Zasada działania oczyszczalni ścieków

Pierwszym etapem oczyszczania ścieków jest oczyszczanie mechaniczne. Podlegają jemu ciała nierozpuszczalne, czyli zanieczyszczenia zawieszone w wodzie. W oczyszczalniach mechanicznych wykorzystuje się procesy cedzenia, filtrowania, osiadania (sedymentacji) i wznoszenia (flotacji). W oczyszczalniach pierwszego stopnia usuwa się ze ścieków: większe ciała stałe, tzw. skratki; cząstki ziemiste, a przede wszystkim piasek; zawiesiny opadające, tj. osady wstępne; zawiesiny flotujące, tj. oleje i tłuszcze. W oczyszczalni pierwszego stopnia może być przeprowadzone odświeżanie ścieków, przez ich napowietrzanie w kanałach dopływowych, piaskownikach, wydzielonych częściach osadników wstępnych lub w specjalnych zbiornikach. W miarę potrzeby może być tu również wykonywane chlorowanie ścieków.
Wydzielanie ciał stałych
Do wydzielenia ze ścieków skratek służą przede wszystkim kraty i niekiedy sita. Kraty dzieli się na rzadkie, średnie i gęste oraz na oczyszczane ręcznie i oczyszczane mechanicznie. Wydzielone skratki przerabia się lub likwiduje przez kompostowanie, fermentację, spalanie lub rozdrabnianie i zawrócenie do dopływu ścieków. Mogą one być niekiedy przerabiane wspólnie z osadami ściekowymi. W przypadku niezbyt dużych ilości skratek można zastosować kraty koszowe z mechanicznym usuwaniem skratek. Do przeróbki skratek z dużych zespołów krat stosuje się rozdrabniarki wolnostojące lub zanurzone. Rozdrabniarki dzieli się na młotkowe, nożowe oraz wirowe. Sita dynamiczne znalazły praktyczne zastosowanie przy mechanicznym oczyszczaniu ścieków z ferm, fabryk celulozy i papieru oraz niektórych rodzajów ścieków z zakładu przemysłu spożywczego. Do oczyszczania niektórych ścieków przemysłowych i wydzielania części stałych z gnojownicy stosuje się sita statyczne, zwane popularnie sitami szczelinowymi albo szczelinowo – łukowymi.
Usuwanie za ścieków zawiesin opadających
Zawiesiny drobne redukuje się w procesie sedymentacji. Rozróżnia się umownie zawiesiny opadalne ziarniste oraz kłaczkowate. Zawiesiny opadalne ziarniste opadają z jednakową prędkością i mogą spowodować powstanie cementujących powłok trudnych do usunięcia. Dużo zanieczyszczeń ziarnistych, określanych umownie jako piasek, zawierają ścieki miejskie oraz wody ściekowe z zakładów przemysłu rolno spożywczego. Do grupy zawiesin ziarnistych zalicza się również żużel, koksik, cząstki węgla oraz różne nasiona. Zawiesiny ściekowe kłaczkowate charakteryzuje niejednakowa prędkość opadania. Do osadów kłaczkowatych zalicza się na przykład wodorotlenek żelazowy, osad czynny oraz bardzo drobny miał węglowy. Do usuwania ze ścieków zawiesin ziarnistych służą piaskowniki, natomiast do wydzielania zawiesin kłaczkowatych – osadniki czyli odkryte zbiorniki. Zawiesiny osadzają się w zbiornikach pod wpływem własnego ciężaru.
