MONOGRAFIA KOMUNALNE OCZYSZCZALNIE ŚCIEKÓW ŹRÓDŁAMI ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA Dr inż. Jan Borowski

MONOGRAFIA KOMUNALNE OCZYSZCZALNIE ŚCIEKÓW ŹRÓDŁAMI ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA

Dr inż. Jan Borowski

* WWW:\\mpwik.com.pl

Poznań, luty 2020

SŁOWO WSTĘPNE

Niniejszą Monografię opracowałem wykorzystując własne prace opublikowane głównie w czasopiśmie technicznym Wodociągi Kanalizacja (Abrys Sp. z OO) w latach 2008-2018 i Rynek Instalacyjny (Grupa Medium) w r. 2017 i prezentujących zagadnienia jak w tytule Monografii.

Pierwsze pięć rozdziałów dotyczy głównie emisji zanieczyszczeń mikrobiologicznych, a dwa następne zanieczyszczaniu powietrza odorami.

Niniejszą monografię dedykuję moim córkom Katarzynie i Agnieszce oraz synowi Przemysławowi.

SPIS ROZDZIAŁÓW

1. ZAGROŻENIA MIKROBIOLOGICZNYMI ZANIECZYSZCZENIAMI POWIETRZA – s. 1 - 7.

2. MECHANIZMY POWSTAWANIA I WYDZIELANIA ZANIECZYSZCZEŃ

MIKROBIOLOGICZNYCH I ODORÓW – s. 8 - 18.

3. MECHANIZMY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ DO ATMOSFERY – s. 19 - 36.

4. ROZPRZESTRZENIANIE ZANIECZYSZCZONEGO POWIETRZA Z KOMUNALNYCH OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW – s. 37 - 50.

5. BIOREAKTORY DO OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW KOMUNALNYCH O

ZMNIEJSZONEJ EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ DO ATMOSFERY – s. 51 - 57.

6. EMISJA ODORÓW Z OCZYSZCZALNI W POLSCE – s. 58 - 65.

7. UCIĄŻLIWOŚĆ ZAPACHOWA A PAROWANIE ŚCIEKÓW – s. 66 - 76.

8. ANEKS LITERATUROWY - s. 77 - 79.

1. ZAGROŻENIA MIKROBIOLOGICZNYMI ZANIECZYSZCZENIAMI POWIETRZA

1.1. Istota zagrożeń

Komunalne oczyszczalnie ścieków charakteryzują się niekorzystnym oddziaływaniem na środowisko w tym również między innymi poprzez emitowanie zanieczyszczeń substancjalnych do atmosfery takich jak:

 bioaerozole,

 odory oraz inne gazy procesowe.

Zanieczyszczenia takie są następstwem dopływu bytowych ścieków zawierających różne zanieczyszczenia mikrobiologiczne, w tym bakteriologiczne oraz procesów oczyszczania tych ścieków realizowanych w szczególności w średnich i dużych komunalnych oczyszczalniach ścieków.

Bioaerozole są zagrożeniem dla zdrowia ludzi przebywających w oczyszczalniach oraz ludzi i zwierząt bytujących w ich otoczeniach, a odory są uciążliwe zapachowo dla środowiska, a także stanowią zagrożenie dla zdrowia personelu obsługującego oczyszczalnię natomiast inne zanieczyszczenia gazowe, nazywane dalej gazami procesowymi, w skali makro są głównie niebezpieczne dla środowiska z punktu widzenia efektu cieplarnianego.

1.2. Bioaerozole, odory, gazy procesowe

Bioaerozole są mieszaniną fazy gazowej i mikrobiologicznej. Część składników bioaerozolowych stanowi zagrożenie dla zdrowia ludzi i zwierząt. Są to bakterie, grzyby

i promieniowce. Spośród bakterii należy wyróżnić: pałeczki rodzaju Escherichia, bakterie z gatunku Pseudomonas fluorescens i gronkowce. Escherichia coli jest przyczyną duru

i czerwonki. U człowieka dorosłego wywołuje stany zapalne dróg moczowych, dróg żółciowych, zapalenie opon mózgowych, otrzewnej i opon mózgowo-rdzeniowych. U dzieci powoduje biegunkę. Szczepy Pseudomonas odpowiadają za zakażenia dróg oddechowych i moczowych, zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych, szpiku, stawów, kości, oka i ucha. Szczepy Pseudomonas są wszechobecne i odporne na dezynfekcję. Gronkowiec wywołuje różne postaci zakażeń. Gronkowiec złocisty jest chorobotwórczy zarówno dla ludzi, jak i zwierząt – wywołuje miejscowe ropne zakażenia oraz ciężkie zakażenia ogólne i zatrucia pokarmowe. Grzyby mogą wywołać u człowieka różne zmiany chorobowe zarówno w powierzchniowych, jak i głębokich warstwach skóry, na błonach śluzowych i w narządach wewnętrznych. W naszym klimacie spotykamy drożdże i drożdżaki chorobotwórcze, powodujące zmiany w oskrzelach i drożdżycę europejską. Promieniowce nie stanowią większego zagrożenia chorobotwórczego.

Ilość drobnoustrojów w bioaerozolach zależy od czynników klimatycznych, sposobów napowietrzania i eksploatacji oczyszczalni oraz warunków składowania osadów.

Oczyszczalnie ścieków, oprócz bioaerozoli, są również źródłami uciążliwych odorów będących gazami pochodzącymi z rozkładu substancji organicznych, takich jak kwasy tłuszczowe, siarkowe związki organiczne i aldehydy oraz gazów nieorganicznych, takich jak amoniak czy siarkowodór (Bowker i Smith 1985). Gazy nieorganiczne to: siarkowodór (H2S) i amoniak (NH3), natomiast do par organicznych o uciążliwych zapachach zaliczane są: indole (C6H4NHCH:CH), skatole [3metyloindole-C6H4(CH3):CHNH], merkaptany (tioalkohole – RSH- sy) i azot organiczny.

Gazami procesowymi powstającymi w toku oczyszczania ścieków są: zużyte powietrze, dwutlenek węgla, azot, metan, oraz mieszaniny wymienionych gazów nazywane biogazem. Gazy te dobrze mieszają się z powietrzem atmosferycznym i w skali mikro nie stanowią zagrożenia dla środowiska (z wyjątkiem metanu), a jedynie dwutlenek węgla w skali makro prowadzi do ocieplenia klimatu na Ziemi. Natomiast metan przy stężeniach przekraczających poziom wybuchowości może być bardzo niebezpieczny dla obsługi.

1.2.1. Casus COŚ w Koziegłowach

Bielicka (2011) doniosła, że ruszyły badania powietrza wokół tej oczyszczalni. W trakcie tych badań naukowcy z Politechniki Wrocławskiej, Wrocławskiej Akademii Medycznej i Instytutu Medycyny Pracy w Sosnowcu sprawdzali zawartość emitowanych jako bioaerozole bakterii i związków chemicznych w pobliżu oczyszczalni. Badania te rozpoczęto m.in. wskutek informacji, jakie podała Bielecka (Gazeta Wyborcza” z dnia 10-11 marca 2012), wg których w Koziegłowach jest nawet kilkadziesiąt razy więcej zachorowań na zaburzenia układów oddechowych niż w sąsiednich Owińskach. W publikacji (Bielicka 2012) stwierdzono, że rezultaty badań przeprowadzonych na zlecenie władz w Czerwonaku przez Warszawski Instytut Ochrony Środowiska pokazały, że powietrze w okolicy COŚ zawiera dużo chorobotwórczych drobnoustrojów.

Tablica 1. Zanieczyszczenia mikrobiologiczne ścieków (Zwoździak i in. 2011).

Grupa mikroorganizmów Liczba jednostek tworzących kolonię w 1 m³ ścieków:

z osadników wstępnych x 10⁶

z bioreaktorów nienapowietrza- nych

x 10⁶

z bioreaktorów napowietrzanych x 10⁶

z osadników wtórnych x 10⁶

1 2 3 4 5

Bakterie psychrofilne i mezofilne Grzyby drożdżopodobne i pleśniowe Promieniowce

Pseudomonas fluorescens 26^oC /4^oC Enterokoki kałowe

Gronkowce hemolizujące (α + β) - 37^oC Gronkowce hemolizujące (α + β) - 10 ^oC Gronkowce mannitolododatnie i

mannitowoujemne Enterobacteriaceae

6070000 51030 0

33000/110 9000 84 000 4700 6000 89000

770 000 551100 0 4700/ 0 7800 370000 63000 70000 43000

753 000 7300 40 600/ 0 460 14000 3510 700 23000

30300 880 0 30/ 0 60 1900 960 70 5100

1.2.2. Oczyszczalnie dla Krakowa, w Kalwarii Zebrzydowskiej i Proszowicach

W latach 2000 - 2004 (Barabasz 2002) przeprowadzono badania mikrobiologiczne powietrza atmosferycznego w czterech oczyszczalniach ścieków: „Płaszów” i „Kujawy” w Krakowie oraz w Kalwarii Zebrzydowskiej i Proszowicach.

