Automatyka procesowa w branży wodociągowo-kanalizacyjnej

Ścieki będące mieszaniną różnych cieczy, zawiesin oraz odpadowych ciał stałych trafiają do oczyszczalni z wielu źródeł - m.in. z gospodarstw domowych, zakładów przemysłowych oraz gospodarstw rolnych. Mogą w związku z tym zawierać rozmaite zanieczyszczenia - na przykład fekalia, odpady żywnościowe, detergenty, pestycydy oraz substancje toksyczne.

Mieszanka taka staje się skupiskiem bakterii, drobnoustrojów chorobotwórczych oraz trucizn (na przykład metali ciężkich), które stwarzają zagrożenie sanitarno-epidemiologiczne. Dlatego ścieki mogą być z powrotem wprowadzone do zbiorników wodnych dopiero po odpowiedniej obróbce.

Jej celem jest uzyskanie wymaganych wartości parametrów jakościowych charakteryzujących właściwości ścieków fizycznie (m.in. kolor, zapach, temperatura, mętność) oraz biochemicznie (pH, biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT), chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT), ogólny węgiel organiczny (OWO), zawartość metali, zasolenie, liczba wirusów i bakterii).

Zanieczyszczenia ze ścieków są usuwane etapami. Zasadniczo wyróżnia się następujące fazy tego procesu: oczyszczanie wstępne, pierwszego, drugiego oraz trzeciego stopnia (rys. 1). W ramach każdej z nich w zależności od rodzaju oraz ilości nieczystości wykorzystywane są różne metody, klasyfikowane jako mechaniczne, chemiczne lub biologiczne.

CZĘŚĆ 1: CHARAKTERYSTYKA PROCESU OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW

OCZYSZCZANIE MECHANICZNE

Rys. 1. Główne etapy procesu oczyszczania ścieków

Oczyszczanie wstępne oraz pierwszego stopnia polega na przygotowaniu ścieków do dalszej obróbki przez usunięcie z nich większych zanieczyszczeń, które mogłyby uszkodzić lub unieruchomić elementy instalacji na dalszych etapach przetwarzania. Chodzi głównie o ciała stałe - na przykład odpadki żywnościowe, szmaty, bryły piachu oraz żwiru, kamienie i patyki.

Aby je wychwycić, na drodze przepływających ścieków instaluje się różnego rodzaju kraty, sita lub płyty perforowane. Zanieczyszczenia osadzające się na tych elementach co jakiś czas usuwa się, tak by w kanale ściekowym nie doszło do zablokowania przepływu. Ponadto w tej fazie procesu oczyszczania używane są też m.in. rozdrabniacze, piaskowniki, czyli urządzenia oddzielające od ścieków piasek, żwir i kamyki, oraz separatory tłuszczów (tłuszczowniki) i odstojniki (osadniki).

Te ostatnie służą do usuwania zanieczyszczeń, które samoistnie opadają na dno zbiornika, natomiast w tłuszczownikach od ścieków oddziela się m.in. oleje oraz smary. W tym celu przez otwory w dnie zbiornika, przez który przepływają ścieki, wprowadza się powietrze. Jego bąbelki, unosząc się do góry, przenoszą przylegające do nich cząstki tłuszczów, które następnie gromadzą się na powierzchni cieczy. Stamtąd są też cyklicznie usuwane - na przykład za pomocą czerpaków.

