Oczyszczanie ścieków jest zbiorem procesów, aby oczyścić ścieki przed ich powrotu do naturalnego środowiska lub ponownego użycia. Ścieki to woda, która po zastosowaniu domowym, handlowym lub przemysłowym może zanieczyścić środowisko, do którego zostałaby zrzucona. Z tego powodu, w celu ochrony środowiska, w którym następuje odbiór, przeprowadza się oczyszczanie tych ścieków zbieranych przez miejską lub prywatną sieć sanitarną. Celem zabiegów jest minimalizacja wpływu ścieków na środowisko . Kiedy oczyszczona woda jest ponownie wykorzystywana, mówimy o recyklingu ścieków .
Na całym świecie oczyszczanie ścieków jest pierwszym wyzwaniem dla zdrowia publicznego: ponad 4000 dzieci poniżej 5 roku życia umiera codziennie z powodu biegunki związanej z brakiem oczyszczania wody i brakiem higieny .
Uzdatnianie można przeprowadzać zbiorczo w oczyszczalni ścieków lub indywidualnie, nazywa się to uzdatnianiem zdecentralizowanym. Większość intensywnych procesów uzdatniania działa według tych samych podstawowych procesów, ale różne stopnie różnic mogą występować w sposobie realizacji tych procesów. Zabieg dzieli się na ogół na kilka etapów.
Istnieją również tak zwane rozległe procesy uzdatniania, które są bardziej odpowiednie dla zmniejszonych obciążeń. Rozróżnia się bezpłatne uprawy: laguny ; i utrwalone kultury: infiltracja-perkolacja, filtr sadzony , bagno filtracyjne z przepływem pionowym lub poziomym.
Prehistoryczni mężczyźni zakładali swoje obozy w pobliżu rzek i jezior, woda wykorzystywana była jako napój, środek transportu, źródło energii, ale także jako środek sanitarny .
W starożytności egipskiej używano piasku ; z minojskiej z Krety już miał kanalizacji uruchomiony na wodzie około 1600 pne. Do Rzymian zbudowane rury że odsączone odpadów i deszczowej i używane fitoremediacji z roślin bagiennych ich steku Maxima . Używali również ścieków jako nawozu.
W średniowieczu anarchiczny rozwój miast utrudniał tworzenie sieci kanalizacyjnych.
Oczyszczanie ścieków, które oddzielają ciała stałe i ciecze, jest historycznie niedawne i wiąże się ze znacznym wzrostem liczby ludności w miastach po rewolucji przemysłowej . W latach dwudziestych badano rozkład materii organicznej , co umożliwiło opracowanie oczyszczania biologicznego . Ciecze są odkażane i ponownie wykorzystywane, a pozostały osad jest spalany lub zakopywany. Urządzeń sanitarnych wymaga złożonej infrastruktury i duże ilości wody.
Obróbka wstępna składa się z trzech głównych etapów, które pozwalają na usunięcie z wody elementów utrudniających kolejne etapy obróbki. Wszystkie oczyszczalnie ścieków niekoniecznie są wyposażone we wszystkie trzy, tylko uogólnione jest przesiewanie, pozostałe to odpiaszczanie i odolejanie.
Przesiewowe pomaga usunąć wodę i przesiewanie odpadów nierozpuszczalne, takie jak tworzywa sztuczne, gałęzie, podpasek higienicznych, etc. Rzeczywiście, ponieważ odpady te nie mogą być wyeliminowane przez obróbkę biologiczną lub fizykochemiczną, konieczne jest zatem usuwanie ich mechanicznie. W tym celu ścieki przechodzą przez co najmniej jedną kratkę, której oczka stają się coraz ciaśniejsze. Są one zazwyczaj wyposażone w automatyczne systemy czyszczące, które zapobiegają zatykaniu się, a także zapobiegają awariom pompy (w przypadkach, gdy istnieje system pompujący).
Usuwanie piasku umożliwia, przez osadzanie , aby usunąć piaski miesza się w wodzie przez odpływ lub wprowadzonych przez erozję z rur . Materiał ten, jeśli nie zostanie usunięty, osadzałby się dalej, utrudniając pracę stacji i powodując szybsze zużycie elementów mechanicznych takich jak pompy . Wydobyte piaski mogą być płukane przed składowaniem w celu ograniczenia procentowej zawartości materii organicznej, degradacji tych substancji powodujących zapachy i mechanicznej niestabilności materiału.
