7. Sztuczne metody oczyszczania ścieków
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 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.
Mniejsza granulacja kruszywa zapewnia korzystniejsze warunki dla ilościowego rozwoju błony biologicznej, jest natomiast niekorzystna 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 wysokości). 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/q 2/3).
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.
Sposoby napowietrzania ścieków:
ciąg naturalny,
sztucznie (dmuchawy),
poprzez obrót bębna lub tarcz.
Budowa złoża klasycznego:
dno złoża,
obudowa złoża,
pompownia,
osadnik wtórny.
Budowa złoża obrotowego (tarczowe, bębnowe):
komora przepływowa ścieków,
przegrody,
złoże,
pokrywa,
napęd,
dopływ i odpływ ścieków.
Proces oczyszczania ścieków na złożach biologicznych zachodzi w czasie przepływu ścieków przez materiał wypełniający złoże. Na powierzchni materiału wypełniającego rozwija się błona biologiczna, 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 sprawności złoża uzależnione jest od: możliwości rozwoju na danych ściekach błony 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 mgO2/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. 6ºC następuje całkowite zahamowanie procesu oczyszczania zaś w 10ºC sprawność wynosi 62% w stosunku do sprawności w temp. 20ºC. Gwałtowny spadek sprawności występuje po przekroczeniu 38ºC. 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”.
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.
1