Temat: „Biologiczne metody oczyszczania ścieków”

Uregulowania prawne:

• Dz.U. 2006 nr 137 poz. 984

• Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego

• Dz.U. 2008 nr 162 poz. 1008

• Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 sierpnia 2008 r. w sprawie sposobu klasyfikacji stanu jednolitych części wód powierzchniowych

• Dz.U. 2005 nr 233 poz. 1988

• Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 10 listopada 2005 r. w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego, których wprowadzenie w ściekach przemysłowych do urządzeń kanalizacyjnych wymaga uzyskania pozwolenia wodnoprawnego

Cel biologicznego oczyszczania:

Podstawowym celem biologicznego oczyszczania ścieków jest usunięcie ze ścieków biologicznie rozkładalnych zanieczyszczeń. Do prowadzenia procesów biologicznego rozkładu zanieczyszczeń organicznych wykorzystuje się populacje mikroorganizmów zawieszone w toni ścieków (metody osadu czynnego) lub mikroorganizmy tworzące utwierdzoną biomasę (złoża biologiczne).

Zanieczyszczenia organiczne podczas przemian biochemicznych są wykorzystywane przez mikroorganizmy jako pokarm przyczyniając się do przyrostu biomasy bakteryjnej. Pozostała część rozłożonych zanieczyszczeń uwalniania jest w warunkach tlenowych jako dwutlenek węgla i woda. W przypadku procesów beztlenowych produktami gazowymi rozkładu materii organicznej jest dwutlenek węgla oraz metan.

Ścieki - to zużyte ciecze, roztwory, koloidy lub zawiesiny, a także odpadowe ciała stałe odprowadzane za pomocą rurociągów do odbiorników naturalnych jakimi mogą być zbiorniki lub cieki wodne, doły gnilne itp.

W postaci ścieków odprowadza się odpadowe substancje przemysłowe oraz odpady żywnościowe i fekalia z miejskich i osiedlowych gospodarstw domowych. Ze względu na dużą szkodliwość biologiczną ścieków, zarówno komunalnych jak i przemysłowych, przed odprowadzeniem do odbiornika powinno się poddawać je oczyszczeniu w oczyszczalniach.

Rodzaje ścieków

• ścieki bytowo-gospodarcze - powstają z wód wykorzystywanych w gospodarstwach domowych - do utrzymywania higieny osobistej, spłukiwania urządzeń sanitarnych, przygotowywania posiłków itp. Są bardzo mętne, mają szarożółte zabarwienie, charakterystyczny zapach i odczyn lekko zasadowy. Zawierają 40% zanieczyszczeń nieorganicznych i 60% organicznych w postaci rozpuszczalnej i zawiesin.

• ścieki przemysłowe - zawierają najczęściej rozmaite związki chemiczne, będące ubocznym produktem procesów technologicznych stosowanych w zakładach przemysłowych. Na ogół nie stanowią zagrożenia sanitarno-epidemiologicznego, gdyż nie zawierają bakterii chorobotwórczych. Wyjątkiem są ścieki z zakładów przemysłu spożywczego, garbarni i zakładów utylizacji odpadów. Mogą one zawierać chorobotwórcze drobnoustroje w różnych postaciach (wegetatywnej i zarodnikowej) i jako takie powinny być poddawane procesom dezynfekcji.

• ścieki rolnicze - powstają z wód spływających z pól i gospodarstw wiejskich - zawierają zwykle nawozy sztuczne, pestycydy oraz zanieczyszczenia drobnoustrojami. Szczególnie niebezpieczna jest gnojowica, która może zawierać tysiące razy więcej zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych niż ścieki bytowo-gospodarcze.

• ścieki komunalne - są mieszaniną ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych oraz wód opadowych.

• wody opadowe - są ściekami powstającymi z opadów atmosferycznych, zmywających tereny zabudowane. Zawierają duże ilości zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych, wiele w postaci zawiesin.

• wody podgrzane - powstają w procesach technologicznych chłodzonych za pomocą wody.

Zanieczyszczenie wód - niekorzystne zmiany właściwości fizycznych, chemicznych i bakteriologicznych wody spowodowane wprowadzaniem w nadmiarze substancji nieorganicznych (stałych, płynnych, gazowych), organicznych, radioaktywnych czy wreszcie ciepła, które ograniczają lub uniemożliwiają wykorzystywanie wody do picia i celów gospodarczych.

