Technologia oczyszczania ścieków

Zasada działania przydomowych oczyszczalni nie różni się znacząco od dużych oczyszczalni miejskich. Rozmiar tych ostatnich jest podyktowany głównie ilością dopływających ścieków. Faktem jest, iż wiele elementów, takich jak rozbudowane urządzenia pompowe, piaskowniki czy prasy osadu nie są spotykane w przydomowych oczyszczalniach, a jest to głównie podyktowane mniejszą ilością dopływających ścieków jak również zapewnieniem pewnego stopnia bezobsługowości, którego próżno szukać w dużych oczyszczalniach.

W tym dziale omówiona zostanie technologia i procesy jakie zachodzą i są stosowane podczas oczyszczania ścieków. Opis będzie opierał się głównie na dużych oczyszczalniach miejskich. Moim zdaniem warto poznać zasadę działania dużej oczyszczalni, by nie mieć problemu ze zrozumieniem tego co dzieje się w małym, przydomowym urządzeniu. Oczywiście pojawią się też informacje na temat tych ostatnich.

W oczyszczaniu ścieków zastosowanie znalazły metody mechaniczne, biologiczne i niekiedy stosowane chemiczne. Poniżej przedstawione zostaną niektóre systemy oczyszczania ścieków.

Oczyszczanie mechaniczne

Bez mechanicznego oczyszczania ścieków prawidłowe funkcjonowanie prawie żadnej oczyszczalni nie było by możliwe. Mechaniczne oczyszczalnie wykorzystuje takie zjawiska jak cedzenie w sitach i kratach, sedymentacja w piaskownikach i wszelkiego rodzaju osadnikach, a proces flotacji jest podstawą działania odtłuszczaczy i separatorów tłuszczu. Niekiedy może on wspomagać pracę osadników.

Pierwszym urządzeniem jakie na swojej drodze napotykają dopływające do oczyszczalni surowe ścieki są kraty. Są to zwykle równoległe pręty w odpowiedniej rozstawie wynoszącej:

• 40mm dla krat rzadkich
• 20- 40mm dla krat o średnim prześwicie
• 20mm lub mniejszym dla krat gęstych

Taka technologia oczyszczania ścieków, czyli obsługa ręczna tego typu urządzeń jest już praktycznie nie spotykana. Najczęściej usuwanie skratek czyli ciał stałych zatrzymanych na kratach większych od 10mm odbywa się automatycznie. Kraty stanowią ochronę przepompowni ścieków chroniąc ją przed uszkodzeniem lub zatkaniem. Mało tego, eliminacja ciał stałych ze ścieków korzystnie wpływa na drożność kanałów zarówno otwartych jak i ciśnieniowych.

Uzupełnieniem lub alternatywą dla krat są sita dodatkowo oprócz skratek zatrzymujących część grubszych zawiesin. Spowodowane jest to nieporównywalnie mniejszym, w stosunku do krat prześwitem. Sita zwykle dzieli się na:

• rzadkie, o prześwicie powyżej 1,5mm
• średnie, o prześwicie zawartym w przedziale 0,1- 1,5mm
• gęste, o prześwicie poniżej 0,1mm

W przydomowych oczyszczalniach sita nie występują. Wiele urządzeń nie posiada też krat, chociaż spotyka się takie rozwiązania działające głównie w oparciu o metodę osadu czynnego mające za zadanie uchronienie przede wszystkim pomp mamutowych przed zatkaniem. Zwykle jest to mała kratka o szczelinach ok. 20mm zamontowana na dopływie do oczyszczalni. Usuwanie skratek odbywa się ręcznie.

Kolejnym urządzeniem spotykanym w oczyszczalniach są zwykle piaskowniki mające za zadanie zatrzymanie cząstek materii, które przy przepływie 0,3m*s^-1 w czasie 60s ulegną sedymentacji, czyli opadaniu na dno zbiornika. Tego typu cząsteczki są zaliczane do piasku. Piasek odkładany w przewodach i kanałach tworzy osad wpływający niekorzystnie na ich przepustowość czy zmniejsza objętość czynną reaktorów. Z racji dużej wytrzymałości mechanicznej zmniejsza żywotność urządzeń mechanicznych oraz utrudnia ich konserwację.

