Oczyszczalnie ścieków bytowych. Złoża biologiczne

W artykule scharakteryzuję oczyszczalnie biologiczne oparte na różnych typach złóż biologicznych, zaprezentuję też zasady ich działania, a także pokażę przykłady. Ze względu na różnorodność technologii oczyszczania ścieków dostępnych na rynku, inwestor lub instalator może mieć pewne problemy związane z wyborem odpowiedniej oczyszczalni. Użyta technologia ma kluczowe znaczenia z punktu widzenia wpływu na środowisko, a więc jakości oczyszczania ścieków, ale też z punktu widzenia kosztów urządzenia, jego montażu, a także eksploatacji w przeciągu wielu lat.

Rozwój na rozkładzie
Oczyszczalnie ze złożem biologicznym to urządzenia, które wykorzystują powszechne zjawisko rozwoju mikroorganizmów na skutek biologicznego rozkładu związków organicznych. W odróżnieniu od metod osadu czynnego (tzw. technologia SBR) większość masy biologicznej jest przytwierdzona do powierzchni wypełnienia złoża, na którym rozwija się w postaci błony biologicznej.

Patrząc historycznie za tematykę złóż biologicznych, to przez blisko 100 lat uważano tę technologię za najważniejszą metodę oczyszczania ścieków. Następnie w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku naturalne złoża biologiczne (wykonane miedzy innymi z kamienia i innych kruszyw) straciły swoją popularność. Odzyskały ją ponownie we wczesnych latach osiemdziesiątych, kiedy pojawiły się efektywne złoża biologiczne z wypełnieniem wykonanym z tworzyw sztucznych, gwarantujące znacznie wyższą efektywność oczyszczania ścieków. Te, stosowane z powodzeniem do dziś, złoża wykonane z tworzyw sztucznych rozwiązały wiele problemów związanych z eksploatacją złóż, takich jak: zatykanie, powstawanie nieprzyjemnych zapachów czy plagi muszek.
Zanieczyszczenia organiczne napływające do oczyszczalni rozkładane są przez mikroorganizmy tworzące błonę biologiczną, dla których źródłem materii organicznej jest film wodny otaczający złoże. Napowietrzanie złóż biologicznych zachodzi w sposób naturalny tlenem atmosferycznym lub w sposób wymuszony poprzez dyfuzory i aeratory; tlen przenika przez warstwę filmu wodnego, pozwalając na efektywny przebieg procesów tlenowego rozkładu. Nadmiar błony biologicznej odrywany jest od złoża biologicznego i usuwany wraz z odpływającym strumieniem ścieków w osadnikach wtórnych, które są częścią oczyszczalni i współpracują ze złożami biologicznymi. Usuwane kłaczki błony biologicznej charakteryzują się stosunkowo dużym rozmiarem oraz dobrymi zdolnościami sedymentacyjnymi. Stosuje się różne wypełnienia złóż biologicznych; obecnie najczęściej stosowane są materiały z tworzyw sztucznych, produkowane jako wypełnienia pakietowe lub kształtki usypywane.

Pierwotnie do wypełnienia złóż biologicznych stosowane były materiały naturalne, takie jak kamień, od stosowania których generalnie odstąpiono. Wypełnienia wykonane z materiałów sztucznych są lżejsze, łatwiejsze w budowie i bardziej odporne na zapychanie się kanalików wypełnienia (tzw. kolmatacja). Nowoczesne złoża biologiczne posiadają bardzo rozbudowaną powierzchnię właściwą, sięgającą nawet do 150-200 m2/m3 .
Integralnym elementem oczyszczania ścieków na złożach biologicznych jest recyrkulacja ścieków oczyszczonych. Zawracanie ścieków stosowane jest w celu uzyskania wymaganego obciążenia hydraulicznego oraz obniżenia stężenia doprowadzanych ścieków.

Rodzaje złóż biologicznych
W technologii złóż biologicznych można wyróżnić kilka podstawowych rozwiązań konstrukcyjnych. Podstawowy podział konstrukcyjny złóż biologicznych przedstawiono na rysunku.
Złoża biologiczne dzieli się na:

• złoża z wypełnieniem stałym
• złożą z wypełnieniem ruchomym

Wśród złóż z wypełnieniem ruchomym rozróżnia się złoża zanurzone, zalewane i zraszane. Natomiast złoża z wypełnieniem ruchomym dzielą się na złoża tarczowe i złoża zawieszone.