Odtłuszczanie ścieków
Niektóre zanieczyszczenia można wydzielić ze ścieków przez ułatwienie im wypłynięcia na powierzchnię. Stąd w postaci kożucha mogą być łatwo usunięte. Dotyczy to tych zawiesin, których ciężar właściwy jest mniejszy od wody, a więc przede wszystkim tłuszczów i olejów. Zawiesiny tego rodzaju występują w ściekach z zakładów przemysłu wełnianego, wytwórni kleju, fabryk tłuszczów spożywczych, zakładów utylizacyjnych, rzeźni i przetwórni mięsnych, przetwórni rybnych, restauracji, pralni, warsztatów samochodowych, z zakładów petrochemicznych, petrochemicznych baz i stacji przechowywania oraz rozdziału produktów naftowych. Ogólną zasadą jest dążenie do usuwania tłuszczów i olejów w miejscu powstawania ścieków. Do wydzielania tłuszczów i olejów ze ścieków stosowane są odtłuszczacze. Zasada działania tych urządzeń polega na wykorzystaniu procesu wznoszenia, tzw. flotacji. Każdy zbiornik, w którym następuje zmniejszenie prędkości przepływu ścieków, może spełnić rolę odtłuszczacza. Odtłuszczacze możemy podzielić na: urządzenia działające bez udziału czynników wspomagających, określane potocznie jako łapacze lub separatory tłuszczów i olejów oraz na odtłuszczacze napowietrzne. Odtłuszczacze mogą być budowane jako jednokomorowe i wielokomorowe, o przepływie poziomym lub pionowym. Najprostsze urządzenia jednokomorowe są z zasady wmontowywane w system kanalizacji wewnętrznej obiektu. Odtłuszczacze o przepływie poziomym instalowane są na poszczególnych działach produkcji w celu odzyskania surowca. Ścieki zawierające tłuszcze są z łapaczy oddziałowych odprowadzane oddzielną wewnątrzzakładową siecią do odtłuszczaczy wielokomorowych.
Wstępne napowietrzanie ścieków
Jest to proces pomocniczy, którego zadaniem jest przygotowanie ścieków do dalszego oczyszczania lub bezpośredniego rolniczego wykorzystania. Dzięki wstępnemu napowietrzaniu wzmaga się flokulację zawiesin, usuwanie gazu, flotację tłuszczów i innych lekkich substancji, a przede wszystkim zwiększa się w ściekach ilość tlenu. Powietrze doprowadza się od dołu komór.
Wstępne fizyko-chemiczne oczyszczanie ścieków
Istnieje dość duża grupa ścieków przemysłowych, o składzie fizyko-chemicznym nie odpowiadającym warunkom stosowania ich do nawodnień w rolnictwie. Niektóre z tych ścieków uzdatnia się stosując wstępne oczyszczanie fizyko-chemiczne. Działając substancjami chemicznymi na ścieki można uzyskać: zobojętnienie ścieków, wydzielenie ze ścieków substancji stałych, które nie mogły być usunięte przez zwykłe mechaniczne klarowanie, wydzielenie ze ścieków substancji organicznych, koloidalnych i związków rozpuszczalnych, przede wszystkim soli metali ciężkich, odkażenie ścieków, usunięcie przykrego zapachu, utlenienie substancji ściekowych. W technologii przygotowania ścieków przemysłowych do rolniczego wykorzystania jako wstępne chemiczne oczyszczanie może być zastosowana: koagulacja, zobojętnienie, sorpcja i wymiana jonowa, utlenianie środkami chemicznymi.
Koagulacja i nawapnianie ścieków
Dla wielu ścieków przemysłowych już samo zmieszanie ścieków z różnych działów produkcji o zróżnicowanym pH, prowadzić może do samorzutnej koagulacji, bez stosowania dodatkowych środków koagulacyjnych. Jako koagulanty stosuje się zwykle chlorki i siarczany żelazowe i żelazawe oraz siarczan glinu i wapno. Proces koagulacji można usprawnić stosując flokulanty. Szczególnym przypadkiem koagulacji jest nawapnianie ścieków, dające w efekcie neutralizację kwasów nieorganicznych i organicznych. W wyniku neutralizacji następuje wytrącanie nierozpuszczalnych soli wapniowych i wskutek tego zmniejszanie ładunku zanieczyszczeń. Wapnowanie prowadzi również do koagulacji koloidalnych składników ścieków, co dodatkowo zmniejsza ilość zanieczyszczeń. Do wapnowania można stosować kamień wapienny, suche sproszkowane wapno palone, mleko wapienne lub wodę wapienną. Jeżeli dopływ ścieków jest nierównomierny koagulację można wykonywać w zbiornikach wyrównawczych. W większości przypadków koagulację przeprowadza się w wydzielonych urządzeniach oczyszczalni, składających się ze zbiorników do przygotowania roztworów koagulanta i komór reakcji, wyposażonych w mieszadła.
