Biologiczne oczyszczalnie ścieków

Wstęp do tematyki

Ścieki są to wody zużyte, powstające w wyniku działalności bytowej i produkcyjnej człowieka. Odbiornikiem ścieków mogą być wody powierzchniowe płynące i stojące, a także grunt.  Dlatego też sposób oczyszczenia ścieków bytowych, a następnie jakość wody odpływającej z oczyszczalni jest jednym z kluczowych zagadnień związanych z ochroną środowiska, a także ważnym czynnikiem związanym ze zdrowiem i życiem ludzi.

Wstęp                                    

Ścieki bytowe zawierają dużą ilość zawiesin oraz związków organicznych i nieorganicznych. Mogą w nich znajdować się także wirusy i bakterie chorobotwórcze oraz jaja robaków pasożytniczych. Skażenie wód powierzchniowych i podziemnych ściekami bytowymi stanowi więc poważne zagrożenie higieniczne, a także epidemiologiczne.

Oczyszczanie ścieków jest tak samo niezbędne dla życie i funkcjonowania ludzi, jak i zapewnienie wody pitnej, czy doprowadzenie energii elektrycznej do budynków. Bardzo często jest ono kojarzone ze zbiorową siecią kanalizacyjną i centralną oczyszczalnią zlokalizowaną w mieście lub na wsi. Jednak warto zaznaczyć, iż w pewnych warunkach oczyszczanie ścieków bytowo – gospodarczych może odbywać się w  sposób indywidualny i  co ważne, równie skuteczny. W sytuacji, kiedy dana miejscowość charakteryzuje się rozproszonym systemem zabudowy, brak jest dostatecznie chłonnych odbiorników ścieków np. rowów czy zbiorników wodnych, a także niekorzystna jest topografia terenu, wówczas prawidłowo zastosowany indywidualny system oczyszczania ścieków może okazać się rozwiązaniem znacznie bardziej ekonomicznym niż system zbiorowy, a równie jak on efektywnym i wydajnym.

Montaż zbiornika indywidualnego systemu oczyszczania ścieków

Definicje zanieczyszczeń

Ogólnie zanieczyszczenia w ściekach można podzielić na:

– fizyczne (zawiesina, mętność, barwa, temperatura, zapach),

– chemiczne (zawartość rozpuszczonych związków organicznych i nieorganicznych)

– biologiczne (mikroorganizmy).

Poniżej najczęściej stosowane słownictwo w technologii oczyszczania ścieków bytowych:

BZT5 (pięciodniowe biochemiczne zapotrzebowanie na tlen) – jest jednym z najważniejszych wskaźników zanieczyszczenia ścieków domieszkami organicznymi. Określa ilość tlenu zużywanego przez mikroorganizmy do utlenienia w określonym czasie substancji organicznych i niektórych nieorganicznych zawartych w ściekach.

ChZT (chemiczne zapotrzebowanie na tlen) – ten wskaźnik również określa ilość tlenu potrzebną do utlenienia materii organicznej, jednak w tym przypadku bez udziału organizmów żywych. ChZT przyjmuje większe wartości od BZT5. 
Wartości obu powyższych wskaźników podaje się w mg O2/dm3.

Zawiesina  to zawartość substancji stałych (nierozpuszczalnych) w ściekach. Wyróżnia się zawiesinę opadalną i nieopadalną. Najdrobniejsze nieopadające cząsteczki zawiesiny tworzą mętność i barwę ścieków. Zawiesina zawarta w ściekach składa się z substancji mineralnych i organicznych.

Azot zawarty jest głównie z związkach organicznych. Występuje w postaci azotu organicznego zawartego w masie organicznej oraz formie rozpuszczonej jako azot amonowy utleniany dalej do azotynów i azotanów. W ściekach surowych spotyka się azot w formie azotu organicznego oraz amonowego. Nadmierna zawartość azotanów w glebach i ich wymywanie do wód jest bardzo poważnym zagrożeniem dla środowiska i zdrowia.

Fosfor – jego źródłem w ściekach są odchody, resztki pożywienia i detergenty; w ściekach występuje w postaci fosforanów, polifosforanów i fosforu organicznego. Podczas oczyszczania ścieków część fosforu gromadzona jest przez mikroorganizmy zawarte w ściekach lub strącana w postaci nierozpuszczalnych soli, reszta odpływa do odbiornika ścieków.

Metody oczyszczania ścieków bytowych

Procesy oczyszczania ścieków dzielą się na:

  • Mechaniczne (kraty, sita, osadniki)
  • Biologiczne (tlenowe, beztlenowe)
  • Chemiczne (oczyszczanie wspomagane związkami chemicznymi)
  • Metody zaawansowane (np. reaktory membranowe)

 

Biorąc pod uwagę oczyszczalnie przydomowe oczyszczające niewielką ilość ścieków na dobę (do 50 mieszkańców) najpopularniejsze obecne na rynku są oczyszczalnie biologiczne – drenażowe oraz pełno biologiczne zwane też oczyszczalniami biologicznymi z natlenianiem, pracujące na bazie osadu czynnego.

