Oczyszczalnia ścieków w Chmielniku, powiat rzeszowski. Fot. Przykuta / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)
Etapy oczyszczania mechanicznego
Oczyszczanie mechaniczne stanowi pierwszy etap procesu. Jego zadaniem jest usunięcie ze ścieków surowych frakcji stałych i mineralnych, które mogłyby zakłócić pracę urządzeń biologicznych lub zasypać reaktory. Do typowych obiektów tego etapu należą: kraty, sita, piaskowniki i osadniki wstępne.
Kraty i sita
Kraty zatrzymują ciała stałe o rozmiarach powyżej określonej przerwy między prętami. W praktyce rozróżnia się kraty rzadkie (przerwa powyżej 60 mm) i kraty gęste (przerwa 10–25 mm). Skratki odwadnia się i przekazuje do unieszkodliwienia. W nowszych instalacjach kraty gruboziarniste zastępuje się sitami bębnowymi lub taśmowymi, które lepiej retencjonują drobniejsze frakcje organiczne.
Piaskowniki
Piaskowniki mają za zadanie wytrącenie piasku i innych drobnych frakcji mineralnych przy jednoczesnym zachowaniu zawiesiny organicznej w postaci zawieszonej. W piaskowniku napowietrzanym podłużnym ruch poprzeczny wody wymuszony sprężonym powietrzem powoduje segregację cząstek: piasek opada na dno, natomiast organika pozostaje w kolumnie wody.
Osadniki wstępne
Osadniki wstępne pracują na zasadzie sedymentacji grawitacyjnej. Zmniejszenie prędkości przepływu ścieków umożliwia opadanie zawiesiny na dno zbiornika, gdzie gromadzi się jako osad wstępny. Osad wstępny ma wysoką zawartość substancji organicznych i jest kierowany do fermentacji beztlenowej w komorach fermentacyjnych.
Kluczowe parametry mechanicznego etapu oczyszczania
- Skuteczność usuwania zawiesiny ogólnej na poziomie osadnika wstępnego: ok. 50–70%
- Czas retencji w osadniku wstępnym: 1,5–3 godziny
- Prędkość przepływu poziomego w piaskowniku: 0,15–0,30 m/s
Oczyszczanie biologiczne metodą osadu czynnego
Metoda osadu czynnego jest w Polsce dominującym sposobem oczyszczania biologicznego ścieków komunalnych. Opiera się na działaniu mikroorganizmów tworzących kłaczki (flokuły), które pochłaniają i mineralizują substancje organiczne przy dostępie tlenu.
Komory napowietrzania
W komorach napowietrzania utrzymuje się stężenie tlenu rozpuszczonego zazwyczaj w przedziale 1,5–3,0 mg/l. Napowietrzanie realizuje się przez sprężanie powietrza przez dyfuzory drobnopęcherzykowe umieszczone przy dnie komory lub przez mieszadła powierzchniowe. Efektywność usuwania BZT5 w tym etapie przekracza zazwyczaj 90%.
Reaktory SBR
Sekwencyjne reaktory porcjowe (SBR, ang. Sequencing Batch Reactor) łączą fazę napowietrzania, sedymentacji i dekantacji w jednym zbiorniku. Cykl pracy reaktora obejmuje: napełnianie, reakcję (napowietrzanie), sedymentację, dekantację i fazę czuwania. Instalacje SBR dobrze sprawdzają się w małych i średnich oczyszczalniach, ponieważ elastycznie dostosowują czas poszczególnych faz do aktualnego obciążenia.
Osadnik wtórny oczyszczalni ścieków. Fot. Velella / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)
Usuwanie związków biogennych
Dyrektywa 91/271/EWG zobowiązuje oczyszczalnie obsługujące aglomeracje powyżej 10 000 równoważnych mieszkańców (RLM) do redukcji azotu i fosforu. W praktyce stosuje się systemy łączące strefy tlenowe, anoksyczne i beztlenowe w jednym ciągu reaktorów.
Nitryfikacja i denitryfikacja
Nitryfikacja zachodzi w warunkach tlenowych: bakterie autotroficzne (głównie Nitrosomonas i Nitrobacter) utleniają jony amonowe do azotanów. Następnie w strefie anoksycznej heterotrofy (denitryfikatory) redukują azotany do gazowego azotu cząsteczkowego, który ulatnia się z układu. Wymagane stężenie węgla organicznego dla denitryfikacji wynosi zazwyczaj BZT5/N > 4.
Biologiczne i chemiczne usuwanie fosforu
Biologiczne usuwanie fosforu (proces EBPR) odbywa się przez przemienne eksponowanie osadu na warunki beztlenowe (pobieranie fosforanów) i tlenowe (akumulacja polifosforanów). W przypadku niewystarczającej skuteczności biologicznej stosuje się strącanie chemiczne z użyciem soli żelaza lub glinu.
Oczyszczanie chemiczne i zaawansowane
Koagulacja i flokulacja stosowane są wspomagająco przy usuwaniu substancji koloidalnych i fosforanów. W instalacjach z podwyższonymi wymaganiami jakościowymi stosuje się filtrację pospieszną, ozonowanie lub membrany ultrafiltacyjne. Reaktory membranowe MBR łączą komorę biologiczną z modułem membranowym, eliminując osadniki wtórne i uzyskując bardzo wysoką jakość ścieków oczyszczonych.
Zaawansowane metody — zastosowania
- Filtracja membranowa (MBR): odzysk wody do ponownego użycia
- Ozonowanie: utlenianie mikrozanieczyszczeń farmaceutycznych
- Adsorpcja na węglu aktywnym: usuwanie śladowych ilości substancji organicznych
- UV: dezynfekcja ścieków przed odprowadzeniem do wrażliwych odbiorników
Gospodarka osadami ściekowymi
Osady ściekowe powstające w procesie oczyszczania są poddawane zagęszczaniu grawitacyjnemu lub mechanicznemu. Osady wstępne i nadmierny osad czynny kierowane są do zamkniętych komór fermentacyjnych (WKF), gdzie w temperaturze 35–55°C zachodzi rozkład beztlenowy. Produktem fermentacji jest biogaz — mieszanina metanu i dwutlenku węgla — który w wielu instalacjach jest spalany w kogeneratorach wytwarzających energię elektryczną i cieplną na potrzeby oczyszczalni.
Po fermentacji osad podlega odwadnianiu mechanicznemu (prasy taśmowe, wirówki) do suchej masy ok. 20–30%. Osad higienizowany może być stosowany rolniczo, kompostowany lub kierowany do termicznego unieszkodliwiania.