Oczyszczalnie ścieków przemysłowych
Produkty
Zagadnienia
Metody mechaniczno – fizyczne
Ścieki przemysłowe zawierają w swym składzie części nierozpuszczone o różnej wielkości oraz różnym charakterze składu i formie skupienia. Zanieczyszczenia stałe o większych gabarytach są separowane na kratach, sitach i filtrach taśmowych, natomiast zawiesiny o różnym stopniu dyspersji usuwane są we flotatorach.
Zanieczyszczenia stałe o większych gabarytach muszą być usuwane ze ścieków surowych bez względu na przyjętą technologię oczyszczania ze względu na bezpieczeństwo działania urządzeń, natomiast celowość usuwania zawiesin uzależniona jest od dalszych stosowanych metod biologicznego oczyszczania ścieków.
Metody biologiczne
Metoda fermentacji metanowej
Jest to podstawowa, biologiczna metoda podczyszczania ścieków przemysłowych do parametrów zbliżonych do ścieków komunalnych umożliwiających dalsze ich doczyszczenie metodą osadu czynnego. W efekcie tego procesu uzyskuje się 85% – 95% redukcję związków organicznych i 20% – 30% redukcję związków biogennych i traktowana jest jako pierwszy stopień biologicznego oczyszczania.
Proces fermentacji metanowej prowadzony przez bakterie beztlenowe jest idealnie dostosowany do rozkładu złożonych związków organicznych, ponieważ przebiega w czterech podstawowych fazach, w których następuje ich stopniowa redukcja do produktów końcowych jakim są biogaz (mieszanina metanu i dwutlenku węgla) i woda.
Pierwszym etapem fermentacji metanowej jest hydroliza złożonych związków organicznych zawartych w ściekach w postaci rozpuszczonej oraz w zawiesinach. Bakterie hydrolityczne rozkładają białka do aminokwasów, złożone węglowodany do cukrów prostych, a tłuszcze do wyższych kwasów tłuszczowych. Produkty rozkładu hydrolitycznego są wykorzystywane jako substrat dla bakterii kwasogennych, które w drugim etapie biodegradacji prowadzą kwasogenezę, w wyniku której otrzymuje się proste kwasy organiczne. Kwasy te w trzecim etapie rozkładu, octanogenezie, są redukowane do kwasu octowego, z którego na etapie metanogenezy otrzymuje się metan, dwutlenek węgla i wodę. Metan również uzyskuje się, ale w znacznie mniejszej ilości, poprzez redukcję dwutlenku węgla wcześniej wytworzonym wodorem. Warunkami koniecznymi dla prawidłowego prowadzenia procesu jest odpowiednia jakość biologiczna osad beztlenowego, temperatura procesu w zakresie 36⁰C – 38⁰C i odczyn na poziomie od 6,8 do 7,6 pH.
Metoda osadu czynnego
Jest to powszechnie stosowana metoda oczyszczania ścieków w oczyszczalniach komunalnych. Osad czynny stanowi złożoną biocenozę bardzo wielu grup mikroorganizmów od bakterii, poprzez pierwotniaki i robaki, aż do nicieni. Wszystkie one egzystują tylko w obecności tlenu, czyli konieczne jest stosowanie napowietrzania. W odróżnieniu od osadu beztlenowego wykorzystywanego w fermentacji metanowej, tlenowy osad czynny dostosowany jest do rozkładu stosunkowo prostych związków organicznych, które szybko ulegają biodegradacji. Z tego też względu w oczyszczalniach ścieków przemysłowych stosuje się reaktory osadu czynnego do końcowego oczyszczania ścieków dla uzyskania parametrów ścieków oczyszczonych pozwalających na odprowadzenie do odbiornika wód powierzchniowych.
Bardzo ważną kwestią dotyczącą układu technologicznego w jakim pracuje reaktor tlenowy jest zagadnienie usuwania w nim związków biogennych azotu i fosforu. O ile usuwanie związków fosforu ze ścieków można przeprowadzać zarówno metodami biologicznymi jak i chemicznymi poprzez strącanie w postaci nierozpuszczalnych fosforanów, to w przypadku związków biogennych azotu pozostają tylko metody biologiczne, polegające na utlenieniu jonu amonowego do jonu azotanowego, który z kolei w odpowiednich warunkach jest rozkładany do azotu gazowego w procesie denitryfikacji i w ten sposób usuwany ze ścieków. Usuwanie związków azotu możliwe jest w układzie co najmniej dwóch komór osadu czynnego w których panują optymalne warunki dla tego procesu, czyli napowietrzanie w komorze nitryfikacji i warunki niedotlenienia w komorze denitryfikacji. Efektywność procesu denitryfikacji uzależniona jest również od właściwego stosunku stężenia związków organicznych określonych jako ChZT do stężenia związków azotu w ściekach dopływających do komory denitryfikacji.
