Wiadomości wstępne
Złoża biologiczne stanowią sztucznie stworzoną konstrukcję przestrzenną do tlenowego rozkładu zanieczyszczeń zawartych w ściekach. Zasadniczym ich elementem jest materiał wypełniający, na którego powierzchni wytwarzana jest tzw. błona biologiczna, czyli śluzowata substancja bogata w mikroorganizmy roślinne i zwierzęce. Wykorzystują one związki biologiczne zawarte w ściekach jako pokarm, rozkładając je do substancji prostych. Cały proces zachodzi w kilku etapach:
– sorpcja zanieczyszczeń na powierzchni błony
– rozkład zanieczyszczeń za pośrednictwem mikroorganizmów, wywołujący stały przyrost błony,
– odrywanie się błony wywołane przepływem ścieków i jej sedymentacja w osadniku tzw. wtórnym.
Proces oczyszczania zachodzi w warunkach tlenowych i wymaga stałego doprowadzenia powierza do złoża, jak też kontaktu ścieków z błoną. Ten ostatni umożliwia sie poprzez:
– zalewanie złoża ściekami w sposób ciągły lub okresowy
– zanurzanie złoża w przepływających ściekach
Z tego względu wyróżnia się dalej złoża:
– zalewane
– zraszane
– zanurzane
Złoża zalewane
Złoże takie było okresowo zalewane wstępnie oczyszczonymi ściekami, a po kilkugodzinnym kontakcie z błoną biologiczną, tworzącą się na wypełnieniu zbudowanym z materiałów naturalnych, ścieki były odprowadzane poza zbiornik jako oczyszczone. Obecnie złóż zalewanych praktycznie już się nie stosuje, nie znajdują zastosowania, gdyż mają niską sprawność i podlegają szybkiej kolmatacji.
Złoża biologiczne zraszane
To nadal stosowana technologia, występująca w wielu oczyszczalniach ścieków. Złoża zraszane wykonywane są na ogół w postaci cylindrycznych zbiorników z betonu, wewnątrz których na poziomym perforowanym ruszcie usypane jest złoże z tłucznia kamiennego, lub specjalnych kształtek tworzywowych. Tłuczeń miał zastosowanie w starszych oczyszczalniach ścieków. Jego zaletą był brak wpływu na środowisko naturalne, wadą – duży ciężar ograniczający wymiary złoża i problemy z napowietrzaniem. W nowych złożach stosuje się wypełnienie w postaci pakietów z tworzyw sztucznych lub kształtek tworzywowych. 
Rys. Przykłady wypełnień z tworzyw sztucznych. U góry pakiety płytowe, u dołu kształtki tworzywowe o przestrzennej konstrukcji.
Elementy tworzywowe wykonywane są z polipropylenu lub PVC, spotyka się też ABS, rzadziej inne tworzywa sztuczne. Są bardzo lekkie, dlatego możliwe jest stosowanie złóż o większej wysokości, tzw. wieżowych. Pakiety i kształtki tworzywowe posiadają bardzo rozbudowaną przestrzeń, tworzą szkielety na których łatwo osadza się jak i odrywa, pod wpływem grawitacyjnego przepływu ścieków błona biologiczna. Szkielet ułatwia też doprowadzenie do błony dużych ilości powietrza, zmniejsza ryzyko kolmatacji. Trwałość pakietów tworzywowych zależy od rodzaju eksploatacji złóż. Przy złożach zamkniętych jest wyższa, z uwagi na wpływ promieniowania UV na trwałość tworzyw. Generalnie waha się od 20-30 lat.
Ścieki z złożach zraszanych doprowadzane są za pośrednictwem rury dopływowej, do środkowej części złoża, następnie płyną ku górze i rozdzielają sie na szereg rur perforowanych. Złoża mają ich zwykle od 4-6, ale zdarzają się też konstrukcje dwururowe. Cała kolumna pionowa obraca się dzięki sile odrzutu ścieków, ścieki rozprowadzane są równomiernie po całej powierzchni złoża. Przepływając w dół kontaktują się z błoną biologiczną, oczyszczają i na koniec zbierane są w dolnej galerii, skąd odprowadzane są do osadników. Dopływ powietrza może sie odbywać z przestrzeni swobodnej zarówno od góry, jak i od dołu złoża. W przypadku złóż zabudowanych, zamkniętych, dopływ realizowany jest przez stację dmuchaw.
