Badanie wybranych własności osadów ściekowych w świetle możliwości ich utylizacji

Pełen tekst

(1)Beata Malczewska BADANIE WYBRANYCH WASNOCI OSADÓW CIEKOWYCH W WIETLE MOLIWOCI ICH UTYLIZACJI. X. Wrocaw 2008.

(2) Autor Beata Malczewska Opiniodawca prof. dr hab. in. Jan Paweek Redaktor merytoryczny dr hab. in. Krzysztof Pulikowski, prof. nadzw. Opracowanie redakcyjne mgr Elbieta Winiarska-Grabosz Korekta: Janina Szydowska, dr Ewa Jaworska amanie Alina Gebel Projekt okadki Krzysztof Wyszatycki. Monografie LXIII © Copyright by Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocawiu, Wrocaw 2008. ISSN 1898–1151 ISBN 978–83–60574–42–3. WYDAWNICTWO UNIWERSYTETU PRZYRODNICZEGO WE WROCAWIU Redaktor Naczelny – prof. dr hab. Andrzej Kotecki ul. Sopocka 23, 50–344 Wrocaw, tel. 071 328–12–77 e-mail: wyd@up.wroc.pl Nakad 100 + 16 egz. Ark. wyd. 6,2. Ark. druk. 6,0 Druk i oprawa: Wydawnictwo Tekst Sp. z o.o. ul. Kossaka 72, 85–307 Bydgoszcz.

(3) Spis treci 1. 2. 3.. 4.. 5.. 6. 7. 8.. Wykaz symboli uytych w pracy ...................................................................... 5 Wprowadzenie ..................................................................................................... 9 Cel i zakres pracy .............................................................................................. 14 Przegld literatury przedmiotowej ................................................................. 16 3.1. Metody oczyszczania cieków................................................................ 16 3.2. Proces oczyszczania cieków za pomoc osadu czynnego ..................... 17 3.3. Charakterystyka osadów ciekowych ..................................................... 17 3.4. Sposoby postpowania z osadami ciekowymi ...................................... 18 3.5. Stan formalno-prawny w zakresie gospodarki osadami ......................... 22 3.6. Zastosowanie reologii w technologii oczyszczania wody i cieków ...... 24 Badania wasne .................................................................................................. 29 4.1. Krótka charakterystyka obiektów badawczych ...................................... 31 4.2. Metodyka opracowania wyników bada ................................................ 36 4.3. Badania fizykochemiczne i bakteriologiczne analizowanych osadów ... 37 Reologiczna charakterystyka osadów ciekowych ...................................... 54 5.1. Badania reologicznych wasnoci osadów ciekowych .......................... 54 5.2. Wyniki bada wiskozymetrycznych ....................................................... 56 5.2.1. Okrelenie metodyki pomiarów ................................................... 57 5.2.2. Charakterystyki pynicia poszczególnych typów osadów ........... 60 5.2.3. Transformacja otrzymanych pseudokrzywych pynicia na rzeczywiste krzywe pynicia ....................................................... 62 5.2.4 Dobór optymalnego modelu reologicznego ................................... 63 5.2.5. Zmienno parametrów reologicznych w funkcji koncentracji .... 66 5.2.6. Zmienno parametrów reologicznych w funkcji czasu pobierania prób do analiz ............................................................. 71 5.2.7. Porównanie parametrów reologicznych osadu czynnego i osadu nadmiernego w badanym zakresie koncentracji ............... 74 5.2.8. Okrelenie koncentracji granicznej ............................................... 76 5.2.9. Wpyw temperatury na wartoci parametrów reologicznych ........ 77 Analiza bdów pomiarowych .......................................................................... 78 Podsumowanie i wnioski ................................................................................... 80 Pimiennictwo .................................................................................................... 83. 3.

(4) 4.

(5) Wykaz symboli uytych w pracy AOX BZT5 EDC EPA GUS LKT PCB PCDD PCDF s.m. WKF WWA RMwOK. Cs. [%]. Cv. [%]. G. [s 1]. Gp. [s 1]. K. [Pa · ns]. k. [Pa · sn]. n η. [Pa · s]. ηpl. [Pa · s]. Zwizki Chloroorganiczne Chloroorganic compounds Biochemiczne Zapotrzebowanie Tlenu Biochemical oxygen demand 1,2-dichloroetan 1,2-dichloroethane Environmental Protection Agency Gówny Urzd Statystyczny Central Statistical Office Lotne kwasy tuszczowe Volatile fatty acids Polichlorowane bifenyle Polychlorinated biphenyls Polichlorowane dibenzeno-para-dioksyny Polychlorinated dibenzodioxines Polichlorowane dibenzofurany Polychlorinated dibenzofurans Sucha masa (sucha substancja) Dry substance Wydzielone Komory Fermentacyjne Digestion chamber Wielopiercieniowe Wglowodory Aromatyczne Polycyclic aromatic hydrocarbons ROZPORZ DZENIE MINISTRA RODOWISKA z dnia 1 sierpnia 2002 r. w sprawie komunalnych osadów ciekowych. (Dz. U.02.134.1140 z dnia 27 sierpnia 2002 r.) Regulation of the Minister of Environmental Protection of 1 August 2002 Koncentracja wagowa Gravimetric concentration Koncentracja objtociowa fazy staej Volumetric concentration Rzeczywista prdko deformacji Shear rate Pozorna prdko deformacji Apparent shear rate Wspóczynnik sztywnoci do modelu Vo adli Vo adlo’s fluid consistency index Wspóczynnik sztywnoci do modelu Herschela - Bulkley’a Herschel – Bulkley’s fluid consistency index Liczba strukturalna Flow beavior index Dynamiczny wspóczynnik lepkoci cieczy Absolute viscosity Lepko plastyczna Plastic viscosity. 5.

(6) τ. [Pa]. τ0. [Pa]. τR. [Pa]. τw. [Pa]. ρ. [kg · m 3]. ρm. [kg · m 3]. ρs. [kg · m 3]. ρw. [kg · m 3]. ρc. [kg · m-3]. Wn. [%]. R. [%]. v. [m · s-1]. d50. [ m]. d10. [ m]. d90. [ m]. D. [m]. DN. [mm]. g. [m· s-1]. k1, k2, k3 a1, a2 b0, b1, b2. 6. Napr

(7) enie styczne Shear stress Próg pynicia Yield stress Napr

(8) enia styczne na ciance wiskozymetru rotacyjnego Shear stress at viscometer wall Napr

(9) enia styczne na ciance rurocigu Shear stress at viscometer wall Gsto Density Gsto mieszaniny Mixture density Gsto czstek staych Particle density Gsto wody Water density Gsto cieczy Fluid density Wilgotno naturalna Natural humidity Zawarto czci organicznych Organic matter content Prdko opadania czstek Particle sedimentation velocity rednia rednica masy - rednica ziarna, która wraz z mniejszymi stanowi 50% próby The size in microns at which 50% of the sample is smaller and 50% is larger. This value is also known as the Mass Median Diameter (MMD) rednica ziarna, która wraz z mniejszymi stanowi 10% próby The size of particle below which 10% of the sample lies rednica ziarna, które wraz z mniejszymi stanowi 90% próby The size of particle below which 90% of the sample lies rednica rurocigu Pipeline diameter rednica nominalna rury instalacyjnej Nominal diameter of the sewer pipe Przyspieszenie ziemskie Gravitational constant Stae dla wiskozymetru rotacyjnego Rotational viscometer coefficients Wspóczynniki równa aproksymujcych zale

(10) noci k = f(Cs) oraz n = f(Cs) Correlation coefficients for equations k = f(Cs) and n = f(Cs) Wspóczynniki równa aproksymujcych okrelajce koncentracje graniczne Correlation coefficients for equations describing critical concentration.

(11) R1. [m]. R2. [m]. A. [m 3]. M p Md. [N · m]. Ω. [rad · s 1]. m W. [%]. Promie cylindra wewntrznego wiskozymetru rotacyjnego External cylinder radius of rotational viscometer Promie cylindra zewntrznego wiskozymetru rotacyjnego Internal cylinder radius of rotational viscometer Wspóczynnik ksztatu dla danego ukadu pomiarowego Shape coefficient for given measurement system Wspóczynnik szybkoci cinania Shearing coefficient Wspóczynniki proporcjonalnoci Proportion coefficient Moment obrotowy cylindra wewntrznego wiskozymetru rotacyjnego Rotational viscometer internal cylinder torque Prdko ktowa cylindra wewntrznego wiskozymetru rotacyjnego Angular velocity for rotational viscometer Nachylenie stycznej w danym punkcie Slope of a tangent to curve Wilgotno objtociowa Volume humidity. 7.

(12) 8.

