Gospodarka osadami ściekowymi

Gospodarka osadami ściekowymi



Nie ma bezosadowych technologii oczyszczania ścieków.



Mała objętość w stosunku do ścieków surowych (około
3%).



Ładunek zanieczyszczeń ~ 50 % ładunku ścieków
surowych.



Koszt utylizacji ~ 60% całkowitych kosztów oczyszczania
ścieków.



Ilość osadów ściekowych rośnie wraz z postępem
technologicznym i zaostrzaniem norm ochrony
środowiska.

Gospodarka osadami ściekowymi



Rok 2006 – ilość osadów ściekowych wytworzona w
oczyszczalniach komunalnych – 476 tys. ton suchej masy.



Aktualnie 0,247 kg sm/m

3

oczyszczanych ścieków.



Ilość osadów zależy od:

-

zawartości zanieczyszczeń w ściekach (BZT, zawiesina, itp.),

-

zastosowanej technologii oczyszczania ścieków,

-

stopnia ustabilizowania osadów,

-

stosowanych rodzajów i ilości reagentów do oczyszczania
ścieków i unieszkodliwiania osadów.

Gospodarka osadami ściekowymi



Osad surowy:

o

osad wstępny,

o

osad nadmierny,

o

osad chemiczny (po koagulacji, neutralizacji, strącaniu).



Osad ustabilizowany:

o

przefermentowany,

o

stabilizowany tlenowo,

o

zagęszczony (88 –95% wody),

o

odwodniony (pozbawiony wody wolnej i związanej 65-80%

wody),

o

wysuszony.

Ogólny skład osadów ściekowych

Gospodarka osadami ściekowymi



Zagęszczanie:

-

grawitacyjne (leje osadników,

zagęszczacze grawitacyjne) ciągłe lub

okresowe. Wspomagane mieszaniem.

-

flotacyjne,

-

mechaniczne (filtracja - prasy,

wirowanie – wirówki; osad wymaga

wcześniejszego kondycjonowania).

Gospodarka osadami ściekowymi



Odwadnianie osadów:

-

małe oczyszczalnie – poletka osadowe,

laguny (odwadnianie naturalne).

Wymagana duża powierzchnia,

uciążliwe dla otoczenia, efekt zależny od

warunków atmosferycznych, często

słaby i niezadawalający. Poprawa

efektów poprzez obsadzenie np. trzciną

pospolitą (Phragmites australis).

Przekrój złoża obsadzonego trzciną

Gospodarka osadami ściekowymi



Odwadnianie mechaniczne:

-

filtracja (workownice, filtry próżniowe, prasy
filtracyjne, prasy sitowo-taśmowe),

-

wymuszona i przyspieszona sedymentacja
(wirówki).

-

W Polsce najczęściej stosowane są prasy
filtracyjne, a w mniejszych oczyszczalniach
workownice.

Schemat budowy prasy filtracyjnej

Wirówka cylindryczno-stożkowa

Gospodarka osadami ściekowymi



Biologiczna stabilizacja osadów:

-

jednostopniowa lub wielostopniowa w szeregowo

połączonych reaktorach.

-

Możliwe łączenie procesów tlenowych z beztlenowymi;

np. termofilowa tlenowa stabilizacja w reaktorze o

krótkim czasie zatrzymania połączona z tradycyjną

komorą fermentacji beztlenowej.

-

Wybór zależy od wielkości oczyszczalni oraz kosztów

procesu.

-

Stabilizacja tlenowa korzystniejsza dla małych

oczyszczalni – realizowana symultanicznie z
oczyszczaniem ścieków lub w wydzielonych komorach.

Biologiczna stabilizacja w oczyszczalniach miejskich USA

Polska

Fermentacja beztlenowa osadów ściekowych



Czynniki wpływające na przebieg procesu:

-

temperatura,

-

odczyn,

-

skład osadu,

-

mieszanie zawartości komory,

-

ilość i częstotliwość doprowadzenia osadu,

-

zawartość substancji toksycznych.

Fermentacja beztlenowa osadów ściekowych



Temperatura:

-

amplituda wahań - 2°C na dobę.

-

Fermentacja psychrofilowa + 10°C do + 25°C,

-

Fermentacja mezofilowa od + 25°C do +45°C,

-

Fermentacja termofilowa od +45°C do +60°C.

Odczyn:
Prawidłowy 7 – 7,5 pH przy zawartości lotnych

kwasów od 100 do 500 g/m

3

i zasadowości

> 500

g CaCO

3

/dm

3

.

Graniczny 6,5 do 8,5 pH,

lotne kwasy < 2000 g CH

3

COOH/m

3

.

Fermentacja beztlenowa osadów ściekowych

Skład fermentowanych osadów:



prawidłowy stosunek C:N od 10:1 do 16:1,



prawidłowy stosunek N:P:S 7:1:1.

Mieszanie:



zapewnia intensyfikację i optymalizację procesu,



przeciwdziała powstawaniu kożucha na powierzchni cieczy.
Sposoby mieszania:



-mieszadła mechaniczne wewnątrz komory,



mieszanie hydrauliczne,



recyrkulacja osadu za pomocą pomp,



mieszanie gazem fermentacyjnym sprężonym sprężarkami.

