XJY Przekształcanie osadów ściekowych w biosolidy: podróż przez oczyszczanie ścieków i nie tylko
Wprowadzenie oczyszczania osadów XJY
Przed rokiem 1950 większość społeczności w Stanach Zjednoczonych odprowadzała ścieki do strumieni i rzek przy niewielkim lub żadnym oczyszczaniu. Wraz ze wzrostem populacji miast naturalna zdolność strumieni i rzek do odprowadzania ścieków została przekroczona, co spowodowało pogorszenie jakości wody w wielu regionach. W odpowiedzi na obawy dotyczące degradacji jakości wody tysiące społeczności w całych Stanach Zjednoczonych zbudowało w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych systemy oczyszczania ścieków. Spowodowało to znaczną poprawę jakości wody w strumieniach i rzekach, ale stworzyło inny materiał, z którym można sobie poradzić: osady ściekowe. Około 99% strumienia ścieków wpływających do oczyszczalni jest odprowadzanych jako woda odmłodzona. Pozostała część to rozcieńczona zawiesina substancji stałych wychwycona w procesie oczyszczania. Te ciała stałe z oczyszczania ścieków są powszechnie określane jako osady ściekowe.
„Osad ściekowy” lub „biosolid” – jak się nazywa?
Termin „biosolids” został niedawno wprowadzony w branży oczyszczania ścieków. Przemysł definiuje biosolidy jako osady ściekowe, które zostały poddane wystarczającej obróbce w celu stabilizacji i redukcji patogenów oraz które mają wystarczająco wysoką jakość, aby można je było stosować na lądzie. Termin ten ma na celu odróżnienie wysokiej jakości oczyszczonych osadów ściekowych od osadów surowych oraz od osadów ściekowych zawierających duże ilości substancji zanieczyszczających środowisko. Termin „biosolids” pomaga również odróżnić osad ściekowy od osadu przemysłowego, podkreślając, że ten pierwszy powstaje w procesie biologicznym. Termin ten był przez niektórych krytykowany jako próba ukrycia prawdziwej natury osadów ściekowych, dzięki czemu wykorzystanie tego materiału na lądzie będzie mniej niepożądane dla ogółu społeczeństwa. Chociaż „biosolids” niewątpliwie nie wywołuje takich samych negatywnych skojarzeń jak „osad ściekowy” czy po prostu „osad”, jest to termin uzasadniony i funkcjonalny, jeśli jest prawidłowo użyty do dokonania opisanego powyżej rozróżnienia. W tym dokumencie „osad ściekowy” będzie używany ogólnie w odniesieniu do substancji stałych z oczyszczania ścieków, a „biosolid” będzie używany w odniesieniu konkretnie do materiału, który nadaje się do stosowania na lądzie.
zdjęcie 6Osady ściekowe
Produkcja komunalnych osadów ściekowych XJY
Ścieki komunalne lub ścieki odnoszą się do wody wykorzystywanej w domach lub firmach na obszarach miejskich i podmiejskich do mycia, kąpieli i spłukiwania toalet. Ścieki komunalne mogą również zawierać wodę ze źródeł przemysłowych. Aby usunąć chemikalia lub zanieczyszczenia powstające w procesach przemysłowych, zakłady przemysłowe wpływające do komunalnych systemów kanalizacyjnych muszą wstępnie oczyścić ścieki przed ich odprowadzeniem do systemu kanalizacyjnego. Ścieki kierowane są siecią kanalizacji sanitarnej do scentralizowanej oczyszczalni ścieków (czasami zwanej Oczyszczalnią Państwową, POTW). W POTW ścieki przechodzą szereg etapów oczyszczania, w których wykorzystuje się procesy fizyczne, biologiczne i chemiczne w celu usunięcia składników odżywczych i ciał stałych, rozkładu materiałów organicznych i zniszczenia patogenów (organizmów chorobotwórczych) znajdujących się w wodzie. Odmłodzona woda jest uwalniana do strumieni i rzek lub może być rozpylana na duże obszary lądu.
zdjęcie 7 Miejskie osady ściekowe
Wstępne oczyszczanie ścieków surowych obejmuje przesiewanie w celu usunięcia dużych przedmiotów, takich jak patyki, butelki, papier i szmaty, oraz etap usuwania żwiru, podczas którego nieorganiczne ciała stałe (piasek, żwir, popiół) szybko osadzają się z wody. Skratki i żwir usuwane na tym etapie oczyszczania zazwyczaj trafiają na składowisko i nie stają się częścią osadu ściekowego.
