Sad czynny

Procesy osadu czynnego są jedną z części złożonego systemu oczyszczania ścieków (U.S. EPA 2002). Są one zazwyczaj stosowane po oczyszczaniu wstępnym (w tym przesiewanie, które usuwa osiadające ciała stałe), zawierają jedną lub więcej głównych napowietrzanych komór oczyszczania, urządzenia napowietrzające, urządzenie do odpowiedniego mieszania w celu utrzymania osadu w zawieszeniu, wtórny odstojnik w celu oddzielenia biomasy od oczyszczonego ścieku i zebrania osiadłej biomasy, zazwyczaj nieliniowy, bardzo złożony reżim cyrkulacji (np. pętle recyrkulacyjne, obejścia itp.), a czasami następuje po nich końcowy etap polerowania (patrz filtracja trzeciorzędowa i dezynfekcja). Zachodzące procesy biologiczne są skuteczne w usuwaniu materiałów rozpuszczalnych, koloidalnych i cząstek stałych. Reaktor może być zaprojektowany do biologicznej nitryfikacji i denitryfikacji, jak również do biologicznego usuwania fosforu.

Projekt musi być oparty na dokładnym oszacowaniu składu i objętości ścieków. Efektywność oczyszczania może być poważnie zagrożona, jeśli zakład jest niedowymiarowany lub przewymiarowany. W zależności od temperatury, czas zatrzymania ciał stałych (SRT) w reaktorze waha się od 3 do 5 dni dla usuwania BZT, do 3 do 18 dni dla nitryfikacji.

Osad nadmierny wymaga obróbki w celu zmniejszenia zawartości wody i substancji organicznych oraz uzyskania ustabilizowanego produktu nadającego się do końcowego wykorzystania lub ostatecznego usunięcia. Ważne jest, aby uwzględnić ten etap w fazie planowania oczyszczalni).

Duże ilości wtłaczanego tlenu pozwalają na utrzymanie warunków tlenowych i optymalne wymieszanie aktywnej biomasy ze ściekami, które mają być oczyszczone. Aby utrzymać stosunkowo wysoką ilość aktywnych mikroorganizmów użytecznych w usuwaniu substancji organicznych ze ścieków, osad jest oddzielany od ścieków przez osadzanie we wtórnym klarowniku (UNEP 2004) lub przez filtrację membranową i utrzymywany w procesie przez recyrkulację do zbiornika napowietrzania. Opracowano kilka modyfikacji tego podstawowego procesu, włączając w to różne urządzenia napowietrzające, różne sposoby zbierania osadu i recyrkulacji do zbiornika napowietrzającego lub osadnika wstępnego, oraz wzmocnienie procesu poprzez dodanie obszaru obojętnego podłoża, na którym może rosnąć biofilm (połączony proces fixed-film/suspended-growth).

Aczkolwiek bakterie tlenowe są najbardziej dominującymi mikroorganizmami w procesie, inne bakterie tlenowe, beztlenowe i/lub nitryfikacyjne wraz z wyższymi organizmami mogą być obecne. Tak więc, poza usuwaniem materii organicznej, składniki odżywcze (organiczny amoniak, fosfor) mogą być również usuwane biologicznie poprzez nitryfikację/denitryfikację i biologiczny pobór fosforu. Dokładny skład mikroorganizmów zależy od konstrukcji reaktora, środowiska i charakterystyki ścieków (TILLEY et al. 2008). Aby osiągnąć optymalne warunki zarówno dla usuwania substancji organicznych, jak i składników odżywczych, stosuje się sekwencje zmieniających się komór aerobowych i anaerobowych.

Szczegółowy proces oczyszczania

Po przesianiu piasek i podobne ciężkie cząstki są usuwane następnie w komorze piasku, gdzie osiadają na ziemi. Komora ta ma na celu usunięcie tylko grubego żwiru i ścieki spędzają w niej tylko stosunkowo krótki okres (kilka minut) (UNEP & MURDOCH 2004). Mniejsze cząstki stałe są usuwane w osadniku lub zbiorniku sedymentacyjnym. W tym urządzeniu ścieki spędzają więcej czasu (około jednej godziny), aby umożliwić dobrą separację. Osad z tego mechanicznego oczyszczania wstępnego (w tym przesiewanie i osadzanie w piaskowniku i osadniku) nazywany jest osadem wstępnym i, jak wszystkie osady nadmierne, wymaga dalszego zaawansowanego łańcucha oczyszczania.

