Biologiczne aspekty oczyszczania ścieków - ebook

Od Autora

Biologiczne aspekty oczyszczania ścieków mojego autorstwa jest trzecim podręcznikiem akademickim po dwóch poprzednich: Mikroorganizmy w ochronie środowiska (2007) i Mikrobiologia środowisk (2010), wydanych przez Wydawnictwo Naukowe PWN w Warszawie. Moje autorstwo tej książki może budzić pewne zdziwienie u niektórych czytelników. Chciałem nadmienić, że tematyka mojej pracy magisterskiej i pracy doktorskiej była związana z biologicznym oczyszczaniem ścieków w nieistniejącym już Zakładzie Mikrobiologii Środowisk Instytutu Mikrobiologii Uniwersytetu Warszawskiego i problematyka z tego zakresu jest mi dobrze znana. Przez lata prowadziłem także wykłady dla studentów mikrobiologii i biotechnologii z zakresu biologicznego oczyszczania ścieków.

Dotychczas ukazało się kilka podręczników akademickich dotyczących oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych. Autorami tych książek są głównie pracownicy zakładów naukowych politechnik. Ten podręcznik jest napisany z wyraźnym spojrzeniem na wszystkie procesy okiem mikrobiologa, ze zwróceniem uwagi na charakterystykę wspólnot mikroorganizmów (microbial communities), biorących udział w redukcji ładunków zanieczyszczeń obecnych w ściekach oraz usuwaniu azotu i fosforu.

Podręcznik ten adresuję do studentów i pracowników naukowych mikrobiologii, biotechnologii, ochrony środowiska z różnych polskich ośrodków akademickich. Mam nadzieję, że dostarczy on wiele informacji, w tym o charakterze nieco historycznym oraz współczesnych „high-tech” systemach biologicznego oczyszczania ścieków komunalnych, bioprzemysłowych oraz wybranych ścieków przemysłowych. Rozdziały 13 i 14 dotyczą charakterystyki odpadów i sposobów ich zagospodarowywania oraz oczyszczania odcieków powstających w składowiskach odpadów komunalnych.

Mieczysław Kazimierz Błaszczyk2 Fizykochemiczna charakterystyka ścieków

2.1. Wprowadzenie

Woda jest podstawowym związkiem chemicznym koniecznym dla zaistnienia życia, jej dostępność dla ludzi wynosi zaledwie około 1%. Globalne kryzysy wody są spowodowane gwałtownym wzrostem liczby ludności, zmianami klimatycznymi, zanieczyszczeniem środowiska, urbanizacją, uprzemysłowieniem i skażeniami istniejących zbiorników wodnych. Jakość wody słodkiej w rzekach i strumieniach jest wątpliwa, ponieważ różne ścieki oraz wiele odpadów odprowadza się bez uprzedniego oczyszczania z różnych gałęzi przemysłu, kanalizacji miejskiej i obszarów rolniczych. Jakość wód podziemnych także spada ze względu na przesiąkanie nieoczyszczonych ścieków zawierających odpady domowe oraz wydaliny ludzi i zwierząt, prowadząc do zmniejszenia różnorodności biologicznej i rosnącej liczby infekcji patogenami wodnymi u ludzi. Według WHO, około 30% wszystkich chorób i 40% zgonów na całym świecie jest spowodowane zanieczyszcze-niem wody.

Ściekami są wody zużyte w gospodarstwach domowych oraz w różnych gałęziach działalności człowieka, w tym rolnictwa, przemysłu, a także woda deszczowa. Materia organiczna obecna w ściekach zawiera wiele związków organicznych, w tym detergenty, pestycydy, tłuszcze i oleje. Ponadto w ściekach znajdują się mikroorganizmy, w tym bakterie, wirusy i pierwotniaki; podstawowe składniki odżywcze (azot, fosfor); oraz metale i związki nieorganiczne (rtęć, ołów, kadm, nikiel i siarkowodór).

Zgodnie z Ustawą z dnia 7 czerwca 2001 r. o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków (Dz.U. z dnia 13 lipca 2001 roku) ścieki wprowadzone do wód lub ziemi to:

a) wody zużyte na cele bytowe lub przemysłowe;

b) ciekłe odchody zwierzęce, z wyjątkiem gnojówki i gnojowicy przeznaczonej do rolniczego wykorzystania w sposób i na zasadach określonych w przepisach ustawy z dnia 26 lipca 2000 roku o nawozach i nawożeniu (Dz. U. Nr 89, poz. 991);

c) wody opadowe lub roztopowe, ujęte w systemy kanalizacyjne, pochodzące z powierzchni zanieczyszczonych, w tym z centrów miast, terenów przemysłowych i składowych, baz transportowych oraz dróg i parkingów o trwałej nawierzchni;

d) wody wykorzystane, odprowadzane z obiektów gospodarki rybackiej.