W efekcie stwierdzono, że oczyszczalnie te są źródłami zanieczyszczającymi powietrze atmosferyczne chorobotwórczymi mikroorganizmami szkodliwymi dla zdrowia ludzi w wyniku emisji bioaerozoli do atmosfery. Ilustracją tego są dane zestawione w Tablicach 1.2. do 1.5.

Tablica 2. Stopień mikrobiologicznego zanieczyszczenia bakteriami powietrza atmosferycznego wokół czterech oczyszczalni ścieków (dolna granica normy – 1000 j.t.k/m³ )

Oczyszczalnia Ilość pomiarów Liczba bakterii w 1 m³ Liczba przekroczeń norm ilościowych Kontrola Maksymalna liczba

Płaszów (Kraków) 15 200 23000 5

Kujawy (Kraków) 15 170 24000 6

W Kalwarii Zebrzydowskiej 12 100 1800 3

W Proszowicach 12 80 2000 3

Tablica 3. Stopień mikrobiologicznego zanieczyszczenia promieniowcami powietrza atmosferycznego wokół ww. oczyszczalni ścieków (dolna granica normy - 10 j.t.k/m³).

Oczyszczalnia Ilość pomiarów Liczba promieniowców w 1 m³ Liczba przekroczeń norm ilościowych Kontrola Maksymalna liczba

Płaszów (Kraków) 15 8 200 7

Kujawy (Kraków) 15 6 190 5

W Kalwarii Zebrzydowskiej 12 7 80 3

W Proszowicach 15 9 170 3

Tablica 4. Stopień mikrobiologicznego zanieczyszczenia grzybami powietrza atmosferycznego wokół wspomnianych oczyszczalni ścieków (dolna granica normy - 3000 j.t.k/m³)

Oczyszczalnia Ilość pomiarów Liczba grzybów w 1 m³ Liczba przekroczeń norm ilościowych Kontrola Maksymalna liczba

Płaszów (Kraków) 15 1200 4500 2

Kujawy (Kraków) 15 1500 6500 5

W Kalwarii Zebrzydowskiej 12 900 3500 1

W Proszowicach 12 500 4000 2

Tablica 5. Występowanie drobnoustrojów zagrażających zdrowiu ludzi na ww. oczyszczalniach ścieków.

Oczyszczalnia Grupa drobnoustrojów

Bakterie Promieniowce Grzyby

Płaszów (Kraków ) ++ 0 ++

Kujawy (Kraków) + 0 +

W Kalwarii Zebrzydowskiej + 0 +

W Proszowicach ++ 0 ++

W tym: 2 gatunki bakterii chorobotwórczych, 7 gatunków grzybów szkodliwych dla zdrowia.

1.2.3. Casus oczyszczalnia ścieków w Milanówku

Tablica 6. Zestawienie danych pomiarowych zanieczyszczeń mikrobiologicznych w powietrzu w otoczeniu oczyszczalni (Michałkiewicz 2002)

Parametry Punkty pomiarowe Uwagi

1 2 3 4 5 6

Odległość Ok. 400m Ok. 200m Ok. 200m Ok. 350m Ok. 100m Ok. 550m Od komór napowietrzania

Data pomiaru 24 lipca

2002 r.

Temp.

powietrza

23,7 23,6 25,2 25,1 23,2 25,4 ^oC

Ogólna liczba bakterii mezofilnych

235 160 160 80 315 160 W 1 m³

powietrza Ogólna liczba

bakterii psychro- filnych

1750 3300 1350 3500 2750 2360 W 1 m³

powietrza

Liczba Gronkowców ( M.+ i M.- )

26 78 26 0 105 52 W 1 m³

powietrza Liczba

bakterii grupy Coli

0 26 105 0 52 0 W 1 m³

powietrza Liczba

Pseudo- monas fluorescens

26⁰C 4^oC 26⁰C 4^oC 26⁰C 4^oC 26⁰C 4^oC 26⁰C 4^oC 26⁰C 4^oC W 1 m³ powietrza

26 26 52 52 105 26 52 26 78 78 105 78

Ogólna liczba grzybów

13 200 12 270 17 000 13 600 14 000 15750 W 1 m³

powietrza liczba

grzybów mikrosko- powych

12 350 18 900 34 600 13 000 17 300 6 300 W 1 m³

powietrza

Prędkość wiatru

1,85 0,90 1,65 2,25 1,58 0,53 Na stacji na

Okęciu

1.3. Emitowanie bioaerozoli i zanieczyszczeń gazowych

Obiekty wstępnego oczyszczania ścieków są potencjalnie źródłami odoru, ponieważ znajdują się w nich mechanicznie oczyszczane ścieki surowe, które zawierają zagniwalne substancje organiczne i mineralne niezagniwalne, takie jak piach, gruz czy popiół. Część ścieków może być typu septycznego (zawierają rozpuszczone związki siarki/siarczyny i gazy odorowe) i pochodzić ze zbiorników bezodpływowych.

Zbiorniki wyrównujące przepływ ścieków są zazwyczaj napowietrzane w celu utrzymania części stałych w zawieszeniu i zapobieżenia ich zagniwaniu. Jednak w wyniku takiego napowietrzania mogą być uwalniane siarczyny i gazy odorowe z wpływających do nich ścieków.

Komory wstępnego napowietrzania, kraty i komory napowietrzanych piaskowników mogą również indukować uwalnianie odorów i par ze ścieków przez nie przepływających.

W obiektach takich jak przepompownie ścieków, budynki krat i sit oraz budynki stacji kondycjonowania, zagęszczania i odwadniania osadów, powietrze atmosferyczne pobierane podczas wentylowania pomieszczeń roboczych ulega zanieczyszczaniu parami i gazami wydzielającymi się w wyniku realizowanych w nich procesów fizycznych, chemicznych

i biologicznych, a po oczyszczeniu odprowadzane jest do atmosfery.

Magazynowanie i operowanie surowymi skratkami oraz wydobytymi z piaskowników mineralnymi cząstkami pokrytymi substancjami organicznymi może skutkować generowaniem odoru z gnijących substancji organicznych.

Osadniki wstępne, zazwyczaj niezabudowane, mogą być obiektami, w których powstają odory, jeśli dopływające do nich ścieki są bogate w siarczyny lub jeśli czas przebywania zsedymentowanych osadów jest wystarczająco długi, by powstały warunki do zagniwania osadów. Zawirowania przy przelewaniu się ścieków wstępnie oczyszczonych przez przelewy mogą zazwyczaj uwalniać siarkowodór i inne gazy/pary odorowe do atmosfery. Układy operujące kożuchem na powierzchni osadników mogą być istotnymi źródłami niepożądanych odorów.

Dodatkowo w obiektach takich jak napowietrzane piaskowniki czy komory aeracji powietrze atmosferyczne wprowadzane aeratorami, przeważnie przy dnie tych obiektów, oddaje tlen do otaczającego medium cieczowego i przy wypływaniu na powierzchnię mediów znajdujących się w tych obiektach, wynosi lekkie zanieczyszczenia stałe oraz zaabsorbowane CO2 w komorach dekarbonizacji i N₂ w komorach denitryfikacji. Im wyższy stopień redukcji ChZT, BZT i azotu ogólnego, tym większa skala emisji gazów procesowych, takich jak zużyte powietrze, azot cząsteczkowy i dwutlenek węgla. Zużyte powietrze po tych procesach ulatnia się do atmosfery jako zanieczyszczenie. Natomiast brak intensywnego mieszania/odpowiedniego gradientu mieszania w komorach napowietrzania może skutkować akumulacją organicznych części stałych w tzw. strefach martwych, gdzie mogą zagniwać i generować odory. Istotnym czynnikiem przy tym są temperatury powietrza w otoczeniu tych obiektów. Z drugiej strony zbyt intensywne mieszanie prowadzi do wynoszenia na powierzchnię ścieków substancji lotnych, do sfalowania powierzchni ścieków oraz do ich emisji do atmosfery w formie bioaerozoli, odorów i gazów procesowych przy wiatrowych zawirowaniach powietrza.

Komory nitryfikacji i denitryfikacji ze względu na to, że w procesie redukcji azotu organicznego biorą udział bakterie typu Pseudomonas, są potencjalnymi miejscami emisji w formie bioaerozoli bakterii niebezpiecznych dla zdrowia ludzi.

Osadniki wtórne, o ile wprowadzane ścieki zawierają rozpuszczony tlen, nie generują odorów ani innych zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery.

Zawracane odcieki do głównego strumienia doprowadzanych ścieków lub do strumienia już oczyszczonych ścieków mają duży potencjał do generowania odoru.

Biogazy zawierające głównie metan, dwutlenek węgla i siarkowodór powstają w wyniku fermentacji beztlenowej/metanowej osadów ściekowych w zamkniętych, względnie otwartych komorach fermentacyjnych. W celu zwiększenia kaloryczności biogaz z zamkniętych komór fermentacyjnych przed wprowadzeniem do zbiornika magazynowego poddawany jest procesowi uzdatniania, w wyniku czego usunięty zostaje gazowy balast niepalny. On również jest potencjalnym zanieczyszczeniem gazowym.

