Ścieki

Kiedy odkręcamy kran lub opróżniamy muszlę klozetową, rzadko zastanawiamy się nad tym, jakie są dalsze losy wody, której przed chwilą użyliśmy. Nie zaprzątamy sobie po prostu tym głowy. To, że nie toniemy w ściekach, zawdzięczamy systemowi kanalizacji miejskiej i złożonym procesom oczyszczania. Zanim jednak prześledzimy, co dzieje się z usuwanymi przez nas nieczystościami, zwróćmy uwagę na same ścieki.

Jak się okazuje jest ich kilka rodzajów:

ścieki bytowe – powstają w gospodarstwach domowych i obiektach użyteczności publicznej; jest to zużyta woda odpływająca do kanałów z umywalni, łaźni, kuchni, pralni i toalet;

ścieki przemysłowe – powstają w różnorodnych procesach produkcyjnych i są szczególnie uciążliwe dla środowiska; można podzielić je na podgrupy, np.: stosunkowo łatwo biodegradowalne ścieki przemysłu spożywczego, czy bardzo toksyczne ścieki przemysłu ciężkiego;

wody opadowe – deszczówka i wody roztopowe to też ścieki, gdyż zazwyczaj są zanieczyszczone materiałami mineralnymi (pyły, piasek, sól do posypywania ulic zimą) czy substancjami ropopochodnymi (oleje, smary, benzyna);

wody infiltracyjne i drenażowe (przypadkowe) – to wody pochodzące z odwodnienia terenu, które dostają się do kanalizacji w sposób celowy lub przypadkowy, chociażby przez otwory włazów ulicznych czy też z powodu nieszczelności kanałów; wody te rozcieńczają ścieki oraz zwiększają ich ilość, zaburzając w ten sposób procesy oczyszczania;

ścieki komunalne – stanowią mieszaninę ścieków bytowych, niewymagających specjalnego oczyszczania ścieków przemysłowych oraz wód opadowych, infiltracyjnych i drenażowych; ścieki te w ogólnej swej masie zawierają przede wszystkim wodę;

W skupiskach miejskich mogą występować wszystkie rodzaje zaprezentowanych powyżej ścieków, a ich ilość, skład i sposób uzdatniania zależą od wielu czynników. Między innymi od populacji miasta, jego uprzemysłowienia, stopnia skanalizowania oraz rodzaju kanalizacji.

Kanalizację, ze względu na sposób transportu ścieków do oczyszczalni, możemy podzielić na ogólnospławną, rozdzielczą, grawitacyjną, ciśnieniową i podciśnieniową.

Kanalizacja ogólnospławna – ścieki komunalno-bytowe oraz wody opadowe płyną wspólnym kanałem.

Kanalizacja rozdzielcza – ścieki i wody deszczowe są odprowadzane oddzielnymi kolektorami. Z deszczówki w piaskownikach usuwa się substancje mineralne, a w separatorach związki ropopochodne. Oczyszczone w ten sposób wody opadowe trafiają do rzeki lub innego zbiornika. Natomiast ścieki komunalne kanałami sanitarnymi trafiają do oczyszczalni ścieków.

Wyjątkową w swoim rodzaju odmianą kanalizacji rozdzielczej, chociaż bardzo rzadko stosowaną hybrydą, jest jej wersja piętrowa. Tu owalny kanał sanitarny jest usytuowany jako spodni (dolny), natomiast okrągły deszczowy, o znacznie większej średnicy, jako wierzchni (górny). Newralgicznym punktem tej instalacji jest studnia rewizyjna. Dzięki niej można dostać się do dolnego piętra przez specjalne włazy międzykanałowe. Niestety, pomimo starań służb wodociągowych, czasami w wyniku awarii dochodzi do „przebicia” ścieków z kanału sanitarnego do deszczówki, w wyniku czego nieoczyszczone odpady rynsztokowe trafiają do naturalnych zbiorników wodnych.

Kanalizacja grawitacyjna – oczyszczalnia położona jest w najniższym punkcie sieci kanalizacyjnej, a ścieki spływają do niej pod wpływem działania przyciągania ziemskiego.

