Oczyszczanie ścieków Oczyszczanie biologiczne

Transkrypt

1 Leonardo da Vinci Project Sustainability in commercial laundering processes Module 1 Usage of Water Chapter 5 Oczyszczanie ścieków Oczyszczanie biologiczne 1

2 Spis treści Wprowadzenie Pralnia przemysłowa - ścieki Mikroorganizmy Inżynieria instalacji ściekowej Przykłady oczyszczalni ścieków w pralniach przemysłowych 2

3 Cele dydaktyczne Po zapoznaniu się z tym rozdziałem powinieneś: Znać skład ścieków w pralniach przemysłowych Wiedzieć kiedy i dlaczego ścieki powinny być oczyszczane Znać i potrafić objaśnić działanie biologicznej metody oczyszczania ścieków Znać rolę mikroorganizmów w biologicznym procesie oczyszczania ścieków Poznać 4 różne biologiczne metody oczyszczania ścieków i potrafić je objaśnić Umieć wypunktować różnice pomiędzy różnymi procesami oczyszczania wody 3

4 Wprowadzenie Dlaczego oczyszczalnie ścieków w pralniach przemysłowych? Redukcja zanieczyszczeń środowiska Redukcja konsumpcji zasobów naturalnych Zapobieganie przerywaniu naturalnych łańcuchów Spełnienie wymagań i przepisów prawnych Redukcja kosztów $ 4

5 Ścieki z pralni przemysłowych Skład: Ścieki z pralni przemysłowych zawierają substancje pochodzące z trzech głównych źródeł: Substancje z wody kanalizacyjnej (wodociągów, studni, itp.) => sole Detergenty => fosforany, krzemiany, etc. Zabrudzenia z ubrań => cząstki brudu, tłuszcze, oleje, barwniki, itp. Uwaga: Limity zrzutu wybranych substancji? => na przykład P, AOX, metale ciężkie 5

6 Ścieki z pralni przemysłowych Koncentracje (3 przykłady ścieków z pralni przemysłowych): Temp [ C] ph 9,3 9,9 9,6 Kondukcja [ms/cm] 1,7 3,0 2,4 COD [mg/l] BOD 5 [mg/l] n.n N,tot. [mg/l] P,tot. [mg/l] T Temperatura (wymiennik ciepła? Dezynfekacja termiczna lub chemiczna?) ph => Zasadowość! COD Chemiczne Zapotrzebowanie na Tlen => parametr zanieczyszczeń organicznych BOD 5 Biochemiczne Zapotrzebowanie na Tlen po 5 dniach => parametr zanieczyszczeń biodegradowalnych P,tot. Fosfor całkowity (detergenty bez fosforanów?) 6

7 Ścieki z pralni przemysłowych Inne składniki: AOX (=> stosowanie Chloru w myciu zasadniczym?) Metale ciężkie (=> odzież z przemysłu ciężkiego, ubrania kuchenne) 7

8 Mikroorganizmy Na czym polega biologiczne oczyszczanie ścieków? Oczyszczanie za pomocą Bakterii Innych Mikroorganizmów (grzyby, tylko wybrane procesy) Picture of a typical bacteria community from a municipal wastewater treatment plant 8

9 Mikroorganizmy Na czym polega biologiczne oczyszczanie ścieków? Oczyszczanie ścieków za pomocą Wielkość Bacterii: Mikro organizmy => mikro meter! porównanie wielkości bakterii człowieka Ziemi: 10-7 m 1 m m 9

10 Mikroorganizmy Jak działają mikroorganizmy (MO)? MO nie jedzą zanieczyszczeń MO rozkładają zanieczyszczenia za pomocą enzymów S (Substrat, składnik ścieków) => P (Produkt, CO 2, N 2, etc) + Energia (zużywana do wzrostu => dodatkowa biomasa!) S P + E 10

11 Mikroorganizmy Jak działają mikroorganizmy (MO)? Odpowiednie warunki: - MO wykonują swoją pracę za darmo - Często jedyną drogą do ekonomicznego oczyszczania ścieków S P + E 11

12 mikroorganizmy Rozkład za pomocą mikroorganizmów Rozkład tlenowy zanieczyszczeń organicznych ( COD, BOD 5 ) Org.zan. + O 2 => CO 2 + H 2 O dokładnie: Org.zan. + O 2 => CO 2 + H 2 O + ΔE + Bacterie + pozostałości - Nadwyżka bakterii = do50 % zanieczyszczeń org. w ściekach miejskich! - Pozostałości zanieczyszczeń = zwykle % zanieczyszczeń org. W ściekach miejskich = 5-50 % w ściekach przemysłowych (biodegradowalne!) = mogą stanowić mniej niż 5 % ściekach pralni przemysłowej (dobrze biodegradowalne) 12

