Wstęp
Stabilizacja aerobowa osadów ściekowych jest kolejną z metod ograniczania uciążliwości osadów ściekowych dla środowiska. Procesy rozkładu związków organicznych zachodzą tutaj z wykorzystaniem mikroorganizmów w warunkach tlenowych. Konieczne jest jednak ciągłe napowietrzanie osadów, dostarczany tlen zapewnia efektywne utlenianie związków organicznych i tym samym zmniejszenie podatności na zagniwanie. Obecność bakterii i tlenu powoduje przekształcenie białek, skrobi, cukrów prostych oraz tłuszczów, lignin i pektyn w stabilne produkty organiczne, jakimi są: woda, dwutlenek węgla, siarczany i azotany. Oprócz utlenienia związków biodegradowalnych następuje zmniejszenie uwodnienia, a także wstępna higienizacja osadów.
Proces może być prowadzony w wydzielonych otwartych lub zamkniętych komorach z doprowadzeniem ciśnieniowym powietrza, lub równolegle z procesem oczyszczania biologicznego ścieków w komorach osadu czynnego, jako tzw. przedłużone napowietrzanie. Stabilizacja tlenowa osadów powinna być stosowana głownie dla osadu nadmiernego, lub osadu mieszanego (osad wstępny i nadmierny osad czynny).
Przemiany zachodzące podczas stabilizacji tlenowej
Proces stabilizacji aerobowej osadów ściekowych niesie ze sobą zmiany fizyczne, chemiczne i biologiczne.
Fizyczne – zmienia sie zapach, barwa i indeks osadu. Zmiana zapachu jest szczególnie wyczuwalna dla osadów wstępnych, które po upływie 5-7 dni przyjmują zapach ziemisty, stopniowo zanikający. Barwa zmienia się głównie w osadzie wstępnym, szczególnie zagniłym, od szarej i czarnej do barwy brązowej. Indeks osadu na ogół rośnie. Jest to związane z rozbijaniem kłaczków osadu podczas intensywnego napowietrzania. Osad taki gorzej sedymentuje.
Chemiczne – w wyniku utleniania masa związków organicznych w osadzie maleje o 60% względem wartości początkowej,
Biologiczne – maleje ilość bakterii beztlenowych, spada tez zawartość bakterii Coli, rośnie natomiast zawartość baterii saprofitycznych. Podobnie jak w przypadku fermentacji metanowej nie zmienia się z kolei ilość jaj helmintów.
Parametry procesu, zastosowanie
Podstawowe parametry procesu stabilizacji tlenowej, to:
- wiek osadu
- odczyn pH
- zawartość tlenu rozpuszczonego
- temperatura
Tlenowa stabilizacja pod względem zużycia energii jest mniej korzystna od fermentacji metanowej, wymaga bowiem stałego doprowadzania powietrza. Średnie zużycie energii w komorze wynosi tutaj od 40-60 W/m3. W Polsce stabilizację tlenowa stosuje się więc głównie dla małych oczyszczalni ścieków, o przepływie ścieków od 3000-5000 m3/d.
Wielkość komór do stabilizacji tlenowej zależy od wymaganego czasu przetrzymania osadu i dobowej wydajności osadu stabilizowanego w m3/d. Czas przetrzymania zależy z kolei od rodzaju stabilizowanego osadu. Dla osadu nadmiernego, przy temperaturze procesu >10°C, czas ten powinien wynosić 6-8 dni, podczas gdy dla osadu zmieszanego 12-15, a wstępnego 20-25 dni (dane według Poradnika eksploatatora oczyszczalni ścieków). czas przetrzymania osadu w komorze, to nic innego jak wiek osadu WO, który możemy przedstawić jako stosunek masy osadu w całej komorze osadowej, do masy dobowej usuwanego osadu stabilizowaneo.
Według skryptu Politechniki Wrocławskiej „Systemy oczyszczania ścieków” (Bartoszewski K. i inni z 1981 r.) dopuszczalne obciążenie komory stabilizacji tlenowej ładunkiem s.m.o. wynosi 1,5-3 kg/m3 i dobę.
Na utlenienie 1g s.m. osadu potrzeba z reguły 1,42 grama tlenu, stąd dobowe zapotrzebowanie tlenu w komorze można wyznaczyć z innego wzoru:
w [kg O2/d]
gdzie:
- Ssur – zawartość biologicznie rozkładalnej masy organicznej w osadzie surowym w kg s.m.o./m3
- Sstab – zawartość masy jw. po stabilizacji w kg s.m.o./m3
- t – czas przetrzymania osadu w komorze w dobach
- V – objętość komory w m3.
