Metody i urządzenia do oczyszczania wody i ścieków
z zanieczyszczeń

I. Metody i urządzenia do oczyszczania wody

Dwie trzecie powierzchni Ziemi pokryte jest wodą, z czego tylko 1% stanowi woda słodka nadająca się do celów konsumpcyjnych. Około 99% wody na globie ziemskim, to woda słona tworząca morza i oceany, woda w lodowcach lub para wodna w atmosferze. Polska należy do obszarów z bardzo skromnymi zasobami wodnymi - na 1 mieszkańca przypada w naszym kraju 10 razy mniej wody niż w pozostałych rejonach świata, co stawia nas dopiero na 20 miejscu w Europie. Dorosły człowiek potrzebuje ok. 2,5 litra wody dziennie do spożycia. Mimo, że woda pitna często jest zanieczyszczona ludzie i tak ją piją, gdyż jest niezbędna dla naszego organizmu i pełni w nim różne funkcje. Należą do nich m.in:

- rozpuszczanie pokarmu oraz jego transport, - wchłanianie pożywienia z jelit i odżywianie komórek, - usuwanie szkodliwych produktów przemiany materii, - regulacja temperatury, - zwilżanie błony śluzowej, stawów, gałki ocznej.

W związku z tym, że woda jest niezbędna dla prawidłowego funkcjonowania organizmu jej braki musimy stale i systematycznie uzupełniać. Całość wody znajdującej się w naszym organizmie wymieniana jest w ciągu 20 dni. Ilość wody potrzebna do uzupełnienia bilansu wodnego zależna jest od wielu czynników, przede wszystkim od wieku, aktywności fizycznej, temperatury otoczenia i wilgotności powietrza. Surowcem do produkcji wody pitnej jest najczęściej woda powierzchniowa zakwalifikowana do III klasy czystości lub pozaklasowa. Woda taka zawiera zanieczyszczenia - naturalne, pochodzące ze ścieków komunalnych - przemysłowe, pochodzące z nieczyszczonych ścieków przemysłowych- z motoryzacji - z chemizacji rolnictwa- ze składowisk śmieci z opadów atmosferycznych- wypłukiwane z naturalnych złóż skalnych Ogromna część zanieczyszczeń wody (szczególnie ta rozpuszczona w niej) jest tradycyjnymi metodami po prostu nieusuwalna. W celu zapobiegania epidemiom stosuje się skuteczne dawki chloru do dezynfekcji surowca. Jesteśmy zatem zmuszeni wypijać z wodą kranową setki związków chemicznych, których ilość przekracza dzisiaj do 1000 mg na 1 litr wody. Woda przeznaczona do picia musi spełniać pewne wymagania mikrobiologiczne , które ujęte są w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia.

WYMAGANIA MIKROBIOLOGICZNE, JAKIM POWINNA ODPOWIADAĆ WODA PRZEZNACZONA DO SPOŻYCIA PRZEZ LUDZI

Lp.	Wskaźnik jakości wody	Najwyższa dopuszczalna wartość wskaźnika w próbce wody pobranej w miejscu czerpania przez konsumentów i/lub podawania wody do sieci
				liczba bakterii	objętość próbki [ml]
1	Escherichia coli lub bakterie grupy coli typ kałowy (termotolerancyjne)	0	100
2	Bakterie grupy coli^1)	0	100
3	Enterokoki (paciorkowce kałowe)	0	100
4	Clostridia redukujące siarczyny^2) (Clostridium perfringens)	0	100
5	Ogólna liczba bakterii w 37° C po 24h	20	1
6	Ogólna liczba bakterii w 22° C po 72h	100	1

1. Dopuszcza się pojedyncze bakterie wykrywane sporadycznie, nie w kolejnych próbkach; do 5% próbek w ciągu roku.

2. Należy badać w wodzie pochodzącej z ujęć powierzchniowych.

Ustawa Ministra Ochrony Środowiska mówi wyraźnie, że tylko rzeki I klasy czystości mogą być źródłem wód dla zakładów wodociągowych celem przerabiania ich na wody pitne. Tylko z takiego surowca da się zrobić czystą, zdrową i bezpieczną wodę do picia. Problem polega na tym , że takich wód powierzchniowych już w Polsce praktycznie nie ma. Z powodu ich braku oraz braku wód II klasy czystości wodę pobiera się najczęściej z rzek III klasy czystości oraz z rzek pozaklasowych. Ją następnie uzdatnia się w zakładach wodociągowych.

Na podstawie Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 listopada 2002 roku
w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia wyróżnia się trzy kategorie jakości wody, w zależności od wartości granicznych wskaźników jakości wody, które z uwagi na ich zanieczyszczenie muszą być poddane procesom uzdatniania w celu uzyskania wody przeznaczonej do spożycia:

• Kategoria A-1 -woda wymagająca prostego uzdatniania fizycznego, szczególności filtracji (polega na usuwaniu z oczyszczonej cieczy cząstek o średnicy > 0,1 mikrometra ) oraz dezynfekcji ( niszczenie mikroorganizmów obecnych w wodzie i zabezpieczanie dobrej jakości sanitarnej wody w sieci wodociągowej).

• Kategoria A-2-woda wymagająca typowego uzdatniania fizycznego i chemicznego, w szczególności utleniania wstępnego( to wymiana elektronów miedzy substancją utleniającą a redukcyjna, stosowana jest na przykład w celu usuwania związków barwnych oraz powodujących smak i zapach oraz jako wspomaganie flokulacji) koagulacji (,usuwanie z wody rozproszonych w niej cząstek przez ich połączenia) flokulacji( kłaczkowanie - jest to zjawisko łączenia się mniejszych cząstek w większe, co jest związane przede wszystkim z procesem koagulacji ) , filtracji, dezynfekcji (chlorowania końcowego).

• Kategoria A-3 - wymagająca wysokosprawnego uzdatniania fizycznego i chemicznego, w szczególności utleniania koagulacji, flokulacji, filtracji, adsorpcji na węglu aktywnym( służy głównie do usuwania rozpuszczonych związków organicznych ), dezynfekcji (ozonowania, chlorowania końcowego).

