The Basic Processes of Wastewater Treatment
Water is a precious commodity. To protect our natural waters and to support drinking water production, all wastewater is therefore first cleansed of containments and pollutants before it is returned to the water cycle. To treat the water and to achieve the best possible, natural water quality, different processes are used. Generally, the treatment of wastewater can be divided into two basic types . Firstly, problematic substances are removed from the water. This is done with cleaning, iron removal, manganese removal, sterilisation, desalination or softening. Secondly, substances are specifically supplemented to improve the quality and influence parameters such as pH value or conductivity.
Fáze úpravy vody
K dispozici máte několik procesů k implementaci různých přípravných fází úpravy vody:
- Fyzikální procesy pro mechanickou přípravu, jako je provzdušňování, sedimentace nebo tepelné působení. Patří sem také použití česlí, filtrů a sít.
- Biologické procesy jako je anaerobní čištění odpadních vod, biochemická oxidace nebo vyhnívání kalu
- Chemické procesy jako je neutralizace, dezinfekce, vločkování a usazování
- Membránové procesy jako je filtrace, osmóza a nanofiltrace
Nejvyšší objem odpadních vod, které je třeba vyčistit, je v komunálních čistírnách odpadních vod, a proto je zde zapotřebí různorodější kombinace a účinnější postup. Použité postupy záleží na typu čistírny odpadních vod.
Procesy úpravy v úpravnách odpadních vod lze rozdělit do různých fází.
Fáze 1: mechanické ošetření vody
V první fázi se zcela neupravená odpadní voda upravuje mechanicky; tím se odstraní asi 20–30 % obsažených pevných látek. K dosažení tohoto cíle je odpadní voda vedena do prosévacího zařízení, kde česle nebo sítový buben filtruje hrubé nečistoty jako listí, papír nebo textil. Různé česle, od hrubých česlí s šířkou mezery několik centimetrů po jemné česle s šířkou mezery několik milimetrů, přes které teče voda různou rychlostí, filtrují hrubé materiály krok za krokem. Mechanicky získané nečistoty z česlí jsou odvodněny a zlikvidovány ve spalovně.
Předčištěná voda pak odtéká do tzv. lapáku písku. V technologii čištění odpadních vod se k odstraňování hrubých částic, jako jsou kameny, skleněné střepy nebo písek a hrubé organické materiály, které nebyly odděleny česlemi, používá sedimentační nádrž. To se děje při relativně vysoké rychlosti proudění zhruba 0,3 m/s. Rozlišuje se mezi neprovzdušňovaným dlouhým lapákem písku, provzdušňovaným dlouhým lapákem písku (zvaný také podélný lapák písku) a kruhovým lapákem písku.
The aerated sand collector removes additional fats and oils from the wastewater, and the following occurs: the introduced process air produces a rolling motion in the water, which carries lighter substances, such as oils and fats, to the surface. They can be easily removed from the water here.
A round sand collector separates substances from the waste water with centrifugal force and sucks them away. After cleaning in the sand collector, the sand collector debris is washed and freed from organic substances. This improves the dewatering of the collected inorganic material, which can, for example, be reused in road construction. If further recycling is not possible, the sand collector debris must be disposed of properly; it is landfilled or destroyed in waste incineration plants.
The primary wastewater treatment tank is the next stage of wastewater treatment. The speed of the wastewater is approx. 1.5 cm/s, significantly slower than in the sand collector. The reduction of the flow velocity is achieved by widening the basin. A low flow velocity is necessary so that the finer dirt particles can, depending on their nature, settle on the bottom or on the water surface. The sludge produced by sedimentation (settling to the bottom) is called primary sludge. It usually consists of organic material. The primary sludge is pushed from the bottom into a fresh sludge hopper by a scraper. The floating substances are transferred to a floating sludge duct. A pump transports the fresh sludge to what is known as a digestion tower.
