Woda i jej zasoby - Większość wody występującej w przyrodzie jest "słona" (około 97,38%), tzn. zawiera dużo rozpuszczonych soli, głównie chlorku sodu. W wodzie rozpuszczone są również gazy – najwięcej dwutlenku węgla. W wodzie rozpuszczone są równiez inne sole mineralne – najwięcej woda morska i wody mineralne.

Funkcje wody w środowisku geograficznym:

- rzeźbotwórcza, - skałotwórcza, - magazyn ciepła, - rozpuszczalnik związków organicznych, - źródło pożywienia dla człowieka, - droga transportowa, - źródło energii

Znaczenie biologiczne - Woda jest powszechnym rozpuszczalnikiem związków ustrojowych i niezbędnym uzupełnieniem pokarmu wszystkich organizmów. Uczestniczy w przebiegu większości reakcji metabolicznych, stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego: np. produktów przemiany

materii, substancji odżywczych, hormonów, enzymów. Reguluje temperaturę. Stanowi płynne środowisko niezbędne do usuwania końcowych produktów przemiany materii.

Zasoby wodne - źródła wody potencjalnie użytecznej dla człowieka, np. dla celów rolnictwa, przemysłu, potrzeb gospodarstw domowych, rekreacji itp. Zasoby wodne tworzą trzy rodzaje wód: - opady i osady atmosferyczne, - wody podziemne głębszych poziomów, - wody powierzchniowe.

Podział zanieczyszczeń wód ze względu na pochodzenie:

1. Naturalne: - Rozkład substancji nieorganicznych; - Obumieranie organizmów wodnych

2. Antropogeniczne: - Pestycydy; - Substancje powierzchniowo czynne; - Węglowodory ropopochodne; - Fenole;- Metale ciężkie; - Wody podgrzane

Rozróżnia się zanieczyszczenia:

- punktowe, - obszarowe

Podział zanieczyszczeń wód

Zanieczyszczenia fizyczne – zawiesiny nierozpuszczalnych substancji stałych np. kurz, pył, cząstki obumarłych roślin i zwierząt, cząstki mineralne gleby, wytracone koloidalne związki żelaza i glinu

Zanieczyszczenia chemiczne – substancje organiczne i mineralne, rozpuszczalne w wodzie np. sole, kwasy, zasady, związki toksyczne (cyjanki), związki metali ciężkich. Zanieczyszczenia bakteriologiczne – drobnoustroje, których większość odgrywa ważną rolę w procesie samooczyszczania się wody oraz wirusy i bakterie chorobotwórcze. Zanieczyszczenia radioaktywne – występują w małych ilościach.

Niebezpieczeństwo występuje podczas przedostania się do wód ścieków z elektrowni jądrowych lub placówek naukowo – badawczych.

Najważniejsze zanieczyszczenia występujące w ściekach spływających do wód powierzchniowych

- detergenty, -WWA i chlorowcopochodne węglowodorów, - pestycydy - fenole, - PCB, - inne substancje organiczne, nietoksyczne, - fosforany i azotany,- metale ciężkie,- wody podgrzane

Procesy oczyszczania wód do celów użytkowych

Niektóre zanieczyszczenia wody można usunąć dokładniej przez:

- utlenianie związków organicznych, -usuwanie twardości na wymieniaczach jonowych, - odgazowanie termiczne, - korygowanie składu przy odsalaniu.

Ścieki - to zużyte ciecze, roztwory, koloidy lub zawiesiny, a także odpadowe ciała stałe odprowadzane za pomocą rurociągów do odbiorników naturalnych.

Ze względu na ich pochodzenie ścieki dzieli się na: - komunalne - pochodzące głównie z gospodarstw domowych - zawierają one zwykle odpadki żywności, detergenty i fekalia.

- przemysłowe - zawierają najczęściej rozmaite związki chemiczne, będące ubocznym produktem procesów technologicznych stosowanych w zakładach przemysłowych.

