Barwa i zapach osadów

Osady surowe z oczyszczalni komunalnych są szare lub żółtawe, z wyróżniającymi się w nich kawałkami papieru, jarzyn itp., cuchną i trudno się odwadniają. Osady przefermentowane są czarne i mają zapach smolisty

Rozkład cieczy w osadach

Znajomość rozkładu wody w osadzie może pomóc w określeniu granicy, do której można odwodnić osad, a następnie go wysuszyć.

Wodę w osadzie dzielimy na:

• wodę wolną międzycząsteczkową,

• wodę porową.

• wodę kapilarną.

• wodę komórkową związaną.

Postacie wody w osadach

Woda wolna (grawitacyjna lub międzycząsteczkowa) - nie związana z cząstkami osadu. Stanowi około 70-75% ogólnej objętości osadów, przez jej oddzielenie objętość osadów zmniejsza się do 1/5-1/10 objętości wyjściowej. Usuwana jest w drodze zagęszczania grawitacyjnego.

Woda wolna (grawitacyjna lub międzycząsteczkowa) - nie związana z cząstkami osadu. Stanowi około 70-75% ogólnej objętości osadów, przez jej oddzielenie objętość osadów zmniejsza się do 1/5-1/10 objętości wyjściowej. Usuwana jest w drodze zagęszczania grawitacyjnego.

Woda koloidalna (porowa) - uwięziona w porach między cząstkami osadu siłami napięcia powierzchniowego. Może być usunięta dopiero po zniszczeniu struktury kłaczka. Osiąga się to poprzez koagulację, zmianę temperatury, działanie pola elektrycznego lub działanie mechaniczne.

Woda kapilarna - woda przynależna lub przyczepiona do powierzchni cząstek osadu siłami adhezji i kohezji. W celu jej usunięcia należy zastosować siły odwrotne, np. wirowanie.

Woda związana - chemicznie (wchodzi w skład siatki krystalograficznej ciał stałych), biologicznie (występuje wewnątrz żywych komórek), stanowi około 8% całkowitej ilości wody, można ja usunąć tylko metodami termo-chemicznymi.

Sucha masa i uwodnienie

Sucha masa osadu S związana jest z uwodnieniem W zależnością: S=100-W[%]

Uwodnienie W określa zawartość wody w osadach, jest parametrem decydującym o objętości osadu V.

Gęstość osadu

Dla wysokiego uwodnienia gęstość osadu nie odbiega znacznie od gęstości wody.

Odgrywa istotna rolę w procesach flotacji, zagęszczania, wirowania.

Stan skupienia jako funkcja uwodnienia osadu

Zawartość wody w osadzie w %	Stan skupienia osadu	Postać wody	Proces przeróbki
100-96 96-92 92-88	Bardzo ciekły Ciekły Trudno płynący	Woda wolna, grawitacyjna, międzycząsteczkowa	Zagęszczanie
88-80 80-70 70-60 60-50	Papkowaty Ciastowaty Mokrej ziemi Wilgotnej ziemi	Woda fizycznie i chemicznie związana, woda kapilarna	Odwadnianie
50-30 30-0	Suchej ziemi pylasty	Woda adsorpcyjna, higroskopijna, woda biologicznie związana	Suszenia, spalanie, zgazowanie

Ładunek elektryczny

Ładunek elektryczny mierzony jest jako potencjał dzeta. Jeśli potencjał dzeta jest wysoki osad źle flokuluje i źle się odwadnia. Typowe osady mają potencjał: -10 do -20mV. Zadaniem przeróbki osadu jest neutralizacja tego potencjału, pomiar prowadzi się w celu określenia optymalnej dawki środków chemicznych koniecznych do uzyskania flokulacji w przypadku silnie uwodnionych osadów.

Skład chemiczny osadów

Zawartość związków organicznych ChZT:

Sucha masa organiczna: Osady surowe 60 - 85%, Osady po stabilizacji 30 - 50%

• pozwala ocenić podatność osadu na procesy stabilizacji.

• pomocna do określenia dawki koagulantów i flokulantów.

• konieczna przy wyborze metody odwadniania.

