Zakład Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. 
w Andrychowie
34-120 Andrychów  , ulica Stefana Batorego 68

W Polsce, mimo dużego postępu w tej dziedzinie, nie wszystkie ścieki poddawane są procesowi oczyszczania, co doprowadziło do zatrucia większości naturalnych cieków wodnych, czyniąc z nich na niektórych odcinkach martwe, pozaklasowe kanały ściekowe. W chwili obecnej coraz większa liczba zakładów zmuszana jest do zmiany swojej gospodarki wodnej, stosowaniu zamkniętych obiegów wody, stosowania nowych, skutecznych metod oczyszczania własnych ścieków, tak by mogły się stać one źródłem wody wykorzystywanej w celach przemysłowych.

Podział ścieków

Ścieki przemysłowe powstają w trakcie procesów technologicznych wielu rodzajów przemysłu.  Problem ścieków występuje szczególnie ostro w koksowniach, zakładach petrochemicznych, garbarniach, celulozowniach, mleczarniach i cukrowniach. Ich nieoczyszczone ścieki stanowią duże zagrożenie dla odbiorników naturalnych. 

Do najczęściej występujących organicznych składników ścieków zalicza się: białka, węglowodany, tłuszcze, oleje, żywice, barwniki, fenole, produkty naftowe, detergenty, pestycydy itp. Składnikami nieorganicznymi są zasady, kwasy nieorganiczne, metale ciężkie (ołów, miedź, rtęć, cynk, kadm, chrom) a także arsen, chlor, siarkowodór, jony siarczanowe, chlorkowe, azotanowe, fosforanowe, węglanowe, amonowe itd. 

Różnorodne związki organiczne i nieorganiczne nadają ściekom określone cechy fizyczne takie jak mętność, barwa, zapach, zawiesiny. 

Pienienie się ścieków jest spowodowane występowaniem w nich substancji powierzchniowo czynnych, powodujących zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody. Należą do nich detergenty, mydła i saponiny. 

Ścieki przemysłowe na ogół nie stanowią zagrożenia sanitarno-epidemiologicznego, gdyż nie zawierają bakterii chorobotwórczych. Wyjątkiem są ścieki z zakładów przemysłu spożywczego, garbarni i zakładów utylizacji odpadów. Mogą one zawierać chorobotwórcze drobnoustroje w różnych postaciach (wegetatywnej i zarodnikowej) i jako takie powinny być poddawane procesom dezynfekcji. 

W procesach oczyszczania ścieków stosuje się metody mechaniczne, chemiczne, biologiczne, mieszane i dezynfekcję. W zależności od rodzaju ścieków proces oczyszczania powinien być tak pomyślany, aby przy minimalnym nakładzie kosztów uzyskiwać najwyższy możliwy stopień oczyszczenia. W tym celu stosuje się jedną lub kilka z wymienionych metod oczyszczania.

Określenie stopnia zanieczyszczenia ścieków

Parametrem określającym ilość zanieczyszczeń w ściekach jest tzw. biochemiczne zapotrzebowanie tlenu - BZT. Jest to ilość tlenu rozpuszczonego w wodzie zużyta przez bakterie aerobowe (tlenowe) w ciągu określonego czasu. Ponieważ ok. 50% zanieczyszczeń zostaje utlenione przez bakterie w ciągu 3 dni, a po ok. 20 dniach proces jest zwykle zakończony, przyjmuje się czas 5 dni jako reprezentatywny do wyznaczenia charakterystyki biochemicznego zapotrzebowania tlenu. 

BZT5 oznacza się metodą rozcieńczeń lub metodami manometrycznymi. 

W celu kontroli procesu oczyszczania ścieków parametr BZT5 oznacza się na wlocie i wylocie z oczyszczalni. 

Metoda manometryczna polega na pomiarze zmiany ciśnienia w szczelnie zamkniętym naczyniu pomiarowym (butelce). Biologiczna redukcja tlenu prowadzi do zmniejszenia ciśnienia powietrza zgromadzonego nad próbką ścieków. W konwencjonalnych manometrycznych systemach pomiarowych używano manometrów rtęciowych. Rtęć, a w szczególności jej pary są substancjami trującymi. W celu eliminacji tego zagrożenia opracowano alternatywne metody pomiarowe. 

