28. UNIESZKODLIWIANIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH
Surowe osady organiczne wydzielane w oczyszczalniach ścieków są niebezpieczne pod względem sanitarnym, gdyż zawierają, między innymi: bakterie chorobotwórcze, grzyby, wirusy oraz pasożyty. Drobnoustroje te są wydalane przez ludzi i zwierzęta a następnie wraz ze ściekami dostają się do oczyszczalni ścieków. Ich liczba, w powstających w oczyszczalni osadach, uzależniona jest również od zastosowanej technologii oczyszczania ścieków. Drugim elementem wpływającym na liczebność drobnoustrojów jest zastosowany proces przeróbki osadów ściekowych. Najczęściej w oczyszczalniach ścieków stosuje się takie procesy przeróbki osadów jak: zagęszczanie, odwadnianie mechaniczne, biochemiczne procesy stabilizacyjne, suszenie, pasteryzacja, dezynfekcja. Zasadniczym celem tych procesów jest ograniczenie uciążliwości i szkodliwości powstających osadów. W czasie stabilizacji następują zmiany w zawartości wody, bowiem następuje hydroliza i rozkład ciał stałych, zmiany w zawartości i własnościach ciał stałych (cząstek osadu) oraz zmiany w ilości rozpuszczonych gazów. Dochodzi także do zmniejszenia ilości substancji organicznych w osadach ściekowych poprzez biodegradacje i częściową mineralizację tych substancji.
29. GOSPODARKA OSADAMI NA OCZYSZCZALNIACH ŚCIEKÓW
Oczyszczanie ścieków związane jest z powstawaniem osadów. Osad musi zostać przetworzony i wtórnie wykorzystany w możliwie największym zakresie. Powstający w procesie oczyszczania osad wymaga przeróbki pozwalającej na uzyskanie stabilnego i bezpiecznego produktu. W tym celu stosuje się procesy: kondycjonowania, zagęszczania, odwadniania, fermentacji, stabilizacji, higienizacji.
*Kondycjonowanie osadu
Kondycjonowanie osadu jest procesem przygotowującym osad do szybszego odwodnienia. Polega ono na zmianie struktury i właściwości osadu, doprowadzając do osłabienia sił wiążących wodę z powierzchnią cząstek stałych. Metody kondycjonowania można podzielić na:
Chemiczne - opierające się na procesie koagulacji. Wyróżnia się:
· koagulację konwencjonalną - łączenie się cząstek w większe zespoły po dodaniu odpowiedniej dawki elektrolitu: siarczan glinu, siarczan żelaza, chlorek żelaza, węglan magnezu, wapno. Przekroczenie optymalnej dawki reagenta powoduje pogorszenie procesu.
· koagulację polimeryczną - najczęściej za pomocą wielkocząsteczkowych polielektrolitów organicznych, głównie polimerów na bazie akrylamidu lub kwasu metakrylowego. Polielektrolity powodują tworzenie się makrocząsteczek, wywołując równocześnie koagulację i flotację zawiesin. Efekt procesu zależny od dawki reagenta, ustalanej doświadczalnie w stosunku do ilości zawiesin.
Fizyczne - preparowanie osadów z zastosowaniem następujących metod:
· metoda termiczna - ogrzewanie osadu do 180 - 220oC przy ciśnieniu 15 atmosfer (1,52 MPa), co powoduje zniszczenie struktury koloidanej, polepszając odwadnianie.
· wymrażanie - proces dwufazowy: podczas powolnego zamrażania powstaje krystaliczny lód, a wzrost ciśnienia przyczynia się do powstania zawiesiny, która opada na dno w trakcie rozmrażania. Osad taki będzie się dobrze odwadniał grawitacyjnie.
· przemywanie - wymiana cieczy nadosadowej na ciecz o niższych parametrach niż osad surowy. Zmniejsza się przez to zasadowość oraz zawartość soli rozpuszczonych. Wymywane są gazy. Wpływa to na polepszenie sedymentacji i pozwala zmniejszyć dawkę koagulantu dodawanego przed filtracją.
