Biologiczne oczyszczanie środowiska.

Wyróżnia się trzy zasadnicze metody oczyszczania ścieków : mechaniczne, chemiczne i biologiczne. Oczywiście w konkretnej oczyszczalni mogą być wykorzystane wszystkie wymienione sposoby lub niektóre z nich. W oczyszczalniach biologicznych zanim ścieki zostaną poddane działaniu mikroorganizmów, są wstępnie oczyszczane na drodze mechanicznej np. na kratach, w osadnikach czy piaskownikach. Istnieją cztery stopnie oczyszczania ścieków :

I stopień - oczyszczanie mechaniczne, polegające na usuwaniu zanieczyszczeń stałych, do zawiesin opadających włącznie,

II stopień - oczyszczanie biologiczne usuwające zanieczyszczenia rozpuszczone,

III stopień - usuwanie związków biogennych (głównie soli azotu i fosforu),

IV stopień - usuwanie resztkowych zanieczyszczeń trudno rozkładalnych, tzw. związków refrakcyjnych (ten stopień oczyszczania określany jest jako odnowa wody).

Biologiczne oczyszczanie ścieków opiera się na naturalnych procesach samooczyszczania, które zachodzą w każdym zbiorniku wodnym oraz w glebie, głównie dzięki aktywności drobnoustrojów. Jednak zdolności samooczyszczania są często niewystarczające do unieszkodliwienia tak dużych ilości ścieków, jakie powstają w wyniku działalności człowieka. Dlatego w biologicznym oczyszczaniu dużych ładunków zanieczyszczeń intensywność procesów samooczyszczania musi być zwielokrotniona metodami inżynieryjnymi. Metody oczyszczania wykorzystujące specjalne urządzenia intensyfikujące te naturalne procesy określa się jako sztuczne, natomiast metody oparte wyłącznie na procesach samooczyszczania nazywane są metodami naturalnymi. Część naturalnych sposobów oczyszczania ścieków ma charakter pośredni ze względu na pewien stopień ingerencji człowieka w proces.

Do naturalnych metod oczyszczania należą min.: nawadnianie szerokoprzestrzenne pól, filtry gruntowe, stawy ściekowe i oczyszczalnie hydrobotaniczne.

Nawadnianie szerokoprzestrzenne. Często stosuje się nawadnianie pól uprawnych. Wartość dla rolnictwa posiadają obecne w ściekach substancje nawozowe, a przede wszystkim sama woda. Jest to więc forma irygacji (łac. irrigare - nawadniać). Nawadnianie ściekami podnosi plony średnio o 20 %. Ścieki wylane na pola wsiąkają w grunt i zawarte w nich zanieczyszczenia są adsorbowane na cząstkach gleby, a następnie rozkładane przez mikroorganizmy glebowe. W ten sposób można oczyszczać tylko ograniczoną ilość ścieków, aby nie dopuścić do przeciążenia pola. Wówczas bowiem dochodzi do uruchomienia procesów beztlenowych, którym towarzyszy powstawanie substancji toksycznych i uwalnianie się odorów, a wegetacja roślin jest zahamowana. Zasadniczym celem tej formy oczyszczania jest uprawa roli, natomiast oczyszczanie ścieków jest czymś wtórnym. Ze względów sanitarnych, ścieki przed wylaniem na pola muszą być pozbawione czynników chorobotwórczych, zwłaszcza jaj robaków z grupy tzw. geohelmintów (robaków glebowych, np. glisty ludzkiej). Służy temu wstępne oczyszczanie ścieków w osadnikach i przefermentowanie. Także ze względów sanitarnych powinno się zakładać strefy ochronne wokół pól nawadnianych ściekami.

Filtry gruntowe to pola wykorzystywane wyłącznie do oczyszczania ścieków. Zakłada się je na glebach piaszczystych o dużej miąższości i niskim poziomie wód gruntowych. Pola filtracyjne mają postać szeregu zdrenowanych poletek otoczonych groblami. Zasada ich działania jest podobna jak przy nawadnianiu szerokoprzestrzennym, jednak brak rolniczego użytkowania umożliwia stosowanie większych obciążeń ładunkiem zanieczyszczeń. Większy jest również stopień oczyszczenia. Ścieki przed wylaniem na kwatery muszą być wstępnie podczyszczone metodami mechanicznymi w celu usunięcia zawiesin i tłuszczów zatykających złoże. Po przesączeniu się przez piaszczyste złoże, oczyszczone ścieki odpływają drenami umieszczonymi w gruncie na głebokości ok. 1 m. Filtry po pewnym czasie tracą zdolność oczyszczania i muszą być okresowo wyłączane z eksploatacji w celu zregenerowania.