Metody oczyszczania ścieków

1. Metody mechaniczne oczyszczania ścieków

Polegają one na usunięciu grubszych zawiesin organicznych i mineralnych oraz ciał pływających. Usuwa się je za pomocą krat, sit, piaskowników, tłuszczowników oraz osadników różnego typu. Kraty i sita są mechanicznymi przegrodami ustawionymi na drodze spływu ścieków. Osadzające się na nich zanieczyszczenia, zwane skratkami, usuwa się okresowo ręcznie lub mechanicznie. Następnie poddaje się je procesom kompostowania lub po rozdrobnieniu w dezintegratorach zawraca się do obiegu. Kraty zatrzymują grubsze frakcje zanieczyszczeń, sita - drobniejsze (ok. 5 mm). Drobniejsze frakcje nadają się do przeróbki w komorach fermentacyjnych lub biotermicznych. Produktem jest tzw. biogaz oraz przefermentowany osad, nadający się do użycia jako nawóz. 
 
Piaskowniki zatrzymują cięższe zanieczyszczenia ziarniste takie jak piasek, muły węglowe itp. Nie oddzielenie ich powodowałoby szybkie zużycie urządzeń mechanicznych takich jak pompy, zawory itp. pracujących w przepompowniach. Piaskowniki płaskie mają kształt rynien o długości kilku metrów, w których zanieczyszczenia osadzają się na dnie wskutek działania siły ciężkości podczas przepływu ścieków z niewielką (9...12 m/min) prędkością. Wadą piaskowników płaskich jest fakt zajmowania przez nie dużej powierzchni użytkowej. Tej wady pozbawione są piaskowniki wirowe, działające na zasadzie hydrocyklonów. Zbudowane są w postaci pionowej rury, do której w górnej części wtłaczane są ścieki na kierunku stycznej do ścianki rury. Nadaje to im szybki ruch wirowy. Siła odśrodkowa odrzuca cięższe zanieczyszczenia ku ściankom, po powierzchni których opadają do zbiornika zlokalizowanego u dołu urządzenia. Odpiaszczone ścieki opuszczają urządzenie umocowaną współśrodkowo rurą odlotową. Tłuszczowniki są to przepływowe osadniki służące do oddzielania zanieczyszczeń o gęstościach mniejszych od wody, co powoduje, że unoszą się na jej powierzchni. Tłuszczowniki mają postać basenu flotacyjnego. Ścieki przepływają przez basen ze zmniejszoną prędkością umożliwiającą wypłynięcie tłuszczu na powierzchnię cieczy. W celu ułatwienia wypływu wytwarza się w cieczy pęcherzyki powietrza, wdmuchując sprężone powietrze przez otwory w pobliżu dna tłuszczownika. Pęcherzyki powietrza unosząc się ku powierzchni porywają cząstki tłuszczu. Warstwa tłuszczów lub olejów zgarniana jest systemem przelewów lub czerpaków. Osadniki służą do usuwania ze ścieków zanieczyszczeń łatwo opadających. Oczyszczanie ścieków odbywa się w sposób ciągły z wykorzystaniem sił grawitacyjnych. Prędkość liniowa ścieków powinna wynosić do 0,01 m/s, przekrój strumienia ścieków powinien byś przeto odpowiednio duży w porównaniu z rurociągiem transportującym ścieki.. W osadnikach można oddzielić cząstki stałe o średnicy ponad 0,03 mm. Ścieki oczyszczone w osadnikach mają wyraźnie zredukowaną wartość parametru BZT5. W osadnikach Imhoffa (dwukomorowych) poza rozdzieleniem osadów od ścieków następuje fermentacja z wydzieleniem metanu i dwutlenku węgla. Otrzymany w ten sposób gaz może służyć do celów opałowych (metan 65...70%. CO2 25...30%). Czas oraz intensywność fermentacji zależą od temperatury. W temperaturze 10...15 st. C całkowity rozkład osadu następuje po 2...4 miesiącach. Osadniki te redukują BZT5 o ok. 40%, a zawiesiny o ok. 70%

2. Metody chemiczne

Do oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających chemiczne związki organiczne, metale ciężkie itp. stosuje się metody fizyko-chemiczne jak i chemiczne. Zalicza się do nich koagulację, neutralizację, ekstrakcję, sorpcję, elektrolizę i destylację. W zależności od składu ścieków można prowadzić oczyszczanie jedną lub kilkoma z podanych metod. 

