14. Charakterystyka i metody oczyszczania ścieków z zastosowaniem osadu czynnego.

Komory osadu czynnego są to urządzenia służące do oczyszczania ścieków w drodze procesów polegających na wprowadzaniu do ścieków odpowiedniej ilości tlenu. Mogą to być procesy fizyczne , fizykochemiczne i biologiczne.

W przypadku procesów fizycznych zadaniem napowietrzania ścieków jest wywołanie ich łagodnego mieszania i spowodowanie flokulacji zawartych w nich zawiesin w celu przyspieszenia ich sedymentacji w osadnikach. Zachodzą przy tym procesy fizykochemiczne, polegające głównie na usunięciu ze ścieków siarkowodoru.

W przypadku procesów fizykochemicznych napowietrzanie polega na usunięciu ze ścieków niepożądanych gazów, na przykład dwutlenku węgla lub doprowadzeniu odpowiedniej ilości tlenu niezbędnej do utlenienia określonych substancji, na przykład związków żelaza dwuwartościowego. Substancje te po utlenieniu stają się łatwiejsze do usunięcia lub stają się nieszkodliwe dla przebiegu dalszych procesów oczyszczania.

W przypadku stosowania procesów biologicznych napowietrzanie jest niezbędne dla przebiegu procesu osadu czynnego. Komory napowietrzania wówczas nazywa się komorami osadu czynnego.

Tlenowy proces osadu czynnego jest najczęściej stosowanym procesem w celu zmniejszenia stężenia nie opadających, rozpuszczonych i koloidalnych związków organicznych (związków węgla). W wielu rozwiązaniach stosuje się osad czynny także do usuwania azotu i fosforu. Mikroorganizmy - głównie bakterie przetwarzające związki organiczne do końcowych produktów gazowych i wody. W wyniku tego procesu następuje przyrost mikroorganizmów w ilości 10 - 80 % w stosunku do dopływającego ładunku BZT₅.

Niezwykle niekorzystnym dla poprawnej pracy oczyszczalni ścieków jest rozwój organizmów, bakterii nitkowatych w ogólnej populacji osadu czynnego, które powodują tak zwane puchnięcie osadu, objawiające się tym, że osad bardzo źle sedymentuje w osadniku wtórnym, źle się zagęszcza i część osadu wynoszona jest wraz ze sklarowanymi ściekami z osadnika wtórnego. Obecność drobnych kłaczków osadu w odpływie powoduje podwyższenie stężenia zawiesin i BZT₅. Ponieważ cały czas osad wynoszony jest z osadnika, stężenie osadu recyrkulowanego również wciąż się zmniejsza, co przy braku jakiegokolwiek przeciwdziałania może doprowadzić nawet do załamania całego procesu.

Najczęstszymi przyczynami puchnięcia osadu są:

- niskie stężenia rozpuszczonego tlenu przy zastosowanym obciążeniu hydraulicznym,

- niskie obciążenie układu, szczególnie w układach o pełnym wymieszaniu,

- dopływ zagniłych ścieków z zawartością siarczków,

- deficyt substancji pożywkowych,

- niski odczyn (ph<6,5).

Klasyczny proces osadu czynnego składa się z następujących powiązanych ze sobą elementów:

- jedna lub kilka komór osadu czynnego, w którym zachodzi reakcja rozkładu związków organicznych,

- źródło powietrza, dzięki któremu zachodzi natlenianie i mieszanie ścieków; może to być sprężone powietrze, napowietrzanie mechaniczne lub czysty tlen,

- osadnik wtórny, w którym następuje oddzielenie osadu czynnego od oczyszczonych ścieków,

- urządzenia do usuwania osadu z dna osadnika i zawracania jego większości do komory napowietrzania i urządzenia do usuwania osadu nadmiernego z systemu.