Do usuwania olejów stosowana jest generalnie zasada „flotacji rozpuszczonego powietrza”. Jego zasada polega na wstrzykiwaniu drobnych pęcherzyków powietrza do zbiornika odolejającego, dzięki czemu możliwe jest szybkie wyciągnięcie smaru na powierzchnię (smary są hydrofobowe). Ich usunięcie odbywa się następnie poprzez skrobanie powierzchni. Ważne jest jak największe ograniczenie ilości smaru w dalszych konstrukcjach, aby uniknąć, na przykład, zatykania konstrukcji, w szczególności rur. Ich eliminacja jest również istotna w celu ograniczenia problemów z wyładowaniami cząstek tłustych, trudnościami osiadania czy zaburzeniami wymiany gazowej.
Usuwanie piasku i oleju odbywa się najczęściej w tej samej strukturze: zanieczyszczona woda porusza się powoli, podczas gdy piaski osiadają na dnie, tłuszcz unosi się na powierzchnię.
Odolejanie przez koalescencję pozwala na wyjątkowy poziom odolejania .
W oczyszczaniu ścieków oczyszczanie pierwotne to proste osadzanie, które usuwa większość zawiesiny. To właśnie te materiały są przyczyną zmętnienia ścieków.
Operacja odbywa się w osadnikach, których wielkość zależy od rodzaju instalacji i objętości uzdatnianej wody. W ten sam sposób czas przebywania ścieków w tym basenie zależy od ilości usuwanego materiału i zdolności instalacji do ich usuwania.
Osiadanie materii w stawie określa wskaźnik Mohlmana . Wskaźnik ten wyznaczany jest codziennie w dużych oczyszczalniach ścieków w celu weryfikacji poprawności funkcjonowania systemu.
Pod koniec tej obróbki dekantacja wody umożliwiła usunięcie około 60% zawiesiny, około 30% biologicznego zapotrzebowania na tlen (BZT) i 30% chemicznego zapotrzebowania na tlen (COD). Ta część usuniętego BZT była indukowana przez zawieszone ciała stałe. Pozostały do przetworzenia ładunek organiczny jest odpowiednio zmniejszony.
Usunięta materia tworzy na dnie osadnika złoże osadowe zwane „ osadem pierwotnym ”.
Wstępne oczyszczanie ścieków bytowych ma tendencję do zanikania we Francji wraz z upowszechnieniem oczyszczania wtórnego z osadem czynnym, który obejmuje już etap osadzania. Dzieje się tak szczególnie w przypadku, gdy ścieki są regularnie rozcieńczane przez wodę deszczową i dlatego są mniej stabilne. W takim przypadku bardziej opłacalne jest zrezygnowanie z pierwotnego oczyszczania i przewymiarowanie wtórnego oczyszczania.
Oczyszczanie wtórne jest najczęściej przeprowadzane biologicznie, ale droga fizykochemiczna może ją zastąpić lub częściej dodać do niej, aby promować flokulację i koagulację osadu lub umożliwić np. wiązanie fosforanów .