Otwarte komory fermentacyjne osadu nadmiernego, podobnie jak laguny osadowe w oczyszczalniach biologicznych, są miejscami powstawania i emisji biogazu/odoru.

1.3.1. Z wybranych oczyszczalni

 COŚ w Koziegłowach (Poznańskie Wodociągi i Kanalizacja 2001)

COŚ jest oczyszczalnią mechaniczno-biologiczną z pełną przeróbką usuwanych osadów. Obiekty tej oczyszczalni umożliwiają przyjęcie ścieków w ilości 200 000 m³/dobę. Ścieki surowe do tej oczyszczalni dopływają grawitacyjnie. Pierwszym obiektem oczyszczalni jest komora rozdzielcza usytuowana przed halą krat. Z komory tej ścieki kierowane są na kraty rzadkie, a następnie na kraty gęste, znajdujące się w hali krat. Skratki z tych krat są transportowane do prasopłuczek, gdzie są płukane i odwadniane, a następnie ładowane do kontenerów na odpady stałe. Ścieki pozbawione skratek są potem kierowane do napowietrzanych piaskowników

o poziomym przepływie. Piasek zatrzymany w piaskownikach zostaje zgarnięty zgarniaczami łopatowymi do lejów piaskowych wyposażonych w pompy do piasku, a następnie tłoczony do separatorów piasku. Piasek po odwodnieniu ładowany jest do kontenerów, natomiast odciek zawraca się do strumienia ścieków przed piaskownikami. Ścieki po piaskownikach dopływają do pompowni z pompami poziomymi, które przetłaczają je do otwartego kanału międzyobiektowego, skąd dopływają do komory rozdzielczej, a następnie do osadników wstępnych. Osadniki są zbiornikami radialnymi otwartymi. Ścieki pozbawione ok. 60%

zawiesiny przelewają się przez pilaste przelewy do koryt odpływowych, a później do części biologicznej oczyszczalni. Tam eksploatowany jest system zintegrowanego biologicznego usuwania związków węgla, azotu i fosforu w bioreaktorach podzielonych na komorę niedotlenioną dla predenitryfikacji osadu, komorę beztlenową dla defosfatacji, następnie komorę niedotlenioną dla denitryfikacji ścieków i komorę tlenową dla nitryfikacji. Wszystkie komory beztlenowe i niedotlenione wyposażone są w mieszadła, a komory tlenowe w dyfuzory do napowietrzania. Powietrze w maksymalnej ilości 120 tys. m³/h do komór bioreaktorów jest doprowadzane ze stacji dmuchaw. Z bioreaktorów ścieki kierowane są do otwartych osadników wtórnych wyposażonych w zgarniacze osadu dennego oraz w układ do usuwana i odbioru zanieczyszczeń pływających. Z osadników wtórnych część osadu jest recyrkulowana do bioreaktorów, a resztę przekazuje się do obiektów gospodarki osadowej. Z osadników wtórnych biologicznie oczyszczone ścieki trafiają kanałami otwartymi do odbiornika (rzeka Warta).

Z punktu widzenia potencjalnego zagrożenia emisją zanieczyszczeń do atmosfery istotne jest również rozwiązanie ciągu przepływu ścieków i obróbki osadów zastosowanych w COŚ.

Osad wstępny z osadników wstępnych otwartych zagęszczany jest grawitacyjnie

w zagęszczaczach. Osad nadmierny z części biologicznej zagęszczany jest mechanicznie

w zagęszczarkach. Wymienione osady są następnie mieszane i podawane do komór fermentacyjnych. Biogaz produkowany w komorach fermentacji zostaje zgromadzony

w zbiorniku gazu do dalszego wykorzystania po oczyszczeniu w odsiarczalni.

Tablica 7. Produkcja i skład biogazu.

Produkcja biogazu Skład biogazu

Składniki Zawartość

Q _min = 800 m³/d Q _śr. = 1000 m³/d Q _max = 1200 m³/d

Metan 66

Dwutlenek węgla 32

Inne gazy,

w tym siarkowodór*

2 0,2 Odsiarczanie biogazu: redukcja z 4,5 g H₂S/ m³ na 0,02 g H₂S/ m³.

Przefermentowany osad kierowany jest do zbiorników uśredniających. Po odgazowaniu

i uśrednieniu zostaje on odwodniony mechanicznie na prasach taśmowych, a potem jest przetrzymywany na terenie oczyszczalni.

Zbiorniki hydrolizy i zagęszczania osadu wstępnego przykryte są kopułami z mas plastycznych.

Powietrze z obiektów takich jak: zagęszczacze, stacja mechanicznego odwadniania i stacja mechanicznego zagęszczania osadów oraz hala krat jest odciągane i poddawane oczyszczaniu na filtrach biologicznych.

Inne zanieczyszczenia emitowane do atmosfery to powietrze (maks. 120 000 m³/h) użyte do napowietrzania ścieków w bioreaktorach, dwutlenek węgla będący produktem redukcji ChZT (ok. 95%) i BZT5 ( ok. 97%), azot gazowy z komór denitryfikacji będący produktem redukcji azotu ogólnego o ok. 84%, bioaerozole z otwartych napowietrzanych piaskowników i tlenowej komory nitryfikacji.

 Oczyszczalnia „Kujawy”(Biuletyn Informacji Publicznej Miasta Krakowa 2011) Oczyszczania jest oczyszczalnią mechaniczno-biologiczną ze wspomaganiem chemicznym w zakresie usuwania fosforu z dopływem ścieków surowych na poziomie 110 000 m³/d.

W oczyszczaniu biologicznym zastosowano reaktory, w których prowadzony jest proces niskoobciążonego osadu czynnego wg zmodyfikowanej technologii BARDENPHO. Zgodnie z parametrami projektowymi oczyszczalnia ma osiągnąć redukcję BZT rzędu 94%, zawiesiny o 92,5% oraz azotu ogólnego o 60%. Oczyszczanie kończy sedymentacja zawiesiny

w osadnikach wtórnych. Osad wydzielony w osadnikach wstępnych, a także osad nadmierny usuwany z reaktorów w wyniku przyrostu biomasy są podawane do wydzielonych zamkniętych komór fermentacyjnych. W komorach realizowany jest proces stabilizacji osadów na drodze fermentacji metanowej mezofilnej, w wyniku której otrzymuje się biogaz, a ilości emitowanych zanieczyszczeń są prawdopodobnie proporcjonalne do ilości ścieków oczyszczanych w COŚ w Koziegłowach. Przefermentowany osad gromadzony jest w lagunach osadowych.

1.4. Co dalej?

Zagrożenia, ilość i „jakość” emitowanych zanieczyszczeń zależą od ilości i składu oczyszczanych ścieków, zastosowanej technologii oczyszczania ścieków i przeróbki osadów oraz konstrukcji i powiązań poszczególnych urządzeń, jak również od sezonowych warunków klimatycznych. Emisja zanieczyszczeń z oczyszczalni ścieków może stanowić zagrożenie dla życia i zdrowia ludzi mieszkających w otoczeniu i dla pracowników oczyszczalni oraz jest uciążliwa dla otoczenia. Otwarte piaskowniki napowietrzane, osadniki wstępne, komory nitryfikacji i denitryfikacji to potencjalne miejsca emisji bioaerozoli z chorobotwórczymi bakteriami. Zawartość siarkowodoru w biogazie świadczy o obecności w ściekach związków siarki i możliwości emisji odoru zarówno w ciągu ściekowym, jak i osadowym. Usuwanie siarkowodoru z biogazu powinno obniżyć jego stężenie w wydalanym powietrzu poniżej progu wyczuwalności. Ilości emitowanego do atmosfery zużytego powietrza zależy od efektywności wykorzystania tlenu, zakładanego stopnia redukcji BZT i azotu ogólnego. Ilości generowanego węgla zależą od redukcji BZT na etapie biologicznego oczyszczania. Natomiast ilości odprowadzanego do atmosfery azotu cząsteczkowego zależą od redukcji azotu ogólnego na

etapie biologicznego oczyszczania w komorach nitryfikacji i denitryfikacji. W celu świadomego minimalizowania tych zagrożeń należy dobrze poznać mechanizmy ich powstawania oraz emisji do atmosfery. Mechanizmy te będą przedmiotem kolejnych dalszych 2 rozdziałów.

Piśmiennictwo:

Barabasz W., Albińska D., Barabasz J. (2003). Obiekty komunalne jako źródła bioaerozolu i mikroorganizmów szkodliwych dla zdrowia. www.środowiskoazdrowie.pl/.../Częstochowa/

Referaty/ Barabasz.

Bielicka M. (2011). Ruszyły badania powietrza wokół oczyszczalni. Gazeta Wyborcza Poznań (21-22 maja 2011 r.), s. 6.

Bielicka M. (2012). COŚ jednak groźne. Gazeta Wyborcza Poznań (7-9 stycznia 2012 r.), s. 1.

Biuletyn Informacji Publicznej Miasta Krakowa (2011): Oczyszczalnia ścieków Płaszów II.

