Ekologia

Budowa nowych oczyszczalni ścieków, modernizacja istniejących, a w szczególności zastosowanie wysokoefektywnych metod oczyszczania ścieków, spowodowały wzrost ilości powstających osadów. W zależności od technologii oczyszczania ścieków, w oczyszczalni mogą powstawać osady wstępne z oczyszczania wstępnego, osady nadmierne z oczyszczania biologicznego oraz osady z oczyszczania chemicznego [Heidrich i Suszyński 2010].

Osady ściekowe podlegają dyrektywie Parlamentu Europejskiego i Rady z 19 listopada 2008 r. 2008/98/WE w sprawie odpadów (tzw. ramowej dyrektywie odpadowej). Zgodnie z ww. dyrektywą, osady jako odpady podporządkowane są określonej hierarchii postępowania. W pierwszej kolejności należy zapobiegać powstawaniu odpadów, w dalszym ciągu przygotować je do ponownego użycia, poddać recyklingowi, innym metodom odzysku i ostatecznie unieszkodliwiać. Zapobieganie powstawaniu osadów ściekowych nie jest jednak możliwe, gdyż stanowią one taki rodzaj odpadów, których wytwarzania nie da się uniknąć. Dlatego istotne znaczenie mają kolejne priorytety w hierarchii postępowania z odpadami, tj.: przygotowanie do ponownego wykorzystania lub ostateczne unieszkodliwienie. Ponowne ich wykorzystanie jest jednak możliwe tylko wówczas, gdy osady będą ustabilizowane oraz bezpieczne pod względem sanitarnym.

Stabilizacja osadów ściekowych może być realizowana poprzez wykorzystanie metod biologicznych, chemicznych lub termicznych. Najczęściej stosowane są metody biologiczne, zwłaszcza fermentacja metanowa i stabilizacja tlenowa. Do metod biologicznych zaliczamy również kompostowanie. Niewielu jednak projektantów czy specjalistów wyróżnia wśród biologicznych metod autotermiczną termofilną stabilizację osadów (ATSO).

Powszechnie stosowaną metodą higienizacji osadów ściekowych jest ich wapnowanie [Podedworna i Umiejewska 2008]. Poza metodami chemicznymi, wyróżnia się również metody termiczne. Zaliczyć do nich można pasteryzację, hydrolizę termiczną, suszenie oraz inne metody przekształcania termicznego. W tym miejscu znów należy wspomnieć autotermiczną termofilną stabilizację, która obok stabilizacji zapewnia równocześnie higienizację osadów.

Powszechnie znanych jest wiele metod stabilizacji i higienizacji osadów ściekowych. Jeszcze więcej istnieje technologii na nich opartych i urządzeń stosowanych do ich realizacji. Stąd też, przed projektantem stoi trudne zadanie wyboru tej właściwej, która pozwoli uzyskać produkt spełniający wymagania formalno-prawne, ale równocześnie urzeczywistni oczekiwania inwestorów i eksploatatorów. Kluczowe znaczenie może mieć sposób ostatecznego unieszkodliwienia osadów. Kierunkiem najczęściej wybieranym w Europie jest termiczna przeróbka osadów ściekowych. Jednak w warunkach krajowych, niewątpliwie najbardziej preferowanym, szczególnie dla pewnej wielkości oczyszczalni ścieków, jest ich wykorzystanie przyrodnicze [Podedworna i Heidrich 2010]. Idealnym rozwiązaniem może okazać się autotermiczna termofilna stabilizacja realizowana według technologii opracowanej przez niemiecką firmę Fuchs Enprotec GmbH. Proces ten, niestety ciągle mało znany w Polsce, umożliwia pozyskiwanie w oczyszczalni ścieków, nawozu organicznego, zamiast odpadu.