Kanalizacja ciśnieniowa – ścieki spływają z danego obszaru do przepompowni, a z niej przetłaczane są dalej. Przepływają przez kanał tłoczny, w którego zakończeniu, czyli w studni rozprężnej, dochodzi do wyrównania ciśnień. W przepompowniach starszej generacji ścieki najpierw trafiają do komory zbiorczej. Gdy zostanie już napełniona, następuje proces przepompowywania. Niestety, towarzyszy temu silny odór unoszący się nad komorą. Dziś coraz częściej miejsce starych przepompowni zajmują tłocznie. Ścieki są w nich przepychane za pomocą sprężarek lub pomp. Eliminuje to skutecznie fetor wydzielający się w urządzeniach starego typu.

Kanalizacja podciśnieniowa – specyficzny rodzaj kanalizacji stosowany w terenie o zróżnicowanym ukształtowaniu i podłożu, wykluczającym stosowanie kanałów głęboko usytuowanych, np.: w górach. Jest realizowana jako zespół kanałów, w których za pomocą przepompowni utrzymuje się stałe podciśnienie w sieci. W tym rozwiązaniu nieczystości, np.: z toalety w domku jednorodzinnym, trafiają do studzienki, skąd są odsysane i podciśnieniowo przesyłane do oczyszczalni.

Aby dobrze oczyścić ścieki, które trafiają do oczyszczalni, trzeba znać ich ilość oraz skład. Ilość określa się za pomocą współczynników statystycznych. Przyjmuje się na przykład, iż jeden człowiek zużywa dziennie przeciętnie 150 litrów wody i tyle też wytwarza ścieków. Obliczenie wydajności oczyszczalni wydaje się więc proste: liczbę mieszkańców wystarczy pomnożyć przez wielkość dziennego zużycia wody. Kłopot pojawia się wówczas, gdy do tych wyliczeń trzeba dodać ścieki przemysłowe niewymagające specjalistycznego oczyszczania. Trudno wtedy określić, na ile usuwane z wodą brudy pochodzą od indywidualnych mieszkańców, a w jakim stopniu dostarcza ich przemysł. Tu z pomocą przychodzi współczynnik RLM (Równoważna Liczba Mieszkańców), który określa nam stopień zanieczyszczenia ścieków przemysłowych jako ekwiwalent ścieków z gospodarstw domowych. Przykładowo RLM dla ścieków, które pochodzą z zakładu produkującego margarynę wynosi 500. Oznacza to, że jeśli taki zakład wpuszcza do sieci kanalizacyjnej 150 litrów swoich ścieków dziennie, to, obliczając wydajność oczyszczalni, należy te ścieki traktować tak, jak nieczystości bytowe „wyprodukowane” przez 500 osób. Innymi słowy ścieki takie są zanieczyszczone 500 razy bardziej niż te, które odpłyną kanalizacją z naszych domów.

Jakość ścieków określa wiele współczynników. Mają one wpływ nie tylko na proces oczyszczania lecz także na funkcjonowanie całej kanalizacji. Oto najważniejsze z nich:

BZT (Biochemiczne Zapotrzebowanie Tlenu) – to najważniejszy czynnik uwzględniany przy projektowaniu oczyszczalni biologicznej. Jest to ilość tlenu, jaką zużywają bakterie, by rozłożyć odpady ściekowe pochodzenia naturalnego. Proces oczyszczania biologicznego trwa około 20 dni. Najbardziej „burzliwy” i efektywny proces biodegradacji następuje w ciągu pierwszych pięciu dni. Dlatego też najczęściej oznacza się go jako BZT5. Im wyższa wartość BZT, tym większe zanieczyszczenie ścieków związkami organicznymi.

ChZT (Chemiczne Zapotrzebowanie Tlenu) – określa ilość tlenu potrzebną do unieszkodliwienia wszystkich zanieczyszczeń, zarówno tych organicznych, jak i nieorganicznych. Gdy znamy różnicę między BZT i ChZT, możemy określić ilość substancji trudno rozkładalnych pochodzenia przemysłowego, jakie znajdują się w ściekach.

