Gospodarka cyrkulacyjna i oczyszczalnie ścieków

W „Agendzie 2030” Organizacji Narodów Zjednoczonych określono powszechny dostęp do czystej wody jako jeden z celów zrównoważonego rozwoju i zachęcono rządy do budowy oczyszczalni ścieków (WWTP) w celu poprawy jakości wody i zapewnienia dostępu do wody pitnej ludziom borykającym się z poważnymi problemami związanymi z wodą. Zasoby wodne na całym świecie są coraz bardziej zanieczyszczone z powodu braku ścisłych regulacji dotyczących usuwania odpadów przez przemysł. Zakłady przemysłowe i fabryki, które usuwają odpady przemysłowe, metale ciężkie, barwniki, substancje organiczne, bakterie i materiały toksyczne do zasobów wodnych, powodują dalsze zanieczyszczenie wody.

Zasady gospodarki cyrkulacyjnej

Aby rozważyć jakąkolwiek inicjatywę związaną z gospodarką cyrkulacyjną, należy wskazać na korelację pomiędzy gospodarką cyrkulacyjną a oczyszczaniem ścieków. Aby pomóc przedsiębiorcom w skupieniu się na przejściu na gospodarkę cyrkularną i opracowaniu rozwiązań wspólnie z ekspertami w dziedzinie systemów wodnych, konieczne jest wspólne zrozumienie kluczowych pojęć.

Gospodarka cyrkulacyjna obejmuje działania, które zachowują wartość w postaci energii, pracy i materiałów. Gospodarka cyrkulacyjna powstaje głównie poprzez trzy główne „działania”, czyli tzw. zasady 3R: Redukcja, Ponowne wykorzystanie i Recykling.

• Zasada redukcji ma na celu zminimalizowanie zużycia energii pierwotnej, surowców i odpadów poprzez poprawę efektywności procesów produkcyjnych (tzw. ekoefektywność) i konsumpcyjnych, np. poprzez wprowadzenie lepszych technologii w oczyszczalniach ścieków.
• Zasada ponownego wykorzystania odnosi się do „wszelkich działań, w wyniku których produkty lub komponenty są ponownie wykorzystywane do tego samego celu, do którego zostały stworzone”. Na przykład niedobory wody w regionach jałowych i półsuchych doprowadziły do ponownego wykorzystania wody jako alternatywnego źródła zaopatrzenia w wodę w niektórych częściach świata.
• Zasada recyklingu odnosi się do „wszelkich procesów odzysku, w ramach których materiały odpadowe są ponownie przetwarzane na produkty, materiały lub substancje, zarówno do celów pierwotnych, jak i innych”. Na przykład recykling osadów z oczyszczalni ścieków daje możliwość korzystania z zasobów, które można jeszcze wykorzystać, oraz zmniejszenia ilości odpadów, które trzeba przetworzyć i unieszkodliwić, a tym samym zmniejszenia związanego z tym oddziaływania na środowisko.

W ramach projektu WWTP do zasad 3R można dodać trzy dodatkowe zasady opracowane przez Fundację Ellen MacArthur [1]:

• Zasada właściwego projektowania podkreśla znaczenie etapu projektowania w poszukiwaniu rozwiązań pozwalających uniknąć odpadów i zanieczyszczeń. Zasadę tę stosuje się w oczyszczalniach ścieków, optymalizując ilość energii, minerałów i chemikaliów wykorzystywanych w systemach operacyjnych.
• Utrzymywanie zasobów w użyciu oznacza optymalizację wydajności zasobów oczyszczalni ścieków (wykorzystanie i ponowne użycie wody, energii, odzyskiwanie substancji odżywczych i chemikaliów). Na przykład:
• Optymalizacja pozyskiwania energii lub zasobów z systemu wodnego,
• Maksymalizacja ponownego wykorzystania. Zgodnie z obowiązującymi przepisami krajowymi na całym świecie, cele ponownego wykorzystania są zróżnicowane – od rolniczych, przemysłowych, miejskich, rekreacyjnych, środowiskowych, aż po spożycie przez ludzi. Obecnie około 80% ścieków jest odprowadzanych do światowych dróg wodnych bez jakiegokolwiek oczyszczania.
• Optymalizacja wartości generowanej na styku systemu wodnego (waloryzacja osadów ściekowych) z innymi systemami, takimi jak rolnictwo i inne zastosowania,
• Odzyskiwanie składników odżywczych ze ścieków i ich wykorzystanie jako nawozów.
• Regeneracja kapitału naturalnego – Zasada ta opiera się na fakcie, że musimy nie tylko chronić środowisko, ale także aktywnie je ulepszać. W tym celu należy:
• zachowanie i wzmocnienie kapitału naturalnego (np. zapobieganie zanieczyszczeniom, jakość ścieków itp.), oraz
• Zapewnienie minimalnych zakłóceń naturalnych systemów wodnych wynikających z interakcji człowieka i jego użytkowania.

