1. Charakterystyka układów technologicznych stosowanych w nowoczesnych oczyszczalniach ścieków

Ostatecznym celem każdego sposobu oczyszczania ścieków jest ochrona środowiska przyrodniczego przed niekorzystnym wpływem spowodowanym wprowadzeniem tych ścieków.
Do niedawna zawracano głównie uwagę na zakłócenia bilansu tlenowego spowodowane obecnością związków organicznych oraz amonowych. Z tego powodu wśród sposobów oczyszczania ścieków dominowały te, które gwarantowały duży stopień redukcji BZT₅, oraz nitryfikację związków amonowych.

W ostatnich latach znacznie wzrosły wymagania dotyczące stopnia oczyszczania ścieków, które nie są możliwe do spełnienia za pomocą typowych mechaniczno - biologicznych metod. Obecnie najistotniejszymi celami biotechnologii ścieków są:

• eliminacja nieorganicznych związków azotu i fosforu,

• usunięcie biologicznie nierozkładalnych lub trudnorozkładalnych substancji (związków refrakcyjnych),

• zmniejszenie kosztów.

Realizacja wymienionych oczekiwań odbywa się wielorako - poprzez optymalizację urządzeń wprowadzanie nowych technik lub modyfikację znanych technologii. Nie należy jednak zapominać o tym, że zapobieganie zanieczyszczeniu środowiska wymaga bardziej wszechstronnych działań,
z których często najwłaściwsze jest zapobieganie powstawaniu zagrożeń u ich źródła. Szczególnie dotyczy to zanieczyszczeń powstających w procesach przemysłowych.

Zarówno dbałość o czystość środowiska, jak również względy ekonomiczne uzasadniają więc następującą kolejność działań:

1. całkowita likwidacja, zmniejszenie ilości i szkodliwości powstających produktów ubocznych poprzez zmiany procesu produkcyjnego,

2. wykorzystanie powstających niepożądanych produktów ubocznych w innych procesach produkcyjnych,

3. niszczenie tych zanieczyszczeń, których nie można zlikwidować wymienionymi sposobami.

1.1 Usuwanie związków azotowych

Jest wiele powodów, dla których obecność nieorganicznych związków azotu
w ściekach i wodzie do picia jest niewskazana. W wypadku oczyszczania ścieków może to być:

• korozja urządzeń (NH₃, NH⁺₄),

• zapach przy większym pH (NH₃),

• zwiększenie zapotrzebowania tlenu (nitryfikacja),

• wypływanie osadu („dzika” denitryfikacja),

• hamowanie procesów tlenowych (pH, NO₂, NH₃) i beztlenowych (pH, NH₃).

Obok niewielkiej eliminacji organicznych i nieorganicznych związków azotu
w konwencjonalnych procesach oczyszczania ścieków, których zasadniczym celem nie jest jednak ich usuwanie, opracowano sposoby pozwalające na ich znaczną likwidację.
Z możliwych do wykorzystania procesów, najbardziej interesujące są te, które są oparte na zjawiskach biologicznych, tj. nitryfikacji i denitryfikacji. Zainteresowanie to jest tym bardziej uzasadnione, iż właściwie do tej pory jedynie te procesy są wykorzystywane w skali technicznej.

Obok zachodzącego samoistnego procesu usuwania azotu amonowego, wykorzystywanego do syntezy nowej biomasy, mikrobiologiczna denitryfikacja jest obecnie jedynym gospodarczym sposobem usuwania związków azotu ze ścieków. Jednakże, aby móc proces ten wykorzystać, należy wcześniej azot amonowy, także na drodze mikrobiologicznej, utlenić do azotanów, które dopiero wówczas, w obecności łatwo przyswajalnego źródła węgla, będą redukowane do gazowego azotu.

Bazując na wieloletnich doświadczeniach opanowano dość dobrze technologię nitryfikacji, także dla wysokich stężeń związków amonowych w ściekach surowych. Także mikrobiologiczne
i biochemiczne podstawy nitryfikacji są dobrze poznane.

W ostatnich latach sprawdzono w skali technicznej wiele systemów, w których usuwano związki azotowe za pomocą mikrobiologicznej denitryfikacji. Spośród tych systemów najwięcej zalet posiadają:

• denitryfikacja przed nitryfikacją (denitryfikacja wyprzedzająca),

• denitryfikacja jednoczesna (symultaniczna),

• denitryfikacja przerywana (naprzemienna),

• denitryfikacja alternatywna.