Stawy ściekowe przypominają stawy hodowlane, lecz są mniejsze i płytsze. Stosowane są one do oczyszczania ścieków łatwo rozkładalnych (np. z przemysłu rolno-spożywczego) lub w końcowym etapie oczyszczania, po uprzednim stosowaniu innych metod. Przed wpuszczeniem do stawów, ścieki powinny być wstępnie pozbawione zawiesin ( osadnik, piaskownik). Stawy ściekowe tworzą zwykle szereg złożony ze stawu : „bakteryjnego”, „glonowego” i „skorupiakowego”. W pierwszym zachodzi utlenianie zanieczyszczeń organicznych przez bakterie, co prowadzi do mineralizacji tych zanieczyszczeń, czyli ich przemiany w związki nieorganiczne (min. NO₃^-, PO₄^-), zwane też solami biogennymi lub użyźniającymi. Tak oczyszczone ścieki wpuszcza się do stawu „glonowego”. Tu rozwijają się glony na bazie soli mineralnych wytworzonych w poprzednim stawie. Oczyszczona w ten sposób z biogenów woda dostaje się do trzeciego stawu - „skorupiakowego”, w którm rozwijają się dafnie , oczliki i inne skorupiaki zajadające glony. Tak oczyszczona woda jest już wylewna do odbiornika , np. rzeki. W ten sposób osiąga się wysoki stopień oczyszczenia ścieków nie tylko ze związków organicznych, ale i z soli biogennych, które w przypadku dostania się do zbiorników wodnych powodują ich przeżyźnienie zwane eutrofizacją, czego konsekwencją jest nadmierny rozwój glonów („zakwit”) i w następstwie spadek zawartości tlenu w wodzie. Poza tym zaletą stawów jest możliwość prowadzenia w nich hodowli ryb i kaczek bez sztucznego dokarmiania, a także produkcji roślinnej (np. rzęsa wodna - pasza dla kaczek)

Oczyszczalnie hydrobotaniczne (zwane też korzeniowymi lub trzcinowymi) stają się coraz bardziej popularną metodą oczyszczania ścieków, ze względu na prostotę i niskie koszty. Opierają się one na wykorzystaniu procesów samooczyszczania zachodzących w ekosystemach podmokłych, należą więc do oczyszczalni typu wetland systems, czyli systemów bagiennych. Oczyszczanie jest w tym przypadku wynikiem współdziałania mikroorganizmów glebowych i roślinności bagiennej. Mikroorganizmy rozkładają związki organiczne ścieków do związków nieorganicznych, natomiast rośliny przyswajają powstałe związki mineralne tworząc biomasę roślinną. Procesy oczyszczania są tu dodatkowo usprawnione dzięki bardzo drobnym cząstkom mineralnym obecnym w podłożu. Cząstki te, zwane iłem, mają olbrzymią powierzchnię, do której adsorbują zanieczyszczenia ułatwiejąc drobnoustrojom ich biodegradację. Na oczyszczanie hydrobotaniczne składają się więc trzy zasadnicze procesy: adsorpcja zanieczyszczeń na cząstkach gleby, biodegradacja przeprowadzana przez mikroorganizmy i aktywność biologiczna roślin. W oczyszczalniach tego typu wykorzystuje się roślinność oczeretową (trzcina, pałka, wierzba wiciowa zwana wikliną i in.) o dużych potrzebach pokarmowych, a przez to pochłaniającą dużo soli mineralnych. Dzięki temu, że rośliny te odsalają ścieki, nie dopuszczają do eutrofizacji zbiorników wodnych. Poza tym świetnie natleniają one podłoże (zwłaszcza trzcina), gdyż przewodzą powietrze wzdłuż łodyg aż do swoich korzeni i kłączy, skąd dyfunduje ono na zewnątrz. Dzięki temu przy powierzchni korzeni tworzy się strefa tlenowa, odpowiednia dla mikroorganizmów aerobowych. Można więc powiedzieć, że systemy korzeniowe roślin bagiennych pełnią funkcję przewodów napowietrzających zalaną ściekami glebę. Oprócz strefy tlenowej, powstaje również w podłożu strefa beztlenowa tworząca niszę dla bakterii anerobowych, oraz strefa pośrednia, w której panują odpowiednie warunki dla względnych beztlenowców. A więc, dzięki systemom korzeniowym roślin tworzą się w podłożu mikrośrodowiska o różnej zawartości tlenu, umożliwiające współwystępowanie drobnoustrojów przeprowadzających rozkład w różnych warunkach tlenowych. Do zalet oczyszczalni korzeniowych należy zaliczyć: taniość, prostotę, nieuciążliwość dla środowiska, stabilność (mała wrażliwość na zmiany obciążenia) i wytwarzanie małych ilości osadów. Poza tym oczyszczalnie te stanowią same w sobie cenny biotop bagienny, wzbogacają krajobraz i tworzą miejsca dla rozwoju ptactwa, płazów i owadów. Ich wadą natomiast jest wymaganie dużych, nasłonecznionych powierzchni, zmniejszenie aktywności w okresie zimowym oraz długi czas wpracowania, który wynosi do trzech lat (okres dochodzenia do prawidłowego funkcjonowania). Dwa najczęściej stosowane rozwiązania w tego typu oczyszczalniach przedstawiają rysunki poniżej:

