1.1. Historyczne ujęcie zarządzania wodą i ściekami
1.1.2. Rozwój metod i technologii oczyszczania ścieków
Główny rozwój technologii oczyszczania ścieków nastąpił dopiero pod koniec XIX w.
Jednym z najważniejszych wydarzeń lat 60 XIX w. było przedstawienie projektu zbiornika – szamba L. H. Mourasa, które w późniejszym czasie (1895 r.) zostało ulepszone i opatentowane przez Donalda Camerona. Kolejnym krokiem było zaprojektowanie w 1906 r.
osadnika służącego do wytrącania zanieczyszczeń, znajdujących się w ściekach, przez Karla Imhoffa [18]. Na Rysunku 3 przedstawiono główne osiągnięcia w zakresie wdrażania nowych technologii oraz wprowadzania rozwiązań technologicznych w zakresie oczyszczania ścieków na przestrzeni XIX i XX w. Na osi czasu przedstawiono określone procesy oczyszczania ścieków lub wybrane urządzenia technologiczne stosowane w tym celu.
W XX w. nastąpiła znaczna zmiana w zarządzaniu ściekami oraz środowiskiem naturalnym. Wprowadzono kontrolę emisji zanieczyszczeń wprowadzanych do środowiska naturalnego. [19]. W Europie kamieniem milowym był Ósmy Raport Królewskiej Komisji ds. Utylizacji Ścieków z 1912 r. wprowadzający koncepcję biochemicznego zapotrzebowania na tlen (BZT) oraz ustanawiający standardy i oznaczenia, jakie mają być zastosowane dla ścieków. W efekcie, koncepcję tą przyjęły również inne kraje Europejskie [18]. Kolejne zmiany obejmowały wdrożenie metod biologicznych do procesu oczyszczania ścieków.
W 1914 r. dwaj brytyjscy inżynierowie Edward Arden i W.T. Lockett opatentowali metodę osadu czynnego. Okres II wojny światowej spowodował zastój w rozwoju technologii oczyszczania ścieków, aż do ok. 1948 roku. Po zakończeniu wojny nastąpił szybki postęp w zakresie powstawania nowych technologii biologicznego oczyszczania ścieków. W efekcie zainteresowania zagadnieniami eutrofizacji i zapobieganiem temu zjawisku, Lutdzaack i Ettinger w 1962 r. zaproponowali wykorzystanie strefy beztlenowej w osadzie czynnym do redukcji azotanów w procesie denitryfikacji. Kolejnym krokiem w usuwaniu związków biogennych było opatentowanie w 1974 r. przez Jamesa Barnarda biologicznego usuwania azotu i fosforu [20]. Równolegle (od 1960 r.) zaczęły pojawiać się systemy membranowe pozwalające na usunięcie zawiesiny stałej, bakterii i wirusów obecnych w ściekach oczyszczonych mechanicznie. W 1970 r. wprowadzono bioreaktory tlenowe z membraną ultrafiltracyjną, przeznaczoną do separacji biomasy. W efekcie, pod koniec lat 70 XX w.
zastosowano biologiczne reaktory membranowe (Membrane Biological Reactors MBR), które szybko ewoluowały do ok. 1994 r. [21,22].
W efekcie silnego rozwoju metod i technologii oczyszczania ścieków na przestrzeni XIX i XX w. zostały opracowane procesy, które są z powodzeniem wykorzystywane w XXI
w. W Tabeli 1 zostały przedstawione i omówione metody wykorzystywane podczas oczyszczania ścieków. Wymagania w tym zakresie ulegały zaostrzaniu na przestrzeni ostatnich lat. Doprowadziły one do opracowywania nowych koncepcji oraz metod i technologii, które zapewnią najwyższą efektywność oczyszczania ścieków. Dla ścieków przemysłowych zalecane jest stosowanie udoskonalonych układów zintegrowanych, które łączą ze sobą zarówno metody klasyczne, jak i bardziej zaawansowane. Takie podejście sprawia, że procesy oczyszczania są efektywniejsze, co umożliwia osiągnięcie i utrzymanie dobrego stanu środowiska naturalnego, a w efekcie i zdrowia człowieka.