Wymagania jakim powinny odpowiadać kategorie jakości wody A1-A3 określa załącznik nr 1 do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 listopada 2002 roku w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia.

Częstotliwość pobierania próbek wody jest uzależniona od kategorii jej jakości oraz liczby osób korzystających z wodociągu i może ulec zwiększeniu w szczególnych przypadkach. Minimalna roczną częstotliwość pobierania próbek dla każdego wskaźnika jej jakości określa załącznik nr 2 do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 listopada 2002 roku w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia

PROCESY OCZYSZCZANIA WODY:

NAPOWIETRZANIE- (aeracja) -technologicznie jest to wprowadzenie tlenu do wody
z jednoczesnym usunięciem rozpuszczonych w niej innych gazów. Aeracja odbywa się przez:

a) wtłaczanie powietrza lub tlenu do wody,

b) rozbryzgi wody na strugi i krople w celu zapewnienia dużej powierzchni wymiany,

c) przez jednoczesne stosowanie a) i b).

Poprzez napowietrzanie usuwa się z wody gazy rozpuszczone (CO₂, H₂S, CH₄ i inne powodujące smak i zapach) i lotne związki organiczne oraz zwiększa zawartość tlenu, a przez usunięcie CO₂ zwiększa odczyn pH wody. Wprowadzenie do wody tlenu rozpuszczonego stwarza warunki do hydrolizy i utleniania związków żelaza i manganu oraz zapobiega powstawaniu środowiska redukcyjnego pogarszającego smak i zapach wody. Urządzenia, w których realizowane jest napowietrzanie wody, nazywane są aeratorami. Konstrukcja aeratorów powinna zapewnić możliwie największą powierzchnię kontaktu powietrza z wodą. Aeratory dzieli się na

-ciśnieniowe-stosowane do napowietrzania wody o zasadowości > 5 val/m³

- otwarte -zalecane do odkwaszanie wody o zasadowości <5 val/m³

Aeratory do napowietrzania ciśnieniowego są to zbiorniki ciśnieniowe, w których odkwaszana woda kontaktuje się z zassanym powietrzem. Najczęściej do tego celu stosuje się ciśnieniowe mieszacze powietrza z wodą (zapewniają dokładne wymieszanie wody
z powietrzem poprzez np: wewnętrzne kaskady) oraz ciśnieniowe zbiorniki napowietrzania ( doprowadzona woda jest rozbryzgiwana przez dysze, a powietrze znajduje się pod ciśnieniem) . Do mieszaczy musi być doprowadzone sprężone powietrze, którego ilość zależy od stężenia żelaza dwuwartościowego w oczyszczanej wodzie. Niezbędna ilość powietrza
w stosunku do objętości uzdatnianej wody ( w warunkach normalnych) powinna wynosić:

2% -jeżeli stężenie żelaza (Fe2+) jest ≤ 5 g Fe/m³

3% - jeżeli stężenie żelaza (Fe2+) wynosi 5-8 g Fe/m³

5% - jeżeli stężenie żelaza (Fe2+) jest większe niż 8 g Fe/m³

Ciśnienie powietrza powinno być o 0,1 MPa większe od ciśnienia wody. Ciśnienie robocze
w mieszaczach wynosi do 0,6 MPa, prędkość przepływu wody powinna wynosić 0,05-0,06 m/s, a zalecony czas kontaktu wody z powietrzem wewnątrz aeratora jest równy 30-180 s. Napowietrzanie ciśnieniowe zapewnia dobry efekt natleniania wody, natomiast mały stopień odkwaszania. Stąd sposób ten stosuje się dla wód o dużej zasadowości ( >5 val/m³), a przy mniejszej zasadowości po napowietrzaniu ciśnieniowym konieczne jest wiązanie pozostałego agresywnego CO₂.

Urządzenia do napowietrzania otwartego zapewniają kontakt wody z powietrzem, w wyniku rozbryzgiwania wody w atmosferze powietrza lub przez wprowadzenie powietrza sprężonego do zbiorników o swobodnym zwierciadle wody. Najstarszym typem urządzenia do napowietrzania otwartego są koryta z otworami z których woda wypływając w postaci cienkich strug kontaktuje się z powietrzem. Uzyskiwany efekt odkwaszania nie przekracza 30 %, stopień natlenienia zaś jest duży około 80 % nasycenia wody tlenem. Znacznie większą skuteczność napowietrzania zapewniają dysze zdeżeniowe gdzie skuteczność napowietrzania zależy od ciśnienia wody w rurociągach, w którym zamontowane są dysze. Sprawność odkwaszania wynosi 60-80%, jeżeli woda jest natleniona w około 95%. Proces ten jest bardzo skuteczny, usuwa substancje lotne, szczególnie amonowe, wadą jednak jest wysoka energochłonność.

