Sistemi za obradu otpadnih voda

Svi smo svesni da voda znači život. U bukvalnom smislu. Pa opet svedoci smo prljavih i zagađenih reka, koje su posledica ljudske neodgovornosti. Neshvatljivo je ponašanje pojedinaca ili sistema koji zagađuju nešto što i njima život znači. Naravno, postoji i druga strana, to su odgovorni poslodavci i pojedinci koji ulažu u sisteme za prečišćavanje otpadnih voda.

Zagađenje vode je kontaminacija vodenih sistema ( jezera, reka, okeana, podzemnih voda...). Zagađenje vode se javlja kad se zagađivači, direktno ili indirektno, ispuštaju u vodu bez adekvatnog tretmana za uklanjanje štetnih jedinjenja. Zagađenje vode utiče na biljke i organizme koji žive u tim vodenim sistemima. U skoro svim slučajevima efekat je štetan, ne samo za individualne vrste i populacije, nego za celokupnu biološku zajednicu. Glavni zagađivači su otpadne vode, dok štetu sprečavaju sistemi za obradu otpadnih voda. Zagađenje vode može biti biološko, termalno, hemijsko i fizičko.

Postoje industrijske otpadne vode, pod kojima se smatraju sve otpadne vode koje ne vode neposredno i isključivo poreklo iz domaćinstva. Industrijske otpadne vode nastaju u fabrikama i industrijskim pogonima nakon upotrebe vode u procesu proizvodnje. Osnovna karakteristika ove grupe otpadnih voda je veoma velika raznovrsnost sastava. Pročišćavanje industrijskih otpadnih voda je neophodno, a razlog je u tome što izlazna otpadna voda iz industrijskih pogona može imati veliki uticaj na kvalitet vodenih tokova i podzemne vode. Broj industrijskih kompanija i institucija koje odgovorno vode računa o ovome je sve veći.

Domaće otpadne vode su voda iz vodovoda ili voda približnog kvaliteta koja je se upotrebljava za kuvanje, pranje ili sanitarne potrebe u domaćinstvu. Pored mineralnih i organskih materija koje su već bile prisutne u vodi i čijom je upotrebom ova otpadna voda i nastala, ona još sadrži i značajne količine humanih ekskremenata, papira, sapuna i drugih sredstava za pranje, otpadaka od hrane, mineralnih otpadaka i velikog broja drugih otpadnih materijala. Najveći deo zagađivača domaće otpadne vode ipak je organskog porekla i, zbog svoje visoke energetske vrednosti, podložan je delovanju saprofitnih mikroorganizama, odnosno mikroorganizmima koji se hrane mrtvim organskim materijalom. Zato je ova otpadna voda podložna mikrobiološkoj razgradnji, odnosno truljenju. Otuda ona može imati vrlo neprijatan miris, na primer na sumporvodonik.

Atmosferske vode se ne smatraju velikim zagađivačima. Pojavljuju se povremeno u vidu padavina ili topljenju snega. Zagađivači u ovim vodama su prašina, pesak, lišće... Međutim kada se radi o atmosferskim vodama, one mogu biti zagađivači kao i industrijske otpadne vode, u slučajevima kada su te vode sa lokacija gde se nalaze i industrijska postrojenja. U tom slučaju one moraju proći kroz određeni stepen obrade pre ispuštanja u vodotokove.
Podzemne vode (infiltracione) su vode za koje se koriste najednostavnija tehnološka rešenja. One su stabilne temperature i bez bakteriološkog zagađenja i odlikuje ih relativno nizak sadržaj organskih materija. U ovim vodama povećan je sadržaj gvožđa, mangana i povećana je tvrdoća vode, mada mogu biti prisutni i sumporvodonik, metan ili mogu sadržati hloride kao i sulfate.

