ŚCIEKI MIEJSKIE I ICH OCZYSZCZANIE

Ścieki miejskie są mieszaniną wód zużytych w gospodarstwach domowych, w drobnych zakładach przemysłowych, w zakładach usług komunalnych z wodami infiltrującymi do kanalizacji przez nieszczelności sieci. W kanalizacji ogólnospławnej ścieki miejskie zawierają także wody opadowe.

Rodzaje ścieków miejskich: bytowe, przemysłu miejskiego, opadowe, infiltracyjne, drenażowe (przypadkowe), nielegalne zrzuty ścieków.

Ścieki bytowe (komunalne), są to ścieki spływające z naszych domów. Zawierają one niedojedzone resztki pożywienia ze zmywania naczyń kuchennych, odchody ludzkie, brudy z prania, wszystko z dodatkiem środków do zmywania i prania. Te ścieki zawsze zawierają dużo materii organicznej(około 60%), natomiast mało agresywnych lub trujących chemikaliów. Nigdy nie jest tak, żeby jakaś jedna lub dwie substancje występowały w wielkiej ilości i dużym stężeniu. Wszystkie ścieki komunalne są zwykle podobne do siebie, niezależnie skąd pochodzą.

Ścieki przemysłowe powstają w procesach produkcyjnych, są one głównym zagrożeniem dla odbiorników wodnych. Wielka różnorodność zanieczyszczeń w tych ściekach sprawia, że nie ma standardowych metod ich oczyszczania. Ogólne zasady gospodarki ściekowej w zakładzie obejmują: odzyskiwanie cennych substancji, osobne pozbywanie się odpadów bardzo szkodliwych, uśrednianie składu ścieków, oczyszczanie metodami biologicznymi.

Ścieki opadowe powstają z wód deszczowych i śniegu, cechują się znaczną zmiennością składu i ilości.

Ilość ścieków miejskich: objętość ścieków miejskich dopływających do oczyszczalni w czasie pogody bezdeszczowej w przybliżeniu powinna odpowiadać sumie objętości wody zużytej na cele bytowo-gospodarcze i objętości wody zużytej przez przemysł, a także muszą być zwiększone o wody infiltracyjne. W rzeczywistości często stwierdza się znaczne różnice między tymi wartościami. Objętość ścieków bytowo-gospodarczych określa się iloczynem dobowego zużycia wody przez jednego mieszkańca i liczby mieszkańców.

Klasyfikacja zanieczyszczeń ścieków miejskich: ciała stałe, substancje nieorganiczne, substancje organiczne, drobnoustroje. Zaliczamy je do zanieczyszczeń fizycznych, chemicznych i biologicznych.

Sposoby oczyszczania ścieków: mechaniczne, fizyczno-chemiczne, biologiczne

Poddawane oczyszczaniu ścieki składają się z nośnika, jakim jest woda oraz z zanieczyszczeń: H₂O + X. Całość procesów oczyszczania umownie rozdzielono na 4 fazy zwane stopniami oczyszczania:

oczyszczanie I stopnia - wstępne (najczęściej fizyczne); oczyszczanie II stopnia - biologiczne lub równorzędne chemiczne; oczyszczanie III stopnia - doczyszczanie ścieków z usuwaniem substancji biogennych; oczyszczanie IV stopnia - odnowa wody.

Oczyszczalnią ścieków nazywamy zespół obiektów technologicznych i pomocniczych służących do oczyszczania ścieków i przeróbki osadów pościekowych.

Rodzaje oczyszczalni:

Ze względu na stosowane metody oczyszczania i odpowiadające im urządzenia oczyszczalnie dzielimy na: mechaniczne, chemiczne, biologiczne. Ponieważ metody chemiczne i biologiczne są zazwyczaj stosowane w połączeniu z metodami mechanicznymi, stąd oczyszczalnie dzielą się na: mechaniczno-chemiczne, mechaniczno-biologiczne, mechaniczno-chemiczno- biologiczne.

Ze względu na stopień oczyszczania ścieków można wyróżnić oczyszczalnie o następującym zakresie działania: wstępne mechaniczne oczyszczanie ścieków z zagospodarowaniem osadów, pełne mechaniczne (lub mech.-chem.) i przeróbka osadów pościekowych, pełne mechaniczne (lub mech.-chem.) i biologiczne oraz przeróbka osadów pościekowych, pełne mechaniczne i biologiczne oczyszczanie, usuwanie azotanów i fosforanów, przeróbka osadów pościekowych.