KOAGULACJA- większość występujących w wodzie cząstek zawiesinowych ma ujemny ładunek elektryczny. Koagulacja przebiega w ten sposób, iż do wody zawierającej ujemnie naładowane cząstki koloidalne dodaje się substancję chemiczną zwaną koagulantem, która zawiera koloidy o dodatnim ładunku elektrycznym . W praktyce koagulacja zachodzi w dwóch fazach: w pierwszej, występującej bezpośrednio po dodaniu koagulanta, a trwającej sekundy, przebiegają reakcje chemiczne i fizyczne prowadzące do destabilizacji cząstek koloidalnych (d= 10^-7-10^-5) ; podczas drugiej fazy (trwającej znacznie dłużej ), zwanej flokulacją, w wyniku transportu i zderzeń cząstek zdestabilizowanych powstają kłaczki, które mogą być skutecznie usuwane z wody w procesach sedymentacji i filtracji. W ten sposób następuje neutralizacja ładunków elektrycznych cząstek koloidalnych, przez co zlikwidowane zostaje zjawisko wzajemnego ich odpychanie się. Najczęściej stosowanymi koagulantami są siarczan glinu (Al₂(SO₄)₃ i siarczan żelaza (Fe₂(SO₄)₃. W wyniku koagulacji usuwane są z wody cząstki trudno opadające oraz te które decydują o mętności oraz o intensywności jej barwy. Wśród koloidów powodujących mętność dominują koloidy hydrofobowe(cząstki zawiesin nieorganicznych i bezwodne tlenki metali) zaś wśród decydujących o intensywności barwy -koloidy hydrofilne (cząstki organiczne zawieszone, żywe i martwe mikroorganizmy oraz uwodnione tlenki metali). oraz częściej z wód zanieczyszczonych poza koloidami pochodzenia naturalnego z wody mogą być usuwane koloidy obce (np: skrobia, białka, celuloza, barwnik organiczne) trafiające do wód ze ściekami. Właściwie przebiegająca koagulacja zapewnia nie tylko duży stopień usuwania koloidów i zawiesin trudno opadających, ale również zasocjowanych z nimi innych zanieczyszczeń, w tym także mikrozanieczyszczeń. Tak więc efektem skutecznej koagulacji jest zmniejszenie mętności, intensywności barwy, wskaźników zanieczyszczenia organicznego oraz zawartości wielu mikrozanieczyszczeń głównie występujących w postaci form trudno rozpuszczalnych, koagulacja to proces w którym usunięte zostaje około 90-98% zawiesiny.

SEDYMENTACJA- jest jednym z podstawowych procesów wykorzystywanych w oczyszczaniu wody do usuwania z niej cząstek o gęstości większej od gęstości wody, a więc cząstek opadających. Opadanie cząstek w wodzie jest zjawiskiem złożonym i zależy m.in. od ich stężenia, ciężaru właściwego cząstek, kształtu, gęstości i temperatury oraz prędkości i kierunku przepływu wody. Bardzo małe cząstki mineralne, o średnicy ziarna poniżej 0,015 mm, pozostają w zawieszeniu nawet przy niewielkiej prędkości płynięcia wody (około 0,1 cm/s), natomiast cząstki o średnicy 1mm sedymentują dopiero przy prędkościach mniejszych od 8cm/s. W zależności od charakteru i ilości zawiesin wyróżnia się:

• opadanie cząstek ziarnistych

• opadanie cząstek kłaczkowatych.

Ze względu na warunki hydrauliczne wyróżnić można:

• opadanie swobodne

• opadanie skupione.

Swobodne opadanie zachodzi przy małej liczbie cząstek. Wówczas każda cząstka opada oddzielnie, nie oddziałując na cząstki sąsiadujące i nie zamieniając właściwości fizycznych. takie opadanie zachodzi najczęściej w przypadku zawiesin ziarnistych. Przy znacznym zagęszczeniu cząstek, występuje opadanie skupione, podczas którego cząstki nawzajem oddziałują na siebie i przez wzajemne zderzanie tworzą aglomeraty.

Główną rolę w procesie sedymentacji odgrywają osadniki, są to urządzenia, w których zachodzi proces usuwania zawiesin z oczyszczanej wody. Służą więc one do zatrzymywania zawiesin łatwo opadających naturalnych lub wytworzonych w procesie koagulacji lub chemicznego strącania związków trudno rozpuszczalnych. Ich miejsce w układzie urządzeń zależy od jakości oczyszczanej wody, a więc rodzaju i kolejności procesów jednostkowych oczyszczania wody. W razie konieczności usunięcia zawiesin łatwo opadających z wody przed ich dalszym oczyszczaniem osadniki znajdują się na początku układu urządzeń. Jeżeli natomiast w układzie technologicznym uzdatniania wody stosuje się koagulację, to miejsce osadników jest po urządzeniach, w których zachodzą procesy prowadzące do powstania zawiesin sedymentujących. Woda z osadników kierowana jest zwykle na filtry zapewniające dalsze usuwanie zawiesin. Miarą skuteczności działania osadników jest zawartość zawiesin w wodzie po sedymentacji. Sprawność sedymentacji, określa się jako: M₀/M*100% (gdzie M₀- masa zawiesin zatrzymanych w osadniku; M-masa zawiesin w wodzie przed sedymentacją), zależy od rodzaju cząstek sedymentujących oraz czasu sedymentacji. Jeżeli proces ten przebiega prawidłowo to jego skuteczność wynosi od 90-98%. Osadniki,
z uwagi na kierunek przepływu wody, można podzielić na osadniki o przepływie: poziomym, pionowym, i poziomo-pionowym. Ponadto, do oczyszczania wody stosowane mogą być osadniki odśrodkowe i wielostrumieniowe. Specjalną odmianą osadników o przepływie pionowym są osadniki kontaktowe w których wykorzystuje się efekt przyspieszenia koagulacji poprzez kontakt koagulowanych zanieczyszczeń i stosowanego koagulanta.

FILTRACJA - jest procesem zapewniającym usuwanie z oczyszczanej cieczy cząstek
o średnicy > 0,1 µm. Proces ten realizowany jest w urządzeniach nazywanych filtrami. Najczęściej stosowanymi materiałami filtracyjnymi są: piasek kwarcowy i węgiel antracytowy. Ponadto stosowane są materiały spiekane, jak np: materiały kruszcowe - grant oraz tworzywa sztuczne o gęstości mniejsze od gęstości wody. Materiały filtracyjne spełniają swoje zadanie wówczas gdy, charakteryzują się właściwym uziarnieniem, porowatością, gęstością, wytrzymałością mechaniczną oraz składem chemicznym. (Kowal, Świderska-Bróż 1999) Ze względu na warunki pracy oraz rodzaj złóż filtracyjnych, filtry można podzielić na :

- powolne i pospieszne,

-grawitacyjne-budowane są najczęściej jako zbiorniki żelbetonowe o przekroju prostokątnym, i ciśnieniowe wykonywane jako zamknięte zbiorniki stalowe,

-otwarte i zamknięte.

