Technologie
stosowane w
ochronie środowiska
Ochrona Środowiska, ROK II
Wykład 14
Technologie
stosowane w
ochronie środowiska
Ochrona Środowiska, ROK II
Wykład 14
Roślinne oczyszczalnie
ścieków
W ostatnich latach jako alternatywa
dla małych "technicznych" oczyszczalni
ścieków, szczególnie dla jednego lub
grupy budynków, pojawiły się
oczyszczalnie ścieków z udziałem
roślin.
Technologia oczyszczalni ścieków
przy użyciu roślin jest stosunkowo młoda.
Roślinne oczyszczalnie ścieków
Pierwsza tego typu oczyszczalnia powstała w
latach pięćdziesiątych w Izraelu, a w Europie
pierwsze prace badawcze zostały podjęte
równolegle przez Kathe Seidel z Instytutu
Limnologii Maxa Planka w Plon oraz R.
Kickutha z Instytutu Gleboznawstwa
Uniwersytetu w Getyndze w latach
sześćdziesiątych XX wieku.
W Polsce pierwsze prace rozpoczęto w
latach osiemdziesiątych i wtedy też
wybudowano pierwsze obiekty.
Roślinne oczyszczalnie ścieków można
ogólnie określić jako urządzenia, w których
oczyszczanie ścieków zachodzi przy udziale
roślin.
Roślinne oczyszczalnie ścieków
Synonimami sformułowania oczyszczalnie
roślinne są takie określenia jak:
• "oczyszczalnie hydrobotaniczne",
• "oczyszczalnie bagienne",
• "oczyszczalnie korzeniowe", czy bliżej
określające stosowaną technologię nazwy
tj.
• "pola trzcinowe",
• "oczyszczalnie korzeniowe",
• "oczyszczalnie gruntowo-roślinne" itp.
Rys. 1. Oczyszczalnia trzcinowa ze
zbiornikiem gnilnym i drenażem
rozsączającym
W Polsce szczególne zainteresowanie
towarzyszy oczyszczalnią z wykorzystaniem
trzciny (Phragmites australis syn.
Phragmites komunalis).
W zależności od zastosowanego
wypełnienia złoża oczyszczalnie trzcinowe
można podzielić na:
• z wypełnieniem żwirowym (metoda
Brixa),
• z wypełnieniem gruntem rodzimym z
dodatkami
(metoda Kickutha).
Oczyszczalnia trzcinowa
Glebowo-korzeniowa oczyszczalnia ścieków
systemem prof. Kickutha określana
popularnie jako „oczyszczalni trzcinowa”.
Jest to
oczyszczalnia III stopniowa
.
1.Podczyszczanie wstępne ścieków zachodzi w
3-komorowym, betonowym osadniku
gnilnym.
2.Drugi stopień oczyszczania to filtr glebowo-
korzeniowy umieszczony w wyfoliowanym
wykopie.
Wypełnienie złoża systemem prof.
Kickutha to głównie: grunt rodzimy, torf,
słoma, kora, bentonit i opiłki żelaza.
Złoże obsadzone jest trzciną
.
• Odbiornikiem ścieków jest usytuowany obok
staw, który jednocześnie stanowi III stopień
oczyszczania.
Oczyszczanie ścieków w oczyszczalniach
trzcinowych jest wynikiem współdziałania
procesów mechanicznych, chemicznych i
biologicznych zachodzących w środowisku
gruntowo-wodnym.
Trzcina posadzona w tej oczyszczalni ma na celu:
• transportowanie tlenu poprzez źdźbła do kłączy i
korzeni, a następnie do strefy gruntu wokół
korzenia,
• rozluźnienie struktury gruntu poprzez
przerastanie korzeniami, a tym samym
zwiększenie współczynnika filtracji,
• biokatalityczne działanie korzeni pozwalające na
optymalny przyrost mikroorganizmów w strefie
gruntowo-wodnej,
• pobieranie przez roślinę substancji pokarmowych
i wbudowywanie ich w swoje komórki.
Rys. 2. Typowa budowa poletek do oczyszczania ścieków
Cechy oczyszczalni trzcinowej:
• W oczyszczalniach trzcinowych osiągane są
wysokie efekty oczyszczania zarówno w
zakresie zawiesiny, jak i BZT oraz związków
biogennych. Efektywność oczyszczalni w
okresie zimowym obniża się o ok. 10-20%.
• Dla prawidłowej pracy oczyszczalnie
trzcinowe wymagają skutecznych urządzeń
do mechanicznego oczyszczania ścieków.