Zobojętnianie ścieków
Kwaśne lub alkaliczne ścieki powstają w bardzo wielu procesach produkcyjnych. Niektórych ścieków przemysłowych ze względu na ich bardzo kwaśny lub zasadowy odczyn nie można bezpośrednio używać do nawodnień. Szczególnie niebezpieczne dla środowiska glebowego i uprawianych roślin są ścieki silnie alkaliczne. Zanim ustali się sposób neutralizacji ścieków, należy przeanalizować możliwość wyeliminowania szkodliwego działania tych ścieków przez odpowiednie wapnowanie nawadnianej nimi gleby. Ścieki kwaśne zobojętnia się w następujący sposób: -mieszając ścieki kwaśne z zasadowymi –neutralizując je chemikaliami – przepuszczając przez złoża zasadowe, filtry wypełnione np.CaCO3MgO lub dolomit prażony w temperaturze około 450 st. –wpuszczając je do stawów aeracyjnych z możliwością kilkudniowego przetrzymania –rozcieńczając je wodą rzeczną o odczynie lekko zasadowym lub nawet obojętnym. Ścieki przemysłowe o odczynie zbyt zasadowym mogą być uzdatniane w następujący sposób –przez przepuszczanie przez nie gazów spalinowych –przez neutralizację kwasami –przez przesączenie ich przez filtr gruntowy
Sorpcja i wymiana jonowa
Procesy sorpcyjne są wykorzystywane głównie do usuwania ze ścieków przemysłowych substancji uciążliwych albo do odzyskiwania cennych substancji. Proces sorpcji prowadzić można w warunkach statycznych oraz w warunkach dynamicznych – filtrach sorpcyjnych. Jako sorbentów używa się najczęściej popiołów lotnych, szlaki, torfu, węgla, koksu i rudy darniowej. Aby odzyskać ze ścieków substancje cenne używa się węgla aktywnego, żelu krzemionkowego, sorbentów i jonitów syntetycznych. Wymieniacze jonowe nadają się do oczyszczania ścieków z zakładów galwanotechnicznych, z rafinacji miedzi oraz wód dołowych z kopalń rudy miedzi. Trujące związki arsenu, boru, chromu, ołowiu itp. strącane są chemicznie.
Utlenianie środkami chemicznymi
Do utleniania chemicznego stosuje się głównie chlor, wapno chlorowane, podchloryny i dwutlenek chloru oraz ozon. Tylko wtedy, gdy chlorowanie stosuje się jako proces dezynfekcyjny, wykonuje się je w końcowym etapie oczyszczania ścieków. Jeżeli ścieki zawierają dużo amoniaku nie można stosować utleniana chlorem. Chlor znajduje zastosowanie w dezynfekcji. Do odkażania ścieków stosuje się chlor gazowy, wapno chlorowane lub podchloryn sodu (NaClO).
Biologiczne oczyszczanie ścieków w środowisku wodnym
Biologiczne sposoby oczyszczania ścieków polegają głównie na utlenianiu (spalaniu na mokro). Najistotniejsze znaczenie w tym procesie odgrywają bakterie tlenowe (aerobowe). Proces oczyszczania w warunkach tlenowych polega na zatrzymaniu przez powierzchnię mikroorganizmów zanieczyszczeń organicznych, rozpuszczonych lub koloidalnych, zawartych w ściekach. Mikroorganizmy te mogą występować jako skupisko w postaci błony biologicznej lub osadu czynnego. Część zatrzymanych ze ścieków zanieczyszczeń jest utleniana, w wyniku czego powstaje woda i dwutlenek węgla, pozostała część jest asymilowana i wykorzystywana do przyrostu żywej masy mikroorganizmów. Następnie część lub całość zsyntetyzowanej substancji żywej ulega autooksydacji. Biologiczne oczyszczanie ścieków odbywa się przy udziale enzymów wydzielonych przez mikroorganizmy biorące czynny udział w procesie oczyszczania. Najważniejszymi produktami procesów utleniania są bezwodniki kwasu węglowego, azotowego i siarkowego. Ponieważ ścieki zawierają dostateczną ilość związków zasadowych, bezwodniki tych kwasów wytwarzają sole rozpuszczalne: węglany, azotany i siarczany. Jedynie część dwutlenku węgla jako gaz pozostaje w roztworze lub z niego uchodzi. Podczas biologicznego oczyszczania ścieków rozkładowi ulega 45-80% zanieczyszczeń organicznych. Pozostała ilość substancji organicznych, organicznych postaci błony biologicznej ze złóż lub osadu czynnego, dostaje się do osadników wtórnych, wtórnych następnie przerabiana jest jako osad. W oczyszczalni biologicznej sztucznej w środowisku wodnym następuje nitryfikacja azotu – utlenienie N do organicznego NO3. Przy niedostatecznym zaopatrzeniu w tlen w procesie oczyszczania może nastąpić denitryfikacja, której wynikiem jest między innymi wydalanie gazowego azotu do atmosfery. Do degradacji organicznych osadów ściekowych i stężonych organicznych ścieków przemysłowych stosuje się metodę beztlenowego rozkładu biologicznego. Metoda ta, określana jest jako fermentacja anaerobowa lub metanowa. W procesie fermentacyjnym bierze tu udział bardzo różnorodna grupa drobnoustrojów, zdolnych do życia w warunkach beztlenowych.