Koagulacja. Procesy koagulacji ścieków są podobne do zachodzących podczas oczyszczania wody Polegają na łączeniu cząstek koloidowych w większe zespoły, w wyniku czego wytrąca się osad w postaci zwartego koagulatu. Czynnikiem powodującym koagulację może być dodatek elektrolitu, dodatek koloidu o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego do ładunku cząstek koloidowych, dehydratacja zolu, odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego, a także czasami ogrzewanie lub wytrząsanie zolu. Ciekawą grupą związków stosowanych jako koagulanty są polielektrolity. Należą do nich np. kopolimery kwasu akrylowego i jego pochodnych. W łańcuchu tego polimeru mogą występować boczne grupy jonotwórcze, takie jak -COOH, -COO-Me+, -NH2, -NR2, lub NR3+X-. Ich budowa powoduje powstawanie zespołu zjawisk elektrostatycznych na granicy cząsteczka - roztwór prowadzących do koagulacji cząstek koloidalnych i wytrącenia ich w postaci osadu. Dokładniejszy opis mechanizmu koagulacji można znaleźć w podręcznikach chemii fizycznej. 

W procesie koagulacji uzyskuje się znaczny efekt oczyszczenia (redukcja BZT5 do 85% i zawiesin do 90%). Powstaje tu jednak duża ilość osadów. Metodę stosuje się najczęściej do oczyszczania ścieków przemysłu włókienniczego, garbarskiego i chemicznego. 

Neutralizacja. Polega na zobojętnianiu ścieków o odczynie alkalicznym lub kwaśnym substancjami o odczynie przeciwnym. Do zobojętniania ścieków alkalicznych można używać kwaśnych gazów spalinowych, powstających np. z paliw zasiarczonych i zawierających dwutlenek węgla, tlenki siarki i azotu. Do neutralizacji ścieków kwaśnych używa się mleka wapiennego lub gazów odpadowych zawierających amoniak. Neutralizację można prowadzić następującymi metodami : 

• mieszaniem ścieków kwaśnych z alkalicznymi, 
• dodawaniem odpowiednich odczynników, 
• przepuszczaniem ścieków kwaśnych przez złoża sporządzone np. z kamienia wapiennego i innych skał o podobnym odczynie (np. dolomitów). 

3. Metody biologiczne

Wykorzystanie procesów biochemicznych i częściowo fizycznych do oczyszczania ścieków pozwala uzyskać dalsze obniżenie ładunku substancji organicznych. Stosuje się je zwykle jako kolejny stopień oczyszczania w przypadku, gdy metody zastosowane wcześniej nie zapewniają odpowiedniej klasy czystości wody zrzucanej do odbiorników. Oczyszczanie biologiczne przebiega zarówno w warunkach tlenowych, niedotlenionych jak i beztlenowych i polega na utlenianiu oraz mineralizacji związków organicznych zawartych w ściekach przy udziale mikro i makroorganizmów. Mikroorganizmy te zużywają związki zawarte w ściekach jako pokarm i podstawę przemiany materii. 

Zasada oczyszczania jest taka sama, jak w przypadku naturalnego samooczyszczania się zbiorników wodnych. Różnica polega na stworzeniu optymalnych warunków przebiegu procesu (obecność tlenu, pożywki, mieszanie mechaniczne, temperatura, pH itp.), które zwiększają szybkość i skuteczność procesu. Metody biologiczne dzieli się na naturalne i sztuczne. Do naturalnych zlicza się metodę pól irygacyjnych i pól filtracyjnych. Do sztucznych zalicza się metodę złoża spłukiwanego i osadu czynnego. 

Sztuczne złoża biologiczne Sztuczne złoże biologiczne składa się z rusztu, na którym ułożona została warstwa kruszywa, koksu, żużla, tufów wulkanicznych, kamienia, gruzu ceglanego itp. Od dołu, przez ruszt złoże jest napowietrzane sprężonym powietrzem, od góry zaś zraszane ściekami. Zraszanie realizowane jest systemem przelewów, młynkami Segnera itp. Istotne jest równomierne rozrzucenie cieczy na całą powierzchnię złoża. Procesy zachodzące na powierzchni wypełnienia złoża są podobne do procesów na powierzchni gleby pól irygacyjnych. Tworzy się błona biologiczna, w skład której wchodzą mikroorganizmy roślinne i zwierzęce. Ich działanie polega na utlenieniu i mineralizacji substancji zawartych w ściekach. Złoże po zbudowaniu nie jest aktywne. Jego dojrzewanie trwa kilka tygodni. Złoża zraszane mają grubość 1,5...3 m. Swoją aktywność utrzymują do temperatury 6 st. C. Poniżej aktywność złoża zanika. Ich praca charakteryzuje się wysokim stopniem oczyszczania. BZT5 do 95%, zawiesiny do 92%, bakterie chorobotwórcze do 95%. Wysoka skuteczność oczyszczania jest okupiona stosunkowo niewysoką wydajnością. 