Do wstępnego mechanicznego oczyszczania stosowane są kraty, piaskowniki, odtłuszczacze. Ścieki mogą być dalej oczyszczane mechanicznie na sitach i w osadnikach (pełne mechaniczne oczyszczanie). W razie potrzeby ścieki po pełnym oczyszczaniu mechanicznym lub nawet mechaniczno-chemicznym kieruje się do oczyszczania biologicznego. Odpływy po biologicznym oczyszczaniu zawierać mogą znaczne ilości azotanów i fosforanów, stąd też należy zastosować III lub IV stopień oczyszczania.

Kraty służą do uwalniania ścieków od większych zanieczyszczeń (prześwit od 10 do 50 mm), mogą one być ruchome lub stałe, oczyszczane ręcznie lub mechanicznie. Szybkość przepływu ścieków przez kraty nie może być mniejsza od 0,6 m/s.

Sita służą do zatrzymywania zawiesin o wymiarach większych od 1 mm. Zasadniczym elementem sita jest siatka lub perforowana blacha. Są one zwykle ruchome z ciągłym oczyszczaniem. Nie są używane do oczyszczania ścieków miejskich lecz przemysłowych, w celu odzyskania surowców.

Piaskowniki - zadaniem ich jest zatrzymywanie ziarnistych zanieczyszczeń mineralnych (piasek, popiół). Piasek usuwany w piaskowniku powinien być wolny od organicznych zanieczyszczeń.

Odtłuszczacze służą do usuwania zanieczyszczeń o gęstości mniejszej od wody. Przedmuchiwanie ścieków powietrzem ułatwia wypływanie tłuszczu oraz zapobiega opadaniu zawiesin. Urządzenia typu odtłuszczaczy znajdują zastosowanie do odzyskiwania surowców ze ścieków przemysłowych. Zwane są one wówczas łapaczami i instalowane są zazwyczaj na poszczególnych oddziałach produkcyjnych.

Osadniki służą do usuwania ze ścieków zawiesin łatwo opadających nie zatrzymanych w piaskowniku. Drugą istotną funkcją osadników jest zatrzymywanie substancji lżejszych od wody, które nie zostały oddzielone w odtłuszczaczu. Osadniki są to odkryte zbiorniki, w których zawiesiny opadają pod wpływem własnego ciężaru. Sprawność osadników mierzy się stopniem usuwania zawiesin łatwo opadających (2 h w leju Imhoffa). Czas przebywania ścieków w osadniku wynosi od 1,5 do 2,5 h, aby nie nastąpiło zagnicie ścieków, jednak im dłuższy jest czas zatrzymania tym lepsze wyniki. Parametry do projektowania osadników dobiera się doświadczalnie w warunkach laboratoryjnych. Osadniki dzieli się na: wstępne (przyjmują ścieki nieoczyszczone lub po mechanicznym oczyszczaniu) i wtórne (po urządzeniach do biologicznego lub chemicznego oczyszczania). Mogą one pracować w sposób ciągły lub okresowo, ze względu na kształt mogą być prostokątne i kołowe, poziome lub pionowe, z ręcznym bądź mechanicznym, hydraulicznym usuwaniem osadu, zespolone z komorą fermentacyjną, stawy. Należy dbać o równomierny przepływ ścieków. Sprawność podnosimy poprzez wprowadzenie koagulantów.

Oczyszczanie biologiczne

Ścieki bytowe oczyszcza się w sposób biologiczny. Proces ten mógłby zachodzić samoczynnie w jeziorach, rzekach (tu łatwiej), gdyby było mniej ludzi. Ponieważ jest nas bardzo dużo, a dodatkowo tworzymy często olbrzymie skupienia należy budować oczyszczalnie, które podołają ilości wytworzonych przez człowieka zanieczyszczeń.

Oczyszczanie biologiczne polega na wykorzystaniu zespołu bakterii, grzybów, pierwotniaków, którym stwarza się doskonałe warunki do rozwoju i rozmnażania się. Rozwijające się organizmy rozkładają jednocześnie materię organiczną, zawartą w ściekach, do substancji nieorganicznych, np. CO₂, H₂O, azotanów i fosforanów. Warunkiem niezbędnym jest stały dostęp tlenu (w niektórych przypadkach procesy przebiegają w warunkach beztlenowych) oraz zapewnieni stałego podłoża dla rozwijających się organizmów. Organizmy tworzą na powierzchni czegoś twardego, np. warstwy kamieni tłuczonych, kilkumilimetrową błonę biologiczną. Procesy tlenowe zachodzą na wolnej powierzchni błony, beztlenowe w głębi, przy dnie podłoża. Jeżeli ścieki są stale, starannie mieszane, powstaje w nich błona biologiczna w postaci luźnych kłaczków, bez stałego podłoża. Te kłaczki nazywamy osadem czynnym.