Proces ATSO zapewnia pełną stabilizację, higienizację, a nawet wręcz dezynfekcję osadów, czyniąc je biomasą, która może być wykorzystywana do celów przyrodniczych. Pełna hermetyzacja reaktorów uniemożliwia ewentualne wtórne skażenie osadów poddawanych procesowi. Właściwą funkcję spełnia również izolacja termiczna zbiorników, która bez względu na zewnętrzną temperaturę powietrza zapewnia odpowiednie warunki dla przebiegu procesu. Jest to zatem metoda skutecznego unieszkodliwiania osadów ściekowych, która przebiega w całkowicie zautomatyzowanej instalacji, pozwalającej na otrzymanie produktu gotowego do wykorzystania w postaci płynnej lub po odpowiednim odwodnieniu. Proces ATSO jest zatem dobrym sposobem dostosowywania osadów ściekowych do nawożenia. Nie wymaga, jak np. kompostowanie, stosowania dodatkowych materiałów wzbogacających. Zapotrzebowanie powierzchni pod budowę instalacji jest niewielkie. Pełna hermetyzacja zbiorników i zastosowanie urządzeń do oczyszczania powstających gazów sprawiają, że nie jest to proces uciążliwy dla środowiska.

Na terenie kraju pracuje jedenaście instalacji ATSO, które umożliwiają kontynuację badań podjętych w roku 2003 w oczyszczalni ścieków w Giżycku. Współpraca z eksploatatorami i realizacja zaplanowanych badań daje szansę nieustannego wzbogacania wiedzy dotyczącej procesu. Możliwa jest również kontrola warunków roboczych istniejących instalacji, wdrażanie usprawnień wynikających z prowadzonych badań lub podejmowanie działań zmierzających do optymalizacji procesu.

Celem poznawczym niniejszego opracowania była systematyzacja wiedzy dotyczącej procesu autotermicznej termofilnej stabilizacji osadów ściekowych, którą zrealizowano poprzez przedstawienie informacji fundamentalnych oraz omówienie specyficznych aspektów zastosowania procesu. Celem utylitarnym podjętych badań i rezultatów przedstawionych w tej pracy było rozpoznanie zakresu zmienności wybranych wskaźników pozwalających na określenie stopnia stabilizacji i higienizacji osadów ściekowych poddanych procesowi ATSO. Ocenę przydatności analizowanych parametrów technologicznych w eksploatacji instalacji ATSO można uznać za pragmatyczny cel opracowania, który może posłużyć eksploatatorom do określenia realnych możliwości zmiany warunków pracy instalacji, czy też opracowania strategii optymalizacji służącej zmniejszeniu zapotrzebowania energii.

Osiągnięcie przedstawionych celów umożliwił przyjęty zakres pracy, obejmujący informacje na temat istniejącego stanu wiedzy o procesie autotermicznej termofilnej stabilizacji oraz jego technicznych rozwiązań. Dokonano przeglądu wdrożonych na terenie kraju instalacji ATSO. Omówiono elementy wyposażania instalacji oraz przyjęte rozwiązania gospodarki osadowej. Przedstawiono również wyniki badań realizowanych w tych obiektach i zaprezentowano ich analizę. Dokonany przegląd i ocena wyników badań służyły uświadomieniu, że zgodnie z założeniami zrównoważonego rozwoju, wytwarzane w omawianych oczyszczalniach ścieków osady ściekowe należy traktować jako źródło odzysku głównych składników pokarmowych roślin, a nie jako odpad.

::Spis treści::