(13) 1. Wprowadzenie Osady ciekowe pochodzce z oczyszczalni cieków nie s jednorodne pod wzgldem skadu chemicznego. Skad ten uzale

(14) niony jest m.in. od charakteru zlewni kanalizacyjnej i stosowanej technologii oczyszczania cieków. Biologiczne oczyszczanie cieków jest jedn z najczciej stosowanych metod oczyszczania, jednak

(15) e zawsze prowadzi do powstawania du

(16) ej iloci osadów. Iloci te zwizane s z efektywnoci oczyszczania, oszczdnym gospodarowaniem wod oraz zwikszajc si liczb oczyszczalni, ze szczególnym uwzgldnieniem usuwania zwizków biogennych. Przyjta i realizowana technologia oczyszczania, sposób i stopie oczyszczania cieków oraz rozkadu substancji organicznych odgrywa równie

(17) istotn rol w iloci powstajcych osadów. Obecnie, w zale

(18) noci od rodzaju cigu technologicznego, powstaje ok. 0,5–1,2 kg s.m. na 1 kg usunitego BZT5. Powszechnie uznaje si,

(19) e jednostkowy przyrost osadu zale

(20) y m.in. od iloci i rodzaju zawiesiny ogólnej i jej stosunku do BZT5, w ciekach dopywajcych do biologicznej czci oczyszczalni [39]. Wedug danych GUS [114] w 2006 r. w Polsce wytworzono ok. 790,9 tys. t s.m. z czego 501,3 tys. t s.m. odnotowano jako nagromadzone na terenie oczyszczalni. Zastosowanie w rolnictwie znalazo jedynie 80,6 tys. t s.m., natomiast do rekultywacji wykorzystano 109,7 tys. t s.m. Kompostowaniu poddano 28,1 tys. t s.m., natomiast 4,5 tys. t przeksztacono termicznie, a 147,1 tys. t skierowano do skadowania. GUS szacuje,

(21) e w cigu najbli

(22) szych dziesiciu lat ilo osadów wzronie, w porównaniu do lat ubiegych, od 420 000–450 000 tys. t rocznie [39, 114]. Z danych przedstawionych przez Instytut Ochrony rodowiska w Warszawie wynika,

(23) e ilo osadów ciekowych z komunalnych oczyszczalni cieków wzronie do 2010 r. o 90% [9, 66, 81]. W kwietniu 1999 r. wydana zostaa Dyrektywa unijna o skadowaniu osadów, która wymusza na krajach czonkowskich stopniowe redukowanie zawartoci odpadów organicznych w ogólnej masie skadowanych odpadów do ok. 10% w 2015 roku. Wymóg ten spowodowa intensyfikacj dziaa zmierzajcych do wydzielenia i unieszkodliwienia frakcji organicznej z odpadów komunalnych [131]. Szacuje si,

(24) e od 35 do 40% wszystkich odpadów komunalnych w Polsce stanowi frakcja organiczna [114]. Osady stanowi objtociowo ok. 3% cieków, a zawieraj ponad poow adunku zanieczyszczenia dopywajcego w ciekach surowych. Koszty przeróbki osadów to 30–40% kosztów inwestycyjnych i 5% kosztów eksploatacyjnych [69]. Gospodarka osadami ciekowymi nie zawsze jest prowadzona prawidowo. Wi

(25) e si to z faktem nieuwzgldniania na etapie projektowania rozwiza technologicznych majcych na celu usuwanie i likwidacj powstajcych na terenie oczyszczalni osadów. Problem z ich utylizacj na terenie wikszoci oczyszczalni ograniczano do magazynowania osadów. 9.

(26) na jej terenie (na lagunach, poletkach osadowych). Gospodarka osadami komunalnymi nie jest równie

(27) dokadnie monitorowana [40]. Zgodnie z obowizujcym Rozporzdzeniem Ministra rodowiska w sprawie komunalnych osadów ciekowych (RMwOK) powinny by ewidencjonowane nastpujce informacje dotyczce skadu i waciwoci osadów w suchej masie: • odczyn (pH); • procentowa zawarto suchej masy, substancji organicznych, azotu ogólnego (w tym amonowego) w suchej masie, fosforu ogólnego, wapnia i magnezu, jaj paso

(28) ytów jelitowych; • zawarto metali ci

(29) kich; • posta komunalnych osadów ciekowych; • sposób ich wykorzystania. Osady z oczyszczalni cieków komunalnych powstaj na ró

(30) nych etapach procesu technologicznego oczyszczania. Mo

(31) na je podzieli na dwa zasadnicze rodzaje: osady z oczyszczania mechanicznego (skratki i piasek z piaskowników) oraz osady z oczyszczania biologicznego cieków zawierajce du

(32) e iloci zwizków organicznych. Skratki s to zanieczyszczenia zatrzymane na sitach lub kratach w trakcie mechanicznego oczyszczania; ich ilo zale

(33) y od gstoci krat. Dziennie otrzymuje si od 0,5 do 1 t skratek na 100 000 mieszkaców [39]. Zatrzymywanie piasku i zanieczyszcze mineralnych nastpuje w piaskownikach. W zale

(34) noci od pogody, szacuje si na 100 000 mieszkaców,

(35) e dziennie powstaje od 2 do 3 t tego osadu na dob. W procesie sedymentacji w osadnikach wstpnych powstaje osad wstpny – atwo zagniwajcy, o uci

(36) liwym zapachu. Szacuje si,

(37) e na 100 000 mieszkaców – ilo powstajcego osadu wstpnego wynosi od 4 do 5 t s.m. na dob. Osad czynny jest to kaczkowata zawiesina o bardzo rozwinitej powierzchni znajdujca si w reaktorach biologicznych, natomiast wtórny – wydzielany jest w osadnikach wtórnych. Osad zawracany do obiegu oczyszczania cieków jest okrelany jako osad recyrkulowany, a osad nadmierny – to taki, który usuwany jest z obiegu do dalszej przeróbki. Osad nadmierny stanowi najwiksz ilo odpadów z oczyszczania cieków i powstaje go w cigu doby ok. 4–6 t (na 100 000 mieszkaców) [39]. Zawarto substancji mineralnych w tym osadzie wynosi ok. 30%, reszta to substancje organiczne, zwykle w postaci bardzo uwodnionej. W przypadku stosowania koagulacji lub neutralizacji cieków z u

(38) yciem zwizków chemicznych powstaj osady chemiczne, za w wyniku zmieszania osadów wstpnych i surowych – osady mieszane. Podstawowym celem przeróbki osadów jest mineralizacja zwizków organicznych prowadzca do stabilizacji oraz zmniejszenia objtoci, co osiga si w procesach odwadniania oraz suszenia. Osady po kolejnych stopniach przeróbki s okrelane jako: • zagszczone – w procesie zagszczania, • stabilizowane – w procesach beztlenowych (przefermentowane), • ustabilizowane – w procesach tlenowych, • odwodnione – po procesach odwadniania, • zhigienizowane – po pasteryzacji, wapnowaniu lub suszeniu.. 10.

(39) Stabilizacja osadów ma na celu zmniejszenie iloci substancji organicznej w osadach, przyczyniajc si równie

(40) do zmniejszenia uci

(41) liwoci zapachowej. W zale

(42) noci od iloci i jakoci powstajcych osadów stosuje si nastpujce metody stabilizacji: • stabilizacja alkalizacyjna (przeprowadzana poprzez zmian pH), • fermentacja, • kompostowanie, • suszenie, • stabilizacja tlenowa, psychrofilna, termofilna, beztlenowa i mezofilna, • stabilizacje dwustopniowe: tlenowo-beztlenowa, beztlenowo-beztlenowa. Zró

(43) nicowane wasnoci osadów ciekowych i ró

(44) ny skad ilociowy osadów stwarzaj problemy z podjciem decyzji o sposobie ich zagospodarowania. Problematyka ta przyczynia si do powstania licznych bada majcych na celu opracowanie optymalnych rozwiza ich utylizacji [5, 13, 14, 24, 33, 40, 42, 54, 58, 87, 88, 89, 97, 101, 105, 107, 127]. W zale

(45) noci od iloci i jakoci osadów oraz wielkoci oczyszczalni stosuje si ró

(46) ne metody utylizacji (wykorzystania) osadów. Z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia bardziej uzasadnione jest zagospodarowanie osadów ni

(47) ich gromadzenie [23, 61, 103]. Osad ciekowy jest ródem azotu, fosforu, materii organicznej i wgla organicznego, a tak

(48) e makroskadników, które odgrywaj du

(49) rol w bilansie próchnicy glebowej [20, 21]. Technologia przeróbki osadów zmienia si z powodu wprowadzania nowych przepisów i trendów technologicznych, zmierzajc w kierunku rolniczego bd przyrodniczego wykorzystania. Rolnicze zagospodarowanie wi

