Odpowiedź na pytanie nr 16
Przeróbka osadów ściekowych: rozwiązania technologiczne stosowane przy przeróbce osadów ściekowych, procesy biochemiczne zachodzące podczas fermentacji osadów ściekowych, charakterystyka drobnoustrojów przejawiających aktywność w poszczególnych fazach fermentacji osadów ściekowych.
Przeróbka osadów ściekowych.
Podczas mechanicznego i biologicznego oczyszczania ścieków zarówno w osadnikach wstępnych jak i w osadnikach wtórnych gromadzą się ogromne ilości silnie zawodnionych osadów, zajmujących duże objętości. Biorąc pod uwagę ich masę i objętość należy je bezwzglądnie poddać przeróbce obejmującej stabilizację oraz dalsze zabiegi zmierzającedo możliwie najwyższego ich zagęszczenia i odwodnienia.
Stabilizacja ma na celu:
• zmniejszenie ilości substancji organicznej w osadach
• usunięcie nieprzyjemnych zapachów
• zabezpieczenie osadów przed zagniwaniem
• częściowe zgęszczenie i odwodnienie osadów
• zniszczenie znajdujących się w osadzie drobnoust. chorob. i jaj pasożytów
Proces stabilizacji można prowadzić w warunkach tlenowych i beztlenowych.
Stabilizacja tlenowa osadów ściekowych
Przeróbkę osadów w war tlenowych przeprowadzamy w przypadkach, gdy ilości osadu są stosunkowo niewielkie a osad pochodzi głównie z osadników wtórnych. Podstawowym składnikiem osadów są kłaczki osadu czynnego lub fragmenty błony biologicznej.
Urządzeniem w którym przeprowadza się stabilizację tlenową osadów, jest otwarta, intensywnie napowietrzana komora stabilizacyjna . Napowietrznie osadów ściekowych trwa ok. 7 -8 dni, głównymi substratami są nierozpuszczalne w wodzie substancje stałe, z jakich zbudowane są komórki organizmów żywych, stanowiący przecierz główny składnik osadów ściekowych. Ostatecznym efektem jest zmniejszenie się objętości osadów i ich masy w następstwie tzw endogennej respiracji. Ponieważ osady ściekowe nie zawierają dużych ilości substancji odżywczej w postaci podatnej na biodegradację, po zakończeniu całego procesu nie obserwuje się spadku wartości BZT.
Endogenna respiracja - samoutlenienie substancji komórkowych, które prowadzi do poważnego ubytku masy osadu.
Prawidłowości biologicznej strony procesu stabilizacji tlenowej:
• szybki wzrost liczby saprofitycznych bakterii obecnych w osadach ściekowych
• w miarę postępu procesu następuje wzrost liczby bakterii mezofilnych, w szczególności bakterii z grupy coli i bakterii beztlenowych
Po zakończeniu procesu stabilizacji należy przeprowadzić proces pasteryzacji w celu usunięcia z osadu bakterii chorobotwórczych.
Wady procesu:
• wysokie koszty eksploatacji
• duże zapotrzebowanie na energię
• trudnośći w dalszym odwadnianiu osadów ściekowych
Fermentacja osadów ściekowych
Metoda ta jest stosowan najczęściej, a ilości osadów ściekowych, jakie można przetworzyć w warunkach beztlenowych ( fermentacja ) są od 10 do 20 razy wydajniejsze, i sam proces jest wiele tańszy.
Urządzenia do prowadzenia fermentacji:
• osadniki gnilne
• komory fermaentacyjne osadników zespolonych
• wydzielone komory fermentacyjne
• dwustopniowe komory fermentacyjne
Osadniki gnilne
Są to tzw „szamba” lub tkanki septyczne. Stosuje się je do oczyszczania niewielkich ilości ścieków gosp. Niewielkie pojed komory w których zachodzi: 1) sedymentacja cząstek osadu na dno zbiornika 2) fermentacja substancji organicznych 3) biodegradacja rozpuszczalnych substancji organicznych. Wszystkie te procesy zachodzą spontanicznie bez rzadnych urządzeń wspomagających. Przefermentowane osady okresowo usuwa się i wywozi. Ścieki znad osadu drenuje się do gruntu.
Osadniki zespolone
Stosuje się je w miastach od 20 do 50 tys. mieszk. Zbudowane są z komory przepływowej, stanowiącej właściwy osadnik i komory fermentacyjnej leżącej pod nią. W komorze przepływowej odbywa się sedymentacja a następnie przez szczeliny osad dostaje się do komory ferm. Panują tam warunki beztlenowe, proces fermentacji odbywa się w temperaturze 10 - 14°C i w związku z tym zachodzi powoli. Przefermentowany osad doprowadzany jest za pomocą specjalnych przewodników na poletka osadowe, gdzie ulega zagęszczeniu i odwodnieniu. Ciecz nadosadowa powraca samoczynnie do komory przepływowej. W procesie tym uwalniają się duże ilości gazów które gromadzone są w przystosowanych do tego urządzeniach.