Wstęp         

1.        Charakterystyka procesu autotermicznej termofilnej stabilizacji

1.1.    Mikroflora termofilnego procesu biodegradacji

1.2.    Przemiany biochemiczne w procesie autotermicznej termofilnej stabilizacji

1.3.    Stabilność i samoregulacja procesu autotermicznej stabilizacji

1.4.    Produkcja biomasy

1.5.    Zjawisko pienienia się osadu

1.6.    Uciążliwość zapachowa procesu  

1.7.    Techniczne rozwiązania procesu

1.8.    Energochłonność procesu

2.        Przegląd wdrożonych instalacji ATSO

2.1.    Ogólna charakterystyka wdrożonych instalacji

2.1.1.Oczyszczalnia ścieków w Olecku

2.1.2.Oczyszczalnia ścieków w Giżycku

2.1.3.Oczyszczalnia ścieków w Lubaniu Śląskim

2.1.4.Oczyszczalnia ścieków w Piszu

2.1.5.Oczyszczalnia ścieków w Oławie

2.1.6.Oczyszczalnia ścieków w Kętrzynie

2.1.7.Oczyszczalnia ścieków w Dąbrowie Białostockiej

2.1.8.Oczyszczalnia ścieków w Rudzie Bugaj  

2.1.9.Oczyszczalnia ścieków w Miliczu

2.1.10.         Oczyszczalnia ścieków w Hajnówce

2.1.11.         Oczyszczalnia ścieków w Wysokiem Mazowieckiem

2.2.    Wybrane parametry techniczne reaktorów ATSO

2.3.    Podstawowe wyposażenie instalacji

2.3.1.Aerator centralny

2.3.2.Aerator boczny

2.3.3.Rozbijacz piany

2.4.    Zastosowane rozwiązania gospodarki osadowej w oczyszczalniach ścieków

2.4.1.Wstępne zagęszczanie osadów

2.4.2.Proces stabilizacji i higienizacji osadów

2.4.3.Odwadnianie osadów

2.4.4.Likwidacja uciążliwości zapachowej

2.4.5.Retencjonowanie osadów

3.        Uruchomienie, rozruch i eksploatacja instalacji ATSO

3.1.    Podstawowe warunki i ustalenia dotyczące rozpoczęcia i przebiegu uruchomienia

3.2.    Uruchomienie i rozruch instalacji

3.3.    Przebieg właściwego rozruchu technologicznego

3.4.    Podstawowe czynności eksploatacyjne

4.        Technologiczne podstawy oceny procesu ATSO

4.1.    Stabilizacja osadów

4.1.1.Zmiany zawartości suchej masy

4.1.2.Zmiany zawartości substancji organicznych w suchej masie

4.1.3.Zmiany wartości chemicznego zapotrzebowania tlenu

4.2.    Higienizacja osadów

4.2.1.Osady ściekowe jako źródło patogenów

4.2.2.Temperatura jako czynnik eliminujący zanieczyszczenie mikrobiologiczne osadów

4.2.3.Zmiany temperatury w procesie autotermicznej termofilnej stabilizacji

4.3.    Odczyn osadów

4.4.    Związki biogenne

4.5.    Wapń i magnez

4.6.    Metale ciężkie

4.7.    Przewodność elektrolityczna

Podręcznik stanowi kompendium wiedzy z zakresu logistyki odpadów, aktualnego stanu prawnego w Polsce i w Unii Europejskiej, który dotyczy zagospodarowania odpadów, oraz zaleceń Krajowego planu gospodarki odpadami na lata 2016-2022. Podręcznik będzie pomocny studentom 

Kłaczki osadu czynnego, błona biologiczna, czy granule to specyficzne rodzaje biotopu (z greckiego bios– życie lub organizm, i topos – miejsce), które wykorzystywane są w technologii biologicznego oczyszczania ścieków. Zarówno zawieszone w toni ścieków kłaczki, jak i biofilm stanowiący biomasę utwierdzoną na nieruchomym lub ruchomym nośniku (odpowiednio: technologia złoża biologicznego lub złoża ruchomego), są już powszechnie stosowane w skali technicznej w oczyszczalniach ścieków komunalnych. Także granulacja w warunkach beztlenowych została dobrze rozpoznana już w latach 80. poprzedniego stulecia, a reaktory beztlenowe z biomasą granulowaną znalazły szerokie zastosowanie do oczyszczania ścieków przemysłowych.

Technologia tlenowego granulowanego osadu czynnego, obok technologii membranowej i złoża ruchomego, wpisuje się w stosunkowo nowy kierunek zastosowań, polegający na wprowadzaniu w oczyszczalniach ścieków rozwiązań pozwalających na zwiększenie ilości biomasy w reaktorze i przyjęcie większego ładunku zanieczyszczeń w urządzeniu o tej samej kubaturze, bądź budowę nowych obiektów o relatywnie mniejszych kubaturach bioreaktorów, ale z gwarancją uzyskania porównywalnego efektu oczyszczania. Pierwszy z tych przypadków ma szczególne znaczenie przy modernizacji oczyszczalni projektowanych wcześniej na znacznie mniejszy ładunek zanieczyszczeń dopływających ze ściekami.

