OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW
advertisement
OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW MIEJSKICH 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. 1. Rodzaje ścieków miejskich - bytowo-gospodarcze - fekalia - przemysłu miejskiego - opadowe - infiltracyjne, drenażowe (przypadkowe) - nielegalne zrzuty ścieków. Ścieki bytowo-gospodarcze pochodzą z naszych domostw. Zawierają około 60% składników organicznych, można w nich wykryć bakterie chorobotwórcze oraz jaja pasożytów. Oczyszczanie ich nie jest kłopotliwe. 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 miejskie to te zanieczyszczone wody, które płyną siecią kanalizacyjną. W kanalizacji ogólnospławnej będzie to mieszanina ścieków bytowo-gospodarczych, przemysłowych i wód opadowych. Ścieki opadowe powstają z wód deszczowych i śniegu, cechują się znaczną zmiennością składu i ilości. Wody dołowe z kopalń charakteryzują się różnym zasoleniem. 2. Rodzaje kanalizacji - ogólnospławna - rozdzielcza - półrozdzielcza Sieci – sanitarna, deszczowa, ścieki dowożone do oczyszczalni. 3. 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. W państwach uprzemysłowionych jednostkowe zużycie wody przez mieszkańca Q = 120-175 l/Mxd. Z tego 15% przypada na WC, 45% na mycie i kąpiel, 25% na pranie i mycie naczyń, 15% na inne cele. W polskich miastach w latach 1991-92 jednostkowe zużycie wody wynosiło około 200 l/Mxd oraz wykazywało malejącą tendencję. Straty wody w sieci wodociągowej ocenia się na około 30% i więcej, zatem rzeczywiste jednostkowe zużycie wody nie przekracza na ogół 140l/Mxd. Dopływ ścieków miejskich do oczyszczalni nie jest stały w czasie, ale ulega wahaniom. Nierównomierności dopływu ścieków do oczyszczalni są określane na podstawie znajomości nierównomierności godzinowej, dobowej i sezonowej. Wartości współczynników nierównomierności dopływu ścieków są około 20% niższe w stosunku do współczynnika nierównomierności rozbioru wody w mieście, co jest spowodowane retencyjnym działaniem sieci kanalizacyjnej i udziałem wód infiltracyjnych. 4. Klasyfikacja zanieczyszczeń ścieków miejskich - ciała stałe - substancje nieorganiczne - materia organiczna - drobnoustroje. Wszystkie one można określić jako: fizyczne, chemiczne i biologiczne Zanieczyszczenia fizyczne (organoleptyczne) to przede wszystkim: zawiesina, mętność, barwa, zapach, temperatura. Całkowitą ilość zanieczyszczeń zawartych w ściekach określa sucha pozostałość (masa substancji po odparowaniu próbki ścieków i wysuszeniu do stałej wagi w temperaturze 1050C). Jednocześnie określa się: pozostałość po prażeniu (w temp. powyżej 5500C), strata przy prażeniu itp. Wszystko to sprowadza się do określenia zawiesin: ogólnych, mineralnych i lotnych. W tym przypadku rozróżnia się: ogólną ilość zawiesin (określa zawartość składników nierozpuszczalnych, oznacza się je jako pozostałość po odsączeniu ścieków, wysuszoną do stałej wagi w 1050C), zawiesiny mineralne (zważenie pozostałości po wyprażeniu w temperaturze 6000C zawiesin ogólnych), zawiesiny lotne (różnica między zawiesinami ogólnymi a mineralnymi), uznawane są za organiczną część zawiesin ogólnych. Istotnym dla jakości ścieków nie oczyszczonych jest stan ich świeżości. Parametrami określającymi ten stan oprócz zapachu i zawartości tlenu jest zagniwalność i ilość siarkowodoru. Operator musi wielokrotnie w czasie zmiany oglądać ścieki surowe. Zmiana barwy, mętności czy zapachu pomoże wykryć nieoczekiwany zrzut toksycznych zanieczyszczeń. Podwyższona temperatura ścieków przyspiesza procesy rozkładu związków organicznych i powoduje odtlenienie ścieków przyśpieszając tym samym ich zagniwalność. Ścieki miejskie charakteryzują się olbrzymią różnorodnością, chociażby ze względu na różny profil przemysłowy miast. Zanieczyszczenia obecne w ściekach znajdują się w różnym stopniu rozproszenia (zawiesiny, emulsje, koloidy, substancje rozpuszczone), zwykle dzieli się je na: zawiesiny opadające (to te które opadną w ciągu 2h w znormalizowanym leju), nie opadające (dają się oddzielić na filtrze bibułowym lub membranowym), substancje rozpuszczone. Każda z podanych grup może być podzielona na substancje organiczne i nieorganiczne. Szczególną grupę zanieczyszczeń chemicznych refrakcyjnych (w tym trudno biodegradowalne) stanowią związki toksyczne (pierwiastki, substancje, czynniki fizyczne) wywołujące w organizmach roślinnych, zwierzęcych i u człowieka zaburzenia fizjologiczne, uszkodzenia a nawet śmierć. Do groźnych trucizn należą: metale ciężkie: Cd, Hg, Pb, Zn, Cr; pestycydy, WWA, aminy aromatyczne, nitrozoaminy, PCB, dioksyny, THM, substancje promieniotwórcze. Każda z nich ma przynajmniej jedną z cech: rakotwórcze, mutagenne, teratogenne, ulegają bioakumulacji w łańcuchu pokarmowym zwierząt i ludzi. Zanieczyszczenia biogenne (N, P, C) powodują masowy rozwój glonów, które obumierając i ulegając rozkładowi powodują wtórne zanieczyszczenie wód do wystąpienia procesów gnicia włącznie. Zanieczyszczenia biologiczne to ogromna liczba drobnoustrojów głównie wirusów, bakterii, grzybów, a także jaja helmitów (robaków pasożytniczych). Większość z nich należy do typowej flory heterotroficznej żyjącej w przewodzie pokarmowym człowieka i zwierząt. Wśród nich są gatunki chorobotwórcze wywołujące: dur brzuszny, czerwonkę, cholerę, zakażenie żołądkowo - jelitowe, żółtaczkę, gruźlicę, chorobę