• Niezbędny okres dla wpracowania się
oczyszczalni trzcinowych ścieków i
ustabilizowania się odpływu wynosi 2-3 lat.
• Stwierdzono, że w oczyszczalniach trzcinowych
zachodzi wysokoefektywne usuwanie ze ścieków
metali ciężkich, które kumulują się w złożu
gruntowym.
• W otoczeniu oczyszczalni trzcinowych nie występują
nieprzyjemne odory, chyba że z nieprawidłowo
eksploatowanych urządzeń mechanicznych.
• Stwierdzono w praktyce znaczne różnice pomiędzy
ilością ścieków dopływających, a odpływających
wynikającej z różnicy pomiędzy parowaniem a ilością
opadów. W małych oczyszczalniach może dojść w
okresach letnich do braków wypływu.
W fazie eksploatacji oczyszczalnia powinna być pod
stałym dozorem technologicznym.
Oczyszczalnia typu osadnik gnilny z drenażem
rozsączającym firmy NEVEXPOL.
Jest to osadnik jednokomorowy wykonany z
tworzywa sztucznego o pojemności 2 m
3
wyposażony
w filtr. Drugi stopień oczyszczania spełnia drenaż
rozsączający, wykonany z rur PCV, ułożonych w
wykopie na kamiennym tłuczniu o granulacji 20-60
mm. Odbiornikiem oczyszczonych ścieków jest grunt
właściciela działki.
Rys. 3. Oczyszczalnia ze zbiornikiem gnilnym i
drenażem rozsączającym
Oczyszczalnia hydrobotaniczna ze złożem o
przepływie poziomym z nasadzeniem wierzby.
Obiegowa nazwa tej oczyszczalni funkcjonuje jako
„oczyszczalnia wierzbowa”.
Wstępne
podczyszczanie ścieków odbywa się w
dwukomorowym osadniku gnilnym.
Filtr gruntowo - roślinny o pojemności 180
m
3
stanowiący II stopień oczyszczania wykonany
jest jako niecka. Dno i skarpy tej niecki wykłada
się folią z tworzywa sztucznego Wypełnienie
stanowi rodzimy grunt przepuszczalny. Filtr
obsadza się wierzbą Salix viminalis.
Odbiornikiem oczyszczonych ścieków jest
staw usytuowany w obrębie gospodarstwa lub inny
zbiornik wodny znajdujący się w okolicy, który
jednocześnie spełnia rolę III stopnia oczyszczania.
Rys. 4. Oczyszczalnia wierzbowa
Trzeci i czwarty stopień
oczyszczania
•
Usuwanie azotu ze ścieków
•
Usuwanie fosforu ze ścieków
•
Proces odnowy wody
Zanieczyszczenia organiczne mogą być bardzo
różnymi związkami chemicznymi.
Składają się przeważnie z węgla, tlenu, wodoru i
azotu. Dla
uproszczenia dalszych rozważań
można przyjąć zastępczy wzór chemiczny
C
10
H
19
O
3
N.
Bakterie są organizmami o ogromnej zdolności
przystosowawczej i potrafią realizować te procesy
zarówno w warunkach tlenowych jak i przy jego
braku
.
Utlenianie w celu zdobycia energii
można przedstawić w uproszczeniu
następującym wzorem:
C
10
H
19
O
3
N + 12,5 O
2
= 9 CO
2
+ 7 H
2
O +
NH
4
+
+ HCO
3
-
W wyniku działalności mikroorganizmów
zanieczyszczenia organiczne rozłożone
zostają do prostych związków
nieorganicznych. Powstaje woda, ditlenek
węgla, który może zostać spożytkowany np.
przez rośliny oraz jon amonowy NH
4+
i anion
wodorowęglanowy HCO3-.
Powstanie tych jonów to dosyć ważny
"efekt uboczny".
Nastąpiła przemiana azotu zawartego w
związku organicznym do formy nieorganicznej
- tzw. azotu amonowego.
Zjawisko to nazywane jest
amonifikacją.
Azot amonowy jest dosyć toksyczny i może
przechodzić przy wysokim pH w jeszcze
bardziej trujący amoniak (NH
3
).
W procesie wysokoobciążonym (np.
podczas oczyszczania ścieków) biomasy jest
tak dużo, że bakterie intensywnie się mnożą i
istniej konieczność stałego usuwania ich
nadmiaru.