Michałkiewicz M. (2002). Ocena stopnia mikrobiologicznego zanieczyszczenia powietrza wokół Grupowej Oczyszczalni Ścieków i Kompostowni Odpadów w Milanówku (etap iv).

Poznańskie Wodociągi i Kanalizacja Sp. Z o.o. (2001). Centralna Oczyszczalnia Ścieków (COŚ) dla aglomeracji poznańskiej.

Bowker R. and Smith J. (1985). Odor and corrosion control in sanitary sewerage systems and treatment plants. US Government Printing Office. WWBKD M43 USPA ORD. EPA 625/1-85- O/8.

Zwoździak.J., Kowzan B., Pawlas K., Sówka I., Szałata ł. (2012). Analiza oddziaływania instalacji i urządzeń Centralnej Oczyszczalni Ścieków w Koziegłowach koło Poznania. Raport na dzień 29.02.2011 r. Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska. Politechnika Wrocławska.

Skorowidz nazwisk Albińska D. (2003) Barabasz J. (2003) Barabasz W. (2003) Bielicka M. (2011) Bowker R. (1985) Kowzan B. (2012)

Michałkiewicz M. (2002) Pawlas K. (2012)

Smith J. (1985) Sówka I. (2012) Szałata Ł. (2012) Zwoździak. J. (2012) Spis treści

1.1. Istota zagrożeń

1.2. Bioaerozole, odory, gazy procesowe 1.2.1. Casus COŚ w Koziegłowach

1.2.2. Oczyszczalnie dla Krakowa, w Kalwarii Zebrzydowskiej i Proszowicach 1.2.3. Casus oczyszczalnia ścieków w Milanówku

1.3. Emitowanie bioaerozoli i zanieczyszczeń gazowych 1.3.1. Z wybranych oczyszczalni

 COŚ w Koziegłowach

 Oczyszczalnia „Kujawy”

1.4. Co dalej?

Piśmiennictwo Skorowidz nazwis

2. MECHANIZMY POWSTAWANIA I WYDZIELANIA ZANIECZYSZCZEŃ EMITOWANYCH DO ATMOSFERY

2.1. Źródła kłopotów

Różne aspekty związane z emisją zanieczyszczeń substancjalnych do otoczenia, takich jak bioaerozole, odory i gazy procesowe z komunalnych oczyszczalni ścieków, a także ich znaczenie zostały omówione w Rozdziale1.

Jak podał Borowski (2012), składnikami takich zanieczyszczeń w grupie bioaerozoli jest faza mikrobiologiczna (uwalniana ze ścieków i skratek) oraz gazowa (powstająca w ściekach

i osadach), a także powietrze – użyte w procesie napowietrzania w piaskownikach i komorach biologicznego oczyszczania ścieków oraz do mechanicznej wentylacji komór krat

i technologicznych obiektów przeróbki i magazynowania osadów. Grupę odorów stanowią gazy nieorganiczne i pary organiczne, zazwyczaj wydzielane przy beztlenowym rozkładzie (gnicie i zagniwanie) substancji organicznych w ściekach i fermentacji osadów ściekowych, natomiast grupę gazów procesowych stanowią gazy uwalniane w toku oczyszczania ścieków, takie jak:

zużyte powietrze, dwutlenek węgla, azot gazowy i metan oraz biogaz, który zawiera m.in.

siarkowodór.

Fazę mikrobiologiczną bioaerozoli stanowią bakterie (pałeczki z rodzaju Escherichia, z gatunku Pseudomonas fluorescens, gronkowce), grzyby mikroskopowe (pleśnie), drożdże, grzyby drożdżoidalne (drożdżaki) i promieniowce.

Odory wyczuwalne w otoczeniu są następstwem pojawienia się gazów nieorganicznych, takich jak siarkowodór (H₂S) i amoniak (NH₃) oraz par organicznych, m.in. indoli (C₆H₄NHCH:CH), skatoli [3-metyloindoli – C6H4(CH3):CHNH], merkaptanów (tioalkoholi –RSH-y) oraz azotu organicznego.

2.1.1. Miejsca i przyczyny powstawania zanieczyszczeń

Często stosowanym kryterium, rozróżniającym wielkość oczyszczalni ścieków w Polsce, jest dobowe natężenie ścieków do nich doprowadzanych. Oczyszczalnie średniej wielkości odbierają od 10 tys. do 100 tys. m³ ścieków/d, a duże – powyżej 100 tys. m³/d.

Zarówno w tradycyjnych, jak i w nowoczesnych oczyszczalniach ścieków komunalnych

o powyższych przepustowościach znajdują się obiekty technologiczne, w których powstają różne rodzaje zanieczyszczeń, następnie uwalnianych do otoczenia.

Mechanizmy powstawania i uwalniania tych zanieczyszczeń do atmosfery, a także – rzecz jasna – ich rodzaje są nierozerwalnie związane ze składem odbieranych ścieków oraz procesem ich oczyszczania.

Obiekty wstępnego oczyszczania ścieków są potencjalnie źródłami mikrobiologicznej fazy stałej bioaerozoli ponieważ przez nie przepływają największe ilości mikroorganizmów, w tym chorobotwórczych oraz źródłami odoru, ponieważ w nich są mechanicznie oczyszczane ścieki surowe i zatrzymywane są osady, które same w sobie zawierają zagniwalne substancje organiczne oraz zatrzymują niezagniwalne zanieczyszczenia mineralne takie jak piach, gruz czy popiół, które są zanieczyszczone zagniwalnymi substancjami organicznymi

Dzieje się tak szczególnie wtedy, kiedy przez takie obiekty przepływają ścieki surowe

z domieszką ścieków septycznych o temperaturach powyżej 15°C. Jednakże czas przepływu lub zatrzymania ścieków w tych obiektach jest zazwyczaj zbyt krótki, by rozwinęły się tam procesy zagniwania zawiesiny (jeśli ścieki są świeże i zawierają rozpuszczony tlen).

W pewnych oczyszczalniach, newralgicznymi obiektami dla uwalniania gazów nieorganicznych i par organicznych są komory zlewne ścieków septycznych, pochodzących ze zbiorników bezodpływowych i komory mieszania, do których wprowadzane są odcieki ze stacji dekantacji osadów.

Zbiorniki wyrównujące przepływ ścieków są zazwyczaj napowietrzane dla utrzymania części stałych w zawieszeniu i dla zapobieżenia ich zagniwaniu. Jednak w wyniku takiego napowietrzania mogą być uwalniane siarczyny i gazy nieorganiczne z wpływających do nich ścieków. W komorach wstępnego napowietrzania i krat oraz komorach napowietrzanych piaskowników może również zachodzić uwalnianie fazy mikrobiologicznej, odorowych gazów nieorganicznych i par organicznych ze ścieków przepływających przez te obiekty – lub ze skratek, jeśli zaszły procesy gnilne substancji organicznych zawierających związki węgla, azotu i siarki (tłuszcze, cukry, białka). W obiektach takich jakimi są przepompownie ścieków, budynki krat i sit oraz budynki stacji kondycjonowania, zagęszczania i odwadniania osadów, powietrze atmosferyczne wprowadzane do pomieszczeń roboczych może ulegać zanieczyszczaniu parami i gazami wydzielającymi się podczas procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych i może być ono nośnikiem fazy mikrobiologicznej, gazów nieorganicznych i par organicznych.

Procesy magazynowania i operowania surowymi skratkami oraz mineralnymi osadami, wydobytymi z piaskowników z cząstkami mineralnymi pokrytymi substancjami organicznymi, mogą skutkować uwalnianiem gazów nieorganicznych i par organicznych z substancji organicznych będących w końcowym etapie procesu gnilnego, a także fazy mikrobiologicznej, potencjalnie zawsze w nich zawartej

Osadniki wstępne, często otwarte, mogą emitować odory kiedy dopływające do nich ścieki są bogate w siarczyny albo czas przebywania zsedymentowanych osadów jest na tyle długi (np.