Zwykle stosuje się piaskowniki szczelinowe lub połączone z sitami obrotowymi. Duże i średnie oczyszczalnie korzystają z klasycznych, poziomych zbiorników lub działających na zasadzie hydrocyklonu.

Przydomowe oczyszczalnie ścieków nie korzystają oddzielnych urządzeń w rodzaju piaskowników. Ich rolę przejmują na ogół osadniki wstępne, w których sedymentują dopływające cząstki stałe. Inną sprawą jest to, iż dopływające domowe ścieki bytowe są wręcz ubogie w piasek i inne substancje mineralne mające wpływ na pracę oczyszczalni w porównaniu obiektami miejskimi.

Zajawisko flotacji, czyli unoszenia się zawiesin hydrofobowych na powierzchnię fazy płynnej wykorzystują przede wszystkim odtłuszczacze i separatory tłuszczu. Są to zwykle zbiorniki/komory, zadaniem których jest zmniejszenie prędkości przepływających ścieków w taki sposób aby umożliwić wypływanie na powierzchnię cieczy tłuszczy czy ropopochodnych. Proces flotacji jest niejednokrotnie wspomagany przez dyfuzory zamontowane w dnie separatorów gdzie poprzez napowietrzanie intensyfikuje zjawisko unoszenia cząstek tłuszczu przez pęcherzyki powietrza. Źródłem zatrzymywanych tutaj zanieczyszczeń są nie tylko gospodarstwa domowe ale przede wszystkim restauracje, hotele, przemysł przetwórstwa rolnego i zakłady przemysłowe. Obecność tłuszczy wpływa niekorzystnie na proces oczyszczania metodą osadu czynnego jak i na fermentację osadów dlatego konieczność ich separacji jest równie ważna jak eliminacja piasku.

W przydomowych oczyszczalniach rolę separatorów tłuszczu przejmują na ogół osadniki wstępne, lub w przypadku oczyszczalni drenażowych osadniki gnilne. Zamontowanie separatora tłuszczu dla przydomowego urządzenia nie jest koniecznością, jednak w znacznym stopniu poprawia jego wydajność. Sprawa nieco się komplikuje przy montażu przydomowej czy większej lokalnej oczyszczalni dla hoteli, czy restauracji, gdzie z góry wiadomo, że ilość tłuszczy będzie nieporównywalnie większa niż ta dopływająca z gospodarstw domowych. Tutaj nie wyobrażam sobie montażu oczyszczalni bez jakiegokolwiek separatora czy łapacza tłuszczu.

Ostatnimi z urządzeń wykorzystującymi mechaniczne formy oczyszczania są wszelkiego rodzaju osadniki. Są to na ogół zbiorniki w kształcie leja, prostokątnym lub radialnym. Czas przepływu ścieków w takim zbiorniku ulega spowolnieniu wspomagając w ten sposób zjawisko sedymentacji. Osad zgromadzony na dnie usuwany jest poprzez odpompowanie lub odessanie, rzadziej mechanicznie. Nierzadko na powierzchni cieczy pojawiają się flotujące tłuszcze, które również usuwane są z osadników poprzez specjalne zgrzebła do odpowiednich korytek. Do ujęcia podczyszczonych ścieków stosuje się przelewy pilaste lub korytka odpływowe.

