CHARAKTERYSTYKA WYBRANYCH RODZAJÓW ŚCIEKÓW.

Scharakteryzowanie danego rodzaju ścieków jest zabiegiem trudnym, ponieważ powstawanie ich odbywa się najczęściej w sposób losowy. Dobowy odpływ ścieków i ilość wprowadzonych do nich zanieczyszczeń charakteryzują się specyficznym rozkładem losowym. W procesach produkcyjnych istnieje większa powtarzalność ilości odpływających ścieków i zanieczyszczeń. W przypadku ścieków bytowo-gospodarczych ładunki zanieczyszczeń podawane są na jednego mieszkańca i dobę, w przypadku hodowli zwierząt na dobę i tzw dużą jednostkę przeliczeniową (DJP), tj. równoważną liczbę zwierząt, których masa ciała jest równa 500kg. Ładunki zanieczyszczeń zawarte w ściekach przemysłowych mogą być podawane w odniesieniu do jednostki surowca, a także na jednostkę produktu finalnego (np. na tonę żywca przerabianego przez zakłady mięsne) lub na jednostkę wykonanych usług (np. w myjniach samochodowych na jeden wymyty samochód). W przypadku ścieków opadowych ładunek zanieczyszczeń podaje się w przeliczeniu na powierzchnię odwadnianego terenu. Bardzo często ładunki zanieczyszczeń przelicza się na tzw. równoważną liczbę mieszkańców(RLM - jest to wartość przeliczeniowa otrzymana z porównania ścieków przemysłowych i usługowych ze ściekami bytowo gospodarczymi ze względu na dobową ilość ścieków lub dobową ilość zanieczyszczeń zawartych w ściekach ). Prowadzenie ciągłych pomiarów natężeń przepływu ścieków i stężeń zanieczyszczeń jest bardzo kosztowne dlatego stosuje się uproszczenia. Wprowadza się pojęcie stężenia reprezentatywnego, które jest bliskie średniemu stężeniu z danego przedziału czasowego. Jeżeli próbki ścieków będą pobierane proporcjonalnie do objętości ścieków z pewną stałą proporcjonalności, a następnie zlewane do jednej wspólnej próby, to ładunek zanieczyszczeń zawarty w tej próbie będzie proporcjonalny do ładunku który odpłynął ze ściekami z pewną stałą proporcjonalności.

Urządzenia służące do automatycznego pobierania prób ścieków w celu określenia stężeń reprezentatywnych nazywają się samplerami. Wyróżnia się samplery:

automatyczne - pobierają próby ścieków proporcjonalnie do ilości odpływających ścieków, współpracują z przepływomierzami określającymi ilości odpływających ścieków;

czasowe - umożliwiają poznanie dynamiki zmian składu ścieków w ciągu doby. Próby są pobierane do oddzielnych pojemników np. co godzinę. Obsługa oczyszczalni ścieków po pewnym czasie wyjmuje pojemniki i na podstawie pomiaru natężenia przepływu miesza ścieki z poszczególnych prób proporcjonalnie do ustalonych objętości odpływających ścieków. W oczyszczalniach ścieków komunalnych zlewa się próby z jednej doby (uzyskuje się tzw. średniodobową próbę zlewaną).

CHARAKTERYSTYKA ŚCIEKÓW KOMUNALNYCH

1. Ścieki komunalne ze względu na miejsce powstawania charakteryzują się bardzo zróżnicowanym składem jakościowym i Ilościowym. Główne zanieczyszczenia występujące w ściekach komunalnych to:

a) substancje organiczne

b) zanieczyszczenia biogenne (związki azotu NO₃^- i fosforu PO₄^3-) (powodują eutrofizację wód naturalnych i masowy rozwój glonów)

2. Oczyszczanie ścieków komunalnych w oczyszczalniach mechaniczno-biologicznych

Ścieki komunalne najczęściej są oczyszczane w oczyszczalniach mechaniczno-biologicznych.

Procesy te są stosowane do przygotowania ścieków do dalszych operacji technologicznych. Zadaniem wstępnego oczyszczania jest usunięcie większych zanieczyszczeń stałych pływających lub wleczonych. Do procesów mechanicznych zalicza się: cedzenie, filtrację i sedymentację.