Zbiornik oczyszczalni ścieków

Oczyszczalnie drenażowe

Oczyszczalna taka składa się z osadnika gnilnego (jedno, dwu lub trzykomorowego) wyposażonego w filtr doczyszczający (na bazie keramzytu, kształtek tworzywowych), studzienki rozdzielającej ścieki oraz złoża rozsączającego na bazie rur drenarskich lub pakietów drenażowych.

Oczyszczanie mechaniczne ścieków następuje w osadniku gnilnym. Zachodzi tu podstawowy proces sedymentacji zawiesin łatwo opadających oraz biochemiczny rozkład zanieczyszczeń organicznych.

Proces oczyszczania ścieków w oczyszczalni drenażowej przebiega etapami w sposób następujący:

ETAP I – usuwane są ze ścieków substancje nie rozpuszczone w wodzie zatrzymując je w osadniku gnilnym i dalej poddając procesowi fermentacji. Prawidłowo wykonany i eksploatowany osadnik pozwala na usunięcie do 80% zawiesin i do 40% zanieczyszczeń organicznych.

ETAP II – usuwane są ze ścieków pozostałe, rozpuszczone w wodzie, substancje organiczne. Wykorzystywane są naturalne procesy tlenowego, biochemicznego rozkładu zanieczyszczeń. Do tego celu służą mikroorganizmy (zwierzęce i roślinne), głównie bakterie, dla których zawartość ścieków stanowi pokarm.

W osadniku ścieki zostają wstępnie oczyszczone. cząstki unoszące się w ściekach opadają na dno i tworzą osad. osad ten ulega powolnemu procesowi fermentacji, w czasie której cząstki zanieczyszczeń są rozkładane na substancje rozpuszczalne w wodzie oraz nierozpuszczalne substancje mineralne, które odkładają się na dnie osadnika.

Na powierzchni ścieków w osadniku tworzy się tzw. kożuch (utworzony z zanieczyszczeń, które unoszą się na powierzchni – najczęściej tłuszczów, olejów), czyli piana powstająca przy procesie fermentacji różnych substancji zawartych w ściekach. W procesie tym również powstają substancje rozpuszczalne w wodzie oraz cząstki stałe, które opadają na dno. Jeżeli ścieki wypływające z kuchni oczyścimy wstępnie w separatorze tłuszczu to znacząco zwiększymy skuteczność działania osadnika.

Ścieki odprowadzone z prawidłowo dobranego i właściwie eksploatowanego osadnika gnilnego są klarowne a ich jakość pozwala na dalsze oczyszczenie w gruncie, lub w urządzeniach takich jak złoża biologiczne, lub urządzenia osadu czynnego.

Za osadnikiem gnilnym zainstalowana jest studzienka rozdzielcza, której zadaniem jest odpowiednie rozdystrybuowanie podczyszczonych ścieków na złoże rozsączające. Złoże może być wykonane na bazie drenażu rozsączającego lub pakietów drenażowych.

Istotę drenażu rozsączającego stanowi układ podziemnych ciągów drenarskich wprowadzający wstępnie oczyszczone ścieki do gruntu w celu dalszego ich biologicznego oczyszczenia, bez rolniczego wykorzystania i bez odprowadzania oczyszczonych ścieków do wód powierzchniowych. W systemie takim występuje pełny cykl oczyszczania ścieków tzn. oczyszczanie mechaniczne i biologiczne.

Wady: brak kontroli jakości odprowadzanych ścieków, możliwość szybkiego zakolmatowania gruntu (min. ok. 5 lat), kosztowny i pracochłonny montaż (długie ciągi drenarskie, konieczność wypełniania wykopów tłuczniem, minimalna odległość złoża od wód gruntowych to 1,5 metra. Zalety: relatywnie niska cena urządzenia.

System rozsączania ścieków oczyszczonych do gruntu

Oczyszczalnie biologiczne

Oczyszczalnie mechaniczno-biologiczne dzielą się na: oczyszczalnie ze złożem biologicznym (biomasa utwierdzona) i oczyszczalnie z osadem czynnym (biomasa zawieszona).

Technologia oczyszczania ścieków bazująca na złożu biologicznym (biomasa utwierdzona) opiera się na biochemicznym rozkładzie zanieczyszczeń organicznych zawartych w ściekach. Zasadniczym elementem procesu oczyszczania jest materiał, na którym tworzy się błona biologiczna, składająca się z mikroorganizmów roślinnych i zwierzęcych. Procesy te przebiegają w warunkach tlenowych. Ich intensywność zależy również od temperatury otoczenia.

Osad czynny (biomasa zawieszona) to zespół mikroorganizmów (biocenoza), złożony z bakterii, grzybów mikroskopowych i pierwotniaków. Mikroflora osadu (bakterie i grzyby) rozkłada związki organiczne występujące w ściekach na substancje proste, m.in.: dwutlenek węgla, wodę i amoniak, który zostaje utleniony do azotanów; mikrofauna zaś, odżywiając się bakteriami i grzybami, reguluje ich ilość w biocenozie.

