Biologiczne metody oczyszczania ścieków

Ścieki-informacje wstępne

Ścieki są 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.

W Polsce, mimo dużego postępu w tej dziedzinie, nie wszystkie ścieki poddawane są procesowi oczyszczania, co doprowadziło do zatrucia większości naturalnych cieków wodnych, czyniąc z nich na niektórych odcinkach martwe, pozaklasowe kanały ściekowe. W chwili obecnej coraz większa liczba zakładów chemicznych zmuszana jest do racjonalizacji gospodarki wodą, polegającej przede wszystkim na stosowaniu zamkniętych obiegów wody, co powoduje stosowanie nowych, skutecznych metod oczyszczania własnych ścieków, tak by mogły się stać one źródłem wody wykorzystywanej w celach przemysłowych.

Klasyfikacja ścieków

Ścieki przemysłowe powstają w trakcie procesów technologicznych wielu rodzajów przemysłu. Aby ocenić ich szkodliwość trzeba znać nie tylko skład ich ogólnego odpływu
z całego zakładu przemysłowego, lecz także skład strumieni wypływających
z poszczególnych działów produkcji. Istotnym parametrem jest ilość ścieków przypadająca na jednostkę produktu wytwarzanego w danym dziale lub zakładzie. Znajomość parametrów ilościowych i jakościowych ścieków pozwala na oszacowanie koniecznego stopnia oczyszczenia, przy którym ich odprowadzenie do naturalnego odbiornika nie spowoduje pogorszenia klasy czystości wody. Sytuacją pożądaną jest uzyskanie lepszej czystości ścieków niż czystość wody w odbiorniku. Z drugiej strony rachunek ekonomiczny określa optimum, które należy przyjąć, aby nie powiększać nadmiernie kosztów własnych zakładu
i cenę produktu uczynić konkurencyjną w stosunku do cen światowych. Problem ścieków występuje szczególnie ostro w koksowniach, zakładach petrochemicznych, garbarniach, celulozowniach, mleczarniach i cukrowniach. Ich nieoczyszczone ścieki stanowią duże zagrożenie dla odbiorników naturalnych.

Do najczęściej występujących organicznych składników ścieków zalicza się: białka, węglowodany, tłuszcze, oleje, żywice, barwniki, fenole, produkty naftowe, detergenty, pestycydy itp. Składnikami nieorganicznymi są zasady, kwasy nieorganiczne, metale ciężkie (ołów, miedź, rtęć, cynk, kadm, chrom),a także arsen, chlor, siarkowodór, jony siarczanowe, chlorkowe, azotanowe, fosforanowe, węglanowe, amonowe itd. Różnorodne związki organiczne i nieorganiczne nadają ściekom określone cechy fizyczne takie jak mętność, barwa, zapach, zawiesiny. Pienienie się ścieków jest spowodowane występowaniem w nich substancji powierzchniowo czynnych, powodujących zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody. Należą do nich detergenty, mydła i saponiny. Ścieki przemysłowe 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.

Metody oczyszczania ścieków

W procesach oczyszczania ścieków stosuje się metody mechaniczne, chemiczne, biologiczne, mieszane i dezynfekcję. W zależności od rodzaju ścieków proces oczyszczania powinien być tak pomyślany, aby przy minimalnym nakładzie kosztów uzyskiwać najwyższy możliwy stopień oczyszczenia. W tym celu stosuje się jedną lub kilka z wymienionych metod oczyszczania.

• Metody mechaniczne

 

Polegają one na usunięciu grubszych zawiesin organicznych i mineralnych oraz ciał pływających. Usuwa się je za pomocą krat, sit, piaskowników, tłuszczowników oraz osadników różnego typu. Kraty i sita są mechanicznymi przegrodami ustawionymi na drodze spływu ścieków. Osadzające się na nich zanieczyszczenia, zwane skratkami, usuwa się okresowo ręcznie lub mechanicznie. Następnie poddaje się je procesom kompostowania lub po rozdrobnieniu w dezintegratorach zawraca się do obiegu. Kraty zatrzymują grubsze frakcje zanieczyszczeń, sita - drobniejsze (ok. 5 mm). Drobniejsze frakcje nadają się do przeróbki
w komorach fermentacyjnych lub biotermicznych. Produktem jest tzw. biogaz oraz przefermentowany osad, nadający się do użycia jako nawóz.