Żródło: Own illustration

2.1 Jakie są główne procesy oczyszczania ścieków?

Oczyszczanie ścieków to procedura, w ramach której woda jest przetwarzana w taki sposób, aby mogła być bezpośrednio ponownie wykorzystana lub odprowadzona do obiegu wodnego przy minimalnym negatywnym wpływie na środowisko. Ścieki są pełne zanieczyszczeń, w tym bakterii, substancji chemicznych i innych toksyn. Ich oczyszczanie ma na celu zmniejszenie ilości zanieczyszczeń do dopuszczalnych poziomów, aby woda mogła być bezpiecznie odprowadzana z powrotem do środowiska. Procesy oczyszczania ścieków są następujące:

Procesy obróbki fizycznej/chemicznej

W procesach fizycznych cząstki stałe są usuwane ze ścieków w trakcie ich przepływu przez sita (lub wkłady filtracyjne) albo w procesie osadzania grawitacyjnego lub flotacji powietrznej. Cząstki stałe są wtedy zatrzymywane na powierzchni i mogą być usuwane. W oczyszczaniu ścieków można również stosować środki chemiczne, aby wywołać zmiany w zanieczyszczeniach, które zwiększą możliwość ich usunięcia. Zmiany mogą prowadzić do tworzenia przez substancje kłaczków lub cięższej masy cząstek, co ułatwia ich usuwanie w procesach fizycznych. Szlam – odpady stałe, które osadzają się na powierzchni zbiorników – jest usuwany przez duże zgarniacze i wypychany do środka cylindrycznych zbiorników, a następnie wypompowywany ze zbiorników do dalszego oczyszczania. Pozostała woda jest następnie pompowana do oczyszczania wtórnego (zwanego również procesem biologicznym).

Procesy obróbki biologicznej

Procesy oczyszczania biologicznego (znane również jako proces osadu czynnego) to systemy wykorzystujące mikroorganizmy do rozkładu zanieczyszczeń organicznych w ściekach. Powietrze jest pompowane do zbiorników napowietrzających, w których ścieki są mieszane z mikroorganizmami, co powoduje rozprzestrzenianie się bakterii i innych drobnoustrojów, które pochłaniają pozostałe substancje organiczne. Mikroorganizmy metabolizują składniki odżywcze, koloidy i rozpuszczoną materię organiczną, w wyniku czego powstają oczyszczone ścieki. Nadmiar mikroorganizmów jest usuwany ze ścieków oczyszczonych za pomocą procesów fizycznych. Proces ten prowadzi do powstawania dużych cząstek, które osadzają się na dnie zbiorników (osad biologiczny).

Postępowanie z bio-solidami

Substancje stałe, które osiadają po przejściu przez etapy oczyszczania pierwotnego i wtórnego, są kierowane do komór fermentacyjnych. Komory fermentacyjne są ogrzewane do temperatury pokojowej. Odpady stałe są następnie poddawane fermentacji beztlenowej. W trakcie tego procesu wytwarzany jest metan i powstają bogate w składniki odżywcze bio-stałe odpady, które są zawracane do obiegu i odwadniane przez lokalne firmy. Gaz metanowy, produkt uboczny procesu przetwarzania bio-solidów, jest zwykle wykorzystywany jako źródło energii w zakładach oczyszczania. Może być wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej w silnikach lub po prostu do napędzania urządzeń w zakładzie. Gaz ten może być również wykorzystywany w kotłach do wytwarzania ciepła dla komór fermentacyjnych.

Leczenie trzeciorzędowe

Na etapie oczyszczania trzeciorzędowego można usunąć ze ścieków do 99% zanieczyszczeń. Sposób oczyszczania zależy od końcowego przeznaczenia wody (pitna, rolnicza, przemysłowa itp.). W ten sposób powstaje woda, która prawie dorównuje jakości wody pitnej. Niestety, proces ten jest zazwyczaj nieco kosztowny, ponieważ wymaga specjalistycznego sprzętu, środków chemicznych, stałego dopływu energii oraz dobrze wyszkolonych i wysoko wykwalifikowanych operatorów.

Dezynfekcja

Po zakończeniu procesów fizycznych/chemicznych i biologicznych w pozostałej części oczyszczonych ścieków nadal znajdują się mikroorganizmy. Aby je wyeliminować, ścieki muszą być dezynfekowane w zbiornikach zawierających mieszaninę chloru i podchlorynu sodu. Ścieki oczyszczone są następnie uwalniane do środowiska za pośrednictwem lokalnych dróg wodnych. Woda ta może być teraz wykorzystywana w przemyśle, do nawadniania i innych celów.

Żródło: https://pixabay.com/images/search/wastewater%20treatment%20plant/