Oczyszczanie podstawowe obejmuje procesy sedymentacji grawitacyjnej i flotacji, które usuwają około połowy materiału stałego wchodzącego na ten etap. Materiał stały (organiczny i nieorganiczny), który osiada na tym etapie oczyszczania, jest pobierany z dna i stanowi osad pierwotny. W większości POTW materiał pływający (olej, tłuszcz, drewno i substancje roślinne) zbierany z powierzchni wody podczas wstępnego oczyszczania jest usuwany oddzielnie i nie staje się częścią osadu pierwotnego.
Oczyszczanie wtórne to dokładnie kontrolowany i przyspieszony proces biologiczny, w którym naturalnie występujące mikroorganizmy są wykorzystywane do degradacji (rozkładu lub trawienia) zawieszonych i rozpuszczonych substancji organicznych w ściekach. Materiał ten przekształca się w dwutlenek węgla uwalniany do atmosfery i masę komórek drobnoustrojów.
W osadnikach wtórnych masa komórek drobnoustrojów osiada na dnie i jest usuwana. Ten głównie organiczny materiał nazywany jest osadem wtórnym.
Niektóre oczyszczalnie obejmują także trzeciorzędowe etapy oczyszczania mające na celu dalszą redukcję składników odżywczych dla roślin (azotu i fosforu), zawiesin stałych lub biologicznego zapotrzebowania na tlen w ściekach. Fosfor wytrącony chemicznie i filtracja dają osad trzeciorzędowy.
Na koniec woda poddawana jest zabiegowi dezynfekcji, mającej na celu zniszczenie mikroorganizmów chorobotwórczych. Odmłodzona woda jest następnie uwalniana do strumienia lub rzeki lub może być rozpylana na duże obszary ziemi.
XJY Metody oczyszczania komunalnych osadów ściekowych
Osad pierwotny, wtórny i trzeciorzędowy zwykle łączy się, a powstałą mieszaninę zawierającą od 1 do 4% substancji stałych nazywa się „surowym” osadem ściekowym. Ze względu na zawartość patogenów oraz niestabilny i rozkładalny charakter surowe osady ściekowe stanowią potencjalne zagrożenie dla zdrowia i środowiska; jednakże obecnie stosuje się kilka procesów oczyszczania w celu stabilizacji osadu ściekowego, zmniejszenia zawartości patogenów i zwiększenia zawartości substancji stałych. Niektóre z częściej stosowanych procesów stabilizacji i redukcji poziomu patogenów w osadach ściekowych wymieniono i krótko opisano w Tabeli 1.
| Metoda leczenia | Opis | Wpływ na osady |
| Zagęszczający | Substancje stałe osadu są zagęszczane albo przez osadzanie się pod wpływem grawitacji, albo przez wprowadzenie powietrza, co powoduje unoszenie się substancji stałych osadu. | Osad zachowuje właściwości cieczy, ale zawartość substancji stałych wzrasta do 5 do 6% |
| Odwadnianie | Odwadnianie
|
|
| Trawienie beztlenowe | Jedna z najczęściej stosowanych metod oczyszczania osadów. Osad jest przetrzymywany bez dostępu powietrza przez 15 do 60 dni w temperaturze od 68 do 50°F. Bakterie beztlenowe żywią się osadem, wytwarzając metan i dwutlenek węgla. W niektórych oczyszczalniach metan jest zbierany i spalany w celu utrzymania temperatury oczyszczania. |
|
| Trawienie aerobowe | Osad miesza się z powietrzem lub tlenem przez 40 do 60 dni w temperaturze od 59 do 68°F. Bakterie tlenowe żywią się osadem, wytwarzając dwutlenek węgla. |
|
| Stabilizacja alkaliczna | Do osadu dodaje się wystarczającą ilość materiału alkalicznego, najczęściej wapna (CaO), aby podnieść jego pH do co najmniej 12 na 2 godziny. Wartość pH musi pozostać powyżej 11,5 przez dodatkowe 22 godziny |
|
| Kompostowanie | Osad jest odwadniany w celu zwiększenia zawartości substancji stałych do około 20%, a następnie mieszany z materiałem organicznym o wysokiej zawartości węgla, takim jak trociny. Mieszankę kompostuje się w warunkach tlenowych w temperaturze co najmniej 50°F przez kilka dni procesu kompostowania. |
|
Co znajduje się w osadach ściekowych?
W skład osadów ściekowych wchodzą zarówno materiały nieorganiczne, jak i organiczne, duże stężenia niektórych składników pokarmowych roślin, znacznie mniejsze stężenia licznych pierwiastków śladowych i organicznych substancji chemicznych oraz niektórych patogenów. Skład osadów ściekowych różni się znacznie w zależności od składu ścieków i stosowanych procesów oczyszczania. W tabeli 2 podano medianę i 95. percentyl stężeń składników pokarmowych dla roślin i niektórych pierwiastków śladowych występujących w osadach ściekowych. Dane te pochodzą z szeroko zakrojonych badań osadów ściekowych wytworzonych w Pensylwanii w latach 1996 i 1997.