Životna sredina

U razvijenim zemljama sveta, reke su uglavnom postale kanali otpadnih voda. Industrijske i komunalne otpadne vode prevazilaze kapacitet vodenih tokova i voda ne može te otpadne vode da razgradi. Velike reke u Evropi nose u svom toku previše štetnih supstanci, kao što su živa, olovo, ulje, deterdžent... Kako je to kontradiktorno kada razmislimo. Ovo se sve dešava u razvijenim zemljama sveta, gde je tehnologija u svemu napredovala, tako i u sistemima prečišćavanja vode, ali ipak zagađenost reka u velikim gradovima ogromnih je razmera. Primera radi, pola proticaja reke Sene nizvodno od Pariza čine otpadne vode. A Parižani su do kraja 18. veka vodu pili direktno iz basena Sene što je danas zaista nemoguće, a da se ne razbolite. Reka Kajahoga u Americi je gorela nekoliko puta, zbog velike količine nafte. 

Same nečistoće u vodama se razgrađuju pomoću razgrađivača, ali ako su ti procesi neprirodni i voda se optereti velikom količinom štetnih supstanci, mora se koristiti rastvoreni kiseonik radi povećanja oksidacionih procesa. Prema nekim podacima u mora i okeane se ispusti godišnje oko 6 miliona tona nafte i njenih derivata, nekoliko hiljada tona olovnih jedinjenja, žive, kao i velike količine pesticida. Svi ovi otrovi, a naročito pesticidi, ušli su u ishranu. U kojoj količini i koliko to sve čovek konzumira, veliko je pitanje. Ispuštanjem velike količine otrova u mora i okeane, potpomaže se rast vodenih algi koje imaju potrebu za kiseonikom, na taj način živi svet u vodama je ugrožen. Iako nam možda ispuštanje ulja iz motora ne deluje kao neki zagađivač u odnosu na druge hemikalije, podaci govore da 1 litar ulja može da zagadi jedan milion litara vode.

Dospevanjem u reku, otpadne vode menjaju njena fizička, hemijska i biološka svojstva. Na osnovu ovih svojstava određuje se kvalitet vode. Kategorizacija voda, prvenstveno reka podeljena je na četiri klase čistoće. Prva klasa su vode, tj. manji planinski vodotoci. Voda koja je čista i pitka. U ovim vodama se nalaze pastrmke koje su netolerantne na nečistoću. Reke kao što su Studenica, Tara i Piva su prva klasa. Drugu klasu ima dosta reka, i u ovoj klasi u vodi nema plemenitih vrsta riba, a pre nego što se iskoriste za piće ili prehrambrenu industriju, moraju se prečistiti. Dunav je u ovoj klasi. Treća klasa su velike reke, uglavnom i služe za korišćenje u vidu tehničke vode. Četvrta klasa su manji vodotoci, delovi reka koji su nizvodno od velikih zagađivača. Koriste se samo za plovidbu i hidroenergetiku. Postoje i one koje su van svake klase, vode u kojima nema traga života, upravo zbog neverovatno velike zagađenosti.

Sistemi za obradu otpadnih voda

Sistemi za obradu otpadnih voda se sastoje iz nekoliko linija obrade:

1. Linija uklanjanja grubih čestica (gruba sita, uklanjanje internog materijala, flotacija, fina sita, gravitaciona separacija);

2. Linija uklanjanja suspendovanih čestica (biološka filtracija, aktivni mulj, brza peščana filtracija);
3. Linija uklanjanja rastvorenih materija (aeracija, adsorpcija na aktivnom uglju, jonska izmena, membranska separacija, dezinfekcija, ekstrakcija, destilacija vodenom parom, uparavanje, neutralizacija);
4. Linija obrade mulja (zgušnjavanje, anaerobna stabilizacija, kondicioniranje, obezvodnjavanje, sušenje, spaljivanje).

Uklanjanje grubog i inertnog materijala

Uklanjanje i sitnjenje grubog, krupnog materijala iz otpadne vode najčešće je prvi osnovni proces u sistemu za njenu obradu, a primenjuje se uglavnom radi zaštite pumpi, ventila i ostale armature od oštećenja i zapušavanja i neometanog odvijanja narednih faza obrade.
Uklanjanje krupnijih komada drveta, plastike, metala, gume, tekstila i drugih otpadnih materijala iz otpadne vode ostvaruje se njenim propuštanjem kroz sita. Podela sita se najčešće vrši prema veličini otvora i u tom smislu ona se dele na gruba sita (rešetke) i fina sita. Gruba sita ili rešetke imaju otvore jednake ili veće od 6 mm i uglavnom zaštitnu ulogu, dok se pomoću finih sita, sa otvorima manjim od 6 mm, može ostvariti i značajnije uklanjanje suspendovanih materija iz otpadne vode.