Osad czynny pod mikroskopem 1

Osad czynny pod mikroskopem 2

 

Oczyszczanie ścieków bytowo-gospodarczych w pełno biologicznej przydomowej oczyszczalni ścieków zachodzi w trzech następujących po sobie etapach:

  • procesie gnilnym i sedymentacji ścieków,
  • procesie napowietrzania zatopionego złoża biologicznego lub osadu czynnego,
  • procesie recyrkulacji osadów (opcja).

Przekrój przez zamontowaną w gruncie oczyszczalnię biologiczną

 

W osadniku gnilnym ścieki zostają wstępnie oczyszczone. Cząstki unoszące się w ściekach opadają na dno i tworzą osad. Osad ten ulega powolnemu procesowi fermentacji w czasie której cząstki zanieczyszczeń są rozkładane na substancje rozpuszczalne w wodzie oraz nierozpuszczalne substancje mineralne, które odkładają się na dnie osadnika. Na powierzchni ścieków w osadniku gnilnym tworzy się tzw. kożuch (utworzony z zanieczyszczeń lżejszych od wody – najczęściej tłuszczów).

Ścieki podczyszczone w osadniku przepływają do dalszego oczyszczania biologicznego, czyli procesu osadu czynnego. Proces osadu czynnego jest biologicznym, tlenowym sposobem oczyszczania ścieków. Wykorzystywana jest tu metaboliczna reakcja mikroorganizmów (głównie bakterii), w wyniku której otrzymuje się w wysokim stopniu oczyszczone ścieki. Mikroorganizmy tworzące osad czynny przetwarzają związki organiczne do końcowych produktów gazowych i wody. W wyniku tego procesu następuje także przyrost masy mikroorganizmów.

Aby proces biologicznego rozkładu związków organicznych mógł przebiegać poprawnie, do układu oczyszczania musi być dostarczony niezbędny mikroorganizmom tlen. Środowisko tlenowe w komorze napowietrzania osiągane jest przez wprowadzenie np.. sprężonego powietrza (za pomocą układu sprężarki powietrza połączonej z dyfuzorem napowietrzającym).

Po określony czasie (min. 24 h) mieszanina starych i nowych mikroorganizmów przepływa następnie wraz ze ściekami do osadnika wtórnego – trzeciego stopnia oczyszczania, gdzie następuje oddzielenie zawiesiny od oczyszczonych ścieków. Część osadu czynnego zatrzymanego w osadniku wtórnym – osad recyrkulowany, jest zwracana do komory napowietrzenia w celu zapewnienia stałej koncentracji biomasy osadu w tej komorze. Natomiast pozostała część – osad nadmierny, czyli przyrosły w wyniku rozmnażania się organizmów, jest odprowadzany do osadnika wstępnego i tu jest magazynowany.

Wypływająca z oczyszczalni ciecz może zostać wprowadzona do gruntu poprzez system rozsączający, lub zostać odprowadzona do cieków lub zbiorników otwartych.

Oczyszczalni z odprowadzeniem ścieków oczyszczonych do oczka wodnego

Dobór sposobu oczyszczania ścieków

Dobór sposobu oczyszczania ścieków zależy od lokalnych warunków gruntowo-wodnych, topografii działki oraz charakteru i wielkości obiektu i powinien każdorazowo opierać się o analizę czynników, takich jak:

  • ukształtowanie terenu,
  • przepuszczalność gruntu,
  • poziom zwierciadła wód gruntowych (np. w oczyszczalniach drenażowych pomiędzy drenażem rozsączającym a max poziomem wód gruntowych musi być zachowana odległość min. 150 cm),
  • odległość urządzeń od obiektów budowlanych (studnia, budynek, itp.) oraz granicy działki,
  • zakładana liczba użytkowników,
  • możliwość zrzutu oczyszczonych ścieków – istnienie ew. powierzchniowego odbiornika ścieków (rów melioracyjny, rzeka).

Oczyszczalnia złożona z dwóch zbiorników – dla ponad 20 użytkowników

 

Podsumowanie

Dobór odpowiedniej oczyszczalni ścieków ze względu na ich jakość i dopływ dobowy, warunki gruntowo-wodne, ukształtowanie terenu, a przede wszystkim możliwość odprowadzenia do odbiornika ma decydujący wpływ na funkcjonowanie urządzenia przez kolejne lata. Nie warto więc wybierać urządzeń pozornie tanich, które mogą okazać się kosztowne lub wręcz niemożliwe w dłuższej eksploatacji.

W kolejnym odcinku zajmiemy się szczegółowo procesami oczyszczania zachodzącymi w pełno biologicznych oczyszczalniach ścieków , ze szczególnym uwzględnieniem urządzeń bazujących na osadzie czynnym. Nie omieszkam wspomnieć również o aktach prawnych warunkujących budowę i eksploatację przydomowych oczyszczalni ścieków.

 

mgr inż. Mariusz Piasny