Rozwój współpracy pomiędzy naukowcami uczelni wyższych i instytutów naukowych, a także przedstawicieli gospodarki, i sektora komunalnego może być jednym z najważniejszych aspektów, które mogą doprowadzić do rozwoju innowacyjnych technologii oczyszczania ścieków. Takie działania w konsekwencji mogą wpłynąć na powstanie obiektów nie tylko spełniających funkcje technologiczne, ale również wytwarzające energię elektryczną i ciepło [23].
Rys. 3. X. Rys historyczny ewolucji technologii oczyszczania ścieków na przestrzeni XIX i XX w.
- na podstawie publikacji G. Lofrano i in. [18]
OCZYSZCZANIE MECHANICZNE
OCZYSZCZANIE BIOLOGICZNE
USUWANIE ZWIĄZKÓW BIOGENNYCH 1990 r.
1860 r.
1950 r.
1914 r.
1905 r.
1906 r.
1960 r.
1970 r.
1974 r.
1980 r.
1883 r.
1895 r.
1870 r.
zbiornik Maurasa zbiornik septyczny
Osadnik Imhoffa
zagęszczacz promieniowy
filtracja złoże biologiczne
osad czynny hydrofity tarczowe złoża
biologiczne beztlenowe reaktory ze
złożem zawieszonym
nitryfikacja, denitryfikacja usuwanie fosforu reaktory membranowe,
reaktory sekwencyjne reaktory membranowe o przepływie ciągłym
Tabela 1. Technologia oczyszczania ścieków z wyodrębnieniem poszczególnych procesów
Proces Nazwa procesu Zasada działania Lit.
mechaniczny eliminuje większe pływające
lub/i cząstki ziarniste o średnicy od 0,1mm, zawiesiny łatwo opadające, oleje i tłuszcze
flotacja proces wynoszenia się zanieczyszczeń (o gęstości mniejszej niż woda) do warstwy powierzchniowej,
na skutek różnicy gęstości; powstały osad zostaje mechanicznie odprowadzony poza układ [24]
wirowanie procesy wykorzystujące ruch wirowy (zastosowanie osadników wirowych, odpowiednio skonstruowanych
przelewów) [25]
sedymentacja
proces opadania ciała stałego (zanieczyszczeń) o małych wymiarach i gęstości większej od cieczy (wody), na skutek działania sił grawitacji i/lub bezwładności; zachodzi w osadnikach lub w urządzeniach do pracy
cyklicznej
[26]
odwirowanie proces opadania zawiesiny ciała stałego w cieczy, na skutek działania siły grawitacji lub sił bezwładności [26]
cedzenie proces usunięcia substancji pływających i ciał wleczonych o dużych wymiarach, wykorzystując kraty i sita [26]
filtracja
polega na rozdziale faz stałej i ciekłej osadu poprzez wykorzystanie różnicy ciśnień po dwóch stronach przegrody filtracyjnej; podczas filtracji próżniowej różnice ciśnień wynoszą ok. 0,1 MPa, a w ciśnieniowej
nawet 2,5 MPa
[27]
chemiczny
polega głównie na wytrącaniu związków rozpuszczalnych lub
neutralizacji (dawane są:
koagulanty, substancje wspomagające, regulujące
odczyn)
chemiczne utlenianie procesy utleniania chemicznego, których mechanizm bazuje na reakcji z rodnikami hydroksylowymi
[HO•], które reagują z większością związków organicznych i nieorganicznych, w efekcie je rozkładając [28]
neutralizacja
proces zobojętniania ścieków o odczynie alkalicznym lub kwaśnym; jest procesem ostatecznym lub wstępnym dla kolejnego procesu, może być prowadzona przez mieszanie ścieków kwaśnych z
alkalicznymi, dodawanie odczynników (przepuszczanie ścieków przez złoża sporządzone)
[26]
proces łączenia się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty o nieregularnej strukturze;
w wyniku dodania koagulantu i jego hydrolizy dochodzi do szeregu reakcji chemicznych oraz zachodzi zobojętnienie ładunku cząstek koloidalnych, powstawanie kłaczków, łączących się i opadają pod wpływem
siły ciężkości (flokulacja)
[29,30]
strącanie chemiczne, adsorpcja
zachodzi na powierzchni ciał skondensowanych, umożliwia usunięcie substancji: rozkładalnych biologicznie, humusowych, a także chlorowanych węglowodorów; szybkość procesu zależy głównie od właściwości cząstek adsorbentu (wielkości powierzchni, jej charakteru chemicznego, tekstury); jako
adsorbenty stosowane są m.in.: zeolity, węgiel aktywny, popioły, aktywny tlenek glinu, żywice
[26]
dezynfekcja
w wyniku oddziaływania czynników fizycznych/chemicznych dochodzi do zniszczenia wegetatywnych i przetrwalnikujących form mikroorganizmów:
•promieniowanie ultrafioletowe (UV)
•promieniowanie jonizujące (X i gamma)
•ultradźwięki (20–100 kHz)
•chlorowanie
[31,32]
ekstrakcja proces stosowany głównie do wydzielania polarnych związków organicznych; polega na wprowadzeniu
rozpuszczalników słabo hydrofilowych i ulegających biodegradacji [33]
Proces Nazwa procesu Zasada działania Lit.