Rys. Mechaniczne urządzenia do podczyszczenia ścieków (www.chem.uw.edu.pl)

• Metody chemiczne

  Do oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających chemiczne związki organiczne, metale ciężkie itp. stosuje się metody fizyko-chemiczne jak i chemiczne. Zalicza się do nich koagulację, neutralizację, ekstrakcję, sorpcję, elektrolizę i destylację.
W zależności od składu ścieków można prowadzić oczyszczanie jedną lub kilkoma
z podanych metod.

• Metody biologiczne

Wykorzystanie procesów biochemicznych i częściowo fizycznych do oczyszczania ścieków pozwala uzyskać dalsze obniżenie ładunku substancji organicznych. Stosuje się je zwykle jako kolejny stopień oczyszczania w przypadku, gdy metody zastosowane wcześniej nie zapewniają odpowiedniej klasy czystości wody zrzucanej do odbiorników. Oczyszczanie biologiczne przebiega zarówno w warunkach tlenowych, niedotlenionych jak i beztlenowych
i polega na utlenianiu oraz mineralizacji związków organicznych zawartych w ściekach przy udziale mikro i makroorganizmów. Mikroorganizmy te zużywają związki zawarte w ściekach jako pokarm i podstawę przemiany materii. Zasada oczyszczania jest taka sama, jak
w przypadku naturalnego samooczyszczania się zbiorników wodnych. Różnica polega na stworzeniu optymalnych warunków przebiegu procesu (obecność tlenu, pożywki, mieszanie mechaniczne, temperatura, pH itp.), które zwiększają szybkość i skuteczność procesu. Metody biologiczne dzieli się na naturalne i sztuczne. Do naturalnych zlicza się metodę pól irygacyjnych i pól filtracyjnych. Do sztucznych zalicza się metodę złoża spłukiwanego
i osadu czynnego.

We wszystkich metodach biologicznego oczyszczania ścieków zachodzą następujące procesy:

• rozkład substancji organicznych do CO₂, H₂O i NH₃

• nitryfikacja, czyli utlenienie NH₃ za pomocą bakterii Nitrosomonas do azotynów,
  a następnie za pomocą bakterii Nitrobacter do azotanow,

• denitryfikacja, czyli przemiana azotanów do postaci azotu gazowego - N₂

Do metod biologicznych należą:

Metoda osadu czynnego

Oczyszczanie ścieków za pomocą osadu czynnego polega na wytworzeniu w objętości ścieków kłaczków o wymiarze
o bardzo silnie rozwiniętej powierzchni. Kłaczki zbudowane są z mineralnego jądra koloru brązowego lub beżowego, a na powierzchni
w śluzowej otoczce zawierają liczne bakterie z grupy heterotrofów takich jak Acinetebacterium, Pseudomonas, Zoogloea, Enterobactericeae, Aeromonas, Flavobacterium, Achromobacter i Micrococus. Zanieczyszczenia organiczne są absorbowane na powierzchni kłaczków i mineralizowane na skutek procesów metabolizmu zachodzących
w mikroorganizmach. Aby zapewnić prawidłowy przebieg procesu kłaczki powinny być równomiernie unoszone w masie ścieków przepływającej przez komorę napowietrzania. Metoda osadu czynnego wymaga doprowadzenia tlenu jako substratu bioutleniania zanieczyszczeń organicznych. Aby zagwarantować bakteriom warunki tlenowe, stężenie tlenu rozpuszczonego w ściekach  powinno wynosić > 0,5 mg/dm³.