Następnym etapem oczyszczania jest oczyszczanie biologiczne, realizowane za pomocą osadu czynnego (tzw biomasy). Osad czynny jest utrzymywany w postaci zawiesiny w komorach napowietrzania. Mikroorganizmy osadu czynnego wykorzystują zanieczyszczenia zawarte w ściekach Jako pożywkę i w wyniku tlenowego rozkładu zanieczyszczeń następuje ich przyrost ilościowy. Kolejny etap oczyszczania to sedymentacja w wyniku której oczyszczane ścieki są oddzielane od osadu czynnego. Oczyszczone ścieki odprowadzane są do odbiornika powierzchniowego, a osad czynny jest częściowo recylkulowany do komór napowietrzania. Powstała część osadu jest odprowadzana z oczyszczalni Jako tzw. osad nadmierny, który poddawany jest dalszej przeróbce.

rys. Zasada oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego (SO - ścieki oczyszczone, OC - osad czynny)

3. Zasada oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego

Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego jest wzorowane na tlenowych procesach samooczyszczenia, zachodzących w wodach powierzchniowych i polega na mineralizacji zanieczyszczeń organicznych znajdujących się w ściekach przez drobnoustroje osadu czynnego w instalacjach technicznych. W wyniku tego procesu mikroorganizmy uzyskują energię niezbędna do życia, powodują mineralne formy węgla, azotu, fosforu i siarki oraz następuje przyrost biomasy.

Osad czynny jest kłaczkowatą zawiesina złożoną głównie z bakterii a także z pierwotniaków – orzęsków i wiciowców oraz Wrotków i innych grzybów, może zawierać cząstki zawiesin mineralnych. Kłaczki osadu czynnego powstają na skutek wydzielania przez komórki bakteryjne otoczek śluzowych.

4. Procesy biochemicznego rozkładu związków organicznych

1. amonitryfokacja

2. nitryfikacja

3. denitryfikacja

1. Amonitryfikacja – jest procesem w którym azot zawarty w związkach organicznych jest przekształcany do azotu amonowego przy udziale bakterii heterotroficznych

N_org. mikroorganizmy NH₄⁺/NH₃

1. Nitryfikacja – jest procesem dwuetapowym w którym azot amonowy jest utleniany do azotanów(III) i dalej do azotanów(V) przy udziale autotroficznych bakterii NITROSOMONAS i NITROBACTER.

1. Denitryfikacja – jest procesem w którym azotany (V) są redukowane do wolnego azotu atmosferycznego uwalnianego ze środowiska wodnego do atmosferycznego. Jest wynikiem działania bakterii heterotroficznych tj. ACHROMOBACTER, AEROBACTER, BACILLUS.

W procesie denitryfikacji oprócz redukcji związków azotu, ulegają rozkładowi również związki węgla do CO₂ i H2O. Do denitryfikacji konieczne są: obecność azotanów w mieszaninie ścieków i osadów, warunki niedotleniania, odpowiednia masa bateryjna i źródło energii w postaci substancji organicznych.

C_org. utlenienie ⁽⁺⁴⁾CO₂ + H₂O

5. Usuwanie związków fosforu ze ścieków:

1. defosfatacja biologiczna

2. defosfatacja chemiczna

1. Defosfatacja biologiczne – to zwiększone usuwanie fosforu ze ścieków przy udziale bakterii ACINETOBACTER, ARTHROBACTER, GLOBIFORMIS, które akumulują fosfor w swoich komórkach w postaci polifosforanów. W układzie oczyszczania utrzymywane SA przemiennie warunki tlenowe i beztlenowe.

2. Defosfatacja chemiczna – to proces chemicznego strącania ze ścieków fosforanów(V) solami żelaza lub glinu (koagulanty PIX lub PAX). W wyniku strącania powstają trudno rozpuszczalne osady pokoagulacyjne.

6. Systemy osadu czynnego

Reaktory biologiczne stosowane w technologii osadu czynnego są owalnymi lub okrężnymi zbiornikami wyposażonymi w system przegród, przez które przepływają ścieki. Przegrody mają na celu wydłużenie drogi przepływu ścieków oraz wydłużenie czasu zatrzymania ścieków w bioreaktorach.