W przypadku denitryfikacji przed nitryfikacją jako źródło węgla są wykorzystywane substancje organiczne zawarte w surowych ściekach. Korzyść jest więc potrójna - usuwa się zanieczyszczenia organiczne, związki azotowe i oszczędza energię, gdyż nie jest wymagane dostarczanie tlenu. Jednakże warunkiem optymalnego przebiegu procesu jest odpowiednia recyrkulacja wewnętrzna zawartości komór ze strefy nitryfikacji do części denitryfikacji w celu zapewnienia odpowiedniej ilości azotu amonowego.

Rys. 1.1 Schemat usuwania azotanów za pomocą denitryfikacji wyprzedzającej (przed nitryfikacją)

Denitryfikacja symultaniczna w sposób świadomy lub bez takiej intencji jest stosowana najczęściej. Występuje ona zawsze wówczas, gdy parametry techniczne w oczyszczalni gwarantują przebieg nitryfikacji, a jednocześnie występują strefy niedotlenione. W sposób kontrolowany denitryfikacja jednoczesna będzie zachodzić dzięki regulacji intensywności napowietrzania
na podstawie pomiarów zawartości rozpuszczonego tlenu.

W systemie denitryfikacji przerywanej (naprzemiennej) w fazie nitryfikacji zachodzi intensywne napowietrzanie zawartości bioreaktorów. W następującej po niej fazie denitryfikacji urządzenia napowietrzające są wyłączone, a działają jedynie urządzenia mechaniczne zapewniające dobre wymieszanie zawartości bioreaktora.

Modyfikacją denitryfikacji wyprzedzającej jest oczyszczanie metodą osadu czynnego
z denitryfikacją alternatywną. System ten składa się z dwóch zbiorników - w jednym zbiorniku odbywa się denitryfikacja, a w drugim w tym samym czasie nitryfikacja. Po wyczerpaniu azotanów w komorze denitryfikacji, ścieki surowe kieruje się do drugiej z komór, gdzie dotychczas zachodziła nitryfikacja. W następnym cyklu role komór odwracają się.

Omówione systemy są stosunkowo łatwe do wykorzystania, także w już istniejących oczyszczalniach ścieków.

1.2 Biologiczna defosfatacja

Do niedawna jedynymi skutecznymi sposobami usuwania związków fosforu ze ścieków były metody fizykochemiczne. Ostatnio w krajach rozwiniętych gwałtownie wzrosły badania
i praktyczne wykorzystanie metod biologicznych. Jakkolwiek stosowane obecnie biologiczne metody usuwania fosforu nie gwarantują utrzymania jego stałego stężenia w oczyszczonych ściekach poniżej 2 mg/dm³, proces ten powinien być zawsze przewidywany w projektowanych oczyszczalniach.

Opracowano kilka systemów, które w znacznym stopniu usuwają fosfor
z oczyszczonych ścieków. Najczęściej w systemach tych fosfor jest usuwany łącznie z innymi biogennym pierwiastkiem - azotem. Taka jest również geneza jednego z najwcześniejszych systemów BARDENPHO. System ten opracowany przez Bernarda w RPA był pierwotnie przeznaczony do usuwania azotu z pomocą wyprzedzającej denitryfikacji.

W systemie takim przy zbyt dużej strefie denitryfikacji zaobserwowano ubytek fosforanów. Wprowadzenie drugiej strefy niedotlenionej (anoksycznej), miało zmniejszyć zawartość azotanów w odpływie z oczyszczalni, a dodatkowa końcowa strefa tlenowa zapobiegała „dzikiej” denitryfikacji w osadniku wtórnym i związanym z tym wypływem osadu.

Rys. 1.2 Proces Bardenpho

Znaczną stabilizację procesu i zwiększenie efektywności usuwania fosforanów uzyskano przez wprowadzenie wyodrębnionej wstępnej strefy beztlenowej. Do strefy tej wprowadza się ścieki surowe i recyrkulowany osad czynny, a bogatą w azotany zawartość komory nitryfikacji recyrkuluje się do strefy niedotlenionej (anoksycznej). Ze względu na niski potencjał oksydoredukcyjny panujący w strefie anaerobowej opisany system nazwano PHOREDOX, jakkolwiek jest on też nazwanym modyfikowanym procesem BARDENPHO.