• złoża zanurzone są rodzajem złoża biologicznego, umieszczonego pod powierzchnią ścieków w sposób stały. W tych konstrukcjach najczęściej wykorzystuje się pakietowe wypełnienia z tworzyw sztucznych. Tlen niezbędny do zwiększenia efektywności procesów biologicznych dostarczany jest w formie sprężonej poprzez dyfuzory umieszczone pod złożem
• złoża zalewane są znane i stosowane od bardzo dawna. To niejako pierwotna forma złoża biologicznego. Złoża zalewane były wykonywane najczęściej w zbiornikach betonowych lub żelbetowych, i wypełnione były materiałem naturalnym np. kamieniem, keramzytem, lawą wulkaniczną czy koksem. Złoże takie było okresowo zalewane wstępnie oczyszczonymi ściekami, a po kilkugodzinnym kontakcie z błoną biologiczną, tworzącą się na wypełnieniu zbudowanym z materiałów naturalnych, ścieki były odprowadzane poza zbiornik jako oczyszczone. Obecnie złóż zalewanych praktycznie już się nie stosuje, nie znajdują zastosowania, gdyż mają niską sprawność i podlegają szybkiej kolmatacji
• złoża zraszane (zwilżane) są to obecnie jedne z najczęściej spotykanych konstrukcji złóż biologicznych. Złoże zraszane wykonane jest najczęściej w szczelnym zbiorniku o kształcie cylindrycznym. W takim złożu ścieki stale się przez nie przesączają, ale nie następuje zatapianie złoża, dzięki czemu możliwa jest ciągła wymiana powietrza

Zasada działania złóż biologicznych zraszanych polega na tym, że ścieki doprowadzane są od dołu złoża i grawitacyjnie lub pompowo doprowadzane są ponad złoże do zraszacza obrotowego lub specjalnej dyszy rozbryzgowej. System zraszania złoża rozprowadza ścieki równomiernie po całej powierzchni złoża, a oczyszczone ścieki zbierane są pod złożem i odprowadzane do osadnika wtórnego.
Napowietrzanie ścieków odbywa się poprzez ciągły kontakt ścieków z powietrzem atmosferycznym doprowadzanym do oczyszczalni podczas zraszania złoża. Stosuje się tez konstrukcje zamknięte (szczelne), a w takim przypadku nieprzerwany dopływ powietrza zapewnia wentylator umieszczony w obudowie złoża.

• złoża tarczowe (obrotowe) to rodzaj oczyszczalni z ruchomym wypełnieniem. Złoże tworzy szereg tarcz, umieszczonych współosiowo na wale napędzanym silnikiem elektrycznym. Tarcze są częściowo zanurzone w ściekach. Ruch obrotowy tarcz pozwala na dostarczenie tlenu atmosferycznego wymaganego do procesów tlenowego rozkładu oraz na dostarczenie materii organicznej ze ścieków. Nadmiar błony biologicznej, która odrywa się z tarcz, usuwany jest w osadniku umieszczonym pod obracającymi się tarczami lub odprowadzany do wydzielonego osadnika wtórnego. Osad nadmierny może być następnie zawracany do osadnika wstępnego
• złoża zawieszone można uznać za system hybrydowy, łączący w sobie cechy osadu czynnego i złóż biologicznych. Lekkie kształtki wykonane z tworzyw sztucznych utrzymywane są w ściekach przy użyciu sprężonego powietrza lub mieszadeł. Takie rozwiązanie pozwala prowadzić procesy oczyszczania ścieków w sposób bardzo podobny do technologii osadu czynnego. Możliwość transportu masy biologicznej pomiędzy reaktorami o zmiennym stężeniu tlenu pozawala także na usuwanie fosforu na drodze biologicznej. Obecnie można także spotkać takie rozwiązania na większych oczyszczalniach ścieków pracujących w technologii osadu czynnego. Wprowadzenie do reaktorów z biomasą zawieszoną niewielkich kształtek lub innego materiału umożliwiającego rozwój mikroorganizmów prowadzi do zwiększenia koncentracji materii biologicznej, co ma znaczący wpływ na szybkość usuwania zanieczyszczeń ze ścieków

Podsumowanie
Jak wynika z powyższego artykułu, istnieje kilka technologii oczyszczania ścieków, a większość z nich dostępna jest również w przydomowych oczyszczalniach. Warto więc mieć na uwadze zalety i wady każdej z technologii, tak aby wybierając produkt na posesję własną lub klienta, nie ulec „czarowi” kolorowych materiałów promocyjnych producentów urządzeń. Podjęcie nieodpowiedniej decyzji, może na lata zostawić nas z wysokimi rachunkami za energię, wywóz osadów oraz serwisowanie.

W kolejnym odcinku kontynuować będziemy przegląd technologii oczyszczania ścieków stosowany w oczyszczalniach przydomowych. Spróbuję je również porównać pod kątem efektywności ich pracy.

Autor: Mariusz Piasny