Proces ten może być również stosowany do usuwania ze ścieków amoniaku, siarkowodoru i innych gazów w nich rozpuszczonych. Aktywizują się wówczas bakterie
z grupy autotrofów, takie jak Nitrosomonas, Nitrosococcus i Nitrobacter oraz Beggiatoa, Thiotrix, Thioploca i Thiobacillus thioparus.

Powstawanie osadu czynnego w komorze napowietrzania wymaga czasu. Aby czas ten skrócić można stosować szczepienie osadu przez dodanie pewnej jego ilości ze ścieków wcześniej oczyszczonych. Stałe utrzymanie kłaczków w stanie zawieszonym wymaga intensywnego mieszania zawartości reaktora. Stosuje się różne metody od mieszania mechanicznego po dysze napowietrzające, które łączą w działaniu funkcję mieszadeł
i aeratorów (turbin napowietrzających), a także jedne i drugie razem. Proces mieszania
i napowietrzania jest energochłonny. Nowoczesne konstrukcje mieszadeł i aeratorów poprzez odpowiednie dobranie kształtów łopat i dysz zapewniają skuteczność operacji przy optymalnym zużyciu energii elektrycznej.

Po zakończeniu procesu napowietrzania ścieki kierowane są do osadnika wtórnego, gdzie następuje oddzielenie osadu czynnego od cieczy. Nadmiarowy osad poddawany jest odwodnieniu i suszeniu, ciecz zrzucana do odbiorników jakimi mogą być np. stawy rybne,
a następnie odprowadzana do cieków naturalnych. Stawy rybne stanowią również element kontroli jakości odprowadzanej wody. Mogą być też traktowane jako zbiorniki buforowe
w przypadku awarii urządzeń oczyszczających. Woda w stawach ulega dalszemu samooczyszczeniu. Zaletą oczyszczania za pomocą osadu czynnego jest duża skuteczność przy niewielkim zapotrzebowaniu na teren (BZT5 i zawiesiny do 95%, bakterie chorobotwórcze do 98%). Wadą - wrażliwość mikroorganizmów na związki toksyczne i inne czynniki wpływające na ich rozwój.

Sztuczne złoże biologiczne

Sztuczne złoże biologiczne składa się z rusztu, na którym ułożona została warstwa kruszywa, koksu, żużla, tufów wulkanicznych, kamienia, gruzu ceglanego itp. Od dołu, przez ruszt złoże jest napowietrzane sprężonym powietrzem, od góry zaś zraszane ściekami. Zraszanie realizowane jest systemem przelewów, młynkami Segnera  itp. Istotne jest równomierne rozrzucenie cieczy na całą powierzchnię złoża. Procesy zachodzące na powierzchni wypełnienia złoża są podobne do procesów na powierzchni gleby pól irygacyjnych. Tworzy się błona biologiczna, w skład której wchodzą mikroorganizmy roślinne i zwierzęce. Ich działanie polega na utlenieniu i mineralizacji substancji zawartych w ściekach. Złoże po zbudowaniu nie jest aktywne. Jego dojrzewanie trwa kilka tygodni. Złoża zraszane mają grubość 1,5...3 m. Swoją aktywność utrzymują do temperatury 6 st. C. Poniżej aktywność złoża zanika. Ich praca charakteryzuje się wysokim stopniem oczyszczania. BZT5 do 95%, zawiesiny do 92%, bakterie chorobotwórcze do 95%. Wysoka skuteczność oczyszczania jest okupiona stosunkowo niewysoką wydajnością.

OCZYSZCZALNIE HYDROBOTANICZNE

Przez lata ścieki były oczyszczane mechanicznie i chemicznie na rozbudowanych urządzeniach, wchodzących w skład oczyszczalni ścieków. Oczyszczalnie stosujące biologiczny etap oczyszczania ścieków wykorzystują te same szczepy bakterii, które powodują oczyszczanie wody w warunkach naturalnych.