Zawiesina – jest wyznacznikiem ilości substancji zarówno organicznych, jak i mineralnych, które nie rozpuszczają się w ściekach. Aby laboratoryjnie ustalić skład zawiesiny, najpierw oddzielamy ją od ścieków na sączku bibułowym. Po zważeniu otrzymujemy informację o sumarycznej ilości substancji nierozpuszczalnych w ścieku. Potem spalamy sączek. To, co pozostanie po spaleniu, to substancje mineralne. Natomiast różnica pomiędzy wagą zawiesiny ogólnej, a substancjami mineralnymi powstałymi w wyniku spalenia sączka, określa nam zawartość substancji organicznych w zawiesinie. Jest to bardzo ważny wskaźnik umożliwiający zaprojektowanie urządzeń do oczyszczania wstępnego.

Substancje biogenne – to pierwiastki i sole mineralne potrzebne do rozwoju żywych organizmów. Do podstawowych biogenów zaliczane są związki azotu i fosforu. Stanowią szczególne zagrożenie dla środowiska wodnego, gdyż wzbogacają je w składniki odżywcze, powodując eutrofizację (zarastanie), a tym samym ich powolną śmierć.

Azot – w ściekach występuje w wielu formach, najczęstszą – pochodzącą z metabolizmu – jest amoniak. Związki i sole azotu są niezbędne do rozwoju bakterii niezbędnych do biologicznego oczyszczania ścieków. Jednak jego nadmiar może być niezwykle toksyczny dla organizmów żywych biorących udział w procesach oczyszczania.

Fosfor – podobnie jak azot jest substancją limitującą rozwój organizmów żywych i tak jak on w nadmiarze jest toksyczny. Zgodnie z prawem, wprowadzenie do kanalizacji ścieków zawierających fosfor wymaga specjalnych pozwoleń. Szczególnie niebezpieczne są fosforany. Nie dość, że trudno się rozkładają, to jeszcze powodują pienienie się ścieków, komplikując proces ich oczyszczania.

Substancje tłuszczowe i oleiste – jeżeli są pochodzenia spożywczego, zostaną łatwo rozłożone przez bakterie. Oleje sztuczne muszą być oddzielone mechanicznie. Tłuszcze są bardzo uciążliwe, gdyż oblepiają rury kanalizacyjne, ograniczając ich przepustowość oraz zmniejszają wydajność urządzeń oczyszczających.

Chlorki i siarczany – sole tych substancji powodują korozje kanalizacji oraz urządzeń oczyszczalni. Ponadto są szkodliwe dla organizmów żywych.

Substancje toksyczne – należą do nich metale ciężkie (rtęć, ołów, cynk, nikiel, kadm, miedź, chrom) fenole, cyjanki, pestycydy, wielopierścieniowe węglowodory, dioksyny i substancje promieniotwórcze. Są to substancje, które zabijają organizmy oczyszczające ścieki, odkładają się w ich organizmach lub – nie dając się usunąć – trafiają do odbiornika, to znaczy rzeki lub jeziora. Powyższe substancje nie powinny znaleźć się w sieci kanalizacyjnej, gdyż wymagają albo odrębnego oczyszczania, albo specjalistycznego składowania.

Wpływ na jakość oczyszczania ścieków ma także stan, w jakim docierają one do oczyszczalni. Ich świeżość określa zawartość tlenu oraz zagniwalność, czyli zdolność do rozkładu beztlenowego, przy którym wydziela się siarkowodór. Zagniwalność oznacza się jako ilość czasu potrzebną do rozpoczęcia procesów gnilnych. Najbardziej zgniłe są ścieki dowożone do oczyszczalni taborem asenizacyjnym. Mają zwykle czarno-szarą barwę i wydzielają bardzo nieprzyjemny zapach.

Ścieki niosą ze sobą również poważne zagrożenia biologiczne. Znajdują się w nich spore siedliska bakterii, wirusów oraz pasożytów. Niektóre z tych organizmów spełniają jednak pożądaną funkcję w procesie oczyszczania.

Skoro znamy już ilość, skład i stopień świeżości ścieków, możemy zacząć je oczyszczać. Najpierw następuje oczyszczanie mechaniczne, polegające na wyodrębnieniu ze ścieków większości substancji nierozpuszczalnych. Dokonujemy tego za pomocą cedzenia, sedymentacji i flotacji. Potem następuje oczyszczanie biologiczne, a na końcu utylizacja osadów.