Po tym oczyszczaniu wstępnym następuje główna jednostka zawierająca osad czynny. Wstępnie oczyszczone ścieki są mieszane z zagęszczonym osadem czynnym z osadnika wtórnego w zbiorniku napowietrzanym. Napowietrzanie jest zapewniane albo przez mechaniczne mieszadła powierzchniowe, albo przez zanurzone dyfuzory sprężonego powietrza (WSP 2008). Napowietrzanie dostarcza tlen do osadu czynnego i jednocześnie dokładnie miesza osad i ścieki (UNEP & MURDOCH 2004). Podczas napowietrzania i mieszania, bakterie tworzą małe skupiska lub kłaczki (TILLEY et al. 2008). W tych warunkach, bakterie w osadzie czynnym rozkładają substancje organiczne zawarte w ściekach. Wykorzystują one substancje organiczne do produkcji energii, wzrostu i rozmnażania. Produktami końcowymi są dwutlenek węgla (CO2), woda (H2O) i nowe komórki.

Po kilku godzinach w komorze napowietrzania, mieszanina trafia do osadnika wtórnego (klarownika), gdzie kłaczki mikroorganizmów osiadają i są usuwane ze strumienia ścieków. Osadzone mikroorganizmy (osad czynny) są następnie zawracane do górnej części zbiornika napowietrzania, gdzie są ponownie mieszane ze ściekami i kontynuują wzrost i tworzenie nowego osadu oraz rozkład substancji organicznych. Aby utrzymać optymalną ilość osadu w systemie, stopień recyrkulacji osadu osiadłego waha się od 20 do 100%. Osad nadmierny produkowany każdego dnia (odpadowy osad czynny) musi być przetwarzany w dalszym łańcuchu obróbki razem z osadem z instalacji oczyszczania wstępnego. Konwencjonalny łańcuch przetwarzania osadu nadmiernego obejmuje fermentację beztlenową, zagęszczanie, spalanie i bezpieczne unieszkodliwianie, np. na składowisku odpadów. Bardziej zrównoważonym sposobem byłoby kompostowanie osadu (przed lub zamiast fermentacji) w celu ponownego wykorzystania składników odżywczych w rolnictwie.

Czas retencji hydraulicznej w całym systemie wynosi od kilku godzin do kilku dni dla fazy ciekłej. Postępowanie z osadem nadmiernym może trwać nieco dłużej w zależności od rodzaju zastosowanego zagęszczania i fermentacji beztlenowej. Ścieki z prawidłowo zaprojektowanej i eksploatowanej oczyszczalni z osadem czynnym są wysokiej jakości, zwykle mają stężenia BZT i TSS równe lub mniejsze niż 10 mg/L (CRITES & TCHOBANOGLOUS 1998). Usuwanie zarówno biologicznego zapotrzebowania na tlen (BZT), jak i zawiesiny ciał stałych (TSS) zazwyczaj mieści się w zakresie od 80 do 100% w zależności od stężenia dopływu, konfiguracji systemu i temperatury (UNEP 2004; SANIMAS 2005; WSP 2008).