ponad 2,5 h) (Dymaczewski i in.1997), że został wyczerpany zapas tlenu rozpuszczonego, a temperatura ścieków wystarczająco wysoka (powyżej 15°C), by rozwinął się proces gnicia osadów. Zawirowania strumieni ścieków wstępnie oczyszczonych przy przelewaniu się przez przelewy mogą uwalniać siarkowodór i inne gazy nieorganiczne, czy pary organiczne do atmosfery. Układy operujące kożuchem, w tym LKT, na powierzchni tych osadników mogą też sprzyjać uwalnianiu niepożądanych odorów. Dodatkowo należy nadmienić, że w takich obiektach jak napowietrzane piaskowniki czy komory aeracji, sprężone powietrze atmosferyczne wprowadzane jest aeratorami. Powietrze z tych aeratorów, wypływające w formie pęcherzyków na powierzchnię napowietrzanych mediów znajdujących się w tych obiektach oddaje część tlenu do otaczającego medium cieczowego, wynosi lekkie zanieczyszczenia stałe (w tym mikroorganizmy stanowiące fazę stałą bioaerozoli) oraz zaabsorbowane CO2 w komorach dekarbonizacji i N₂ w komorach denitryfikacji. Im wyższy stopień redukcji ChZT, BZT i azotu ogólnego ma być uzyskany, tym większa będzie skala emisji gazów procesowych (zużytego powietrza, azotu cząsteczkowego i dwutlenku węgla). Powietrze użyte do tych procesów zazwyczaj ulatnia się do atmosfery. Brak intensywnego mieszania, czyli odpowiedniego gradientu mieszania czy prędkości przepływu ścieków (Maciejewski 1999) w komorach napowietrzania może skutkować akumulacją organicznych części stałych w tzw. strefach martwych, gdzie będą zagniwać i generować odory, szczególnie przy długotrwałych okresach z wysokimi temperaturami powietrza w otoczeniu tych obiektów. Intensywne mieszanie w tych obiektach prowadzi jednak do częstszego wynoszenia fazy mikrobiologicznej, gazów nieorganicznych i par organicznych oraz gazów procesowych na powierzchnię ścieków. Z tych względów krotność wymieszania zawartości komory napowietrzania w czasie hydraulicznego zatrzymania w niej ścieków nie powinna przekraczać pewnej krytycznej wielkości, szczególnie w warunkach niższej rozpuszczalności tlenu w ściekach (czyli przy temperaturach ścieków wyższych od 15 °C). Należy przy tym nadmienić, że przy stosowanych zakresach prędkości i typowych głębokościach w napowietrzanych komorach oczyszczania z osadem czynnym, liczby Reynoldsa będą kilka tysięcy razy większe od krytycznej wielkości podanej przez Stręka (1981), wynoszącej 13,5 potrzebnej dla idealnego wymieszania medium cieczowego. W tych przypadkach o uwalnianiu zanieczyszczeń, które mogą być następnie emitowane do atmosfery,

mniej będzie decydować napowietrzanie pęcherzykowe czy cyrkulacyjne. Znacznie mniejsze prędkości (chociaż większe od potrzebnych do uzyskania krytycznej liczby Reynoldsa) otrzymuje się przy wstępnym projektowaniu napowietrzanych komór oczyszczania z osadem czynnym z uwzględnieniem wieku osadu(Horan 1990), ale wtedy większy wpływ na uwalnianie omawianych zanieczyszczeń będzie miało napowietrzanie, szczególnie z tzw. reżimem cyrkulacyjnym (G > 100).

Jako, że w procesie redukcji azotu organicznego biorą udział bakterie typu Pseudomonas to, komory nitryfikacji i denitryfikacji są potencjalnymi miejscami uwalniania do atmosfery bakterii niebezpiecznych dla zdrowia ludzi.

Osadniki wtórne, o ile wprowadzane do nich ścieki zawierają rozpuszczony tlen, nie będą generować odorów do czasu wyczerpania rozpuszczonego tlenu. Ponadto nie występują w nich mechanizmy sprzyjające uwalnianiu innych zanieczyszczeń, które byłyby emitowane do atmosfery.

Odcieki z zagęszczanych lub odwadnianych osadów, zawracane do głównego strumienia doprowadzanych ścieków lub do strumienia już oczyszczonych ścieków, zawierają sporo zanieczyszczeń o dużym potencjale do wydzielania tzw. odorantów.

Biogazy powstają w wyniku fermentacji beztlenowej/metanowej osadów ściekowych

w zamkniętych lub otwartych komorach fermentacyjnych oraz lagunach osadowych przy czym otwarte komory fermentacyjne osadu nadmiernego, podobnie jak laguny osadowe na oczyszczalniach biologicznych są miejscami emisji metanu, dwutlenku węgla i siarkowodoru. 2.1.2. Miejsca powstawania i uwalniania zanieczyszczeń mikrobiologicznych

Według Michalkiewicza (2004), największą różnorodnością i ilością gatunków drobnoustrojów stanowiących fazę mikrobiologiczną bioaerozoli charakteryzowały się miejsca zlokalizowane przy komorach napowietrzania. Szczegółowe badania diagnostyczne mikroorganizmów występujących w powietrzu atmosferycznym (Barabasz i in.2003) na oczyszczalniach ścieków Płaszów, Kujawy, w Kalwarii Zebrzydowskiej i Proszowicach-Sieniawie potwierdziły występowanie naturalnej mikroflory saprofitycznej, pochodzącej z fermentujących ścieków.

Mieszanie ścieków w komorach oczyszczania ścieków (napowietrzania), pękanie banieczek gazowych na powierzchni ścieków sprzyja wyrzucaniu mikroorganizmów do powietrza

i porywanie ich prądami powietrza, które następnie stanowią fazę mikrobiologiczną bioaerozoli.

Nie bez znaczenia są przy tym wielkości cząstek stanowiących składniki rozproszone (faza stała) aerozoli oraz rozmiary bakterii i wirusów, które potencjalnie mogą być składnikami fazy stałej bioaerozoli. Jak podaje WNT (1972) , rozmiary cząstek rozproszonych w aerozolach zawierają się w przedziale od 1 nm do 0,5 µm. Natomiast cytując za Zienkiewiczem (2003), ogólnie bakterie posiadają wymiary większe od 0,2 µm, a wirusy od 0,01 do 0,1 µm. Takie względnie małe wymiary sprzyjają przedostawaniu się tego typu mikroorganizmów do otoczenia i do kolejnych etapów oczyszczania oraz obiektów oczyszczalni ścieków komunalnych ze strumieniem ścieków, a zatrzymywane są częściowo wraz z osadami w osadnikach.

Tak więc wszystkie otwarte obiekty w oczyszczalniach ścieków, w których przepływ ścieków jest burzliwy i/lub zastosowano napowietrzanie mechaniczne, posiadają sprzyjające warunki do tego, żeby w sposób naturalny znajdujące się w ściekach mikroorganizmy i gazy procesowe wypływały na sfalowaną powierzchnię ścieków, skąd przy porywach wiatru dostawały się do atmosfery. Ponadto miejscami źródłem fazy mikrobiologicznej są otwarte komory fermentacyjne, otwarte zbiorniki zagęszczania osadów z osadników wtórnych, laguny osadowe oraz miejsca okresowego składowania odwodnionych, przefermentowanych osadów ściekowych.

Ścieki są środowiskiem, w którym mikroorganizmy znajdują odpowiednie warunki do rozwoju i przetrwania, gdzie czas ich przeżywania wynosi nawet kilkadziesiąt dni. Michałkiewicz (2004) podaje, że okres ten jest uzależniony od temperatury ścieków i w marę jej wzrostu maleje.

Z wykresu temperatur ścieków w ciągu roku, przedstawionego przez Dymaczewski i in. (1997) wynika, że temperatury ścieków nie przekraczają 20°C, więc wszystkie wymienione przez Michalkiewicza (2004) mikroorganizmy są w stanie przetrwać podczas przebywania

w strumieniu ścieków w oczyszczalniach. Z cytowanych publikacji, w pracy Borowski (2012) wynika, że w ściekach masowo występują bakterie grupy coli, a w szczególności Escherichia coli, które są najczęściej występującymi w powietrzu mikroorganizmami nad oczyszczalniami w różnych etapach procesu oczyszczania ścieków.

2.2. Mechanizmy wynoszenia i uwalniania zanieczyszczeń

2.2.1. Mechanizmy wynoszenia i uwalniania zanieczyszczeń mikrobiologicznych

Warunki sprzyjające wynoszeniu i uwalnianiu mikroorganizmów ze ścieków w szczególności występują w napowietrzanych piaskownikach, komorach dekarbonizacji

i nitryfikacji/denitryfikacji.

Intensywność wynoszenia mikroorganizmów na powierzchnię ścieków w wymienionych wyżej obiektach zależy od burzliwości i gradientu prędkości (a w nim intensywność mieszania)

w ściekach, a ruch powietrza atmosferycznego z dużą prędkością przy powierzchni ścieków w otwartych komorach napowietrzania i reakcji może porywać do atmosfery różne zanieczyszczenia mikrobiologiczne występujące w ściekach wyrzucane z kropelkami ścieków i z pękającymi pęcherzykami powietrza.

Burzliwość można określić znaną z hydrauliki liczbą Reynoldsa:

Re = u·h/ ν , (2.1)

Gradient prędkości (Tebbut 1983) wyliczamy ze wzoru:

G = ( N/µV)^0,5 (2.2)

W układzie (l, m., t) w wzorze (2.1) poszczególne symbole oznaczają:

u – prędkość przepływu ścieków w KOCz, np. minimalna (0,15 m/s) i maksymalna (0,5-0,6 m/s) podane przez Majewskiego(1999) dla komór oczyszczania,

h – średnia głębokość ścieków w danym obiekcie np. 3 m w komorach napowietrzania,

ν – kinematyczny współczynnik lepkości ścieków (stężenie zawiesiny 300 g/m³), miarodajny dla temperatury 10°C, wynosi 0,00000137 m²/s, Błażejewski (2003);

a w wzorze (2.2):

G- gradient prędkości w s^-1 , N- moc mieszania w Watach,

V-objętość ścieków w danym obiekcie w m³,

µ-dynamiczny współczynnik lepkości ścieków, miarodajny dla danej temperatury w kg/ms (dla wody w 10°C wynosi ok. 1,3 10^-3) (Błażejewski 2003).