Ze względu na powszechne stosowanie filtrów powolnych i pospiesznych
w oczyszczaniu wody dokładniej zajmiemy się tylko mini. Filtry powolne nazywane są również filtrami biologicznymi, ponieważ podczas filtracji przez złoże filtracyjne zachodzą zarówno procesy fizyczne jak i biologiczne. Wynikiem tych zjawisk jest duży stopień usuwania cząstek stałych oraz rozkład biochemiczny zanieczyszczeń. Cechą filtrów powolnych jest mała prędkość filtracji wody, która najczęściej wynosi ok. 0,1 m/h,
a wyjątkowo przy skutecznym wstępnym oczyszczaniu wody może być większa od 0,3 m/h. W miarę pogarszania się jakości wód powierzchniowych sama wstępna sedymentacja nie jest procesem wystarczającym do zapewnienia właściwej jakości wody kierowanej na filtry powolne. Dlatego w wielu zakładach wodę po sedymentacji, a przed filtracją powolną, oczyszczano dodatkowo w procesie filtracji pospiesznej. Wykluczone jest natomiast dawkowanie do wody przed filtrami powolnymi chemikaliów, co mogłoby prowadzić do zanieczyszczenia mikroorganizmów tworzących błonę biologiczną. Skuteczność usuwania wirusów i bakterii w wyniku filtracji powolnej przez złoże piaskowe wynosi od 74% (bakterie typu coli) -98%.(bakteriofagi) Wadą filtrów powolnych jest ich duża powierzchnia zwiększająca koszty inwestycyjne.

Filtry pospieszne stosowane są najczęściej do oczyszczania wody wstępnie oczyszczonej metodami fizycznymi i chemicznymi, a przy ujmowaniu wody o małym poziomie zanieczyszczenia - również do usuwania zanieczyszczeń z wody surowej. Filtry te eksploatowane są w układach oczyszczania wody powierzchniowej i podziemnej. Filtracja pospieszna może być stosowana do:

- zatrzymywania zawartych w wodzie zawiesin pochodzenia naturalnego bądź wytworzonych w procesie koagulacji,

- usuwania z wody związków żelaza i manganu,

- przyspieszania procesu koagulacji i zatrzymywania produktów koagulacji (Kowal, Świderska-Bróż 2003).

WYMIANA JONOWA-w wyniku tego procesu usuwane są z wody substancje rozpuszczone. W Polsce wymiana jonowa nie jest stosowana w zakładach uzdatniania wody przeznaczonej do zaopatrzenia ludności. (A.Kowal, M.Świderska-Bróż 2003) Technika ta jest natomiast wykorzystywana do oczyszczania wód przemysłowych, głównie stosowanych
w energetyce, i wód chłodniczych, a jej celem jest zmniejszenie poziomu zasolenia wody do poziomu wymaganego przez odbiorcę. Do oczyszczania wody do picia stosowane mogą być tylko żywice jonowymienne ( popularnie zwane jonitami, dzięki zdolności do wymiany jonowej z otaczającym je roztworem są stosowane przede wszystkim w procesach uzdatniania wody, do jej zmiękczania i demineralizacji.) posiadające atest PZH. Jonitowe uzdatnianie wody znajduje główne zastosowanie do :

- zmiękczania i odsalania,

- usuwania fosforanów i azotanów,

- usuwania azotu amonowego,

- usuwania zanieczyszczeń organicznych.

Na świecie istnieją zakłady uzdatniające wodę na potrzeby komunalne, w których stosuje się proces wymiany jonowej do zmiękczania wody oraz usuwania niektórych kationów lub anionów i związków organicznych. Duże wymagania jakości wody przeznaczonej do picia przy równocześnie zwiększającym się zanieczyszczeniu wód surowych spowoduje, że ilość zastosowań wymiany jonowej w zakładach oczyszczania wody będzie się zwiększać. (Kowal, Świderska-Bróż 2003)

DEZYNFEKCJA - woda powierzchniowa i płytkie wody podziemne skażone są biologicznie. Mogą zawierać wirusy, bakterie i ich formy przetrwalnikowe oraz pasożyty
i wyższe organizmy. Zgodnie z przepisami woda do picia i na potrzeby gospodarcze musi spełniać wymagania bakteriologiczne. Aby sprostać tym wymaganiom, woda ta musi być poddana dezynfekcji. Jej celem jest niszczenie żywych i przetrwalnikowych form organizmów patogennych oraz zapobieganie ich wtórnemu rozwojowi w sieci wodociągowej.(W.Chełmicki 2002).

Wyróżniamy fizyczne i chemiczne metody dezynfekcji wody. Do metod fizycznych zaliczamy: gotowanie ( zapewniając odpowiednia temperaturę wody oraz czas jej ogrzewania można uzyskać odkażenie wody przez niszczenie wszystkich form organizmów patogennych np: bakterie duru brzusznego giną w ciągu 10 min w temperaturze 75^oC, zarodniki wąglika giną dopiero po 2 godzinach gotowania w temperaturze 100^oC. Pasteryzacja i gotowanie może być stosowane jedynie w gospodarstwach domowych oraz niektórych rodzajów przemysły spożywczego. Metody te nie są stosowane w praktyce wodociągowej. Promienie ultrafioletowe skutecznie niszczą mikroorganizmy, a maksymalną efektywność stwierdza się przy długości fal 265 nm. Wadą tej metody jest to, że działanie dezynfekujące występuje tylko w czasie naświetlania wody promieniami UV, wobec czego jeden z celów dezynfekcji - zapobieganie wtórnemu rozwojowi bakterii w sieci wodociągowej - nie jest spełniony. Zaletą natomiast jest fakt, iż metoda ta nie zmienia składy fizyczno - chemicznego wody. Natomiast chemiczne metody dezynfekcji wody polegają na dawkowaniu do niej silnych utleniaczy, takich jak chlor, dwutlenek chloru, ozon, brom i jod. Chlorowanie wody wymaga wstępnego określenia dawki chloru i czasu jego kontaktu z dezynfekowaną wodą. Obie wielkości zależą od poziomu skażenia bakteriologicznego wody oraz jej składu fizyczno-chemicznego. Optymalną dawkę chloru określona się na podstawie badań laboratoryjnych. Chlor jest podawany do wody najczęściej w postaci wody chlorowanej, wytworzonej z rozpuszczalnika 3-5 kg chloru gazowego w 1 m³. (Kowal, Świderska-Bróż 2003)