Oczyszczanie mechaniczne

Cedzenie to oddzielenie substancji stałych za pomocą sit lub krat. Sita są zwykle produkowane jako perforowane bębny ustawione tak, aby wlewający się do ich środka ściek został pozbawiony zanieczyszczeń stałych. Kraty to zwykle rząd ustawionych pochyło lub pionowo prętów stalowych, zamocowanych w poprzek kanału doprowadzającego ścieki. Zanieczyszczenia zatrzymywane na kracie nazywane są skratkami, a sposób ich usuwania zależy od konstrukcji samej kraty.

Kolejnym etapem jest usunięcie ze ścieku cząstek mineralnych, które przedostały się przez kraty. Należą do nich popioły, pyły, piasek i żwir. Urządzenia wykorzystywane do tego celu nazywa się piaskownikami. Wykorzystują one zjawisko sedymentacji, czyli swobodnego opadania cząstek stałych pod wpływem grawitacji. Piasek po odprowadzeniu z urządzeń musi być poddany płukaniu oraz odwodnieniu. Urządzenie do płukania nazywamy płuczką, natomiast do odwadniania – separatorem piasku. Następnie piasek poddany jest dezynfekcji i trafia na wysypisko.

Ze ściekami miejskimi dopływa do oczyszczalni także mieszanina tłuszczów i olejów. Są one usuwane w oddzielnych urządzeniach zwanych odtłuszczaczami. Eliminacji tego typu zanieczyszczeń sprzyja proces flotacji. Tłuszcze, jako lżejsze od wody, mają tendencje do naturalnego formowania kożucha na powierzchni ścieku i dzięki temu można je łatwo usunąć. Często jednak to naturalne zjawisko jest niewystarczające. Chodzi bowiem o szybkie odseparowanie substancji unoszących się w toni, których ciężar właściwy zbliżony jest do ciężaru wody. Ich samoistne wypłynięcie na powierzchnię trwałoby zbyt długo. Dlatego do ścieku, za pomocą dyfuzorów, wprowadza się mikropęcherzyki powietrza, które przywierają do cząstek mineralnych i tłuszczy, a następnie wypływają wraz z nimi na powierzchnię cieczy, tworząc kożuch, który zbierany jest zgarniaczem i odkładany do odrębnych zbiorników. Flotację można także wspierać chemicznie, stosując flokulanty zwiększające powierzchnię wynoszonych cząstek; względnie poprzez wprowadzanie do ścieku nadtlenku wodoru wyzwalającego cząsteczki tlenu.

Po usunięciu substancji stałych, piasku oraz większości tłuszczu, ścieki zawierają jeszcze zanieczyszczenia organiczne rozpuszczone, koloidy i zawiesinę. Pozostałe w ściekach łatwo opadające zawiesiny oddzielane są w osadniku wstępnym. Stosunkowo długi czas przetrzymania ścieków w zbiorniku i spokojny przepływ zapewniają maksymalne opadanie zawiesin zwanych osadem wstępnym, który jest następnie odprowadzany i poddawany dalszej obróbce.

Oczyszczanie biologiczne

Procesy biologicznego samooczyszczania zachodzące w wodach naturalnych, mogą zostać zintensyfikowane przez stworzenie odpowiednich warunków dla mikroorganizmów rozkładających materię organiczną. Proces osadu czynnego jest biologiczną, tlenową metodą oczyszczania ścieków nazywaną często drugim stopniem oczyszczania. Wykorzystywana jest tu metaboliczna reakcja mikroorganizmów (osadu czynnego). Procesy rozkładu można podzielić na tlenowe, niedotlenione i beztlenowe. Niezależnie od wszelkich podziałów, mechanizm biologicznego oczyszczania można przeprowadzić, tworząc odpowiednią kombinację stref zwaną komorą osadu czynnego:

w strefach beztlenowych wytwarza się warunki niezbędne do usuwania związków fosforu ze ścieków;
w strefach niedotlenionych nacisk jest położony na redukcję azotanów do postaci azotu gazowego, który uwalnia się do atmosfery;
w strefach tlenowych ścieki są intensywnie napowietrzane, co sprzyja usuwaniu zanieczyszczeń i utlenianiu azotu amonowego do azotanów.