Fermentacja beztlenowa osadów ściekowych



Ilość i częstotliwość doprowadzenia osadu:

-

wpływ na czas fermentacji osadów,

-

hydrauliczne przeciążenie komory.

Czas fermentacji dojrzałego osadu w zależności od temperatury

Ilość gazu uzyskiwana przy różnych
temperaturach

Fermentacja beztlenowa osadów ściekowych



Substancje toksyczne:

-

nadmierna ilość lotnych kwasów

tłuszczowych,

-

jony metali ciężkich,

-

nadmierna ilość amoniaku,

-

inne substancje.

Efekt zahamowanie fermentacji i spadek

produkcji biogazu.

Ilość i skład gazu powstającego z 1 kg substratu

Stabilizacja tlenowa



Odmiana procesu osadu czynnego, polega na

samoutlenianiu się komórek przy niskim

obciążeniu substratowym. Najpierw występuje

hydroliza do form rozpuszczonych, które

następnie są wykorzystywane jako źródło energii i

pożywienia przez mikroorganizmy.
Wymagane jest napowietrzanie.

Symultaniczna – WO > 25 dni,
Klasyczna wydzielona – WO = 10-20 dni,
Autotermiczna termofilowa (55 - 60°C) w

izolowanych termicznie komorach.

Stabilizacja tlenowa



Jakość osadów ściekowych (podatność na

biodegradację),



Obciążenie komór stabilizacyjnych –

zwykle 5 kg sm/m

3

d,



Temperatura (wahania nie są szkodliwe).

Im wyższa temperatura tym czas

niezbędny na stabilizację jest krótszy.



Czas przetrzymania: osad mieszany

około 15 dni, osad nadmierny około 8 dni

przy temperaturze powyżej 10°C.

Stabilizacja tlenowa



Zapotrzebowanie na tlen i powietrze:

-

do utlenienia 1 grama sm potrzeba 1,42 g
tlenu.

-

DO w komorze stabilizacji 0,5 – 2 g O

2

/m

3

.

-

Napowietrzanie 0,9 – 1,8 m

3

powietrza na m

3

komory na godzinę.

Chemiczna stabilizacja osadu



Tlenek wapniowy CaO (wapno palone)



Wodorotlenek wapnia Ca(OH)

2

wapno gaszone

Stosowane do osadów surowych lub ustabilizowanych,
powodują stabilizację, higienizację, odwodnienie i stabilizację.
Pełna higienizacja po 2 godzinach przy pH>12 i temperaturze ~

70°C.

Można stosować w celach rolniczych zwłaszcza przy glebach

kwaśnych.

Ostateczne zagospodarowanie odpadów



Osady ściekowe są odpadami, należy z nimi
postępować zgodnie z Ustawą o odpadach.

-

Rolnicze wykorzystanie do nawożenia gleb i roślin
– bezpośrednio lub po przekompostowaniu.

-

Rekultywacyjne wykorzystanie - bezpośrednio lub
po przekompostowaniu.

-

Termiczne przekształcenie – pozostałość
wykorzystywana lub składowana.

-

Składowanie

Ostateczne zagospodarowanie odpadów



Aktualnie około 50% osadów jest składowana.



Dyrektywa UE 1999/31.EC ogranicza składowanie
materii organicznej.



Przyrodnicze wykorzystanie tanie ale coraz bardziej
ograniczane przepisami.



Metody termiczne – wyższe koszty inwestycyjne i
eksploatacyjne.

Przyrodnicze i gospodarcze wykorzystanie osadów



Rekultywacja gleb zdegradowanych lub bezglebowych gruntów.



Roślinne utrwalanie bezglebowych gruntów narażonych na

erozję wody i wiatru.



Użyźnianie gleb



Nawożenie gleb i roślin.



Produkcja kompostu.



Wymagania chemiczne i higieniczno-sanitarne:

-

niewykrywalne bakterie chorobotwórcze rodzaju Salmonella,

-

Jaja pasożytów do 10 w kg suchej masy przy użyźnianiu i

nawożeniu, do 300 w kg sm przy rekultywacji gleb,

-

Zawartość metali ciężkich,

-

Zawartość mikrozanieczyszczeń organicznych.

Minimalizacja powstawania osadu ściekowego

Techniki minimalizacji:
-Liza – krypto wzrost (lysis – cryptic growth),
-Rozłączenie metabolizmu (uncoupling
metabolism),
-Metabolizm utrzymania stanu fizjologicznego
(maintenance metabolism),
-Ograniczenie wzrostu bakterii przez żerowanie
protozoa i metazoa (predation on bacteria).

Liza – krypto wzrost (lysis – cryptic growth)

liza

Biomasa bakteryjna związki organiczne

CO

2

+ H

2

O + NH

4

+

….

nowa biomasa

Liza – krypto wzrost (lysis – cryptic growth)

Liza jest najwolniejszym procesem w porównaniu z
następującymi po niej biodegradacją i wzrostem nowej
biomasy.