Inny tradycyjny podział typów ścieków obejmuje:

1) ścieki bytowo-gospodarcze,

2) ścieki przemysłowe,

3) ścieki rolnicze,

4) wody opadowe,

5) ścieki promieniotwórcze.

Często mówi się o ściekach komunalnych jako mieszaninie wód zużytych w gospodarstwach domowych i wód z zakładów przemysłowych na danym terenie lub mieście, odprowadzanych do komunalnej oczyszczalni ścieków. Mogą to być zakłady określane jako bioprzemysłowe (zakłady farmaceutyczne, zakłady przetwórstwa mleczarskiego, rzeźnie, browary, zakłady przetwórstwa warzyw i owoców) lub typowe zakłady przemysłowe (zakłady produkcji celulozy i papieru).

Generalnie z chemicznego punktu widzenia ścieki dzielą się na trzy klasy:

1) nieorganiczne,

2) organiczne,

3) nieorganiczno-organiczne.

Istnieją bardziej szczegółowe charakterystyki ścieków organicznych, które są oparte na biodegradowalności (łatwo degradowalne, trudno degradowalne), stanie fizycznym (rozpuszczalny lub nierozpuszczalny), rozmiarze oraz składzie chemicznym. Biodegradowalność jest określana testem na szybkość pobierania tlenu. Stan fizyczny odnosi się do związków, które mają być sorbowane do osadu czynnego. Uważa się, że związki organiczne rozpuszczalne pozostają w fazie ciekłej, chyba że są przekształcane przez drobnoustroje w osadzie, podczas gdy związki partykularne są sorbowane na powierzchni kłaczków osadu czynnego. Niektórzy badacze prowadzili bardziej szczegółowe badania wielkości frakcji i składu chemicznego organicznych ścieków. Do frakcjonowania wielkości frakcji zastosowano różne metody. Wcześniejsze metody były oparte na sedymentacji oraz wirowaniu. Wyniki tych badań są zestawione w pracy Levine i in. (1991) oraz Sophonsiri i Morgenroth (2004). Obecnie do badań wielkości frakcji wykorzystuje się membrany mikro- i ultrafiltracyjne o ustalonych rozmiarach porów. Wyniki dziesięciu niezależnych badań wskazują, że w ściekach komunalnych frakcja wielkości < 0,001 μm odpowiada za około 15–40% całkowitego ChZT, podczas gdy około 40–60% jest związane z wielkością frakcji > 1 μm. W ściekach tekstylnych około 70% ChZT to frakcja < 0,001 μm, natomiast w ściekach z hodowli trzody chlewnej prawie 80% ChZT to frakcja > 1,0 μm. Wielu badaczy odnosi się do związków organicznych przechodzących przez filtr o wielkości porów 0,45 μm jako rozpuszczalnych lub rozpuszczonych, podczas gdy związki zatrzymywane przez filtr są nazywane cząstkami stałymi. Inna metoda określania rozpuszczalnych związków polega na dodaniu ZnSO₄ i NaOH do sflokulowanych koloidów i cząstek w ściekach, a następnie przesączeniu próbki przez filtr o wielkości porów 0,45 μm. Zawartości ChZT w filtracie różnych ścieków korelują ze stężeniami łatwo biodegradowalnego ChZT mierzone techniką respirometrii. Wreszcie substancje rozpuszczalne organiczne to takie, które mogą przechodzić przez błony komórek bakterii (mniejsze niż 0,001 μm i masie cząsteczkowej mniejszej niż 600–5000 Da).

2.2. Charakterystyka fizyczna ścieków

Głównymi cechami fizycznymi ścieków są: zawartość substancji stałych, kolor, zapach i temperatura. Substancje stałe w ściekach mogą być nierozpuszczalne, w postaci zawiesin oraz rozpuszczalne w wodzie. Zawartość zawiesin stałych określa się po ich odfiltrowaniu, wysuszeniu i zważeniu. Gdy ta pozostałość zostanie spalona, spalone zostaną lotne substancje stałe. Zakłada się, że lotne substancje stałe są związkami organicznymi, chociaż nie wszystkie zostają spalone, pewne związki w wyższej temperaturze ulegają rozkładowi. Substancja organiczna zawarta w ściekach składa się głównie z białek, węglowodanów i tłuszczów. W ściekach zawartość substancji stałych waha się od 40 do 65%. Opadające substancje stałe podawane w ml/l określa się po ich sedymentacji. Zwykle około 60% zawiesin w ściekach komunalnych stanowią substancje opadające. Pewne substancje stałe można także klasyfikować wedle ich spalania w temperaturze 600°C: jedne z nich ulegają spaleniu, inne nie.