(50) e si z produkcj rolinn na cele konsumpcyjne lub przemysowe, nieprzeznaczone do spo

(51) ycia, np. uprawa rzepaku do produkcji biopaliw. Natomiast przyrodnicze wykorzystanie obejmuje gównie rekultywacj terenów zdewastowanych oraz zagospodarowanie utworów antropogenicznych, np. poprzez hydroobsiew. U

(52) ytkowanie osadów ciekowych do celów rolniczych uzale

(53) nione jest od skadu chemicznego (zawartoci substancji organicznych, substancji nawozowych, metali ci

(54) kich, zwizków toksycznych), stanu sanitarnego (iloci i rodzaju mikroorganizmów chorobotwórczych), jak równie

(55) cech fizycznych (konsystencji). Rolnicze lub przyrodnicze wykorzystanie osadów jest preferowane w krajach Unii Europejskiej, Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, gdzie ponad 1/3 osadów ciekowych jest w ten sposób utylizowana [129, 130, 138]. Gówn zalet rolniczego wykorzystania osadów jest zwracanie istotnych i potrzebnych skadników nawozowych do ziemi, umo

(56) liwiajc rozwój rolin. Jest to równie

(57) stosunkowo niedrogi sposób utylizacji osadów. Ograniczenie rolniczego wykorzystania wynika z warunku zapewnienia odpowiednio du

(58) ych terenów niezbdnych do zagospodarowania osadów. Mo

(59) liwe jest jednak zminimalizowanie potrzebnej powierzchni poprzez zastosowanie odpowiedniej metody stabilizacji [9]. Rolnicze u

(60) ytkowanie osadów wi

(61) e si równie

(62) z pewnymi ograniczeniami, wynikajcymi z zawartoci w osadach substancji toksycznych, pory roku i okresu wegetacyjnego oraz pracochonnoci procesu. Warunki meteorologiczne maj równie

(63) istotny wpyw na rolnicze wykorzystanie (intensywne opady uniemo

(64) liwiaj wprowadzenie sprztu rolniczego). W okresie zimowym bd w okresie wegetacyjnym nale

(65) y zapewni przechowanie osadów. Ponadto przeszkod dla rolniczej utylizacji osadów ciekowych s opory spoeczne. Dodatkowe zagro

(66) enie mo

(67) e wynika z zastosowania wikszych dawek ni

(68) rolina potrzebuje i zwizana z tym migracja azotu do wód gruntowych. Spyw powierzchniowy mo

(69) e równie

(70). 11.

(71) spowodowa zanieczyszczenie wód powierzchniowych nadmiern iloci zwizków azotu i fosforu [59, 60, 70]. Rolnicze zagospodarowanie osadów jest czsto niemo

(72) liwe z uwagi na zbyt du

(73) zawarto metali ci

(74) kich w osadach. Natomiast iloci normatywne metali ci

(75) kich w osadach ciekowych przeznaczonych do przyrodniczego wykorzystania s odpowiednio wiksze i tym samym przyczyniaj si do szerszego rozpowszechnienia tej metody. Podejmuje si liczne badania dotyczce okrelenia stopnia mobilnoci metali ci

(76) kich z osadów do gleby. Wykazay one,

(77) e metale ci

(78) kie obecne w osadach wystpuj przede wszystkim we frakcjach trudniej dostpnych dla rolin [22, 81]. Do utylizacji osadów organicznych mog by stosowane metody biologiczno-tlenowe (kompostowanie), beztlenowe (fermentacja) oraz ich kombinacja [16]. Odpady atwo rozkadalne biologicznie o du

(79) ej wilgotnoci mog stwarza problemy podczas kompostowania. Z ogólnej masy odpadów biologicznie rozkadalnych od 1/2 do 2/3 odpadów nadaje si bardziej do fermentacji ni

(80) do kompostowania [54, 97, 135, 140]. Technologia spalania osadów ciekowych jest droga, gdy

(81) przed unieszkodliwieniem osady nale

(82) y suszy, a ponadto mo

(83) e si ona przyczynia do zanieczyszczenia atmosfery. Zalet tego typu rozwizania jest znaczne zmniejszenie objtoci osadu, jednak

(84) e istnieje zagro

(85) enie wynikajce z potencjalnej obecnoci w popioach metali ci

(86) kich [40]. W kosztach zagospodarowania osadów istotne znaczenie ma ich uwodnienie, które wpywa na konsystencj osadu, a tym samym na sposób transportu [137]. Zawarto suchej masy zale

(87) y od typu osadu oraz od stosowanego sposobu jego zagszczania. W najpowszechniejszym u

(88) yciu znajduje si osad ziemisty, natomiast osad o konsystencji mazistej nie jest zbyt czsto stosowany z uwagi na trudnoci w równomiernym rozprowadzaniu na powierzchni gruntu [9, 61, 88, 99]. Uwodnienie osadów przed odwodnieniem i kondycjonowaniem wynosi 94–97% i w takiej formie mog by przeznaczone jako osad pynny – poprzez wstrzykiwanie do gleby lub natryskiwanie. W Europie stosuje si metod iniekcji podpowierzchniowej osadów ciekowych do gruntu za pomoc specjalnych urzdze, np. Tanka i Terra-Gator [115, 127]. Osady o tak wysokim uwodnieniu wykorzystuje si w rekultywacji gruntów przeznaczonych do zalesienia, zadrzewienia i zadarnienia [88, 103]. Odwodnione osady majce struktur wilgotnej gleby mog by bezporednio u

(89) yte za pomoc typowych rolniczych zabiegów [61, 88]. W Polsce osady s najczciej odwadniane do postaci ziemistej, co uatwia zaadunek i transport, magazynowanie i u

(90) ytkowanie. Wprowadzenie osadów ciekowych do gleby poprawia jej struktur i pojemno wodn, co zapewnia lepszy wzrost rolinom, gdy

(91) poprawia ich odporno na susze. Osady ciekowe stanowi mog alternatyw dla stosowania nawozów mineralnych. Organiczne formy zawarte w osadach ciekowych s mniej „wodolubne” i rzadziej wypukiwane w gb profilu glebowego [70]. Wzrost plonów rolin w efekcie stosowania osadów ciekowych odnotowano w licznych opracowaniach [59, 88, 89, 103], co potwierdza,

(92) e s one bardzo dobrym ródem skadników pokarmowych dla wielu upraw rolniczych. Na podstawie przegldu literatury przedmiotowej oraz obowizujcych przepisów w tym zakresie mo

(93) na przyj,

(94) e jedynym rozsdnym sposobem wykorzystania zwizków biogennych znajdujcych si w osadach ciekowych jest ich przyrodnicze lub rolnicze zagospodarowanie. Osady s zaliczane do wielofazowych ukadów polidyspersyjnych skadajcych si z fazy rozpuszczonej (mieszaniny czstek kaczkowatych) i fazy rozpuszczajcej (wody). Czstki stae (kaczki) w zawiesinie skadaj si z czstek staych organicznych, mine-. 12.

(95) ralnych i mikroorganizmów wystpujcych w ró

(96) nych stosunkach ilociowych zale

(97) nie od rodzaju osadu i jego skadu. Kaczki osadu charakteryzuj si nietrwa struktur, wynikajc z oddziaywa midzy kaczkami a wod. Oddziaywania hydrauliczne maj równie

(98) wpyw na ich struktur [95]. Waciwoci mieszaniny czstek staych i cieczy zale

(99) przede wszystkim od redniej prdkoci i redniej koncentracji [93]. Z hydromechanicznego punktu widzenia – osady mog si zachowywa jak ciecze newtonowskie bd te

(100) jako ciecze nienewtonowskie, std problemy w okreleniu odpowiedniego sposobu opisu zachowania si mieszaniny. Z danych literaturowych wynika,

(101) e hydrauliczny transport substancji pynnych (takich jak osady ciekowe) w rurocigach okrgych jest metod transportu najbardziej ekonomiczn i najbardziej wydajn. Wiedza na temat parametrów reologicznych osadów jest istotna w przypadku projektowania instalacji pompowo-rurowych, jak równie

(102) przy projektowaniu urzdze towarzyszcych transportowi cieczy zawierajcej czstki stae (prasy hydrauliczne, wirówki itp.) [45]. Zagospodarowanie osadów ciekowych jest cigle tematem dyskusyjnym, dlatego te

(103) w pracy przeprowadzono analiz mo

(104) liwoci zastosowania oceny parametrów reologicznych osadów ciekowych jako kryterium stanowicego podstaw przy wyborze technologii ich utylizacji. Okrelenie parametrów reologicznych jest trudne z uwagi na problemy zwizane z pomiarem „lepkoci” osadu czynnego biologicznie [5, 76]. W publikacji podjto równie

(105) prób przedstawienia opracowanej metodyki pomiarów wiskozymetrycznych uwodnionych osadów ciekowych.. 13.