Istotne tematy technologiczne
Charakterystyka ścieków przemysłowych
Ścieki przemysłowe powstają w procesach technologicznych przetwarzania wszelkiego rodzaju surowców, w trakcie których wykorzystywana jest woda. Szczególnie duże zapotrzebowanie na wodę wykazuje przetwórstwo rolno-spożywcze i właśnie w tym sektorze gospodarki powstaje największa ilość ścieków przemysłowych. Ścieki te, zawierające związki organiczne w postaci rozpuszczonej i zawiesiny, pochodzą z przerabianych surowców rolnych. Są to złożone węglowodany, białka i tłuszcze. Stopień koncentracji tych związków kształtuje poziom zanieczyszczenia ścieków, który może wykazywać bardzo zróżnicowany poziom. Z tego też względu główną zasadą projektowania instalacji do oczyszczania ścieków przemysłowych jest indywidualny dobór właściwej technologii ich oczyszczania, oparty na charakterystyce jakościowej i ilościowej tych ścieków. Ścieki przemysłowe wykazują również dużą zmienność składu nawet w obrębie zakładów z tej samej branży. Stężenie zanieczyszczeń organicznych w ściekach określonych wskaźnikiem ChZT (chemiczne zapotrzebowanie tlenu) wynosi od kilku tysięcy mgO2/dm3 w ściekach mleczarskich i browarniczych do ponad stu tysięcy mgO2/dm3 w ściekach np. z produkcji biopaliw. Bardzo istotnym zagadnieniem jest również koncentracja związków biogennych azotu i fosforu w ściekach przemysłowych i możliwości technologiczne eliminacji ich ze ścieków.
Należy podkreślić, że ścieki przemysłowe zawierające naturalne związki organiczne nawet w bardzo wysokich stężeniach ulegają rozkładowi biologicznemu z zastosowaniem odpowiedniej metody i warunków technologicznych. Obecnie najskuteczniejszą metodą oczyszczania tych ścieków jest fermentacja metanowa, w rezultacie której uzyskuje się 80 – 90% redukcję związków organicznych i 20 – 30% redukcję związków biogennych i jest traktowana jako pierwszy stopień biologicznego oczyszczania.
Tabela 1. Stopień zanieczyszczenia ścieków przemysłowych w odniesieniu do stężenia ChZT w podanych branżach
| Przemysł | Jednostka | Wartość wskaźnika ChZT |
|---|---|---|
| Mleczarski | mg O2/dm3 | 3000 – 6000 |
| Cukrowniczy | 5000 – 15000 | |
| Piwowarski | 3000 – 6000 | |
| Ziemniaczany | 5000 – 15000 | |
| Tłuszczowy | 5000 – 8000 | |
| Przetwórstwo ryb | 5000 – 20000 | |
| Produkcja soków | 5000 – 15000 | |
| Przetwórstwo warzyw i owoców | 7000 – 20000 | |
| Ubojnie drobiu i zwierząt rzeźnych | 5000 – 10000 | |
| Gorzelnie | 30000 – 100000 | |
| Produkcja biopaliw | 50000 – 150000 | |
| Przemysł farmaceutyczny | 10000 – 20000 |
Przedstawione w tabeli wartości poziomu zanieczyszczenia ścieków z różnych branż wskazują na znacznie ich zróżnicowanie spowodowane w głównej mierze nie tylko asortymentem wytwarzanych produktów, ale również technologiami ograniczającymi zużycie wody co z reguły prowadzi do zwiększenia stopnia zanieczyszczenia ścieków.
Wybór optymalnej technologii oczyszczania ścieków przemysłowych
Jest to podstawowe zagadnienie w procesie inwestycyjnym, które będzie gwarantowało efektywne działanie całej instalacji oraz będzie zapewniało osiągnięcie zakładanych efektów oczyszczania ścieków. Technologia oczyszczania musi być również dostosowana do potrzeb inwestora w odniesieniu do zakładanego stopnia ich oczyszczenia, to znaczy, czy ścieki muszą być tylko podczyszczone w procesie fermentacji metanowej i dalej oczyszczane w oczyszczalni miejskiej, czy też oczyszczane do wymaganych parametrów i odprowadzane do odbiornika wód powierzchniowych.