Główny podział procesu osadu czynnego opiera się na wielkości obciążenia osadu. Rozróżnia się osad:

- wysokoobciążony - wiek osadu 3 - 5 d, obciążenie osadu 0,4 - 1,5 kg BZT₅/kg_s.m.•d,

- średnioobciążony - wiek osadu 5 - 15 d, obciążenie osadu 0,2 - 0,4 kg BZT₅/kg_s.m.•d,

- niskoobciążony - wiek osadu 5 - 30 d, obciążenie osadu 0,05 - 0,2 kg BZT₅/kg_s.m.•d.

Oprócz tego podziału istnieje również podział ze względu na hydraulikę prowadzenia procesu. Występują tu układy: o całkowitym wymieszaniu i przepływie tłokowym, układu ze stopniowym zasilaniem, przedłużonym napowietrzaniem, rowy biologiczne, napowietrzanie zmodyfikowane i sekwencyjne biologiczne reaktory (SBR).

Charakterystyczne parametry pracy układu osadu czynnego

Proces	Wiek osadu [d]	Obciążenie osadu [kg BZT5 / kgs.m.d]	Stężenie osadu [kg/m^3]	Czas aeracji [h]	Stopień recyrku­lacji [%]
Przepływ tłokowy	5 - 15	0,2 - 0,4	1,5 - 3,0	4 - 8	25 - 75
Całkowite wymieszanie	5 - 15	0,2 - 0,6	2,5 - 4,0	3 - 5	25 - 100
Stopniowe zasilanie	5 - 15	0,2 - 0,4	2,0 - 3,5	3 - 5	25 - 75
Aeracja modyfikowana	0,2 - 0,5	1,5 - 5,0	0,2 - 1,0	1,5 - 3,0	5 - 25
Przedłużone napowietrzanie	20 - 30	0,05 - 0,15	3,0 - 6,0	18 - 36	50 - 150
Rowy biologiczne	10 - 30	0,05 - 0,3	3,0 - 6,0	8 - 36	75 - 150
SBR	0,05 - 0,3	1,5 - 5,0	-	12 - 50	brak

Systemy o całkowitym wymieszaniu

W tym systemie skład mieszaniny ścieków i osadu w całym zbiorniku jest taki sam. Wadą tego systemu jest niebezpieczeństwo spuchnięcia osadu, a zaletą zdolność do przyjęcia większego ładunku organicznego niż w zwykłych warunkach bez negatywnego wpływu na jakość odpływających ścieków. W celu zapobieżenia rozwojowi bakterii nitkowatych instaluje się często komory kontaktowe przed komorami wstępnego napowietrzania, gdzie następuje wymieszanie ścieków surowych z osadem recyrkulowanym i przetrzymanie przez 10 - 30 minut. W komorze osad czynny jest znacznie obciążony ładunkiem organicznym, co nie sprzyja rozwojowi organizmów nitkowatych.

Przepływ tłokowy (układ konwencjonalny)

Jest on najstarszą i najczęściej spotykaną formą prowadzenia procesu osadu czynnego. Charakterystyczną cechą tego układu jest to, że osad czynny na początku komory otrzymuje znaczne obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń. Obciążenie to zmniejsza się w miarę oddalania od początku komory. Zaletą tego systemu jest mniejsze prawdopodobieństwo rozwoju bakterii nitkowatych oraz zdolność produkcji wysokiej jakości oczyszczonych ścieków nawet podczas zwiększonego dopływu zanieczyszczeń.

Stopniowe zasilanie

Oczyszczone mechanicznie ścieki są doprowadzane do komory w dwóch lub więcej punktach dłuższego boku. W tym rozwiązaniu pobór tlenu przez mikroorganizmy jest stosunkowo równomierny. Stosowane są najczęściej do napowietrzania dyfuzory. Zaletą stopniowego napowietrzania jest jego elastyczność i możliwość, w razie potrzeby, zmiany pracy na stabilizację kontaktową, przepływ tłokowy lub kompletne wymieszanie. Dodatkowo w przypadku pojawienia się problemów w pracy osadnika wtórnego, część osadu nadmiernego można odprowadzić bezpośrednio z końca zbiornika zamiast z dna osadnika wtórnego.