Wydzielone komory fermentacyjne (WKF)
Duże zbiorniki ( śr. 10 - 20m, wys. 15 - 45m) wyposażone w dodatkowe urządzenia:
• pompy i przewody doprowadzające osad rurowy
• pompy i przewody doprowadzające osad przefermentowany
• przewody doprowadzające ciecz nadosadową
• instalacje do odprowadzania gazu fermentacyjnego
• mechanizmy do mieszania osadów
• wymienniki ciepła
Frermentacja prowadzona w tych osadnikach zachodzi w podwyższonych temperaturach ( 30 -35 °C - fermentacja mezofilna lub 50 -55 °C - termofilna ) Ogrzewanie może być przez parę wodną lub porzez nagrzewnice zewnętrzne. Ważnym elementem warunkującym sprawność urządzenia sa maszyny mieszające. Stosuje się do tego mieszadła mechaniczne, albo systemy pomp zewnętrznych wtłaczających i wypompowujących z komory pewne ilości osadu. Całkowity okres fermentacji czyli czas przetrzymania osadów w komorach wynosi od 20 do 60 dni, a osad po fermentacji posiada do 90% wody. Produkty fermentacji to: 1) gaz fermentacyjny ( używany do ogrzewania komór ) 2) ciecz nadosadowa - płyn zawierający wysokie stężenia substancji organicznych. Wady: niski stopień wykorzystania objętości ( ok. 1/3 ) - pozostałą część zajmuje osad przefermentowny, ciecz nadosadowa i gazy
Dwustopniowe komory fermentacyjne (DKF)
Charakteryzują się lepszym wykorzystaniem objętości. Proces fermentacyjny prowadzony jest w dwóch etapach, a urządzenie składa się z dwóch zbiorników. Pierwszy wypełniony jest aktywnie fermentującym osadem i przeznaczony jest do trawienia i fermantacji osadów ściekowych. Jest on stale ogrzewany i wyposażony w urządz. mieszające ( jest większy )
Drugi służy jako odstojnik, zachodzi w nim oddzielenie cieczy nados. od osadu po fermentacji.
Zalety: czas fermentacji trwa od 10 do 15 dni, spadek wartości BZT.
Biochemiczne i mikrobiologiczne aspekty fermentacji osadów ściekowych
Substraty w procesie fermentacji :
• nierozpuszczalne w wodzie wielocukry: celuloza, skrobia, pektyny, hemiceluloza, ligniny
• rozpuszczalne w wodzie substancje składowe powstałe w wyniku hydrolizy substratów wymienionych wcześniej
Faza I - fermentacja kwasowa - następuje utlenianie znajdujących się w wodzie prostych substancji organicznych z wytworzeniem kwasów organicznych: pirogronowego,octowego, masłowego, mrówkowego, a także alkoholi, aldehydów ketonów, amin, fenoli, siarkowodoru, amoniku, wodoru. Głównymi produktami są jednak: kwas octowy i CO2 ( stąd nazwa fazy )
Początkowo pH wynosi ok. 5,0 ( produktami są kwasy org. ) następnie rośnie do 7,0 (dezaminacja aminokwasów - wydziela się amoniak neutralizujący powstałe kwasy)
Bakterie biorące udział w tej fazie to głównie kwasorodne bezwzględne i względne beztlenowce. Są to gł.
• gram+ laseczki Clostridium
• gram- pałeczki Bacteroides oraz:
•gram- pałeczki Acalignes
• gram- pałeczki z grupy coli ( E.coli, Enterobacter) a także:
• redukujące siarczany gram- Desulfovibrio
wszystkie poza Desulfovibrio są typowymi bakteriami jelitowymi
Faza II - fermentacja metanowa - w fazie tej niższe kwasy organiczne tj. kwas octowy, i mrówkowy a także CO2 ulegają redukcji do metanu. Cząsteczki wodoru zostały wykorzystane do produkcji energii w wyniku utlenienia gazowego, i do produkcji CO2 . Proces wytwarzania metanu zachodzi pod wpływem bakterii metanogennych:
• Methanobacterium
• Methanosarcina
• Methanococus
Bakterie te sa bezwzględnymi baeztlenowcami, rozwijają się w zakresie 6,0 - 8,0 pH i są bardzo wrażliwe na zmiany odczynu. ( Dlatego po zakończeniu I fazy do sfermentowanego osadu dodaje się odpowiednią ilość wodorotlenku wapnia lub węglanu wapnia aby osad przekroczył wartość pH 6,0 ) Inną ich cechą charakterystyczną jest długi czas generacji co wpływa na długi czs trwani II fazy.
Dalsza przeróbka osadów ściekowych
Metody mające na celu niszczenie drobnoustroje chorobotwórcze w ustabilizowanych osadach ściekowych:
pasteryzacja - ogrzewanie w temperaturze 70°C przez 30min lub w 80°C przez 6min
kilkutygodniowe kompostowanie osadów w pryzmach po uprzednim zmieszaniu ich ze słomą, trocinami lub korą drzewną
dezynfekcja wapnem gaszonym
Po stabilizacji i opisanych wyżej zabiegach osady zawierają duże ilości wody ( ponad 90%) dlatego trzba je dodatkowo zgęścić i odwodnić: zagęszczanie odbywa się przez flotację lub metodę grawitacyjną, natomiast odwodnienie prowadzi się na złożu piaskowym, filtrach ciśnieniowych lub filtrach próżniowych. Odwodnione osady zawierają poniżej 50% wody i mogą zostać wykorzystane w rolnictwie.