Część materii organicznej ze ścieków zostaje rozłożona do związków nieorganicznych, część wbudowana w ciała organizmów, wykorzystywanych do oczyszczania, część, razem ze szczątkami mikroorganizmów z błony biologicznej, tworzy osad organiczny. Ma on w sobie jeszcze chorobotwórcze bakterie, jaja pasożytów, wirusy. Osad poddaje się kolejnej fermentacji bakteryjnej. Temperatura podnosi się wówczas do 50⁰C i zabija wszystkie niepożądane organizmy. Po tych zabiegach osad jest bardzo oporny na dalszy rozkład, przypomina trochę próchnicę i może być wykorzystany jako doskonały nawóz organiczny. Nie może jednak zawierać nawet najmniejszej ilości metali ciężkich.

Woda ponad osadem jest nadal nadmiernie żyzna (choć nic w niej nie gnije i nie zużywa tlenu), ponieważ zawiera wiele biogenów, głównie związków azotu i fosforu. Dlatego należy jeszcze wodę oczyścić z nadmiaru związków mineralnych. Np. można przepuszczać wodę przez szereg płytkich stawów, w których glony będą wiązać substancje mineralne. Zakwity glonów w każdym kolejnym stawie będą coraz mniejsze. W dalszych stawach można hodować nawet ryby. Woda, która opuści ostatni staw jest już czysta. Stawy takie spełniają swoją rolę wiosną i latem, słabo natomiast jesienią, a zimą w ogóle nie działają. Nadmiernie żyzną wodę można puścić wąskim i płytkim rowem melioracyjnym, wijącym się przez plantacją wikliny. Sposób ten nie działa również zimą.

Można wspomagać zdolności samooczyszczania naturalnych zbiorników wodnych przez wprowadzenie przestrzennych konstrukcji, przypominających kratki z cienkich płytek plastikowych, aby mogły osadzać się na nich glony. Im więcej glonów osiadłych rozwinie się na tych konstrukcjach, tym więcej biogenów zostanie wyłapanych z wody.

Oczyszczanie chemiczne to dość kosztowny proces chemiczny usuwania związków nieorganicznych, głównie fosforanów i azotanów, przy użyciu metod adsorpcyjnych, wymiany jonowej, denitryfikacji lub innych.

CO₂ N₂

CH₄ NH₃ H₂S

NO₃ Woda częściowo

CH₄, CO₂, NH₄⁺, H₂S_, SO₄^2-, P₂O₃^2- oczyszczona,

materia organiczna nadmiernie żyzna

C, H, O, N, S, P

biomasa bakteryjna

osad

OCZYSZCZALNIA

Rys. 1 Schemat działania biologicznego oczyszczania ścieków

Oczyszczanie chemiczne - ścieki przemysłowe

Ścieki przemysłowe zawierają często silne substancje chemiczne, toksyczne również dla bakterii, pierwotniaków i grzybów, wykorzystywanych podczas oczyszczania ścieków komunalnych. Dlatego połączenie ścieków bytowych i przemysłowych może okazać się szkodliwe dla oczyszczania obu rodzajów ścieków. Ścieki przemysłowe, które wymagają oczyszczania chemicznego powinny być traktowane indywidualnie. Do każdego zakładu przemysłowego i jego szczególnych ścieków potrzebny jest indywidualny proces oczyszczania. W przypadku niektórych skażeń wiele zalet ma metoda zamkniętego obiegu wody. Bywają przypadki, kiedy do oczyszczenia wody do stanu możliwego do wypuszczenia do rzeki lub jeziora, potrzeba np. 5 kolejnych etapów kosztownego oczyszczania. Gdyby zakład przemysłowy stosował metodę zamkniętego obiegu wody, mogłoby się okazać, że zdatna do procesów technologicznych, właściwych w tym zakładzie, byłaby już woda np. po 3 kolejnych stopniach oczyszczenia chemicznego.

Do oczyszczenia ścieków przemysłowych, zawierających agresywne związki chemiczne, wykorzystuje się równie agresywnych substancji, aby je unieszkodliwić.

Np. ścieki z galwanizerni (zakłady, w których pokrywa się elektronicznie metal warstewka ochronna innego metalu) zawierają cyjanki. Oczyszczanie polega na utlenianiu cyjanków chlorem lub podchlorynem sodowym do CO₂ i wolnego azotu lub amoniaku. Środowisko reakcji jest bardzo zasadowe - optimum pH 11.

