Oczyszczanie ścieków :
jest to proces technologiczny polegający na usuwaniu ze ścieków zanieczyszczeń i osadów oraz substancji w nich rozpuszczonych, koloidów i zawiesin.
Przy niewielkim obciążeniu zanieczyszczeniami ścieków oczyszczanie dokonuje się samoistnie w wodach naturalnych, zwłaszcza w rzekach (samooczyszczanie wód).
Oczyszczanie ścieków realizowane jest w oczyszczalni ścieków za pomocą metod, które dzieli się na: mechaniczne, fizyczne, chemiczne i biologiczne.
Pierwszy etap to oczyszczanie wstępne mechaniczne, w którym usuwa się zanieczyszczenia stałe nierozpuszczalne za pomocą krat i sit, zawiesiny ziarniste usuwane są w piaskownikach, a tłuszcze i oleje w odtłuszczaczach, małe zawiesiny i koloidy usuwane są w osadnikach w procesie sedymentacji.
W kolejnych etapach realizuje się oczyszczanie wykorzystując procesy fizykochemiczne, takie jak np.: koagulacja, filtracja, adsorpcja, odwrócona osmoza, destylacja, neutralizacja, wytrącanie i strącanie metodami chemicznymi. Substancje organiczne usuwane są przy oczyszczaniu biologicznym realizowanym przez procesy biochemiczne takie jak: fermentacja i gnicie.
Zwykle metody fizykochemiczne występują po metodach biologicznych !!!
Proces przebiega pod wpływem działania mikroorganizmów osadu czynnego w komorach napowietrzania lub rowach cyrkulacyjnych. Drobnoustroje osadu czynnego (bakterie i grzyby) rozkładają związki organiczne występujące w ściekach na substancje proste, jak: dwutlenek węgla, wodę i amoniak, a bakterie mułu dennego w procesie gnicia wytwarzają np. siarkowodór.
Osady powstające w procesach oczyszczania ścieków poddaje się dalszej obróbce w celu wykorzystania lub utylizacji.
Wykorzystanie mikroorganizmów :
każda forma zycia przeżywa i rozmnaża się ( i to jest jej celem ) – ma w tym czasie
zapotrzebowanie na związki budulcowe i energię. Materię biologiczną stanowią następujące pierwiaski – P, C, O, H, S, N a także pierwiastki śladowe. Komórka czerpie energię z utleniania zredukowanych źródeł pożywienia (węglowodany, białka, tłuszcze).
Przy nieodpowiednich proporcjach C:P:O:N:S – oczyszczanie zatrzymuje się napewnym etapie na
którym ścieków bakterie nie potrafią bardziej oczyścić, gdyż np. zabraknie im pewnych niezbędnych im do życia substancji. Gdy zakazano używania fosforanów w proszkach do prania, pojawiły się problemy z oczyszczaniem ścieków, ponieważ w ściekach było zbyt mało związków fosforu i zanim bakterie związały/usunęły całą resztę zanieczyszczeń, z powodu braku fosforu – po prostu umierały :/ – ścieki były nie do końca oczyszczone – dlatego wraca się do stosowania fosforanów w
proszkach do prania :).
W oczyszczalniach wykorzystuje się bakterie naturalnie występujące.
Ścieki:
Ścieki - to zużyte ciecze, roztwory, koloidy lub zawiesiny, a także odpadowe ciała stałe odprowadzane za pomocą rurociągów do odbiorników naturalnych jakimi mogą być zbiorniki lub cieki wodne, doły gnilne itp. W postaci ścieków odprowadza się odpadowe substancje przemysłowe oraz odpady żywnościowe i fekalia z miejskich i osiedlowych gospodarstw domowych. Ze względu na dużą szkodliwość biologiczną ścieków, zarówno komunalnych jak i przemysłowych, przed odprowadzeniem do odbiornika powinno się poddawać je oczyszczeniu w oczyszczalniach.
Na co jest zużywana woda z gospodarstw domowych:
38% - spłukiwanie toalet
31% - kąpiele
20% - pranie i mycie naczyń
6% - picie i gotowanie
5% - mycie zębów itp.