Rys. 1.3 Proces Phoredox lub zmodyfikowany Bardenpho

Ze względu na niewielkie korzyści istnienia dodatkowych stref anaerobowych
i tlenowych zrezygnowano z nich uzyskując tzw. zmodyfikowany system PHOREDOX. Dzięki omówionym uproszczeniom system ten sprowadził się do systemu denitryfikacji wyprzedzającej
z dodatkową wstępną strefą beztlenową

Rys. 1.4 Zmodyfikowany proces Phoredox

Coraz częściej kombinacje stref: beztlenowych, niedotlenionych i tlenowych, wymaganych przy zintegrowanym usuwaniu związków węgla, azotu i fosforu realizuje się
w formie kaskadowej, tj. sekwencji kolejnych sekcji. Rozwiązanie takie sprzyja tworzeniu dobrze sedymentującego osadu czynnego. W takiej formie skonstruowano m.in. tzw. System A2/O, który jest technologicznie identyczny ze zmodyfikowanym systemem PHOREDOX,
a różni się jedynie rozwiązaniem technicznym poszczególnych bioreaktorów w formie kaskady.

Rys. 1.5 Proces A2/O

Istotą biologicznych metod defosfatacji są zjawiska wydzielania i wchłaniania fosforanów przez drobnoustroje osadu czynnego, dlatego też stopień i intensywność tych procesów
w poszczególnych etapach oczyszczania ścieków wpływa decydująco na ostateczną efektywność oczyszczania.

Eksploatowane systemy pozwalają na usunięcie około 75% fosforu, jednak nie gwarantuje to stałej niskiej zawartości fosforu w oczyszczonych ściekach. Jeżeli więc występuje taki wymóg, to obecnie skutecznym sposobem jest usuwanie reszty fosforu za pomocą metod chemicznych (strącanie).

1.3 Wielostopniowe oczyszczanie ścieków

W wielu wypadkach do uzyskania wysokiego stopnia oczyszczania, a przede wszystkim stabilności procesu, jest konieczne zastosowanie wielostopniowego biologicznego oczyszczania. Dotyczy to szczególnie większych ilości ścieków przemysłowych lub mieszanych.

W wypadku dwustopniowych systemów biologicznych stosuje się różne kombinacje trzech procesów. W ostatnim okresie najbardziej lansowanym był tzw. proces AB (z niem. Adsorptions-Belebungsverfaren), stanowiący modyfikację dwustopniowego procesu osadu czynnego. Modyfikacja polega na usunięciu osadnika wstępnego, bardzo wysokim obciążeniu substratowym I stopnia (powyżej 2 kg BZT₅/(kg sm*d)) i niskim obciążeniu drugiego bioreaktora (poniżej 0,3 kg BZT₅/(kg sm*d)). Takie rozwiązanie zapewnia w pierwszym stopniu:

a) wykorzystanie aktywności mikroorganizmów zawartych w ściekach surowych i usunięcie zanieczyszczeń łatwo ulegających biodegradacji,

b) usunięcie dopływającej zawiesiny oraz dużej części zanieczyszczeń koloidalnych,

c) bardzo dobre własności sedymentacyjne osadu czynnego.

W drugim stopniu zachodzą procesy typowe dla konwencjonalnej metody osadu czynnego.

Dalszym rozwinięciem technologii AB jest trójstopniowy system ATB składający się ze stopnia biosorpcji, złoża biologicznego i osadu czynnego.

Obok oczekiwań dotyczących stopnia oczyszczania, ważnym elementem wyboru określonego systemu jest zużywana energia. Analiza poszczególnych procesów biologicznego oczyszczania wykazuje zaskakująco korzystne zużycie energii (w przeliczeniu na jednego mieszkańca i rok) w systemach wielostopniowych. Analiza ekonomiczna uwzględniająca koszty inwestycyjne wykazuje, że wiele korzystnych cech posiadają systemy, w których skład wchodzą złoża biologiczne.

Korneliusz Mikach „Biotechnologia środowiskowa” część I, s.80

Korneliusz Mikach „Biotechnologia środowiskowa” część I, s.88

Korneliusz Mikach „Biotechnologia środowiskowa” część I, s.88

Korneliusz Mikach „Biotechnologia środowiskowa” część I, s.89

Korneliusz Mikach „Biotechnologia środowiskowa” część I, s.90

DEN

NITRYFIKACJA

OSADNIK

anox

aer

anox

aer

Q

Q-DN

Q-RS

ana

aer

anox

aer

Q

Q-DN

Q-RS

anox

ana

anox

aer

Q

Q-DN

Q-RS

anaerob

anox

aerob

Q

Q-DN

Q-RS

---