ROZPORZĄDZENIE MINISTRA OCHRONY ŚRODOWISKA, ZASOBÓW NATURALNYCH I LEŚNICTWA z dnia 5 listopada 1991 r. w sprawie klasyfikacji wód oraz warunków, jakim powinny odpowiadać ścieki wprowadzane do wód lub do ziemi.^* (Dz. U. z dnia 16 grudnia 1991 r.) podaje wartości fosforu (1 mgP/l) i azotu ogólnego (30 mgN_og/l) w odprowadzanych ściekach.

1. Biologiczne metody usuwania azotu i fosforu.

1. Zasada biologicznego usuwania fosforu.

W klasycznym osadzie czynnym bakterie pobierają pewne, niezbędne w procesie rozwoju ilości fosforu ze ścieków. Stężenie fosforu w przeliczeniu na suchą masę bakterii wynosi ok. 2%. Usuwanie nadmiernego osadu powoduje więc usunięcie pewnej ilości fosforu ze ścieków.

Odkrycie bakterii posiadających zdolność gromadzenia w organizmie zwiększonych ilości fosforu oraz poznanie warunków koniecznych dla ich przeżycia i rozwoju stanowiły podstawę do opracowania metody biologicznego usuwania fosforu. Bakterie te często nazywa się bakteriami kumulującymi fosfor.

Istota metody polega na poddawaniu osadu czynnego naprzemiennie warunkom beztlenowym i tlenowym. Dodatkowo musi być spełnionych kila warunków:

• Do strefy beztlenowej muszą dopływać w ściekach produkty fermentacji. Można to uzyskać przez doprowadzenie ścieków bogatych w produkty fermentacji tzw. kwasy lotne LKT (np. ścieków zagniłych lub cieczy nadosadowej z komór fermentacji) lub przez odpowiednio długi czas przetrzymania w komorze beztlenowej by zaszła fermentacja.

• Niekorzystne jest występowanie w strefie beztlenowej azotanów. Dominują wtedy bakterie denitryfikacyjne, a zużywając produkty fermentacji uniemożliwiają rozwijanie się bakterii fosforowych.

W strefie beztlenowej bakterie fosforowe uwalniają zmagazynowany w komórkach fosfor. Jest to reakcja, podczas której wydziela się energia. Uwolniony fosfor przenika do ścieków w postaci rozpuszczalnych ortofosforanów. W tej strefie bakterie pobierają pokarm: produkty kwaśnej fermentacji (głównie octany), które są następnie , za pomocą uzyskanej energii, przekształcane w złożone związki organiczne i magazynowane w komórkach. Jest to ważna cecha bakterii fosforowych umożliwiająca im przeżycie, gdyż większość bakterii osadu czynnego nie potrafi pobierać materii organicznej w warunkach beztlenowych.

W strefie tlenowej, gdzie istnieje silna rywalizacja o pokarm, bakterie fosforowe korzystają z wcześniej zgromadzonych zapasów. W tej strefie następuje synteza nowych komórek oraz pobór rozpuszczonego fosforu (ortofosforu) ze ścieków.

Rysunek 1 Zasada biologicznego usuwania fosforu ze ścieków.

Następnie ścieki przepływają do osadnika wtórnego, gdzie osad sedymentuje, a sklarowane ścieki pozbawione fosforu odprowadzane są do odbiornika.

Wpływ osadnika wtórnego. Przy eksploatacji osadnika wtórnego należy zwrócić szczególną uwagę na dwa niebezpieczeństwa mogące wpłynąć negatywnie na rezultaty usuwania fosforu:

• Zbyt długie przetrzymanie osadu w leju osadowym może doprowadzić do powstania tam warunków beztlenowych i rozpoczęcia procesu uwalniania fosforu z powrotem do oczyszczonych ścieków,

• Przeciążenie lub zła praca osadnika może spowodować przedostawanie się nadmiernej ilości zawiesin do odpływu. Ponieważ osad zawiera dużo wzbogaconego w komórki fosforu, nawet niewielkie ilości kłaczków wyraźnie psują jakość odpływu. Przyjmuje się, że przy biologicznym usuwaniu fosforu końcowa ilość zawiesin nie powinna przekraczać 15 mg s.m./l. Stosując końcową filtrację ścieków można oczywiście całkowicie wyeliminować wpływ zawiesiny na stężenie fosforu odprowadzanego do odbiornika, ale wiąże się to z rozbudową układu i dodatkowymi kosztami.