Ścieki – wody zawierające zanieczyszczenia wprowadzone w wyniku działalności życiowej i produkcyjnej człowieka oraz wody opadowe (np. deszczowe lub z topniejącego śniegu) i inne ( np. wpływy do kanalizacji z terenów zagospodarowanych).
W zależności od pochodzenia, ścieki dzielimy na:
- bytowo-gospodarcze ( gospodarstwa domowe )
- przemysłowe
- rolnicze
- opadowe
- wody podgrzane (powstają w procesach technologicznych chłodzonych za pomocą wody)
- komunalne - ścieki przemysłowe są na ogół (z wyjątkiem „ekstremalnych” zakładów chemicznych – np. garbarni, zakł oczyszczających miedź itp.) odprowadzane razem z bytowo- gospodarczymi jako
ścieki miejskie (komunalne) BZT5 tych ścieków wynosi od 200 do 300 mg tlenu/litr.
Celem oczyszczania ścieków jest:
- usunięcie patogenów
- usunięcie zawiesin i zanieczyszczeń mechanicznych
- zmniejszenie stężenia związków organicznych i nieorganiczncyh
Ścieki komunalne:
99% - woda
1% - sucha masa (i to ma być usuwane w oczyszczalni) – co w niej jest – od tego, czego jest
najmniej:
- najmniej mikroorganizmów – mikroorganizmy już obecne w ściekach są wykorzystywane
do oczyszczania tych ścieków
- związki fosforu
- związki azotu
- zawieszone subst. stałe
- materia organiczna (rozpuszczalna) ( Tego jest najwięcej )
Chemiczne i fizyczne metody oczyszczania ścieków :
ścieki przemysłowe, nie pochodzące z przemysłu spożywczego, są zwykle oczyszczane tylko tymi metodami.
Metody fizyczne – mogą być stosowane bez oczyszczania biologicznego, ale oczyszczanie biologiczne musi poprzedzać fizyczne (w sensie, że fizyczne zawsze jest przed biologicznym)
Filtracja na złożach piaskowych stosowana jest w przemyśle, jest tania.
Można stosować filtry o różnej przepuszczalności, Clarifiers – osadniki, dializa, elektrodializa, odwrócona osmoza – zaawansowane metody oczyszczania ścieków.
Usuwają 20 – 50 mg/l BZT
Filtracja :
- nie usuwa BZT, ChZT, rozpuszczonych fosforanów, azotanów, metali ciężkich
- usuwa 80% zawiesin
Filtracja powolna – gdy mamy jeden materiał filtru – np. filtry piaskowe
Szybka – filtry z kilku różnych materaiłów, wspomagana ciśnieniem, często złoża mają właściwości
sorbcyjne, jonowymienne
Inne techniki :
- mikrofiltracja – I etap – usuwa mikroorganizmy, nie usuwa zanieczyszczeń rozpuszczonych
- ultrafiltracja – II etap – usuwa mniejsze organizmy
- odwrócona osmoza
- dializa – siła napędowa różnica stężeń
- elektrodializa – różnica potencjału elektrycznego
- odwrócona osmoza –
- przepływ odwrotny do ciśnienia osmotycznego
- usuwa jony metali
- metoda uzdatniania wody (z procesu wychodzi woda pitna)
wymiana jonowa:
- w reaktorach kolumnowych
- stosuje się zeolity
- usuwanie jonów metali ciężkich
- regeneracja sorbentów – roztwory kwasów, stężonych soli
- Adsorbcja na węglu aktywnym:
- usuwa zanieczyszczenia organiczne
- związki wiążą się do powierzchni sorbenta
- stosowana jako doczyszczanie ścieków po oczyszczaniu biologicznym
- regeneracja – przez płukanie
- aktywacja węgla – przez podgrzanie go do około 1000 stopni celsjusza
Związki biogenne (zw. pochodzenia organicznego) : powodują eutrofizacje –
Eutrofizacja – proces wzbogacania zbiorników wodnych w substancje pokarmowe (nutrienty, biogeny), jest to wzrost trofii, czyli żyzności wód. Dotyczy to nie tylko zbiorników wodnych ale również ścieków.
