Układy technologiczne oczyszczania ścieków komunalnych z wykorzystaniem złóż biologicznych

Ścieki to wszystkie wody zużyte w wyniku działalności życiowej i produkcyjnej człowieka, wody opadowe oraz inne dopływy do kanalizacji z terenów zagospodarowanych. Ścieki składają się z frakcji płynnej i osadu.

Oczyszczanie biologiczne polega na procesie utleniania, w którym główną rolę odgrywają bakterie tlenowe. Bakterie te na swojej powierzchni zatrzymują zanieczyszczenia organiczne oraz związki rozpuszczalne koloidalne występujące w ściekach.

Sposoby oczyszczania ścieków:

a) mechaniczne - cedzenie, rozdrabnianie, sedymentacja, flotacja.

b) fizyczno - chemiczne - wykorzystanie procesów fizykochemicznych i chemicznych.

c) biologiczne - może się ono odbywać w warunkach naturalnych przez odprowadzenie ścieków bezpośrednio do jezior czy rzek. Można też odprowadzić ścieki do środowisk półnaturalnych ( techniczne przystosowanie środowiska naturalnego do przyjmowania ścieków) oraz sztucznych (wykorzystywanie urządzeń technicznych, w których stwarza się odpowiednie warunki rozwoju dla ograniczonego zespołu organizmów - złoża biologiczne).

Podczas biologicznego procesu oczyszczania ścieków rozkładowi ulega 45 - 80% zanieczyszczeń organicznych. Pozostała część substancji organicznej występuje w postaci błony biologicznej i dostaje się do osadników wtórnych.

Oczyszczanie ścieków na złożach biologicznych to naśladowanie oczyszczania ścieków na gruntach naturalnych. Oczyszczanie zachodzi w warunkach tlenowych, rzadziej beztlenowych. Złoże biologiczne, to zbiornik z wypełnieniem ziarnistym. Ścieki poddawane oczyszczaniu na złożach są już zazwyczaj wstępnie oczyszczone mechanicznie. Techniczna realizacja tego procesu sprowadza się do wykorzystania 2 urządzeń: osadnika i złoża biologicznego.

Zasadniczym elementem złoża biologicznego jest materiał, na którego powierzchni rozwija się śluzowata błona, zwana biologiczną lub biofilmem, składająca się z mikroorganizmów roślinnych i zwierzęcych, głownie bakterii. Organizmy te wykorzystują zanieczyszczenia występujące w ściekach jako pokarm. Błona powstaje po kilku tygodniach zraszania podłoża ściekami. Okres ten wynosi 4 - 6 tygodni. Grubość błony uzależniona jest od obciążenia ściekami. Czynna grubość biofilmu nie przekracza 2-3mm. Przy dalszym narastaniu błony może wytworzyć się warstwa aerobowa (kolor szary; odgrywa ważną rolę w oczyszczaniu) oraz anaerobowa (kolor czarny).

Bakterie biologicznego systemu oczyszczania:

• pełnią ważną rolę

• tworzą skupiska zooglealne

• ujemny ładunek elektryczny (przyciągają kationy z roztworu)

• zmiana ładunku powoduje biokoagulację i tworzenie kłaczków

• drobne organizmy tworzą kłaczki zwarte i dobrze sedymentujące

• organizmy nitkowate i rozgałęzione tworzą kłaczki luźne, lekkie i słabo opadające

W skład biocenozy oczyszczającej ścieki wchodzą również grzyby, sinice, pierwotniaki, zielenice oraz organizmy wyższe.

Prawidłowa działalność mikroorganizmów zależy od:

• odpowiedniego zapotrzebowania na tlen, który jest potrzebny do oddychania wewnątrzkomórkowego (BTZ, CHZT)

• ilości substancji odżywczych: N, K, P

• temperatury (5 - 25 st. C)

• odczynu ścieków (pH 4 - 10)

Wiek drobnoustrojów osiadłych w błonie jest długi i wynosi najczęściej ponad 20 dni.