- rolnicze - powstające z wód spływających z pól i gospodarstw wiejskich – zawierają zwykle nawozy sztuczne, pestycydy oraz zanieczyszczenia drobnoustrojami.

Składniki organiczne ścieków: Białka, węglowodany, Tłuszcze, oleje, Żywice, barwniki, Fenole, produkty naftowe, Detergenty, pestycydy itp.

Składniki nieorganiczne ścieków: Zasady, kwasy nieorganiczne, metale ciężkie, 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

Zanieczyszczenia w ściekach: - mechaniczne np. muł; - koloidalne np. olej; - roztwory np. sól; - biologiczne np. bakterie (miano Coli), wirusy

Oczyszczanie ścieków – usuwanie ze ścieków zawartych w nich zanieczyszczeń w celu zminimalizowania ich szkodliwego oddziaływania na odbiornik tj. wody powierzchniowe lub grunty.

1. oczyszczanie mechaniczne

- Kraty i sita – zanieczyszczenia pływające

- Piaskowniki – ciężkie zawiesiny ziarniste

- Odtłuszczacze – tłuszcze i oleje

- Osadniki – drobne zawiesiny

2. oczyszczanie biologiczne

- Komory napowietrzania lub rowy cyrkulacyjne

- Reaktory z osadem czynnym lub błoną biologiczną – przekształcanie azotanów

- Usuwanie azotanów i fosforanów – stawy glonowe

3. oczyszczanie chemiczne

- Dezynfekcja

Oczyszczanie mechaniczne – usuwanie zanieczyszczeń stałych. Zabiegi mechaniczne stanowią pierwszy stopień oczyszczania ścieków. Kraty służą do zatrzymania i oddzielenia ciał stałych (szmaty, papiery, gałęzie, liście itp.). Instaluje się je w celu ochrony pomp i innych urządzeń mechanicznych, przez które przepływają ścieki. Kraty mogą być:

- rzadkie (prześwit 40 - 100 mm),

- średnie (prześwit 20 - 30 mm),

- gęste (prześwit 10 - 15 mm)

Sita służą one do zatrzymywania włókien, cząsteczek celulozy, papieru, włosów itp.

Mają różną konstrukcję, a wielkość zatrzymywanych zawiesin zależy od szerokości

szczelin w sicie.

Zadaniem piaskowników jest usunięcie ze ścieków substancji pochodzenia mineralnego, o wymiarach cząstek większych niż 0,2 mm, stanowiących ciężkie zawiesiny, jak piasek, popiół, żużel, gruz, drobny złom metalowy i szklany. W osadnikach usuwane są ze ścieków zawiesiny drobne, łatwo opadające.

Odtłuszczacze służą do oddzielania ze ścieków zanieczyszczeń lżejszych od wody.

Oczyszczanie biologiczne – usuwanie zanieczyszczeń rozproszonych, Drugi stopień oczyszczania ścieków polega na poddaniu ich procesom mikrobiologicznego rozkładu.

Łatwo rozkładające się substancje organiczne (węglowodany, białka, tłuszcze) absorbowane są na żywych organizmach, następnie przenikają do środka komórek, gdzie utleniane są w procesach enzymatycznych do dwutlenku węgla i wody; jednak pewna ich część wykorzystywana zostaje do syntezy nowych organizmów. Organizmy dokonujące mineralizacji to głownie bakterie tlenowe, pierwotniaki i inne. Poprzez błonę komórkową dokonują wymiany materii z otoczeniem; przez nią wydzielają również enzymy, które rozpuszczają ciała stałe i koloidy, czyniąc je dla siebie przyswajalnymi.

Rozkład substancji organicznej może zachodzić pod wpływem mikroorganizmów w warunkach tlenowych i beztlenowych. Procesom rozkładu zachodzącym w warunkach tlenowych, przeprowadzanym przez organizmy tlenowe (aerobowe), towarzyszy wydzielanie dużych ilości ciepła.

