1. Wstęp

Stabilizacja tlenowa jest procesem używanym do stabilizacji osadów, wymaga on nakładów energii w postaci napowietrzania. Proces można prowadzić na różne sposoby, są to m.in. konwencjonalna stabilizacja tlenowa, stabilizacja tlenowa partiami bądź autotermiczna stabilizacja tlenowa. Na wybór metody prowadzenia procesu składają się takie czynniki jak: charakterystyka osadów, warunki klimatyczne, warunki jakie osady muszą spełniać po przeróbce.

Głównym celem stabilizacji osadów ściekowych jest, zahamować, zmniejszyć bądź całkowicie zatrzymać możliwość osadu do zagniwania oraz zmniejszyć zawartość organizmów patogennych w osadzie, a z tymi czynnikami wiążą się jeszcze inne takie jak, zmniejszenie bądź zupełne pozbycie uciążliwości zapachowych, a także zmniejszenie zawartości suchej masy organicznej.

1. Mechanizm procesu stabilizacji tlenowej

Mechanizm stabilizacji tlenowej opiera się na rozkładzie mikrobiologicznym. Mikroorganizmy bezpośrednio utleniają biodegradowalną materię, a następnie utleniają mikrobiologiczny materiał komórkowy. Proces ten jest egzotermiczny, wydzielanie jest w nim energia w postaci ciepła. Obrazują to dwie poniższe reakcje.

MATERIA ORG. + O₂ → MATERIAŁ KOMÓRKOWY + CO₂ + H₂O

MATERIAŁ KOMÓRKOWY + O₂ → ROZŁOŻONY OSAD + CO₂ + H₂O

1. Parametry prowadzenia procesu

   1. Temperatura

Temperatura prowadzenia procesu bezpośrednio wpływa na jego szybkość. Im wyższa temperatura prowadzenia procesu tym szybszy rozkład mikrobiologiczny, a zarazem stabilizacja osadu. Tą zależność obrazuje wykres nr 1. poniżej.

W reaktorach stabilizacji tlenowej należy utrzymać temperaturę jak najwyższą. Z racji tego, że reaktory ulegają samozagrzewaniu w wyniku rozkładu mikrobiologicznego, a zależy nam na jak najszybszym prowadzeniu procesu , należy je budować z materiałów, które będą akumulować ciepło. Ponadto, aby akumulować ciepło można reaktory osadzić w gruncie, który będzie również izolował od utraty ciepła.

Wykres nr 1. Stabilizacja tlenowa. Zależność szybkości reakcji od temperatury osadów.

1. Wiek osadu

Wiek osadu, czyli średni czas przetrzymania kłaczka osadu w reaktorze jest ważnym czynnikiem od jego wielkości zależą między innymi jednostkowa szybkość zużycia tlenu, pH, czy zachodzić będzie proces nitryfikacji.

W zależności od warunków prowadzenia WO powinien być rzędu kilku dziesięciu dób, aby utrzymać odpowiednią populację mikrobiologiczną. Natomiast jeżeli podczas stabilizacji tlenowej ma zachodzić również proces nitryfikacji WO powinien być wyższy niż 20 dób, który jest uznawany jako gwarantujący przeprowadzenie pełnej nitryfikacji.

Wykres nr 2. Stabilizacja tlenowa. Zależność jednostkowej szybkość zużycia tlenu od wieku osadów.

Wykres nr 2. Przedstawia jednostkowe zużycie tlenu w zależności od wieku osadów. Układy w których WO jest niski, są bogate w materiał pożywkowy dla mikroorganizmów. W związku z tym mikroorganizmy utleniają dużą ilość związków szybko, przez co jednostkowa szybkość zużycia tlenu jest wysoka. Niższa szybkość zużycia tlenu przy układzie o wyższym wieku osadu może być spowodowana mniejszą zawartością związków, które mogą ulegać utlenianiu.