Coraz częściej stosowaną alternatywną metodą oczyszczania ścieków zwłaszcza bytowo-gospodarczych są oczyszczalnie hydrobotaniczne. Mogą one mieć różne rozwiązania techniczne oraz projektowe, jak również można zastosować w nich różne gatunki roślin, jednak ogólna zasada działania jest taka sama.

Wkład finansowy potrzebny jest głównie na ich założenie, natomiast funkcjonowanie polega, w dużym stopniu na wykorzystaniu energii słonecznej, co w dobie powtarzających się kryzysów energetycznych nie jest bez znaczenia. Zbiorowiska roślinne mogą słu­żyć zarówno do oczyszczania ścieków surowych jak i do wspomagania pracy oczysz­czalni lub też do obsługi małych wsi, osiedli, farm, niewielkich zakładów produkcyjnych.

Hydrobotaniczna metoda oczyszczania polega na przepuszczaniu ścieków przez stawy laguny, rowy, kanały, rozlewiska porośnięte roślinnością. Parametry techniczne odbiornika takie, jak: rodzaj, wielkość, kształt, głębokość, typ, dna, tem­po przepływu ścieków czy wspomaganie przez dodatkowe odstojniki bez roślin­ności, okresowe lub stałe napowietrzanie - powinny być określane dla każdej lo­kalnej sytuacji. Zależą one bowiem od wielu czynników, m.in. od ilości, stężenia i składu chemicznego ścieków oraz od wielkości terenu możliwego do wykorzys­tania. Od powyższych czynników zależy także dobór gatunków makrofitów.

Oczyszczanie następuje dzięki organizmom żyjącym w glebie i na łodygach roślin tworzących tzw. błonę biologiczną. Polega to na po­chłonięciu poprzez utlenienie pokarmu roślinnego w metabolizmie roślin i prze­tworzeniu go przez rośliny na biomasę, która okresowo będzie usuwana. Istotną rzeczą jest zwrócenie uwagi na fakt, czy zanieczyszczenia po wchłonięciu i prze­tworzeniu przez rośliny nie przejdą w formy bardziej szkodliwe dla środowiska, tym samym zwiększając jego zagrożenie po obumarciu roślin, gdy obieg zostanie zamknięty. Aby uniknąć przedostawania się zanieczyszczeń do gleb i wód grun­towych, stosuje się specjalne izolacje.

Rośliny wykorzystywane do filtracji:

• Pałka szerokolistna

• Oczeret jeziorny

• Tatarak zwyczajny

• Manna mielec

• Rzęsa drobna

• Spirodela długoszyjkowa

• Rdestnica kędzierzawa

Najważniejsze cechy decydujące o doborze roślin:

• zdolność rośliny do transportu tlenu do strefy korzeniowej,

• szybki wzrost (jak wiadomo rośliny w okresie rozwoju najintensywniej pobierają substancje mineralne),

• wysoka produkcja dająca w efekcie wysoką biomasę na jednostkę powierzchni,

• szybkie tempo pobierania i wysoka akumulacja różnych pierwiastków,

• łatwość usuwania ze środowiska,

• nieposiadanie zbyt wielu naturalnych szkodników (czasami koszty zwal­czania szkodników są tak wysokie, że w końcowym rachunku ekonomicznym filtry roślinne byłyby droższe od konwencjonalnych metod oczyszczania).

Przy doborze roślinności istotne jest zwrócenie uwagi na fakt, że przy więk­szej różnorodności biologicznej problem ze szkodnikami jest mniejszy. W przy­padku monokultury, jeśli rośliny zostaną zaatakowane przez szkodniki, cała oczyszczalnia hydrobotaniczna może zostać zniszczona. Istotne jest więc tworzenie ekosystemów podobnych do naturalnych, choć i tak z biegiem czasu po stworze­niu sztucznych mokradeł, na drodze naturalnej sukcesji i wypadania roślin mogą powstać monokultury (niekoniecznie całkowite). Należy zwrócić uwagę na bardzo ważny aspekt - przy budowie sztucznych mokradeł powinno się wykorzy­stywać roślinność lokalną.