• jest wskaźnikiem: wartości opałowej osadu, wartości poprawiających strukturę gleb przy jego rolniczym wykorzystaniu, źródła zapachów przy składowaniu, źródła zapachów przy fermentacji

Zawartość lotnych kwasów tłuszczowych LKT:

LKT [mg CH₃COOH] określa w osadzie ilość 6 pierwszych kwasów alifatycznych

• Służy do oceny fazy stabilizacji osadu

• Wskaźnik kontrolny w procesie fermentacji metanowej

Skład chemiczny

Substancje nawozowe - azot, fosfor, potas

W porównaniu do innych nawozów osady zawierają znacznie więcej azotu i fosforu, ale zawartość potasu jest wyraźnie mniejsza. Zawartość wapnia jest zwykle wyższa niż w nawozach naturalnych.

Metale ciężkie

Do najniebezpieczniejszych zalicza sie: kadm, nikiel, cynk, miedź, ołów, rtęć. Charakteryzuje je duża podatność na biokumulację. Zawartość metali ciężkich musi być brana pod uwagę:

• przy rolniczym wykorzystaniu (zagrożenie dla upraw, toksyczność dla ludzi, roślin i zwierząt),

• przy składowaniu osadów (przy kwaśnym podłożu)

Toksyczne substancje organiczne

WWA – wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne.

AOX – suma adsorbowanych na węglu aktywnym halogenów chloru, jodu i bromu.

PCB – produkty chorowania cząsteczki bifenylu

Związki te mogą dostawać się do osadów ze ścieków przemysłowych

Skład mikrobiologiczny

Organizmy chorobotwórcze

Do osadów przechodzą obecne w ściekach, wirusy bakterie, grzyby, pierwotniaki. Liczebność organizmów chorobotwórczych może być w znacznym stopniu obniżona w procesach stabilizacji osadów, ale nie w stopniu wystarczającym. Bezpośredni pomiar organizmów patogennych jest trudny, ich liczebność jest szacowana na podstawie organizmów wskaźnikowych: bakterie grupy coli, bakterie Salmonella, jaja glisty ludzkiej

Etapy utylizacji osadów:

• Kondycjonowanie i zagęszczanie osadu.

• Stabilizacja osadu: biologiczna, chemiczna.

• Odwadnianie.

• Obróbka dodatkowa lub końcowa - kompostowanie, wapnowanie, suszenie.

• Usuwanie osadu lub produktów pochodnych: termiczna utylizacja, przyrodnicze wykorzystanie.

Kondycjonowanie jest to fizyczne lub chemiczne działanie polegające na takiej zmianie struktury osadu, która prowadzi do poprawy jego zdolności do zagęszczania lub odwadniania.

Metody kondycjonowania: Fizyczne: Mechaniczne — dodawanie substancji zmieniających strukturę osadu (dodatek węgla, popiołu); Termiczne - zmiana struktury wskutek znacznej zmiany temperatury (wymrażanie, podgrzewanie); Chemiczne - dodawanie środków strącająco – koagulacyjnych (nieorganiczne: wapno, sole żelaza, sole glinu, organiczne – polielektrolity, anionowe); inne (przemywanie, pole ultradźwiękowe, pole elektromagnetyczne).

Kondycjonowanie chemiczne:

Działanie środków kondycjonujących: neutralizacja ładunku elektrycznego ziaren osadu pozwala na łączenie się ziaren osadu w większe cząstki. Łączenie cząstek czyli aglomerację, niszczenie żelatynowej struktury kłaczka, co ułatwia oddawanie wody. Wzrost odporności kłaczka na ściskanie i zginanie, co pozwala na budowę szkieletu osadu i ułatwia odprowadzania wody nadosadowej. Poprawa współczynnika rozdziału R, czyli jakości wód nadosadowych. Efekt kondycjonowania zależy od warunków prowadzenia procesu i jest ustalany doświadczalnie.

Kondycjonowanie polielektroltami:

Mechanizm koagulacji z wykorzystaniem polielektrolitów polega na zredukowaniu: sił wzajemnego dopychania cząstek koloidalnych, sił odpychania między cząstkami a polimerem, sił odpychania między zaadsorbowanymi a niezaadsorbowanymi polimerami.

Polielektrolity kationowe obniżają potencjał ujemnie naładowanych cząstek koloidalnych, wiążą powstające kłaczki w duże makrocząsteczki co przyspiesza sedymentację.

Efekt działania zależy od: rodzaju osadu, zawartości substancji mineralnych, p, temperatury, dawki.

Kondycjonowanie mechaniczne

Polega na dodaniu do osadu substancji budujących strukturę osadu: popiół, węgiel, pył węglowy, cementowy, trociny. Decydujące znaczenie ma rodzaj i uziarnienie środków wspomagających.