Case study 1: Oczyszczalnia ścieków w Michigan (USA) Oczyszczanie wstępne Surowe ścieki dopływają z kanalizacji miejskiej do zbiornika czerpalnego znajdującego się przed zakładem oczyszczalni. Stąd są wypompowywane z użyciem głębinowej pompy rozdrabniającej, a następnie spływają przez system krat do zbiornika umieszczonego na niższym poziomie niż wlot ścieków. Natężenie przepływu cieczy po przejściu przez sita jest mierzone przez zwężkę pomiarową Parshalla, dzięki czemu natychmiast można wykryć sytuację zablokowania przepływu. Aby zapobiec przeciekom, w takim wypadku zwykle strumień ścieków zostaje pompowany do kanału zapasowego, którym płynie do czasu usunięcia blokady z krat. Wstępnie oczyszczone ścieki spływają dalej do piaskownika wirowego o średnicy około 3,5 m. Oddziela on od ścieków piasek, żwir i kamienie, które są następnie odwadniane i transportowane do odpowiedniego zbiornika. Częścią zakładu są też dwa baseny wyrównawcze, które chronią instalacje oczyszczalni przed skutkami nagłego wzrostu natężenia ścieków w sytuacjach ich nadmiernego napływu do zakładu.

METODY BIOLOGICZNE I CHEMICZNE

Celem procesu oczyszczania drugiego stopnia jest zapewnienie optymalnych wartości wskaźników BZT, ChZT oraz OWO, co uzyskuje się, usuwając ze ścieków zanieczyszczenia organiczne, których nie udało się wcześniej wychwycić. Na tym etapie wykorzystywane są głównie metody biologiczne, których przykładem jest metoda osadu czynnego.

Polega ona na wymieszaniu ścieków z kłaczkowatymi strukturami zawierającymi bakterie i inne mikroorganizmy, takie jak pierwotniaki, które rozkładają substancje organiczne zawarte w nieczystościach.

Oczyszczanie trzeciego stopnia to z kolei etap, który najczęściej realizowany jest w oczyszczalniach przetwarzających ścieki pochodzenia przemysłowego. W tej fazie usuwane są zanieczyszczenia, które nie ulegają biologicznemu rozkładowi, przy czym wykorzystuje się przede wszystkim metody chemiczne.

Case study 2: Oczyszczalnia ścieków, cd. Oczyszczanie pierwszego stopnia Następnie ścieki, przepływając przez system przegród spiętrzających, wpływają do zbiornika osadnika o średnicy trzynastu metrów, gdzie w procesie sedymentacji oddzielają się od nich zanieczyszczenia w postaci zawiesin oraz drobnych ciał stałych. Ścieki spływają potem przez otwór w dnie osadnika do komory mieszacza, gdzie są łączone z osadem czynnym. Mieszanina ta spływa dalej, rozdzielając się na cztery strumienie do zbiorników, w których zachodzi proces biologicznego oczyszczania ścieków. Na dnie każdego z nich znajdują się równomiernie rozmieszczone otwory napowietrzaczy, przez które wdmuchiwane jest powietrze. Pozbawione zanieczyszczeń organicznych ścieki spływają dalej przez system spiętrzeń do zbiorników osadników, w których podobnie jak wcześniej zostaje od nich oddzielony osad. Jeżeli jakość osadu czynnego na to pozwala, jest on stamtąd wypompowywany i ponownie włączany do obiegu.

Są to m.in. następujące procesy:

• koagulacja, która polega na łączeniu cząstek w większe skupiska aż do wytrącenia się z nich osadu,
• sorpcja, czyli pochłanianie jednej substancji przez inną,
• ekstrakcja, tzn. wydzielanie składnika mieszaniny metodą dyfuzji do substancji go rozpuszczającej,
• elektroliza,
• neutralizacja, która polega na zobojętnieniu substancji o odczynie zasadowym przez dodanie do niej substancji o odczynie kwaśnym lub na odwrót.

Przed wprowadzeniem oczyszczonych ścieków do jeziora, rzeki lub morza, trzeba je jeszcze odkazić - najczęściej przez dodanie chloru. Jeżeli zostanie on zastosowany, niezbędne jest też przeprowadzenie procesu odchlorowania.

Polega on na dodaniu substancji neutralizujących usuwających ze ścieków resztki chloru, które mogłyby wpływać na środowisko naturalne. Alternatywą dla odkażania chlorem jest naświetlanie ścieków promieniowaniem ultrafioletowym. Równie skutecznie jak chlor zabija ono wszelkie drobnoustroje, które przetrwały wcześniejsze etapy oczyszczania.