Złoża spłukiwane (wysokoobciążone). Są to złoża o podobnej budowie. Grubość warstwy wypełnienia wynosi 2...4 m. Ze względu na większe objętościowe obciążenie złoża mineralizacja zanieczyszczeń nie zachodzi na nich całkowicie. Powstają na nich duże ilości kłaczkowatej błony biologicznej, która jest częściowo unoszona przez odpływające ścieki. Nadają się do oczyszczania ścieków o niewilkim stężeniu. W przypadku ścieków stężonych należy stosować recyrkulację. Stopień oczyszczenia wynosi ok. 65% BZT5. 

Typowy proces oczyszczania ścieków składa się - na ogół - z czterech stopni oczyszczania: mechanicznego, biologicznego, usuwania związków biogennych i tzw. odnowy wody. Złoże spłukiwane może stanowić - obok instalacji osadu czynnego - drugi stopień oczyszczania. 

Pomimo stosowania oczyszczania wielostopniowego w ściekach mogą pozostać jednak pewne zanieczyszczenia nie ulegające rozkładowi. Te substancje zwykło się określać nazwą związków refrakcyjnych. Usuwanie ich odbywa się metodami innymi niż biologiczne, np. przez sorpcję na węglu aktywowanym. Jest to skuteczna, ale jednocześnie bardzo droga metoda. Pewnego rodzaju rozwiązaniem mogą być próby uzyskiwania szczepów bakteryjnych działających selektywnie na konkretny związek chemiczny. Pozwala to na rozkład tych substancji w specjalnie prowadzonych procesach z mikroorganizmami immobilizowanymi na nośniku, np. piance poliuretanowej. Te same szczepy można stosować do regeneracji węgla aktywowanego, co pozwoli na wielokrotne jego użycie. 

Krótkie podsumowanie tematu dla laików

Istnieje kilka sposobów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków. Dzielą się one na :

1) sposoby mechaniczne: cedzenie, wznoszenie inaczej zwane flotacją i sedymentacja. Usuwa się w ten sposób substancje mineralne. Stosuje się tu różne urządzenia, np.: kraty i sita, piaskowniki,
odtłuszczacze, osadniki, filtry piaskowe, osadniki pokoagulacyjne, komory wstępnego napowietrzania (wypieniania) 

2) sposoby chemiczne: dodawanie chemikaliów (koagulantów) wytwarzających kłaczki przyspiesza sedymentację zawiesin. Inne związki chemiczne (np. chlor) niszczą z kolei bakterie.

3) sposoby biologiczne: usuwa się za ich pomocą substancje organiczne. Stosuje się tu różnorodne urządzenia i technologie, np.: złoża biologiczne, stawy ściekowe, osad czynny.

Złoża biologiczne mogą być zraszane lub spłukiwane.

Osad czynny z kolei, powstaje w różnego rodzaju komorach, w których ścieki są np.: przedmuchiwane sprężonym powietrzem

- mieszane i napowietrzane tzw . szczotkami Kessenera 
- mieszane i napowietrzane aeratorami powierzchniowymi

Po oczyszczeniu ścieków produktem niejako odpadowym jest osad. Przeróbka osadów ściekowych jest możliwa również na kilka sposobów. Przede wszystkim osad należy zawsze najpierw zagęścić, czyli odwodnić. Stosuje się do tego różnego rodzaju zagęszczacze, np. grawitacyjne lub mechaniczne. Tak przygotowany osad poddaje się tzw . tlenowej stabilizacji w specjalnych komorach napowietrzania lub fermentacji metanowej. Fermentacja odbywa się również w komorach, ale zupełnie innych niż wyżej wspomniane komory napowietrzania. W procesie fermentacji wydziela się gaz, którego głównym składnikiem jest łatwopalny metan. Gaz ten można wykorzystywać do celów grzewczych lub do wytwarzania energii elektrycznej .
Ostatni etap, to ponowne odwodnienie przerobionego już odpowiednio osadu. 

Wykonuje się to na dwa sposoby :

1) grawitacyjnie, np. na poletkach lub lagunach osadowych
2) mechanicznie, np. za pomocą pras lub wirówek.

Po przeprowadzeniu powyższych procesów, osad można już usuwać z 
oczyszczalni. Można to robić również na kilka sposobów :

1) spalać
2) wykorzystywać w rolnictwie
3) wywozić na wysypisko śmieci