Oczyszczanie chemiczne – usuwanie miogenów. Trzeci stopień oczyszczania polega na usunięciu ze ściekach związków azotu i fosforu.

Można to zrobić metodą biologiczną, wykorzystując bakterie denitryfikujące, dla których źródłem tlenu są azotany (bakterie osadu dennego, stawy glonowe). Azot mona te usunąć metodami chemicznymi, stosując np. procesy adsorpcji, odpędzania amoniaku w wieżach desorpcyjnych czy wymianę jonową. Metody te są jednak bardziej kosztowne. Fosfor można wytrąca na różnych etapach oczyszczania mechaniczno-biologicznego ścieków (w osadnikach wstępnych, równocześnie z biologicznym oczyszczaniem i po biologicznym oczyszczaniu). Najbardziej uciążliwymi elementami procesu strącania fosforu jest tworzenie się dużych ilości osadu. Osad ten musi być specjalnie traktowany-nie może trafić do komór fermentacyjnych, gdyż w beztlenowym procesie fermentacji metanowej fosfor ulega redukcji i z postaci stałej hydrolizuje.

OCZYSZCZANIE FIZYKOCHEMICZNE - Pomimo stosowania oczyszczania wielostopniowego w ściekach mogą pozostać jednak pewne zanieczyszczenia nie ulegające rozkładowi. Te substancje zwykło się określać nazwą związków refrakcyjnych. Usuwanie ich odbywa się metodami innymi niż biologiczne, np. przez sorpcję na węglu aktywowanym. Jest to skuteczna, ale jednocześnie bardzo droga metoda. Pewnego rodzaju rozwiązaniem mogą być próby uzyskiwania szczepów bakteryjnych działających selektywnie na konkretny związek chemiczny. Pozwala to na rozkład tych substancji w specjalnie prowadzonych procesach z mikroorganizmami immobilizowanymi na nośniku, np. piance poliuretanowej. Te same szczepy można stosować do regeneracji węgla aktywowanego, co pozwoli na wielokrotne jego użycie. Pochłanianie zanieczyszczeń na powierzchni sorbenta, jakim jest n.p. węgiel aktywowany, nazywamy adsorpcją. Jest to typowy proces pomiędzy fazą ciekłą i stałą doprowadzony do stanu równowagi

Metoda złóż biologicznych Działanie złóż biologicznych oparte jest na naśladowaniu procesów samooczyszczania zachodzących w warunkach naturalnych w glebie, ale szybkość tych procesów jest znacznie większa. Złoża biologiczne są to urządzenia, w których zachodzą tlenowe procesy rozkładu zanieczyszczeń zawartych w ściekach. Procesy oczyszczania są wynikiem działalności mikroorganizmów osiadłych na materiale wypełniającym złoże w postaci tzw. błony biologicznej. W złożu biologicznym oczyszczane ścieki przesącza się przez przepuszczającą powietrze warstwę materiału wypełniającego. Po kilku tygodniach wpracowywania złoża, na powierzchni materiału wypełniającego wykształca się błona biologiczna (biofilm), składająca się głownie z bakterii, grzybów i pierwotniaków. Zawarte w ściekach rozpuszczone i koloidalne substancje organiczne adsorbują się na błonie, a następnie są rozkładane tlenowo przez znajdujące się w niej mikroorganizmy.

W tradycyjnym ujęciu złoża biologiczne dzielimy w zależności od obciążenia hydraulicznego ściekami na zraszane, spłukiwane i wieżowe. Istnieją również złoża tarczowe, w których błona biologiczna rozwija się na obracających się na okrągłych tarczach umieszczonych blisko siebie i zamontowanych na wspólnej osi poziomej.