Dla wymienionych wielkości prędkości przy założeniu, że mają to być średnie prędkości dla ustalonego przepływu ścieków w komorze jak w korycie otwartym, liczby Re będą zawierać się w przedziale 321000 < Re < 1286000, czyli będą znacznie większe od Re kr = 13,5 (przepływy z idealnym wymieszaniem), Stręk (1981).

Wymiarowanie przepływowych komór oczyszczania ścieków z osadem czynnym przy uwzględnieniu wieku osadu bez recyrkulacji wewnętrznej prowadzi do znacznie niższych prędkości od zalecanych przez Majewskiego (1999), ale liczbach Re > 13,5 (obliczenia własne autora wykonane dla oczyszczalni o przepustowości 50 i 300 m³/d ).

Gradientu prędkości zdefiniowanego w literaturze (Tebbut 1983) nie można obliczyć ani wykorzystać w tego typu (jak niniejsze) rozważaniach w oderwaniu od konkretnej instalacji napowietrzania, komory oczyszczania ścieków, rodzaju ścieków i technologii oczyszczania (Borowski 2008).

Intensywność mieszania, będąca ilorazem mocy mieszania N i objętości ścieków V, przy odpowiednio dużych wielkościach, w obiektach takich jak komory mieszania, piaskowniki

napowietrzane, komory wstępnego napowietrzania czy komory biologicznego oczyszczania ścieków, też jest czynnikiem podobnym do gradientu prędkości czy liczby Reynoldsa, sprzyjającym uwalnianiu ze ścieków fazy mikrobiologicznej, znajdującej się w sposób naturalny w oczyszczanych ściekach komunalnych. Intensywność mieszania i gradient prędkości

z odmiennych powodów są ograniczone w piaskownikach napowietrzanych i komorach biologicznego oczyszczania. Przyczynami tego są: w przypadku piaskowników napowietrzanych – zapewnienie sedymentacji i zatrzymania zanieczyszczeń mineralnych wprowadzanych do oczyszczalni ze ściekami przy określonej burzliwości przepływu ścieków przez piaskowniki.

Z kolei w przypadku komór biologicznego oczyszczania z mechanicznym napowietrzaniem i mieszaniem zawartości komór, wg Massachlein’a (1992), gradient prędkości nie powinien przekraczać 100 (s^-1) z uwagi na potrzebę utrzymania osadu czynnego w zawieszeniu

i równocześnie niestwarzaniu warunków do rozbijania agregatów kłaczkowatych, co w przybliżeniu odpowiada ograniczeniu intensywności mieszania do 10 W/m³.

We wszystkich przypadkach kryterium potencjalnej intensywności uwalniania ze strumienia ścieków i wynoszenia fazy mikrobiologicznej na powierzchnię strumienia ścieków, zdaniem autora, mógłby być iloraz hydraulicznego czasu zatrzymania ścieków w danym obiekcie i czasu zatrzymania powietrza w przepływającej masie ścieków jako zmienna niezależna funkcji intensywności uwalniania mikrobiologicznej fazy ze ścieków.

Krytyczną prędkością powietrza, przy której zacznie się porywanie zanieczyszczeń mikrobiologicznych z powierzchni rozdziału ścieki/powietrze intuicyjnie będzie prędkość powietrza, przy której będzie naruszana ciągłość powierzchni rozdziału faz. Sprzyjającymi utracie takiej ciągłości są pęcherzyki gazowe, pękające na tej powierzchni rozdziału i sfalowania powierzchni wywoływane przez stosowane technologiczne procesy mieszania i napowietrzania.

Porywanie cząstek stałych z powierzchni ścieków może nastąpić przy braku równowagi siły tarcia strumienia powietrza, ciężkości cząsteczki i napięcia powierzchniowego na obwodzie cząsteczki. Zagadnienie to zostało drobiazgowo rozpatrzone w (Borowski 2013) i w Rozdziale 3.

Inne mechanizmy decydują o uwalnianiu i wynoszeniu ze ścieków fazy mikrobiologicznej przy cedzeniu ścieków na kratach i sitach. Tu w pewnych okresach skratki są usuwane z powierzchni krat i sit i zrzucane do rynny zrzutowej, pod którą są podstawiane pojemniki na skratki. W tych momentach może dochodzić do uwalniania mikroorganizmów do otoczenia z zanieczyszczeń stałych, usuwanych na kratach i sitach ze ścieków surowych.

Należy nadmienić, że pomimo dobrze działającego mechanicznego oczyszczania ścieków komunalnych, z których może być usuniętych nawet 2/3 zanieczyszczeń stałych, to jednak, jak wspomniano na początku, wg Michalkiewicza (2004), największą różnorodnością i ilością gatunków drobnoustrojów stanowiących fazę mikrobiologiczną bioaerozoli charakteryzują się punkty zlokalizowane przy komorach napowietrzania, gdyż tam występują omówione najkorzystniejsze warunki do ich uwalniania i wynoszenia na powierzchnię ścieków.

Niezależnie od wspomnianej w 2.1.2. przeżywalności mikroorganizmów występujących

w ściekach, wywód ten należy uzupełnić o informacje zawarte w przywoływanym już Poradniku (Dymaczewski i in. 1997). Otóż na poszczególnych etapach oczyszczania ścieków komunalnych są z nich usuwane znaczne ilości mikroorganizmów potencjalnie stanowiących fazę stałą bioaerozoli i w miarę przechodzenia ścieków do następnych etapów oczyszczania ilość tych mikroorganizmów maleje, i to bardzo. Dzieje się tak, ponieważ w procesach mechanicznego oczyszczania wraz z zatrzymywanymi zanieczyszczeniami stałymi usuwa się ze ścieków: 80%

bakterii ogólnych, 90% salmonelli i prątków gruźlicy. Po procesie osadu czynnego w odpływie pozostaje: od 8 do 1% bakterii ogólnych, od 5 do 1% salmonelli i prątków gruźlicy. Częściowe unieszkodliwienie mikroorganizmów chorobotwórczych zatrzymanych w osadach następuje podczas: fermentacji (metanowej), stabilizacji tlenowej i kompostowania, podczas których

unieszkodliwia się ok. 85 – 98% ogólnej ilości mikroorganizmów chorobotwórczych z wyjątkiem wirusów, enterowirusów oraz jaj robaków pasożytniczych.

Powyższe dane wskazują newralgiczne miejsca stanowiące potencjalnie największe zagrożenia dla otoczenia z uwagi na fazę mikrobiologiczną możliwą do uwalniania ze ścieków. Są to:

komory krat (skratki), piaskowniki napowietrzane (mikroorganizmy wynoszone na powierzchnię ścieków), osadniki wstępne (mikroorganizmy wypływające na powierzchnię ścieków) i komory osadu czynnego (mikroorganizmy wynoszone na powierzchnię ścieków).

2.2.2. Mechanizmy uwalniania odorów

 Charakterystyka odorów

Poza mikroorganizmami wydzielanymi ze ścieków stanowiących fazę stałą bioaerozoli, ze ścieków wydostają się substancje o nieprzyjemnych zapachach, nazywanych odorami lub odorantami (Kulig 2003), pochodzącymi głównie z beztlenowego rozkładu (zagniwanie, gnicie) substancji organicznych, takich jak kwasy tłuszczowe czy siarkowe związki organiczne kiedy stają się aldehydami i gazami nieorganicznymi (amoniak czy siarkowodór). Po to żeby mogły powstawać odory, rozkładane substancje muszą zawierać siarkę i azot. Przy ich rozkładzie wydzielane są gazy zazwyczaj zawierające siarkowodór, amoniak, dwutlenek węgla i metan.

Przykładowo, gazy te stanowią nawet 99% biogazu otrzymywanego z fermentacji osadu z osadników wstępnych i osadu nadmiernego z bioreaktorów w komorach fermentacji w przypadku COŚ w Koziegłowach dla aglomeracji Poznania (PWiK Poznań 2001).

Z wymienionych gazów nieorganicznych tylko siarkowodór i amoniak są cuchnące/śmierdzące.

Odrażającym zapachem odznaczają się też pary organiczne takie jak indole, skatole (3-metyloindole), merkaptany (tioalkohole) i azot organiczny.

O lotności cuchnących związków siarkowych decyduje ciężar cząsteczkowy(Bowker i Smith J.

1985). Im mniejszy ciężar cząsteczkowy cuchnących związków zawierających siarkę, tym zazwyczaj jest wyższa ich lotność i wyższa zdolność do emisji do atmosfery.

Merkaptany występują w ściekach i są podobne do alkoholi z substytucją siarki w miejsce tlenu w grupie OH. Merkaptany są więc odtlenioną formą organicznych związków siarki. Merkaptany, z uwagi na ich bardzo niskie progowe liczby odorowe, nawet przy bardzo niskim stężeniu

w otaczającym powietrzu są bardzo uciążliwym składnikiem odorów.