Przedłużone napowietrzanie

Cechą charakterystyczną jest czas trwania napowietrzania - 18 godzin lub dłużej . Wiek osadu jest bardzo długi, natomiast obciążenie osadu ładunkiem organicznym - niskie. Podczas przedłużonego napowietrzania ilość pożywienia jest zbyt mała by utrzymać przy życiu wszystkie mikroorganizmy. W związku z tym bakterie współzawodniczą o dostępny pokarm i w obliczu głodu zużywają nawet swoją własną masę komórkową (respiracja endogenna). Sytuacja taka doprowadza do uzyskania wysokiej efektywności oczyszczania ścieków i niskiej produkcji biomasy. Największa wadą tego systemu jest duże zużycie tlenu na jednostkę oczyszczanych ścieków i duże objętości zbiorników.

Rowy biologiczne

Zachodzi w nich proces przedłużonego napowietrzania. Ścieki są przepompowywane za pomocą jednego lub kilku mechanicznych areatorów lub pomp przez owalne lub okrężne zbiorniki. Prędkość przepływu ścieków wynosi 0,2 - 0,4 m/s.

Komory wysokoobciążone wykorzystują tłokowy lub stopniowo zasilany schemat przepływu. Charakteryzują się one krótkim czasem przetrzymania, niskim stężeniem biomasy i wysokim obciążeniem osadu ładunkiem organicznym. Zapotrzebowanie na tlen jest stosunkowo małe, ale produkcja osadu nadmiernego bardzo wysoka. Z powodu krótkiego czasu przetrzymania i niskiego stężenia osadu system jest bardzo wrażliwy na zmiany natężenia dopływu ścieków i obciążeń. Proces nie jest stosowany wówczas gdy wymagany jest wysoki stopień oczyszczania ścieków, ponieważ jego efektywność w usuwaniu BZT₅ wynosi 60 - 75%, ale może być stosowany jako pierwszy stopień oczyszczania w układach wielofazowych.

Sekwencyjne biologiczne reaktory SBR

SBR pracują sekwencyjnie. W konwencjonalnym układzie procesy napowietrzania i sedymentacji przeprowadzane są w oddzielnych zbiornikach, a w SBR - ach w jednym. Wszystkie systemy typu SBR pracują według pięciu faz. Są to:

- napełnianie komory ściekami - stanowi 25% całkowitego czasu cyklu pracy;

- biologiczna reakcja (napowietrzanie) - ma na celu dokończenie procesu rozkładu związków organicznych, który rozpoczął się już w trakcie napełniania, 35% czasu cyklu pracy;

- klarowanie (oddzielenie osadu czynnego od oczyszczonych ścieków) - w SBR - ach jest bardziej efektywne, ponieważ cała zawartość reaktora znajduje się w spoczynku;

- dekantacja (odprowadzanie oczyszczonych ścieków) - czas odprowadzania ścieków stanowi 5 - 30% całego cyklu (od 15 minut do 2 godzin);

- przestój komory - w tym czasie może następować odprowadzenie osadu nadmiernego; w SBR - ach o małej wydajności osad nadmierny jest magazynowany i odprowadzany raz na tydzień jako osad częściowo ustabilizowany.

Zaletą stosowania SBR - ów jest brak instalacji do doprowadzania osadu recyrkulowanego i osadników wtórnych, ponieważ reakcja i sedymentacja zachodzi w tej samej komorze.

Komory osadu czynnego powinny być tak zbudowane, aby zapewniały:\

- właściwy okres czasu przepływu ścieków,

- odpowiednią intensywność napowietrzania mieszaniny ścieków i osadu czynnego,

- dobre, stałe mieszanie osadu czynnego i ścieków, utrzymanie w stanie zawieszenia kłaczków osadu czynnego w ściekach.

---