Odpady z przedstawionych powyżej metod uzdatniania wody pitnej według Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 r w sprawie katalogu odpadów nie są zaliczane do niebezpiecznych. Odpady o kodzie 19 09 to odpady z uzdatniania wody pitnej i wody do celów przemysłowych. Zaliczamy do nich:

-19 09 01 odpady stałe ze wstępnej filtracji i skratki

-19 09 02 osady z klarowania wody

-19 09 03 osady z dekarbonizacji wody

-19 09 05 nasycone lub zużyte żywice jonowymienne (Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 r w sprawie katalogu odpadów)

Wykorzystanie osadów z uzdatniania wody jest bardzo różnorodne, a mianowicie osady
(z płukania filtrów i pokoagulacyjne) są odnawialne i osuszane na terenie zakładu uzdatniania wody, a następnie wykorzystywane do niwelacji terenu oraz do budowy umocnień przeciwpożarowych. Inne (np: skratki) wywożone są na składowisko odpadów, piasek i cząstki mineralne z piaskowników używane mogą być po osuszeniu do celów rekultywacyjnych, natomiast odwodnione i zdezynfekowane osady wykorzystywać można do rekultywacji terenów górniczych.

Na podstawie omówionych wcześniej procesów technologicznych oczyszczania wody pitnej możemy stwierdzić, że nie ma doskonałej metody; każda z nich oprócz swoich zalet- wysokiej skuteczności posiada również szereg wad (wskutek niejednorodności odpadów tylko ich część ulega unieszkodliwianiu przy zastosowaniu jednej tylko metody). Nie ma technologii umożliwiającej całkowitą likwidację odpadów, a co za tym idzie, składowanie pozostałości po stosowaniu różnych metod. W zestawieniu poniżej chciałabym tylko zasygnalizować niektóre z zalet - wspólnym mianownikiem dla nich wszystkich oprócz niskiego kosztu jest wysoka skuteczność ( nawet do 100% zamierzonego celu), jednak nie należy zapominać o nieusuwalności rozpuszczonych związków organicznych, wada ta pojawia się prawie w każdej metodzie uzdatniania wody. Mimo tych wszystkich minusów procesy te musza być stosowane, ze względu na coraz to gorszą jakość zarówno wód powierzchniowych jak i podziemnych.

PORÓWNANIE RÓŻNYCH TECHNIK OCZYSZCZANIA
I UZDATNIANIA WODY PITNEJ.

Technika oczyszczania i uzdatniania	Wynik	Zalety	Wady
Koagulacja, sedymentacja, filtracja	usunięcie zawiesiny w 90-98%	niski koszt	wymaga znacznej przestrzeni, nie usuwa rozpuszczonych soli i związków organicznych
wymiana jonowa	usunięcie soli w 95-100%	można osiągnąć bardzo niski stopień zasolenia	nie usuwa rozpuszczonych związków organicznych, konieczna częsta regeneracja złoża, konieczność wstępnego oczyszczania wody (koagulacja, sedymentacja)
chlorowanie	likwidacja organizmów chorobotwórczych (np: bakterie Eschericha Coli)	wysoka skuteczność, zabezpieczenie przed ponownym zanieczyszczeniem przez wolny chlor, jedna z najtańszych metod,	pogorszenie właściwości smakowych, ryzyko wycieku chloru w trakcie transportu( rakotwórczy) tworzenie się szkodliwych związków,
naświetlanie ultrafioletem	likwidacja organizmów chorobotwórczych	wysoka skuteczność, nie pogarsza właściwości smakowych, nie powstają produkty uboczne, nie zmienia składu fizyko-chemicznego,	energochłonność, mała skuteczność w przypadku zmętnienia wody, konieczność końcowego chlorowania, nie zabezpiecza przed kolejnym zanieczyszczeniem, znaczne nakłady finansowe,

II. Metody i urządzenia do oczyszczania ścieków

Ścieki są to zużyte ciecze, roztwory, koloidy lub zawiesiny, a także odpadowe ciała stałe odprowadzane za pomocą rurociągów do odbiorników naturalnych jakimi mogą być zbiorniki lub cieki wodne, doły gnilne itp. W postaci ścieków odprowadza się odpadowe substancje przemysłowe oraz odpady żywnościowe i fekalia z miejskich i osiedlowych gospodarstw domowych. Ze względu na dużą szkodliwość biologiczną ścieków, zarówno komunalnych jak i przemysłowych, przed odprowadzeniem do odbiornika powinno się poddawać je oczyszczeniu w oczyszczalniach.

W Polsce, mimo dużego postępu w tej dziedzinie, nie wszystkie ścieki poddawane są procesowi oczyszczania, co doprowadziło do zatrucia większości naturalnych cieków wodnych, czyniąc z nich na niektórych odcinkach martwe, pozaklasowe kanały ściekowe.
W chwili obecnej coraz większa liczba zakładów chemicznych zmuszana jest do racjonalizacji gospodarki wodą, polegającej przede wszystkim na stosowaniu zamkniętych obiegów wody, co powoduje stosowanie nowych, skutecznych metod oczyszczania własnych ścieków, tak by mogły się stać one źródłem wody wykorzystywanej w celach przemysłowych.