Oczyszczanie na złożu biologicznym:

1. Sorpcja zanieczyszczeń organicznych na powierzchni błony.

2. Wykorzystanie zanieczyszczeń jako pokarm przez mikroorganizmy.

3. Przyrost masy biofilmu i usunięcie zanieczyszczeń.

4. Oderwanie nadmiaru błony w wyniku spływu zanieczyszczeń po jej powierzchni.

5. Oddzielenie kawałków błony od oczyszczonych ścieków (sedymentacja)

Charakterystyka złoża:

• żelbetonowy cylinder o średnicy od 6 do 20m

• wysokość: 3 - 4m

• dno wykonane tak aby ścieki łatwo spływały i nie gromadził się osad. Dno musi umożliwić dobre napowietrzanie złoża.

• materiał wypełniający podtrzymywany za pomocą rusztu

• materiał wypełniający to: kamień, żużel, tufy wulkaniczne, kostki ceramiczne, materiały sztuczne, koks, węgiel, tłuczeń kamienny.

Charakterystyka materiału wypełniającego:

• odporność na ścieranie

• odporność na działanie substancji chemicznych ze ścieków

• wielkość ziaren 3-6cm (złoża niskie) lub 5-8cm (złoża wysokie)

Parametry wpływające na wielkość oczyszczalni:

• obciążenie zanieczyszczeniami

• miarodajny średni, maksymalny i dobowy dopływ ścieków

• miarodajne obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń organicznych

• miarodajne obciążenie ładunkiem azotu

• określenie związków azotu mogących ulegać denitryfikacji

Rola napowietrzania w procesie biologicznego oczyszczania:

• dostarcza tlen niezbędny dla organizmów zasiedlających złoże

• usuwa powstający w procesie mineralizacji substancji organicznych CO2

Parametry wpływające na prace złóż:

• napowietrzanie

• temperatura

• odczyn ścieków (pH 6-8)

• stężenie i charakterystyka ścieków (optymalne BTZ₅=100-250g O₂/m³; max 500 O₂/m³⁾

• obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń

• obciążenie hydraulicznwe

• wysokość złożą

Podział złóż ze względu na wysokość [metry]:

• niskie do 2m

• średnie 2-4m

• wysokie 4-6m

• wieżowe 8-10m

Rodzaje złóż:

• zraszane

• spłukiwane

Cele stosowanie recyrkulacji ścieków na złożach:

• osiągnięcie wymaganego stopnia oczyszczenia ścieków

• zmniejszenie wysokości złoża, dostosowanie wysokości do parametrów pracy urządzeń pomocniczych (pompy lub osadniki wstępne)

• odświeżanie ścieków

• korekta pH

• zaszczepienie ścieków surowych

• zapewnienie ciągłego usuwania osadów z osadników wtórnych.

Organizmy błony biologicznej - podział technologiczny:

• bakterie wytwarzające pozakomórkowo bioflokulanty

• organizmy heterotroficzne, utleniające określone substancje organiczne

• bakterie autotroficzne przyswajające azot atmosferyczny

• pierwotniaki współdziałające w biokoagulacji

• mikroorganizmy 3 pierwszych poziomów troficznych łańcucha pokarmowego

• organizmy przypadkowo znajdujące się, dla których środowisko to stało się mikroświatem

Organizmy tworzące błonę:

• bakterie różnych gatunków: Pseudomonas, Zooglea, Sphaerotilus, Chromobacter, Nitrosomonas, Nitrobacter

Organizmy niszczące błonę:

• Detritusofagi (konsumenci II rzędu): larwy owadów, roztocza, skoczogonki; Tartigrada, nicienie

• organizmy odżywiające się bakteriami: wrotki, ameby, orzęski

• konsumenci III rzędu: drapieżne pierwotniaki, sysdlaczki

Często występujące orzęski:

• Urostyla weissei

• Enchelys vermicularis

• Paramecium caudatum

• Uronema marinum

• Colpidium colpoda

• Aspidisca costata

• Chilodonella cucullata

• Linotus fasciola

• Chilodonella uncinata

• Glaucoma scintillans

Wyższe formy organizmów w biofilmie:

• wrotki: Rotifer vulgaris

• nicienie: Diplogaster sp.