Ogólnie proces oczyszczania ścieków można określić jako taki, w którym ścieki, przechodząc wielokrotnie przez strefy o zmiennych warunkach tlenowych, zostają pozbawione różnych zanieczyszczeń stanowiących pożywienie dla żyjących w danej strefie mikroorganizmów. Ścieki, głównie przemysłowe, mogą być również oczyszczane w warunkach beztlenowych lub przy użyciu środków chemicznych.

Osadniki wtórne

Oczyszczone w ten sposób ścieki trafiają następnie do osadnika wtórnego, który służy do oddzielenia osadu czynnego od oczyszczonych ścieków. Sedymentacja zachodząca w osadnikach wtórnych różni się od tej przeprowadzanej w osadnikach wstępnych. Zawiesiny osadu czynnego występują w osadnikach wtórnych w znacznie wyższych koncentracjach i sedymentują znacznie trudniej, ponieważ są bardzo lekkie. Poza tym wymagany efekt usuwania zawiesin jest znacznie wyższy. Mimo że osad wtórny gorzej opada niż zawiesina ziarnista (osadnik wstępny), efektywność pracy osadnika wtórnego jest znacznie wyższa. Spowodowane jest to scalaniem się osadu w ciężkie, wielkie kłaczki (kłaczkowanie). W osadnikach wtórnych następuje, więc klarowanie ścieków i zagęszczanie osadu.

Najczęściej stosowane osadniki wtórne to zbiorniki okrągłe, lecz zdarzają się również prostokątne. Usuwanie osadu zgromadzonego na dnie odbywa się w sposób podobny jak w przypadku osadników wstępnych, tzn. albo za pomocą mechanicznych zgarniaczy, które popychają osad w kierunku leja osadowego, albo bezpośrednio z dna dzięki zastosowaniu specjalnych ssawek równomiernie zasysających osad. Wydobyty osad w większości powraca do komory osadu czynnego, jednak jego część jest usuwana z układu oczyszczania ścieków jako osad nadmierny.

Zagospodarowanie osadu

Wydzielony z osadników wstępnych osad może zostać poddany procesowi zagęszczania grawitacyjnego. Natomiast osad nadmierny, pochodzący z osadników wtórnych, skuteczniej zagęszcza się mechanicznie w wirówkach lub prasach. Zagęszczony osad trafia do wydzielonych komór, gdzie dla zapewnienia odpowiednich warunków fermentacji jest mechanicznie mieszany oraz podgrzewany do ok. 35°C. Optymalny czas fermentacji określa się na 20÷30 dni, po tym okresie osad uważa się za ustabilizowany. Przefermentowany osad, zależnie od wybranej opcji docelowego unieszkodliwienia, jest odwadniany lub suszony.

Suchy osad może być wykorzystany jako paliwo w piecach ciepłowniczych, cementowniach itp. Osad może być również, pod warunkiem spełnienia rygorów ustawy, zastosowany jako nawóz w rolnictwie, do rekultywacji zdegradowanych gruntów lub jako składnik kompostu. Stosowana obecnie metoda składowania na wysypisku śmieci lub w specjalnych zbiornikach ziemnych będzie prawnie zabroniona począwszy od 1 stycznia 2013 r. Alternatywą jest termiczne przekształcenie tak, aby zawartość węgla organicznego w przetworzonym odpadzie była mniejsza niż 5%, czyli spalenie osadów. W efekcie uzyskuje się stabilny biologicznie popiół o objętości dziesięciokrotnie mniejszej od wyjściowej i w postaci fizycznej możliwej do wykorzystania przy produkcji galanterii budowlanej jak krawężniki, płyty chodnikowe itp.

Jest rzeczą niezwykle istotną uświadomienie społeczeństwu, jak skomplikowanej obróbce muszą być poddane powstające m.in. w gospodarstwach domowych ścieki, zanim możliwe będzie ich wypuszczenie do odbiornika. Koszt oczyszczania ścieków znacząco podnosi niefrasobliwe wrzucanie do kanalizacji śmieci jak i wlewanie szkodliwych płynów np. przepracowanych olejów silnikowych. Musimy zdawać sobie sprawę, że utrzymanie rzek i zbiorników wodnych w czystości kosztuje, ale ratowanie środowiska naturalnego jest bezcenne i jesteśmy to winni następnym pokoleniom.