13 Mikroorganizmy Rozkład przez mikroorganizmy Rozkład azotu 3 etapy: org.n => NH 4 NH 4 + O 2 => NO 3 + H 2 O NO 3 => N 2 13

14 Mikroorganizmy Rozkład przez mikroorganizmy Rozkład azotu 3 etapy: org.n =>NH 4 org.c NH 4 + O 2 => NO 3 + H 2 O O 2 org.c + NO 3 => N 2 + CO 2 + H 2 O - 3 etapy - Zupełnie inne warunki (org.c, O2)! 14

15 Mikroorganizmy Rozkład przez mikroorganizmy Rozkład fosforu strącanie (nie-biologiczny, patrz niżej) 15

16 Mikroorganizmy Rozkład przez mikroorganizmy Rozkład fosforu (droga biologiczna) anaerob anoxisch aerob Poly-P PO 4 PO 4 PO 4 PHB Poly Hydroxy Butanoic acid kurzkettige Fettsäuren NO 3 N 2 O 2 CO 2 - Nadwyżka fosforu jest pobierana przez bakterie, usuwanie z nadmiarem szlamu w ściekach (Usuwanie fosforu ze ścieków jest ograniczone, różne warunki, proces dość trudny do przeprowadzenia) 16

17 Mikroorganizmy Rozkład przez mikroorganizmy Beztlenowy rozkład materii organicznej Org.Zan. => CH 4 + CO 2 - Bez napowietrzania - Wysoko energetyczny produkt (spalanie => energia, elektryczność) - Znacząco mniejsza nadwyżka brudnej mazi - Wysoka koncentracja substratu (COD > mg/l) - Stosowany przy stabilizacji beztlenowej mazi organicznej 17

18 Mikroorganizmy Rozkład przez mikroorganizmy Beztlenowy rozkład zanieczyszczeń organicznych Org.Zan. => CH 4 + CO 2 Dokładnie: Org.Zan. => (Hydroliza) => fragmenty, rozcieńczone zanieczyszczenia. => (Acidification) => H 2 + CO 2 + organ. Acids + Alcohol => (Acetogene) => H 2 + CO 2 + Acetic Acid => (Methanogene) => CH 4 + CO 2-4 etapy - 4 różne gatunki mikroorganizmów - Ważna stabilność warunków (temperatura, koncentracja produktu) 18

19 Mikroorganizmy Rozkład przez mikroorganizmy Rozkład uporczywych zanieczyszczeń (oleje, tłuszcze) 1. nierozpuszczalne zanieczyszczenia + bio-tenside => mikro krople => pobór do komórki 2. rozkład: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 => CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 OH => CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -COOH => CH 3 -CH 2 -CH 3 + CH 3 -COOH Istotne: źle biodegradowalne dobrze biodegradowalne - przez formowanie --COOH - przez separację C 2 -fragmentów (acetic acid, => citric cycle) 19

20 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane Bardzo prosty proces Niski koszt utrzymania Dla słabych zanieczyszczeń Mikroorganizmy mogą zostać wypłukane 20

21 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane activated sludge process Recyrkulacja mikroorganizmów =>(wyższa koncentracja mikroorganizmów sprzyjająca usuwaniu zanieczyszczeń) 21

22 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane Mikroorganizmy są związane Nie ma wypłukiwania Szybsze przepływy Biofilm mniej wrażliwy Mniej pozostałości Wymagana separacja mikroorganizmów 22

23 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża reaktor rotacyjny Obszary podmokłe Kombinowane Rotacja mikroorganizmów Na przemian kontakt powietrze/ścieki Napowietrzanie nie wymagane Mniejsze zużycie energii tube-reactor (brak rozcieńczeń toksycznych załadunków) 23

24 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża filtry przepływowe Obszary podmokłe Kombinowane Mikroorganizmy w pakietach (np. lava) Przesączanie ścieków Napowietrzanie nie jest wymagane Niskie zużycie energii 2 nd krok w rozkładzie azotu 24

25 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane Rozkład bakteryjny w strefie korzeni Rozkład także podczas zimy (ca. 80 %) Dostarczanie O 2 przez rośliny (e.g. trzcina) Efektowny wygląd ( ekologiczny ) Wymagana duża powierzchnia Możliwa akumulacja substancji toksycznych (w glebie) 25

