BIOLOGICZNE METODY OCZYSZCZNIA ŚCIEKÓW
Procesy biologiczne na dzień dzisiejszy odgrywają najważniejszą rolę przy oczyszczaniu ścieków zawierających substancje łatwo rozkładalne.
Proces biologicznego oczyszczania ścieków sprowadza się do ustalenia optymalnych warunków rozwoju mikroorganizmów. Oczyszczanie biologiczne powstało w wyniku obserwowania środowiska naturalnego i wykorzystania warunków do oczyszczania ścieków lub odtworzenie takich warunków w układach sztucznych.
Istotą procesu biologicznego oczyszczania ścieków jest zatrzymywanie zanieczyszczeń organicznych czy koloidalnych zawartych w ściekach na powierzchni mikroorganizmów, następnie utlenianie ich przez mikroorganizmy do związków mineralnych, takich jak H2O i CO2. Rozkładowi zanieczyszczeń towarzyszy wydzielenie energii oraz powstanie nowych komórek mikroorganizmów. Proces biologicznego oczyszczania ścieków przebiega przy udziale enzymów wydzielanych przez mikroorganizmy, dlatego też rozwój mikroorganizmów wywiera wyraźny wpływ na szybkość i przebieg reakcji. Rozwój mikroorganizmów w danym środowisku uzależniona jest od następujących czynników:
- ilości substancji pożywkowych znajdujących się w ściekach
- temperatura procesu
- pH
- obecność w ściekach substancji toksycznych
Jeżeli w środowisku nie są zapewniane optymalne warunki dla rozwoju mikroorganizmów, to ich namnażanie może przebiegać w inny sposób i ustala się zespół czynników warunkujących przebieg procesów.
Układ dąży zawsze do wytworzenia równowagi pomiędzy przyrostem nowych komórek a obumieraniem starych.
W trakcie prowadzenia procesów biologicznych, obserwujemy różną ich efektywność.
Prowadząc procesy w warunkach naturalnych, uzyskujemy całkowity rozkład zanieczyszczeń organicznych. Przy oczyszczaniu ścieków w warunkach sztucznych, uzyskujemy zmienną efektywność procesu:
- dla złóż biologicznych: 80%
- dla osadu czynnego w układzie konwencjonalnym: 45%
Zarówno w przypadku złóż biologicznych, jak i osadu czynnego, dochodzi do wytworzenia martwej masy organicznej. Jest ona wydzielana ze ścieków oczyszczonych, w osadnikach wtórnych, umieszczonych zawsze za reaktorami biologicznymi.
W przypadku biologicznego oczyszczania ścieków, należy pamiętać, że jest to proces wrażliwy na obecność substancji organicznych toksycznych. Substancje takie jak: fenole czy różnego typu detergenty, mogą spowodować spowolnienie, a czasami całkowite zahamowanie procesu biologicznego.
Drugim warunkiem przebiegu procesu biologicznego oczyszczania ścieków jest zapewnienie w ściekach związków: fosforu i azotu. Są to składniki niezbędne mikroorganizmom do odpowiedniego przebiegu procesów fizjologicznych.
W przypadku ścieków bytowo-gospodarczych, zawartość azotu i fosforu jest wystarczająca. Natomiast w przypadku ścieków przemysłowych, dochodzi bardzo często do deficytu tych składników.
Dlatego jeżeli wybieramy oczyszczanie ścieków przemysłowych na drodze biologicznej, to wskazane jest mieszanie ich ze ściekami bytowo-gospodarczymi.
Klasyfikacja procesów biologicznych
a) rozkład substancji organicznych zachodzi pod wpływem działania drobnoustrojów mogących funkcjonować w środowisku tlenowym lub beztlenowym albo mieszanym
→ procesy tlenowe: w trakcie utleniania zanieczyszczeń dochodzi do wytworzenia ciepła; procesy te przebiegają znacznie szybciej od procesów beztlenowych, w których wydzielanie ciepła jest znacznie mniejsze; na dzień dzisiejszy procesy tlenowe dominują
→ procesy beztlenowe
b) metody biologicznego oczyszczania ścieków można podzielić w zależności od warunków, warunków, jakich przebiegają
→ warunki naturalne
→ warunki sztuczne
→ czasami dodatkowo: warunki półnaturalne
Metody naturalne to biologiczne oczyszczanie ścieków w warunkach wytworzonych przez przyrodę i tylko częściowo podporządkowane przez człowieka, np. nawadnianie pól, pola irygacyjne lub stawy ściekowe
Warunki półnaturalne to oczyszczalnie roślinne (hydrobotaniczne); człowiek zagospodarowuje pewien obszar roślinnością o charakterystycznych właściwościach (najczęściej roślinność bagienna, wodna), następnie na tym prowadzi oczyszczanie ścieków
Metody sztuczne to oczyszczanie przebiegające w urządzeniach wytworzonych w sposób sztuczny przez człowieka; zaliczamy do nich: złoża biologiczne i osad czynny
W przypadku metod naturalnych, do oczyszczania ścieków wykorzystujemy tereny, które posiadają wody głębinowe, zalegające na odpowiedniej głębokości, gdzie nie ma zagrożenia zanieczyszczeniami tych wód. Tereny wykorzystywane do oczyszczania ścieków nie są eksploatowane rolniczo, a oczyszczone ścieki mają pełnić funkcje nawadniania tych terenów.