Rešetka se obično sastoji od paralelnih šipki ili štapova, uglavljenih u metalni ram, dok se kod finog sita, kao površina za sejanje, obično koristi žičana tkanina ili perforirana metalna ploča. Prema načinu čišćenja, odnosno uklanjanja na njima izdvojenog materijala, sita i rešetke se dele na uređaje s ručnim, manuelnim čišćenjem i uređaje s mehaničkim, automatskim čišćenjem.

Taloženje

Taloženje pripada grupi sedimentacionih procesa – procesa separacije čvrste i tečne faze pod uticajem gravitacije. Taloženje je jedna od najčešće korišćenih operacija u postupcima obrade otpadnih voda. Tipovi taloženja: TIP 1- razblažene suspenzije u kojima se svaka čestica taloži individualno i ne dolazi do međusobne interakcije čestica. Brzina taloženja je konstantna u vremenu i po dubini taložnika (čestice peska i šljunka). TIP 2- razblažene suspenzije u kojima čestice folikulišu ili koalesciraju tokom procesa taloženja. Ova pojava utiče da brzina taloženja raste u vremenu i po dubini taložnika, ali je generalno mala jer koloidne čestice imaju malu gustinu, a veliku površinu. TIP 3- suspenzije srednje koncentracije u kojima su čestice dovoljno blizu da su sile međusobne interakcije jače od gravitacione sile. Brzina taloženja je konstantna. Jasna je granica između bistre tečnosti, zone taloženja i mulja. TIP 4- suspenzije koje imaju formiranu strukturu koja može biti narušena samo kompresijom. Ovakvo taloženje naziva se kompresiono i javlja se kod gornjih slojeva mulja.

Filtracija

Filtracija je razdvajanje (separacija) čvrste i tečne faze pod dejstvom pritiska ili vakuuma. Proces filtracije odvija se tokom prolaska fluida kroz pregradni sloj koji zadržava čvrste čestice na ili unutar sebe. Smeša čiju separaciju treba izvršiti, naziva se uobičajeno suspenzija, retki mulj ili muljna tečnost. Izlazni fluid se naziva filtrat, a pregradni sloj filtracioni medijum. Ukoliko je filtracioni medijum zrnast, koristi se naziv ispuna. Za izdvojeni čvrsti materijal koji se akumulira u količinama koje vidljivo prekrivaju filtracioni medijum, koristi se naziv pogača. 

Flotacija

Flotacija je proces molekularnog „slepljivanja“ čestica materijala koji se flotira uz graničnu površinu faza, obično gas (najčešće vazduh) – voda. Flotacija se koristi kao alternativna metoda drugim separacionim postupcima: sedimentaciji, separaciji centrifugama, filtraciji i slično, od kojih je često ili efikasnija ili ekonomski opravdanija. Čvrste čestice, kapljice, molekuli ili joni iz tečne faze, „prilepljeni“ uz mehurove vazduha koji se formiraju u tečnoj fazi na različite načine, bivaju dominatnom silom potiska iznošene na površinu tečnosti, gde se koncentrišu u obliku pene koja se odatle uklanja.

Flotacija je prvi put primenjena 1877. godine u obogaćivanju grafitne rude. Primena flotacije u obradi otpadnih voda se smatra revolucionarnom inovacijom, jer ona protiče 6-8 puta brže od sedimentacije i završava se za 15-30 minuta. Pri tome se obezbeđuje veoma visok stepen uklanjanja suspendovanog materijala, značajno se smanjuje koncentracija površinski aktivnih materijala u otpadnoj vodi i povećava sadržaj kiseonika, a sve to u znatnoj meri olakšava kasnije faze obrade. Danas se flotacija primenjuje u mnogim oblastima industrije: u obogaćivanju, u razdeljivanju ruda različitih metala i goriva, u izdvajanju visokovrednih komponenti iz rastvora, dok se u obradi otpadnih voda primenjuje za: uklanjanje suspendovanih i emulgovanih zagađivača, koncentrisanje bioloških muljeva.