• robaki: Lumbriculus sp., Chaetogaster sp.

• Raczki: Eucyclops sp.

• Larwy raczków: Nauplius v. Eucyc. sp.

• Owady: Isotoma sp.

• Muszki złoża zraszanego: Psychoda sc.

Przekrój i funkcje złoża biologicznego:

• złoże I stopnia - bakterie heterotroficzne usuwające ze ścieków związki węgla

• złoże II stopnia - bakterie nitryfikacyjne

• złoże III stopnia - beztlenowe złoże biologiczne z biocenozą dostosowaną do denitryfikacji

Grupy substratów przemieszczających się przez błonę komórkową:

• dyfundujące - mogą być przenoszone w głąb błony biologicznej na drodze dyfuzji molekularnej (tlen, kwas octowy, metanol, glukoza)

• niedyfundujące - wszystkie substraty definiowane jako te, które zatrzymują się na sączku.

Teorie mechanizmu hydrolizy w błonie biologicznej:

• adsorpcja cząstek

• hydroliza zewnętrzna - z błony biologicznej uwalniane są enzymy pozakomórkowe, które przechodząc do ścieków powodują w nich hydrolizę.

Rodzaje błon biologicznych:

• gęsta - zwarta unieruchomiona biomasa, tworząca płaską, gładką powierzchnię.

• Nitkowata (włóknista) - dominują w niej bakterie nitkowate, wzrastające jedna na drugiej i tworzące charakterystyczne nitki przytwierdzone do wypełnienia. W skrajnej formie tworzą matę, w której bakterie przesuwają się wraz z przepływem cieczy.

Warunki wpływające na regulowanie grubości błony:

• Erozja hydrauliczna - oddziałuje w sposób ciągły, powoduje odrywanie zewnętrznej warstwy błony.

• Rozkład bakterii na spodzie błony biologicznej, cierpiących na niedostatek pożywienia, może osłabić przyczepność błony.

• Przesycenie gazami i tworzenie się pęcherzyków na spodzie błony może niszczyć adhezję np. tworzenie się wolnego azotu w procesie denitryfikacji.

Ścieki mogą kontaktować się z błoną biologiczna przez:

• okresowe zalewanie złoża ściekami

• przepuszczanie ścieków przez złoże

• zanurzanie złoża w ściekach

Podział złóż biologicznych ze względu na sposób kontaktu ścieków z błoną:

• wypełnienie ruchome

• nieruchome

• ekspandowane

• fluidalne

Podział złóż biologicznych ze względu na obciążenie substratowe:

• nisko obciążone

• średnio

• wysoko

Podział złóż biologicznych ze względu na napowietrzanie:

• naturalnie napowietrzane

• sztucznie napowietrzane

Podział złóż biologicznych ze względu na wysokość:

• niskie

• średnie

• wysokie

• wieżowe

Podział złóż biologicznych ze względu na wypełnienie:

• wypełnienie konwencjonalne

• wypełnienie z tworzyw sztucznych

• wypełnienie fluidalne

Podział złóż biologicznych ze względu na technologię:

• jednostopniowe

• dwustopniowe

• wielostopniowe

Inny podział złóż biologicznych:

a) wypełnienie nieruchome

• zraszane

• spłukiwane

• zalewane

• zanurzane

b) wypełnienie ruchome

• MBBR

• MBSBBR

• bioreaktory hybrydowe

• zanurzane (a. Ekspandowane; b. Fluidalne)