1. Zasada biologicznego usuwania azotu.

Azot w ściekach miejskich występuje głównie w formie organicznej i amonowej. Biologiczne metody usuwania azotu ze ścieków wykorzystują procesy nitryfikacji i denitryfikacji.

Przemiany form azotu w ściekach poddanych biologicznemu usuwaniu azotu:

• Dopływ ścieków zawierających azot w formie organicznej i amonowej.

• Rozkład azotu organicznego do postaci amonowej (proces amonifikacji).

• Przemiana azotu amonowego w azotyny, a następnie azotany (proces nitryfikacji).

• Przemiana azotanów w azot gazowy i utlenienie się do atmosfery (proces denitryfikacji).

• Odpływ ścieków pozbawionych azotu.

Nitryfikacja. Jest to proces przemiany azotu amonowego w azotany. Pierwszy etap prowadzony jest przez bakterie Nitorosomonas przekształcające azot amonowy do azotynów. W drugim etapie bakterie Nitrobacter utleniają azotyny do azotanów. Drugi etap zachodzi znacznie szybciej. Z tego powodu azotyny na ogół nie występują w ściekach oczyszczonych.

O efektywności procesu nitryfikacji decyduje wiele czynników. Najważniejsze z nich to:

• Temperatura,

• pH,

• stężenie azotu w dopływie,

• tlen rozpuszczony,

• substancje toksyczne.

Proces nitryfikacji przebiega optymalnie przy temperaturze powyżej 20^oC. W miarę spadku temperatury intensywność procesu się zmniejsza, a poniżej 5^oC nitryfikacja praktycznie ustaje. Optymalne pH wynosi 7,5-8,5. Stężenie tlenu rozpuszczonego w komorze napowietrzania powinno wynosić nie mniej niż 2mgO₂/l . Przy spadku poniżej 1mgO₂/l nitryfikacja przebiega wyraźnie wolniej, natomiast zwiększenie stężenie tlenu powyżej 2 nie daje zwiększenia wydajności procesu. Zilustrowano to na rys. nr2.

Rysunek 2 Krzywa wzrostu bakterii nitryfikujących i denitryfikujących w zależności od stężenia tlenu.


Bakterie nitryfikacyjne są wrażliwe na substancje toksyczne. Zwiększenie w dopływie np. metali ciężkich może wpłynąć na zahamowanie procesu i pogorszenie jakości ścieków oczyszczonych.

Denitryfikacja. W warunkach beztlenowych wiele bakterii potrafi wykorzystać azotany występujące w ściekach jako źródło tlenu niezbędnego im do procesów życiowych. Jako pokarm używają one związków organicznych znajdujących się w ściekach. Tlen zawarty w azotanach jest zużywany przez bakterie, natomiast azot przekształcony w postać gazową uwalniany jest do atmosfery.

Denitryfikacja przebiega najsprawniej przy zachowaniu kilku warunków:

• W ściekach muszą znajdować się azotany i związki węgla.

• pH powinno zawierać się w przedziale 6,5-7,5.

• Zawartość tlenu rozpuszczonego w komorze denitryfikacji powinna być jak najmniejsza. Nie może ona przekraczać 0,5mgO₂/l, gdyż wtedy bakterie denitryfikacyjne używają tlenu a nie azotanów do utlenienia związków węgla (rys. 2).

• Optymalna temperatura procesu wynosi 20^oC. Przy obniżeniu jej do 5^oC proces denitryfikacji przebiega bardzo powoli.

Gdy jeden lub więcej wymienionych warunków optymalnych nie jest dotrzymany, proces denitryfikacji przebiega z mniejszą sprawnością.