Aeracija

Aeracija je operacija u obradi voda kojom se gasovita faza, obično vazduh i voda, dovode u kontakt - u cilju ostvarivanja što intenzivnijeg prenošenja gasova ili isparljivih materija u vodu ili iz nje. Ti gasovi koji se prenose u jedan ili drugi fluid najčešće su: O2, CO2, N2, H2S, CH4, NH3 i brojna identifikovana i neidentifikovana isparljiva organska jedinjenja koja zagađuju otpadne vode ili utiču na organoleptička svojstva pijaće vode (ukus i miris).
Aeracija se primenjuje kako u obradi otpadnih voda, tako i u obradi prirodnih voda i pripremi voda za piće.

U obradi otpadnih voda, aeracija se primenjuje još šire:
• Kratkotrajnom aeracijom sirove otpadne vode pre obrade znatno se povećava efikasnost operacija i procesa koji slede. Na ovaj način se može povećati efikasnost biološke oksidacije i taloženja. Prethodna aeracija je posebno korisna kada u otpadnoj vodi postoji deficit rastvorenog kiseonika ili je prisutan visok sadržaj sulfida u njoj.

Neutralizacija

Neutralizacija otpadnih voda je veoma značajna, a u mnogim slučajevima neophodna faza obrade, bilo da se voda posle obrade ispušta u prirodni recipijent, ili se pre toga podvrgava hemijskoj, fizičko-hemijskoj ili biološkoj obradi.
Ako je otpadna voda zagađena isključivo visokom koncentracijom H+ ili OH- jona, neutralizacija će biti i jedina faza obrade pre ispuštanja u recipijent. Ako otpadna voda sadrži i druge zagađivače koji se mogu ukloniti hemijskom ili fizičko-hemijskom obradom, neutralizacija je neophodna kao prethodna faza obrade jer stepen, pa čak i mogućnost uklanjanja pojedinih ingredijenata direktno zavise od pH vrednosti.

Neutralizacija otpadnih voda koje se obrađuju biološkim postupcima je neophodna, da bi se ostvarili optimalni uslovi za aktivnost mikroorganizama.

Vrsta postupaka neutralizacije

Postupci neutralizacije se mogu razvrstati na više načina, ali se najčešće čini prema vrsti neutralizacionog sredstva i to:

• mešanjem kiselih i alkalnih otpadnih voda
• krečom, krečnjakom ili krečnim mlekom
• jakim bazama ili kiselinama
• jonskom izmenom

Koagulacija i Flokulacija

U postupcima obrade voda i otpadnih voda, koagulacija i flokulacija su veoma važni.
Koagulacija je fizičko-hemijski proces prevođenja jednofaznog sistema (prirodna ili otpadna voda) u pravi dvofazni sistem, destabilizacijom koloidnih čestica hemijskim sredstvima.
Flokulacija je fizički proces formiranja mase krupnih flokula od sitnih, destabilizovanih koloidnih čestica, stvaranjem povećanog gradijenta brzine u masi vode.

Stabilnost koloidnih sistema nije podjednaka, u tom smislu se razlikuju:

• povratni koloidni sistemi (disperzije sapunske, deterdžentske, skrobne i belančevinaste u vodi) koji predstavljaju termodinamski stabilne sisteme
• nepovratni koloidni sistemi (vodene disperzije glina, mikroorganizama, metalnih oksida itd.), koji su znatno manje stabilne disperzije

Primena u obradi otpadnih voda:

• bistrenje mutnih i obojenih površinskih voda
• kondicioniranje otpadnih bioloških muljeva radi lakšeg i efikasnijeg obezvodnjavanja
• uklanjanje algi iz efluenta oksidacionih laguna
• biološka obrada otpadnih voda (flokulacija mikroorganizama)
• obrada otpadnih voda sa visokim sadržajem koloidno dispergovanih zagađivača
• tercijarna obrada otpadnih voda (na primer, uklanjanje fosfata krečom)