Istotne są również kwestie ekonomiczne zarówno na etapie inwestycyjnym jak i eksploatacyjnym. Uzyskanie takich efektów oczyszczania jest możliwe przez zastosowanie tylko fermentacji metanowej lub dwustopniowej metody beztlenowo – tlenowej. W stopniu pierwszym w procesie fermentacji metanowej uzyskuje się redukcję związków organicznych na poziomie ok. 90%, a w stopniu drugim usuwa się pozostałe w ściekach przefermentowanych proste związki organiczne i związki biogenne.
Opracowanie właściwej technologii uzależnione jest od składu i rodzaju ścieków. Szczególnie dotyczy to obecności zawiesin i tłuszczy w ściekach oraz związków mogących działać inhibitująco na mikroorganizmy, czyli np. związki dezynfekcyjne stosowane do mycia urządzeń w zakładach.
Aktualnie preferowane są dwa rozwiązania technologiczne w odniesieniu do pracy części beztlenowej oczyszczalni:
- przy wysokim stężeniu zawiesin organicznych w ściekach surowych istnieje możliwość ich usuwania na wstępnym etapie oczyszczania mechanicznego za pomocą filtracji lub flotacji i fermentowania tak wydzielonych zawiesin, a klarowne ścieki surowe pozbawione zawiesin będą oczyszczane w reaktorze tlenowym.
- przy wysokim stężeniu rozpuszczonych związków organicznych i małym udziale zawiesiny ścieki te powinny być poddane bezpośrednio fermentacji metanowej i doczyszczone w reaktorze tlenowym. Jest to układ o wiele prostszy technologicznie i tańszy zarówno na etapie inwestycyjnym jak i eksploatacyjnym.
Porównanie metod oczyszczania w odniesieniu do efektywności i ilości wytwarzanych osadów biologicznych
Oczyszczanie ścieków przemysłowych metodami biologicznymi związane jest również z wytwarzaniem biomasy mikroorganizmów, która musi być odprowadzona z układu oczyszczania w postaci osadu nadmiernego. Wielkość przyrostu biomasy w przeliczeniu na usunięty ładunek zanieczyszczeń w metodzie fermentacji metanowej jest ok. 10 – 15 razy mniejsza niż przy oczyszczaniu osadem czynnym w warunkach tlenowych. Z tego też względu w dwustopniowych biologicznych oczyszczalniach ścieków przemysłowych powinno się dążyć do możliwie maksymalnego zminimalizowania powstawania tlenowego osadu nadmiernego, który jest osadem nieustabilizowanym (czyli część organiczna osadu ulega dalszemu rozkładowi) i podlega dalszej obróbce biologicznej, tzn. musi być poddany procesowi fermentacji metanowej. Z tego względu najekonomiczniejsze jest fermentowanie ścieków surowych i dalej doczyszczanie w reaktorze tlenowym.
Przykładowo, oczyszczając 1000 m3/d ścieków przemysłowych o stężeniu ChZT na poziomie 5000 mg O2/dm3 tylko w reaktorze tlenowym, uzyskuje się aż 2500 – 3000 kg suchej masy osadu, czyli po odwodnieniu do 20% suchej masy, objętościowo jest to 12,5 – 15 m3/d.
Oczyszczając te same ścieki w technologii beztlenowo – tlenowej uzyskuje się zaledwie ok. 430 kg suchej masy, czyli po odwodnieniu 2,15 m3/d.
Podczyszczanie ścieków przemysłowych metodą fermentacji metanowej
Zakłady wytwarzające ścieki w dużej ilości i o znacznym ładunku zanieczyszczeń muszą budować własne instalacje do oczyszczania ścieków. Natomiast w przypadku zakładów mniejszych gdy nie ma zasadności budowy pełnej oczyszczalni ścieków bardzo dobrym rozwiązaniem jest podczyszczanie tych ścieków w reaktorze beztlenowym, a następnie ich przesyłanie systemem kanalizacji do miejskiej oczyszczalni ścieków komunalnych. Redukcja związków organicznych w procesie fermentacji metanowej wynosi ok. 85% – 95%, a ścieki przefermentowane zawierające resztkowe ilości prostych związków organicznych nie stanowią żadnego problemu dla oczyszczenia ich w reaktorze tlenowym na miejskiej oczyszczalni, wynikającym np. z dopływu zwiększonego ładunku zanieczyszczeń.
Pełne oczyszczanie ścieków z odprowadzeniem do odbiornika
Warunki odprowadzania ścieków oczyszczonych do odbiornika są określone w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego.