TLENOWY GRANULOWANY OSAD CZYNNY KONCEPCJE MECHANIZMÓW FORMOWANIA

Kłaczki osadu czynnego, błona biologiczna, czy granule to specyficzne rodzaje biotopu (z greckiego bios – życie lub organizm, i topos – miejsce), które wykorzystywane są w technologii biologicznego oczyszczania ścieków. Zarówno zawieszone w toni ścieków kłaczki, jak i biofilm stanowiący biomasę utwierdzoną na nieruchomym lub ruchomym nośniku (odpowiednio: technologia złoża biologicznego lub złoża ruchomego), są już powszechnie stosowane w skali technicznej w oczyszczalniach ścieków komunalnych. Także granulacja w warunkach beztlenowych została dobrze rozpoznana już w latach 80. poprzedniego stulecia, a reaktory beztlenowe z biomasą granulowaną znalazły szerokie zastosowanie do oczyszczania ścieków przemysłowych.

Technologia tlenowego granulowanego osadu czynnego, obok technologii membranowej i złoża ruchomego, wpisuje się w stosunkowo nowy kierunek zastosowań, polegający na wprowadzaniu w oczyszczalniach ścieków rozwiązań pozwalających na zwiększenie ilości biomasy w reaktorze i przyjęcie większego ładunku zanieczyszczeń w urządzeniu o tej samej kubaturze, bądź budowę nowych obiektów o relatywnie mniejszych kubaturach bioreaktorów, ale z gwarancją uzyskania porównywalnego efektu oczyszczania. Pierwszy z tych przypadków ma szczególne znaczenie przy modernizacji oczyszczalni projektowanych wcześniej na znacznie mniejszy ładunek zanieczyszczeń dopływających ze ściekami.

Początek badań nad technologią tlenowego granulowanego osadu czynnego datuje się na koniec lat 90. XX wieku (Mishima i Nakamura, 1991), a podstawą ich podjęcia w wielu ośrodkach badawczych na świecie, były wstępne wyniki dokumentujące korzystne właściwości granul, takie jak wysoka koncentracja biomasy, bardzo dobra charakterystyka sedymentacyjna, i zdolność do usuwania biogenów ze ścieków. Obecnie wiadomo już, że osad czynny w postaci granul powstaje w wyniku samoimmobilizacji komórek mikroorganizmów w odpowiedzi na specyficzne warunki środowiskowe panujące w reaktorze, m.in. wysoki stopień wymiany objętościowej ścieków i siły hydrodynamiczne działające na biomasę. Granule charakteryzujące się wysokim zagęszczeniem komórek łatwo i szybko sedymentują, a przy tym zróżnicowany skład gatunkowy tworzącej te sferyczne struktury biomasy oraz obecność zróżnicowanych warunków tlenowych (ściśle tlenowe, anoksyczne, beztlenowe) gwarantują uzyskiwaną z ich udziałem wysoką efektywność oczyszczania ścieków. Każda dojrzała granula, z uwagi na morfologię i różnorodność panujących w niej warunków tlenowych może być przyrównana do minibioreaktora, zapewniającego zintegrowane usuwanie związków węgla organicznego i biogenów.

Dodatkowe potencjalne korzyści wynikające z zastosowania granul tlenowych to lepsze wykorzystanie rozpuszczonego tlenu (specyficzna budowa reaktorów porcjowych), większa odporność na nierównomierność dopływu i składu ścieków (w tym obecność substancji toksycznych), brak konieczności budowy osadników wtórnych, zmniejszona produkcja osadu nadmiernego.

Jednak pomimo wieloletnich eksperymentów prowadzonych w licznych ośrodkach badawczych (w tym także w Polsce), nadal nie zostały jeszcze rozpoznane wszystkie mechanizmy odpowiedzialne za proces aerobowej granulacji. Ciągle trwają badania nad wpływem różnych czynników eksploatacyjnych i środowiskowych w poszukiwaniu strategii przyspieszających tworzenie granul tlenowych i utrzymanie ich w czasie długotrwałej eksploatacji bioreaktorów. Ciekawe, dobrze prognozujące wyniki tych eksperymentów, odnoszące się zarówno do formowania samych granul, jak i uzyskiwanych z ich udziałem efektów technologicznych usuwania zanieczyszczeń ze ścieków, jeszcze parę lat temu pozwalały jedynie przypuszczać, że w niedługim czasie pojawią się pracujące w skali technicznej układy technologiczne wykorzystujące ten rodzaj biomasy. Obecnie na świecie technologię granulowanego osadu czynnego zastosowano już w ponad 20. przemysłowych i komunalnych oczyszczalniach, w tym, co warto podkreślić, jeden z obiektów został wybudowany w 2015 roku także w Polsce (oczyszczalnia ścieków komunalnych w Rykach – projekt technologiczny, wyposażenie reaktorów i rozruch technologiczny DHV Hydroprojekt).