HeinegoMedina, schorzenia skóry i inne. Postępująca urbanizacja i szybki rozwój przemysłu towarzyszą wzrostowi zapotrzebowania na wodę i zwiększeniu ładunku zanieczyszczeń, co sprawiło, że zaczyna brakować wody czystej w niektórych regionach kraju, stąd problem ochrony wód w naszym kraju jest bardzo ważny. Niezależnie od ścisłego przestrzegania przepisów ilość zanieczyszczeń odprowadzanych ograniczyć można przez: oszczędną gospodarkę wodną w zakładach przemysłowych, zamykanie obiegów wody, oszczędną gospodarkę surowcową, nowe, mało wodochłonne technologie produkcji, które ograniczają ilość ścieków. Określenie typowych składników w ściekach ma na celu przygotowanie sumarycznej charakterystyki zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia chemiczne można podzielić na: rozpuszczone substancje organiczne (białko – do 60%, węglowodany, (do 50%), oleje i tłuszcze (do 10%) oraz rozpuszczone substancje mineralne Ich ilość określamy głównie poprzez oznaczenie BZT, ChZT, OWO. Nie ma typowego składu ścieków miejskich. Każdy obiekt musi kontrolować te parametry, aby dokonać wyboru technologii oczyszczania ścieków. 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. 200C. 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 (przyjmuje się, że jest to równanie I-go rzędu kinetycznego, ze stałą k=0,1). 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 związków organicznych charakteryzuje się różnymi pośrednimi metodami: stratą przy prażeniu suchej pozostałości, utlenialnością, BZT i ChZT, absorbancją w UV. Zawartość OWO oznacza się zwykle po spaleniu substancji organicznych do CO2, który następnie oznacza się np. spektrofotometrycznie w podczerwieni lub metodą miareczkowania. Korelacje pomiędzy wartościami podstawowych wskaźników zanieczyszczeń ścieków są pomocne w praktyce eksploatacyjnej oczyszczalni i pomagają sprawdzić jakość analiz. Wymienione wskaźniki zawartości związków organicznych w ściekach socjalno-bytowych nie zawierających substancji toksycznych korelują miedzy sobą. 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/BZT5 <2 ChZT/BZT5 >2 ChZT/OWO = 2,5 do 4,0 ścieki łatwo biodegradowalne ścieki trudnobiodegradowalne 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. Procesy samooczyszczania Procesy te zależą od: temperatury, nasłonecznienia, rozwinięcia linii brzegowej, prędkości przepływu samooczyszczania obejmuje i inne. Ogólnie pojęcie złożony zespół procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Związki organiczne rozkładane są przede wszystkim przez bakterie saproficzne, które wykorzystują te substancje jako źródło energii oraz na budowę nowej, żywej materii organicznej. Proces rozkładu przebiega poprzez reakcje enzymatyczne typu redox. W warunkach tlenowych, w obecności odpowiednich organizmów, substancje organiczne odprowadzone ze ściekami do odbiornika ulegają utlenieniu do: CO2, H2O, siarczanów, azotanów i in.. Oprócz bakterii duże znaczenie mają glony, różne formy zwierzęce. W warunkach beztlenowych procesy rozkładu , często nazywane procesami gnicia lub fermentacji , przebiegają znacznie wolniej od procesów aerobowych, a ich produktami są m. in. H2S, CH4, NH3, CO2, kwasy organiczne, indol, skatol. Niektóre z nich mają przykry zapach, są szkodliwe a nawet trujące. W zależności od stopnia zanieczyszczenia odbiornika ściekami występują odmienne zespoły organizmów wodnych tzw. organizmy wskaźnikowe saprobionty. Rozkład substancji organicznych zachodzi również w glebie. Najszybciej rozkładowi ulegają węglowodany a następnie białka, znacznie wolniej: pektyny, ligniny, celuloza, woski, węglowodory o ile nie są glebami kwaśnymi. SPOSOBY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW 1.Mechaniczne 2. Fizyczno-chemiczne 3. 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. Oczyszczanie I0 może spełniać rolę samodzielną tylko przy dostatecznie dużej zdolności samooczyszczania odbiornika, zwykle traktuje się jako przygotowanie ścieków do dalszych procesów technologicznych. W ramach tego stopnia oczyszczania stosuje się proste operacje mechaniczne i procesy fizyczne: cedzenie, sedymentacja, filtrowanie przez które zmierza się do wydzielenia większych ciał pływających i wleczonych (skratki), cząstek ziarnistych o umownym zakresie 0,1mm i większych (piasek), zawiesin łatwo opadających (osady wstępne), olejów i tłuszczów podatnych na wydzielenie. W najczęściej stosowanych technologiach oprócz wydzielania skratek i piasku, zakłada się usuwanie dalszych zanieczyszczeń z następującą efektywnością: zawiesiny - 60-90%, BZT5 i ChZT - do 40%, azot i fosfor ogólny - do 20%, bakterie do 75%. Skratki oddziela się cedząc przez kraty dostosowane prześwitem do wymogów technologicznych dalszych urządzeń oczyszczalni (10-50mm). W celu ułatwienia usuwania zanieczyszczeń kraty ustawia się pochyło. Szybkość przepływu ścieków przez kraty nie może być mniejsza od 0,6m/s, co zapobiega opadaniu piasku. Nadmiernemu spiętrzeniu się ścieków zapobiega przelew do kanału obiegowego zaopatrzonego w kratę rzadką. Sita służą do zatrzymywania zawiesin o wymiarach większych od 1mm. Zasadniczym elementem sita jest siatka lub perforowana blacha przez którą przepływają ścieki. Stosuje się je do oczyszczania ścieków przemysłowych, a zwłaszcza do odzyskiwania surowców z tych ścieków. Zadaniem piaskowników jest zatrzymywanie