Metody półnaturalne wykorzystujemy je na terenach, gdzie nie dysponujemy zbiorczą siecią kanalizacyjną. Takie oczyszczanie ścieków, może być wykorzystywane dla pojedynczych domostw lub osiedli. Wytworzenie środowiska, w którym dochodzi do oczyszczania ścieków, odbywa się w sposób sztuczny i jest to odpowiednie zabezpieczenie terenu przed zanieczyszczeniem wód gruntowych, następnie wprowadzenie odpowiedniej roślinności na ten teren i wytworzenie skupisk mikroorganizmów, odpowiedzialnych za oczyszczanie ścieków.
Ścieki oczyszczone nawadniają teren lub mogą być gromadzone w specjalnych zbiornikach wodnych i także wykorzystywane do podlewania roślin czy nawadniania terenów zielonych.
Metody sztuczne: I. Złoża biologiczne – w najbardziej podstawowej wersji, są zbiornikiem wypełnionym materiałem naturalnym lub sztucznym, na którym, w trakcie przepływu ścieków wytwarza się zespół mikroorganizmów osiadłych, zwane błoną biologiczną
Błona biologiczna – powstaje w ciągu od 4 do 6 tygodni; skład: bakterie, pierwotniaki osiadłe i wolnopływające, glony i grzyby oraz organizmy wyższe, bardzo często pasożytujące na błonie biologicznej, im błona biologiczna starsza, tym jej bioróżnorodność większa; budowa błony: zmienia ona swoją strukturę wraz z przyrostem; na początku jest to cienka śluzowata wydzielina o jednakowej strukturze, która wraz ze wzrostem, zmienia swoją strukturę i przyjmuje strukturę gąbki; zabarwienie: w przypadku błony biologicznej tlenowej, jest ono jasnobeżowe, a w przypadku błony beztlenowej, jest czarne;
Jeżeli chodzi o układ stref tlenowych i beztlenowych w złożu biologicznym: błon beztlenowa znajduje się w głębszych partiach całej błony (bliżej materiału wypełniającego); błona tlenowa to błona zewnętrzna, kontaktująca się z przepływającymi ściekami.
Błona biologiczna podlega okresowemu odnawianiu się, które polega na odrywaniu się od wypełnienia części błony starej, w tym miejscu dochodzi do ponownego namnożenia się mikroorganizmów. Błona obumarła odpływa wraz ze ściekami oczyszczonymi do osadnika wtórnego.
Ewolucja złóż biologicznych
Pierwsze złoża biologiczne budowane były z materiałów mineralnych (otoczaki) i były to złoża zalewane. Na złoża wlewano określoną objętość ścieków, którą pozostawiano na 2 do 6 godz., po obniżeniu BZT5 o ok. 60% tego, co wpłynęło, dokonywano spustu ścieków. Cykl powtarzano trzy-, czterokrotnie w ciągu doby.
Złoża te charakteryzowały się niską wydajnością, małą sprawnością w oczyszczaniu i dodatkowo bardzo często dochodziło do zapychania przestrzeni między wypełnieniem obumierającego błona biologiczną. Dlatego następną modernizacja: wprowadzenie pracy ciągłej. W ten sposób powstały złoża biologiczne zraszane. Na takie złoże, ścieki były wprowadzane w sposób ciągły na całą powierzchnię złoża, co zapewniało równomierny rozwój błony biologicznej i jednoczesne, systematyczne usuwanie ze złoża obumarłej błony biologicznej. Dalsze modernizacje miały na celu zwiększenie wydajności złóż biologicznych polegające na wprowadzeniu różnych elementów wypełnienia, umożliwiających zwiększenie powierzchni błony biologicznej, budowanie złóż biologicznych wieżowych umożliwiające zwiększenie obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń. Ostatnia modernizacja: uruchomienie wypełnienia złoża, umożliwiające zwiększenie ilości tlenu przedostającego się do ścieków.
Zastosowanie złóż biologicznych
Na dzień dzisiejszy: w mniejszych oczyszczalniach (przydomowych), a poza Polską nawet na terenach dużych oczyszczalni ścieków.