(106) 2. Cel i zakres pracy Realizacja oraz wybór odpowiedniego sposobu utylizacji osadu ciekowego, jak wynika z analizowanych prób z oczyszczalni mechaniczno-biologicznych, mo

(107) e nastpowa wycznie po ocenie parametrów fizycznych, chemiczno-biologicznych oraz reologicznych, co jest celem niniejszej publikacji. Badaniami zostay objte nastpujce parametry: • fizyczne (gsto waciwa czci staych, gsto mieszaniny, wilgotno, koncentracja, zawarto czci organicznych), • chemiczne (pH, zasadowo, N, P, zawarto metali ci

(108) kich), • biologiczne (ocena makro- i mikroskopowa oparta o metodyk ATV), • reologiczne (model reologiczny, zmienno parametrów reologicznych wraz z koncentracj, okrelenie koncentracji granicznej). Publikacja dotyczy okrelenia charakterystyki pynicia analizowanych osadów ciekowych oraz okrelenia reologicznych parametrów dla przyjtego modelu. Podjto równie

(109) próby okrelenia zmian parametrów reologicznych wraz ze zmianami w jakoci osadów ciekowych. Oprócz bada majcych na celu wyznaczenie parametrów reologicznych, zostay równie

(110) przeprowadzone badania parametrów fizykochemicznych i mikrobiologicznych, w celu okrelenia potencjalnej korelacji pomidzy nimi. Okrelenie charakterystyki osadów ciekowych ze szczególnym uwzgldnieniem parametrów reologicznych ma istotne znaczenie dla procesu utylizacji osadów. W pracy przeprowadzono badania procesów pynicia osadów ciekowych. W badaniach tych brano pod uwag sposoby zagszczania, efekty biologicznej przeróbki osadów i mo

(111) liwoci ostatecznej likwidacji bd wykorzystania oddzielonych czci staych. Prawidowa ocena parametrów fizykochemicznych, biologicznych oraz reologicznych prowadzi do prawidowego doboru urzdze, waciwej eksploatacji wzów odwodnienia oraz eliminacji zakóce w funkcjonowaniu instalacji pompowo-rurowych. Parametry reologiczne mog posu

(112) y zatem jako parametr kontrolny w trakcie obróbki osadów w cigu technologicznym. Poprawa waciwoci fizycznych osadu z uwzgldnieniem mo

(113) liwoci jego dalszej przeróbki pozwala na zmniejszenie objtoci odpadów gromadzonych na skadowiskach i zmian statusu osadu z odpadu na produkt rolniczo u

(114) yteczny. Zaplanowane badania dotycz okrelenia reologicznego zachowania si osadów ciekowych na podstawie pomiarów wiskozymetrycznych. Pozwala to, dla przyjtego modelu reologicznego, na zastosowanie adekwatnego równania na wyznaczenie uogólnionej liczby Reynoldsa i umo

(115) liwia okrelenie wspóczynnika strat liniowych oraz cakowitych strat energii niezbdnych dla prawidowego wymiarowania instalacji pompowo-rurowych w laminarnej strefie przepywu. Na podstawie analizy powy

(116) szych parametrów, a w szczególnoci oceny reologicznej zostan ustalone – dla badanego osadu – zakresy koncentracji odpowiadajce. 14.

(117) newtonowskiemu, pseudoplastycznemu i plastyczno-lepkiemu zachowaniu si mieszaniny. Pozwoli to, w konsekwencji, na opracowanie zalece dotyczcych mo

(118) liwoci wyboru jednego ze sposobów utylizacji w zale

(119) noci od wystpujcych w praktyce koncentracji osadu. Przykadowo, osad ciekowy o waciwociach ciaa plastyczno-lepkiego, tj. o koncentracji ustalonej na podstawie bada wiskozymetrycznych, mo

(120) e by rolniczo wykorzystany wycznie przez nawo

(121) enie wgbne (iniekcja w górn warstw gleby) lub przyrodniczo w ramach zastosowania np. hydroobsiewu. Jest to spowodowane wystpieniem w mieszaninie progu pynicia utrudniajcego odwodnienie osadu, czyli czynnika niekorzystnego w przypadku np. nawodnie powierzchniowych, a uniemo

(122) liwiajcego swobodny spyw osadów, czyli czynnika korzystnego w przypadku zastosowania hydroobsiewu powierzchni o znacznych spadkach, np. skarp utworów antropogenicznych. Istnieje równie

(123) mo

(124) liwo, dla przyjtego sposobu utylizacji (deszczowanie, nawadnianie, iniekcja wgbna itp.), przygotowania mieszaniny osadu ciekowego majcego parametry dynamiczne optymalne do zalecanego sposobu rolniczego zagospodarowania.. 15.

(125) 3. Przegld literatury przedmiotowej 3.1. Metody oczyszczania cieków W procesach oczyszczania cieków stosuje si nastpujce metody oczyszczania: mechaniczne, chemiczne, biologiczne, mieszane i dezynfekcje. W procesach mechanicznego oczyszczania stosuje si procesy jednostkowe takie jak: sedymentacja grawitacyjna, odrodkowa, filtracja cinieniowa, pró

(126) niowa, odrodkowa, zo

(127) ona, odrodkowo-grawitacyjne rozdzielanie w hydrocyklonach i inne. Su

(128) one do usuwania grubszych zawiesin organicznych i mineralnych oraz cia pywajcych [3, 7, 9, 35, 38, 64]. W zale

(129) noci od skadu cieków stosowane s równie

(130) procesy fizykochemiczne: koagulacja, wspóstrcanie, sorpcja, flotacja, wymiana jonowa na jonitach, elektroliza, elektrodializa, odwrócona osmoza, utlrafiltacja [7, 9, 38, 64]. Chemiczne oczyszczanie cieków wi

(131) e si z takimi procesami, jak neutralizacja, utlenianie i redukcja. Stosowane jest ono gównie w przypadku cieków przemysowych [7]. Metody mieszane powstaj z kombinacji metod zó

(132) biologicznych i metod osadu czynnego. Jako zo

(133) a stosowane s powierzchnie stale zanurzone poni

(134) ej poziomu zwierciada cieków (metoda Biocamb, system NSW, system Weber, metoda Ring-Lace, metoda B+N), powierzchnie obrotowe (metoda Stählermatic, walców zanurzonych), zawieszone powierzchnie porostu (metoda Linpor, system Menzel) [7]. W procesie dezynfekcji stosuje si: metody chemiczne majce na celu podniesienie pH, procesy termiczne (kompostowanie) bd pasteryzacje. Proces dezynfekcji osadów przeprowadza si celem higienizacji osadu. Wstpne oczyszczanie cieków przebiega na kratach, sitach, w piaskowniku, odtuszczaczach oraz osadniku wstpnym i stanowi pierwszy stopie oczyszczania. Oczyszczanie mechaniczne stosowane jest w celu przygotowania cieków do dalszych procesów technologicznych. Jego celem jest usunicie ze cieków zanieczyszcze staych pywajcych lub wleczonych (na kratach i sitach), na piaskownikach usuwane s zawiesiny mineralne, a w osadnikach wstpnych – pozostae zawiesiny atwo opadajce. Drugi stopie oczyszczania jest to oczyszczanie biologiczne. cieki komunalne zwykle oczyszcza si z wykorzystaniem procesów biologicznych, które dzieli si na dwa podstawowe rodzaje: oczyszczanie osadem czynnym oraz oczyszczanie na zo

(135) ach biologicznych [3, 7, 9, 35, 38, 64]. W monografii zaprezentowano badania uwodnionych osadów ciekowych pochodzcych z oczyszczalni cieków komunalnych, które wykorzystuj technologi osadu czynnego.. 16.