Napowietrzanie i mieszanie ścieków w rowach biologicznych odbywa się za pomocą szczotek mechanicznych, aeratorów powierzchniowych lub kombinacji dyfuzorów i mieszadeł.

do pkt 5

W wyniku systematycznego wzrostu ładunków zanieczyszczeń w ściekach komunalnych coraz częściej stosuje się defosfatacje chemiczną – koagulacje – która stanowi uzupełnienie oczyszczania mechaniczno-biologicznego.

Proces koagulacji zależności od miejsca dodawania reagentów można podzielić na:

- dozowanie bezpośrednie – prowadzone w oczyszczaniach mechanicznych. Koagulanty dozowane są bezpośrednio przed osadnikami wstępnymi.

- wstępne – prowadzone w oczyszczalniach mechaniczno-biologicznych, koagulanty dozowane są przed osadnikami wstępnymi

- symultaniczne – koagulanty dozowane są przed stopniem biologicznym lub przed osadnikami wstępnymi, jest to najbardziej rozpowszechniona metoda strącania fosforanów

- wielopunktowe – dozowanie koagulantów jest jednoczesne przed stopniem mechanicznym i biologicznym

- końcowe – reagenty dozowane są przed osadnikami końcowymi

koagulanty PIX Fe³⁺ + PO₄^3- = FePO₄ ↓

koagulanty PAX Al³⁺ + PO₄^3- = AlPO₄ ↓

Proces strącania fosforanów(V) można prowadzić przy użyciu innych koagulantów np. wodorotlenku wapnia lub glinianu sodu.

7. Monitoring pracy oczyszczalni ścieków

W zależności od wielkości oczyszczalni i zastosowanych technologii oczyszczania ścieków różny jest zakres wykonanych badań i obserwacji.

oczyszczalnie o przepustowości < 200 m³/d

oczyszczalnie o przepustowości od 200m³/d – 5000 m³/d

rys. przykład opomiarowania układu technologicznego dużej oczyszczalnie ścieków

Monitorowanie pracy oczyszczalni ścieków umożliwia:

- szybkie wykrycie awarii urządzeń mechanicznych,

- rozpoznanie zmienności natężeń przepływu i ładunków zanieczyszczeń zawartych w ściekach dopływających do oczyszczalni

- ochronę części biologicznej oczyszczalni przed stanami awaryjnymi

- dokładne określenie kosztów eksploatacji oczyszczalni i archiwizacji parametrów pracy oczyszczalni

8. Odpady i osady ściekowe powstające w procesie oczyszczalni ścieków

- skratki (ok. 300 kg na dobę)

- piasek (ok. 500 kg na dobę)

- osad wstępny (ok. 10-20 ton na dobę)

- osad nadmierny (ok. 50 ton na dobę)

- osad pokoagulacyjny (

Układ technologiczny mechaniczno-biologicznej oczyszczalnie ścieków składa się z oczyszczalnia mechanicznego (realizowanego w kratach, piaskownikach, osadnikach wstępnych), oczyszczania biologicznego (realizowanego w reaktorach biologicznych, osadnikach wtórnych, w skład części biologicznej wchodzi system recyrkulacji osadu czynnego ). Części gospodarki osadami ściekowymi składa się z:

- zagęszczaczy osadów,

- podgrzewaczy osadów,

- wtórnej komory fermentacyjnej WKF

- bloków przygotowywania reagentów

- zbiornika na biogaz

9. Procesy przeróbki i osadów ściekowych:

a) zagęszczanie – jest to zmniejszenie uwodnienia osadów do ok. 92-94% , usuwana jest tylko woda wolna. Zagęszczanie może być:

- grawitacyjne poprzez sedymentację w tzw. zagęszczaczach,

- mechaniczne wykorzystujące filtracje (na prasach filtracyjnych) i wirowanie (w wirówkach sedymentacyjnych),