Źródłami siarki (Fjerdingstad 1979) i azotu (PWN. Warszawa 1964) są ścieki komunalne

(z gospodarstw domowych). W mniej lub bardziej zanieczyszczonych wodach, związki siarki powstają z substancji organicznej przez uwolnienie z niej siarki przez bakterie (Desulfovibrio) (Fjerdingstad 1979) prawie wyłącznie jako siarkowodór, który z kolei jest utleniany przez wyspecjalizowane bakterie do pierwiastka siarki, tiosiarczanu, czterotiosiarczanu oraz do związków pośrednich pomiędzy siarką a siarczanem. Należy nadmienić przy tym, że większość siarki organicznej występuje w cystynie, cysteinie, metioninie lub innych siarkowych aminokwasach.

Siarka jest obecna w odchodach ludzkich, a siarczany są spotykane w większości zasobów wodnych. Dostatek siarki normalnie obecnej w ściekach z gospodarstw domowych w formie nieorganicznych siarczanów i siarczynów, takich jak merkaptany, tioetery oraz dwusiarczany skutkuje produkcją gazów odorowych.

Jon siarczanowy [SO^-₄] jest jednym z najbardziej powszechnych anionów w wodach naturalnych.

Występuje on często w wodach opadowych, szczególnie pochodzących z terenów wielkich miast.

Stężenie siarczanów w ściekach może zawierać się w przedziale od kilku miligramów na litr do kilkuset miligramów na litr.

Stężenie organicznych związków siarki w ściekach z gospodarstw domowych zazwyczaj osiąga poziom od 1 do 3 mg/l.

Wszystkie związki organiczne siarki w formie utlenionej czy odtlenionej (zredukowanej), organiczne czy nieorganiczne, stanowią potencjalną bazę do produkcji siarczynów. Generalnie dla ścieków z gospodarstw domowych głównym źródłem siarczynu jest siarczan.

Związki organiczne zawierające azot (zasadniczo białka) ulegają procesowi rozkładu (gniciu) pod wpływem działania drobnoustrojów, a przede wszystkim bakterii (w pewnym stopniu niektórych grzybów), żyjących głównie w warunkach beztlenowych (pałeczki odmieńca, laseczki sienne, laseczki gnilne, laseczki grupy zgorzeli gazowej). Temperatura w przedziale 15-35°C i dostateczna wilgotność sprzyjają procesowi gnicia. Pod wpływem wydalanych przez mikroorganizmy fermentów proteolitycznych (peptydaz) złożona substancja białkowa stopniowo rozpada się na proste składniki, aż do końcowych produktów mineralizacji białka: NH3, H₂, H₂S, N₂ (azot organiczny), CO₂ i H₂O.

 Powstawanie odorów

Odory w ciągu ściekowym (Bowker i Smith 1985) wydzielane w toku operowania i oczyszczania ścieków z gospodarstw domowych są głównie wynikiem redukcji siarczanu do siarkowodoru w warunkach beztlenowych, przebiegającej w następujący sposób:

bakterie

[SO^-4] + substancje organiczne S^- + H2O + CO2 (2.3) beztlenowe

S^- + 2H⁺ H2S (2.4)

Merkaptany (WNT Warszawa 1972), takie jak tioalkohole i tiole, to siarkowe odpowiedniki alkoholi o wzorze ogólnym R×SH, otrzymywane z chlorowcopochodnych przez działanie wodorosiarczku potasowego wg reakcji:

C2H5Cl + KSH C2H5×SH + K Cl (2.5)

merkaptan etylowy (etanotiol)

Azot organiczny odpowiedzialny również za odory w otoczeniu oczyszczalni ścieków jest wydzielany w postaci NH3 (amoniaku) w następstwie rozkładu (amonifikacji) azotowych związków organicznych pod wpływem drobnoustrojów (głównie bakterii), np. wg następującej reakcji( Mikscha 2000):

mikroorganizmy

N_org NH⁺₄ / NH₃ (2.6)

heterotroficzne lub w warunkach tlenowych:

C10H19O3N (ogólna formuła związków organicznych w ściekach) + 12,5 O2 =

=10CO₂ + 8H₂O + NH₃ (2.7)

Obiekty oczyszczalni ścieków, w których realizowane są procesy oczyszczania i zachodzą reakcje typu (2.4 -2.7) są potencjalnie miejscami emisji odorów.

 Odory w ciągu osadowym

Zespoły do odwadniania osadów skutkiem mechanicznego usuwania wody z nich są również potencjalnie miejscami uwalniania gazów odorowych. Zespoły tego typu znajdują się zazwyczaj w wentylowanych budynkach i jeśli usuwane powietrze do atmosfery nie będzie oczyszczane, to odory znajdą się w powietrzu „odpadowym”.

Zbiorniki magazynowe i laguny osadowe są też miejscami wydzielania odoru w następstwie procesów gnilnych zachodzących podczas długich okresów przetrzymywania i rozwoju warunków septycznych w tych okresach. Wydzielanie odoru z lagun osadowych jest bardziej intensywne podczas wybierania i ładowania osadów z oraz do lagun, w następstwie zawirowań w magazynowanych ściekach spowodowanych tymi czynnościami.

W etapach obróbki osadów z wyższymi temperaturami zachodzą reakcje chemiczne w wyniku których ma miejsce bardziej intensywne wydzielanie odoru od tego jakie zachodzi podczas procesu stabilizacji osadu.

Zawracane odcieki ze stabilizacji osadu, kondycjonowania i zagęszczania oraz odwadniania do strumienia ściekowego mają duży potencjał generowania odoru, ponieważ odznaczają się dużym stężeniem substancji organicznych i odorowych. To pierwsze powoduje wysokie natężenie poboru tlenu z medium ściekowego i przyśpieszenie zagniwania ścieków. Zawracanie tych odcieków, zazwyczaj wywołuje dużą burzliwość w strumieniu wprowadzanych ścieków, co przyczynia się do uwalniania gazów odorowych i emisji ich do atmosfery.

2.2.3. Mechanizmy powstawania, uwalniania i wynoszenia gazów procesowych

Do gazów procesowych powstających w toku oczyszczania ścieków autor sugeruje zaliczać:

zużyte powietrze, dwutlenek węgla, azot, metan oraz mieszaniny wymienionych gazów, nazywane biogazem.

Gazy te dobrze mieszają się z powietrzem atmosferycznym i w skali mikro nie stanowią zagrożenia dla środowiska (za wyjątkiem metanu), jedynie dwutlenek węgla w skali makro prowadzi do ocieplenia klimatu na Ziemi. Natomiast metan przy stężeniach przekraczających poziom wybuchowości może być bardzo niebezpieczny dla obsługi, szczególnie przy niewłaściwej obsłudze lub wadzie konstrukcyjnej instalacji mieszania w zamkniętej komorze fermentacji metanowej osadów ściekowych czy samych ścieków.

 Mechanizmy powstawania, uwalniania i wynoszenia zużytego powietrza

Z zużytym powietrzem w oczyszczalniach ścieków mamy do czynienia w otoczeniu następujących obiektów: przepompowni, hal krat i sit, piaskowników napowietrzanych, natlenianych komór dekarbonizacji i nitryfikacji, stacji odwadniania i suszenia osadów.

Zużyte powietrze w otoczeniu obiektów takich jak: przepompownie, hale krat i sit oraz stacje odwadniania i suszenia osadów będzie pochodzić z wentylacji mechanicznej tych budynków.

Może ono zawierać też bioaerozolową stałą frakcję mikroorganiczną, jak również substancje odorowe.

Zużyte powietrze w otoczeniu napowietrzanych piaskowników może zawierać znaczne ilości składników stanowiących fazę stałą bioaerozoli.

Ilości emitowanego do atmosfery zużytego powietrza z komór biologicznego oczyszczania ścieków zależy od: ilości oczyszczanych ścieków, stężenia zawartych w nich zanieczyszczeń utlenialnych, mikroorganizmów aerobowych i fakultatywnych, efektywności wykorzystania tlenu oraz zakładanego stopnia redukcji BZT i azotu ogólnego.

Przykładowo obiekty COŚ dla Poznania (PWiK Poznań 2001) umożliwiają przyjęcie ścieków w ilości do 200 000 m³ ścieków na dobę. Powietrze doprowadzane jest ze stacji dmuchaw (maksymalnie 120 000 m³/h) do komór bioreaktorów, w których ścieki są pozbawiane ok. 60%

pierwotnej zawiesiny. Maksymalnie 5% z 21% tlenu w dostarczanym powietrzu jest absorbowane przez mikroorganizmy, a reszta powietrza z produktami, takimi jak CO₂ i N₂ i różnego rodzaju mikroorganizmami, wypływa nad powierzchnię ścieków, a następnie przez urządzenia wentylacyjne wydalane jest do powietrza atmosferycznego w otoczeniu tych obiektów.