Rodzaje zanieczyszczeń:

Podział ze względu na pochodzenie:

• naturalne - takie, które pochodzą z domieszek zawartych w wodach powierzchniowych i podziemnych - np. zasolenie, zanieczyszczenie związkami żelaza;

• sztuczne - inaczej antropogeniczne, czyli związane z działalnością człowieka - np. pochodzące ze ścieków, spływy z terenów rolniczych, składowisk odpadów komunalnych. Zanieczyszczenia sztuczne także możemy podzielić na grupę biologicznych (bakterie, wirusy, grzyby, glony) oraz chemicznych (oleje, benzyna, smary, ropa, nawozy sztuczne, pestycydy, kwasy, zasady).

Podział ze względu na stopień szkodliwości:

• bezpośrednio szkodliwe - fenole (gazownie, koksownie) kwas cyjanowodorowy (gazownie), kwas siarkowy i siarczany, kwaśny deszcz (fabryki nawozów sztucznych, celulozownie, fabryki włókien sztucznych),

• pośrednio szkodliwe - takie, które prowadzą do zmniejszenia ilości tlenu w wodzie poniżej poziomu niezbędnego do utrzymania przy życiu organizmów wodnych.

Podział według kryterium trwałości zanieczyszczeń:

• rozkładalne - zawierające substancje organiczne, potencjalnie trujące, lecz podlegające przemianom chemicznym do prostych związków nieorganicznych przy udziale bakterii (ścieki domowe)

• nierozkładalne - zawierające substancje nie ulegające większym przemianom chemicznym i nie atakowane przez drobnoustroje (sole metali ciężkich)

• trwałe - zawierające substancje ulegające rozkładowi biologicznemu w niewielkim stopniu i pozostające w środowisku w niezmiennej formie przez długi okres czasu (pestycydy, fenole, produkty destylacji ropy naftowej)

Podział ze względu na źródło:

• źródła punktowe - ścieki odprowadzane w zorganizowany sposób systemami kanalizacyjnymi, pochodzące głównie z zakładów przemysłowych i z aglomeracji miejskich,

• zanieczyszczenia powierzchniowe lub obszarowe - zanieczyszczenia spłukiwane opadami atmosferycznymi z terenów zurbanizowanych nie posiadających systemów kanalizacyjnych oraz z obszarów rolnych i leśnych,

• zanieczyszczenia ze źródeł liniowych lub pasmowych - zanieczyszczenia pochodzenia komunikacyjnego, wytwarzane przez środki transportu i spłukiwane z powierzchni dróg lub torfowisk oraz pochodzące z rurociągów, gazociągów, kanałów ściekowych, osadowych.

BIOLOGICZNE METODY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW

Naturalne metody biologiczne:

1)Nawadnianie

Nawadnianie - jeden z systemów melioracji wodnych polegający na dostarczaniu glebie wody w celu pokrycia jej niedoborów i zwiększenia jej produktywności.

W zależności od sposobu rozprowadzania wody rozróżnia się następujące rodzaje nawadniania:

• bruzdowe - nawadnianie gruntów ornych, polegające na wprowadzaniu wody do specjalnie wykonanych bruzd, z których przesiąka ona do gleby; stosowane przy utylizacji ścieków miejskich,

• deszczowniane (deszczowanie), nawadnianie pól za pomocą sztucznego deszczu wytwarzanego przez deszczownię,

• grawitacyjne, przy którym woda napływa samoczynnie na nawadniane pole,

• kroplowe, polegające na umiejscowieniu przy roślinach przewodów polietylenowych zaopatrzonych w dozatory kroplowe, przez które kroplami, grawitacyjnie lub niskociśnieniowo, przecieka woda lub woda z rozpuszczonym nawozem mineralnym.

• podsiąkowe - polega na spiętrzaniu wody w rowach odwadniających, wskutek czego woda przesiąka do gleby powodując jej pełne nawilżenie,

• przesiąkowe (wgłębne) - doprowadzanie wody do głębszych warstw gleby za pomocą specjalnych rurociągów zaopatrzonych w otwory,

• stokowe - nawadnianie wodą spływającą cienką warstwą po powierzchni o określonym spadku, wsiąkającą po drodze w glebę,

• zalewowe - zalewanie warstwą wody około 20 cm pola podzielonego grobelkami na kwatery;

• nawożące, zasilające glebę rozpuszczonymi w wodzie nawadniającej nawozami mineralnymi lub żyznymi namułami rozpuszczonymi w wodzie nawadniającej,

• ogrzewające - nawadnianie wodą cieplejszą niż gleba w celu jej ogrzania i przyspieszenia rozwoju mikroorganizmów glebowych oraz przedłużenia okresu wegetacji roślin;

Wartość dla rolnictwa posiadają zawarte w ściekach substancje nawozowe i humusowe a przede wszystkim woda. Należy jednak pamiętać, że nawadnianiu ściekami towarzyszy niebezpieczeństwo przenoszenia bakterii, pasożytów a także innych substancji toksycznych. Metodę tą stosuje się tylko sezonowo, a przeważająca ilość wody nie powraca do odbiornika, lecz zostaje pobrana przez rośliny lub odparowuje. Metodę tą stosuje się zazwyczaj dla małych osiedli lub zakładów i tylko w tych rejonach gdzie ilość opadów w okresie wegetacji roślin jest odpowiednio niska (w Polsce nawadnia się około 11 tys. ha gruntów, a w USA 15 mln ha - głównie wodami powierzchniowymi, podziemnymi lub ściekami oczyszczonymi sztucznymi metodami biologicznymi). Pola nawadniane dobrze przyjmują ścieki w okresie letniej posuchy. Powinna istnieć oczyszczalnia pracująca przynajmniej w tych okresach, w których ścieki nie mogą być użyte do celów rolniczych.

2)Pola irygacyjne

Pola irygacyjne - pola, przez które przepuszczane są ścieki komunalne celem naturalnego oczyszczenia. Pola irygacyjne zakłada się na gruntach piaszczystych, przepuszczalnych i suchych. Ścieki, które mają być oczyszczane na polach irygacyjnych powinny być wstępnie odtłuszczone i pozbawione zawiesin. W odróżnieniu od nawadniania celem pól irygacyjnych jest oczyszczanie ścieków, osiągane korzyści rolnicze są drugoplanowym zagadnieniem. Najlepsze efekty osiąga się w okresie letnim, zaś w innych przypadkach należy stosować dodatkowe urządzenia: osadniki, niekiedy wymagana jest koagulacja, sztuczne biologiczne oczyszczanie ścieków. Zaleca się zakładanie ochronnych stref wokół pól irygacyjnych.

3)Pola filtracyjne

Grunty wykorzystywane do oczyszczania ścieków bez rolniczego ich użytkowania noszą nazwę pól filtracyjnych lub gruntowych. Pola te zakładane są tylko na gruntach piaszczystych o odpowiedniej przepuszczalności. Redukcja BZT przekracza 90%, a zawartość bakterii zmniejsza się o przeszło 95%. Ścieki są klarowne, nie zagniwają. Ten wysoki stopień oczyszczania uzyskuje się na drodze biochemicznego utleniania zanieczyszczeń. Na ziarnach piasku znajduje się cienka warstwa błony biologicznej, która adsorbuje związki organiczne zawarte w ściekach. Rozkład tych substancji i regeneracja zdolności sorpcyjnych błony biologicznej następuje w czasie przerw między kolejnymi zalewaniami. Powietrze zawarte w porach złoża ulega wymianie podczas każdego zalania poletka, bowiem ścieki wsiąkając powodują wypieranie powietrza.

4)Stawy biologiczne

Stawami biologicznymi nazywa się zbiorniki wodne naturalne bądź sztuczne. Oczyszczanie ścieków powodują organizmy znajdujące się w stawie (bakterie), a w stawach tlenowych także glony.

Rozróżnia się 2 rodzaje stawów biologicznych:

- procesy oczyszczania przebiegają w warunkach beztlenowych,

- procesy oczyszczania przebiegają w warunkach tlenowych.

Znacznie większe zastosowanie mają stawy pracujące w warunkach tlenowych. Często dodatkowo natlenia się ścieki. W zależności od biocenozy tlenowych stawów biologicznych można podzielić je na stawy:

- rybne,

- glonowo-bakteryjne,

- glonowe.

Stawy rybne stosuje się do oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych oraz przemysłu spożywczego. Do stawów doprowadza się ścieki oczyszczone mechanicznie oraz wodę rozcieńczającą, zasobną w tlen, stężenie tlenu musi być na poziomie 3-4 g/l. Są one eksploatowane od wiosny do jesieni.

Stawy glonowo-bakteryjne mogą przyjmować znacznie więcej ścieków. W okresie zimowym nie są one opróżniane, lecz pracują jako osadniki gnilne.

Stawy glonowe stosowane są jako końcowy etap oczyszczania ścieków. Glony usuwa się, a staw służy do usuwania substancji pożywkowych: azotanów i fosforanów.

SZTUCZNE METODY BIOLOGICZNE

Metoda złoża biologicznego to metoda, podczas, której zachodzą procesy samooczyszczania, tak jak w glebie w warunkach naturalnych, lecz w szybszym tempie. Procesy oczyszczania zachodzą w materiale wypełniającym złoże (błona biologiczna) pod wpływem działania mikroorganizmów i przy dostępie odpowiedniej ilości tlenu.

Złoże biologiczne to urządzenie do biologicznego oczyszczania ścieków w środowisku powietrznym, pracujące na zasadzie przekraplania ścieków przez materiał wypełniający złoże. Zasadniczą częścią złoża jest zatem materiał wypełniający, na powierzchni którego w czasie przekraplania ścieków rozwija się tzw. błona biologiczna. Mikroorganizmy zasiedlające błonę biologiczną adsorbują zawarte w ściekach zanieczyszczenia organiczne i następnie rozkładają je w warunkach tlenowych. Warunkiem odpowiedniej pracy złoża biologicznego jest istnienie odpowiedniej ilości błony biologicznej jak też łatwość dostępu tlenu do całej objętości złoża. Błona biologiczna rozwija się na powierzchni materiału wypełniającego, a procesy tlenowego rozkładu substancji organicznych zachodzą tylko w jej cienkiej (2mm) warstwie, wypełnienie złoża powinno zapewniać odpowiednio dużą powierzchnię, na której błona biologiczna będzie mogła się rozwijać. Powierzchnia materiału wypełniającego złoże zależy od jego wypełnienia i wzrasta ze zmniejszaniem się wymiarów kruszywa wypełniającego złoże. Mniejsza granulacja kruszywa zapewnia korzystniejsze warunki dla ilościowego rozwoju błony biologicznej, jest natomiast niekorzystna jest z uwagi na zmniejszony dostęp powietrza i tlenu do złoża, przez co obniża skuteczność oczyszczania. Od wysokości złoża zależy: czas przepływu ścieków przez złoże, czas kontaktu ścieków z mikroorganizmami błony biologicznej. Czas kontaktu ścieków z materiałem wypełniającym zależy od tzw. obciążenia hydraulicznego powierzchni złoża, wyrażonego w m3 ścieków przepływających przez m2 powierzchni złoża w ciągu godziny (m3/m2.h=m/h). Na czas kontaktu ścieków ze złożem istotny wpływ ma sposób rozdziału ścieków po powierzchni złoża, co w praktyce jest bardzo trudne. Kierunek ruchu ścieków nie jest prostoliniowy lecz zmienny. Wszystkie te czynniki powodują, że rzeczywisty czas kontaktu ścieków ze złożem nie może być obliczany teoretycznie, lecz należy go ustalać doświadczalnie. Wymienione parametry wywierają bardzo duży wpływ na tzw. zdolność natleniającą złoża. Jest to ilość tlenu, która może rozpuścić się w ściekach w czasie ich przepływu przez złoże, na jednostkę jego objętości i w jednostce czasu (wyraża się ją w gO2/m3 .dni). Zdolność natleniającą zapewnia istnienie naturalnego ciągu powietrza przez złoże, który powstaje na skutek różnicy temp. ścieków i otaczającego powietrza. Przepływ powietrza może być skierowany z góry na dół jak i z dołu do góry. Czasem zachodzi konieczność napowietrzania złoża sztucznie. Proces oczyszczania ścieków na złożach biologicznych zachodzi w czasie przepływu ścieków przez materiał wypełniający złoże. Na powierzchni materiału wypełniającego rozwija się błona biologiczna, którą zasiedlają bakterie, grzyby, glony, pierwotniaki i inne wyższe organizmy. Dzięki właściwościom sorpcyjnym i koagulacyjnym błony część zanieczyszczeń doprowadzanych ze ściekami jest zatrzymywana na złożu. Te organizmy w warunkach tlenowych adsorbują substancje organiczne zawarte w ściekach i zużywają je do swoich procesów życiowych lub do budowy nowych komórek mikroorganizmów. W ten sposób substancje organiczne ze ścieków są częściowo bezpośrednio utleniane (enzymatycznie) do dwutlenku węgla i wody lub utlenionych związków mineralnych azotu, fosforu i siarki. Część zaś zużyta zostaje do budowy nowych mikroorganizmów. Z kolei mikroorganizmy błony biologicznej w sposób naturalny starzeją się, obumierają. Martwa część błony biologicznej może być utleniona bezpośrednio w złożu (autooksydacja), lub przy odpowiednio szybkim przepływie ścieków przez złoże może być odrywana od materiału wypełniającego, unoszona wraz z odpływającymi ściekami i oddzielana od ścieków w postaci osadu w osadnikach wtórnych. Na ogół oba te zjawiska odładowania złoża zachodzą jednocześnie. Stopień utlenienia substancji organicznych zawartych w ściekach, stopień przyrostu błony biologicznej i stopień autooksydacji zależą od rodzaju złóż i warunków ich pracy. W pierwszym okresie pracy złoża efekty oczyszczania ścieków są minimalne. Zwiększają się one w miarę wytwarzania się błony biologicznej na powierzchni wypełnienia. Czas potrzebny na wytworzenie 2 mm błony nazywa się dojrzewaniem albo wypracowywaniem się złoża. Uzyskanie odpowiedniej sprawności złoża uzależnione jest od: możliwości rozwoju na danych ściekach błony biologicznej, odpowiedniego napowietrzenia, równomiernego rozdziału ścieków na złożu, temperatury. Rozróżnia się złoża niskoobciążone (zraszane) i wysokoobciążone (spłukiwane), średnio i bardzo wysokoobciążone. Podstawą podziału są następujące parametry technologiczne:

- obciążenie hydrauliczne powierzchni złóż,

- obciążenie objętości złóż ładunkiem zanieczyszczeń,

- efekt oczyszczania ścieków, wyrażony w redukcji BZT5 w % lub jako wartość BZT5 odpływu w mg/l.

Na złożach oczyszczać można ścieki bytowo-gospodarcze oraz niektóre ścieki przemysłowe, poddane uprzednio oczyszczaniu mechanicznemu.

METODA OSADU CZYNNEGO

Metoda osadu czynnego - polega na napowietrzaniu ścieków wymieszanych z osadem czynnym i następnie oddzieleniu kłaczków tego osadu od oczyszczonych ścieków. Kłaczki są zbiorowiskiem różnego rodzaju organizmów, głównie bakterii, które w wyniku działalności życiowej powodują tlenowy rozkład substancji organicznych zawartych w ściekach.

Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego polega na ich napowietrzeniu z charakterystycznym zespołem drobnoustrojów tzw. osadem czynnym oraz na oddzieleniu osadu od oczyszczanych ścieków w osadnikach wtórnych. Kłaczki osadu czynnego stanowią żelowatą masę w której żyją głównie bakterie i pierwotniaki. Wskutek znacznych własności sorpcyjnych osadu czynnego związki organiczne zawarte w ściekach ulegają sorpcji na powierzchni kłaczków a następnie zostają utleniane lub zużyte na biosyntezę nowych komórek. Efektywność oczyszczania zależy przede wszystkim od działalności fizjologicznej bakterii, których niezwykle duża liczba zgromadzona jest w małej objętości. Rola pierwotniaków polega głównie na regulowaniu ilości bakterii (przypomina to proces samooczyszczania). W celu zapewnienia jak najlepszego kontaktu pomiędzy ściekami a osadem czynnym konieczne jest utrzymywanie go w stanie zawieszenia w przepływających ściekach. Służy do tego mieszanie ścieków sprężonym powietrzem lub urządzeniami mechanicznymi. Zbiorniki, w których odbywa się napowietrzanie ścieków i mieszanie ich z osadem czynnym noszą nazwę komór napowietrzania. Stosowane jest w nich napowietrzanie powierzchniowe (urządzeniami mechanicznymi) lub sprężonym powietrzem. W metodzie oczyszczania ścieków osadem czynnym można wyróżnić następujące etapy:

1) oczyszczanie ścieków w osadniku wstępnym

2) mieszanie ścieków wstępnie oczyszczonych z osadem czynnym

3) napowietrzanie mieszaniny ścieków z osadem

4) oddzielanie osadu w osadniku wtórnym

5) zawracanie części osadu z osadnika do komory napowietrzania

6) odprowadzanie nadmiaru osadu czynnego do osadnika wstępnego lub do wydzielonej komory fermentacyjnej w celu jego przeróbki.

Metoda oczyszczania ścieków osadem czynnym jest bardzo elastyczna, tzn. może być realizowana przy bardzo różnych parametrach obciążenia komór napowietrzania, obciążenia osadu czynnego, czasu oczyszczania ścieków. Elastyczność metody wynika z bardzo dużych możliwości regulacji intensywności napowietrzania i zawartości osadu w komorach. Metoda osadu czynnego została opracowana do oczyszczania ścieków miejskich, ale już w krótkim czasie zastosowano ją do oczyszczania ścieków przemysłowych. W wielu przypadkach drobnoustroje potrafią „zaaklimatyzować się” nawet w obecności substancji toksycznych. Następuje przy tym albo rozkład materiału toksycznego np. fenoli, amin, nitryli i innych, albo też selektywny wzrost mikroorganizmów zdolnych do procesów metabolizmu (przemiany materii) w obecności substancji trujących np. chromu, miedzi, siarczków.

1

---