- flotacyjne które polega na wynoszeniu osadów na powierzchnie zagęszczacza

b) kondycjonowanie – jest to chemiczna lub fizyczna obróbka osadów prowadząca do poprawy zdolności do zagęszczania lub odwadniania. Kondycjonowanie prowadzi się poprzez zmieszanie osadów ściekowych z np. polielektrolitami, koagulantami mineralnymi lub z pyłem węglowym w przypadku późniejszego ich spalania

c) stabilizacja beztlenowa (fermentacja metanowa) - beztlenowy rozkład związków organicznych w temperaturze 30-35^oC, który prowadzi do powstawania BIOGAZU. Fermentacji metanowej poddawany jest osad wstępny. Proces ten zachodzi w tzw. wtórnej komorze fermentacji. Biogaz jest to mieszanina dwutlenku węgla i metanu, oprócz tego mogą występować inne gazy: siarkowodór, azot gazowy, wodór gazowy.

d) higienizacja – usuwanie zanieczyszczeń biologicznych, pasożytów i innych niepożądanych mikroorganizmów z osadów ściekowych. Higienizacja przebiega poprzez mieszanie osadów ściekowych z wapnem palonym [CaO] lub hydratyzowanym [Ca(OH)₂]

e) detoksykacja – usuwanie z osadów ściekowych substancji niebezpiecznych dla środowiska: metali ciężkich, węglowodorów aromatycznych, substancji radioaktywnych, itp.

f) odwadnianie – jest to obniżenie zawartości wody do uwodnienia 50-80%. Odwadnianie może być:

- mechaniczne (na prasach lub wirówkach filtracyjnych)

- odwadnianie poprzez suszenie termiczne w suszarniach

- naturalne, wykorzystuje naturalne procesy filtracji i parowania (jest prowadzone na poletkach osadowych lub w tzw. lagunach osadowych)

Biogaz nadający się do celów energetycznych może powstawać w procesie fermentacji beztlenowej. Fermentacja beztlenowa jest złożonym procesem biochemicznym w wyniku którego substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste, głownie metan i dwutlenek węgla. W procesie fermentacji metanowej do 60% substancji organicznej zostaje zamienione w biogaz.

Biogaz składa się z:

- metan – CH₄ – 55-70%

- ditlenek węgla CO₂ – 32-37%

- azot N₂ – 20-0,4 %

- siarkowodór H₂S – kilka %

- wodór H₂ – kilka %

Tempo rozkładu substancji organicznych zależy w głównej mierze od charakterystyki i masy surowca, od temperatury oraz optymalnego czasu trwania procesu. Osad wstępny nadaje się do fermentacji metanowej, natomiast osad nadmierny może być poddawany fermentacji metanowej. Wykorzystanie powstałego w procesie fermentacji beztlenowej biogazu do wytwarzania do energii cieplnej wymaga linii technologicznej która umożliwia:

• odbiór biogazu z komór fermentacyjnych

• oczyszczanie mechaniczne i odsiarczanie biogazu

• magazynowanie biogazu w zbiornikach stabilizujących ciśnienie

• osuszanie biogazu a następnie spalanie tego biogazu i przetwarzanie na energie cieplna

Biogaz na oczyszczalni ścieków służy do ogrzewania budynków socjalnych, do podgrzewania osadów ściekowych (w okresie zimy podgrzewanie osadu recyrkulawanego, przez cały rok do podgrzewania osadu wstępnego przeznaczonego do fermentacji metanowej)

Niektóre oczyszczanie mają własny generator prądowy i przetwarzają biogaz na energie elektryczną.

METODY WYKORZYSTANIA OSADÓW ŚCIEKOWYCH

• produkcja biogazu

• rolnicze wykorzystanie do nawożenia gruntów lub przetwarzanie na karmę dla zwierząt domowych i ptactwa

• wykorzystanie przyrodnicze do rekultywacji terenów, do użyźniania gleb i do przetwarzania na kompost

• przerabianie osadów ściekowych w celu wykorzystania tłuszczów

• produkcja mas plastycznych

ZAGADNIENIA

1. Charakterystyka wybranych rodzajów ścieków

2. Charakterystyka ścieków komunalnych

3. Oczyszczanie ścieków komunalnych w oczyszczalniach mechaniczno-biologicznych

4. Zasada oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego

5. Procesy biochemiczne rozkładu związków organicznych

6. Systemy osadu czynnego

7. Monitoring pracy oczyszczalni ścieków

8. Odpady i osady ściekowe powstające w procesie oczyszczania ścieków

9. Procesy przeróbki osadów ściekowych

10. Wykorzystanie osadów ściekowych