Cykl pracy złoża biologicznego
I. Faza pracy złoża – okres wpracowania (na puste złoże wprowadzamy ścieki; w wyniku ich przepływu przez materiał wypełnienia, dochodzi do wytworzenia błony biologicznej; jest to okres od 4 do 6 tygodni, błona jest wtedy jednolita, grubość: 1-3mm)
II. Faza pracy właściwej – dochodzi do wytworzenia równowagi pomiędzy namnożeniem się mikroorganizmów a ich obumieraniem; w fazie tej obserwujemy pełną efektywność pracy złoża
III. Faza wymiany błony biologicznej – stopniowe odrywanie się starej błony biologicznej, a w jej miejsce: namnażanie się nowych mikroorganizmów; jeżeli wymiana błony biologiczne nie jest spowodowana czynnikami toksycznymi, to nie obserwujemy spadku efektywności pracy złoża
Rozłożenie procesów biologicznych w strukturze złoża biologicznego
W złożu zraszanym o przepływie grawitacyjnym, w górnych jego warstwach zachodzą tlenowe procesy rozkładu związków organicznych węglowych (BZT5, OWO, ChZT). W strefie tej dominują heterotrofy tlenowe. W głębszych partiach złoża rozwijają się organizmy autotroficzne, odpowiedzialne za tlenowe przemiany związków azotowych i fosforowych. Organizmy te pojawiają się po pewnym czasie wpracowania złoża, są one znacznie wrażliwsze na działanie substancji toksycznych zawartych w ściekach.
Procesy beztlenowe, które dominują w dolnych częściach złoża biologicznego, gdzie dostęp tlenu jest ograniczony. Występują tam organizmy beztlenowe lub fakultatywne beztlenowce. Procesy: denitryfikacja, defoswatacja beztlenowa.
Procesy tlenowych przemian zanieczyszczeń będą zachodziły w wierzchnich częściach błony biologicznej, a procesy beztlenowe (np. denitryfikacja) będą występowały w głębszych warstwach błony (bliżej wypełnienia).
Parametry, od których zależy efektywność pracy złoża biologicznego:
- obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń [g BZT5/m3/dobę]
- obciążenie hydrauliczne powierzchni złoża [m3/m2/godz.]
- temperatura dopływających ścieków
- odczyn ścieków
- skład ścieków: - zawartość w ściekach substancji pokarmowych (związki C, N i P)
- zawartość w ściekach substancji toksycznych
- dobór odpowiedniej budowy złoża
II. Osad czynny (reaktory z tym osadem)
Reaktory osadu czynnego to zbiorniki, do których wprowadzamy ścieki, które są poddawane procesom mieszania i napowietrzania; w sprzyjających warunkach w komorze dochodzi do wytworzenia skupisk mikroorganizmów wolno pływających; podstawą struktury osadu czynnego są skupiska bakterii zooglealnych, na bazie których namnażają się (zasiedlają) pierwotniaki wolno pływające oraz pierwotniaki osiadłe, grzyby rzadziej glony i organizmy wyższe (np. wrotki)
Osad czynny – ma charakterystyczną budowę kłaczkowatą; pojedynczy kłaczek posiada strukturę gąbczastą, przez co wytwarza dużą powierzchnię właściwą, potrzebną do sorbowania zanieczyszczeń zawartych w ściekach (dalsze oczyszczanie: zbliżone do tego na błonie); (zanieczyszczenia sorbowane na powierzchni osadu, utlenione są przez mikroorganizmy i asymilowane w celu wytworzenia nowego osadu czynnego), część osadu czynnego oddzielana jest od ścieków oczyszczonych w osadniku wtórnym i zawracana jest do komory osadu czynnego; pozostała objętość osadu wytworzona w trakcie oczyszczania ścieków to osad nadmierny, po wydzieleniu w osadniku wtórnym, usuwana jest z układu
Parametry wpływające na pracę osadu czynnego:
- obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń
- obciążenie hydrauliczne
- czas napowietrzania
- objętość doprowadzanego powietrza
- sposób doprowadzania powietrza
Ilość dostarczonego powietrza oraz intensywność, nie może spowodować uszkodzenia struktury osadu czynnego (kłaczka).
Osad czynny wykorzystywany jest do oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych (w Polsce).
Modernizacja procesu I polega na wprowadzeniu przemiennych warunków tlenowo – beztlenowych w komorach, w celu zwiększenia efektywności procesu
Modernizacja procesu II polega na zmianie (modernizacji) elementów wyposażenia komory, służących do mieszania ścieków i do ich napowietrzania
Zjawisko puchnięcia (pęcznienia) osadu – objawia się tym, że osad czynny w komorze flotuje na powierzchnię ścieków (traci zdolności oczyszczania); może on również odpływać wraz ze ściekami oczyszczonymi. Pęcznienie osadu powoduje namnażanie się w osadzie bakterii użytkowych. Jest to spowodowane niską zawartością tlenu w dopływających ściekach, dostarczaniem do komory osadów zgniłych, o dużej zawartości H2S; może też być spowodowane deficytem azotu i fosforu, niskim pH ścieków oraz dużą zmiennością w obciążeniu ładunkiem zanieczyszczeń komory osadu czynnego.
Zapobieganie procesowi pęcznienia
- usunięcie wyżej wymienionych warunków sprzyjających namnażanie się bakterii nitkowych
- zniszczenie bakterii, które przeprowadzamy przez chlorowanie zawartości komory osadu czynnego