Osadniki z reguły dzielone są na wstępne i wtórne. Pierwsze mają za zadanie zatrzymanie zawiesin, koloidów i innych zanieczyszczeń rozpuszczonych o masie większej niż 1,0g/cm³. Jeżeli ma wystąpić zjawisko flotacji tłuszczy czy ropopochodnych to właśnie tutaj. Urządzenia te, są ostatnimi urządzeniami będącymi w stanie zatrzymać grubsze zanieczyszczenia przed właściwym procesem oczyszczania biologicznego, chociaż pewne procesy biologiczne zachodzą również i tutaj. Oprócz redukcji zawiesin na poziomie 60- 70% są w stanie zniwelować około 30% BZT₅ oraz wyeliminować oleje i tłuszcze. Pełnią również ważną funkcję bufora dopływających ścieków. W niewielkim stopniu przyczyniają się do redukcji azotu i fosforu.

Praca osadników uzależniona jest od wielu czynników. Szczególną wrażliwość wykazują na obciążenia hydrauliczne, odpowiedni czas zatrzymania ścieków, konfigurację zbiornika czy rodzaju dopływających ścieków i ich temperaturę.

Drugim rodzajem osadników stosowanych w oczyszczalniach są osadniki wtórne. Ich zadaniem jest oddzielenie osadu czynnego lub błony biologicznej od oczyszczonych ścieków. Budową nie odbiegają od osadników wstępnych jednak proces sedymentacji przebiega nieco odmiennie. Zawiesiny w osadnikach wtórnych występują w znacznie wyższych koncentracjach i sedymentują trudniej ze względu na swoją lekkość. Pomimo gorszego opadania osadu wtórnego, efektywność pracy osadnika jest wyższa. Spowodowane jest to kłaczkowaniem osadu w większe kłaczki oraz występowaniem tzw. osadu zawieszonego. Filtruje on dopływające ścieki, w którym zatrzymywane są drobne i lekkie cząstki zawiesiny.

Podobnie jak duże oczyszczalnie, tak małe przydomowe, nie są prawidłowo w stanie funkcjonować bez osadników. W najprostszych oczyszczalniach, osadnikiem jest jedno lub kilkukomorowy zbiornik wykonany najczęściej z polietylenu, na dno którego opadają organiczne i nieorganiczne cząstki dopływające wraz ze ściekami tworząc osad (zachodzi proces sedymentacji). Redukcja zawiesin w tego typu urządzeniach mieści się w przedziale 60- 80%, przy równoczesnej redukcji związków organicznych wynoszącej 30- 40%. Zadaniem osadników gnilnych jest zatrzymanie substancji stałych w tym również tłuszczy jak i inicjacja pierwszych procesów biologicznych by dopływające ścieki do drenażu rozsączającego były pozbawione cząstek stałych i tłuszczy, mogących znacznie skrócić żywotność drenażu.

W pozostałych oczyszczalniach przydomowych z reguły mamy do czynienia z osadnikiem wstępnym, rzadziej z wtórnym. Zadaniem osadnika wstępnego jest retencjonowanie i zatrzymanie wszystkich grubszych zanieczyszczeń mogących wpłynąć niekorzystnie na pracę złoża czy osadu czynnego.

Sporadycznie ale występują na rynku oczyszczalnie z osadnikiem wtórnym. Ich zadaniem jest zatrzymanie odpadającej błony biologicznej od złoża czy redukcję kłaczków osadu czynnego z odpływających ścieków z oczyszczalni.

Oczyszczanie biologiczne

Oczyszczanie biologiczne stosuje się jako kolejny etap oczyszczania w przypadku, gdy zastosowane wcześniej metody nie zapewniają odpowiedniej jakości zrzucanych ścieków do odbiornika. Biologiczne oczyszczanie przebiega w warunkach tlenowych, niedotlenionych oraz beztlenowych i oparte jest na utlenianiu oraz mineralizacji związków organicznych zawartych w ściekach przy udziale mikro i makroorganizmów. Ujmując temat prościej, związki zawarte w ściekach stanowią pokarm i podstawę przemiany materii dla tychże organizmów. Proces ten jest identyczny, jak w przypadku samooczyszczania się zbiorników wodnych. Różnica polega na zwiększeniu szybkości, skuteczności i intensywności przebiegu procesu dzięki zastosowaniu mieszania, natleniania, utrzymywaniu odpowiedniej temperatury, pH itp. Biologiczne oczyszczanie nazywane jest zwykle oczyszczaniem drugiego stopnia (po mechanicznym), którego celem jest redukcja związków biogennych.