In the digestion tower, methane gas is produced in four phases (hydrolysis, acidification, acetone gene and methanogene phase); it is converted into electricity in a block heating plant and can be used to supply the plant with energy. The digestion process in the digestion tower is completed after approximately four weeks. What remains is an odourless sludge, which is often used in agriculture after dewatering by centrifuge or filter.
The mechanical cleaning stage ends here. On average, 30% to 40% of the pollution is removed from the wastewater in this phase. On its way through the wastewater treatment plant, the wastewater now reaches the next stage of wastewater treatment.
Fáze 2: biologické čištění
Ve většině čistíren odpadních vod vtéká předčištěná voda ve fázi mechanického čištění do tzv. provzdušňovacích nádrží, které jsou často navrženy jako cirkulační nádrže. Zde probíhá biologické čištění.
Voda je uváděna do cirkulace dodáváním kyslíku a s pomocí vrtulí. Vznikají více či méně větrané oblasti, ve kterých se vytvářejí různé podmínky pro bakterie a mikroorganismy. Tyto mikroorganismy se živí organickými kontaminanty stále přítomnými ve vodě a přeměňují je na anorganické látky. Bakterie tvoří vločky aktivovaného kalu, které volně plavou na vodě. Přívod kyslíku stimuluje množení bakterií a podporuje tak tvorbu aktivovaného kalu. Tento proces biologického čištění odpadních vod se proto také nazývá proces aktivovaného kalu.
Odpadní voda s aktivovaným kalem odtéká do sekundární usazovací nádrže. Probíhá sedimentace: Aktivovaný kal se usazuje na dně nádrže s čištěnou vodou, kde může být oddělen od čisté vody mechanickými čisticími zařízeními na dně. Část kalu je převáděna do vyhnívací nádrže jako další biomasa. Zbývající část kalu, známá také jako „vratný kal“, se vrací do provzdušňovací nádrže, aby se zajistilo, že v provzdušňovací nádrži bude dostatek mikroorganismů k rozkládání nečistot. Po biologickém čištění je přibližně 90 % odpadní vody očištěno od biologicky rozložitelných látek. Protože je kyslík dodáván z kompresorů, vyžaduje biologická fáze čištění nejvíce energie z celého procesu čištění. Jakmile voda dosáhne zákonem předepsané kvality, může se vrátit do vodního cyklu – například do řeky.
V mnoha dalších případech biologické čištění nestačí. V těchto případech jsou nutné další procesy úpravy odpadních vod – například příprava v podobě chemického čištění. Zde se rovněž používají chemická aditiva.
Fáze 3: chemická úprava odpadních vod
V této fázi úpravy odpadních vod se pro čištění odpadní vody používají chemické procesy. Za tímto účelem se používají chemické sloučeniny k dosažení zákonem předepsaných standardních hodnot vody. Chemické ošetřování v čistírnách odpadních vod zahrnuje neutralizaci, desinfekci, srážení fosforu, odstraňování dusíku, odmrazování a odstranění manganu.
Neutralizace se používá k vytvoření předepsané hodnoty pH, čehož se dosáhne přidáním kyseliny, např. HCl, nebo zásady, např. vápenného mléka.
Během desinfekci se ničí patogeny přidáním chlóru nebo oxidu chloričitého. Dobrou alternativou k přidávání chemikálií je ozařování odpadní vody UV zářením, ale používá se méně často. Odstranění fosforu: Naše odpadní voda je často kontaminována fosfáty z čisticích prostředků, hnojiv, potravinových doplňků a fekálií. Pokud zůstávají v odpadní vodě, vedou k přehnojení vodních nádrží a obohacení živinami, což může vést ke zbytečnému růstu rostlin (eutrofizace) škodlivých pro ekosystém.