Początek badań nad technologią tlenowego granulowanego osadu czynnego datuje się na koniec lat 90. XX wieku (Mishima i Nakamura, 1991), a podstawą ich podjęcia w wielu ośrodkach badawczych na świecie, były wstępne wyniki dokumentujące korzystne właściwości granul, takie jak wysoka koncentracja biomasy, bardzo dobra charakterystyka sedymentacyjna, i zdolność do usuwania biogenów ze ścieków. Obecnie wiadomo już, że osad czynny w postaci granul powstaje w wyniku samoimmobilizacji komórek mikroorganizmów w odpowiedzi na specyficzne warunki środowiskowe panujące w reaktorze, m.in. wysoki stopień wymiany objętościowej ścieków i siły hydrodynamiczne działające na biomasę. Granule charakteryzujące się wysokim zagęszczeniem komórek łatwo i szybko sedymentują, a przy tym zróżnicowany skład gatunkowy tworzącej te sferyczne struktury biomasy oraz obecność zróżnicowanych warunków tlenowych (ściśle tlenowe, anoksyczne, beztlenowe) gwarantują uzyskiwaną z ich udziałem wysoką efektywność oczyszczania ścieków. Każda dojrzała granula, z uwagi na morfologię i różnorodność panujących w niej warunków tlenowych może być przyrównana do minibioreaktora, zapewniającego zintegrowane usuwanie związków węgla organicznego i biogenów.

Dodatkowe potencjalne korzyści wynikające z zastosowania granul tlenowych to lepsze wykorzystanie rozpuszczonego tlenu (specyficzna budowa reaktorów porcjowych), większa odporność na nierównomierność dopływu i składu ścieków (w tym obecność substancji toksycznych), brak konieczności budowy osadników wtórnych, zmniejszona produkcja osadu nadmiernego.

Jednak pomimo wieloletnich eksperymentów prowadzonych w licznych ośrodkach badawczych (w tym także w Polsce), nadal nie zostały jeszcze rozpoznane wszystkie mechanizmy odpowiedzialne za proces aerobowej granulacji. Ciągle trwają badania nad wpływem różnych czynników eksploatacyjnych i środowiskowych w poszukiwaniu strategii przyspieszających tworzenie granul tlenowych i utrzymanie ich w czasie długotrwałej eksploatacji bioreaktorów. Ciekawe, dobrze prognozujące wyniki tych eksperymentów, odnoszące się zarówno do formowania samych granul, jak i uzyskiwanych z ich udziałem efektów technologicznych usuwania zanieczyszczeń ze ścieków, jeszcze parę lat temu pozwalały jedynie przypuszczać, że w niedługim czasie pojawią się pracujące w skali technicznej układy technologiczne wykorzystujące ten rodzaj biomasy. Obecnie na świecie technologię granulowanego osadu czynnego zastosowano już w ponad 20. przemysłowych i komunalnych oczyszczalniach, w tym, co warto podkreślić, jeden z obiektów został wybudowany w 2015 roku także w Polsce (oczyszczalnia ścieków komunalnych w Rykach - projekt technologiczny, wyposażenie reaktorów i rozruch technologiczny DHV Hydroprojekt).

Mając przekonanie, że technologia tlenowego granulowanego osadu czynnego jest obiecującym rozwiązaniem na miarę XXI wieku, za cel książki postawiono sobie możliwie zwięzłe przedstawienie polskim Czytelnikom dotychczas zdobytej wiedzy na temat mechanizmów tworzenia granul tlenowych i warunków technologicznych, jakie powinny być spełnione, aby osiągnąć ich długotrwałą zrównoważoną aktywność, będącą warunkiem sine qua non dla uzyskania z ich udziałem wysokiej i stabilnej efektywności biologicznego oczyszczania ścieków. Opracowanie powstało na podstawie przeglądu blisko 200. pozycji literatury przedmiotu opublikowanych do początku 2016 roku. W kolejnych rozdziałach książki przedstawiono: definicję i charakterystykę tlenowych granul, dotychczasowe koncepcje szlaków granulacji, czynniki będące warunkiem niezbędnym dla jej przebiegu oraz warunki technologiczne stymulujące formowanie granul tlenowych, a także techniki wspomagania granulacji tlenowej i utrzymania długotrwałej stabilności granul. Na zakończenie omówiono pierwszą opatentowaną i zastosowaną w skali technicznej technologię wykorzystującą tlenowy granulowany osad czynny (reaktory porcjowe), a także próby uzyskania granulacji tlenowej w reaktorach przepływowych.