Dlaczego tak ważne jest usuwanie tych związków?

Bardzo dużym problemem wód bogatych w biogeny są tak zwane zakwity wywołane intensyfikacją rozwoju roślin, glonów i sinic. Ich obecność doprowadza do deficytu tlenowego pociągając za sobą masowe obumieranie flory i fauny. Skutkuje to z kolei nie tylko wydzielaniem się toksycznych substancji takich jak amoniak, metan i siarkowodór jak również prowadzi do gromadzenia się obumarłych szczątek na dnie zbiornika czy rzeki.

Do biologicznego oczyszczania ścieków jest wykorzystywane są następujące procesy:

• Nitryfikacja
• Denitryfikacja
• Defosfatacja

Nitryfikacja przebiega w dwóch etapach. W pierwszym następuje utlenianie azotu amonowego do azotynów przy udziale bakterii Nitrosomonas Nitrosococcus i Nitrosospira. Pierwszą fazę nitryfikacji można przedstawić za pomocą równania:

NH₄⁺ + 1,5O₂ NO₂^– + 2H⁺ + H₂O

W drugim etapie następuje utlenianie azotynów do azotanów przy udziale bakterii Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrosocystis i Nitrospira zgodnie z równaniem:

NO₂^– + 0,5O₂ NO₃^–

Przebieg nitryfikacji jest uzależniony od następujących czynników:

• Temperatura- optimum wynosi 25- 28°C, poniżej 5°C proces zostaje zahamowany;
• pH- optimum zawiera się w przedziale 7,5- 8,5;
• Stężenie tlenu rozpuszczonego- minimalne stężenie wynosi 1-2g*m^-3;
• Obciążenia masy osadu czynnego- parametr ten nie powinien przekraczać wartości 0,2kg BZT₅*kg^-1 suchej masy osadu*d^-1;
• Stężenia substancji toksycznych- szczególnie metale ciężkie mają działanie hamujące na przebieg nitryfikacji;

Denitryfikacja to beztlenowe oddychanie zwane też oddychaniem azotanowym, w którym akceptorem protonów są jony azotanowe, azotynowe, tlenek azotu lub podtlenek azotu. Zdolność prowadzenia denitryfikacji ma około 60% bakterii heterotroficznych, jednakże wewnątrzkomórkowe przemiany biochemiczne u poszczególnych rodzajów bakterii dalece się miedzy sobą różnią. Za proces denitryfikacji odpowiadają bakterie Peseudomonas, Alcaligenes, Achromobacter, Flavobacterium, Bacillus i Moraxella redukujące azotany do wolnego azotu. Istotnym jest aby ilość tlenu zawartego w ściekach nie przekraczała 0,5g*m^-3 ponieważ przy wyższych jego stężeniach to on jest wykorzystywany w procesie oddychania, a nie tlen zawarty w azotanach.

Etap denitryfikacji można przedstawić za pomocą równiania:

NO₃^– NO₂^– NO N₂O N₂(do atmosfery)

Przebieg denitryfikacji jest uzależniony od następujących czynników:

• Temperatura- optimum wynosi ok.20°C, poniżej 5°C proces zostaje zahamowany;
• pH- optimum zawiera się w przedziale 6,5- 7,5;
• Stężenie tlenu rozpuszczonego- nie przekracza 0,5g*m^-3;
• Ścieki muszą w swoim składzie zawierać azotany i związki węgla;

Eliminację fosforu ze ścieków nazywamy defosfatacją. W oczyszczaniu ścieków najczęściej wykorzystywana jest biologiczna, rzadziej chemiczna defosfatacja. Przebieg defosfatacji biologicznej, podobnie jak nitryfikacji odbywa się dwuetapowo. W pierwszym etapie w warunkach beztlenowych bakterie fosforowe Acinetobacter i Pseudomonas asymilują substancje organiczne zawarte w ściekach przekształcając je w substancję zapasową przy pozyskaniu energii z rozkładu polifosforanów z równoczesną emisją fosforanów do środowiska.