 Mechanizmy powstawania ,uwalniania i wynoszenia dwutlenku węgla i azotu cząsteczkowego

Dwutlenek węgla powstaje w komorach biologicznego oczyszczania ścieków osadem czynnym (bakteriami heterotroficznymi), w uproszczeniu( Mikscha 2000) wg następującego równania:

C₁₀H₁₉O₃N + 12,5 O₂ = 9CO₂ + 7H₂O + NH₄HCO₃ (2.8)

i w tak zwanym procesie dekarbonizacji oraz w procesie denitryfikacji przebiegającymi również przy udziale bakterii heterotroficznych, w uproszczeniu wg następującego równania:

C₁₀H₁₉O₃N +10 NO₃^- = 9CO₂ + 2H₂O + 5N₂ + 10 OH^- + NH₄HCO₃ (2.9)

Im bardziej efektywnie przebiegają procesy dekarbonizacji i denitryfikacji w bioreaktorach, tym więcej CO2 i N2 jest wynoszone na powierzchnię rozdziału ścieki/powietrze.

 Mechanizmy powstawania, uwalniania i wynoszenia biogazu

Biogaz powstaje w wyniku fermentacji beztlenowej substancji organicznych przy udziale bakterii metanowych. Składnikami biogazu są: metan, dwutlenek węgla, azot cząsteczkowy

i siarkowodór.

Biogazy powstają w obiektach oczyszczalni ścieków, takich jak:

 zamknięte komory fermentacyjne, w których zazwyczaj realizowane są procesy mezofilne albo termofilowe,

 otwarte komory fermentacyjne i laguny osadowe,

 składowiska osadów.

Metan jest generowany w wyniku reakcji biochemicznej na produktach reakcji (2.8) i (2.9) według następującego równania:

CO2 + 8 H+ CH4 + 2H2O, (2.10)

a pozostałe składniki biogazu odpowiednio z biochemicznych reakcji: (2.7), (2.8), (2.9) i (2.4).

Przykładowo wiadomo (PWiK Poznań 2001), że biogaz z zamkniętych komór fermentacyjnych, dla zwiększenia jego kaloryczności, przed wprowadzeniem do zbiornika magazynowego, poddawany jest procesowi uzdatniania, w wyniku którego usuwany jest gazowy balast niepalny taki jak dwutlenek węgla i siarkowodór, usuwany z kolei do atmosfery - stanowi również zanieczyszczenie gazowe powietrza w otoczeniu oczyszczalni.

2.2.4. Powstawanie i uwalnianie zanieczyszczeń substancjalnych jako warunek początkowy ich emisji do otocznia

Mikroorganizmy stanowiące fazę stałą bioaerozoli występują we wszystkich etapach oczyszczania ścieków z uwagi na sprzyjające warunki przetrwania i w zasadzie brak skutecznego przeciwdziałania, takiego jak mikro- czy nanofiltracja oraz dezynfekcja odpływów.

Wszelkie działania związane z wydobywaniem zanieczyszczeń na powierzchnię ścieków w celu ich usunięcia w formie skratek czy osadów, z mieszaniem, jak również powodujące burzliwe przepływy ścieków - sprzyjają uwalnianiu mikroorganizmów i odorów z masy ścieków.

Procesy, przed fermentacją metanową osadów, w których substancje organiczne przetrzymywane są zbyt długo w warunkach beztlenowych, prowadzą do powstawania związków odorowych i biogazu.

Wydzielanie gazów procesowych jest autonomiczną cechą procesu oczyszczania ścieków, sprzyjającą zarówno uwalnianiu fazy mikrobiologicznej, jak i związków odorowych. Stanowi to duży problem techniczny, ekonomiczny i planistyczny (strefy ochronne i bezpieczne lokalizacje), szczególnie w przypadkach realizacji dużych oczyszczalni ścieków bytowych.

Emisja zanieczyszczeń z oczyszczalni ścieków bezpośrednio do atmosfery może stanowić zagrożenie dla życia i zdrowia ludzi mieszkających w otoczeniu, a także dla pracowników oczyszczalni oraz jest uciążliwa dla otoczenia. W celu świadomego minimalizowania tych zagrożeń należy dobrze poznać mechanizmy uwalniania tych zanieczyszczeń oraz ich emisji do atmosfery - patrz Rozdział 3 i 4.

Ilości emitowanego do atmosfery zużytego powietrza zależy od efektywności wykorzystania tlenu oraz zakładanego stopnia redukcji BZT i azotu ogólnego.

Objętość uwalnianego do atmosfery dwutlenku węgla, w określonym czasie, na etapie biologicznego oczyszczania ścieków, jest silnie zależna od stopnia redukcji (w tym samym czasie) ładunku wyrażanego w BZT.

Analogicznie ilości emitowanego do atmosfery azotu cząsteczkowego zależą od stopnia redukcji ilości azotu ogólnego w ściekach na etapie ich biologicznego oczyszczania w komorach nitryfikacji i denitryfikacji.

Piśmiennictwo:

Barabasz W. Albińska D., Barabasz J. (2003). Obiekty komunalne jako źródła bioaerozolu i mikroorganizmów szkodliwych dla zdrowia.www.środowiskoazdrowie.pl/.../Częstochowa/

Referaty/ Barabasz .

Błażejewski R. ( 2003). Kanalizacja wsi. PZITS Poznań.

Borowski J. (2012). Oczyszczalnie ścieków jako źródło zanieczyszczeń. Wodociągi-Kanalizacja 1(95), s. 21-23.

Borowski J. (2008). Warunki graniczne dla efektywności natleniania i mieszania w reaktorach biologicznych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 7-8, s. 54-59.

Dymaczewski Z., Oleszkiewicz J. A. i Sozański M. (1997). Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków. PZITS Poznań.

Fjerdingstad E.(1979). Sulfur Bacteria. ASTM STP 650. January.

Horan N. J. (1990). Biological Wastewater Treatment Systems. Theory and Operation. John Wiley & Sons. Chichester. New York.. Brisbane. Toronto. Singapore.

Kulig A. (2003). Potrzeby i możliwości ograniczenia emisji odorantów z obiektów gospodarki ściekowej. Wodociągi-Kanalizacja, 5, s. 18-21.

Maciejewski M. (1999). Hydraulika systemów oczyszczania wody i ścieków oraz zbiorników wodociągowych. Instytut Melioracji i Gospodarki Wodnej. Warszawa.

Massachlein W.J. (1992). Unit processes in drinking water treatment. Marcel Dekker Inc. New York.

Michalkiewicz M. (2004). Zanieczyszczenia powietrza wokół oczyszczalni ścieków. Wodociągi- Kanalizacja 2/2004, s. 19-21.

Mikscha K. (2000). Biotechnologia Ścieków. Wyd. Politechniki Śląskiej. Gliwice.

PWiK Poznań (2001). Prospekt „Centralna Oczyszczalnia Ścieków”.

Stręk F. (1981). Mieszadła i mieszalniki. WNT. Warszawa.

Studziński J. (2004). Identyfikacja, symulacja i sterowanie oczyszczalniami ścieków. Instytut badań systemowych. PAN. Seria: Badania systemowe. T. 35. Warszawa.

Tebbut T.H.Y. (1983). Principles of water quality control. Pergamon Press. London.

Bowker R. and Smith J. (1985). Odor and corrosion control in sanitary sewerage systems and treatment plants. US Government Printing Office. WWBKD M43 USPA ORD. EPA 625/1-85- O/8.

WNT Warszawa (1972). Encyklopedia Techniki. Chemia.

PWN Warszawa (1964). Encyklopedia, T. 4.

Zienkiewicz J. (2003). Ultrafiltracja jako alternatywa dla tradycyjnych metod filtracji. Zakład Innowacyjnych Technik Energetycznych. Gdynia

Skorowidz nazwisk Albińska D. (2003) Barabasz J. (2003) Barabasz W. (2003) Błażejewski R. (2003) Borowski J. (2012) Borowski J. (2008) Dymaczewski Z. (1997) Oleszkiewicz J.A. (1997) Sozański M. (1997)

Fjerdingstad E. (1979) Horan N.J. (1990) Kulig A. (2003)

Maciejewski M. (1999) Massachlein W.J. (1992) Michalkiewicz M. (2004) Mikscha K. (2000) Stręk F. (1981 ) Studziński J. (2004) Tebbut T.H.Y. (1983) Bowker R. (1985) Smith J. (1985) Zienkiewicz J. (2003) Spis treści

2.1. Źródła kłopotów

2.1.1. Miejsca i przyczyny powstawania zanieczyszczeń

2.1.2. Miejsca powstawania i uwalniania zanieczyszczeń mikrobiologicznych 2.2. Mechanizmy wynoszenia i uwalniania zanieczyszczeń

2.2.1.Mechanizmy wynoszenia i uwalniania zanieczyszczeń mikrobiologicznych 2.2.2. Mechanizmy uwalniania odorów

 Charakterystyka odorów

 Powstawanie odorów

2.2.3. Mechanizmy powstawania, uwalniania i wynoszenia gazów procesowych

 Mechanizmy powstawania ,uwalniania i wynoszenia zużytego powietrza

 Mechanizmy powstawania ,uwalniania i wynoszenia dwutlenku węgla i azotu cząsteczkowego

 Mechanizmy powstawania, uwalniania i wynoszenia biogazu

2.2.4. Powstawanie i uwalnianie zanieczyszczeń substancjalnych jako warunek początkowy ich emisji do otocznia

Piśmiennictwo Skorowidz nazwisk