Klasyfikacja ścieków

Ścieki przemysłowe powstają w trakcie procesów technologicznych wielu rodzajów przemysłu. Aby ocenić ich szkodliwość trzeba znać nie tylko skład ich ogólnego odpływu
z całego zakładu przemysłowego, lecz także skład strumieni wypływających
z poszczególnych działów produkcji. Istotnym parametrem jest ilość ścieków przypadająca na jednostkę produktu wytwarzanego w danym dziale lub zakładzie. Znajomość parametrów ilościowych i jakościowych ścieków pozwala na oszacowanie koniecznego stopnia oczyszczenia, przy którym ich odprowadzenie do naturalnego odbiornika nie spowoduje pogorszenia klasy czystości wody. Sytuacją pożądaną jest uzyskanie lepszej czystości ścieków niż czystość wody w odbiorniku. Z drugiej strony rachunek ekonomiczny określa optimum, które należy przyjąć, aby nie powiększać nadmiernie kosztów własnych zakładu
i cenę produktu uczynić konkurencyjną w stosunku do cen światowych. Problem ścieków występuje szczególnie ostro w koksowniach, zakładach petrochemicznych, garbarniach, celulozowniach, mleczarniach i cukrowniach. Ich nieoczyszczone ścieki stanowią duże zagrożenie dla odbiorników naturalnych.

Do najczęściej występujących organicznych składników ścieków zalicza się: białka, węglowodany, tłuszcze, oleje, żywice, barwniki, fenole, produkty naftowe, detergenty, pestycydy itp. Składnikami nieorganicznymi są zasady, kwasy nieorganiczne, metale ciężkie (ołów, miedź, rtęć, cynk, kadm, chrom),a także arsen, chlor, siarkowodór, jony siarczanowe, chlorkowe, azotanowe, fosforanowe, węglanowe, amonowe itd. Różnorodne związki organiczne i nieorganiczne nadają ściekom określone cechy fizyczne takie jak mętność, barwa, zapach, zawiesiny. Pienienie się ścieków jest spowodowane występowaniem w nich substancji powierzchniowo czynnych, powodujących zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody. Należą do nich detergenty, mydła i saponiny. Ścieki przemysłowe na ogół nie stanowią zagrożenia sanitarno-epidemiologicznego, gdyż nie zawierają bakterii chorobotwórczych. Wyjątkiem są ścieki z zakładów przemysłu spożywczego, garbarni
i zakładów utylizacji odpadów. Mogą one zawierać chorobotwórcze drobnoustroje w różnych postaciach (wegetatywnej i zarodnikowej) i jako takie powinny być poddawane procesom dezynfekcji.

Metody oczyszczania ścieków

W procesach oczyszczania ścieków stosuje się metody mechaniczne, chemiczne, biologiczne, mieszane i dezynfekcję. W zależności od rodzaju ścieków proces oczyszczania powinien być tak pomyślany, aby przy minimalnym nakładzie kosztów uzyskiwać najwyższy możliwy stopień oczyszczenia. W tym celu stosuje się jedną lub kilka z wymienionych metod oczyszczania.

• Metody mechaniczne

Polegają one na usunięciu grubszych zawiesin organicznych i mineralnych oraz ciał pływających. Usuwa się je za pomocą krat, sit, piaskowników, tłuszczowników oraz osadników różnego typu. Kraty i sita są mechanicznymi przegrodami ustawionymi na drodze spływu ścieków. Osadzające się na nich zanieczyszczenia, zwane skratkami, usuwa się okresowo ręcznie lub mechanicznie. Następnie poddaje się je procesom kompostowania lub po rozdrobnieniu w dezintegratorach zawraca się do obiegu. Kraty zatrzymują grubsze frakcje zanieczyszczeń, sita - drobniejsze (ok. 5 mm). Drobniejsze frakcje nadają się do przeróbki
w komorach fermentacyjnych lub biotermicznych. Produktem jest tzw. biogaz oraz przefermentowany osad, nadający się do użycia jako nawóz.

Rys.1 Mechaniczne urządzenia do podczyszczenia ścieków

• Metody chemiczne

  Do oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających chemiczne związki organiczne, metale ciężkie itp. stosuje się metody fizyko-chemiczne jak i chemiczne. Zalicza się do nich koagulację, neutralizację, ekstrakcję, sorpcję, elektrolizę i destylację.
W zależności od składu ścieków można prowadzić oczyszczanie jedną lub kilkoma
z podanych metod.

• Metody biologiczne

Wykorzystanie procesów biochemicznych i częściowo fizycznych do oczyszczania ścieków pozwala uzyskać dalsze obniżenie ładunku substancji organicznych. Stosuje się je zwykle jako kolejny stopień oczyszczania w przypadku, gdy metody zastosowane wcześniej nie zapewniają odpowiedniej klasy czystości wody zrzucanej do odbiorników. Oczyszczanie biologiczne przebiega zarówno w warunkach tlenowych, niedotlenionych jak i beztlenowych
i polega na utlenianiu oraz mineralizacji związków organicznych zawartych w ściekach przy udziale mikro i makroorganizmów. Mikroorganizmy te zużywają związki zawarte w ściekach jako pokarm i podstawę przemiany materii. Zasada oczyszczania jest taka sama, jak
w przypadku naturalnego samooczyszczania się zbiorników wodnych. Różnica polega na stworzeniu optymalnych warunków przebiegu procesu (obecność tlenu, pożywki, mieszanie mechaniczne, temperatura, pH itp.), które zwiększają szybkość i skuteczność procesu. Metody biologiczne dzieli się na naturalne i sztuczne. Do naturalnych zlicza się metodę pól irygacyjnych i pól filtracyjnych. Do sztucznych zalicza się metodę złoża spłukiwanego
i osadu czynnego.