ziarnistych zanieczyszczeń mineralnych - piasek i popiół. Są to urządzenia w kształcie komór o wymiarach tak dobranych, aby umożliwić proces sedymentacji ziarnistych zanieczyszczeń. Osadniki wstępne przyjmują ścieki nie oczyszczone lub oczyszczone tylko metodami mechanicznymi. Osadniki wtórne są stosowane po urządzeniach do biologicznego lub fizyczno-chemicznego oczyszczania. W zależności od sposobu eksploatacji dzielimy je na: o działaniu ciągłym bądź okresowym, ponadto ze względu na sposób usuwania osadu: z ręcznym, z hydraulicznym, z mechanicznym, bądź osadniki zespolone z komorą fermentacyjną oraz stawy wypełnione osadem. Sprawność osadników można zwiększyć przez zastosowanie koagulantów. Procesy I stopnia oczyszczania mogą być niekiedy poprzedzane dodatkowym napowietrzaniem w odrębnych komorach przed osadnikami wstępnymi. Napowietrzanie stosuje się w celu odświeżenia zagniłych ścieków. Oczyszczanie II0 przeprowadza się z reguły przy udziale przystosowanej do tego celu biocenozy. Zanieczyszczenia te służą mikroorganizmom jako pokarm i jako budulec nowych komórek. Dzięki tym procesom życiowym następuje rozkład, zanieczyszczeń - utlenianie w tym i ubytek zwłaszcza zawartych organicznych. w ściekach Oczyszczone biologicznie ścieki są mniej podatne na zagniwanie, a tym samym w mniejszym stopniu naruszają równowagę tlenową wód płynących. Podstawową miarą efektywności pracy oczyszczalni II stopnia jest zdolność obniżania ładunku zanieczyszczeń organicznych podatnych na rozkład i wyrażonych konwencjonalnie przez ubytek BZT5. Umownie wyróżnia się: niepełne biologiczne oczyszczanie, gdy osiąga się 85% obniżenie BZT, pełne, gdy osiąga się efektywność powyżej 85% - zwykle 95% a stężenie zawiesin nie przekracza 30mg/l. Dodatkowymi miernikami II stopnia oczyszczania są ubytki ChZT, OWO, bakterii, a także usuwanie zanieczyszczeń biogennych. Najbardziej rozpowszechniły się dwie klasyczne formy intensywnego biologicznego oczyszczania: z biocenozą osiadłą - złoża biologiczne, z biocenozą pływającą - komory z osadem czynnym. W odpływie po klasycznych złożach biologicznych przyrost biomasy od razu wydzielany jest z osadników wtórnych poza układ, zaś w komorach osadu czynnego stosuje się wielokrotne zawracanie masy do obiegu przy jednoczesnym wydzielaniu osadu nadmiernego. Niezależnie od rozwijających się metod intensywnego oczyszczania ścieków, mogą okazać się przydatne uproszczone rozwiązania. Oczyszczanie III0 to usuwanie resztkowych zawiesin i substancji biogennych. Pozostałe po wcześniejszym oczyszczaniu mikroorganizmy powodują, że w odpływie z oczyszczalni ChZT utrzymuje się jeszcze w granicach kilkudziesięciu gO2/m3, tylko częściowo są usunięte substancje biogenne, nadal jest wysoki poziom innych rozpuszczonych soli, zwłaszcza mineralnych. W naszych warunkach daje się stosować stawy biologiczne, drenaż, pola nawadniające. Doczyszczanie ścieków w warunkach zbliżonych do naturalnych nie zawsze jest wystarczające ze względów gospodarczych. W pierwszej kolejności przeprowadza się usuwanie fosforu (jest on odpowiedzialny przede wszystkim za eutrofizację wód) i najczęściej realizuje się to na drodze chemicznej. Azot usuwa się mając na uwadze nie tylko eutrofizację wód powierzchniowych, lecz także względy zdrowotne a także jakość wody pobieranej do celów przemysłowych. W dopływie do oczyszczalni miejskich przeciętnie blisko połowa azotu występuje w postaci azotu amonowego, a reszta to azot organiczny, udział azotynów i azotanów jest około 5%. Usuwanie azotu w postaci amoniakalnej (50-90% ubytku N całkowitego) w krajach o ciepłym klimacie osiąga się przez desorpcję. Praktycznie łączy się ten proces z uprzednią koagulacją ścieków wapnem, uzyskując przy tym eliminację fosforu. W naszych warunkach można byłoby usuwać amoniak metodami biologicznymi, można wykorzystywać selektywną wymianę jonową bądź odwróconą osmozę. W drugiej grupie procesów ukierunkowanych na usunięcie azotu w postaci azotanów, zmierza się wpierw do osiągnięcia możliwie pełnej nitryfikacji azotu, a następnie z tej postaci uwalnia się go podczas denitryfikacji. Korzystne efekty uzyskuje się podczas oczyszczania ścieków w gruncie (do 90%) albo przez desorpcję przez glony (do 80%). Skuteczne usuwanie azotanów (do 90%) następuje równocześnie z demineralizacją w procesie odwróconej osmozy. W ramach III stopnia oczyszczania, oprócz opisanych sposobów usuwania biogenów, stosowane są inne procesy zmierzające do obniżenia stężeń dalszych zanieczyszczeń. W tym celu stosuje się różne kombinacje procesów. Do podstawowych należą: chemiczna obróbka ścieków, klarowanie, filtrowanie. Oczyszczanie IV0 (odnowa wody) - w wodach poprzednio oczyszczonych pozostają zanieczyszczenia refrakcyjne oraz duże zasolenie. Resztkowe organiczne zanieczyszczenia pozostające po chemicznym strąceniu i filtracji usuwane są za pomocą adsorpcji na węglu aktywnym bądź utlenianiem ozonem. W ramach IV stopnia oczyszczania osobną grupę stanowią procesy nastawione na odsolenie. Osiąga się je przez dekarbonizację ścieków wapnem, usuwając w ten sposób twardość węglanową. Pełniejsze odsalanie uzyskuje się poprzez: wymianę jonową, filtrację przez półprzepuszczalne błony odparowanie, elektrodializę, procesy wymrażania. RODZAJE OCZYSZCZALNI Oczyszczalnią ścieków nazywany jest zespół obiektów technologicznych i pomocniczych służących do oczyszczania ścieków i przeróbki osadów pościekowych. 