Metody lizy:
- Termiczna (40 -180°C),
- Chemiczna (kwasy, zasady),
- Mechaniczna (ultradźwięki, młyny, homogenizery),
- Zamrażanie i rozmrażanie,
- Biologiczna hydroliza (dodatek enzymów),
- Procesy zaawansowanego utleniania (mokre utlenianie,
ozonowanie, zastosowanie nadtlenku wodoru),
- Metody kombinowane.

Liza – krypto wzrost (lysis – cryptic growth)

Ozonowanie części osadu recyrkulowanego
Skala techniczna:

- 550 kg BZT/d ścieki przemysłowe ; ciągłe ozonowanie
0,05 g O

3

/g sm; 100% redukcji osadu; wzrost TOC w

odpływie,

-450 m

3

/d ścieki miejskie; ciągłe ozonowanie 0,02 g O

3

/g

sm; 100% redukcji osadu; niewielki wzrost BZT w
odpływie.
Koszty niższe niż koszt tradycyjnej utylizacji i
zagospodarowania osadów ściekowych dodatkowo
kontrola puchnięcia osadu i poprawa sedymentacji.

Liza – krypto wzrost (lysis – cryptic growth)

Chlorowanie - tańsze niż ozonowanie
0,066 g Cl

2

/g sm osadu – redukcja osadu nadmiernego o 65%,

Negatywne skutki:
- powstawanie trihalometanów THM,
- złe właściwości sedymentacyjne,
- wzrost rozpuszczonego ChZT w odpływie.

Metoda chemiczno-termiczna NaOH + temperatura
(pH=10 i 60°C przez 20 minut) 37% redukcja osadu
nadmiernego
Negatywne skutki:
Korozja, nieprzyjemne odory.

Liza – krypto wzrost (lysis – cryptic growth)

Wysoka temperatura – 90°C przez 3 godziny 60%
redukcji osadu nadmiernego.

MBR + dezintegracja części osadu (zawracanego do
reaktora)
Utrzymane stężenie osadu w reaktorze 7,5 g sm/dm

3

zamiast 13,7 g sm/dm

3

uzyskanych w reaktorze

kontrolnym . Rozwiązanie przyszłościowe.

Liza – krypto wzrost (lysis – cryptic growth)

Wysokie stężenie tlenu rozpuszczonego
Mechanizm obniżonej produkcji osadu przy wysokim DO
nie jest dobrze rozpoznany.
Zalety:
Ograniczony rozwój bakterii nitkowatych,
Lepsze właściwości sedymentacyjne,
Lepszy transfer tlenu i głębsza dyfuzja do wnętrza
kłaczków,
Wady:
Wysoki koszt napowietrzania

Liza – krypto wzrost (lysis – cryptic growth)

Enzymatyczna liza
CAS + termofilowa stabilizacja tlenowa z dodatkiem
enzymu termofilowego (aerobowe bakterie
termofilowe np. Bacillus sp.) hydrolizującego osad
(proces S-TE).
75% redukcja osadu nadmiernego w skali technicznej,
spadek wzrostu bakterii nitkowatych, koszt nie wyższy
niż w przypadku systemów klasycznych.
Wada:
Niewielki wzrost zawiesiny i ChZT w odpływie.

Rozłączenie metabolizmu (uncoupling metabolism)

Rozłącznie metabolizmu – zakłócenie fosforylacji
oksydacyjnej i w konsekwencji spadek produkcji ATP

2,4 – dinitrofenol (35 mg/l) Y= 0,3 kg sm/kg ChZT us,

para-nitofenol (100 mg/l) 62-77% redukcji osadu,

3,3’,4’5-tetrachlorosalicyloanilid (0,8-1,0 mg/l) 40%
redukcji osadu,

pentachlorofenol, 2,4,5- trichlorofenol, benzoesany i
inne
Wady: pogorszenie jakości odpływu, efekt
ekotoksykologiczny

Rozłączenie metabolizmu (uncoupling metabolism)

Wysoki stosunek So/Xo (ChZT/biomasy początkowe)
Im wyższy tym wydajność wzrostu niższa
Rozłączenie anabolizmu i katabolizmu
I.Rozproszenie energii na skutek ucieczki jonów, np.
K

+

przez błonę cytoplazmatyczną osłabia potencjał i

rozłącza fosforylację oksydacyjną.

II. Indukcja ścieżki metabolicznej omijającej etapy
zachowania energii w trakcie glikolizy.
So/Xo ≥ 5 mg ChZT/mg sm działa rozłączająco.
Systemy osadu czynnego (ścieki bytowo-gospodarcze)
So/Xo = 0,01 – 0,13 mg ChZT/mg sm

Rozłączenie metabolizmu (uncoupling metabolism)

Proces OSA (oxic-settling-anaerobic process)

Reaktor anaerobowy dla osadu recyrkulowanego

Hipoteza: rozkład osadu przyspiesza przy niskim ORP

-Metabolizm utrzymania stanu fizjologicznego
(maintenance metabolism),
-Ograniczenie wzrostu bakterii przez żerowanie
protozoa i metazoa (predation on bacteria).