Na początku procesu eutrofizacji następuje umiarkowany wzrost produkcji biologicznej, co jest korzystne i przekłada się na wzrost produkcji ryb, ale po przekroczeniu pewnej granicy obserwuje się już wiele niepożądanych następstw tego procesu takich jak:
1. masowy rozwój organizmów fitoplanktonowych powodujących w powierzchniowej warstwie wody tzw. zakwity i zmniejszających przezroczystość tej wody.
2. ustępowanie roślinności zanurzonej z powodu pogarszających się warunków świetlnych w strefie przybrzeżnej
3. wyczerpanie zasobów tlenu w warstwie przydennej
4. występowanie siarkowodoru, który podczas całkowitego braku tlenu może przechodzić do warstw powierzchniowych wody, ulatniać sie i zatruwać atmosferę w okolicy.
Biologiczne metody oczyszczania ścieków:
głównie oczyszczanie ścieków i odpadów organicznych
- optymalizacja – intensyfikacja procesów zachodzących w naturze
- metody tlenowe i beztlenowe (beztlenowe do ścieków bardzo mocno zanieczyszczonych)
- nie prowadzi się sterylizacji przed wejściem do oczyszczalni – wykorzystuje się bakterie,
naturalnie obecne w ściekach
- waźna jest kontrola na wejściu i wyjściu oraz w trakcie procesu oczyszczania
Różnice między oczyszczaniem ścieków a klasyczną biotechnologią:
- nie możemy sterować stężeniem substratu (oczyszczalnie nie decyduje o składzie ścieków, które mają oczyszczać)
- celem jest usunięcie substratu a nie wytworzenie produktu
- nie można komercyjnie wykorzystywać produktów
Procesy, zachodzące podczas biologicznego oczyszczania ścieków:
- stabilizacja – powolny rozkład
- mineralizacja – materia organiczna w nieorganiczną
- asymilacja – konwersja substancji organicznych w materiał komórkowy
- oddychanie endogenne – gdy jeden organizm żywi się innym
Etapy oczyszczania biologicznego:
- Flokulacja (wypadania osadu z koloidów – kłaczkowanie )
- Adsorbcja na powierzchni kłaczka
- Resorbcja – wchłanianie
- Desymilacja i asymilacja – pozyskanie energii i synteza biomasy
Podstawy biologiczne:
Wastewater - Ścieki – roztwór odżywczy
Dla bakterii heterotroficznych:
C:N = 12:1
C:P = 30:1
Ścieki komunalne są niedostatecznymi roztworami odżywczymi, za dużo w nich N i P w stosunku do C –czyli za mało energii
Ścieki posiadają różnorodny skład. WaŻne jest pH oraz obecność substancji działających toksycznie lub hamująco. Proporcje między podażą substratów a ilością osadu decyduje o stopniu oczyszczania
ścieków.
Procesy przemiany materii:
- energetyczne – wykorzystanie materii organicznej tylko do uzyskania energii w procesie
tlenowym. Powstają proste produkty nieorganiczne w postaci gazów lub soli : CO2, H2O,
azotany, siarczany
- budulcowe – materia organiczna przetwarzana jest w biomasę, która w osadnikach wtórnych oddzielana jest metodą sedymentacji i usunięta jako osad nadmierny.
Wykorzystywanie składników odżywczych:
1) węglowodany – głównie na biomasę
2) alkohole – głównie na biomasę
3) aminokwasy – szlaki energetyczne
4) kwasy organiczne – szlaki energetyczne
SPOSOBY oczyszczania biologicznego :
- metody ze wzrostem rozproszonym, organizmy są zawieszone
stosuje się osad czynny, BZT5, droższe, bo trzeba dodatkowo napowietrzać
Proces osadu czynnego:
Mikroorganizmy powstając tworzą kłaczki, które łątwo sedumentują. Kłaczki tworzą się dzięki zapewnieniu odpowiednich warunków procesu oraz właściwych mikroorganizmów. Szkielet kłaczka stanowią promieniowce, na nich osadzają się pałeczki, i inne bakterie. Dodatkowo na kłaczkach absorbuje się ChZT oraz metale ciężkie.
