Gospodarka osadami ściekowymi
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).