Silnie alkaliczne ścieki, np. z przemysłu włókienniczego, należy zobojętnić kwasem siarkowym. W zakładach celulozowo - papierniczych, które używają chloru do bielenia, ścieki mają pH 3,1 i dużo chloru. Do ich zobojętnienia używa się mleka wapiennego. Do niektórych kwaśnych ścieków dodaje się niekiedy naturalnych skał, np. dolomitu, wapienia lub otrzymane wapienia wapno palone, czyli tlenek wapnia, lub wapno gaszone, czyli wodorotlenek wapnia.

Metale ciężkie (kadm, ołów, cynk, miedź) można wytrącić ze ścieków, przeprowadzając je w związki trudno rozpuszczalne. Np. dodanie do ścieków węglanu sodowego albo węglanu wapnia powoduje powstanie trudno rozpuszczalnych węglanów miedzi, ołowiu.

Przemysł spożywczy zawiera głównie materię organiczną i nie powinien, przy zachowaniu właściwej technologii, zawierać żadnych substancji toksycznych. Ścieki takie można oczyszczać tak, jak ścieki bytowe.

Odnowa wody to uzdatnianie i dezynfekcja, końcowe procesy prowadzące do przywrócenia oczyszczonej wodzie wartości użytkowych. Polega ona głównie na usunięciu jonów żelaza i manganu, przepuszczeniu wody przez złoża węgla aktywnego, w celu usunięcia mikroorganizmów, zmiękczeniu wody (wymiana jonów wapnia na jony sodu w tak zwanych wymieniaczach jonowych), destylowaniu, dezynfekcji przez napromieniowanie, ozonowanie, chlorowanie lub inne.

Pięciodniowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu - BZT₅ , jest to ilość tlenu wyrażona w mgO2/l, która zużywana jest w danym okresie obserwacji, na utlenienie związków organicznych na drodze biochemicznej w warunkach aerobowych, w temp. 200 C. Ostatecznym produktem tej przemiany jest głównie CO2 i woda. Część związków organicznych ulega syntezie na nowe komórki bakteryjne, które z kolei ulegają rozkładowi tlenowemu. Proces biochemicznego utleniania przebiega w dwóch stadiach. Pierwsze obejmuje rozkład związków węgla, nie zawierających azotu, w drugim zaś utleniane są związki azotowe do azotynów i azotanów.

Chemiczne zapotrzebowanie tlenu - ChZT, jest to ilość utleniacza potrzebna na utlenienie składników zawartych w ściekach w ściśle określonych warunkach - przeliczona na równoważną ilość tlenu wyrażona w mgO2/l. Utleniaczami do oznaczania ChZT są: nadmanganian potasu (utlenialność), dichromian potasu i jodan potasu.

Ogólny węgiel organiczny jest najważniejszym wskaźnikiem zawartości składników organicznych w ściekach. W rutynowej analizie. Zawartość OWO oznacza się zwykle po spaleniu substancji organicznych do CO2, który następnie oznacza się metodą miareczkowania. Im bardziej rozłożone są związki organiczne w ściekach, tym mniejszy jest stosunek BZT5/OWO i ChZT/OWO.

W praktyce eksploatacyjnej korzysta się z następujących zależności: a) dla ścieków surowych: BZT5/OWO= 1,8 do 2,5 ChZT/OWO = 2,5 do 4,0; ChZT/BZT5 < 2 ścieki łatwo biodegradowalnych; ChZT/BZT5 >2 ścieki trudno biodegradowalne

b) dla ścieków oczyszczonych: BZT5/OWO = 0,5 do 1,0 ChZT/OWO = 1,0 do 2,0 Azot całkowity = azot ogólny + azot azotanowy + azot azotynowy Azot ogólny = azot organiczny +azot amonowy= azot Kjeidhala Fosfor ogólny = ortofosforany + polifosforany + fosfor organiczny (związany)

Oprócz podanych oznaczeń w ściekach określa się: pH, chlorki, siarczki, siarczyny, związki azotowe, wapń, magnez, fosfor, potas. Odrębne zagadnienie stanowi oznaczenie organizmów żywych a w szczególności bakterii chorobotwórczych i wirusów.

1

PWSZ; Zajęci praktyczne z ekologii i ochrony środowiska - rok III, KZT

Ścieki miejskie i ich oczyszczanie

Opracowała: mgr Małgorzata Maj

---