W pracy świadomie nie analizowano efektywności oczyszczania ścieków z wykorzystaniem tlenowego osadu granulowanego (uznając to zagadnienie za inny, równie szeroki problem tematyczny), choć oczywiście główną przesłanką podjęcia pracy nad przygotowaniem niniejszej monografii były szeroko już opisane w literaturze przedmiotu bardzo dobre wyniki usuwania zanieczyszczeń w tej technologii, przy równocześnie wielu dodatkowych korzyściach, wymienionych już wyżej, stanowiących o jej konkurencji w stosunku do klasycznego osadu czynnego.

Mamy nadzieję, że monografia ta posłuży rozszerzeniu wiedzy na temat jednej z przyszłościowych technologii oczyszczania ścieków nie tylko projektantom i eksploatatorom oczyszczalni, ale także studentom kierunku inżynieria środowiska, zaś zamieszczone w niej zdjęcia, schematy i rysunki przyczynią się do podniesienia jej wartości poznawczej, pomagając w rozbudzeniu naukowej ciekawości i wyobraźni, a także w uprzyjemnieniu jej odbioru. 

::Spis treści::

Wykaz skrótów

Wstęp

1. Definicja osadu granulowanego

2. Właściwości granul tlenowych

2.1. Charakterystyka ogólna

2.2. Wielkość granul

2.3. Struktura przestrzenna

2.4. Populacje mikroorganizmów

2.5. Wiek osadu granulowanego

3. Koncepcje mechanizmów formowania granul tlenowych

3.1. Koncepcja Beuna i wsp. [1999]: grzybnia jako macierz formujących się granul

3.2. Koncepcja Liu i Taya [2002]: granulacja tlenowa jako proces 4-fazowy

3.3. Koncepcja Webera i wsp. [2007]: orzęski jako szkielet granul tle nowych

3.4. Koncepcja Barra i wsp. [2010]: rozrost i/lub agregacja mikrokolonii jako początkowe stadium formowania granul

3.5. Koncepcja Kończak [2011]: granulacja tlenowa jako proces 6-fazowy

3.6. Koncepcja Verawaty i wsp. [2012]: czterofazowy przebieg wczesnego stadium przyspieszonej tlenowej granulacji

3.7. Koncepcja Zhou i wsp. [2014]: granulacja dynamiczna (reaktor przepływowy)

3.8. Potwierdzenie koncepcji dynamicznej granulacji w badaniach Gonzalez-Gil i Holligera [2014]

3.9. Koncepcja Wana i wsp. [2015]: mechanizm granulacji wywołany złogami wapnia

4. Granulacja w kontekście dojrzałości granul

5. Uwarunkowania granulacji tlenowej

5.1. Warunki sine qua non

5.1.1. Znaczenie hydrofobowości komórek

5.1.2. Znaczenie biokoagulacji

5.1.2.1. Teoria podwójnej warstwy

5.1.2.2. Teoria alginianowa

5.1.2.3. Teoria mostkowania kationami dwuwartościowymi

5.1.3. Znaczenie polimerów zewnątrzkomórkowych (EPS)

5.1.3.1. Hydrożelowy charakter EPS w granulach tlenowych

5.1.3.2. Frakcje EPS i ich wpływ na formowanie granul

5.1.3.3. EPS jako bariera ochronna komórek

5.2. Uwarunkowania technologiczne granulacji tlenowej

5.2.1. Hydrodynamiczne siły ścinające

5.2.2. Czas sedymentacji

5.2.3. Selekcja mikrobiologiczna

5.2.4. Rodzaj substratów w oczyszczanych ściekach

5.2.5. Strategia zasilania reaktora ściekami

5.2.5.1. Dawkowanie substratów łatwo biodegradowalnych w warunkach beztlenowych (SBR)

5.2.5.2. Dawkowanie substratów polimerowych w warunkach beztlenowych (SBR)

5.2.5.3. Szybkie dawkowanie substratów łatwo biodegradowalnych w warunkach tlenowych (reaktor z pełnym wymieszaniem) .

5.2.5.4. Powolne dawkowanie substratów łatwo biodegradowalnych w warunkach tlenowych (reaktor z pełnym wymieszaniem)

5.2.6. Współczynnik dekantacji

5.2.7. Czas trwania cyklu i hydrauliczny czas zatrzymania ścieków (HRT)

5.2.8. Obciążenie reaktora związkami organicznymi

5.2.9. Wiek osadu