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, mechanicznobiologiczne, 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. mechanicznie na sitach Ścieki i w mogą być osadnikach dalej (pełne oczyszczane 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. MECHANICZNE OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW 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 zanieczyszczeń mineralnych (piasek, zatrzymywanie popiół). Piasek ziarnistych 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. 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 mech. 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 wypełnione osadem. Należy dbać o równomierny przepływ ścieków. Sprawność podnosimy poprzez wprowadzenie koagulantów. Koagulacja stosowana jest wtedy gdy oczyszczanie mechaniczne nie daje zadawalających rezultatów. Proces ten prowadzi się tak samo jak przy uzdatnianiu wody. Zobojętnianie wykonuje się poprzez: zmieszanie ścieków kwaśnych z zasadowymi, neutralizację chemikaliami, przepuszczanie ścieków kwaśnych przez zasadowe złoża, przepuszczanie przez zasadowe ścieki gazów spalinowych, wykorzystanie rezerw neutralizacyjnych odbiornika. Podstawowym środkiem neutralizacyjnym dla ścieków kwaśnych jest wapno palone lub hydratyzowane, NaOH i filtry z magnezytem palonym lub węglanem wapniowym. Do neutralizacji ścieków zasadowych służą kwasy lub gazy spalinowe w przeciwprądowych kolumnach. Sorpcja i wymiana jonowa stosowana jest do odzysku cennych surowców bądź usuwania składników uciążliwych. Sorbentami mogą być: popioły lotne, szlaka, torf, węgiel, koks, ruda darniowa. Do odzysku cennych składników stosuje się: węgiel aktywny, żel krzemionkowy, sorbenty i jonity syntetyczne. Utlenianie środkami chemicznymi składników ścieków w celu degradacji bądź dezynfekcji odbywa się przy użyciu: chloru, dwutlenku chloru, podchlorynu, ozonu, nadmanganianu potasu i in.. BIOLOGICZNE METODY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW Naturalne metody biologiczne 1. Nawadnianie. 2. Irygacja. 3. Pola filtracyjne. 4. Stawy biologiczne. Ad. 1. 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). Może to być nawadnianie zalewowe, stokowe, bruzdowe, podziemne, deszczowanie. 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. Ad. 2. W odróżnieniu od nawadniania celem pól irygacyjnych jest oczyszczanie ścieków, osiągane korzyści rolnicze są drugoplanowym zagadnieniem. Pola irygacyjne zakłada się na gruntach piaszczystych, przepuszczalnych i suchych. Ścieki oczyszczane na polach irygacyjnych powinny być wstępnie odtłuszczone i pozbawione zawiesin. 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. Ad.3. 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. Pola filtracyjne składają się z szeregu zdrenowanych poletek o wielkości do 0,4 ha, otoczonych groblami, w których ułożone są rurociągi lub koryta na głębokości 1m, w odstępach 10m. Poletka zalewa się warstwą ścieków 5-10 cm w czasie 15 minut. Częstotliwość zalewania uzależniona jest od stężenia ścieków. Proces przesiąkania powinien być zakończony w ciągu 4 godzin. 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. Ad.4. 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 ZŁOŻE BIOLOGICZNE Jest 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: 1m3 kruszywa o uziarnieniu 4-8 cm daje ok. 95m2 powierzchni, 1m3 kruszywa o uziarnieniu 2-4 cm daje 190m2. 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 (2x zmniejszają się wymiary - 8x zmniejsza się objętość wolnych przestrzeni). W praktyce wymiary kruszywa mogą wynosić 5-8 cm dla złóż wysokich i 3-6cm dla złóż niskich (poniżej 2,5 m wys.). 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). Dla złóż wysoko-obciążonych przyjmuje się obciążenie hydrauliczne powyżej 0,8 m/h, na ogół do 1,5 m/h. Ogólnie można powiedzieć, że czas kontaktu ścieków ze złożem jest funkcją obciążenia hydraulicznego powierzchni złoża - qf , wysokości złoża - H i wewnętrznej powierzchni zwilżonej złoża Fzw , zależnej od granulacji uziarnienia. Czas kontaktu ścieków ze złożem jest wprost proporcjonalny do wysokości złoża H i odwrotnie proporcjonalny do obciążenia hydraulicznego złoża ( T=H/q2/3). 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 biologicznna, 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 ditenku 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 wpracowywaniem się złoża. Uzyskanie odpowiedniej możliwości rozwoju na sprawności złoża uzależnione danych ściekach błony jest od: 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. Stężenie ścieków dopływających nie powinno być wysokie: BZT5 do 150 mg O2/l lub ChZT do 250 mg O2/l, zawartość azotu w ściekach powinna wynosić ok. 3-4%, a zawartość fosforu ok. 1% w stosunku do BZT5. Są to czynniki niezbędne dla rozwoju błony biologicznej i procesów metabolizmu. Doprowadzanie ścieków o większym stężeniu powoduje szybkie zarastanie złóż, aby temu zapobiec należy zastosować recyrkulację (zawracanie części ścieków oczyszczonych). Recyrkulacja powoduje także zwiększenie aktywności złoża, ponieważ zawracane ścieki wnoszą tlen, azotany i mikroorganizmy. W dobrze zaprojektowanym złożu przy różnicy temp. 40 dopływ tlenu jest około 20x większy od teoretycznego zapotrzebowania. Temperatura powietrza wewnątrz złoża jest