(136) 3.2. Proces oczyszczania cieków za pomoc osadu czynnego Proces biologicznego oczyszczania cieków za pomoc osadu czynnego polega na rozkadzie zwizków organicznych wystpujcych w ciekach (zmineralizowaniu) na substancje proste, m.in.: dwutlenek wgla, wod i amoniak, który zostaje utleniony do azotanów (nitryfikacja). Oczyszczanie cieków za pomoc osadu czynnego przeprowadza si w komorach napowietrzania, gdzie nastpuje intensywne mieszanie i natlenianie cieków z charakterystycznym dla tego procesu zespoem mikroorganizmów. Osad czynny stanowi kaczkowate skupiska drobnoustrojów, w skad których wchodz m.in. bakterie, pierwotniaki, wrotki i nicienie. Skad i proporcje ilociowe flory bakteryjnej osadu czynnego maj zasadniczy wpyw na sprawno technologiczn procesu oczyszczania cieków. Za pomoc osadu czynnego usuwane (utleniane) s rozpuszczone substancje organiczne, takie jak: tuszcze, biaka i wglowodany. Jednoczenie oddziela si resztki drobnej zawiesiny substancji mineralnych. W cigu 8 godzin oczyszczania uzyskuje si obni

(137) enie zawartoci zanieczyszcze substancjami organicznymi o 85% [3, 9, 64]. Przebieg procesów oczyszczania w reaktorach biologicznych, kinetyka wzrostu mikroorganizmów, sorpcja zanieczyszcze na powierzchni kaczków byy przedmiotem wielu analiz [15, 17, 55, 62, 98]. Z komory osadu czynnego odpywa mieszanina cieków oczyszczonych do osadnika wtórnego, w którym nastpuje oddzielenie osadu od strumienia cieczy (sedymentacja osadu i klarowanie). Wydzielony w osadniku osad jest zawracany do komory napowietrzania, natomiast nadmiar osadu usuwa si z ukadu do dalszego unieszkodliwiania. Osad z osadnika mo

(138) e by poddany dalszej przeróbce, np. do celów rolniczych. Trzeci stopie oczyszczania polega na doczyszczaniu cieków z usuwaniem substancji biogennych. Usuwanie zwizków azotu i fosforu z oczyszczonych cieków nastpuje w procesie denitryfikacji. Azotany s redukowane do azotynów, a nastpnie do azotu gazowego. Zwizki fosforu mo

(139) na usun równie

(140) przy wykorzystaniu odpowiednich mikroorganizmów lub strcania chemicznego polegajcego na dodaniu siarczanu glinu, chlorku

(141) elaza lub wodorotlenku wapnia [134, 139].. 3.3. Charakterystyka osadów ciekowych Osady s zaliczane do wielofazowych ukadów polidyspersyjnych skadajcych si z wody i rozdrobnionych czstek ciaa staego, a tak

(142) e pcherzyków gazu. Proporcje midzy faz sta (czstkami ciaa staego) a ciecz decyduj o uwodnieniu, które dla osadów ciekowych wynosi 94–99% [32]. Woda w osadzie mo

(143) e wystpowa w postaci: − wolnej i midzyczsteczkowej, które atwo oddzieli od czstek osadu w procesie zagszczania i filtracji; − kapilarnej, zwizanej w czsteczkach osadu siami adhezji i kohezji; − higroskopijnej lub koloidalnej, bardzo trudnej do oddzielenia, któr z czsteczk osadu wi

(144) e sia napicia powierzchniowego; − biologicznie zwizanej, która wystpuje w komórkach mikroorganizmów;. 17.

(145) − usun j mo

(146) na po zniszczeniu bon komórkowych; − chemicznie zwizanej. Osady ciekowe charakteryzuj si du

(147) skonnoci do zagniwania, wynikajc gównie z du

(148) ej zawartoci zwizków organicznych (osad czynny skada si w 60–70% z materii organicznej), nadmiernym uwodnieniem, oraz ró

(149) n lepkoci i konsystencj, która determinuje technik wprowadzania osadu do gleby. Struktura osadu decyduje o uwodnieniu midzyczsteczkowym, za natura czstek – o iloci i stopniu zwizania wody biologicznej, adhezyjnej, adsorpcyjnej itp. [95]. Zwikszenie efektywnoci odwadniania uzyskiwane jest w procesie kondycjonowania. Jego zao

(150) eniem jest zmiana struktury oraz zmiana wasnoci osadu. Proces ten mo

(151) e by stosowany w ró

(152) nych miejscach cigu technologicznego oczyszczania cieków. Dominujc obecnie w Polsce metod jest kondycjonowanie chemiczne. Polega ono na dodawaniu do osadu zwizków nieorganicznych (soli

(153) elaza, glinu, wapna) bd organicznych (polielektrolitów). Zastosowanie polielektrolitów umo

(154) liwia zmniejszenie dawek koagulanta i wpywa korzystnie na proces flokulacji [9, 10, 12]. Prowadzone s równie

(155) badania nad efektywnoci kondycjonowania za pomoc metod fizycznych, termicznych, oraz kondycjonowania za pomoc pola ultradwikowego i pola magnetycznego [9, 10, 12]. Charakterystyka osadów ciekowych powinna by oparta na kompleksowej analizie nastpujcych parametrów: • fizycznych – dajcych ogóln informacj; • chemicznych – informujcych o zawartoci skadników, w tym toksycznych; • determinujcych rolnicze wykorzystanie; • biologicznych – okrelajcych poprawno przebiegu procesów w komorach osadu czynnego; • reologicznych – mogcych stanowi parametr technologiczny, stanowicy kryterium umo

(156) liwiajce podjcie decyzji o sposobie wykorzystania osadów (deszczowanie, nawadnianie, iniekcja wgbna).. 3.4. Sposoby postpowania z osadami ciekowymi Obecnie w Polsce dominujcym sposobem unieszkodliwiania osadów ciekowych jest gromadzenie na skadowiskach odpadów komunalnych albo na wydzielonych na terenie oczyszczalni skadowiskach, lagunach. Jednak

(157) e w zaleceniach UE postuluje si zakaz skadowania odpadów o zawartoci powy

(158) ej 5% substancji organicznych, co w praktyce eliminuje mo

(159) liwo unieszkodliwiania poprzez skadowanie [131]. Zmiany legislacji w stosunku do osadów ciekowych, jak równie

(160) potrzeba usuwania zwikszonych iloci zwizków fosforowych, powoduje poszukiwanie skutecznych i ekonomicznie uzasadnionych metod unieszkodliwiania. W Dyrektywie Rady 86/278/EEC ustalone zostay dopuszczalne st

(161) enia metali ci

(162) kich w glebie i w osadzie oraz maksymalne iloci metali ci

(163) kich, które mog by wprowadzane do gleby. Podano równie

(164) okresy pomidzy stosowaniem osadów ciekowych na poszczególnych rodzajach gruntów rolniczych oraz kierunki wykorzystania tych gruntów [140]. Strategia postpowania z osadami wg UE zakadaa,

(165) e od 2015 r. nie bdzie mo

(166) na ich deponowa na skadowi-. 18.

(167) skach [55, 66, 131, 137]. Zakadano,

(168) e osady po sanitacji maj w 52% zosta wykorzystane rolniczo lub podlega kompostowaniu, a w 38% (pozostaa ilo) – spaleniu. Wybór sposobu unieszkodliwiania zale

(169) y od: skadu chemicznego (zawartoci substancji organicznych i metali ci

(170) kich), stanu sanitarnego, jak równie

(171) cech fizycznych i reologicznych osadów. W Polsce osady pochodzce z komunalnych oczyszczalni cieków maj zmienn zawarto metali ci

(172) kich. Zauwa

(173) alna jest jednak tendencja do zmniejszania si st

(174) enia metali, co mo

(175) e wynika z likwidacji zakadów przemysowych. Obecnie w Polsce ok. 36,93% osadów jest gromadzonych na skadowiskach, 13,08% wykorzystuje si rolniczo, 4,41% jest kompostowane, 1,41% przeksztacane termicznie, a 44,21% usuwane jest innymi metodami [114]. Mo

(176) liwoci zagospodarowania osadów ciekowych s nastpujce: 1. Przyrodnicze wykorzystanie: a) poziome (powierzchniowe) u

(177) ynianie z zastosowaniem osadu ziemistego, b) wgbne (podpowierzchniowe) u

(178) ynianie z zastosowaniem osadu ziemistego, c) wstrzykiwanie osadu pynnego, d) hydroobsiew. 2. Kompostowanie osadów ciekowych: a) w pryzmach (stos napowietrzany), b) w urzdzeniach mechanicznych ORGANIC-90, HORSTMANN, STRABAG. 3. Metody termiczne (spalanie) 4. Wspóspalanie: a) z wglem, b) w elektrowniach z warstw fluidaln, c) z innymi odpadami komunalnymi, d) przy produkcji cegie, cementu, asfaltu. 5. Procesy alternatywne: a) mokre utlenianie, b) piroliza, c) paliwo z odpadów, d) zgazowanie, e) zeszkliwianie. Wedug obowizujcych w Polsce przepisów prawnych [108] komunalne osady ciekowe mog by stosowane midzy innymi: a) w rolnictwie, rozumianym jako uprawa wszystkich podów rolnych wprowadzanych do obrotu handlowego, wczajc w to uprawy przeznaczane do produkcji pasz; b) do rekultywacji terenów, w tym gruntów na cele rolne; c) do dostosowania gruntów do okrelonych potrzeb wynikajcych z planów gospodarki odpadami, planów zagospodarowania przestrzennego lub decyzji o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu; d) do uprawy rolin przeznaczonych do produkcji kompostu; e) do uprawy rolin nieprzeznaczonych do spo

(179) ycia i do produkcji pasz. W rozporzdzeniu s równie

(180) wyszczególnione dopuszczalne procesy unieszkodliwiania odpadów i s to:. 19.