Opcje postępowania z osadami ściekowymi
Osady ściekowe można postrzegać albo jako zasoby organiczne i odżywcze, które należy pożytecznie wykorzystać, albo jako materiał odpadowy, który należy usunąć. Przed 1991 rokiem duże ilości osadów ściekowych, w tym niektóre z Pensylwanii, były usuwane w drodze składowania do oceanów. Obawy dotyczące nadmiernego obciążenia wód oceanicznych substancjami odżywczymi doprowadziły do zakazu tej praktyki. Obecnie prawie wszystkie osady ściekowe produkowane w Pensylwanii zostały oczyszczone i mają wystarczająco wysoką jakość, aby można je było sklasyfikować jako biostałe. Nieco mniej niż połowa tego materiału jest usuwana poprzez składowanie lub spalanie, podczas gdy pozostałe substancje stałe są zawracane do gleby w drodze wykorzystania w rolnictwie, rekultywacji kopalń, kształtowaniu krajobrazu lub ogrodnictwie. Każda z tych opcji wiąże się z korzyściami ekonomicznymi i środowiskowymi, problemami i ryzykiem.
Utylizacja na wysypisku
Z punktu widzenia zarządzania i transportu materiałów składowanie jest prawdopodobnie najprostszym rozwiązaniem. Z ekonomicznego punktu widzenia składowanie wypada obecnie korzystnie w porównaniu z innymi opcjami. To niewątpliwie ulegnie jednak zmianie w miarę zmniejszania się powierzchni składowisk i wzrostu opłat za składowanie (koszty wywozu śmieci). Z punktu widzenia ochrony środowiska składowanie zapobiega uwalnianiu jakichkolwiek substancji zanieczyszczających lub patogenów przenoszonych przez osady poprzez koncentrację osadu w jednym miejscu. Jeżeli składowisko jest właściwie zbudowane i utrzymywane, ryzyko dla środowiska jest minimalne.
Istnieją jednak zagrożenia związane ze składowaniem osadów ściekowych na wysypiskach. Odpady organiczne na składowiskach ulegają rozkładowi beztlenowemu, w wyniku czego powstaje metan, który może być uwalniany do atmosfery. Metan jest gazem cieplarnianym, który ma związek z globalnym ociepleniem. Inne gazy uwalniane ze składowisk mogą powodować nieprzyjemny zapach. Duże ilości składników odżywczych wprowadzane do składowiska przez osady ściekowe stanowią zagrożenie dla lokalnego środowiska. W przypadku awarii wykładziny składowiska lub systemu zbierania odcieków te składniki odżywcze mogą zanieczyścić lokalne wody gruntowe i powierzchniowe. Składowanie osadów ściekowych zajmuje również cenne miejsce na składowisku i powoduje utratę potencjalnych korzyści płynących z materii organicznej i składników odżywczych roślin znajdujących się w osadach.
zdjęcie 8Utylizacja na wysypisku
Utylizacja poprzez spalanie
Spalanie osadów ściekowych zmniejsza objętość materiału przeznaczonego do utylizacji, całkowicie niszczy patogeny, rozkłada większość organicznych substancji chemicznych i odzyskuje niewielką ilość energii cieplnej zawartej w osadach ściekowych. Popiół resztkowy to stabilny, stosunkowo obojętny materiał nieorganiczny, który stanowi zaledwie 10 do 20% objętości pierwotnego osadu. Większość metali śladowych w osadach ściekowych koncentruje się w popiele (5–10-krotny wzrost stężenia). Materiał ten najczęściej trafia na składowiska, chociaż potencjalnie mógłby zostać wykorzystany w materiałach budowlanych.
Spalanie uwalnia również do atmosfery dwutlenek węgla (inny gaz cieplarniany) i prawdopodobnie inne lotne zanieczyszczenia (kadm, rtęć, ołów, dioksyny). Działanie spalarni wymaga zaawansowanych systemów usuwania drobnych cząstek stałych (popiołu lotnego) i lotnych substancji zanieczyszczających z gazów kominowych. To sprawia, że spalanie jest jedną z droższych opcji unieszkodliwiania osadów ściekowych. Podobnie jak w przypadku składowania, tracone są potencjalne korzyści z materii organicznej i składników odżywczych roślin znajdujących się w osadach ściekowych.
zdjęcie 9 Utylizacja poprzez spalanie