Podział reaktorów ze złożem ruchomym:

1. Podział ze względu na udział biomasy rozwijającej się w postaci błony biologicznej

a) czysta technologia złoża ruchomego - biomasa rozwija się w postaci błony biologicznej na ruchomym nośniku

b) technologia hybrydowa - udział w oczyszczaniu ścieków bierze zarówno błona biologiczna i osad czynny

2. Podział ze względu na rodzaj przepływu ścieków

a) reaktory o przepływie ciągłym - MBBR

b) reaktory o przepływie proporcjonalnym - MBSBBR

3. Podział ze względu na rodzaj realizowanych procesów oczyszczania ścieków

a) usuwanie zanieczyszczeń organicznych BZT₅, CHZT

b) proces nitryfikacji

c) proces denitryfikacji

d) zintegrowane usuwanie związków N, P, C

e) beztlenowe utlenianie amoniaku - proces ANAMMOX

Zalety złoża z wypełnieniem ruchomym:

• czas zatrzymywania biomasy rozwiniętej na ruchomych nośnikach jest niezależny od hydraulicznego czasu zatrzymania ścieków w reaktorze

• możliwość zwiększenia ilości biomasy w reaktorze

• możliwość ograniczenia pojemności reaktorów biologicznych

• przeprowadzenie modernizacji pracujących oczyszczalni ścieków poprzez wprowadzenie do reaktora biologicznego odpowiedniej ilości złoża.

Technologia złoża ruchomego wykorzystuje zarówno zalety osadu czynnego jak i złoża biologicznego eliminując wady tych dwóch rozwiązań.

Podstawa do prowadzenia procesów na złożach:

• obecność odpowiedniej mikroflory

• dostarczenie substratów odżywczych pozbawionych toksyn

• zapewnienie równowagi miedzy ilością doprowadzanego substratu, a zapotrzebowaniem organizmów żywych na pokarm

• odpowiednie natlenienie ścieków

Złoża biologiczne z wypełnieniem nieruchomym - zalewane:

• nie stosuje się ich dzisiaj

• żelbetonowe zbiorniki wypełnione kamieniem, koksem hutniczym, lawą wulkaniczną itd.

• okresowo zalewane podczyszczonymi ściekami

• mała wydajność

• szybko zasklepiają się osadem

Złoża biologiczne z wypełnieniem nieruchomym - zraszane:

• błona biologiczna rozwija się na nieruchomym wypełnieniu skalistym, żużlowym lub koksowym

• podstawę konstrukcji stanowi płyta z otworami umożliwiająca cyrkulacje powietrza

• ścieki wprowadzane za pomocą urządzeń rozdeszczających, przekraplają się przez złoże stale stykając się z powietrzem, po czym są zbierane i odprowadzane

• wzrost błony biologicznej sterowany biologicznie

Warunki pracy złóż zraszających:

• równomierne zraszanie złoża

• zachowanie odpowiedniego hydraulicznego obciążenia złoża

• konstrukcja złoża pozwala na szybki przepływ ścieków przez złoże

• jednorodny materiał wypełniający

• zapewnienie odpowiedniego przewietrzania złoża

• ochrona przed wychłodzeniem złoża w warunkach zimowych

Złoża biologiczne z wypełnieniem nieruchomym - spłukiwane

• podobne do złóż zraszanych

• sterowanie wzrostu błony biologicznej za pomocą procesów biologicznych lub za pomocą wymywania hydraulicznego

Złoża biologiczne z wypełnieniem nieruchomym - zanurzane:

• wypełnienie znajduje się nad powierzchnią ścieków

• rozwiązania kształtujące wzrost błony biologicznej i podaż tlenu:

a) zastosowanie wypełnienia złoża o odpowiedniej porowatości i warunkach hydraulicznych, które przeciwdziałają porastaniu nadmiernej grubości błony

b) wsteczne przemywanie złoża - dokonuje się tego przy szybkim dopływie ścieków od dołu. Cząsteczki piasku są unoszone, obracają się w silnym strumieniu i następuje ścieranie błony biologicznej.