2. Chemiczne usuwanie fosforu.

Chemiczne strącanie fosforu może być dobrym ( choć kosztownym) doraźnym rozwiązaniem dla istniejących klasycznych oczyszczalni w celu osiągnięcia wymaganego stopnia usunięcia fosforu. Pozwala osiągnąć bardzo dobre efekty (90% redukcji) przy jednoczesnych niewielkich kosztach inwestycyjnych związanych z przebudową oczyszczalni. Należy jednak podkreślić, że tanie inwestycyjnie jest strącanie w istniejącym reaktorze biologicznym (tzw. strącanie symultaniczne), natomiast wydzielone strącanie chemiczne, gdzie trzeba dobudować komorę i osadnik, jest zarówno drogie inwestycyjnie, jak i potem eksploatacyjnie, bo powstaje dodatkowy osad chemiczny.

Chemiczne usuwanie fosforu polega na dodaniu do ścieków koagulantu: soli glinu lub soli żelaza, lub wapna. W procesie koagulacji fosfor rozpuszczony w ściekach zostaje przekształcony w formy nierozpuszczalne, a następnie usuwany poprzez sedymentację. Wolne mieszanie ścieków i powstawanie dużych kłaczków znacznie przyśpieszają proces i zwiększają efekt usuwania fosforu.

1. Miejsce dawkowania reagentów.

Ze względu na miejsce dawkowania reagentów można wyróżnić trzy metody prowadzenia procesu:

• Strącanie wstępne - reagenty dawkuje się do ścieków surowych. Powstające kłaczki są usuwane w osadniku. Metoda ta oprócz usuwania fosforu powoduje zwiększone usunięcie BZT₅ i zawiesin w procesie oczyszczania wstępnego.

Rysunek 3 Strącanie wstępne.

• 
  Strącanie symultaniczne - reagenty dawkuje się do komory osadu czynnego lub bezpośrednio przed nią. Metoda daje lepszy efekt usuwania fosforu niż strącanie wstępne.

Rysunek 4 Strącanie symultaniczne.




• Strącanie wtórne - do strącania fosforu buduje się oddzielną komorę reakcji i osadnik, do których doprowadza się ścieki oczyszczone biologicznie. Ten sposób zapewnia najlepsze efekty usuwania fosforu, jednak ze względu na wysokie koszty inwestycyjne (konieczność budowy dodatkowych urządzeń).

Rysunek 5 Strącanie wtórne.

1. 
   Zalety i wady chemicznego strącania fosforu.

1. Strącanie solami glinu i żelaza.

Zalety:

• Metoda prosta i łatwa w eksploatacji,

• Niskie koszty inwestycyjne przy modernizacji istniejących oczyszczalni w przypadku strącania symultanicznego,

• Stężenie fosforu w oczyszczonych ściekach zależy od wielkości dawki reagentów,

• Poprawienie własności sedymentacyjnych osadu,

• Strącanie wstępne zmniejsza ładunek BZT₅ wprowadzany do części biologicznego o ok. 25%.

Wady:

• Większe koszty eksploatacyjne niż przy metodzie biologicznej,

• Koszty reagentów chemicznych, a więc eksploatacji, z roku na rok wzrasta,

• Zwiększenie zasolenia oczyszczonych ścieków,

• Korozja,

• Większa ilość powstającego osadu niż przy metodach biologicznych,

• Osad przeważnie gorzej się odwadnia niż osad tylko biologiczny.

1. Strącanie wapnem.

Zalety:

• Dawka wapna na podstawie pH ścieków,

• Niezależność dawki od wahań stężenia fosforu w dopływie,

• Usuwanie również metali ciężkich,

• Dawkowanie wstępne zmniejsza ładunek BZT₅ ścieków dopływających do części biologicznej,

• W systemie dużej dawki osiąga się bardzo dużą redukcję fosforu,

Wady:

• Znacznie większa ilość osadu niż przy strącaniu solami Al. i Fe,

• Bardzo wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne,

• Znacznie bardziej skomplikowany i kłopotliwy w obsłudze układ niż przy stosowaniu solami glinu i żelaza,

• Wapno nie nadaje się do strącania symultanicznego.

Spis treści.

Spis rysunków.

7

Usuwanie biogenów

---