prawie równa temperaturze ścieków. Powietrze wewnątrz złoża jest zatem zimą cieplejsze a latem zimniejsze od powietrza na zewnątrz. Zimą powietrze przepływa od dołu do góry a latem w kierunku przeciwnym, jednak sztuczny ciąg powietrza stosuje się rzadko. Równomierny rozdział ścieków na złoże jest niezbędny do uzyskania dobrej wydajności. W temp. 60C następuje całkowite zahamowanie procesu oczyszczania zaś w 100C sprawność wynosi 62% w stosunku do sprawności w temp. 200C. Gwałtowny spadek sprawności występuje po przekroczeniu 380C. Stopień oczyszczenia ścieków uzyskiwany w oczyszczalni ze złożami biologicznymi wynosi od 65 do 95%, przy czym dla złóż spłukiwanych nie przekracza 85%. Zasadniczymi wadami złóż zraszanych niskoobciążonych jest: wrażliwość na przeciążenia zmiany temperatury powietrza przykry zapach plaga małych muszek „Psychoda”. Złoża biologiczne zostały opracowane w wyniku udoskonalania pól filtracyjnych. Dla ograniczenia dużej powierzchni pól filtracyjnych należało zastosować wyższe warstwy materiału filtracyjnego i lepiej napowietrzane. Wiązało się to z koniecznością wprowadzania materiału o większej średnicy ziarna piaszczystych. od tej, która występuje w zwykłych gruntach METODA OSADU CZYNNEGO 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. Chodzi tu także o dostarczenie tlenu, którego stężenie powinno być na poziomie 2 mg/l. Podwyższenie stężenia nie powoduje zwiększenia szybkości rozkładu zanieczyszczeń, zmniejsza natomiast sprawność napowietrzania (wynosi ona często 10% a wyjątkowo dochodzi do 30%). Stężenie tlenu w stanie nasycenia wynosi 10 g/m3, podczas kiedy całkowite BZT ścieków bytowych przekracza 500 g/m3 O2. Z porównania tych liczb wynika, że w celu oczyszczenia ścieków należałoby powtarzać kilkakrotnie napowietrzanie od zera do stanu nasycenia kilkadziesiąt razy. Odpowiednią, dużą szybkość utleniania zanieczyszczeń uzyskujemy w obecności zespołu drobnoustrojów. 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. Do napowietrzania powierzchniowego służą: koła łopatkowe, mieszadła turbinowe, szczotki stalowe Kessenera, wirniki umieszczone w rurze powodujące zassanie ścieków do rury i wyrzucenie ich na zewnątrz (sposób Boltona). W komorach napowietrzanych sprężonym powietrzem powietrze doprowadzane jest za pomocą: płytek perforowanych zwanych filtrosami, dysz, rur perforowanych. Powietrze doprowadzane jest zwykle na dnie komór (3-4 m głębokości). Stosowany powszechnie ruszt „Inka” jest umieszczony na głębokości 0,8 m, co pozwala zastąpić sprężarki wentylatorami i obniżyć zużycie energii elektrycznej. 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. Jeśli proces biologicznego utleniania ma przebiegać sprawnie konieczne jest zapewnienie odpowiedniej zawartości soli pokarmowych w ściekach. Przeciętny stosunek BZT5 : N : P powinien kształtować się jak 100 : 5 : 1. Niezbędna jest również obecność w ściekach niewielkich ilości takich pierwiastków jak: K, Ca, Mg, Fe, Mn i innych. Zazwyczaj uzupełniany jest niedobór azotu i fosforu, pozostałe pierwiastki występują prawie zawsze w ściekach w wystarczających ilościach. Znaczny wpływ na przebieg procesu oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego wywiera pH. Zmiany pH mogą spowodować obniżenie kinetyki procesu lub nawet całkowite jego zahamowanie (optymalny zakres pH 6-9). PRZERÓBKA OSADÓW ŚCIEKOWYCH Osady ściekowe powstające w oczyszczalni muszą być przetworzone na nieszkodliwe produkty końcowe i usunięte z terenu oczyszczalni. Surowe osady wydzielone w oczyszczalni (OW i ON) są niebezpieczne sanitarnie, ponieważ zawierają pasożyty, bakterie chorobotwórcze i wirusy. Osady te posiadają zdolność do zagniwania tj. rozkładu beztlenowego związków organicznych, co wiąże się z wydzielaniem bardzo przykrych i uciążliwych zapachów. Osady surowe wymagają stabilizacji składu chemicznego (zlikwidowanie zdolności do zagniwania). Stabilizacja ta obejmuje procesy: chemiczne, biologiczne i termiczne. W czasie stabilizacji osadów następują zmiany w zawartości wody bowiem następuje hydroliza i rozkład ciał stałych, zmiany w zawartości i właściwościach ciał stałych (cząstek osadu) oraz zmiany w ilości rozpuszczonych gazów. Osady po stabilizacji (ustabilizowane) wymagają ostatecznego usunięcia z terenu oczyszczalni. - rolnicze wykorzystanie w stanie płynnym lub odwodnionym, ustabilizowany bez organizmów chorobotwórczych - składowanie na wysypiskach ustabilizowanych, higienicznie bezpiecznych i maksymalnie odwodnione - spalanie wymaga odwodnienia bez stabilizacji. Popiół składowany jest na składowisku. Wybór metody stabilizacji osadów zależy od sposobu jego ostatecznego usunięcia z oczyszczalni oraz od wielkości oczyszczalni, np. osady kierowane do spalania lub granulacji termicznej nie wymagają stabilizacji biologicznej czy chemicznej i bez chorobotwórczych. SKŁAD FIZYCZNO-CHEMICZNY OSADÓW organizmów Skład osadów jest ważny z powodu wyboru sposobu stabilizacji, możliwości jego ostatecznego unieszkodliwiania, podstawą do oceny prawidłowości przebiegu procesu stabilizacji oraz oceny stabilności osadu. Skład uzależniony jest od rodzaju i ilości zanieczyszczeń usuwanych ze ścieków. Zakres analiz fizyczno-chemicznych osadów zależy od celu i potrzeb użytkownika. Są to oznaczenia fizyczne: temperatura, barwa, konsystencja, uwodnienie oraz chemiczne: sucha masa, sucha