Efektywność usuwania zanieczyszczeń

Usuwanie zanieczyszczeń w oczyszczalniach hydrobotanicznych zachodzi na drodze połączonego działania szeregu procesów mechanicznych, chemicznych i biologicznych,
a ich efektywność zależy od szeregu czynników.

Najważniejsze z nich to:

• czas zatrzymania ścieków w złożu;

• konstrukcja oczyszczalni;

• skład gatunkowy plantacji roślinnej;

• stężenia poszczególnych zanieczyszczeń w ściekach surowych, odczyn pH ścieków;

• warunki meteorologiczne, przede wszystkim temperatura, w mniejszym stopniu nasłonecznienie i szybkość wiatru;

• wiek plantacji.

Technika oczyszczania:

1. Usuwanie związków azotu.

W strefie korzeniowej oczyszczalni powstaje mozaika ob­szarów o różnym stopniu natlenienia, tworząc warunki do współbytowania sze­regu gatunków mikroorganizmów, zarówno tlenowych, jak i beztlenowych. Działalność tych mikroorganizmów jest główną siłą powodującą usuwanie związ­ków azotu ze ścieków. Poza tym związki azotowe są pobierane przez rośliny, a także usuwane na drodze procesów chemicznych zachodzących w złożu.

Dla usuwania związków azotu największe znaczenie mają procesy nitryfikacji i denitryfikacji tych związków . W ściekach azot występuje głównie w for­mie azotu organicznego oraz jako azot amonowy, w dużo mniejszym stopniu w formie azotanów i azotynów . Azot organiczny jest w złożu mineralizowany do NH4 na drodze amonifikacji. Azot amonowy Nnh4 z kolei ulega nitryfikacji.

Nitryfikacja zachodzi na skutek aktywności dwóch grup bakterii tlenowych:

1. Nitrosomonas, które utleniają azot amonowy do azotynów;

2. Niłrobacter, które utleniają azotyny do azotanów.

Podstawowe czynniki wpływające na intensywność procesów nitryfikacji to:

• temperatura - optymalny zakres to 25-28°C, poniżej 5°C aktywność bakterii Nitrosomonas ustaje, a procesy nitryfikacji ulegają zahamowaniu;

• odczyn - optymalny pomiędzy 7,5 a 9 pH;

• zawartość wolnego amoniaku - wyższa niż 1 g/m³ inhibituje rozwój bakterii Nitrobacter.

Głównymi czynnikami kształtującymi intensywność denitryfikacji są:

• temperatura - optymalna 20°C, poniżej 5°C procesy ustają;

• odczyn - optymalny zakres to 7,5 do 8,5 pH;

• wystarczająca zawartość węgla organicznego (alkohole oraz produkty fermentacji kwaśnej);

• tempo denitryfikacji wzrasta wraz ze wzrostem wskaźnika C:N, dla wartości wskaźnika większych od 5 nie obserwuje się jego dalszego wpływu.

Denitryfikacja jest procesem o podstawowym znaczeniu dla usuwania związków azotu w oczyszczalniach hydrobotanicznych.

2. Usuwanie związków fosforu:

Usuwanie związków fosforu w oczyszczalniach hydrobotanicznych następuje przede wszystkim na skutek procesów chemicznych zachodzących pomiędzy ście­kami a mineralnym wypełnieniem złoża, główne procesy to adsorpcja na ziarnach mineralnych oraz wiązanie chemiczne przez związki żelaza, glinu i wapnia. Dlatego też obecność tych pierwiastków w złożu oraz w przepływającym medium ma zasadnicze znaczenie dla efektywności usuwania fosforu ze ścieków. W niektórych systemach stosuje się również innego rodzaju dodatki wzbogacające złoże
w pierwiastki wspomagające wiązanie fosforu np. opiłki stalowe. Fosfor organiczny
z kolei dobrze sorbuje się na cząstkach gliny, dlatego czasami w prak­tyce stosuje się dodatek gleb ciężkich do złoża, z drugiej strony może to powodo­wać upośledzenie hydrauliki przepływu. Bardzo niewielkie ilości związków fosforu są również usuwane na drodze po­bierania przez makrofity. Jednak proces ten ma marginalne znaczenie dla sumarycz­nego usuwania tego pierwiastka ze ścieków.