Złoża biologiczne mogą w wielu przypadkach stanowic alternatywę dla urządzeń osadu czynnego. Dotyczy to szczególnie małych i średnich oczyszczalni ścieków, z których wiele pracuje opierając się na przestarzałych złożach biologicznych. Do podstawowych zalet złóż biologicznych należą: prosta konstrukcja, małe zapotrzebowanie na teren, prostota obsługi, duża energooszczędność, duża tolerancja na gwałtowne zmiany obciążenia, mała wrażliwość na zmiany składu ścieków. Złoża biologiczne okazują się tez przydatne przy oczyszczeniu niektórych ścieków przemysłowych.

Metoda osadu czynnego Oczyszczanie ścieków osadem czynnym jest wzorowanie na tlenowych procesach samooczyszczania zachodzących w wodach naturalnych i polega na mineralizacji zanieczyszczeń organicznych znajdujących się w ściekach, przez drobnoustroje osadu czynnego w instalacjach technicznych. W wyniku tego powstają mineralne formy węgla, azotu i fosforu.

Osad czynny jest to kłaczkowata zawiesina złożona głównie z bakterii i pierwotniaków, powstająca podczas oczyszczania ścieków. Bakterie na skutek wytwarzania pozakomórkowych biopolimerów tworzą skupiska makroskopowych rozmiarów, tzw. kłaczki osadu czynnego, o dużej powierzchni czynnej zdolnej do sorbowania substancji organicznych zawartych w ściekach w formie rozpuszczonej i koloidalnej. Zróżnicowana mikroflora osadu czynnego wykazuje zdolność wykorzystywania różnorodnych substratów ( i tym samym usuwania ich ze ścieków ) oraz przystosowywania się do zmieniających się warunków środowiskowych.

Proces osadu czynnego polega zasadniczo na wspólnym napowietrzaniu osadu czynnego ze ściekami w komorach napowietrzania, a następnie oddzieleniu osadu od oczyszczonych już ścieków w osadniku wtórnym. Oczyszczanie ścieków osadem czynnym jest naśladownictwem i intensyfikacją procesów samooczyszczania zachodzących w wodach naturalnych. Intensyfikacja polega głównie na znacznym zwiększeniu ilości drobnoustrojów w osadzie czynnym oraz na intensywnym natlenieniu mieszaniny osadu czynnego i ścieków poprzez sztuczne wprowadzenie powietrza. Pozwala to na zwiększenie ilości doprowadzanych ze ściekami zanieczyszczeń i skrócenie czasu oczyszczania do kilku-kilkunastu godzin.

System składa się z trzech części: mechanicznej, biologicznej oraz separacji i przeróbki osadów ściekowych.

Przeróbka osadów - W każdej oczyszczalni ścieków jednocześnie z procesem oczyszczania powstają osady surowe, które stanowią poważny problem ze względu na zagrożenia sanitarne oraz na ich dużą skłonność do zagniwania (tj. beztlenowego rozkładu związków organicznych) i związanego z tym wydzielania odorów. Dlatego osady surowe wymagają stabilizacji ich składu chemicznego w celu znacznego zmniejszenia zawartości masy organicznej, a tym samym zlikwidowania ich zdolności do zagniwania.

Fermentacja metanowa to proces biochemiczny, który zachodzi w warunkach beztlenowych, a wysoko cząsteczkowe substancje organiczne zawarte w osadach rozkładane są przez bakterie metanowe, które fermentują kwasy tłuszczowe wyższe kwasy tłuszczowe alkohole I rzędowe, alkohole II rzędowe i inne związki jak np. kwas bursztynowy, benzoesowy, aceton, a także wykorzystują tlenek węgla, dwutlenek węgla, wodór gazowy, w wyniku fermentacji tych substratów powstaje zawsze jako jeden z głównych produktów metan, a oprócz tego dwutlenek węgla i inne związki będące wynikiem niepełnego utlenienia niektórych kwasów organicznych, niekiedy dla przeprowadzenia całkowitego rozkładu substratów potrzebne jest współdziałanie kilku gatunków bakterii metanowych i nie metanowych. Fermentacja metanowa jest także przeprowadzana przez drobnoustroje, które nie mogą wykorzystywać w procesach dysymilacyjnych węglowodanów i aminokwasów najbardziej powszechnych źródeł węgla i energii.