Stawy ściekowe
Stawy ściekowe są to zbiorniki ziemne naturalne lub sztuczne, służące do oczyszczania ścieków o niedużym stężeniu łatwo rozkładających się substancji organicznych. W stawach zachodzi samooczyszczanie ścieków w wyniku zespołu procesów fizycznych i biochemicznych, przebiegających bądź pod wpływem światła i tlenu oraz przy udziale mikroorganizmów wodnych, bądź w warunkach beztlenowych.
Stawy stabilizacyjne. Utlenianie ścieków w stawach stabilizacyjnych może zachodzić w warunkach tlenowych (stawy tlenowe), w warunkach beztlenowych (stawy anaerobowe) oraz częściowo w warunkach tlenowych i częściowo beztlenowych (stawy fakultatywne). W stawach tlenowych tlen dostarczany jest głównie w wyniku fotosyntezy glonów oraz w mniejszej ilości w wyniku natleniania powierzchniowego. powierzchniowego stawach beztlenowych oraz w dolnej strefie stawów fakultatywnych mineralizacja przebiega z udziałem bakterii heterotroficznych. Jako stawy stabilizacyjne mogą być wykorzystywane naturalne zbiorniki i zagłębienia terenowe lub mogą one być budowane jako zbiorniki sztuczne, na glebach o małej wartości rolniczej.
Stawy napowietrzane. Pełne wymieszanie zawartości stawu zachodzi w stawach tlenowych, natomiast niecałkowite w stawach fakultatywnych. Dalsze zwiększenie efektów oczyszczania biologicznego uzyskuje się przez zaprojektowanie stawu sedymentacyjnego. Stawy napowietrzane są typowymi zbiornikami ziemnymi o umocnionych skarpach. Do napowietrzania stawów najlepiej nadają się urządzenia mechaniczne, w postaci wirników lub turbin. Są one umieszczane na pomostach stałych lub na pływakach.
Stawy ściekowe rybne. Oprócz oczyszczania ścieków prowadzi się w nich hodowlę ryb. Ścieki doprowadzane do stawów rybnych nie mogą zawierać związków powierzchniowo – czynnych i toksycznych oraz muszą być dokładnie mechanicznie oczyszczane. Żyzne wody ściekowe wprowadzane do stawu powodują intensywny rozwój planktonu, stanowiącego pokarm ryb. Nadmiary planktonu mogą być zużytkowane przez założenie dodatkowo hodowli kaczek. Doprowadzalniki ściekowe do stawów w miarę możliwości powinny być wyposażone w urządzenia umożliwiające napowietrzania ścieków. Dobre równomierne rozprowadzenie i natlenianie ścieków mogą dać urządzenia deszczujące. W okresie zimowym ścieki muszą być kierowane na pola filtracyjne lub do stawów stabilizacyjnych.