Uproszczona reakcja budowy biomasy
wygląda następująco:
C
10
H
19
O
3
N + 1,5 NH
3
+ 2,5 CO
2
=
2,5 C
5
H
7
NO
2
+ 3 H
2
O
Efektem działania mikroorganizmów nie
jest pełne przetworzenie związków
organicznych na proste związki mineralne, ale
ich rozkład na prostsze związki organiczne.
Te beztlenowe procesy przemiany
materii nazywane są fermentacją. Istnieje
wiele rodzajów fermentacji, i bardzo różne
mogą być jej produkty.
Ich efektem jest powstawanie siarkowodoru
(H
2
S). Jest to związek silnie toksyczny o
charakterystycznym nieprzyjemnym zapachu.
Nitryfikacja
Nitryfikacja
NITRYFIKACJA
Jeszcze do niedawna biologiczne metody
oczyszczania ścieków nastawione były
głównie na rozkład związków organicznych.
Okazało się jednak, że można doskonale
oczyścić pod tym względem ścieki a ich
wpuszczenie do rzeki czy jeziora może i tak
spowodować jej śmierć biologiczną.
Woda zawierająca substancje będące
świetnymi nawozami (związki azotu i fosforu)
może nie być toksyczna dla organizmów
żywych. Wręcz przeciwnie - wywołuje
eksplozję życia - zwłaszcza glonów.
Nazywa się to eutrofizacją zbiornika.
Dochodzi do tzw. zakwitu wody
Metody oczyszczania wody z związków
azotu
.
W praktyce stosuje się obecnie jedynie
metody biologiczne. Składają się one z dwóch
etapów: nitryfikacji i denitryfikacji.
Nitryfikacja jest procesem realizowanym głównie
przez bakterie Nitrosomonas i Nitrobacter.
Są to mikroorganizmy, które jako budulec
własnego ciała wykorzystują podobnie jak rośliny
proste związki nieorganiczne: wodę i dwutlenek
węgla. Niezbędną do życia energię uzyskują
natomiast w wyniku chemicznej reakcji
utleniania azotu amonowego do azotanów(III) a
następnie azotanów(III) do azotanów(V).
W uproszczeniu bakterie Nitrosomonas
przeprowadzają więc reakcję:
NH
4
+
+ 1,5 O
2
= NO
2
-
+ 2H
+
+ H
2
O + 352
kJ
bakterie Nitrobacter:
NO
2
-
+ 0,5 O
2
= NO
3
-
+ 73 kJ
W wyniku działalności tych pożytecznych
mikroorganizmów następuje więc
przekształcenie stosunkowo toksycznego
azotu amonowego (NH
4
+
i NH
3
) powstałego w
wyniku amonifikacji w znacznie mniej
szkodliwy azot azotanowy(V) (NO
3
-
).
Drugi etap nitryfikacji przeprowadzany
przez Nitrobacter przebiega znacznie
szybciej i cały wytworzony azot azotanowy(III)
(NO
2
-
) jest praktycznie natychmiast
przetwarzany.
„Efekt uboczny" nitryfikacji.
W wyniku działania Nitrosomonas
powstaje wolny kwas (H
+
).
Reaguje on z zawartą w wodzie
zasadowością powodując jej zużycie.
H
+
+ HCO
3
-
= CO
2
+ H
2
O
Denitryfikacja jest coraz częściej
stosowanym procesem również w polskich
oczyszczalniach ścieków.
Do jego realizacji konieczne jest stworzenie
warunków niedotlenionych. Warunki
niedotlenione to takie, w których tlen nie
występuje w formie cząsteczkowej (O
2
) ale jest
obecny w formie związanej chemicznie, np. w
postaci azotanów (NO3-).
W takiej sytuacji bakterie nie mogą używać do
oddychania tlenu cząsteczkowego i muszą
wykorzystywać ten związany chemicznie.
Następuje więc wykorzystanie tlenu zawartego
w azotanach w myśl uproszczonej reakcji:
NO
3
-
+ 0,5 H
2
O -> 0,5 N
2
+
2,5 O + OH
-
W wyniku aktywności życiowej
mikroorganizmów następuje przekształcenie
azotu azotanowego w formę cząsteczkową N
2
,
który jest gazem i ulatnia się z wody w
powietrze.
Następuje całkowite usunięcie azotu z
wody. Oczywiście i w tym przypadku występują
"efekty uboczne". Oprócz azotu i tlenu
powstaje przecież wolna zasada (OH-), która
reaguje z rozpuszczonym w wodzie
dwutlenkiem węgla tworząc wodorowęglany, a
więc zwiększając zasadowość.