masa organiczna, zawartość azotu, fosforu, potasu (NPK), zawartość poszczególnych metali ciężkich oraz ich suma, kwasy lotne. Ponadto wykonuje się oznaczenia biologiczne: liczba bakterii chorobotwórczych, pasożytów i jaj pasożytów. Czasem oznacza się zawartość pestycydów, tłuszczy i białek. ZAGĘSZCZANIE OSADÓW Woda w osadach występuje w trzech postaciach: - woda wolna (międzycząsteczkowa) - woda kapilarna - woda związana chemicznie. Tylko woda wolna jest usuwana z osadu w procesie zagęszczania. Może być usunięta w procesie odstania czy odsączania. Zagęszczanie osadu może być: - samoistne (grawitacyjne) w osadnikach lub zagęszczaczach grawitacyjnych osadów (przepływowe, porcjowe) - flotacyjne (wynoszenie cząstek osadu za pomocą powietrza na powierzchnię zagęszczacza - mechaniczne (filtracja lub wirowanie). ODWADNIANIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH Woda kapilarna usuwana jest w procesie odwadniania mechanicznego lub naturalnego. Woda ta występuje w zakresie uwodnień od 50 do 80%. Woda związana usuwana jest w procesach suszenia. Odwadnianie stosuje się zarówno dla osadów surowych jak i dla osadów po stabilizacji. Odwadnianie naturalne Popularnym urządzeniem do odwadniania naturalnego w małych oczyszczalniach są poletka osadowe. Filtracja cieczy nadosadowej przez warstwę osadu i warstwę piasku zależy od oporu właściwego, który decyduje o tym że udział filtracji jest niewielki. Dominującym procesem decydującym o odwadnianiu (usunięcie wody kapilarnej i wolnej) jest bilans opadu i parowania. Czas odwadniania osadu na poletkach jest dość długi i wynosi od 1 do 1,5 miesiąca. W Polsce w okresie zimowym, ze względu na niską temperaturę i wielkość opadów proces ten nie zachodzi. Odwadnianie na poletkach można przyspieszyć poprzez wprowadzanie polimerów, przykrycie poletek dachem oraz grubość warstwy osadu, która nie powinna być wyższa od 0,3m. Wysuszony osad musi być składowany przez okres przynajmniej 1 roku na terenie oczyszczalni a dalej musi znaleźć przeznaczenie. Laguny osadowe są to zbiorniki ziemne (najczęściej) o wysokości warstwy osadu od 1 do 2 m. Efektywność odwadniania osadów jest mniejsza niż na poletkach osadowych. Laguny są archaicznym rozwiązaniem nie spełniających nawet wymogów estetycznych. Optymalny okres ich eksploatacji wynosi 3 lata, a obecnie nie jest to polecany sposób odwadniania. Odwadnianie mechaniczne Usuwa się z osadów wodę wolną oraz kapilarną. Odwadnianie mechaniczne wykorzystuje: - siły odśrodkowe (wirówki) - filtrację cieczy przez warstwę osadu (prasy filtracyjne, prasy filtracyjnotaśmowe, filtry próżniowe, prasy śrubowe) - procesy termiczne. Przy odwadnianiu mechanicznym stosuje się kondycjonowanie osadu poprzez wprowadzanie polimerów, które należy dobierać dla każdego osadu oddzielnie. Suszenie termiczne Proces ten wykorzystywany jest do przyspieszenia usuwania wody z osadów poprzez kontakt z gorącym powietrzem lub gorącymi gazami spalinowymi. Suszenie termiczne jest często uzupełniającym stopniem odwadniania osadów przed ich spaleniem. Do suszenia wykorzystuje się suszarki rozpyłowe, obrotowe itd. STABILIZACJA OSADÓW Stabilizacja osadów (przeróbka) może być prowadzona w : - procesach biologicznych (fermentacja metanowa, tlenowa stabilizacja, kompostowanie) - procesach chemicznych (wapnowanie osadów) - procesach termicznych (termokondycjonowanie, mokre spalanie, piroliza, spalanie osadów). W czasie stabilizacji zmianie ulega zawartość wody, zawartość i właściwości ciał stałych (cząstek osadu), oraz ilość rozpuszczonych gazów. Stabilizacja osadów jest procesem kosztownym (porównywalna z kosztami budowy całej oczyszczalni). Stabilizacja osadów umożliwia ich późniejsze bezpieczne składowanie lub wykorzystanie. Giną patogeny, zmniejsza się zagniwalność osadu oraz zawartość związków organicznych. STABILIZACJA BIOLOGICZNA Organiczne cząstki osadów mogą być rozkładane (biodegradowalne) przez mikroorganizmy w warunkach beztlenowych (fermentacja metanowa) lub tlenowych (stabilizacja tlenowa). Rozkład zanieczyszczeń organicznych osadu w warunkach tlenowych lub beztlenowych, w obecności innych odpadów organicznych (kora drzewna, trociny, słoma itp.) nosi nazwę kompostowania. Biologiczna stabilizacja osadów może być prowadzona w układzie jednolub wielostopniowym. Fermentacja metanowa pozwala na odzysk energii, natomiast tlenowa stabilizacja i kompostowanie wymagają doprowadzenia energii z zewnątrz. Fermentacja metanowa Jest to proces wielofazowy w którym w fazie I bakterie hydrolityczne za pomocą enzymów zewnątrzkomórkowych rozkładają nierozpuszczalne związki organiczne osadów (celuloza, ligniny, białka, tłuszcze) do związków rozpuszczalnych w wodzie, takich jak kwasy tłuszczowe, alkohole, amoniak itd.. W fazie II bakterie kwasowe rozkładają te związki rozpuszczalne do prostych kwasów organicznych takich jak: kwas octowy, kwas propionowy, wodór i dwutlenek węgla. Jest to tzw. fermentacja kwaśna. Metabolity fermentacji kwaśnej są substratem fazy III dla bakterii heterotroficznych (kwas octowy) oraz dla bakterii metanowych autotroficznych (wodór i dwutlenek węgla). Produktem metabolizmu bakterii metanowych jest metan, dwutlenek węgla i woda. W większości przypadków te bakterie limitują szybkość procesu fermentacji osadów. Należy proces prowadzić tak, aby kwasowe bakterie nie zdominowały komory fermentacji. Osiąga się to poprzez ograniczenie doprowadzenia świeżego osadu (pokarmu). Bakterie metanowe są bardzo wrażliwe na: temperaturę, odczyn, zawartość substancji toksycznych oraz namnażają się bardzo wolno. Gaz fermentacyjny zawiera około 70% metanu i około 30% ditlenku węgla.