• występują najczęściej w formie złóż obrotowych tarczowych, walcowych lub taśmowych

Złoża biologiczne z wypełnieniem ruchomym - złoża ekspandowane, fluidalne, MBBR i MBSBBR

• ruch kształtek złoża wywołany mieszadłem mechanicznym lub przez ciśnieniowa instalację napowietrzającą

• intensywność mieszania warunkuje grubość błony biologicznej

• dzięki obrotowi o właściwej intensywności błona biologiczna wytworzona na nośnikach poddawana jest ścinaniu, co pozwala na utrzymanie jej odpowiedniej grubości, wysokiej aktywności i równomiernego rozłożenia na elementach złoża

• w konstrukcji złóż stosuje się sita prętowe, pionowe l;ub prostokątne sita oczkowe bądź cylindryczne (mają one za zadanie zabezpieczenie przed wypływaniem złoża z reaktora)

• metoda ta może być stosowana jako:

a) czysta technologia złoża ruchomego

b) układ hybrydowy

MBBR:

• wymagają ciągłego zasilania ściekami surowymi, względnie ze zmiennym natężeniem

• duża wydajność oczyszczania ścieków

• potrzebny osadnik wtórny

• wypełnienie reaktora to: tworzywa sztuczne, materiały włókniste i pianka poliuretanowa

• błona biologiczna rozwija się na wewnętrznych częściach wypełnienia ze względu na częste uderzanie o siebie nośników podczas mieszania

MBSBBR:

• wymaga ciągłego lub okresowego zasilania ściekami z pracą w trybie sekwencyjnym

• nie potrzebuje osadnika i układu recyrkulacji ścieków

• potrzebna pompownia ścieków do układu usuwającego osad nadmierny

• wypełnienie reaktora to: tworzywa sztuczne, materiały włókniste i pianka poliuretanowa

• błona biologiczna rozwija się na wewnętrznych częściach wypełnienia ze względu na częste uderzanie o siebie nośników podczas mieszania

Złoże ekspandowane:

• wypełnienie ruchome

• technologia polega na tym, że wypełnienie będzie stacjonarne dopóki w czasie przepływu luźne ziarna (zwykle piasku) nie ulegną uniesieniu w wyniku gradientu ciśnienia od dołu do góry złoża. Jeśli ciśnienie u dołu złoża zrównoważy jego masę, to nastapi uniesienie złoża

• może być użytkowane tylko wtedy, gdy cząsteczki złoża są swobodnie uniesione

Złoża fluidalne:

• gdy przepływ w górę złoża przekracza punkt jego unoszenia, następuje równowaga miedzy szybkością przepływu w górę, a szybkością sedymentacji cząstek, która zależy od ich gęstości

• cząstki są od siebie oddzielone i wprowadzone w ruch wirowy w przepływie turbulentnym do góry

• wykorzystywane do budowy materiały lekkie: węgiel aktywny, materiały obojętne - piasek, drobnoziarniste materiały sztuczne

Podział ścieków bytowo - gospodarczych:

• ścieki czarne - pochodzą z ustępów spłukiwanych

• ścieki szare - pochodzą z kuchni, łazienki, pralni

• ścieki przemysłowe - powstają w procesach produkcyjnych np. Gnojowica przy bezściółkowej hodowli krów

• ścieki opadowe - pochodzą z opadów atmosferycznych

Procesy przebiegające w przydomowej oczyszczalni ścieków:

• procesy mechaniczne (sedymentacja, flotacja) - usuwane są zanieczyszczenia łatwo opadające i flotujące. Zachodzą w osadnikach gnilnych i Imhoffa

• procesy biologiczne - mogą zachodzić w warunkach tlenowych i beztlenowych. Można zastosować oczyszczalnie hydrobotaniczną - sorpcja zanieczyszczeń zachodzi z wykorzystaniem roślin wodnolubnych lub zasiedlających systemy bagienne.

