od 0,15 do 0,25 kg wapna /kg s.m. osadu. Mieszanie osadu
z wapnem jest bardzo korzystne przy rolniczym wykorzystaniu osadów.
Termiczna stabilizacja osadów
Jest to wykorzystanie procesów cieplnych do zmian właściwości cząstek
osadu (stabilizacja osadu) lub też w celu ich ostatecznego unieszkodliwienia.
Są to:
- termokondycjonowanie
- mokre spalanie
- piroliza
- spalanie całkowite.
Jest to bardzo droga metoda przeróbki osadów. Ciepło spalania (ilość energii
jaką można uzyskać ze spalania 1kg s.m. osadu) zależy od ilości i rodzaju
związków organicznych zawartych w osadzie. Wartość opałowa (ilość energii,
jaką można uzyskać przy spaleniu całkowitym 1 kg uwodnionego osadu), którą
można wyliczyć z różnicy pomiędzy ciepłem spalania a ciepłem potrzebnym do
ogrzania i odparowania wody zawartej w osadzie. Bardzo wysokie uwodnienie
osadu daje ujemną wartość opałową.
Termokondycjonowanie
Jest to ogrzanie osadu w czasie od 0,5 do 1,0 godziny w temperaturze
120-150 stopni, przy ciśnieniu 0,5 do 2,0 MPa. W tym czasie następuje
denaturacja białek oraz zmiana ich struktury. Jest to rodzaj
szybkowaru. Jest to też metoda poprawiania  odwadnialności osadu.
Proces ten stosuje się głównie dla osadów surowych i zapewnia
pełną dezynfekcję osadu. Ma ona jednak wady: wysokie obciążenie
ekonomicznie, duża ilość substancji organicznych w cieczy nadosadowej,
znaczna uciążliwość zapachowa, zapewnienie ciągłego dopływu osadu,
konieczność częstego czyszczenia układu.
Mokre spalanie
Jest ono podobne do termokondycjonowania, z tą tylko różnicą że do
reaktora wprowadzane jest dodatkowo powietrze (tlen), co zapewnia
częściowe utlenienie związków organicznych. Osad w czasie 0,5 do 1,0
godziny ogrzewa się do temperatury 175-315 stopni i obserwuje się
obniżenie wartości wskaz
nika ChZT w cieczy nadosadowej. Jest to
proces drogi - inwestycyjnie i eksploatacyjnie.
Piroliza
Piroliza jest procesem niepełnego spalania związków organicznych
zawartych w osadzie. Produktami pirolizy są:
- gaz zawierający wodór, tlenek węgla (II i IV) oraz metan
- ciecz zawierająca smołę, oleje, aceton itd.
- węgiel (koksik) składający się z węgla oraz substancji nieorganicznych
zawartych w osadzie.
Spalanie osadów
Jest to pełne utlenienie związków organicznych osadu w temperaturze
od 800 do 1100 stopni. Osad surowy odwadnia się wstępnie, z
wykorzystaniem odwadniania mechanicznego. Następnie gaz spalinowy
po spaleniu wykorzystywany jest często do dodatkowego termicznego
suszenia osady wprowadzanego do pieca.
Produktem końcowym spalania jest popiół oraz gaz spalinowy.
Masa popiołu stanowi 20% s.m. osadu surowego. Popiół może być
składowany na wysypiskach lub wykorzystany gospodarczo do budowy
dróg.
Spalanie osadów jest uzasadnione gdy nie można rolniczo
wykorzystać ustabilizowanych osadów. Gaz spalinowy zawiera klasyczne
zanieczyszczenia: pyły i tlenki azotu, siarki i węgla a także nietypowe:
kwasy mineralne, metale ciężkie oraz węglowodory. Do spalania osadów
wykorzystuje się piece: półkowe, fluidalne oraz rusztowe gdy spalane są
jednocześnie odpady komunalne.