(ZKF i OKF – w zależności czy ujmuje się gaz czy nie). Fermentację można prowadzić w układzie jednostopniowym (bez lub z odzyskiem gazu), lub w układzie wielostopniowym (z odzyskiem gazu). W zależności od temperatury fermentację dzielimy na: - psychrofilową (T<20 stopni) - mezofilową (T=30 –38 stopni) - termofilową (T= 45 –58 stopni). Podstawowymi wielkościami wpływającymi na przebieg procesu fermentacji jest: kontrola ilości i częstotliwości doprowadzania osadu surowego, intensywność mieszania, odczyn, zawartość kwasów lotnych i zasadowość, temperatura, substancje toksyczne, produkcja gazu. Czas przebywania w komorze fermentacji gwarantujący minimalną stabilizację osadu zwykle określa się jako 38% obniżki suchej masy organicznej i zależy on od temperatury. Czas ten wydłuża się znacznie dla procesów prowadzonych w OKF, co często wymaga wielu lat. Ważna jest także zawartość patogenów. Amerykańskie wymogi mówią o dopuszczeniu 1 jaja robaków na 4 g s.m. osadu. W warunkach polskich jaja Ascaris (glista ludzka) giną dopiero po 3-4 latach magazynowania OKF. Ilość i częstotliwość doprowadzania osadu musi być zgodna z instrukcją obsługi. Zależy to od temperatury fermentacji i wielkości oczyszczalni. W fermentacji psychrofilowej dopuszcza się jedno- lub kilkakrotne zasilanie w ciągu doby. Przy fermentacji mezofilowej można doprowadzać nie rzadziej niż 6 razy w ciągu doby, zaś podczas fermentacji termofilowej częstotliwość zasilania osadem jest wyższa. Intensywność mieszania zawartości komór fermentacyjnych zależy od temperatury fermentacji (wyższa T – intensywność mieszania większa). Do mieszania osadu w komorach filtracyjnych stosuje się: pompy wirowe, mieszacze mechaniczne zewnętrzne lub wewnętrzne, sprężony gaz fermentacyjny. W prawidłowo przebiegającej fermentacji odczyn cieczy nadosadowej jest obojętny i wynosi od pH=7 do pH=7,2, przy równoczesnej zawartości kwasów lotnych od 100 do 500 mg/l i zasadowości nie mniejszej od 500 mg CaCO3/l. Zawartość kwasów lotnych wyrażonych jako kwas octowy nie powinna przekraczać wartości 2000 mg/l. Znaczne obniżenie pH niestety oznacza załamanie procesu, co dla eksploatatora oznacza alarm. Dobrym wskaźnikiem oceny prawidłowego przebiegu procesu fermentacji jest wartość stosunku kwasów lotnych (KL) do zasadowości (Z), który musi być stabilny. Alarmujący poziom KL/Z wynosi 0,3. Powyżej tej wartości należy podjąć działania korekcyjne (neutralizacja osadu w komorze za pomocą zasad lub soli: Ca(OH)2, Na2CO3, NaOH lub NH4OH. Czynniki te należy wprowadzać sukcesywnie (rozciągnięte w czasie) z powodu wiązania rozpuszczonego CO2.. Temperatura jest istotnym parametrem procesu fermentacji. Zmiana o 10 stopni w ciągu doby powodują obumieranie (szok termiczny) bakterii metanowych, co wiąże się z zawartością LK w komorze, wzrostem pH i spadkiem zasadowości. Zmiany w dobrze funkcjonujących komorach fermentacyjnych nie powinny przekraczać 20C/dobę. Substancje toksyczne to przede wszystkim: siarczki, kwasy lotne, metale ciężkie, amoniak, węglowodory itd. Metale ciężkie są toksyczne dla metanowców tylko w formie kationów (siarczki nie są toksyczne). Ilość i skład powstającego gazu podczas fermentacji zależy od rodzaju osadu i ilości związków organicznych, temperatury fermentacji i czasu fermentacji. Głównymi składnikami gazu jest: metan, dwutlenek węgla, od 1 do 2% siarkowodoru i śladowe ilości merkaptanów. Tlenowa stabilizacja osadu Jest to metoda wykorzystująca biologiczny rozkład zanieczyszczeń organicznych zawartych w osadach surowych. Tlenowa stabilizacja oparta jest na tlenowym rozkładzie masy organicznej w warunkach „głodu substratowego”, czyli respiracji endogennej. Proces ten prowadzony jest w wydzielonych, otwartych lub zamkniętych komorach z doprowadzeniem powietrza lub równolegle z oczyszczaniem ścieków w komorach osadu czynnego w układzie z przedłużonym napowietrzaniem. Proces ten powoduje zmniejszenie masy organicznej osadu. Podstawowe parametry technologiczne procesu tlenowej stabilizacji to: zawartość tlenu rozpuszczonego, pH, temperatura, szybkość zużycia tlenu oraz wiek osadu (WO = masa osadu w komorze (kg s.m.)/masa osadu usuwanego kg s.m./d). Wiek osadu wpływa na szybkość poboru tlenu przez osad oraz na stopień stabilizacji osadu. Stopień stabilizacji osadu zależy od ubytku masy organicznej osadu. Na utlenienie 1 g s.m. organicznej osadu potrzeba średnio 1,42 g tlenu, stąd dobowe zapotrzebowanie tlenu do stabilizacji osadu określa się jako Z=1,42 X [(Ss-Sstab)]/t x V [kg O2/d]. Tlenowa stabilizacja jest energetycznie mniej korzystna od fermentacji metanowej ponieważ wymaga ciągłego doprowadzania tlenu (energii). Tlenowa stabilizacja powoduje znaczne obniżenie zawartości zanieczyszczeń organicznych w cieczy nadosadowej. Termofilowa stabilizacja tlenowa powoduje naturalne samoogrzanie osadu w warunkach tlenowych do temperatury 60-70 stopni (analogia do kompostowania). Kompostowanie Kompostowaniu można poddawać osady surowe (mniej korzystne) lub osady ustabilizowane po fermentacji lub tlenowej stabilizacji. Kompostowanie wymaga zawsze