Rys.2 Biologiczne urządzenia do podczyszczenia ścieków

We wszystkich metodach biologicznego oczyszczania ścieków zachodzą następujące procesy:

• rozkład substancji organicznych do CO₂, H₂O i NH₃

• nitryfikacja, czyli utlenienie NH₃ za pomocą bakterii Nitrosomonas do azotynów,
  a następnie za pomocą bakterii Nitrobacter do azotanow,

• denitryfikacja, czyli przemiana azotanów do postaci azotu gazowego - N₂

Do metod biologicznych należą:

Metoda osadu czynnego

Oczyszczanie ścieków za pomocą osadu czynnego polega na wytworzeniu w objętości ścieków kłaczków o wymiarze
o bardzo silnie rozwiniętej powierzchni. Kłaczki zbudowane są z mineralnego jądra koloru brązowego lub beżowego, a na powierzchni
w śluzowej otoczce zawierają liczne bakterie z grupy heterotrofów takich jak Acinetebacterium, Pseudomonas, Zoogloea, Enterobactericeae, Aeromonas, Flavobacterium, Achromobacter i Micrococus. Zanieczyszczenia organiczne są absorbowane na powierzchni kłaczków i mineralizowane na skutek procesów metabolizmu zachodzących
w mikroorganizmach. Aby zapewnić prawidłowy przebieg procesu kłaczki powinny być równomiernie unoszone w masie ścieków przepływającej przez komorę napowietrzania. Metoda osadu czynnego wymaga doprowadzenia tlenu jako substratu bioutleniania zanieczyszczeń organicznych. Aby zagwarantować bakteriom warunki tlenowe, stężenie tlenu rozpuszczonego w ściekach  powinno wynosić > 0,5 mg/dm³.

Proces ten może być również stosowany do usuwania ze ścieków amoniaku, siarkowodoru i innych gazów w nich rozpuszczonych. Aktywizują się wówczas bakterie
z grupy autotrofów, takie jak Nitrosomonas, Nitrosococcus i Nitrobacter oraz Beggiatoa, Thiotrix, Thioploca i Thiobacillus thioparus.

Powstawanie osadu czynnego w komorze napowietrzania wymaga czasu. Aby czas ten skrócić można stosować szczepienie osadu przez dodanie pewnej jego ilości ze ścieków wcześniej oczyszczonych. Stałe utrzymanie kłaczków w stanie zawieszonym wymaga intensywnego mieszania zawartości reaktora. Stosuje się różne metody od mieszania mechanicznego po dysze napowietrzające, które łączą w działaniu funkcję mieszadeł
i aeratorów (turbin napowietrzających), a także jedne i drugie razem. Proces mieszania
i napowietrzania jest energochłonny. Nowoczesne konstrukcje mieszadeł i aeratorów poprzez odpowiednie dobranie kształtów łopat i dysz zapewniają skuteczność operacji przy optymalnym zużyciu energii elektrycznej.

Po zakończeniu procesu napowietrzania ścieki kierowane są do osadnika wtórnego, gdzie następuje oddzielenie osadu czynnego od cieczy. Nadmiarowy osad poddawany jest odwodnieniu i suszeniu, ciecz zrzucana do odbiorników jakimi mogą być np. stawy rybne,
a następnie odprowadzana do cieków naturalnych. Stawy rybne stanowią również element kontroli jakości odprowadzanej wody. Mogą być też traktowane jako zbiorniki buforowe
w przypadku awarii urządzeń oczyszczających. Woda w stawach ulega dalszemu samooczyszczeniu. Zaletą oczyszczania za pomocą osadu czynnego jest duża skuteczność przy niewielkim zapotrzebowaniu na teren (BZT5 i zawiesiny do 95%, bakterie chorobotwórcze do 98%). Wadą - wrażliwość mikroorganizmów na związki toksyczne i inne czynniki wpływające na ich rozwój.

Sztuczne złoże biologiczne

Sztuczne złoże biologiczne składa się z rusztu, na którym ułożona została warstwa kruszywa, koksu, żużla, tufów wulkanicznych, kamienia, gruzu ceglanego itp. Od dołu, przez ruszt złoże jest napowietrzane sprężonym powietrzem, od góry zaś zraszane ściekami. Zraszanie realizowane jest systemem przelewów, młynkami Segnera  itp. Istotne jest równomierne rozrzucenie cieczy na całą powierzchnię złoża. Procesy zachodzące na powierzchni wypełnienia złoża są podobne do procesów na powierzchni gleby pól irygacyjnych. Tworzy się błona biologiczna, w skład której wchodzą mikroorganizmy roślinne i zwierzęce. Ich działanie polega na utlenieniu i mineralizacji substancji zawartych w ściekach. Złoże po zbudowaniu nie jest aktywne. Jego dojrzewanie trwa kilka tygodni. Złoża zraszane mają grubość 1,5...3 m. Swoją aktywność utrzymują do temperatury 6 st. C. Poniżej aktywność złoża zanika. Ich praca charakteryzuje się wysokim stopniem oczyszczania. BZT5 do 95%, zawiesiny do 92%, bakterie chorobotwórcze do 95%. Wysoka skuteczność oczyszczania jest okupiona stosunkowo niewysoką wydajnością.

OCZYSZCZALNIE HYDROBOTANICZNE

Przez lata ścieki były oczyszczane mechanicznie i chemicznie na rozbudowanych urządzeniach, wchodzących w skład oczyszczalni ścieków. Oczyszczalnie stosujące biologiczny etap oczyszczania ścieków wykorzystują te same szczepy bakterii, które powodują oczyszczanie wody w warunkach naturalnych.

Coraz częściej stosowaną alternatywną metodą oczyszczania ścieków zwłaszcza bytowo-gospodarczych są oczyszczalnie hydrobotaniczne. Mogą one mieć różne rozwiązania techniczne oraz projektowe, jak również można zastosować w nich różne gatunki roślin, jednak ogólna zasada działania jest taka sama.

Wkład finansowy potrzebny jest głównie na ich założenie, natomiast funkcjonowanie polega, w dużym stopniu na wykorzystaniu energii słonecznej, co w dobie powtarzających się kryzysów energetycznych nie jest bez znaczenia. Zbiorowiska roślinne mogą słu­żyć zarówno do oczyszczania ścieków surowych jak i do wspomagania pracy oczysz­czalni lub też do obsługi małych wsi, osiedli, farm, niewielkich zakładów produkcyjnych.