Tlen zużywany jest w innym tempie w osadzie świeżym, a w innym w osadzie ustabilizowanym. Szybkość zużycia tlenu jest podstawowym czynnikiem informujacym o stopniu stabilizacji osadów. Osady surowe zużywają tlen w ilości około 20-40 mg O2/g s.m.o w ciągu 1 godziny. Przy osadzie stabilizowanym szybkość ta spada do 0,5-2,0 mg O2/g s.m.o w ciągu 1 godziny. Im niższe zużycie tlenu tym bardziej ustabilizowany osad.
Powietrze podawane jest do komory za pomocą dyfuzorów lub aeratorów. Wymagana ilość powietrza w przeliczeniu na m3 komory, na jedną godzinę, zależy od rodzaju osadu i waha się od:
- 0,9-1,2 m3/m3h dla osadu nadmiernego
- 1,5-1,8 m3/m3h dla osadu zmieszanego wstępnego i nadmiernego
Wydzielający się w procesie utleniania dwutlenek węgla w komorach otwartych przedostaje się od razu do atmosfery. W zamkniętych cześć CO2 może się rozpuszczać w wodzie nadosadowej tworząc kwas węglowy i obniżając tym samym pH do 6,0 i mniej. Spadek pH może być też wywołany nitryfikacją azotu amonowego, dlatego przy prowadzeniu procesu w komorach zamkniętych należy się liczyć z koniecznością korekty pH osadu, poprzez ich alkalizację, lub wentylację komory w celu usunięcia nadmiaru dwutlenku węgla.
Zaletą stabilizacji tlenowej jest z kolei niska zawartość związków organicznych w wodzie nadosadowej. Zawracanie jej do układu oczyszczalni ścieków nie ma żadnego wpływu na procesy oczyszczania ścieków.
Objętość komory stabilizacji tlenowej „V” można wyliczyć ze wzoru:
gdzie:
- Vos – dobowa objętość osadu w m3/d
- t – czas przebywania osadu w komorze w dobach
Stabilizacja tlenowa w technologii ATSO
W ostatnich latach rozwijana jest technologia tzw. autotermicznej stabilizacji tlenowej osadów ( w skrócie ATSO). Nazwa pochodzi od wykorzystywania zjawiska samoogrzewania się osadów w warunkach tlenowych do wysokiej temperatury rzędu 55-70, a nawet 80°C. Zaletą jest tutaj znaczne przyspieszenie procesu do 3-4 dni i wysoki stopień likwidacji czynników chorobotwórczych w osadzie.
Przebieg procesu
Tlenowy termofilny rozkład związków organicznych zawartych w osadach prowadzony jest przez zróżnicowaną populację bakterii tlenowych i przebiega w dwóch etapach. W pierwszym następuje hydroliza złożonych związków organicznych (głównie podstawowych substratów tj. białek, węglowodanów i tłuszczy) oraz komórek obumierających mikroorganizmów. Proces ten przeprowadzany jest przy udziale enzymów zewnątrzkomórkowych wytwarzanych przez bakterie termofilne. W drugim, mikroorganizmy termofilne utleniają rozpuszczalne w wodzie produkty hydrolizy do niskoenergetycznych związków końcowych takich jak CO2, H2O i NH3, czemu towarzyszy wydzielanie ciepła. Przy odpowiednim zagęszczeniu doprowadzanego substratu, izolacji termicznej zbiorników oraz dostatecznym dopływie tlenu, ilość energii powstająca przy biologicznym utlenianiu rozpuszczalnych produktów hydrolizy pozwala na samorzutne ogrzanie osadu do temperatury 40÷70°C, podobnie jak ma to miejsce podczas kompostowania.
Zalety
- Bardzo szybka biodegradacja substratu;
- Mała wrażliwość na wahania temperatury;
- Odporność na zmiany ilości, zagęszczenia i składu doprowadzanego osadu;
- Odporność na okresowe przerwy w napowietrzaniu układu. Kilkunastogodzinna przerwa w doprowadzaniu tlenu nie jest śmiercionośna dla populacji termofili, które można reaktywować w przeciągu kilku godzin. Bardzo szybki samorzutny wzrost bakterii termofilnych bez konieczności zaszczepiania osadów właściwą mikroflorą.
Wady
- pienienie się osadu
- wydzielanie dużych ilości uciążliwych gazów
Układy ATSO zwykle składają się z dwóch reaktorów pracujących szeregowo. Układ zasilany jest porcjowo raz dziennie, po czym reaktory pozostają odizolowane. Odizolowane i zamknięte reaktory stosuje się w celu zminimalizowania strat ciepła. Skuteczny przebieg proce-su jest możliwy przy zastosowaniu napowietrzania, które powoduje szybkie tworzenie się warstwy piany. Działa ona jak izolacja, zapewnia lepsze wykorzystanie tlenu i powoduje wzrost aktywności biologicznej.
Rys. Schemat reaktorów instalacji ATSO; 1 – reaktor, 2 – izolacja, 3 – okładzina, 4 – rurociągi, 5 – aerator spiralny, 6 – aerator centralny, 7 – rozbijacz piany, 8 – odprowadzenie odorów