odwadniania osadów. Kompostowanie zapewnia: - stabilizację związków organicznych - dezynfekcję naturalną (wysoka temperatura w czasie procesu) - redukcję masy i uwodnienia osadów - produkcję stabilnego produktu końcowego. Kompostowaniu poddaje się osady po zmieszaniu np. ze słomą lub trocinami, w których zawartość ciał stałych waha się w granicach 40 do 50% a uwodnienie odpowiednio od 60-50%. Wymagane jest osiągnięcie wartości stosunku węgla organicznego do azotu 26:1. W warunkach tlenowych mieszanina ogrzewa się samorzutnie do temperatury od 50 do 70 stopni. Kompostowanie w warunkach beztlenowych jest uciążliwe zapachowo, stąd nie jest polecane. Proces ten można prowadzić w układzie pryzmowym w małych i średnich oczyszczalniach lub w specjalnych reaktorach. W czasie eksploatacji kompostowni kontroli podlega: uwodnienie mieszaniny (min. 40% i max. 60%), stosunek węgla organicznego do azotu w mieszaninie (C/N - 2032) temperatura w pryzmach (około 60 stopni i wyżej), intensywność napowietrzania (20 – 50 m3 powietrza /godzinę na 1000 kg s.m. osadu oraz jakość wyprodukowanego kompostu. Kompostowanie jest procesem długotrwałym. Sumaryczny czas kompostowania a dalej dojrzewania kompostu w systemie pryzmowym wynosi do 6 miesięcy. Ostatnio wprowadzono kompostowanie beztlenowe osadu wraz z odpadami stałymi w warunkach termofilowych (55 stopni) przy uwodnieniu masy kompostowej 65%. Przy czym kompostowanie beztlenowe trwa 21 dób i przez następne 10 dób kompostowanie tlenowe. W ten sposób spada zapotrzebowanie na tlen. Chemiczna stabilizacja osadów Polega ona na mieszaniu osadu z reagentami chemicznymi, które powodują zmiany we własnościach cząstek osadu. Do chemicznej przeróbki osadu stosuje się tylko wapno w postaci wapna palonego (CaO) lub w postaci wapna hydratyzowanego (Ca(OH)2). Wapno używane jest do stabilizacji osadów surowych (wstępne i wtórne) lub osadów ustabilizowanych w procesach fermentacji lub tlenowej stabilizacji. Stąd też mieszanie osadu z wapnem można prowadzić w celu: - stabilizacji osadów - higienizacji osadów. Wapnowanie osadu zabija patogeny podwyższoną temperaturą ~70 stopni i podwyższonym pH>12. Wzrost uwodnienia osadu wpływa na zwiększenie dawki wapna. Do stabilizacji potrzeba od 0,5 do 1,2 kg wapna / kg s.m. osadu zaś do higienizacji od 0,15 do 0,25 kg wapna /kg s.m. osadu. Mieszanie osadu z wapnem jest bardzo korzystne przy rolniczym wykorzystaniu osadów. Termiczna stabilizacja osadów Jest to wykorzystanie procesów cieplnych do zmian właściwości cząstek osadu (stabilizacja osadu) lub też w celu ich ostatecznego unieszkodliwienia. Są to: - termokondycjonowanie - mokre spalanie - piroliza - spalanie całkowite. Jest to bardzo droga metoda przeróbki osadów. Ciepło spalania (ilość energii jaką można uzyskać ze spalania 1kg s.m. osadu) zależy od ilości i rodzaju związków organicznych zawartych w osadzie. Wartość opałowa (ilość energii, jaką można uzyskać przy spaleniu całkowitym 1 kg uwodnionego osadu), którą można wyliczyć z różnicy pomiędzy ciepłem spalania a ciepłem potrzebnym do ogrzania i odparowania wody zawartej w osadzie. Bardzo wysokie uwodnienie osadu daje ujemną wartość opałową. Termokondycjonowanie Jest to ogrzanie osadu w czasie od 0,5 do 1,0 godziny w temperaturze 120-150 stopni, przy ciśnieniu 0,5 do 2,0 MPa. W tym czasie następuje denaturacja białek oraz zmiana ich struktury. Jest to rodzaj szybkowaru. Jest to też metoda poprawiania „odwadnialności” osadu. Proces ten stosuje się głównie dla osadów surowych i zapewnia pełną dezynfekcję osadu. Ma ona jednak wady: wysokie obciążenie ekonomicznie, duża ilość substancji organicznych w cieczy nadosadowej, znaczna uciążliwość zapachowa, zapewnienie ciągłego dopływu osadu, konieczność częstego czyszczenia układu. Mokre spalanie Jest ono podobne do termokondycjonowania, z tą tylko różnicą że do reaktora wprowadzane jest dodatkowo powietrze (tlen), co zapewnia częściowe utlenienie związków organicznych. Osad w czasie 0,5 do 1,0 godziny ogrzewa się do temperatury 175-315 stopni i obserwuje się obniżenie wartości wskaźnika ChZT w cieczy nadosadowej. Jest to proces drogi - inwestycyjnie i eksploatacyjnie. Piroliza Piroliza jest procesem niepełnego spalania związków organicznych zawartych w osadzie. Produktami pirolizy są: - gaz zawierający wodór, tlenek węgla (II i IV) oraz metan - ciecz zawierająca smołę, oleje, aceton itd. - węgiel (koksik) składający się z węgla oraz substancji nieorganicznych zawartych w osadzie. Spalanie osadów Jest to pełne utlenienie związków organicznych osadu w temperaturze od 800 do 1100 stopni. Osad surowy odwadnia się wstępnie, z wykorzystaniem odwadniania mechanicznego. Następnie gaz spalinowy po spaleniu wykorzystywany jest często do dodatkowego termicznego suszenia osady wprowadzanego do pieca. Produktem końcowym spalania jest popiół oraz gaz spalinowy. Masa popiołu stanowi 20% s.m. osadu surowego. Popiół może być składowany na wysypiskach lub wykorzystany gospodarczo do budowy dróg. Spalanie osadów jest uzasadnione gdy nie można rolniczo wykorzystać ustabilizowanych osadów. Gaz spalinowy zawiera klasyczne zanieczyszczenia: pyły i tlenki azotu, siarki i węgla a także nietypowe: kwasy mineralne, metale ciężkie oraz węglowodory. Do spalania osadów wykorzystuje się piece: półkowe, fluidalne oraz rusztowe gdy spalane są jednocześnie odpady komunalne.