Osad czynny:
- metoda najbardziej elastyczna- można oczyszczać różne ładunki zanieczyszczeń
- bakterie agregują w kłaczkach
- metoda wrażliwa na metale toksyczne i niektóre ine zanieczyszczenia
- wymaga czystszego scieku niż inne procesy biologiczne
- recyrkulacja zapewnia stałe stężenie mikroorganizmów
- metoda wymaga dużych nakładów energetycznych
Stawy / rowy utleniające, laguny, stawy stabilizacyjne
- metody ze wzrostem unieruchomionym, organizmy są przyczepione do podłoża
stosuje się złoża zraszane, tarczowe złoża zanurzane (RBCs) , BZT10, BZT20 – trudno rozkładalne związki organiczne, metoda tańsza
Filtracyjne złoża biologiczne – żwir, porośnięty mikrofilmem bakterii (trickling filter)
- mikroorganizmy przyczepione do ciała stałego
- proces stabilny
- stosowane w przypadku wysokiego stopnia zanieczyszczenia
- odpowiednie dla ścieków o dużej zawartości zanieczyszczeń organicznych, na przykład z
przemysłu spożywczego. Tym samym rodzajem są zraszane złoża biologiczne, bo taka kolumna jest z góry spłukiwana ściekiem, w celu lepszego napowietrzenia ścieku
Mechanizmy, które są w oczyszczaniu biologicznym:
- utlenianie do CO2
- absorbcja
- gromadzenie biomasy
- procesy zewnątrzkomorkowe
- adsorpcja
Podczas procesu kontroluje się takie parametry jak:
- temperatura
- pH
- zawartość wody
- poziom napowietrzenia
- inhibitory, takie jak metale
- składniki odżywcze
Mikroorganizmy:
- bakterie – budują biomasę, są pożywieniem dla pierwotniaków
- pierwotniaki
- organizmy wyższe
oddychanie endogenne – np. to, ze pokarmem dla pierwotniaków są bakterie
SUBSTRAT > BAKTERIE > PIERWOTNIAKI >WROTKI > NICIENIE >OWADY
Na każdym etapie produkowany jest dwutlenek węgla - czyli zmniejsza się fizycznie ilość ścieków
Oczyszczanie przedwstępne
inaczej mechaniczne - 2 rodzaje procesów:
1) sita, kraty
2) żwirowniki, piaskowniki – oddzielenie żwirów, piasków
ten etap nie usuwa mikroorganizmów, BZT, ChZT, azotu, fosforu – usuwa tylko duże ciała stałe –
mogące uszkodzić aparaturę w oczyszczalni i część zawiesin. Mozna też zastosować rozdrabniacze –
silnik z obracającymi się ostrzami, które niszczą duże ciała stałe zanim te wejdą do oczyszczalni.
Oczyszczanie I stopnia – 30% BZT zostaje usunięte
Oczyszczanie II stopnia – 85% BZT usunięte
(te procenty są względem początkowej zawartości zanieczyszczeń w ściekach, czyli po II stopniu zostaje 15% tego, co było w ściekach na początku)
Osadniki wtórne – często ustawione w kaskady, po tym etapie powinno być usunięte 99% wszystkich
zanieczyszczeń.
Z 1 kilograma BZT powstaje 0,5 – 1 kg biomasy – tzw wydajność, z którą jest produkowany osad.
UWAGA! 1kg BZT, znaczy, ze to jest taka ilość zanieczyszczeń, do utlenienia której na drodze
biologicznej trzeba zużyć 1kg tlenu ( żeby czasem nie pomyśleć sobie, że to chodzi o 1 kilogram
zanieczyszczeń )
Usuwanie mikroorganizmów chorobotwórczych – prowadzi się fermentację, w
warunkach beztlenowych – otrzymuje się metan, który może zostać potem wykorzystany, ale proces jest powolny, w tlenowych – proces szybszy ale nie otrzymuje się cennego metanu.
Podczas fermentacji, nieważne czy tlenowej czy beztlenowej, temperatura osadu zwiększa się –
dzieje się to, bo reakcje prowadzone przez mikroorganizmy są egzoergiczne. Osad doprowadza się do temperatury 60 stopni celsjusza, w tej temperaturze ginie większość patogenów
(bo są one przystosowane do temperatury około 35 – 37 st. C )
Rodzaje osadów :
- pierwotny – (nie mylić z przedwstępnym)
- 3-8% ciał stałych
- 70% materia organiczna
- wtórny ...
DWito