Podstawowe procesy oczyszczania ścieków
Woda to cenne dobro. Aby chronić nasze naturalne wody i wspierać produkcję wody pitnej, wszystkie ścieki są najpierw oczyszczane z zanieczyszczeń i szkodliwych substancji, zanim zostaną ponownie wprowadzone do obiegu wody. Aby uzdatnić wodę i osiągnąć jej możliwie najlepszą, naturalną jakość, stosuje się różne procesy. Ogólnie rzecz biorąc, oczyszczanie ścieków można podzielić na dwa podstawowe rodzaje. Najpierw z wody usuwane są niepożądane substancje. Odbywa się to poprzez oczyszczanie, odżelazianie, odmanganianie, sterylizację, odsalanie lub zmiękczanie. W drugiej kolejności dostarczane są specjalne substancje w celu poprawienia jakości wody i jej parametrów, takich jak wartość pH czy przewodność.
Etapy uzdatniania wody
Do dyspozycji jest kilka procesów umożliwiających realizację różnych etapów przygotowania wody do uzdatniania:
- Procesy fizyczne, takie jak napowietrzanie, sedymentacja lub obróbka termiczna. W tej grupie mieści się również stosowanie zgrabiarek, filtrów i przesiewaczy.
- Procesy biologiczne takie jak beztlenowe oczyszczanie ścieków, utlenianie biochemiczne lub fermentacja osadów
- Procesy chemiczne takie jak zobojętnianie, dezynfekcja, flokulacja i wytrącanie
- Procesy membranowe takie jak filtracja, osmoza i nanofiltracja
Największa ilość ścieków do oczyszczenia występuje w oczyszczalniach komunalnych, dlatego też tutaj właśnie konieczne jest połączenie zróżnicowanych i skutecznych procesów. Stosowane procedury różnią się od siebie w zależności od rodzaju oczyszczalni ścieków.
Procesy oczyszczania w oczyszczalniach ścieków można podzielić na różne etapy.
Etap 1: mechaniczne uzdatnianie wody
W pierwszym etapie całkowicie surowe ścieki poddaje się oczyszczaniu mechanicznemu, które usuwa około 20-30% zawartych ciał stałych. W tym celu ścieki kierowane są do przesiewacza, gdzie sito lub bęben przesiewający odfiltrowuje duże zanieczyszczenia, takie jak liście, papier czy tekstylia. Różne przesiewacze, od zgrubnych o kilkucentymetrowej szerokości szczeliny, po drobne sita o szczelinach kilkumilimetrowych, przez które woda przepływa z różną prędkością, odfiltrowują na kolejnych etapach grubszy materiał. Skratki z sit są odwadniane i kierowane do spalarni.
Wstępnie oczyszczona woda przechodzi następnie do tak zwanego piaskownika. W technologii oczyszczania ścieków jest to termin używany do określenia zbiornika sedymentacyjnego, który służy do usuwania większych ciał stałych, takich jak kamienie, odłamki szkła czy piasek, a także gruboziarnistego materiału organicznego, który nie został odseparowany przez przesiewacze. Dzieje się to przy stosunkowo dużej prędkości przepływu wynoszącej około 0,3 m/s. Rozróżnia się nienapowietrzany piaskownik podłużny, napowietrzany piaskownik podłużny – zwany także walcową komorą piaskową – i piaskownik okrągły.
W piaskowniku napowietrzanym ze ścieków usuwane są dodatkowo tłuszcze i oleje, co odbywa się w następujący sposób: wprowadzone powietrze procesowe wprawia wodę w ruch wirowy, który przenosi na powierzchnię lżejsze substancje, takie jak oleje i tłuszcze. Dzięki temu można je łatwo usunąć.
W piaskowniku okrągłym materiał oddzielany jest od ścieków dzięki sile odśrodkowej i odsysany. Odpad pozostający po oczyszczaniu w piaskowniku jest myty i pozbawiany substancji organicznych. Umożliwia to odwodnienie zebranego materiału nieorganicznego i jego ponowne wykorzystanie, np. przy budowie dróg. Jeżeli dalszy recykling nie jest możliwy, odpad z piaskownika należy odpowiednio zutylizować; jest on deponowany na składowiskach lub utylizowany w spalarniach śmieci.