Składniki odżywcze, takie jak azot i fosfor są również usuwane w procesie osadu czynnego, ale wymagają konfiguracji różnych komór napowietrzanych i nienapowietrzanych w hybrydowych systemach osadu czynnego. Biologiczne usuwanie azotu odbywa się najpierw poprzez przemianę azotu organicznego w amoniak, a następnie tlenową przemianę amoniaku (NH4+) w azotyn (NO2-) i azotan (NO3-) oraz beztlenową przemianę azotanu w azot gazowy (N2), który jest następnie uwalniany do atmosfery. Przemiana amoniaku w azotan poprzez etap pośredni w postaci azotynów nazywana jest nitryfikacją. Przemiana azotanu w azot gazowy jest określana jako denitryfikacja. Tak więc, kombinacja obu procesów, tlenowego i beztlenowego (anoksycznego) jest wymagana do osiągnięcia całkowitej eliminacji azotu ze ścieków. W wielu systemach oczyszczania z osadem czynnym, zbiornik beztlenowy jest albo zintegrowany po zbiorniku napowietrzanym i przed klarowaniem (post-denitryfikacja); lub tuż przed zbiornikiem napowietrzającym (pre-denitryfikacja). W przypadku denitryfikacji wstępnej, nitryfikacja ma miejsce w zbiorniku napowietrzanym po aerobowym zbiorniku wstępnym. Denitryfikacja zachodzi tylko wtedy, gdy ścieki z napowietrzanego zbiornika, zawierające azotyny, są recyrkulowane jak osad.

Usuwanie fosforu w systemach osadu czynnego może być przeprowadzane chemicznie lub biologicznie. Biologiczna eliminacja fosforu w konwencjonalnym systemie oczyszczania ścieków zachodzi poprzez absorpcję fosforu przez niektóre komórki bakteryjne. Jednakże, tylko niewielka ilość fosforu może być usunięta w ten sposób, ponieważ frakcja masowa fosforu w osadzie lotnym wynosi tylko około 2,5% (HAANDEL&LUBBE 2007). Daje to stężenie w ściekach komunalnych wynoszące od 2 do 7 mg P/L przy stężeniu ChZT równym 500 mg/L (HAANDEL&LUBBE 2007). Ogólnie jednak wymagane jest obniżenie stężenia fosforu w ściekach do wartości ≤ 1 mg P/L.

Innym procesem biologicznym jest wzmocnione biologiczne usuwanie fosforu. Wzmocnione biologiczne usuwanie fosforu opiera się na hodowli specjalnych bakterii akumulujących fosfor, które w porównaniu z 2,5% P w konwencjonalnym osadzie czynnym, mogą prowadzić do akumulacji do 38% P w osadzie (HAANDEL&LUBBE 2007).

Gdy zarówno azot, jak i fosfor mają zostać usunięte, połączenie staje się jeszcze bardziej złożone. Wzmocnione biologiczne usuwanie fosforu wymaga zazwyczaj etapu beztlenowego (dla hodowli PAO), etapu anoksycznego (dla denitryfikacji) i etapu tlenowego (dla nitryfikacji i akumulacji fosforu) w serii.

Obecnie, systemy osadu czynnego, w których cenne składniki odżywcze (fosfor i azot) oraz materia organiczna są spalane zamiast ponownie wprowadzane do obiegu w celu produkcji żywności w rolnictwie, nie są już postrzegane jako zrównoważone. Wprowadzenie usuwania azotu do instalacji z osadem czynnym znacznie zwiększa objętość reaktora i prowadzi do wyższego zużycia energii o około 60 do 80% na napowietrzanie (MAURER 2003). Eliminacja fosforu wymaga albo dodania chemikaliów i późniejszego usunięcia nieorganicznego osadu, albo zwiększenia złożoności i objętości reaktora dla wzmocnionego biologicznego usuwania fosforu.

Aby osiągnąć określone cele ścieków dla BZT, azotu i fosforu, różne adaptacje i modyfikacje zostały wprowadzone do podstawowego projektu osadu czynnego. Dobrze znane modyfikacje obejmują sekwencyjne reaktory porcjowe (SBR), rowy utleniające, głębokie wały, rozszerzone napowietrzanie, ruchome złoża i bioreaktory membranowe.