26 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane biologiczne - chemiczne UV, H 2 O 2, Ozon - Utlenianie trwałych substancji - Detoksykacja - Wzrost biodegradowalności - Wysokie zużycie energii - Konieczność dodawania substancji chemicznych 26

27 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane biologiczne - chemiczne Strącanie Flokulacja Flotacja - Usuwanie biologicznie nie-degradowalnych komponentów - Dodatkowa seperacja substancji stałych od ciekłych -Konieczność dodawania środków chemiznych - odpady! 27

28 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane biologiczne - chemiczne Strącanie e.g. P-Eliminacja podczas oczyszczania ścieków (Fe-III-sole, Al-sole) Podstawowa zasada: Formowanie słabo rozpuszczalnych komponentów i ich sedymentacja lub separacja Przykład: P-Eliminacja: 3- PO 4 + Fe 3+ => FePO 3 Metal-Eliminacja: Fe OH - => Fe(OH) 3 Cu OH - => Cu(OH) 2 (increase ph) 28

29 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Flokulacja Dodatkowa separacja mikroorganizmów od oczyszczanej wody Problem: - Ustawienie prędkości ruchu niewielkich lub pojedynczych floksów bakterii dla celów technicznych Obszary podmokłe Kombinowane biologiczne - chemiczne - Ustawianie prędkości = f (wielkość cząsteczki) 2 Podstawowa zasada: - Małe cząsteczki lub pojedyncze mikroorganizmy są związane przez wiązki flokujace (organiczne, syntetyczne, wielko cząsteczkowe, rozpuszczalne w wodzie polielektrolity, sole Fe(III), ) - Wzrost cząstek flokujących => szybsza sedymentacja - Lepszy odpływ mazi 29

30 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane Biologia i Filtry Np. filtry piaskowe - Odseparowanie mazi - Lepsza jakość ścieków - Separacja pojedynczych mikroorganizmów - Adsorpcja 30

31 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane Biologia i Membrany Recykling ścieków => Ścieki pozbawione zarazków => Eliminacja odpadowych zanieczyszczeń => Eliminacja metali ciężkich => Eliminacja soli 31

32 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane Biologia i Membrany Alternatywa dla zbiorników sedymentacyjnych - Zewnętrzna instalacja => Ścieki pozbawione zarazków => Eliminacja odpadowych zanieczyszczeń => Mniejsze wymagania powierzchniowe => Modularne rozwiązania => Recykling wykorzystywanej wody 32

33 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane Biologia i Membrany Alternatywa zbiorników sedymentacyjnych - Wewnętrzna instalacja => Ścieki pozbawione zarazków => Eliminacja odpadowych zanieczyszczeń => Mniejsze wymagania powierzchniowe Modularne rozwiązania Recykling wykorzystywanej wody => Mikroorganizmy pozostają w reaktorze (wyspecjalizowane MO s) 33

34 Projekty inżynieryjne Konstrukcje Oczyszczalni Ścieków: Rozcieńczalnie Złoża Obszary podmokłe Kombinowane Biologia i Membrany Kombinacje membran => Recykling użytkowanej wody => Dodatkowa eliminacja soli i innych zanieczyszczeń 34

35 Projekty inżynieryjne Oczyszczalnie w pralniach przemysłowych Wszystkie rozwiązania znajdują zastosowanie zależnie od problemu i sytuacji Eliminacja ciągłego gromadzenia ścieków - Wymagany zbiornik Samodzielny monitoring, konserwacja i naprawy - Wymagany przeszkolony pracownik oczyszczalni - Ekspert oczyszczalni dobrze znający się na jej funkcjonowaniu Kalkulacja kosztów - Koszty funkcjonowania oczyszczalni nie są szokujące - Relatywnie wysoki koszt inwestycji (=> długi okres zwrotu inwestycji) 35

36 Instalacje WWTP - Przykład 1: O II I I I I Oczyszczanie dla odprowadzania, nie dla recyklingu m 3 /d EW - COD-Eliminacja > 93 % - Odprowadzanie do rzeki - Redukcja kosztów o 50 % 36

37 Instalacje Oczyszczalnia ścieków - Przykład 2: O II I I I I Moc przerobowa m 3 /d EW - COD-Eliminacja > 96 % - Zrzut oczyszczonych ścieków do kanalizacji miejskiej - Redukcja kosztów operacyjnych o 50 % i recykling 37