(181) − skadowanie na skadowiskach odpadów obojtnych; − obróbka w glebie i ziemi (np. biodegradacja odpadów pynnych lub szlamów w glebie i ziemi); − skadowanie poprzez gbokie wtryskiwanie (np. wtryskiwanie odpadów, które mo

(182) na pompowa); − retencja powierzchniowa (np. umieszczanie odpadów na poletkach osadowych lub lagunach); − skadowanie na skadowiskach odpadów niebezpiecznych lub na skadowiskach odpadów innych ni

(183) niebezpieczne; − obróbka biologiczna – fermentacja – w wyniku której powstaj odpady unieszkodliwiane; − obróbka fizyczno-chemiczna – parowanie, suszenie, strcanie – w wyniku której powstaj odpady unieszkodliwiane; − termiczne przeksztacanie odpadów w instalacjach lub urzdzeniach zlokalizowanych na ldzie; − skadowanie odpadów w pojemnikach w ziemi (np. w kopalni); − przepakowywanie, magazynowanie. Poprawa waciwoci osadu z uwzgldnieniem mo

(184) liwoci dalszej przeróbki osadu ma na celu: a) obni

(185) enie st

(186) e metali ci

(187) kich w osadach ciekowych do wartoci umo

(188) liwiajcych ich przyrodnicze wykorzystanie; b) zmniejszenie kosztów oczyszczania cieków o koszt wapnowania, wywozu osadów na skadowisko komunalne oraz opat za gospodarcze korzystanie ze rodowiska; c) zmniejszenie objtoci odpadów gromadzonych na skadowiskach; d) zmian statusu osadu z odpadu na produkt u

(189) yteczny rolniczo. Zainteresowanie problematyk utylizacji osadów ciekowych wynika z: − niewaciwego rozwizania problemów zagospodarowania osadów, − znacznego stopnia uci

(190) liwoci dla rodowiska. Wikszo oczyszczalni biologicznych w Polsce stosuje nastpujce metody utylizacji osadów ciekowych: zagszczenie osadu, fermentacja w wydzielonych komorach fermentacyjnych otwartych i zamknitych, wapnowanie. Wykorzystanie osadów ciekowych na cele rolnicze jest czsto stosowan metod w krajach Unii Europejskiej. Jednym z przykadów wykorzystania osadów ciekowych jest uprawa tzw. rolin energetycznych (uprawa wikliny przez firm Ashdown Environmental Company w Kornwalii, Wielka Brytania). Po omiu latach roliny nadaj si do zbioru i zostaj wykorzystane do produkcji 2,5 MW energii [113]. Komunalne osady ciekowe, po przetworzeniu, s stosowane w rolnictwie do uprawy rolin ogrodowych, doniczkowych. Ziemia mieszana z osadami ciekowymi jest stosowana do u

(191) yniania miejskich skwerów i parków [125, 129, 130, 138]. Wykorzystanie osadów na terenach rolniczych najczciej wdra

(192) a si na obszarach blisko poo

(193) onych od miejsca ich wytwarzania, ale zalety transportu sprawiy,

(194) e np. Filadelfia przemieszcza osady na odlego 402,34 km. Przewo

(195) one osady s kierowane do zagospodarowywania w kopalniach odkrywkowych. Aktualnie trwaj badania nad intensyfikacj procesów przeróbki osadów jako surowca do pozyskania u

(196) ytecznych produktów (kanadyjska technologia – „Thermo. 20.

(197) Tech”, polsko-niemiecka technologia KA-LE, w której przeróbce tlenowo-beztlenowej poddane s rozdrobnione odpady komunalne). Procesy anaerobowo/aerobowe s wykorzystywane w USA (technologia SEBAC), Belgii (DRANCO), Szwajcarii (KAMPOGAS), Niemczech (BTA) czy Holandii (BIOCELL) [66]. Najpowszechniejszym sposobem utylizacji odpadów i osadów ciekowych jest proces fermentacji beztlenowej oraz kompostowanie w warunkach tlenowych [9, 66]. Kluczowym problemem technologicznym jest optymalizacja procesu odwadniania osadów ciekowych. W maych i rednich oczyszczalniach stosowane s urzdzenia takie jak system DRAIMAD TEKNOBAG, wirówki, natomiast w wikszych oczyszczalniach stosuje si gównie tamowe prasy filtracyjne. Metoda iniekcji podpowierzchniowej osadów ciekowych do gruntu wykorzystywana jest w pracach zazieleniania terenów, umacniania skarp drogowych i zalesiania. Technika ta wymaga u

(198) ycia specjalnych urzdze takich jak: Tanka i Terra-Gator [115]. Analizowane s równie

(199) praktyczne mo

(200) liwoci zastosowania d

(201) d

(202) ownic kalifornijskich do przeróbki osadów ciekowych [8]. Jedn z najstarszych form utylizacji cieków komunalnych jest wprowadzenie cieków do gruntu, co eliminuje problem z unieszkodliwianiem osadów, jednak

(203) e nie zmniejsza zagro

(204) enia dla rodowiska. Do naturalnych metod biologicznych utylizacji cieków zalicza sie: nawadnianie, irygacje, pola filtracyjne, stawy biologiczne. Trwaj analizy skutecznoci oczyszczalni rolinno-gruntowych, stawów ciekowych, filtrów gruntowych i drena

(205) y rozsczajcych. W oczyszczalniach trzcinowych osigane s wysokie efekty oczyszczania, zarówno w zakresie redukcji zawiesiny, jak i BZT5 oraz zwizków biogennych [132]. Stwierdzono,

(206) e w oczyszczalniach trzcinowych zachodzi wysokoefektywne usuwanie ze cieków metali ci

(207) kich, które kumuluj si w zo

(208) u gruntowym [111]. Oczyszczalnie z udziaem rolin stanowi alternatyw dla maych oczyszczalni cieków. Pierwsza tego typu oczyszczalnia powstaa w latach pidziesitych w Izraelu, a w Europie w latach szedziesitych [109]. Z wielu publikacji [20, 21, 22, 112, 135] powiconych analizie osadów ciekowych wynika, i

(209) charakteryzuj si one z jednej strony wysok wartoci nawozow, dziki zawartoci podstawowych biogenów (N, P oraz Mg, Ca), z drugiej za – ska

(210) eniem sanitarnym, a czasami równie

(211) podwy

(212) szon zawartoci metali ci

(213) kich. Wykorzystanie osadów ciekowych w celu zwikszenia plonów wydaje si by celowym dziaaniem i stanowio tematyk wielu prac naukowych. Problematyk t zajmowali si m.in. Kutera, Czy

(214) yk, Kuczewski, Wierzbicki, Nowak, Reszel, Paluch, Gowacka [23, 59, 60, 61, 70, 80, 103]. Wprowadzanie cieków do gleby wpywa istotnie na zmian struktury i skadu chemicznego gleby, równie

(215) osady ciekowe mog mie du

(216) warto glebotwórcz i nawozow. Osady ciekowe powstaj i bd powstaway, dlatego te

(217) prowadzone s liczne badania na temat skutecznoci stosowanych procesów utylizacji. Przyrodnicze i rolnicze wykorzystanie osadów ciekowych zale

(218) y nie tylko od skadu chemicznego (zawartoci substancji organicznych), substancji nawozowych i metali ci

(219) kich. Aktualnie trwaj równie

(220) badania pod ktem ilociowej oceny wystpowania w osadach ciekowych substancji toksycznych, takich jak WWA, PCDD, PCDF, PCB i EDC, AOX [8, 22, 40, 41].. 21.