Podczas fermentacji metanowej osadu rozróżniamy proces upłynnienia substancji stałych organicznych- gazyfikacja. Procesy fermentacji stosuje się w oczyszczalniach o dowolnej wielkości dla osadu wstępnego jak również dla osadu zmieszanego z osadem wtórnym. Procesy fermentacji mogą być stosowane w przypadku innych ścieków lub osadów pod warunkiem ze nie zawierają one substancji toksycznych lub związków hamujących proces biochemicznego rozkładu zanieczyszczeń.

Procesy fermentacji przebiegają w dwóch etapach:

a) FERMENTACJA KWAŚNA

b) FERMENTACJA METANOWA

Wykorzystanie osadów w rolnictwie – pod tym pojęciem rozumie się stosowanie osadów do nawożenia gleb i roślin oraz rekultywację gleb zdegradowanych i bezglebowych gruntów.

Ograniczenia w stosowaniu:

- skład chemiczny i sanitarny - do głównych cech, które dyskwalifikują osady do dalszego wykorzystania należy zwiększona zawartość metali ciężkich, silnie toksycznych związków chemicznych i organizmów chorobotwórczych;

- osady wytwarzane są w ciągu całego roku, natomiast możliwość ich zastosowania zależna jest od wegetacji roślin;- wymaga odpowiedniego sytemu magazynowania i odpowiedniej liczby odbiorców;- uwarunkowania techniczne związane z formą, w której są aplikowane osady – osady odwodnione, nieodwodnione, wysuszone, po procesie kompostowania.

Kompostowanie osadów ściekowych powoduje ich stabilizację, zniszczenie organizmów chorobotwórczych, redukcję masy i uwodnienia. Substancja organiczna wykorzystywana jest jako materiał nawozowy, strukturotwórczy i rekultywacyjny. Stanowi cenny nawóz organiczny mogący zastąpić obornik. Kompostowanie może być stosowane jako proces końcowy uszlachetniania osadów, pozwalający na uzyskanie materiału o wysokich cechach jakościowych, który może być wykorzystany przyrodniczo. Kompostowanie pozwala na uzyskanie produktu dojrzałego, zmumifikowanego, całkowicie stabilnego, o zapachu ziemi i luźnej strukturze. Kompostowanie wymaga wymieszania osadu ze środkiem strukturotwórczym, np. trocinami. Korzystne dla procesu kompostowanie jest dodanie biopreparatów przyśpieszających rozkład biomasy. Najczęściej stosowaną metodą jest metoda pryzmowa.

Suszenie i termiczne przekształcanie W wyniku termicznego suszenia osad przekształcany jest w produkt, który może być wykorzystywany jako nawóz organiczny lub paliwo energetyczne. Objętość mechanicznie odwodnionego osadu maleje wówczas 4-5 krotnie. Osad pozbawiony jest organizmów chorobotwórczych i jeśli nie zawiera nadmiernej koncentracji metali ciężkich, może być wykorzystywany przyrodniczo. Termiczne metody przekształcania osadów mogą w dużym stopniu rozwiązać problem ich unieszkodliwiania. Realizacja tego założenia wydaje się bardzo poważnym przedsięwzięciem, do wykonania którego potrzeba nowych zakładów termicznego unieszkodliwiania bądź wykorzystania istniejącej infrastruktury spalania paliw konwencjonalnych oraz przemysłu cementowego. Obecnie wiele oczyszczalni ścieków modernizuje tzw. ciągi osadowe, planując zastosowanie wariantu termicznego przekształcania osadów.