Złoża wieżowe
Przy zastosowaniu pakietów tworzywowych jako wypełnienia złoża biologicznego i struktury przestrzennej do tworzenia biofilmu, wzrosła dopuszczalna wysokość złóż, przy jednoczesnym zmniejszeniu ich powierzchni poziomej. Pojawiło się więc określenie złoże wieżowe, w którym stosunek wysokości do szerokości jest często >1. Złoża wieżowe posiadają w dolnej części specjalnie uformowany drenaż, który stanowi jednocześnie podporę dla pakietów tworzywowych. Drenaż projektowany jest w postaci krat z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem szklanym. Kraty biegną równolegle do siebie w odstępach zapewniających bezpieczne i stabilne rozmieszczenie pakietów.
Fot. U góry drenaż w postaci krat z tworzyw sztucznych.
Pomiędzy drenażem umieszczone są systemy dystrybucji powierza. Powietrze wtłaczane jest od dołu (pod złoże) za pomocą dmuchaw pod ciśnieniem zapewniającym pokonanie oporów przepływu i ciśnienia statycznego ścieków w miejscu dystrybucji.
Rys. System dystrybucji powietrza w złożu wieżowym za pomocą dyfuzorów.
Obecnie złoża wieżowe stosowane są głównie jako chłodnie powietrza. W technologii oczyszczania ścieków częściej wykorzystuje się złoża o konstrukcji podłużnej. Pod względem budowy i zasady działania stanowią one hybrydowe połączenie złoża biologicznego z komorą osadu czynnego. Różnica polega na zastosowaniu jako wypełnienia pakietów tworzywowych. Wygląd takiego złoża jeszcze przed wypełnieniem ściekami i w czasie normalnej pracy przedstawiają ilustracje poniżej. (fot. Brentwood Industries)
Złoża tarczowe
Złoża biologiczne tarczowe zaliczane są do tzw. złóż obrotowych. Ich idea wywodzi się od rozwiązania Hartmanna, który jako pierwszy w latach 60-tych XX w. opracował złoże składające się z szeregu tarcz zamocowanych na wspólnym wale i poruszających się ruchem obrotowym w zbiorniku przez który przepływają ścieki. Na tarczach z czasem tworzy się błona biologiczna, która podczas zanurzenia absorbuje na swojej rozwiniętej powierzchni zanieczyszczenia ze ścieków. Powolny ruch tarcz sprzyja długotrwałemu kontaktowi błony ze ściekami, zarówno podczas zanurzania jak i wynurzania, gdy ścieki spływają cienką struga po powierzchni tarcz. Wynurzanie pozwala jednocześnie na wnikanie do błony tlenu z powietrza atmosferycznego, a na skutek obrotu tarcz i mieszania napowietrzane są także ścieki.
Fot. Złoże tarczowe.
W złożach biologicznych tarczowych tarcze mogą być ustawione poprzecznie lub podłużnie do przepływających ścieków. W pierwszym przypadku ma zastosowanie tylko jeden wał wspólny dla wszystkich tarcz. Długość takiego wału wynosi nawet 6m. W drugim przypadku, wykonanych jest osobnych kilka wałów, a tarcze umieszczone są szeregowo w korycie. W czasie obrotu tarcz powstają siły poprzeczne, które działają na błonę biologiczna, nie dopuszczając do jej nadmiernego wzrostu i zatkania tarcz. Nadmierna błona jest odrywana i sedymentowana w osobnym zbiorniku (osadniku wtórnym).
Rys. Schemat oczyszczalni tarczowej systemu STM
Tarcze w złożach obrotowych wykonywane są zawsze z materiałów o małej masie własnej, aby zbytnio nie obciążać wału. Muszą być one jednocześnie odporne na korozję. W praktyce stosowane są tarcze o średnicach od 1,5-3m
i grubości od 6-20mm. Materiałem może być aluminium lub tworzywa sztuczne (PVC, polipropylen). Prędkość obrotowa tarcz waha się od 2-10 obr./min.
Fot. Po lewej wygląd pojedynczej tarczy złoża Aquamatic, po prawej przydomowa oczyszczalnia ścieków BioDisc firmy Kingspan.
Złoża tarczowe mogą być projektowane jako jednostopniowe, lub wielostopniowe. W pierwszym przypadku w zbiorniku ścieków umieszczony jest tylko jeden komplet tarcz, w systemach wielostopniowych stosowanych jest kilka wałów z osobnymi tarczami (zwykle max. cztery), lub jeden wał, ale biegnący przez kilka osobnych zbiorników przedzielonych syfonami, lub innymi przegrodami wymuszającymi przepływ.
Złoża obrotowe świetnie sprawdzają się zarówno w dużych oczyszczalniach ścieków, obsługujących całe gminy, jak i jako oczyszczalnie ścieków przydomowe.