Sekwencyjne reaktory porcjowe (SBR)

Proces może być prowadzony w partiach, gdzie różne warunki są wszystkie osiągane w tym samym reaktorze, ale w różnym czasie (UNEP & MURDOCH 2004). Oczyszczanie składa się z cyklu pięciu etapów: napełniania, reakcji, osiadania, czerpania i spoczynku. Podczas typu reakcji, tlen jest dodawany przez system napowietrzania. Podczas tej fazy, bakterie utleniają materię organiczną, tak jak w systemach osadu czynnego. Następnie, napowietrzanie jest zatrzymywane, aby umożliwić osiadanie osadu. W następnym etapie, woda i osad są oddzielane przez dekantację, a czysta warstwa (supernatant) jest odprowadzana z komory reakcyjnej (METCALF & EDDY 2007). W zależności od szybkości wytwarzania osadu, część osadu może być również odmulana. Po fazie bezczynności zbiornik jest napełniany nową porcją ścieków (UNEP & MURDOCH 2004). W trybie pracy okresowej potrzebne są co najmniej dwa zbiorniki, ponieważ w fazie pracy konieczne jest przechowywanie ciągłego dopływu. (Bardzo) małe systemy (np. obsługujące małe osiedla) mogą stosować tylko jeden zbiornik. W takim przypadku dopływ musi być albo zatrzymywany w stawie, albo stale odprowadzany na dno zbiornika, aby nie zakłócać faz osiadania, czerpania i spoczynku. SBR-y są odpowiednie dla niższych przepływów, ponieważ wielkość każdego zbiornika jest określona przez objętość ścieków produkowanych podczas okresu oczyszczania w drugim zbiorniku (UNEP & MURDOCH 2004). Więcej informacji na temat systemów osadu czynnego SBR można znaleźć w WSP (2007) lub U.S. EPA (1999).

Rowy utleniające

Rowy utleniające to duże okrągłe lub owalne rowy (reaktory kanałowe) z jednym lub kilkoma poziomymi napowietrzaczami w celu zapewnienia dopływu tlenu oraz mieszania i przemieszczania zawartości wokół rowu. Przesiany dopływ dostaje się do rowu utleniającego, jest napowietrzany i krąży z prędkością około 0,25 do 0,35 m/s (SANIMAS 2005). Praca może być ciągła lub przerywana. Zwykle nie jest wymagana sedymentacja wstępna, ale z reguły stosowane są osadniki wtórne. Wymagana objętość oczyszczania na jednego mieszkańca wynosi ok. 1 m³ (SANIMAS 2005). Rowy utleniające nadają się do zastosowania na terenach o dużej dostępności gruntów. Ich zaletą jest to, że są stosunkowo łatwe w utrzymaniu i odporne na obciążenia uderzeniowe, które często występują w mniejszych miejscowościach (np. w porze śniadania i wieczorem). Typowy hydrauliczny czas retencji wynosi od 24 do 48 godzin, a wiek osadu wynosi od 12 do 20 dni (Wikipedia 2010). Więcej informacji na temat rowów utleniających można znaleźć w U.S. EPA (2000), WSP (2007) lub WSP (2008).

Głębokie rowy

Gdzie ziemia jest w niedostatku, ścieki mogą być oczyszczane przez wstrzykiwanie tlenu do ciśnieniowego strumienia osadu powrotnego, który jest wstrzykiwany do podstawy głębokiego zbiornika kolumnowego zakopanego w ziemi. Ten typ reaktora osadu czynnego nazywany jest głębokim szybem. Głębokość takich szybów może wynosić do 100 m. W miarę unoszenia się ścieków tlen wtłaczany do roztworu przez ciśnienie panujące u podstawy szybu ulega rozkładowi w postaci tlenu cząsteczkowego. Zapewnia to wysoce wydajne źródło tlenu dla mikroorganizmów zawartych w osadzie czynnym. Wznoszący się tlen i wstrzykiwany szlam zwrotny zapewniają fizyczny mechanizm mieszania. Zmieszany osad i ścieki są dekantowane na powierzchni i rozdzielane na supernatant i składniki osadu. Wydajność oczyszczania w głębokich szybach może być wysoka, ale wymagają one wykwalifikowanych specjalistów do budowy, obsługi i konserwacji; a dodatkowo dużej ilości energii (dostosowane z Wikipedii (2012)).

.