· wykorzystanie działania pola ultradźwiękowego - przejściu fali ultradźwiękowej przez ośrodek ciekły towarzyszy, między innymi, koagulacja ultradźwiękowa oraz zjawiska elektrokinetyczne. Efekty zależą od rozmiarów cząstek osadu, częstotliwości i natężenia dźwięku.
· działanie pola elektromagnetycznego - zmniejsza czas ssania kapilarnego (CSK), czyli zwiększa szybkość odwadniania oraz wpływa na obniżenie końcowego uwodnienia osadu. Zastosowanie mikrofal z jednoczesnym użyciem polielektrolitu pozwala uzyskać znacznie mniej-szy opór właściwy osadu niż stosując tylko polielektrolit. Ponadto stosowanie mikrofal poprawia stan sanitarny osadów.
· kondycjonowanie substancjami chemicznie obojętnymi - poprawianie zdolności do odwadniania poprzez dodanie do osadu materiałów takich jak: popiół z kotłowni, trociny, pył dymicowy z elektrofiltrów elektrowni.
*Zagęszczanie osadu
Proces ten poprawia (czasem wręcz umożliwia) pracę wszystkich dalszych procesów przeróbki osadów. Zagęszczenie wielokrotnie zmniejsza objętość osadu. Osad wstępny i nadmierny powinny być zagęszczane oddzielnie. Osad wstępny może być źródłem lotnych kwasów tłuszczowych wykorzystywanych do podwyższenia efektu biologicznego usuwania fosforu. Do zagęszczania osadu wstępnego stosuje się urządzenia wykorzystujące proces sedymentacji. Osad nadmierny powinien być zagęszczany flotacyjnie lub mechanicznie w urządzeniach zbliżonych do urządzeń odwadniających (wirówki, zagęszczarki taśmowe lub bębnowe). Osad zagęszczany mechanicznie musi być kondycjonowany polimerem.
Zagęszczanie grawitacyjne przebiega samoistnie w osadnikach (wstępnych, wtórnych, pośrednich) lub może być prowadzone w oddzielnych urządzeniach, które mogą pracować okresowo lub w trybie ciągłym (występuje tu stały dopływ osadu surowego i ciągłe odprowadzanie cieczy nadosadowej i osadu zagęszczonego). W zagęszczaczach nieprzepływowych (okresowych) efekt zagęszczania zależy od czasu przetrzymania osadu i zdolności cząsteczek osadu do zagęszczania. W zagęszczaczach przepływowych natomiast dodatkowo zależy od obciążenia powierzchni zagęszczacza suchą masą osadu.
*Odwadnianie osadu
Odwadnianie osadu to proces usuwania wody kapilarnej (odwadnianie mechaniczne i naturalne osadu o uwodnieniu 50 - 80%) i wody związanej adsorpcyjnie (suszenie osadu o uwodnieniu 1 - 50%), w celu zmniejszenia objętości osadu. Proces ten stosuje się dla osadów surowych oraz po stabilizacji. Odwadnianie osadów można podzielić na:
Naturalne - wykorzystuje naturalne procesy filtracji i parowania. Stosowane do osadów ustabilizowanych lub mineralnych. Szybkość odwadniania zależy od struktury i grubości warstwy osadu, a także od wilgotności i temperatury powietrza. Urządzeniami do odwadniania naturalnego są:
· poletka osadowe - zalewane od razu do pełnej wysokości. Optymalna grubość warstwy osadu wynosi 0,25 m, co wynika z potencjału parowania wody z powierzchni. Filtracja następuje w początkowej fazie odwadniania (przez warstwę piasku i żwiru), później już tylko parowanie, które jest tym intensywniejsze, im mniejsza jest wilgotność powietrza. Czas odwadniania wynosi 1 - 1,5 miesiąca. Usprawnieniem działania poletek jest stosowanie organicznych polielektrolitów, które zwiększają powierzchnię parowania powiększając wymiary cząstek, co skutkuje skróceniem czasu odwadniania o połowę. Można również przykryć poletko dachem, co również przyspieszy odwadnianie, jeśli równocześnie będzie usuwana parująca woda. Uzyskuje się końcowe uwodnienie osadu rzędu 50 - 60%. Wysuszony osad usuwany jest z poletek ręcznie, półmechanicznie (małe ładowarki) lub mechanicznie (urządzenia zgarniające). Wysuszony osad powinien być przez rok składowany w pryzmach na terenie oczyszczalni. Można go kompostować z odpadami miejskimi lub składować na wysypisku.