Phosphates are removed with a chemical precipitation or flocculation process. . srážení fosforu je částečně aktivováno přidáním solí hliníku nebo železa do lapače písku nebo do sekundární usazovací nádrže. Vločky z kovu a fosforu, které vznikají během tohoto sekundárního čištění, se pak odebírají z odpadní vody společně s aktivovaným kalem. V závislosti na způsobu provozu lze fosfor také „vylovit“ z odpadní vody pomocí mikroorganismů. V takovém případě mluvíme o biologické eliminaci fosforu, která se však stále používá jen zřídka.
Chemické čištění vody rovněž zahrnuje odstraňování dusíku: Dusíkaté sloučeniny odstraňují životně důležitý kyslík z vody a při vypuštění do vodních nádrží mohou dokonce způsobit úhyn ryb. Dusík se vylučuje nitrifikací a denitrifikací: Během nitrifikacese přidáním anaerobních bakterií a kyslíku přeměňuje amonium na dusitan – a ve druhé fázi na dusičnan. Následná denitrifikace je rovněž spuštěna přidáním anaerobních mikroorganismů. Ty rozkládají enzymatickými pochody nitráty na plynný dusík, který se následně vrací do atmosféry.
Odstranění železa: Ke snížení obsahu železa v odpadní vodě na předepsanou hodnotu se kationty železa (II) oxidují přidáním kyslíku. K zahájení oxidačního procesu je třeba přidat do odpadní vody hydroxid sodný.
Odstranění manganu: Mangan je obvykle přítomen v odpadní vodě jako hydrogenuhličitan manganatý. Přidáním kyslíku vznikají špatně rozpustné sloučeniny manganu IV, které lze snadno odstranit z vody.
Chemical water purification also includes nitrogen elimination: it is used to remove nitrogen compounds that are harmful to water, such as ammonia and ammonium, from waste water. Nitrogen compounds remove the vital oxygen from the water and can even cause fish to die when discharged into water bodies.
Nitrogen is eliminated by nitrification and denitrification: During nitrification, ammonium is converted to nitrite with the addition of anaerobic bacteria and oxygen – and then to nitrate in a second stage. The subsequent denitrification is also triggered by the addition of anaerobic microorganisms. These decompose the nitrate to nitrogen gas via enzymatic activities, which then is returned to the atmosphere.
Deferrisation: To reduce the iron content of the wastewater to the prescribed value, iron (II) cations are oxidised by the addition of oxygen. To trigger the oxidation process, caustic soda must also be added to the wastewater.
Manganese removal: Manganese is usually present in wastewater as manganese hydrogen carbonate. The addition of oxygen forms poorly-soluble manganese IV compounds, which can be easily removed from the water.
4. fáze: Membránové procesy / nanofiltrace
Ve čtvrté a poslední fázi čištění se používají membránové a filtrační procesy. Částečně se tato fáze čištění kombinuje s chemickými procesy srážení a vločkování. Ty vytváří například metoda flokulační filtrace. Srážecí a vločkovací přípravky se přidávají do odpadní vody, což způsobuje vločkování látek, které se následně oddělí. Odpadní voda s vločkovaným materiálem pak prochází látkovým nebo pískovým filtrem.
Pomalu prosakuje vrstvou filtru. Tím se odstraní i ty nejmenší vyloučené pevné částice.
Nanofiltrace funguje velmi podobným způsobem. Na rozdíl od normální filtrace je však voda vedena pod tlakem přes membránu, která zadržuje i ty nejmenší rozpuštěné částice, jako jsou molekuly nebo ionty těžkých kovů. Totéž se děje při reversní osmóze, při které se používají ještě vyšší provozní tlaky a jemnější membrány.
Znečišťující látky zachycené během filtrace, nanofiltrace a reversní osmózy se filtrují do zpracování kalu ve formě vyfiltrovaného kalu přes primární usazovací nádrž.
Voda se nyní dostává do poslední části čistírny odpadních vod – do akumulační nádrže na vyčištěnou vodu. Zde se opět odeberou vzorky vody a zkontroluje se její kvalita. Vyčištěná voda se vrací do vodního cyklu až po splnění zákonem předepsaných parametrů.