3. Usuwanie metali ciężkich:

Usuwanie metali ciężkich ze ścieków odbywa się na drodze kilku procesów, które zachodzą w złożu oczyszczalni równolegle.

Są to:

• fizyczna i chemiczna adsorpcja;

• sorpcja przez organizmy wodne - metale ciężkie są dobrze kumulowane przez praktycznie wszystkie organizmy wodne; ilość metali ciężkich zatrzymanych
  w ten sposób jest sumą metali zgromadzonych na powierzchni tych biosorbentów oraz wchłoniętych do ich wnętrza na drodze energozależnego transportu;

• strącanie lub współstrącanie.

4. Usuwanie zawiesin:

Zawiesiny zarówno organiczne, jak i nieorganiczne są zatrzymywane w złożu oczyszczalni hydrobotanicznej na drodze takich zjawisk, jak osadzanie, filtracja oraz adsorpcja, natomiast ich usuwanie odbywa się głównie na skutek rozkładu przez mikroorganizmy.

5. Usuwanie pasożytów, bakterii, wirusów:

Usuwanie organizmów patogennych następuje głównie na skutek oddziały­wania naturalnego promieniowania UV, a także poprzez wpływ wydzielin niektó­rych roślin wyższych oraz antagonistycznego działania mikroorganizmów bytują­cych w złożu. Organizmy te mogą być również usuwane ze ścieków na drodze filtracji i sedymentacji
w złożu oraz późniejszego obumierania.

Usuwanie organizmów patogennych w oczyszczalniach hydrobotanicznych jest wysokie nawet bez stosowania dodatkowych zabiegów dezynfekujących.

PODSUMOWANIE

Oczyszczalnie hydrobotaniczne wykorzystują naturalną zdolność systemów mokradłowych do oczyszczania wody. Na całym świecie zdobywają coraz większą popularność jako propozycja konkurencyjna dla tradycyjnych technik oczyszcza­nia ścieków, znajdują zastosowanie w warunkach i sytuacjach, w których wykorzystanie starych, tradycyjnych metod jest niemożliwe lub wysoce utrudnione.

Zalety tego typu oczyszczalni:

• duża odporność systemów na zmienne warunki, szczególnie na znaczne wahania ilości dopływających ścieków lub okresowy ich brak

• zdolność przystosowania się mikrobiologii złoża do obecności nowych zanieczyszczeń, jak również do ich usuwania

• odporność na obecność związków toksycznych

• istotne zmniejszanie ilości oczyszczanego medium na drodze ewapotranspiracji

• niższe koszty budowy systemu w porównaniu z tradycyjnymi technologiami oraz tańsza eksploatacja

• nieskomplikowana operacja zmiany rozmiarów oczyszczalni hydrobotanicznej
  (w razie konieczności)

Wady:

• stosunkowo duża powierzchnia terenu potrzebna do założenia oczyszczalni

• możliwość zaatakowania roślin przez szkodniki

Literatura

Inżynieria Środowiska, tom 7 zeszyt 1/2002

Inżynieria Środowiska, tom 8 zeszyt 2/2003

Czuchra K. Hydrobotaniczne oczyszczalnie ścieków Kraków 1997

Bergier T Analiza możliwości oczyszczania odcieków wysypiskowych na sztucznych

Mokradłach Kraków, AGH 2002 (rozprawa doktorska)

Hartmann L. Biologiczne oczyszczanie ścieków Warszawa, Wydawnictwo Instalator

Polski 1992

Internet www.chem.uw.edu.pl

---