Kondycjonowanie termiczne ma za zadanie zmianę struktury osadu poprzez dostarczenie lub odebranie energii cieplnej. Podgrzanie osadu do temperatury 180 - 220°C pod ciśnieniem 13-20 10⁵ Nm² w czasie 30 minut. Rezultatem procesu jest zniszczenie struktury koloidalnej osadu na skutek działania temperatury i ciśnienia. Wymrażanie charakteryzuje się fazą powolnego zamrażania a następnie odmrażania. Woda zmieniaj stan skupienia zwiększa swoja objętość powodując powstanie ciśnienia. Osad po wymrażaniu bardzo dobrze odwadnia się grawitacyjnie. Przemywanie polega na wymianie stężonej cieczy osadowej i zastąpienie jej cieczą o niższych wartościach parametrów niż te, które charakteryzują osad surowy. Działanie pola ultradźwiękowego: ciśnienie promieniowania, dyspersja, koagulacja ultradźwiękowa, utlenianie, redukcja, zjawiska elektrokinetyczne. Poprawa przebiegu procesu odwadniania. Działanie pola elektromagnetycznego - powoduje obniżenie uwodnienia końcowego i zmniejszenie czasu ssania kapilarnego.

Dezintegracja osadów

Ma na celu doprowadzenie do rozerwania błony komórkowej i lizy komórek mikroorganizmów, wskutek czego: organiczne składniki komórki staja się potencjalnie dostępne jako substrat w trakcie procesów stabilizacji osadów; woda wewnątrzkomórkową jest uwolniona, co poprawia odwadnianie. Dezintegracja ma miejsce wtedy, gdy w sposób wymuszony następuje ingerencja w proces hydrolizy.

Metody dezintegracji: Mechaniczne: ultradźwiękowe, hydrodynamiczne, homogenizacja, wirówki dezintegracyjna; Chemiczne: utlenianie, hydroliza; Termiczne: nisko i wysokotemperaturowe

Zagęszczanie osadów

Zagęszczanie to proces oddzielenia od osadu znacznych części wody osadowej i zmniejszenie uwodnienia osadu do około 92-94%, przy tym osad nie traci swojej płynnej konsystencji. Podczas zagęszczania osadów usuwana jest jedynie woda wolna oraz koloidalna uwolniona w procesie kondycjonowania. Ma na celu zmniejszenie objętości osadu i przepustowości urządzeń do przeróbki osadu. Przyczynia się do poważnego zmniejszenia kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych części osadowej oczyszczalni ścieków.

Czynniki wpływające na efektywność zagęszczania: początkowe uwodnienie, pochodzenie i rodzaj osadu (stopień ściśliwości), zawartość związków organicznych; parametry procesu; konstrukcja urządzeń zagęszczających, Czynniki wspomagające zagęszczanie (kondycjonowanie).

Podział metod zagęszczania

• Z uwagi na zasadę działania: zagęszczanie grawitacyjne, zagęszczanie flotacyjne, zagęszczanie mechaniczne

• Z uwagi na mechanizm procesu: zagęszczanie samoczynne, zagęszczanie wspomagane.

• Z uwagi na sposób i okres działania urządzeń: zagęszczanie okresowe, zagęszczanie ciągłe.

Zagęszczanie grawitacyjne polega na sedymentacji cząstek zawieszonych w cieczy oraz ich komprymacji jedynie pod wpływem działania sił ciężkości. Opadanie cząstek osadu następuje na zasadzie różnicy ciężarów właściwych. Podlegają mu cząstki osadu o ciężarze właściwym 1.1-1.3(g/ml). Może być prowadzone jako okresowe lub ciągłe. Wstępne zagęszczenie grawitacyjne osadu otrzymuje się w lejach osadników.

Zagęszczanie grawitacyjne okresowe powadzone jest w zagęszczaczach nieprzepływowych. Efekt zagęszczania zależy od: czasu przetrzymania osadu t, ciśnienia w strefie zagęszczania, zależnego do wysokości warstwy osadu, zdolności cząstek do zagęszczania.

Efektywność procesu zagęszczania grawitacyjnego możemy wspomagać poprzez stosowanie mieszadeł, zwłaszcza prętowych. Zadaniem mieszadeł jest rozcinanie osadu, przegrupowanie struktury osadu, uwolnienie wody zawartej w przestrzeniach między cząstkami osadu, oddzielanie gazu od cząstek osadu. Proces usuwania wody można zintensyfikować także poprzez kondycjonowanie osadu najczęściej polielektrolitami.