Kolejnym etapem oczyszczania ścieków jest osadnik wstępny. Ścieki przepływają przez niego z prędkością ok. 1,5 cm/s, znacznie wolniej niż przez piaskownik. Zmniejszenie prędkości przepływu uzyskuje się poprzez poszerzenie zbiornika. Mała prędkość przepływu jest niezbędna, aby drobniejsze zanieczyszczenia mogły osiąść, w zależności od ich składu, na dnie lub powierzchni wody. Osad powstający w wyniku sedymentacji (osiadania na dnie) nazywany jest osadem pierwotnym. Zazwyczaj składa się on z materiału organicznego. Osad pierwotny jest spychany zgarniaczem z dna do zbiornika świeżego osadu. Substancje unoszące się na powierzchni przesyłane są do kanału odprowadzającego osad pływający. Pompa przepompowuje świeży osad do tak zwanej wieży fermentacyjnej.
W wieży fermentacyjnej w czterech etapach (hydroliza, zakwaszanie, faza octanogenna i faza metanogenna) wytwarzany jest metan, który jest przekształcany w energię elektryczną w ciepłowni blokowej i może być wykorzystywany do zasilania instalacji. Proces fermentacji w wieży fermentacyjnej trwa około czterech tygodni. Pozostaje po nim bezwonny osad, który po odwodnieniu za pomocą wirówki lub filtra często wykorzystuje się w rolnictwie.
Na tym kończy się etap oczyszczania mechanicznego. W tej fazie ze ścieków usuwane jest średnio od 30% do 40% zanieczyszczeń. W swej podróży przez oczyszczalnię ścieki przechodzą do kolejnego etapu oczyszczania.
Etap 2: oczyszczanie biologiczne
W większości oczyszczalni ścieków woda wstępnie oczyszczona na etapie oczyszczania mechanicznego dociera do tak zwanych reaktorów biologicznych, które często projektuje się jako zbiorniki obiegowe. To tutaj następuje oczyszczanie biologiczne.
Cyrkulację wody w obiegu zapewnia dostarczanie tlenu i praca śrub napędowych. Powstają mniej lub bardziej napowietrzone obszary, w których tworzą się różne warunki środowiskowe dla rozwoju bakterii i mikroorganizmów. Mikroorganizmy te żywią się nadal obecnymi w wodzie zanieczyszczeniami organicznymi i przekształcają je w substancje nieorganiczne. Bakterie tworzą swobodnie unoszące się w wodzie kłaczki osadu czynnego. Dopływ tlenu stymuluje namnażanie się bakterii, a tym samym sprzyja tworzeniu się osadu czynnego. Z tego względu ten proces biologicznego oczyszczania ścieków nazywany jest również procesem osadu czynnego.
Ścieki zawierające osad czynny odprowadzane są do osadnika wtórnego. Tutaj prędkość przepływu strumienia ścieków ponownie ulega zmniejszeniu. Rozpoczyna się proces sedymentacji: Osad czynny osadza się na dnie zbiornika z oczyszczoną wodą, skąd można go oddzielić za pomocą urządzeń mechanicznych znajdujących się na dnie. Część tego osadu transportowana jest do wieży fermentacyjnej jako dodatkowa biomasa. Druga część osadu, zwana również „osadem powrotnym”, jest zawracana do zbiornika napowietrzającego, aby zapewnić w reaktorze biologicznym wystarczającą liczbę mikroorganizmów do rozłożenia zanieczyszczeń. Po oczyszczaniu biologicznym ścieki są pozbawione substancji biodegradowalnych w około 90%. Ponieważ tlen dostarczany jest przez sprężarki, etap oczyszczania biologicznego jest najbardziej energochłonną fazą całego procesu oczyszczania. Gdy woda osiągnie jakość wymaganą przepisami prawa, można ją zawrócić do obiegu wodnego – na przykład do rzeki.
W wielu innych przypadkach oczyszczanie biologiczne nie jest wystarczające. W takich sytuacjach konieczne są dalsze procesy oczyszczania ścieków – np. w formie obróbki chemicznej. W takich procesach stosuje się dodatki chemiczne.