Hydrobotaniczna metoda oczyszczania polega na przepuszczaniu ścieków przez stawy laguny, rowy, kanały, rozlewiska porośnięte roślinnością. Parametry techniczne odbiornika takie, jak: rodzaj, wielkość, kształt, głębokość, typ, dna, tem­po przepływu ścieków czy wspomaganie przez dodatkowe odstojniki bez roślin­ności, okresowe lub stałe napowietrzanie - powinny być określane dla każdej lo­kalnej sytuacji. Zależą one bowiem od wielu czynników, m.in. od ilości, stężenia i składu chemicznego ścieków oraz od wielkości terenu możliwego do wykorzys­tania. Od powyższych czynników zależy także dobór gatunków makrofitów.

Oczyszczanie następuje dzięki organizmom żyjącym w glebie i na łodygach roślin tworzących tzw. błonę biologiczną. Polega to na po­chłonięciu poprzez utlenienie pokarmu roślinnego w metabolizmie roślin i prze­tworzeniu go przez rośliny na biomasę, która okresowo będzie usuwana. Istotną rzeczą jest zwrócenie uwagi na fakt, czy zanieczyszczenia po wchłonięciu i prze­tworzeniu przez rośliny nie przejdą w formy bardziej szkodliwe dla środowiska, tym samym zwiększając jego zagrożenie po obumarciu roślin, gdy obieg zostanie zamknięty. Aby uniknąć przedostawania się zanieczyszczeń do gleb i wód grun­towych, stosuje się specjalne izolacje.

Rośliny wykorzystywane do filtracji:

• Pałka szerokolistna

• Oczeret jeziorny

• Tatarak zwyczajny

• Manna mielec

• Rzęsa drobna

• Spirodela długoszyjkowa

• Rdestnica kędzierzawa

Najważniejsze cechy decydujące o doborze roślin:

• zdolność rośliny do transportu tlenu do strefy korzeniowej,

• szybki wzrost (jak wiadomo rośliny w okresie rozwoju najintensywniej pobierają substancje mineralne),

• wysoka produkcja dająca w efekcie wysoką biomasę na jednostkę powierzchni,

• szybkie tempo pobierania i wysoka akumulacja różnych pierwiastków,

• łatwość usuwania ze środowiska,

• nieposiadanie zbyt wielu naturalnych szkodników (czasami koszty zwal­czania szkodników są tak wysokie, że w końcowym rachunku ekonomicznym filtry roślinne byłyby droższe od konwencjonalnych metod oczyszczania).

Przy doborze roślinności istotne jest zwrócenie uwagi na fakt, że przy więk­szej różnorodności biologicznej problem ze szkodnikami jest mniejszy. W przy­padku monokultury, jeśli rośliny zostaną zaatakowane przez szkodniki, cała oczyszczalnia hydrobotaniczna może zostać zniszczona. Istotne jest więc tworzenie ekosystemów podobnych do naturalnych, choć i tak z biegiem czasu po stworze­niu sztucznych mokradeł, na drodze naturalnej sukcesji i wypadania roślin mogą powstać monokultury (niekoniecznie całkowite). Należy zwrócić uwagę na bardzo ważny aspekt - przy budowie sztucznych mokradeł powinno się wykorzy­stywać roślinność lokalną.

Efektywność usuwania zanieczyszczeń

Usuwanie zanieczyszczeń w oczyszczalniach hydrobotanicznych zachodzi na drodze połączonego działania szeregu procesów mechanicznych, chemicznych i biologicznych,
a ich efektywność zależy od szeregu czynników.

Najważniejsze z nich to:

• czas zatrzymania ścieków w złożu;

• konstrukcja oczyszczalni;

• skład gatunkowy plantacji roślinnej;

• stężenia poszczególnych zanieczyszczeń w ściekach surowych, odczyn pH ścieków;

• warunki meteorologiczne, przede wszystkim temperatura, w mniejszym stopniu nasłonecznienie i szybkość wiatru;

• wiek plantacji.

Literatura:

1. Apolinary L. Kowal "Oczyszczanie wody" Wyd. PWN Warszawa 2003 r 2. Wojciech Chełmicki "Woda - zasoby, degradacja, ochrona. Wyd. PWN Warszawa 2002 r 3. Zbigniew Heidrich "Wodociągi" Wyd. WSiP Warszawa 1999 r 4. Zbigniew Heidrich "Kanalizacja" Wyd. WSiP Warszawa 1999 r 5. Czesława Rosiuk-Dulewska "Podstawa gospodarki odpadami" Wyd PWN Warszawa 2005
6. Inżynieria Środowiska, tom 7 zeszyt 1/2002

7. Inżynieria Środowiska, tom 8 zeszyt 2/2003

8. Czuchra K. „Hydrobotaniczne oczyszczalnie ścieków” Kraków 1997

9. Bergier T „Analiza możliwości oczyszczania odcieków wysypiskowych na sztucznych Mokradłach” Kraków, AGH 2002 (rozprawa doktorska)

10. Hartmann L. „Biologiczne oczyszczanie ścieków” Warszawa, Wydawnictwo Instalator Polski 1992

Internet

www.chem.uw.edu.pl

www.sejm.gov.pl

www.ekologia.pl

Załączniki

Przykładowe biologiczne oczyszczanie ścieków w komorze napowietrzania typu Carrousel

Przykładowy schemat oczyszczalni mechniczno - biologicznej

Rozkład tlenu

R3

R4

- recyrkulat

- ścieki surowe

mg/l

- strefa czasowego natlenienia

A2

A1

R2

R1

OSAD= 3,5 g/l

mg/l

S1= 0,8 mg/l

mg/l

S3= 0,01 mg/l

mg/l

S4= 0,02 mg/l

mg/l

A₁, A₂ - aeratory

R₁, R₂, R₄ - rotoksy

S₁, S₂, S₃, S₄ - sondy tlenowe

wylot - ścieki opuszczające komorę

- strefa tlenowa

- strefa beztlenowa

wylot

S2= 1,5 mg/l

mg/l

---