· laguny osadowe - zbiorniki ziemne o 1 - 2 m warstwie osadu. Odwadnianie następuje najpierw przez filtrację, później przez parowanie. Otrzymuje się osad o końcowym uwodnieniu rzędu 80 - 85% i plastycznej konsystencji. Stosuje się trzyletni cykl pracy: rok pierwszy - napełnianie osadem, rok drugi - suszenie naturalne, rok trzeci - wywóz osadu i renowacja laguny. Stosowane głównie jako awaryjne zbiorniki osadu w oczyszczalniach stosujących mechaniczne odwadnianie.
Mechaniczne - wykorzystuje do usunięcia wody z osadu siły odśrodkowe, filtrację cieczy przez warstwę osadu oraz techniki termiczne. Jako wspomaganie procesu stosuje się kondycjonowanie osadu, mające na celu przyspieszenie odwadniania poprzez zmniejszenie oporu właściwego. Urządzenia i techniki:
· wirówki - najczęściej walcowo-stożkowe. Dla zwiększenia efektu sedymentacji wykorzystują siłę odśrodkową. O efekcie odwadniania decydują: średnica bębna i liczba obrotów, grubość warstwy osadu, natężenie dopływu osadu oraz rodzaj i ilość dodawanego polimeru. Efektywność procesu ocenia się na podstawie współczynnika rozdziału (stosunek suchej masy osadu odwodnionego do suchej masy osadu doprowadzanego) oraz uwodnienia osadu końcowego. Pożądany jest współczynnik nie mniejszy niż 95%. W przeciwnym wypadku odciek zawiera cząstki osadu. Bez kondycjonowania warunek ten nie jest osiągalny, dlatego wprowadza się polimery do rurociągu, tuż przed wirówką.
· prasy filtracyjne i filtry próżniowe - odwadnianie polega na filtracji cieczy przez warstwę osadu na przegrodzie filtracyjnej (tkanina). W prasach komorowych ciśnienie wynosi najczęściej 0,5 - 0,6 MPa, a w filtrach próżniowych nie przekracza 0,06 MPa, stąd lepsze odwodnienie uzyskuje się na prasach. Tkanina filtracyjna musi mieć niski i stabilny opór właściwy oraz zapewnić klarowny odpływ i łatwe ściąganie placka osadowego. Żeby filtrację przyspieszyć dodaje się polimery, koagulanty klasyczne lub środki wspomagające, takie jak popiół czy trociny. Czas odwodnienia osadu na prasie do wartości 55 - 85% wynosi 2,5 - 4,5 h. Prasa składa się z kilku komór, pomiędzy którymi docisk zapełnia siłownik hydrauliczny.
· prasy filtracyjne taśmowe - odwadnianie osadu z dodatkiem środka kondycjonującego zachodzi na tkaninie filtracyjnej, będącej w ciągłym ruchu. Początkowo jest to odwadnianie grawitacyjne, a następnie ciśnieniowe. W placku osadowym uzyskuje się 12 - 50% suchej masy. Obciąża się 1 m prasy suchą masą osadu w ilości 90 - 680 kg/h. Ciśnienie filtracji uzyskuje się poprzez mechaniczny docisk tkaniny obrotowymi wałkami.