Zagęszczacze okresowe

W zagęszczaczach okresowych na cykl pracy urządzenia składa sie: napełnianie zagęszczacza osadem surowym, zagęszczanie osadu z mieszaniem lub bez, odprowadzenie osadu zagęszczonego, odprowadzenie wody nadosadowej. Projektuje się co najmniej dwa zbiorniki

działające naprzemiennie.Zagęszczacze bez mieszania i zgarniania osadu – kształt kwadratowy lub prostokątny, głębokie, dno w postaci leja o nachyleniu ścian 1:1.

Zagęszczanie ciągłe

Zagęszczanie ciągłe charakteryzuje się stałym dopływem osadu, stałym odpływem wody osadowej i osadu zagęszczonego z dna zbiornika. Przy ciągłym zagęszczaniu wyróżniamy cztery strefy: wody osadowej, osadu sedymentującego, osadu zagęszczanego, magazynowania osadu. Parametry technologiczne procesu: czas przetrzymania, obciążenie powierzchni suchą masą osadu, obciążenie hydrauliczne, prędkość przepływu cieczy osadowej.

Zagęszczanie ciągłe - czas zagęszczania:2 - 4 h - z mieszaniem, 6 - 12 h - bez mieszania.

Zagęszczacze grawitacyjne o działaniu ciągłym:o pionowym przepływie cieczy osadowej - stosowane w oczyszczalniach o średniej wielkości, o promienistym przepływie cieczy osadowej - stosowane dla oczyszczalni powyżej 500tys RLM.

o przepływie poziomym - zbliżone budową do osadników poziomych podłużnych, stosowane rzadko dla osadu bardzo uwodnionego po procesie przemywania.

Zagęszczanie mechaniczne

Istota zagęszczania mechanicznego jest wprowadzenie dodatkowej siły wspomagającej rozdział faz. Może to być siła odśrodkowa (sztuczna grawitacja) lub ciśnienie (nadciśnienie, podciśnienie). Zagęszczanie mechaniczne stosuje się głównie do nadmiernego osadu czynnego.

Podział urządzeń: Wykorzystujące naturalne pole grawitacyjne: prasy; wykorzystujące sztuczne pole grawitacyjne: wirówki

Zagęszczanie flotacyjne

Flotacja jest to proces, w którym następuje wznoszenie drobnych cząstek zawiesin na zasadzie różnicy ciężaru właściwego cząstek substancji stałych i cieczy (proces odwrotny do sedymentacji).W przypadku flotacji osadów jest ona wspomagana powietrzem lub innymi gazami. Pecherzyki wprowadzonego gazu unoszą cząstki zawieszone ku powierzchni cieczy, gdzie następuje ich koncentracja i zagęszczanie. Proces flotacji jest stosowany, gdy występuje niskie stężenie substancji stałych w cieczy, do osadów surowych.

Flotacja powietrzna mechaniczna

Powietrze wprowadzane jest do rury ssącej pompy za pomocą dmuchawy lub iniektora. Ciecz mieszana z powietrzem tłoczona jest do otwartego zbiornika, gdzie pęcherzyki powietrza wypływając na powierzchnię unoszą osad. Dobre wyniki utrudnia wytwarzania stosunkowo dużych pęcherzyków powietrza. Ze względu na niska efektywność nie zaleca się jej do flotacji osadów.

Flotacja powietrzna ciśnieniowa

Mieszaninę osadu i powietrza poddaje się wysokiemu ciśnieniu, skutkiem czego powietrze rozpuszcza się w cieczy osadowej. Sprężony roztwór powietrza w cieczy wprowadzania się do otwartego zbiornika flotacyjnego, gdzie wskutek obniżki ciśnienia zmniejsza się rozpuszczalność powietrza i cały jego nadmiar wyzwala się burzliwie w postaci bardzo drobnych pęcherzyków. Pęcherzyki powietrza porywają cząstki zawieszone w cieczy i unoszą je ku powierzchni.

Flotacja powietrzna ciśnieniowa

Proces ten może służyć do zagęszczania osadów surowych - zmieszanego i nadmiernego. Nie stosuje się go do osadu przefermentowanego. Stosuje się go w dużych i średnich oczyszczalniach ścieków. Efektywność tego procesu jest wysoka i waha się w zakresie 6-11 % suchej masy.