Mając przekonanie, że technologia tlenowego granulowanego osadu czynnego jest obiecującym rozwiązaniem na miarę XXI wieku, za cel książki postawiono sobie możliwie zwięzłe przedstawienie polskim Czytelnikom dotychczas zdobytej wiedzy na temat mechanizmów tworzenia granul tlenowych i warunków technologicznych, jakie powinny być spełnione, aby osiągnąć ich długotrwałą zrównoważoną aktywność, będącą warunkiem sine qua non dla uzyskania z ich udziałem wysokiej i stabilnej efektywności biologicznego oczyszczania ścieków. Opracowanie powstało na podstawie przeglądu blisko 200. pozycji literatury przedmiotu opublikowanych do początku 2016 roku. W kolejnych rozdziałach książki przedstawiono: definicję i charakterystykę tlenowych granul, dotychczasowe koncepcje szlaków granulacji, czynniki będące warunkiem niezbędnym dla jej przebiegu oraz warunki technologiczne stymulujące formowanie granul tlenowych, a także techniki wspomagania granulacji tlenowej i utrzymania długotrwałej stabilności granul. Na zakończenie omówiono pierwszą opatentowaną i zastosowaną w skali technicznej technologię wykorzystującą tlenowy granulowany osad czynny (reaktory porcjowe), a także próby uzyskania granulacji tlenowej w reaktorach przepływowych.

W pracy świadomie nie analizowano efektywności oczyszczania ścieków z wykorzystaniem tlenowego osadu granulowanego (uznając to zagadnienie za inny, równie szeroki problem tematyczny), choć oczywiście główną przesłanką podjęcia pracy nad przygotowaniem niniejszej monografii były szeroko już opisane w literaturze przedmiotu bardzo dobre wyniki usuwania zanieczyszczeń w tej technologii, przy równocześnie wielu dodatkowych korzyściach, wymienionych już wyżej, stanowiących o jej konkurencji w stosunku do klasycznego osadu czynnego.

Mamy nadzieję, że monografia ta posłuży rozszerzeniu wiedzy na temat jednej z przyszłościowych technologii oczyszczania ścieków nie tylko projektantom i eksploatatorom oczyszczalni, ale także studentom kierunku inżynieria środowiska, zaś zamieszczone w niej zdjęcia, schematy i rysunki przyczynią się do podniesienia jej wartości poznawczej, pomagając w rozbudzeniu naukowej ciekawości i wyobraźni, a także w uprzyjemnieniu jej odbioru.

::Spis treści::