5.2.10. Stężenie tlenu rozpuszczonego

5.2.11. Temperatura

5.2.12. Odczyn

6. Wpływ zastosowanego inoculum na szybkość granulacji tlenowej oraz trwałość i morfologię formowanych granul

6.1. Czas rozruchu reaktorów z osadem granulowanym – porównanie skali laboratoryjnej i technicznej

6.2. Wpływ zastosowanego inoculum

6.2.1. Granule beztlenowe

6.2.2. Osad czynny

6.2.2.1. Wpływ źródła osadu czynnego

6.2.2.2. Wpływ struktury osadu czynnego i jego właściwości sedymentacyjnych

6.2.2.3. Komórki osadu czynnego pozbawione EPS (pelety)

6.2.2.4. Mieszanina kłaczków osadu czynnego i dojrzałych granul tlenowych

6.2.2.5. Mieszanina rozdrobnionych granul tlenowych oraz kłaczków osadu czynnego

7. Wspomaganie formowania i utrzymania stabilności granul

7.1. Geneza problemu

7.2. Dawkowanie chlorku poliglinu (PAC)

7.2.1. Wpływ na granulację tlenową

7.2.2. Wpływ na odtwarzanie granul i utrzymanie ich stabilności

7.3. Wpływ dawkowania jonów metali dwuwartościowych

7.3.1. Wpływ jonów Ca2+

7.3.2. Wpływ jonów Mg2+

7.3.3. Porównanie wpływu jonów Ca2+ i Mg2+ na granulację tlenową

7.3.4. Próba utrzymania stabilności granul w reaktorach przepły wowych

Podręcznik zawiera kompleksowe omówienie metod i procedur ograniczenia niskiej emisji pochodzącej ze spalania węgla w gospodarce komunalno-bytowej. Publikacja kierowana jest głównie do studentów studiów dziennych, wieczorowych, zaocznych i podyplomowych 

...

...

...

Książka została objęta dofinansowaniem z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (MNiSzW)

Zakres tematyczny podręcznika obejmuje podstawy biologii środowiska podane w 5-ciu rozdziałach, dotycz...

Książka prezentuje nowoczesne podejście do problemu eksploatacji układów wodociągowych i kanalizacyjnych. Autorzy wykorzystali w niej osiągnięcia naukowe z zakresu teorii inżynierii systemów, niezawodności funkcjonowania i bezpieczeństwa działania, jak również planowania i analizy kosztów w celu racjonalnego zarządzania układami wodociągowymi i kanalizacyjnymi.

Prezentowany podręcznik akademicki stanowi podsumowanie dotychczasowego stanu wiedzy w zakresie podstaw nowoczesnego - bezpiecznego projektowania i wymiarowania systemów (sieci i obiektów) odwodnień terenów zurbanizowanych, w duchu zaleceń najnowszej normy PN-EN 752:2008, przy uwzględnieniu zagrożeń wynikających ze zmian klimatu w przyszłości. Praca ma monograficzno-metodologiczny a zarazem aplikacyjny charakter. Adresowana jest głównie do studentów i pracowników naukowych wyższych uczelni technicznych, rolniczych oraz uniwersytetów - wydziałów Inżynierii Środowiska i Ochrony Środowiska, ale także do projektantów, wykonawców i eksploatatorów systemów usuwania ścieków oraz zagospodarowania wód deszczowych.

Prezentowany podręcznik akademicki stanowi podsumowanie dotychczasowego stanu wiedzy w zakresie podstaw nowoczesnego - bezpiecznego projektowania i wymiarowania systemów (sieci i obiektów) odwodnień terenów zurbanizowanych, w duchu zaleceń najnowszej normy PN-EN 752:2008, przy uwzględnieniu zagrożeń wynikających ze zmian klimatu w przyszłości. Praca ma monograficzno-metodologiczny a zarazem aplikacyjny charakter. Adresowana jest głównie do studentów i pracowników naukowych wyższych uczelni technicznych, rolniczych oraz uniwersytetów - wydziałów Inżynierii Środowiska i Ochrony Środowiska, ale także do projektantów, wykonawców i eksploatatorów systemów usuwania ścieków oraz zagospodarowania wód deszczowych.