Po zmianie warunków beztlenowych na tlenowe następuje odwrócenie procesu z pierwszego etapu. Substancja zmagazynowana zostaje utleniona i powstała w ten sposób energia jest magazynowana w postaci polifosforanów przy równoczesnej asymilacji fosforanów ze ścieków, jednak z tą różnicą, iż ilość pobranych fosforanów jest znacznie większa niż uwolnionych do środowiska w pierwszym etapie. Różnica pomiędzy ilością fosforanów pobranych w drugim etapie do uwolnionych w pierwszym jest ilością usuniętego fosforu ze ścieków.

W przypadku chemicznego strącania fosforu zawartego w ściekach stosuje się sole glinu, żelaza i wodorotlenku wapnia.

Metody biologicznego oczyszczania ścieków

W oczyszczaniu biologicznym ścieków powszechnie stosowane są dwie metody oczyszczania ścieków. Są to:

• Złoża biologiczne;
• Metoda osadu czynnego;

Oczyszczanie metodą złoża biologicznego (kolejna technologia oczyszczania ścieków) sprowadza się do równomiernego i systematycznego dostarczania ścieków do materiału wypełniającego. Materiałem wypełniającym może być kruszywo, tufy wulkaniczne, gruz ceglany czy stosowane w ostatnich latach tworzywo sztuczne. Zwykle po kilku tygodniach od momentu uruchomienia na odpowiednio zwilżanym złożu wytwarza się na nim śluzowata błona biologiczna w skład której wchodzą mikroorganizmy roślinne i zwierzęce. Organizmy te, utleniają i mineralizują zawarte w ściekach substancje. Spływ ścieków po powierzchni rozrastającej się błony prowadzi do odrywania się jej fragmentów i odpływ wraz z oczyszczonymi ściekami do osadnika wtórnego. Wadą złóż jest znikoma redukcja fosforu.

Oferta przydomowych oczyszczalni ścieków działających w oparciu o złoże jest naprawdę ogromna. Na rynku znajdziemy urządzenia ze złożami zraszanymi i napowietrzanymi- tego typu urządzeń jest najwięcej. Pojawiają się też ciekawe rozwiązania w postaci złóż tarczowych czy luźno unoszonych kształtek w napowietrzanych ściekach, a na hybrydowych rozwiązaniach kończąc. Te ostatnie łączą dwie metody oczyszczania- złoża i osadu czynnego.

Oczyszczanie ścieków za pomocą osadu czynnego polega na wytworzeniu w objętości ścieków kłaczków o wymiarze 50- 100µm o bardzo silnie rozwiniętej powierzchni. Kłaczki zbudowane są z mineralnego jadra koloru brązowego lub beżowego, a na powierzchni w śluzowej otoczce występują liczne bakterie z grupy heterotrofów takich jak Acinetebacterium, Pseudomonas, Zoologloea, Enterobactericeae, Aerosomonas, Flavobacterium, Achromobacter i Micrococus.

Zanieczyszczenia organiczne są absorbowane na powierzchni kłaczków i mineralizowane na skutek metabolizmu zachodzących w mikroorganizmach. Aby zapewnić prawidłowy przebieg procesu, kłaczki powinny być równomiernie unoszone w masie ścieków przepływających 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 minimum 0,5mg*dm^-3.

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

Powstanie osadu czynnego w komorze napowietrzania wymaga czasu. Aby czas ten skrócić można stosować szczepienie osadu poprzez dodanie pewnej jego ilości ze ścieków wcześniej oczyszczonych. Stałe utrzymywanie kłaczków w stanie zawieszonym wymaga intensywnego mieszania zawartości reaktora. Stosuje się różne metody, od mechanicznego po dysze napowietrzające, które łączą w działaniu dwie funkcje mieszadeł i aeratorów. Po zakończeniu procesu napowietrzania ścieki kierowane są do osadnika wtórnego, gdzie następuje oddzielenie osadu czynnego od cieczy. Nadmiarowy osad poddawany jest odwodnieniu i suszeniu.