Kolor jest charakterystyczną cechą jakościową, którą można wykorzystać do oceny ogólnego stanu ścieków. Ścieki o jasnobrązowej barwie mają mniej niż 6 godzin, a kolor jasnożółty do szarego jest charakterystyczny dla ścieków, które uległy częściowemu rozkładowi w systemach ich zbierania. Jeśli kolor jest ciemno-szary lub czarny, ścieki są zwykle po znacznym rozkładzie przez bakterie w warunkach beztlenowych. Czarny kolor ścieków jest powodowany powstawaniem siarczków, w szczególności siarczku żelaza(II). Uwalniany w procesach hydrolizy w warunkach beztlenowych siarkowodór łączy się z dwuwartościowym żelazem, które może być obecne w ściekach. Kolor ścieków jest mierzony wobec wskaźników zgodnie z normą.

Określenie zapachu jest coraz ważniejsze, ponieważ każdy chciałby poprawy zapachu emitowanego z okolicznej oczyszczalni ścieków. Zapach świeżych ścieków nie jest zbyt uciążliwy, ale wiele związków zapachowych uwalnia się, gdy ścieki ulegają rozkładowi w warunkach beztlenowych. Głównym składnikiem zapachowym jest siarkowodór (zapach zepsutych jaj). Inne związki jak indol, skatol, kadaweryna, putrescyna i merkaptan, wytworzone w warunkach beztlenowych lub powszechnie obecnych w miazdze celulozowej i papierowej (siarkowodór, merkaptan, siarczek dimetylu i inne) mogą być bardziej nieznośne dla ludzi i zwierząt. Zapach jest mierzony poprzez kolejne rozcieńczanie, aż do momentu niewykrywalności.

Pomiar temperatury jest ważny, ponieważ większość systemów oczyszczania ścieków zawiera część biologiczną, z procesami biologicznymi istotnie zależnymi od temperatury. Temperatura ścieków będzie różna w poszczególnych sezonach, a także zależna od położenia geograficznego. W rejonach zimnych temperatura ścieków zmienia się od około 7 do 18°C, natomiast w rejonach cieplejszych temperatura wynosi 13–24°C.

2.3. Chemiczna charakterystyka ścieków

Chemiczna charakterystyka ścieków obejmuje zarówno związki chemiczne nieorganiczne, jak i organiczne występujące w ściekach. Przez wiele lat proponowano wiele różnych testów do określenia związków organicznych w ściekach. Generalnie, testy te mogą określać stężenie materii organicznej przy około 1 mg/l oraz takie, które oznaczają stężenie związków organicznych w śladowych ilościach (w zakresie od 10⁻¹² do 10⁰ mg/l). Laboratoryjne metody powszechnie używane i oznaczające stężenie materii organicznej około 1 mg/l to:

1) biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT₅);

2) chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT);

3) całkowity węgiel organiczny (TOC).

Śladowe ilości materii organicznej określa się z zastosowaniem chromatografii gazowej (GC) oraz spektroskopii masowej (MS). W Tabeli 2.1 podano skład ścieków komunalnych o parametrach uśrednionych oraz wartości maksymalne i minimalne.

Skład ścieków komunalnych w małych miasteczkach, gdzie funkcjonują zakłady wytwarzające żywność, może znacznie odbiegać od uśrednionego dla ogromnej liczby danych. Podany skład chemiczny ścieków poniżej pochodzi z miasteczka, w którym znajdują dwa zakłady: przetwórstwa mleka (mleczarnia) oraz przetwórstwa mięsnego (ubojnia). Skład takich ścieków jest następujący:

– pH 3,37–7,5;

– zawiesiny – 3340,0±2022,5 (1021–5760) mg/l;

– ChZT – 463,0±448,3 (344–1446) mg/l;

– BZT – 636,0±198,8 (310–810) mg/l;

– N–NO₃⁻ – 1,69±2,81 (0,373–6,73) mg/l;

– N–NH₄⁺ – 121,4±197,4 (9–473,5) mg/l;

– N org. – 231,9±61,5 (151,5–290,7) mg/l;

– N całkowity (TN) – 354,9±156,1 (230,4–625,4) mg/l;

– P–PO₄³⁻ – 51,50±29,59 (0,11–73,50) mg/l;

– fosfor całkowity (TP) – 133,80±41,28 (70,3–174,4) mg/l (Królak i wsp. 2016).