CO
2
+ OH
-
= HCO
3
-
Bakterie denitryfikacyjne mogą odżywiać
się jedynie łatwoprzyswajalnymi związkami
organicznymi.
W rozwiązaniach przemysłowych stosuje
się dokarmianie bakterii denitryfikacyjnych
tzw. lotnymi kwasami tłuszczowymi (LKT).
Jest to bardzo dobry i tani pokarm, który
powstaje w wyniku fermentacji części ścieków
na oczyszczalni. Inne dobre pożywki to
etanol, metanol, kwasy organiczne, skrobia,
kazeina, aceton, żelatyna, glukoza, metan,
sacharoza i glikol.
Do rozkładu związków organicznych i
nitryfikacji potrzebny jest tlen. Uniemożliwia on
natomiast przeprowadzenie denitryfikacji.
W praktyce nie da się więc przeprowadzić
całego procesu biologicznego w jednej
objętości. Dlatego zazwyczaj denitryfikatory,
czyli urządzenia, w których realizuje się
denitryfikację są oddzielnymi urządzeniami.
W literaturze pojawiają się wzmianki o tym,
że możliwe jest całkowite usuwanie azotu również
w warunkach tlenowych.
Okazuje się, że niektóre bakterie
nitryfikacyjne są w stanie przeprowadzić również
denitryfikację w obecności tlenu rozpuszczonego.
Istnieje również technologia utleniania
azotu amonowego z wykorzystaniem
azotanów(III). Reakcja pozwalająca na
zdobywanie energii wygląda następująco:
NH
4+
+ NO
2
- = N
2
+ 2 H
2
O
Proces ten, znany pod nazwą ANNAMOX
®
, jest
realizowany przez nie wyodrębnione jeszcze
bakterie i wymaga pH około 8 oraz wysokiej
temperatury (około 36° C).
Usuwanie związków fosforu metodami
biologicznymi
Obecne w ściekach związki chemiczne
zawierające fosfor intensyfikują, podobnie jak
te które zawierają azot, proces eutrofizacji.
Z tego powodu i one muszą być usuwane ze
ścieków zanim trafią do otwartych wód i tam
gromadzić się w dużych ilościach. Do eliminacji
związków zawierających fosfor stosowane są
metody biologiczne i chemiczne
.
Do usuwania związków fosforu ze
ścieków wykorzystuje się zdolność
niektórych bakterii, na przykład z rodzaju
Acinetobacter i Arthrobacter,
magazynowania w komórkach takich ilości
fosforu, które przewyższają ich potrzeby
fizjologiczne.
W komórkach bakterii fosforowych
(bakterii wykazujących właściwości
akumulowania dużej ilości fosforu) mogą być
gromadzone cykliczne, skondensowane
metafosforany, liniowe skondensowane
polifosforany oraz usieciowane
skondensowane polifosforany.
Wzmożone gromadzenie
polifosforanów komórkach może być
wynikiem:
• chwilowego deficytu azotu lub siarki w
podłożu,
• wzrostu stężenia fosforu w podłożu po
okresie jego deficytu (mechanizm ten nosi
nazwę nadmiernej kompensacji fosforanów i
charakterystyczny jest on dla
mikroorganizmów bytujących w wodach
powierzchniowych),
• przemiennego występowania warunków
beztlenowych i tlenowych.
Ostatni mechanizm jest powszechnie
wykorzystywany do eliminacji fosforu ze ścieków,
które oczyszcza się najpierw w środowisku
beztlenowym, a następnie tlenowym, co sprzyja
rozwojowi bakterii fosforowych.
Efektywność tego procesu zależy od wielu
czynników: m.in. od wieku osadu czynnego i jego
obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń organicznych.
Skuteczność tej metody usuwania fosforu
pogarsza się w miarę dłuższego czasu przebywania
biomasy w układzie oczyszczania i zmniejszania ilości
zanieczyszczeń organicznych. Istotne znaczenie ma
także właściwa praca osadnika wtórnego.
Zbyt
długi czas przetrzymywania w nim osadu sprzyja
powstawaniu warunków beztlenowych, co skutkuje
uwalnianiem fosforu do ścieków, a jego przeciążenie
sprawia, że do odpływających oczyszczonych ścieków
przedostaje się zbyt dużo zawiesin z wbudowaną
podwyższoną ilością fosforu.