Przydomowe oczyszczalnie również wykorzystują powyższą technologię, oczywiście nieco uproszczoną by ograniczyć rozmiar urządzeń jak i zapewnić możliwie największą bezobsługowość dla przyszłych użytkowników. Na rynku można nabyć typowe rozwiązania z osadnikiem wstępnym, wtórnym oraz komorą osadu czynnego jak i SBRy (Sequential Batch Reactor) czyli oczyszczalnie w których, poza osadnikiem wstępnym, zasadnicze oczyszczanie odbywa się w reaktorze (jednym zbiorniku) po czym ścieki mogą zostać zrzucone do odbiornika lub zostać rozsączonymi w gruncie.

Oczyszczanie chemiczne

Do oczyszczania ścieków przemysłowych i niekiedy komunalnych, w których zawarte są chemiczne związki organiczne, metale ciężkie itp. zastosowanie znalazły metody fizyko- chemiczne jak i chemiczne. W zależności od składu możliwe jest stosowanie jednej lub kilku równocześnie, podanych niżej metod:

• Strącanie;
• Neutralizacja;
• Utlenianie i redukcja;
• Dezynfekcja;

Strącanie ma ogromne znaczenie w oczyszczaniu ścieków i polega ono na dozowaniu do ścieków chemicznych reagentów celem przekształcenia mikrozawiesin, koloidów i substancji rozpuszczonych w makrozawiesiny, które są usuwane mechanicznie. Bardzo popularną i uniwersalna metodą jest strącanie wapnem. Usuwa się w ten sposób związki organiczne, fosforany, metale ciężkie, węglany, siarczki, fluorki, metale ciężkie, a nawet azot amonowy. Wpływ Ca(OH)₂ działa deaktywująco na bakterie i wirusy, które giną powyżej pH równego 10,5.

Neutralizacja polega na zbliżeniu odczynu ścieków do obojętnego. Ścieki o kwaśnym odczynie najczęściej zobojętniane są wapnem rzadziej węglanem sodu czy marmurem. Neutralizacja ścieków alkalicznych przeprowadzana jest zazwyczaj z użyciem kwasu solnego lub siarkowego.

Proces utleniania lub redukcji jest praktykowany w oczyszczaniu ścieków przemysłowych. Polega na wprowadzeniu ścieków do silnego utleniacza lub reduktora. Chlor, pochodne chloru, ozon, nadmanganian potasu i tlen atmosferyczny mają właściwości utleniające i znalazły zastosowanie w oczyszczaniu ścieków z galwanizerii, odcieków z wysypisk, pralni, farbiarni i przemysłu celulozowego. Utlenianiu legają takie związki jak: cyjanki, siarczki, siarczyny, merkaptyny i organiczne związki refrakcyjne. W przemyśle garbarskim wykorzystywany jest proces redukcji chromu (VI) do chromu (III) przy uźyciu dwutlenku siarki, pirosiarczanu sodu czy siarczany żelaza (II).

Dezynfekcja jest procesem niszczenia niebezpiecznych dla człowieka drobnoustrojów przy użyciu metod chemicznych i fizycznych. Ścieki powstające w szpitalach, sanatoriach, laboratoriach mikrobiologicznych, domach opieki, rzeźniach i oborach wymagają dezynfekcji. Dezynfekcja jest również stosowana w procesie unieszkodliwiania odpadów powstających w oczyszczalniach ścieków tj. skratek, piasku i osadów. Do tego celu wykorzystuje się chlor gazowy, podchloryn sodu, wapno chlorowe, dwutlenek chloru, wapno, ług sodowy lub formaldehyd.

W przydomowych urządzeniach metody chemiczne praktycznie nie są stosowane.

Autor: Tomasz Widłak