(221) Badania i próby unieszkodliwiania osadów poprzez spalanie nie przyniosy oczekiwanych rezultatów. Proces spalania zmniejsza znaczco ilo osadów, ale mo

(222) e przyczyni si do zanieczyszczenia powietrza dioksynami [8, 9, 81]. Ilo powstajcych osadów ciekowych wci

(223) zwiksza sie, podczas gdy dysponujemy tylko kilkoma praktykowanymi metodami utylizacji. W zwizku z tym, gównym kierunkiem zagospodarowania osadów jest wykorzystanie przyrodnicze, przede wszystkim do rekultywacji terenów zdegradowanych przez przemys. Powstao wiele opracowa naukowych potwierdzajcych zalety stosowania osadów ciekowych do rekultywacji terenów poprzemysowych [26, 86, 88, 89]. Zawarto metali ci

(224) kich w osadach ciekowych oraz ich stan sanitarny decyduj o wykorzystaniu osadów. Czsto w osadach ciekowych stwierdza si przekroczenie wartoci dopuszczalnych st

(225) e metali ci

(226) kich, co dyskwalifikuje wykorzystanie ich na cele rolnicze. Z uwagi na czste przekroczenia norm dotyczcych metali ci

(227) kich ok. 60% osadów ciekowych mo

(228) e by wykorzystywanych na cele nierolnicze, natomiast wikszo z nich nadaje si do utrwalania powierzchni i rekultywacji gruntów, jako przekadki na skadowiskach odpadów oraz pod ziele miejsk [143]. Przy stosowaniu osadów w rolnictwie dawk osadu nale

(229) y ustala indywidualnie dla ka

(230) dej partii osadu – warto nawozowa zale

(231) y bowiem od rodzaju i koncentracji osadu ciekowego. Polski kodeks dobrej praktyki rolniczej zakada,

(232) e dawka roczna nawozu naturalnego nie mo

(233) e przekracza jego iloci zawierajcej 170 kg azotu cakowitego na 1 ha u

(234) ytków rolnych. Dawk suchej masy dla okrelonego areau gruntowego ustala si w oparciu o zapotrzebowanie roliny na azot [133]. Technika wprowadzania osadów do gruntu (rekultywowanego) zale

(235) y od konsystencji osadu. W Polsce najszersze zastosowanie ma osad ziemisty, natomiast osad mazisty oraz osady pynne nie znajduj szerokiego zastosowania zwaszcza do u

(236) yniania podpowierzchniowego (wstrzykiwania osadu do gruntu). Sposoby wykorzystania pynnych osadów ciekowych: − deszczowanie, przy zastosowaniu zraszaczy o du

(237) ych rednicach dysz, − nawodnienia powierzchniowe, szczególnie na u

(238) ytkach zielonych, − nawo

(239) enie wgbne gleby (dotyczy to osadów o du

(240) ej koncentracji) – grunty orne. Charakterystyka reologiczna osadów umo

(241) liwia podjcie decyzji o sposobie utylizacji uwodnionych osadów ciekowych. Pogbienie wiedzy na temat mo

(242) liwoci ich utylizacji z uwzgldnieniem charakterystyki pynicia i zmiennoci parametrów reologicznych wraz z koncentracj stanowi cel niniejszej publikacji.. 3.5. Stan formalno-prawny w zakresie gospodarki osadami W zaczniku 1 umieszczono obowizujce przepisy i rozporzdzania regulujce gospodark odpadami komunalnymi. Poni

(243) ej przedstawiono ich interpretacj. Obowizujce przepisy dotyczce wykorzystania osadów ciekowych zawarte s w Rozporzdzeniu Ministra rodowiska (RMwOK) z dnia 1 sierpnia 2002 r. (Dz. U.02.134.1140) w sprawie komunalnych osadów ciekowych. Wymagania stawiane komunalnym osadom ciekowym, co do zawartoci metali ci

(244) kich oraz stanu sanitarnego, s precyzyjnie okrelone. Sposób zagospodarowania osadów uzale

(245) niony jest. 22.

(246) od stopnia ich ustabilizowania [6, 57, 108, 136]. Wedug niemieckiej normy DIN – EV 1058 przy okrelaniu stabilnoci osadu nale

(247) y uwzgldnia: − cechy fizyczne stabilizowanego osadu, − ograniczenie agresywnego wpywu osadów ciekowych na rodowisko, − zmniejszenie masy osadu. EPA (Environmental Protection Agency) wprowadzia standardy dla u

(248) ytkowania i utylizacji osadów ciekowych, które wymagaj, aby osady przed zastosowaniem byy ustabilizowane [127]. Polskie przepisy równie

(249) zawieraj informacje dotyczce stabilizowania osadów, jednak nie precyzuj kryterium, wedug którego mo

(250) na stwierdzi,

(251) e dany osad jest ustabilizowany. Wedug RMwOK osad ustabilizowany to taki, który nie zawiera substancji organicznych podatnych na rozkad biologiczny lub zawiera je w ilociach minimalnych, ma nisk intensywno oddychania, nie zawiera patogenów, jak równie

(252) substancji szkodliwych oraz nie jest uci

(253) liwy zapachowo. RMwOK nie podaje jednak jednoznacznego kryterium, które stanowi podstaw do podjcia decyzji, czy osad jest ustabilizowany, czy nie. Zgodnie ze standardami proponowanymi przez EPA przyjmuje si,

(254) e kryterium stabilizacji stanowi zawarto zwizków organicznych poni

(255) ej 50%. W praktyce gospodarowania osadami ciekowymi konieczne jest równie

(256) uwzgldnienie lokalizacji wykorzystania osadów ciekowych. Lokalizacja ta musi wynika z planów gospodarki odpadami powstaymi na bazie planów zagospodarowania przestrzennego oraz uwzgldnia ryzyko zanieczyszczenia róde wody do spo

(257) ycia. Nale

(258) y tak

(259) e bra pod uwag klasyfikacje rodzajów gruntów, zgodnie z Rozporzdzeniem Ministra rodowiska z dnia 9 wrzenia 2002 r. w sprawie standardów jakoci gleby oraz standardów jakoci ziemi (Dz. U. 02.165.1359). W RMwOK okrelono równie

(260) wymagania dotyczce skadu jakociowego gleb przeznaczonych pod rolnicze wykorzystanie. Wielko dawki zale

(261) y m.in. od rodzaju gruntu, sposobu jego u

(262) ytkowania, zapotrzebowania rolin na azot i fosfor. Dawki nie mog przekracza mo

(263) liwoci sorpcyjnych gleb i potrzeb pokarmowych rolin. Zawarto metali ci

(264) kich w glebie nie powinna przekracza norm ustalonych w Rozporzdzeniu. Osady ciekowe mog by stosowane na gruntach, których odczyn jest nie mniejszy ni

(265) pH 5,6. W cytowanym rozporzdzeniu s równie

(266) podane tereny, na których nie mo

(267) na stosowa osadów, m.in. na obszarach parków krajobrazowych, w bezporedniej bliskoci stref ochrony uj wody. Dokonany przegld pimiennictwa w zakresie zagro

(268) enia sanitarnego wskazuje raczej na hipotetyczne niebezpieczestwo rozwoju drobnoustrojów chorobotwórczych [70]. Dotychczas nie zanotowano wystpowania przypadków szczególnego zagro

(269) enia dla zdrowia i

(270) ycia ludzi, wynikajcego z wprowadzenia w

(271) ycie RMwOK. Jednak

(272) e takiego ryzyka nie mo

(273) na wykluczy.. 23.

(274) 3.6. Zastosowanie reologii w technologii oczyszczania wody i cieków Reologia jest to nauka o plastycznej deformacji (odksztaceniach) oraz pyniciu materiaów. Zadaniem reologii jest okrelenie równania wi

(275) cego napr

(276) enia z odksztaceniami [28, 30, 43, 104]. W pracach zwizanych z poznawaniem reologicznych cech ukadów dyspersyjnych stosuje si metody [30, 43]: a) teorii strukturalnych – teorii modelowania, b) teorii modeli reologicznych. W przypadku cieczy newtonowskich napr

(277) enie cinajce jest proporcjonalne do szybkoci cinania, a lepko stanowi wspóczynnik proporcjonalnoci midzy tymi wielkociami. Zale

(278) no napr

(279) enia cinajcego od prdkoci deformacji jest zale

(280) noci liniow. Lepko w pynach newtonowskich jest wartoci sta mogc ulega zmianie jedynie pod wpywem zmian temperatury i cinienia. W ukadach skadajcych si z dwóch faz – cigej i rozproszonej przepyw mo

(281) na analizowa w dwóch wariantach, tj. jako przepyw w zakresie newtonowskim i nienewtonowskim. Na wasnoci reologiczne takich ukadów maj wpyw wielkoci takie jak: lepko fazy cigej, rozmiar czstek, ksztat czstek, koncentracja czstek staych [30, 43]. Einstein opracowa zale

(282) no lepkoci od koncentracji objtociowej maych czstek kulistych, zawieszonych w pynie w nastpujcej postaci:. η = η0 · (1 + 2, 5 · Cv). (1). η – lepko mieszaniny, Cv – koncentracja objtociowa czstek staych, η0 – lepko cieczy nonej. Dla uwzgldnienia wpywu ksztatu czstek Kahn uogólni wzór (1) nastpujco: η = η0 · (1 + B · Cv). (2). gdzie: B 2,5 Zgodnie z podanymi wy

(283) ej zale

(284) nociami lepko powinna liniowo rosn wraz z koncentracj objtociow mieszaniny. Jednak

(285) e wzajemne oddziaywania czstek substancji rozpuszczonej powoduj wyrane odstpstwa od tego prawa. Zale