Naturalne metody oczyszczania , choć są zwykle tanie i proste, wymagają jednak dużych powierzchni i neutralizują stosunkowo niewielkie ładunki zanieczyszczeń. Sztuczne metody biologicznego oczyszczania ścieków , podobnie jak naturalne, wykorzystują procesy samooczyszczania zachodzące w naturze, jednak ze zwielokrotnioną intensywnością. Np. procesy przebiegające w złożach biologicznych przypominają samooczyszczanie w glebie (udoskonalone „filtry gruntowe”), a metoda osadu czynnego opiera się na podobnych zjawiskach zachodzących w środowisku

wodnym (ulepszone „stawy ściekowe”).

Złoża biologiczne mają postać cylindrycznych konstrukcji wypełnionych tłuczonym kamieniem (granit), żużlem lub koksem. W nowych rozwiązaniach stosuje się zamiast kruszywa pakiety z mas plastycznych (układ rur i przegród), które są dużo lżejsze i mają większą powierzchnię właściwą. Wysokość złoża dochodzi do kilku metrów, a średnica mieści się w granicach 6 - 20. Schemat takiej konstrukcji oraz przepływ ścieków w oczyszczalni przedstawiają rysunki:

Schemat złoża biologicznego : 1 - dopływ ścieków na złoże, 2 - zraszacz obrotowy, 3 - otwór kontrolny do czyszczenia ramion zraszacza, 4 - materiał wypełniający złoże, 5 - warstwa podtrzymująca, 6 - drenaż i wentylacja, 7 - odpływ ścieków oczyszczonych

Układ oczyszczania na złożach biologicznych z recyrkulacją ścieków:

1 - osadnik wstępny, 2 - stacja pomp, 3 - złoże biologiczne, 4 - osadnik wtórny, a,b,c, - możliwości recyrkulacji ścieków (a,c) i odprowadzenia osadu wtórnego (c)

Za pomocą specjalnych zraszaczy ścieki rozpryskiwane są od góry i spływają przez wypełnienie. Po paru tygodniach na powierzchni materiału wypełniającego wytwarza się błona biologiczna. Jest ona początkowo utworzona z bakterii zooglealnych produkujących śluzowate otoczki. Z czasem skład gatunkowy błony zmienia się w wyniku procesu sukcesji. Obok różnych typów bakterii pojawiają się grzyby, pierwotniaki, wrotki, pierścienice i larwy much. Ostatecznie, po miesiącu, błona dojrzewa, tzn. jej skład dopasowuje się do rodzaju ścieków spływających po złożu i jest ona zdolna do efektywnego rozkładu zawartych w nich zanieczyszczeń. Ukształtowana biocenoza ma tu w zasadzie charakter heterotroficzny. Jedynie przy powierzchni złoża i u dołu występują organizmy autotroficzne. W warunkach dostępu światła pojawiają się glony, nie pełniące istotnej roli w oczyszczaniu. Większe znaczenie mają natomiast autotroficzne bakterie nitryfikacyjne rozwijające się w dolnych partiach złoża, na końcowym etapie oczyszczania. Materia organiczna ścieków jest absorbowana przez błonę, a następnie rozkładana w komórkach drobnoustrojów. Rozkład zachodzi głównie w warunkach tlenowych, ponieważ złoże jest samoczynnie przewietrzane w wyniku naturalnej cyrkulacji powietrza wywoływanej różnicą temperatur między powietrzem i ściekami. Związki organiczne zawarte w ściekach są nie tylko rozkładane w procesach oddychania komórkowego, ale służą też drobnoustrojom jako budulec. Dlatego procesowi oczyszczania towarzyszy przyrost masy błony biologicznej. Nadmiernie rozrastająca się biomasa może zatkać złoże, co powoduje czasem konieczność jego wymiany. Zwykle jednak do tego nie dochodzi, ponieważ błona jest sukcesywnie zjadana przez liczne drobne zwierzęta zasiedlające złoże, takie, jak larwy owadów, czy pierścienice. Poza tym, co jakiś czas odrywa się ona i spływa wraz z oczyszczanymi ściekami.

