OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW

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 105

C). Jednocześnie określa się: pozostałość po

prażeniu (w temp. powyżej 550

C), 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 105

C), zawiesiny

mineralne (zważenie pozostałości po wyprażeniu w temperaturze 600

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 groźnych 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, gruźlicę, 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

ilość tlenu wyrażona w mgO

/l, która zużywana jest w danym okresie

obserwacji, na utlenienie związków organicznych na drodze

biochemicznej w warunkach aerobowych, w temp. 20

C. Ostatecznym

produktem tej przemiany jest głównie CO

i woda. Część związków

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:

nadmanganian potasu (utlenialność), dichromian potasu i jodan potasu.

Ogólny węgiel organiczny jest najważniejszym wskaźnikiem

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.

spektrofotometrycznie w podczerwieni lub metodą miareczkowania.

Korelacje pomiędzy wartościami podstawowych wskaźników

zanieczyszczeń ścieków są pomocne w praktyce eksploatacyjnej

oczyszczalni i pomagają sprawdzić jakość analiz. Wymienione wskaźniki

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.

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

ChZT/BZT

<2 ścieki łatwo biodegradowalne

ChZT/BZT

>2 ścieki trudnobiodegradowalne

b) dla ścieków oczyszczonych

BZT

/OWO = 0,5 do 1,0 ChZT/OWO = 1,0 do 2,0

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 źródło 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

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.

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 wskaźnikowe -

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.

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 I

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%,

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 bądź okresowym, ponadto ze względu na sposób usuwania
osadu: z ręcznym, z hydraulicznym, z mechanicznym, bądź 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 II

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

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 III

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

, tylko częściowo są usunięte substancje

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 bądź 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 IV

(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

bądź 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 bądź 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 bądź 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 bądź 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 bądź 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

ZŁOŻE 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:

kruszywa o uziarnieniu 4-8 cm daje ok. 95m

powierzchni,

kruszywa o uziarnieniu 2-4 cm daje 190m

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 m

ścieków

przepływających przez m

powierzchni złoża w ciągu godziny

.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

złoża - H i wewnętrznej powierzchni zwilżonej złoża F

, zależnej od

granulacji uziarnienia. Czas kontaktu ścieków ze złożem jest wprost

proporcjonalny do wysokości złoża H i odwrotnie proporcjonalny do

obciążenia hydraulicznego złoża ( T=H/q

2/3

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

.dni). Zdolność

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

wartość BZT

odpływu w mg/l.

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

mg O

/l lub ChZT do 250 mg O

/l, zawartość azotu w ściekach powinna

wynosić ok. 3-4%, a zawartość fosforu ok. 1% w stosunku do BZT

. Są to

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. 4

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. 6

C następuje całkowite

zahamowanie procesu oczyszczania zaś w 10

C sprawność wynosi 62%

w stosunku do sprawności w temp. 20

C. Gwałtowny spadek sprawności

występuje po przekroczeniu 38

C. 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/m

, podczas kiedy całkowite BZT ścieków bytowych przekracza 500

g/m

. Z porównania tych liczb wynika, że w celu oczyszczenia ścieków

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

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.

SKŁAD 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.

ZAGĘSZCZANIE 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 znaleźć 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 późniejsze

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

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 wskaźnikiem 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

, NaOH lub NH

OH. Czynniki te należy

wprowadzać sukcesywnie (rozciągnięte w czasie) z powodu wiązania

rozpuszczonego CO

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 2

C/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

-S

stab

)]/t x V [kg O

/d].

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

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 wskaźnika 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