Wykaz skrótów

Wstęp

1. Definicja osadu granulowanego

2. Właściwości granul tlenowych

2.1. Charakterystyka ogólna

2.2. Wielkość granul

2.3. Struktura przestrzenna

2.4. Populacje mikroorganizmów

2.5. Wiek osadu granulowanego

3. Koncepcje mechanizmów formowania granul tlenowych

3.1. Koncepcja Beuna i wsp. [1999]: grzybnia jako macierz formujących się granul

3.2. Koncepcja Liu i Taya [2002]: granulacja tlenowa jako proces 4-fazowy

3.3. Koncepcja Webera i wsp. [2007]: orzęski jako szkielet granul tle nowych

3.4. Koncepcja Barra i wsp. [2010]: rozrost i/lub agregacja mikrokolonii jako początkowe stadium formowania granul

3.5. Koncepcja Kończak [2011]: granulacja tlenowa jako proces 6-fazowy

3.6. Koncepcja Verawaty i wsp. [2012]: czterofazowy przebieg wczesnego stadium przyspieszonej tlenowej granulacji

3.7. Koncepcja Zhou i wsp. [2014]: granulacja dynamiczna (reaktor przepływowy)

3.8. Potwierdzenie koncepcji dynamicznej granulacji w badaniach Gonzalez-Gil i Holligera [2014]

3.9. Koncepcja Wana i wsp. [2015]: mechanizm granulacji wywołany złogami wapnia

4. Granulacja w kontekście dojrzałości granul

5. Uwarunkowania granulacji tlenowej

5.1. Warunki sine qua non

5.1.1. Znaczenie hydrofobowości komórek

5.1.2. Znaczenie biokoagulacji

5.1.2.1. Teoria podwójnej warstwy

5.1.2.2. Teoria alginianowa

5.1.2.3. Teoria mostkowania kationami dwuwartościowymi

5.1.3. Znaczenie polimerów zewnątrzkomórkowych (EPS)

5.1.3.1. Hydrożelowy charakter EPS w granulach tlenowych

5.1.3.2. Frakcje EPS i ich wpływ na formowanie granul

5.1.3.3. EPS jako bariera ochronna komórek

5.2. Uwarunkowania technologiczne granulacji tlenowej

5.2.1. Hydrodynamiczne siły ścinające

5.2.2. Czas sedymentacji

5.2.3. Selekcja mikrobiologiczna

5.2.4. Rodzaj substratów w oczyszczanych ściekach

5.2.5. Strategia zasilania reaktora ściekami

5.2.5.1. Dawkowanie substratów łatwo biodegradowalnych w warunkach beztlenowych (SBR)

5.2.5.2. Dawkowanie substratów polimerowych w warunkach beztlenowych (SBR)

5.2.5.3. Szybkie dawkowanie substratów łatwo biodegradowalnych w warunkach tlenowych (reaktor z pełnym wymieszaniem) .

5.2.5.4. Powolne dawkowanie substratów łatwo biodegradowalnych w warunkach tlenowych (reaktor z pełnym wymieszaniem)

5.2.6. Współczynnik dekantacji

5.2.7. Czas trwania cyklu i hydrauliczny czas zatrzymania ścieków (HRT)

5.2.8. Obciążenie reaktora związkami organicznymi

5.2.9. Wiek osadu

5.2.10. Stężenie tlenu rozpuszczonego

5.2.11. Temperatura

5.2.12. Odczyn

6. Wpływ zastosowanego inoculum na szybkość granulacji tlenowej oraz trwałość i morfologię formowanych granul

6.1. Czas rozruchu reaktorów z osadem granulowanym – porównanie skali laboratoryjnej i technicznej

6.2. Wpływ zastosowanego inoculum

6.2.1. Granule beztlenowe

6.2.2. Osad czynny

6.2.2.1. Wpływ źródła osadu czynnego

6.2.2.2. Wpływ struktury osadu czynnego i jego właściwości sedymentacyjnych

6.2.2.3. Komórki osadu czynnego pozbawione EPS (pelety)

6.2.2.4. Mieszanina kłaczków osadu czynnego i dojrzałych granul tlenowych

6.2.2.5. Mieszanina rozdrobnionych granul tlenowych oraz kłaczków osadu czynnego

7. Wspomaganie formowania i utrzymania stabilności granul

7.1. Geneza problemu

7.2. Dawkowanie chlorku poliglinu (PAC)

7.2.1. Wpływ na granulację tlenową

7.2.2. Wpływ na odtwarzanie granul i utrzymanie ich stabilności

7.3. Wpływ dawkowania jonów metali dwuwartościowych

7.3.1. Wpływ jonów Ca2+

7.3.2. Wpływ jonów Mg2+

7.3.3. Porównanie wpływu jonów Ca2+ i Mg2+ na granulację tlenową

7.3.4. Próba utrzymania stabilności granul w reaktorach przepły wowych

7.3.5. Strategia przyspieszania granulacji tlenowej w obecności silnej selekcji hydraulicznej i przeciążenia ładunkiem substratowym

7.3.6. Bioaugmentacja jako proces pozwalający na skrócenie czasu rozruchu reaktora lub/i wspomagający rozkład specyficznych zanieczyszczeń

8. NEREDA® – pierwsza opatentowana technologia tlenowego osadu granulowanego 9. Próby uzyskania granulacji tlenowej w reaktorach przepływowych

Podsumowanie

Bibliografia

Aerobic granular sludge. Concepts of formation mechanisms, properties and technological requirements. Abstract