1. pH

W reaktorach stabilizacji tlenowej pH powinno być w okolicach obojętnego. Jednak w układach z długim wiekiem osadu może ulegać ono spadkowi, spowodowane jest to wydzielaniem się kwasów podczas zachodzącej nitryfikacji. Przy prowadzeniu procesu z nitryfikacją należy szczególnie monitorować ten parametr, ponieważ zbyt duży spadek pH spowodować może całkowite zatrzymanie procesu. Zależność spadku pH od wieku osadu przedstawia wykres nr 3 poniżej.

Wykres nr3. Stabilizacja tlenowa. Zależność pH od wieku osadu.

1. Zapotrzebowanie na tlen

Zapotrzebowanie na tlen jest ściśle związane warunkami prowadzenia procesu (tlenowe, anoksyczno-tlenowe). Zazwyczaj komory stabilizacji tlenowej mieszane są przy pomocy napowietrzania i jego brak może powodować powstawanie tzw. stref martwych, w których mogą zachodzić procesy beztlenowe. Dlatego ważne jest aby w reaktorze cały czas było stężenie tlenu minimum 1 mgO₂/dm³ .

1. Ubytek suchej masy organicznej (SMO)

Ubytek SMO decyduje zmniejszeniu podatności na zagniwanie osadu. Zmniejszenie SMO o około 40% oznacza usunięcie około 95% SMO biodegradowalnej. Aby uzyskać takie efekty należy utrzymać parametr iloczynu temperatury i wieku osadu na poziomie 800. Obrazuje to umieszczony poniżej wykres nr 4.

Wykres nr 4. Stabilizacja tlenowa. Zależność ubytku SMO od iloczynu temperatury i WO.

1. Warunki prowadzenia procesu

Stabilizację tlenową możemy prowadzić w warunkach tlenowych, bądź anoksyczno-tlenowych. Wybór warunków prowadzenia procesu ma bezpośredni wpływ na zapotrzebowanie na tlen.

1. Warunki tlenowe

Rys. nr 1. Schemat prowadzenia procesu w warunkach tlenowych.

Osad surowy doprowadzany jest do komory tlenowej(napowietrzanej), gdzie następuje stabilizacja. Następnie dyfuzory są wyłączane i zestabilizowany osad sedymentuje. Po Tym procesie osad i woda nadosadowa są kierowane odpowiednio do dalszej przeróbki i na początek układu oczyszczania ścieków.

Proces w warunkach tlenowych możemy prowadzić z nitryfikacją, bądź bez niej. Zapotrzebowanie na tlen przy prowadzeniu procesu z nitryfikacją jest wyższe (ok. 2,0 kgO₂/kgSMO) niż przy procesie prowadzonym bez nitryfikacji(ok.1,4 kgO₂/kgSMO).

Różnica w zapotrzebowaniu na tlen wynika, z tego, że bakterie nitryfikacyjne potrzebują dodatkowej dawki tlenu na przeprowadzenie przemiany form azotu.

1. Warunki anoksyczno-tlenowe

Rys. nr 2. Schemat prowadzenia procesu w warunkach anoksyczno-tlenowych.

Osad surowy najpierw wpada do komory anoksycznej (mieszanie mechaniczne), w której związki organiczne są utleniane za pomocą azotanów (są recyrkulowane z końca układu), ponieważ bakterie w warunkach braku tlenu, pożywkują się azotanami. Następnie osad już częściowo ustabilizowany trafia do komory tlenowej, gdzie następuje proces jego dalszej stabilizacji. W komorze tlenowej zachodzi proces nitryfikacji, w wyniku którego powstają azotany. Następnie część osadu jest recyrkulowana na początek układu, a część kierowana jest do dalszej przeróbki.

W warunkach anoksyczno-tlenowych proces możemy prowadzić jedynie z nitryfikacją. Prowadzenie bez nitryfikacji mija się z celem zastosowania komory anoksycznej. Zapotrzebowanie na tlen w tych warunkach wynosi ok 1,6 kgO₂/kgSMO. Spowodowane jest to częściową stabilizacją osadów w warunkach anoksycznych za pomocą azotanów.