Dane wyjściowe przy wyborze wielkości i rodzaju oczyszczalni lokalnej:

• odbiornik ścieków (grunt, woda, brak)

• ilość ścieków

• ukształtowanie terenu (spływ grawitacyjny, konieczność pompowania)

• stopień oczyszczania ścieków (drugi, trzeci)

• powierzchnia terenu dostępna dla wybudowania oczyszczalni

• poziom wód gruntowych

• głębokość zalegania utworów nieprzepuszczalnych

• nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacji

• zagrożenia sanitarne (jakość dużych podziemnych zbiorników wody pitnej)

Oczyszczalnie kontenerowe - schemat działania:

1. Ścieki surowe przepływają przez kratę do zbiornika retencyjno uśredniającego, skąd czerpane są przez pompy i kierowane do obróbki na tarczowych złożach biologicznych.

2. Ścieki ze złoża tarczowego kierowane są do osadnika wtórnego wielostrumieniowego o przepływie poziomym, a następnie (jako oczyszczone) przez koryto promieniowo rozdzielcze do odbiornika.

Oczyszczalnia typu BIOCLERE:

1. Budowa:

- osadnik wstępny

- złoże biologiczne z tworzywa sztucznego

- studzienka dolna pełniąca rolę osadnika

2. Wykorzystywane są procesy utleniania na złożu zraszanym

3. Wypełnienie HUFO lub FLOCOR - kształtki z tworzywa sztucznego z mocno rozwiniętą powierzchnią czynną

4. Zastosowanie recyrkulacji wewnętrznej

5. Złoże zamknięte w szczelnej obudowie z laminatu - brak smrodu ;p i emisji bioaerozoli

6. Odporna na niskie temperatury

7. Stosowana przy RLM < 500

Oczyszczalnia typu Plastepur, BioKube:

1. Budowa:

- zraszacz obrotowy

- materiał wypełniający złoże o powierzchni właściwej ok. 200m²/m³

- ruszt podtrzymujący złoże

- wypełnienie HUFO FLOCOR

2. Zalety BioKube:

- sprawne oczyszczanie ścieków (najlepsze)

- usuwanie fosforu ze ścieków

- nie powstaje siarkowodór

- zdalne sterowanie przez internet & telefon

- rozkład azotanów

Układy technologiczne oczyszczania ścieków z zastosowaniem złóż roślinno - glebowych:

• wykorzystuje procesy jakie zachodzą na terenach podmokłych przy udziale roślinności

• Typy złóż:

a) Złoże o poziomym przepływie ścieków - ścieki płyną pod powierzchnia złoża> Wypełnienie: mieszanka glebowa, piasek, żwir. Przesącz zbierany systemem drenarskim i odprowadzany do odbiornika lub poddawany dalszemu oczyszczaniu. Ścieki oczyszczone w ten sposób nie mogą być wprowadzane do wód powierzchniowych lecz rozsączane drenażem.

b) Złoże o pionowym przepływie ścieków - 1,5 - 2m głębokości. Przesącz zbierany drenażem. Skuteczniejsze oczyszczanie niż na złożu poziomym.

• Biofilm wytwarza się na korzeniach roślin i ziarnach piasku

• Rośliny: trzcina pospolita, sitowie leśne, pałka wodna, manna mielec, kupkówka pospolita, wiechlina łąkowa, turzyca leśna, wierzba wiciowa, topola bujna

• Zadania roślin:

1. pobieranie i wbudowywanie w biomasę składników zanieczyszczeń

2. poprawienie hydrauliki złoża

3. napowietrzanie złoża

4. łatwość wkomponowania w krajobraz

© Kopyrajt end Orajt baj Dawid „Cycek” Jasiński, 2011

10

---