· prasy śrubowe - odwadnianie zachodzi na obrotowym ślimaku o zmiennym skoku, z perforowaną pobocznicą walca. Uzyskuje się końcowe odwodnienie osadu wcześniej kondycjonowanego rzędu 80%. Ciśnienie filtracyjne uzyskuje się na skutek zmiany objętości osadu - skok ślimaka.
*Suszenie termiczne - przyspiesza usuwanie wody z osadu poprzez kontakt z gorącym powietrzem lub gorącymi gazami spalinowymi. Można uzyskać w ten sposób zawartość suchej masy osadu nawet do 98%. Często poprzedza spalanie osadu. Podczas termicznego suszenia osadów nie występuje rozkład związków organicznych. Żeby zminimalizować zapotrzebowanie na energię, stosuje się naraz kilka wymienników ciepła. Odparowaną z osadu wodę należy zawrócić do układu oczyszczania ścieków. Oddziela się ją od czynnika grzewczego poprzez chłodzenie wymiennika ciepła. Wykorzystuje się:
· suszarki rozpyłowe - przeciwprądowy kontakt rozpylonego osadu z powietrzem lub spalinami. Krótki czas suszenia (sekundy). Stosowane do odwadniania osadów spalanych w piecach fluidalnych oraz wykorzystywanych rolniczo.
· suszarki obrotowe - działają na podobnej zasadzie jak piece obrotowe przemysłu cementowego lub zamknięte przenośniki ślimakowe. Ślimak ogrzewany jest powietrzem lub spalinami, skąd ciepło przekazywane jest do osadu, znajdującego się między ślimakiem a obudową suszarki.
· suszarki fluidalne - uzyskuje się końcowe wysuszenie rzędu 80 - 95% suchej masy osadu. Przed podaniem do suszarki osad zostaje rozdrobniony, a często także wstępnie podsuszony. Metoda polega na zawieszeniu drobinek osadu w płynącym do góry strumieniu gazu. Stosowane do słabo odwodnionych osadów wtórnych (16% suchej masy), a także dla dobrze zmineralizowanych (35% suchej masy).
*Stabilizacja osadu
Sama stabilizacja ma przede wszystkim na celu:
zmniejszenie ilości substancji organicznych w osadach ściekowych poprzez biodegradacje i częściową mineralizację tych substancji,
usunięcie nieprzyjemnych zapachów,
zabezpieczenie osadu przed zagniwaniem,
częściowe odwodnienie i zagęszczenie osadów,
zniszczenie znajdujących się w osadzie drobnoustrojów chorobotwórczych i jaj pasożytów.
Proces stabilizacji osadów może być prowadzony w procesach:
biologicznych - stabilizacja tlenowa, fermentacja metanowa, kompostowanie,
chemicznych - wapnowanie osadów,
termicznych - termokondycjonowanie, mokre spalanie, piroliza, spalanie osadów.
Stabilizacja osadów umożliwia ich późniejsze bezpieczne składowanie lub wykorzystanie. Stabilizacja to proces kosztowny, porównywany z kosztami oczyszczania ścieków, np.: w kosztach budowy całej OŚ 50% stanowią koszty urządzeń do oczyszczania ścieków, a 50% koszty urządzeń do stabilizacji i odwadniania osadów.
*Higienizacja osadu
Skażenie osadów niepożądanymi mikroorganizmami chorobotwórczymi jest zależne od ścieków dopływających do oczyszczalni. Większe zagrożenia mogą wynikać z udziału w ogólnej masie dopływu ścieków z zakładów przetwarzających produkty zwierzęce oraz obiektów służby zdrowia.
Higienizacja osadów może zachodzić w różnym stopniu w różnych procesach przerobu osadów, lub w procesie wydzielonym, którego wyłącznym celem jest higienizacja.