1. Metody prowadzenia stabilizacji tlenowej.

   1. Stabilizacja tlenowa semi-przepływowa

Rys. nr 3. Schemat prowadzenia stabilizacji semi-przepływowej.

Idea prowadzenia stabilizacji semi-przepływowej polega na napełnieniu komory stabilizacji surowym osadem, włączeniu napowietrzania i prowadzeniu procesu. Gdy osad jest już ustabilizowany zamyka się dopływ powietrza do komory. W związku z tym osad zaczyna sedymentować. Po zsedymentowaniu całości osadu i wydzieleniu widocznej granicy pomiędzy osadem a cieczą nadosadową. Ciecz nadosadowa jest zawraca na początek układu oczyszczania ścieków, a osad ustabilizowany jest usuwany i poddawany dalszej obrobce. Po takim zabiegu poddaje się do stabilizacji kolejne partie osadu.

Rys. nr 4. Przekrój przez semi-przepływową komorę stabilizacji tlenowej.

1. Stabilizacja tlenowa przepływowa

Rys. nr 5. Schemat prowadzenie stabilizacji tlenowej przepływowej.

Przepływowa stabilizacja tlenowa polega na ciągłym doprowadzaniu osadu do komory stabilizacji, która jest cały czas napowietrzana. Ilość osadu surowego doprowadzanego do komory, jest równa ilości odprowadzanego osadu zestabilizowanego z komory. Następnie osady zestabilizowane kierowane są do osadnika gdzie następuje sedymentacja. Część osadu po sedymentacji jest recyrkulowana na początek układu stabilizacji w celu zapewnienia odpowiedniego wieku osadu w układzie, a część jest poddawana dalszej obróbce. Ciecz nadosadowa jest zawracana na początek układu oczyszczania ścieków.

Rys. nr 6. Przekrój przez przepływową komorę stabilizacji tlenowej.

1. Zalety i wady procesu stabilizacji tlenowej

   1. Zalety stabilizacji tlenowe

• Łatwość prowadzenia procesu,

• Redukcja 40-50% SMO,

• Możliwość prowadzenia nitryfikacji, ze względu na zmniejszoną ilość związków azotu w cieczy nadosadowej, która jest zawracana na początek układu

• Dosyć duża redukcja patogenów.

  1. Wady stabilizacji tlenowej

• Duże koszty, głównie ze względu na napowietrzanie,

• Duży wpływ: warunków atmosferycznych, materiałów użytych do budowy komór i lokalizacji zbiornika na prowadzenie procesu. Głównie ze względu na ciężkość utrzymania wyższej temperatury w komorach.

1. Autotermiczna tlenowa stabilizacja osadów (ATSO).

Proces polegający dokładnie na tym samym co stabilizacja tlenowa, czyli na biologicznym rozkładzie masy do CO₂ i H₂O. W odróżnieniu od tlenowej stabilizacji proces prowadzony jest w zamkniętych izolowanych (ocieplanych) reaktorach. Zastosowanie takich reaktorów ma minimalizować straty ciepła i pozwala prowadzić ATSO w wysokiej temperaturze od 55 do 70^oC. Reaktory zagrzewane są przez energię (w postaci ciepła) wytwarzaną podczas rozkładu masy przez mikroorganizmy.

1. Warunki prowadzenia ATSO.

   1. Zagęszczenie osadu

Osady doprowadzane do komór ATSO powinny być wstępnie zagęszczone do minimum 4% SMO. Mniejsze zagęszczenie osadu może spowodować nie uzyskanie odpowiedniej temperatury procesu, ponieważ będziemy musieli ogrzewać dużo większą objętość, a energia pochodząca z rozkładu będzie taka sama.

1. Temperatura

W wyniku zastosowania izolowanych zamkniętych reaktorów i minimalnego zagęszczenia 4% SMO, temperatura procesu może dochodzić nawet do 70^oC. Utrzymanie temperatury wyższej niż 55^oC przez kilka dób gwarantuje usunięcie patogenów z osadów. Ponadto wysoka temperatura eliminuje proces nitryfikacji podczas prowadzenia ATSO, ponieważ bakterie prowadzące nitryfikację nie są wstanie przeżyć w tak wysokiej temperaturze.