(286) no napr

(287) enia i prdkoci deformacji, w przypadku pynów nienewtonowskich, nie jest zale

(288) noci liniow. Zastosowanie reologii w technologii wody i cieków wi

(289) e si z nienewtonowskim charakterem pynicia osadów [8, 9, 51, 93, 94, 95, 96, 102, 128]. Osady ciekowe s ukadami dyspersyjnymi i opis wasnoci hydromechanicznych nie mo

(290) e opiera si na modelu Newtona, poniewa

(291) lepko jest parametrem zale

(292) nym nie tylko od temperatury, cinienia i rodzaju osadu, ale równie

(293) prdkoci pynicia, a niekiedy od czasu, a tak

(294) e wielkoci i ksztatu czsteczek fazy rozproszonej [93, 94, 95, 96]. Ustalenie penej charakterystyki osadów jest mo

(295) liwe po uwzgldnieniu wasnoci reologicznych, które pozwalaj na optymalne zaprojektowanie przepywu w instalacjach pompowo-rurowych [44, 45, 46, 47, 49]. Zastosowanie reologicznej charakterystyki jest równie

(296) wa

(297) ne w procesach jednostkowych takich jak: mieszanie, hydrotransport [48] oraz w procesie fermentacji, kondycjonowania, itp. Poprzez wykorzystanie. 24.

(298) parametrów reologicznych jako jednego z parametrów kontrolnych mo

(299) na usprawni prace oczyszczalni cieków [1, 2, 4, 5, 9 10, 12, 25, 27, 31, 63, 68, 78, 79, 84, 90, 93, 94, 95, 96, 100, 102]. Osady ciekowe majce zmienn lepko pozorn, wymagaj do opisu ruchu eksperymentalnych krzywych pynicia, tj. zale

(300) noci napr

(301) enia stycznego od prdkoci deformacji, co w dalszej kolejnoci pozwala okreli parametry reologiczne dla przyjtego modelu reologicznego. Parametry reologiczne osadów powstajcych w wyniku oczyszczania wody i cieków zale

(302) od [93, 95]: a) wasnoci fazy rozpuszczonej, jak stanowi zawiesina mineralna i organiczna; b) wasnoci fazy rozpraszajcej – wody; c) zawartoci rozpuszczonych zwizków mineralnych, organicznych i koloidów oraz wzajemnego wspódziaania midzy nimi. Wasnoci cieczy nienewtonowskich przedstawia si za pomoc modeli, których parametry reologiczne nie zale

(303) od czasu. W pracy Kempiskiego [45] stwierdzono,

(304) e prawie wszystkie mieszaniny quasi-jednorodne zachowuj si podczas transportu hydraulicznego jak ciaa reostabilne. Zastosowanie reologii w technologii wody i cieków byo przedmiotem wielu bada [1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 25, 27, 31, 63, 68, 78, 79, 84, 90, 93, 94, 95, 96, 100, 102]. Stwierdzono,

(305) e cieki, w tym osady ciekowe, wykazuj cechy ciaa pseudoplastycznego. Do opisu zachowania ciaa pseudoplastycznego stosuje si model dwuparametrowy de Waale Oswalda. Natomiast prace Kempiskiego [45], Czabana [19], Sozaskiego [93, 95] zawieraj analiz praktycznych zastosowa modeli o trzech parametrach opisujcych mieszaniny o zachowaniu plastyczno-lepkim. Wedug bada Sanina, Hiemenza i Rajagopalana [za: 82] takie waciwoci osadów, jak rozmiar czstek staych, ksztat, elastyczno, adunek powierzchniowy, rozpuszczalno, flokulacja, decyduj o charakterystyce pynicia osadów. Zdaniem Sozaskiego [93, 95] zdecydowany wpyw na wasnoci reologiczne osadów maj siy przycigania i odpychania pomidzy czsteczkami fazy rozproszonej. Praktyczne zastosowanie pomiarów wiskozymetrycznych wynika z zale

(306) noci midzy struktur osadów ciekowych a ich waciwociami reologicznymi oraz z zale

(307) noci pomidzy struktur osadów a technologicznymi charakterystykami ich unieszkodliwiania [9, 93, 104]. Zmiana struktury osadu doprowadza do osabienia si wi

(308) cych wod z powierzchni czstek fazy staej i atwiejszego usuwania wody w procesach mechanicznego odwodnienia osadów [93, 95]. Proces odwadniania zale

(309) y od dobrej separacji pomidzy osadem a wod. Odwadnianie osadów ciekowych polega na obni

(310) eniu zawartoci wody tak, aby kocowe uwodnienie miecio si w granicach od 50 do 88% [2, 9]. Woda wolna jest usuwana z osadu w procesie zagszczania. Woda kapilarna, wystpujca w zakresie uwodnie 50–80%, usuwana jest w procesie odwadniania mechanicznego lub naturalnego, natomiast woda zwizana absorpcyjnie likwidowana jest w procesach suszenia. Odwadnianie mechaniczne usuwa z osadów wod woln oraz wod kapilarn [64, 145]. Osady odwadniane w urzdzeniach mechanicznych najczciej posiadaj konsystencj mazist, która utrudnia ich rolnicze wykorzystanie. Do celów rolniczych najkorzystniej jest stosowa osady o konsystencji pynnej lub ziemistej [9, 61, 86, 88, 89, 103]. Osad pynny to osad zawierajcy do 10% suchej masy. Podatno osadów do stabilizacji lub ostatecznego unieszkodliwiania zale

(311) y od nastpujcych wasnoci technologicznych: charakterystyki. 25.

(312) postaci wody wystpujcej w osadzie, oporu waciwego osadu na odwadnianie, ciepa spalania i wartoci opaowej osadu, lepkoci i charakterystyki pynicia osadu [3]. Pomiary lepkoci osadu zostay wykorzystane po raz pierwszy do automatycznej kontroli dawki polimeru przy odwadnianiu w Kanadzie [69]. Osady ciekowe s kondycjonowane z dodatkiem polimerów w celu poprawy efektywnoci odwadniania na prasach lub w wirówkach. Zale

(313) noci pomidzy parametrami reologicznymi a dawk polimerów stanowiy równie

(314) istot bada Bienia [9, 10, 11], wedug którego mo

(315) na stosowa parametry reologiczne jako parametry kontrolne w dozowaniu polimerów w trakcie odwadniania. Wniosek ten potwierdzaj równie

(316) prace Mohammada M. Abdu-Orf’a oraz Campbell’a [za: 1, 9]. Kondycjonowanie cieków za pomoc polielektrolitów przed odwadnianiem oraz sprawdzenie efektów mieszania na kondycjonowanie stanowio podstaw tych bada. Zaobserwowali oni,

(317) e granica pynnoci kondycjonowanego osadu zwiksza si wraz z dodawaniem polimeru a

(318) do osignicia optymalnej dawki. Odnotowano, i

(319) najni

(320) szy spadek lepkoci koresponduje z napr

(321) eniem maksymalnym i zwiksza si wraz z dodawaniem polimerów. Badania przeprowadzone przez Bienia, Abdu-Orf’a, Campbell’a [za: 1, 9, 11, 25] dotyczyy ró

(322) nych polielektrolitów dostpnych na rynku. Autorzy ci sugerowali mo

(323) liwo prognozowania wg krzywych pynicia kondycjonowanych osadów, dla jakiej dawki polielektrolitu bdzie zachodzio optymalne odwadnianie. Wysoki koszt polielektrolitów stosowanych w procesie kondycjonowania powoduje poszukiwanie innych metod usprawnienia procesu odwadniania. Prowadzone s prace [9] okrelajce mo

(324) liwoci zastosowania ultradwików w procesie odwadniania. Tematyk t zajmowa si Forster [31], który zaobserwowa zmniejszanie si wartoci progu pynicia pod wpywem ultradwików. Odnotowa równie

(325) ,

(326) e na zmniejszenie si progu pynicia ma wpyw dodawany do osadów chlorek

(327) elaza. Podobny efekt wystpi przy dodawaniu organicznych polimerów. Zmienna struktura osadów w jednostkowych procesach oczyszczania równie

(328) wpywa na zmian cech reologicznych. Powstaj liczne opracowania analizujce cechy reologiczne osadów w poczeniu z procesami zmieniajcymi ich struktur, np. mieszanie, fermentacja tlenowa, wpyw koagulacji. Zmiany cech reologicznych osadów ciekowych w trakcie fermentacji stanowiy istot pracy Moellera, Torresa, a tak

(329) e Monteiro [67, 68]. Badacze ci zaobserwowali du

(330) redukcj lepkoci w trakcie procesu fermentacji. Wedug Monteiro [68] stopie przefermentowania ma wikszy wpyw na reologiczne wasnoci osadu ni