Złoża biologiczne
Złoże biologiczne stanowi jak gdyby stos tłuczonych kamieni, żużlu, koksu, a nawet elementów z tworzyw sztucznych, ułożony na ruszcie z cegieł lub prefabrykowanych elementów betonowych. Zasada działania złoża biologicznego jest następująca: mechanicznie oczyszczone ścieki przepuszcza się przez dobrze napowietrzoną warstwę kruszywa, stanowiącego wypełnienie złoża biologicznego. Powierzchnia wypełniacza, tj. kruszywa, pod wpływem działania ścieków pokrywa się błoną biologiczną. Procesy biochemiczne polegają na bezpośrednim, enzymatycznym utlenianiu substancji organicznej oraz syntezie komórek drobnoustrojów tworzących błonę biologiczną. Warunkiem pracy złoża biologicznego jest zapewnienie kontaktu ścieków z błoną biologiczną oraz odpowiednie napowietrzenie złoża. Złoże najczęściej napowietrza się wywołując ruch powietrza za pomocą różnic temperatur. Ścieki doprowadzane są na złoża specjalnymi urządzeniami (najczęściej zraszaczami obrotowymi). W złożach zraszanych konieczna jest każdej jesieni i wiosny regeneracja błony. Proces ten zwany jest również odbudowaniem złoża.
Osad czynny
Oczyszczanie ścieków za pomocą osadu czynnego polega na zgromadzeniu niezwykle dużej ilości drobnoustrojów w małej objętości i utrzymywania ich aktywności biologicznej przez sztuczne doprowadzanie odpowiednich ilości tlenu. Zasadniczy proces oczyszczania ścieków przeprowadza się w komorach napowietrzania. Pod wpływem napowietrzania wytwarza się tu charakterystyczny zespół drobnoustrojów – głównie bakterii i pierwotniaków – który utrzymywany w ciągłym ruchu powoduje powstanie kłaczków osadu czynnego. Kłaczki mają strukturę gąbczastą, dzięki czemu tworzą dużą powierzchnię czynną, zdolną do sorbowania związków organicznych znajdujących się w ściekach w postaci rozpuszczonej i koloidalnej. Sorbowane związki organiczne są zużywane jako pożywka, następuje przyrost liczby mikroorganizmów i wyniku procesów utleniania zwiększenie ilości związków mineralnych.
Najważniejszym elementem instalacji w oczyszczalni osadem czynnym są komory napowietrzania. W komorach tych stosowane jest napowietrzanie powierzchniowe, od dołu, lub podpowierzchniowe. Do napowietrzania powierzchniowego służą koła łopatkowe, szczotki stalowe, wirniki, mieszadła turbinowe. W komorach napowietrznych sprężonym powietrzem, powietrze jest doprowadzane za pomocą płytek perforowanych, rur perforowanych oraz dysz. Często stosowane jest napowietrzanie podpowierzchniowe za pomocą rusztu systemu Inka. W celu zmniejszenia zużycia energii sprężarki zastąpiono wentylatorami.
Uproszczone sposoby oczyszczania osadem czynnym
Uproszczone sposoby oczyszczania ścieków osadem czynnym polegają zwykle na przedłużonym czasie napowietrzania przy niskim obciążeniu ładunkiem. Dąży się w ten sposób do utlenienia obciążeń organicznych bez stosowania dodatkowych procesów przeróbki osadów. Oczyszczalnie stosujące sposoby uproszczone można podzielić na dwie grupy: -rowy biologiczne –komory o przedłużonym czasie napowietrzania. Rowy biologiczne stosowane są do oczyszczania małych ilości ścieków bytowo-gospodarczych lub przemysłowych. Oczyszczalnię tego typu stanowi jeden lub kilka rowów połączonych ze sobą, w których mieszanie, przepływ i napowietrzanie ścieków osiąga się za pomocą ustawionej w poprzek rowu szczotki Kessenera. W celu zabezpieczenia rowu przed zamarzaniem odbudowuje się szczotki oraz wmontowuje urządzenia podgrzewające wewnątrz ich obudowy. Komory przedłużonego napowietrzania różnią się od rowu biologicznego około dwukrotnie większym obciążeniem ściekami. Typowym rozwiązaniem są komory napowietrzania zespolone z osadnikiem wtórnym.
Współdziałanie oczyszczalni biologicznej z polami nawadnianymi
Ze względu na większą elastyczność do zmian obciążenia poleca się przy współdziałaniu z polami nawadnianymi stosować oczyszczanie metodą osadu czynnego. Oczyszczalnia powinna być wyposażona w kilka komór napowietrzania.