Procesy stabilizacji tlenowej lub beztlenowej znacznie obniżają poziom zakażeń, jednak nawet realizowane w warunkach termofilnych nie dają gwarancji pełnej higienizacji, jeśli nie są prowadzone przy zachowaniu szczególnych wymagań. Wysoki stopień higienizacji jest uzyskiwany przy długookresowym odwadnianiu na poletkach osadowych. Skuteczna higienizacja jest szczególnie ważna jeśli osad jest przeznaczony dla rolniczego wykorzystania.
Do procesów higienizacji osadów ściekowych należą:
pasteryzacja,
wapnowanie,
higienizacja radiacją.
Pasteryzacji poddaje się zwykle osady zagęszczone. Proces polega na podgrzaniu osadu i utrzymaniu jego temperatury na określonym poziomie przez pewien czas. Pasteryzacja może być realizowana w różnych miejscach procesu technologicznego: przed fermentacją, między I i II stopniem fermentacji metanowej, po fermentacji, po stabilizacji tlenowej itp.
Wapnowanie jest to proces oddziaływania wapna na osad ściekowy poddawany higienizacji. Oddziaływanie to ma na celu podwyższenie pH do wartości, przy których następuje inaktywacja enzymów i występują zmiany w budowie białek. Jeżeli zostanie zastosowany tlenek wapnia CaO, zamiast wapna hydratyzowanego, wówczas dochodzi drugie oddziaływanie, którym jest podwyższona temperatura.
Higienizacja radiacją. Całkowite wyjałowienie osadów można uzyskać stosując wiązki przyśpieszonych elektronów oraz promieniowanie ?. Metody te są dość drogie pod względem kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, niemniej są stosowane w takich krajach jak: Niemcy, USA, Kanada. Wiązki elektronów stosowane są do wyjaławiania osadów ciekłych, a promieniowanie ? do ciekłych, odwodnionych i suchych.
*Wykorzystanie osadów
Wykorzystanie osadów ściekowych jest aspektem dość kontrowersyjnym i wymuszającym szereg pytań, a mianowicie co należy zrobić z osadami ze ścieków po zakończeniu procesów ich przerobu w oczyszczalni. Czy bardziej racjonalnie pod względem ochrony środowiska i ekonomii jest wykorzystanie przyrodnicze osadów ściekowych, czy też ich składowanie lub spalanie?
Osady ze ścieków komunalnych, z oczyszczalni wiejskich, ze ścieków przemysłu rolno-spożywczego obfitują w bogate źródła składników pokarmowych dla roślin oraz wykazują bardzo skuteczne oddziaływanie glebotwórcze, a wprowadzone do wierzchnich warstw bezglebowego gruntu nadają tej warstwie biologiczną aktywność, właściwą dla gleb urodzajnych. O wartości nawozowej osadu (rolnicze wykorzystanie) decyduje zawartość głównych składników pokarmowych dla roślin jak: N; P; K; Mg; Ca, mikroelementów oraz brak organizmów chorobotwórczych Właściwości glebotwórcze osadów wynikają przede wszystkim z obecności w osadach dużej ilości substancji organicznych, stanowiących bogate środowisko dla działalności mikroorganizmów oraz substancji podatnych na tworzenie humusu.
Inną metodą przyrodniczego wykorzystania osadów ściekowych jest ich przygotowanie w procesie kompostowania. Nawozy kompostowe mają wyjątkowo duże właściwości glebotwórcze, ich substancje organiczne pozostają w glebie przez dłuższy czas przez co następuje poprawa gleby pod względem biologicznym. Procesowi kompostowania można poddawać osady surowe, to znaczy niestabilizowane fermentacją metanową lub tlenowo, jak również osady stabilizowane. Mogą to być osady higienizowane wcześniej jak również osady niehigienizowane.
Źródła: Dariusz Boruszko „Przeróbka i unieszkodliwianie osadów ściekowych” Ćwiczenia lab.