Etap 3: chemiczne oczyszczanie ścieków
Na tym etapie do oczyszczania ścieków wykorzystuje się procesy chemiczne. Aby uzyskać wymagane przepisami prawa parametry wody, stosuje się związki chemiczne. Obróbka chemiczna w oczyszczalniach ścieków obejmuje zobojętnianie, dezynfekcję, wytrącanie fosforanów, usuwanie azotu, odladzanie i odmanganianie.
Zobojętnianie służy do uzyskania wymaganej wartości pH, co osiąga się poprzez dodanie kwasu np.: HCL, lub zasady, np. mleko wapienne.
Podczas dezynfekcji, w wyniku dodania chloru lub dwutlenku chloru, zabijane są patogeny. Dobrą alternatywą dla dodawania środków chemicznych jest naświetlanie ścieków światłem UV, ale ta metoda jest rzadziej stosowana. Usuwanie fosforanów: Nasze ścieki są często zanieczyszczone fosforanami pochodzącymi z detergentów, nawozów, dodatków do żywności i fekaliów. Jeśli pozostaną one w ściekach, prowadzą do nadmiernego nawożenia zbiorników wodnych i wzbogacenia ich w składniki odżywcze, co może prowadzić do niepożądanego wzrostu roślin (eutrofizacji), szkodliwego dla ekosystemu.
Phosphates are removed with a chemical precipitation or flocculation process. The phosphate precipitation is partly triggered by the addition of aluminium or iron salts in the sand collector or in the secondary wastewater treatment tank. The metal-phosphate flocks that are formed during this secondary clarification are then taken out of the wastewater together with the activated sludge. Depending on the mode of operation, the phosphate can also be "fished" with the help of microorganisms from the wastewater. In this case we speak of a biological phosphorus elimination, which is, however, still rarely used.
Azot jest usuwany w procesach nitryfikacji i denitryfikacji: Podczas nitryfikacji jon amonowy przy udziale bakterii beztlenowych i tlenu ulega przekształceniu w azotyn, a w następnym etapie w azotan. Denitryfikacja również jest wywoływana przez mikroorganizmy beztlenowe. W wyniku aktywności enzymatycznej rozkładają one azotany na azot, który następnie jest zawracany do atmosfery.
Odżelazianie: Aby obniżyć zawartość żelaza w ściekach do wymaganego poziomu, kationy żelaza(II) utlenia się poprzez dodanie tlenu. Aby zapoczątkować proces utleniania, do ścieków należy dodać także sodę kaustyczną.
Odmanganianie: Mangan występuje w ściekach zwykle w postaci wodorowęglanu manganu. Dodatek tlenu powoduje powstanie słabo rozpuszczalnych związków manganu IV, które można łatwo usunąć z wody.
4. Etap: Procesy membranowe / Nanofiltracja
W czwartym i ostatnim etapie czyszczenia stosowane są procesy membranowe i filtracyjne. Ten etap oczyszczania łączy się częściowo z procesami chemicznymi wytrącania i flokulacji. W taki sposób powstaje na przykład metoda filtracji flokulacyjnej. Do ścieków dodawane są środki strącające i flokulanty, co prowadzi do flokulacji rozdzielanych substancji. Ścieki z flokulowanym materiałem są następnie przepuszczane przez filtr tkaninowy lub piaskowy.
Powoli przesączają się one przez warstwę filtrującą. Usuwane są nawet najmniejsze zawieszone substancje organiczne.
W bardzo podobny sposób działa nanofiltracja. Jednak w przeciwieństwie do zwykłej filtracji, woda przepuszczana jest pod ciśnieniem przez membranę, która zatrzymuje nawet najmniejsze rozpuszczone cząsteczki, takie jak molekuły lub jony metali ciężkich. To samo dzieje się w przypadku odwróconej osmozy, w której stosuje się jeszcze wyższe ciśnienia robocze i jeszcze drobniejsze membrany.
Zanieczyszczenia zatrzymane podczas filtracji, nanofiltracji i odwróconej osmozy przechodzą przez osadnik wstępny w postaci osadu filtracyjnego do procesu oczyszczania osadów.
Woda dociera teraz do ostatniego obszaru oczyszczalni ścieków, czyli zbiornika czystej wody. Tutaj ponownie pobierane są próbki wody i sprawdzana jest jej jakość. Oczyszczona woda jest zawracana do obiegu wodnego dopiero po osiągnięciu wymaganych prawem parametrów.