1. Zapotrzebowanie na tlen

Proces wymaga bardzo intensywnego natleniania za pomocą napowietrzania powietrzem bądź natleniania czystym tlenem. Stężenie tlenu w reaktorze nie powinno być niższe niż 1 mgO₂/dm³. Natlenianie czystym tlenem daje mniejsze czasy przetrzymania osadu w reaktorze, jednak może być droższe niż natlenianie za pomocą powietrza.

1. Czas przetrzymania

W wyniku działania wysokiej temperatury czas przetrzymania osadu w reaktorze wynosi około 8 dób przy napowietrzania, a przy natlenianiu czystym tlenem zmniejsza się do około 5 dób.

1. Reaktory do prowadzenia ATSO

Rys. nr 7. ATSO. Schemat reaktora.

Zagęszczone osady są wprowadzane do reaktora w cyklach 24-48 h, aby dobrze shigienizować osad. Osady są napowietrzane oraz mieszane. Odpowiednie mieszanie gwarantuje równomierne stężenie tlenu w osadach (eliminuje powstawanie stref martwych). Gdy nie wyeliminujemy stref martwych (beztlenowych) mogą zachodzić procesy beztlenowe (powstają odory). W wyniku bardzo intensywnego napowietrzania na powierzchni osadu może tworzyć się piana. Kożuch z piany należy zbijać do grubości około 30 cm, ponieważ może on służyć jako bariera zapobiegająca parowanie (oddawanie ciepła) z osadu. Zbyt duża ilość piany zmniejsza kubaturę reaktora. Ponadto powstają gazy, które należy oczyszczać, głownie ze względu na znajdujący się w nich NH₃.

1. Instalacja do oczyszczania gazów

Rys. nr 8. ATSO. Schemat instalacji do oczyszczania gazów.

Gazy przekazywane do oczyszczania są doprowadzane do skrubera, gdzie następuje nawilżanie gazu, podczas którego usuwane są ciała stałe znajdujące się w gazie poprzez ich opadanie razem z cząstkami (kroplami) wody. Następnie gazy kierowane są na filtr biologiczny gdzie następuję dalsze usuwanie NH₃ poprzez mikroorganizmy.

1. Schemat instalacji ATSO

Rys. nr 9. ATSO. Schemat instalacji.

Osad surowy podawany jest do zagęszczacza osadu. Następnie podawany jest do 1. reaktora ATSO, następuje higienizacja w wysokiej temperaturze i częściowa stabilizacja osadów. Następnie osady kierowane są do 2. reaktora ATSO w którym panuje niższa temperatura i prowadzona jest ostateczna stabilizacja. Cykle doprowadzania osadu do reaktorów wahają się od 24-48h, działanie to ma na celu jak najlepszą higienizację osadu. Później osady kierowane są do zbiornika bądź dalszej obróbki.

1. Zalety i wady ATSO

   1. Zalety ATSO

• Mała wrażliwość za zakłócenia, temperaturę otoczenia. Głównie ze względu na zastosowanie zamkniętych izolowanych reaktorów,

• Duży, nawet 100% ubytek patogenów, dzięki prowadzeniu procesu w wysokiej temperaturze,

• Brak uciążliwości zapachowej.

  1. Wady ATSO

• Wysokie koszty eksploatacji, ze względu na bardzo intensywne napowietrzanie,

• Brak nitryfikacji, ze względu na brak usuwania związków azotu, które pozostałe w wodzie nadosadowej będą zawracane na początek układu.

1. Bibliografia

1. Materiały przygotowane przez prowadzącego.

2. Metcalf, Eddy, Wastewater Engineering Treatment and Reuse, 2004

3. Prof. nadzw. Dr hab. Inż. Ryszard Szetela, Wykład Gospodarka osadowa, 2010