Cechą charakterystyczną złóż biologicznych jest pionowe zróżnicowanie biocenozy. Wynika to z przebiegu procesu oczyszczania spływających ścieków od góry złoża ku dołowi, z czym wiążą się zmiany w stężeniu zanieczyszczeń. Zbiorowiska organizmów są więc skorelowane ze zmniejszającym się stężeniem ścieków w miarę ich przepływania przez złoże. Na zróżnicowanie przestrzenne organizmów mają też wpływ warunki tlenowe. Największe stężenie tlenu występuje w górnych partiach złoża oraz u dołu. Warunki bliskie beztlenowym powstają natomiast w głębi wypełnienia. Z pionowym zróżnicowaniem zbiorowisk organizmów wiąże się też stosunkowo duża stabilność biologiczna złoża i pewna odporność na substancje toksyczne. Zawarte w ściekach trucizny są bowiem absorbowane przez błonę już w górnych częściach złoża i nie nie mają kontaktu z organizmami żyjącymi niżej.

W zależności od obciążenia, złoża można podzielić na: zraszane (nisko obciążone) i spłukiwane (wysoko obciążone). W złożach zraszanych błona jest lepiej rozwinięta i proces biologicznego rozkładu jest prawie zupełny. W końcowych etapach oczyszczania zachodzą w nich intensywne procesy nitryfikacji powodujące dużą zawartość azotanów w odpływie. Dlatego złoża zraszane nazywane są też nitryfikacyjnymi. W złożach spłukiwanych natomiast większa jest intensywność przepływu ścieków, natomiast słabiej rozwinięta jest błona, która składa się prawie wyłącznie z bakterii. Chociaż redukcja zanieczyszczeń w takich złożach jest mniejsza, to jednak są one dużo wydajniejsze od złóż zraszanych.

Wadą złóż biologicznych jest nadmierny rozwój much z rodzaju Psychoda, których larwy żywią się błoną biologiczną. Umiarkowana ich ilość jest pożądana, gdyż nie dopuszczają one do przerostu błony i w konsekwencji zapobiegają zatkaniu złoża. Jednak w przypadku dużych obciążeń ściekami, dochodzi do masowego rozwoju tego owada, co bywa uciążliwe.

Osad czynny jest metodą oczyszczania, w której elementem oczyszczającym są bakterie zlepione w kłaczki zawieszone w środowisku płynnym (ścieki). Kłaczki osadu powstają podobnie jak błona biologiczna, w wyniku łączenia się bakterii zooglealnych wytwarzających lepki śluz. Proces tworzenia się kłaczków, zwany flokulacją, zachodzi spontanicznie w trakcie napowietrzania komory wypełnionej ściekami.

W oczyszczalniach pracujących metodą osadu czynnego ścieki, po oczyszczaniu mechanicznym w osadniku wstępnym, są kierowane do komory osadu czynnego, zwanej też komorą napowietrzania, gdzie odbywa się właściwe oczyszczanie biologiczne. Kłaczki osadu wchodzą tu w kontakt ze ściekami w warunkach sztucznego napowietrzania i intensywnego mieszania. Bakterie obecne w kłaczkach pochłaniają substancję organiczną ze ścieków i część jej zużywają jako paliwo (źródło energii), część natomiast przyswajają jako materię budulcową, co prowadzi do zwiększenia biomasy. Efektem tych procesów jest mineralizacja ścieków i wzrost masy osadu czynnego. Ilustruje to schemat :