proces wykorzystujący zjawisko wymiany jonowej, czyli wymiany ruchliwych jonów na inne jony tego samego znaku, zachodzący między fazą stałą wymieniacza jonowego, a fazą ciekłą (roztworem wodnym
nierozpuszczalnych polielektrolitów)
ścieki przepuszczane są przez półprzepuszczalną membranę, w wyniku czego następuje rozdzielenie jej składników; czynnikiem decydującym o stopniu zatrzymania jest rozmiar porów membrany, a siłą napędową procesu jest zwykle różnica ciśnień lub różnica potencjałów chemicznych po obu stronach membrany; w zależności od wielkości porów membrany wyróżnia się ultrafiltrację lub nanofiltracje, jednak
najczęściej spotykaną metodą membranową jest odwrócona osmoza (RO)
[31,32, 35]
metody tlenowe:
•metoda osadu
•czynnego
osad czynny (głównie bakterie heterotroficzne) utleniają materię organiczną i transformują substancje
pokarmowe; produkują polisacharydy i polimery dodatkowo wspomagające flokulację, [36]
metody beztlenowe proces, w którym mikroorganizmy osadu beztlenowego przekształcają substancje organiczne w parę wodną
oraz biogaz (zawierający CO2 oraz CH4) [31]
metody tlenowo–
beztlenowe
•technologia Sharon
technologia wykorzystująca różnice w szybkości wzrostu między nitrobakteriami (utleniającymi azotyny do azotanów), a nitrozobakteriami (utleniającymi jony amonowe do azotynów); stabilność osiągana poprzez podwyższoną temperaturę (35°C) i cygo w ściekach. ystępowania węgla organicnzpH > 7; metoda
stosowana do usuwania azotu amonowego w ściekach o stężeniu > 500 mg/dm3.
[31]
biologiczny
organizmy tworzące biomasę (w postaci zawieszonej w komorze osadu czynnego,
przyczepionej
do podłoża–złoża biologicznego lub piasku w złożu fluidyzacyjnym) rozkładają
zanieczyszczenia
nitryfikacja proces przemiany azotu amonowego do azotanów przez bakterie tlenowe, uzyskujące energię z utleniania
amoniaku do azotynów i azotynów do azotanów; źródłem węgla w tych procesach jest dwutlenek węgla [28,37]
denitryfikacja proces prowadzony z udziałem bakterii heterotroficznych; w wyniku procesów metabolizmu
wewnątrzkomórkowego i enzymatycznego, dochodzi do redukcji azotanów [38]
częściowa nitryfikacja (Anammox)
utlenianie azotu amonowego do azotu gazowego z wykorzystaniem azotynów jako ostatniego akceptora
elektronów [28]
metody hyrofitowe metoda wykorzystujące rośliny wodne lub bagienne w procesach sorpcji do przeprowadzania reakcji
utleniająco–redukujących zanieczyszczenia [31]