Różne zabiegi to:
Obróbka związków organicznych Najprostszy zabieg biologiczny polega na eliminacji szkodliwych dla środowiska związków organicznych, takich jak cukry , tłuszcze i białka , ponieważ ich rozkład wiąże się ze zużyciem tlenu rozpuszczonego w wodzie, a to jest niezbędne dla przetrwania zwierząt wodnych. Ładunek zanieczyszczeń organicznych jest powszechnie mierzony za pomocą BZT5 ( biologiczne (lub biochemiczne) zapotrzebowanie na tlen w ciągu pięciu dni) lub chemicznego zapotrzebowania na tlen (COD). Bakterie odpowiedzialne za rozkład związków organicznych są heterotroficzne . Aby przyspieszyć degradację związków organicznych, tlen musi być sztucznie dostarczany do ścieków. Nitryfikacja Jeśli reaktory biologiczne zapewniają wystarczający czas kontaktu między ściekami a bakteriami , możliwe jest osiągnięcie drugiego stopnia oczyszczania: nitryfikacji . Jest to utlenianie amoniaku do azotynu, a następnie do azotanu przez bakterie nitryfikacyjne. Amoniak jest trucizną dla fauny ryb. Bakterie nitryfikacyjne są autotroficzne (same wiążą węgiel niezbędny do ich wzrostu w CO 2powietrze). Dlatego rosną znacznie wolniej niż heterotrofy . Oczyszczalnia ścieków musi najpierw usunąć związki organiczne, zanim będzie mogła poddać się nitryfikacji. (Zobacz też: Cykl azotowy ) Denitryfikacja Trzeci opcjonalny etap polega na denitryfikacji (lub denitracji) azotanów powstałych w wyniku nitryfikacji. Przemianę tę można przeprowadzić przez pompowanie części wody obciążonej azotanami pod koniec oczyszczania biologicznego i mieszanie jej z wodą wlotową na początku oczyszczania. Denitryfikacja odbywa się w beztlenowym reaktorze , w obecności związków organicznych i azotanów. Azotany są redukowane do azotu (N 2 ), który ulatnia się do powietrza. Azotany są składnikami pokarmowymi, które są źródłem inwazji glonów w niektórych morzach, w szczególności w Morzu Północnym. Denitryfikacja jest zwykle przeprowadzana w małych oczyszczalniach ścieków w tym samym basenie co nitryfikacja poprzez synkopowanie (zatrzymanie napowietrzania, faza anoksji ). Ten etap bywa uogólniany w celu ochrony środowiska naturalnego.Obejmuje napowietrzanie i mieszanie wody, ale także osadzanie wtórne (tzw. klarowanie ).
Z tego ostatniego elementu sklarowana woda jest odrzucana (z wyjątkiem ewentualnego trzeciego stopnia oczyszczania), a osadzony szlam jest zawracany w większości do basenu napowietrzającego, a nadmiar kierowany jest do określonego obiegu lub magazynu.
Oczyszczanie wtórne może obejmować fazy anoksji (lub część rozdzieloną na anoksję), co pozwala na rozkład azotanów .
Aby ograniczyć ekotoksyczność zrzutów ścieków, oczyszczanie fosforu jest generalnie wymagane na stacjach o ekwiwalencie powyżej 10 000 mieszkańców. Może być wymagany w mniejszych oczyszczalniach ścieków w zależności od wrażliwości środowiska przyjmującego. Ponieważ geologiczne źródła fosforu zostały nadmiernie eksploatowane, jego odzysk zaczyna być także problemem gospodarczym i przemysłowym.
Możliwych jest pięć rodzajów leczenia:
Poszukiwanie bardziej wydajnych środków i najlepszych warunków środowiskowych (idealne stężenie, szybkość rozpuszczonego gazu, temperatura, pH, itp. ) trwa m.in. z możliwością badania adsorpcji na biopolimerach , biomateriałach , materiałach inspirowanych biologicznie .. w tym m.in. postać hydrożeli, takich jak hydrożel chitozanowy w mikrokulkach .
Oczyszczanie trzeciego stopnia nie zawsze jest przeprowadzane. Ma na celu poprawę wydajności oczyszczania zawiesiny, fosforu, a nawet patogenów. Zabiegi te są stosowane na przykład w przypadku szczególnie wrażliwych mediów odbiorczych.
Na wylocie z osadnikach , dodatkowe osiadanie jest czasem używane. Osadzają się one przez flokulację dzięki wtryskiwaniu polimerów lub soli koagulujących. Filtry są również powszechnie stosowane do różnych poziomów filtracji (mikro, ultra lub nano).
Niektóre rodzaje trzeciorzędowych zabiegów mają na celu dalsze usuwanie azotu lub fosforu.
Zanieczyszczenie azotem występuje w postaci:
Eliminacja fosforu ( defosfatacja ) odbywa się za pomocą procesu chemicznego lub biologicznego:
Ten etap umożliwia zmniejszenie liczby bakterii, a tym samym zarazków chorobotwórczych obecnych w uzdatnionej wodzie. Może być wymagany jako część planu zagospodarowania i zarządzania zasobami wodnymi i/lub w celu ochrony wód w kąpieliskach (w wodzie słodkiej lub na morzu), zlewni wody pitnej lub obszaru hodowli skorupiaków , obszaru wrażliwego na azotany, fosfor i eutrofizację. Oczyszczanie to może być prowadzone jako trzeciorzędowe przez chlorowanie , ozonowanie , obróbkę UV lub dla małych oczyszczalni ścieków przez filtrację piaskową (piasek krzemionkowy i określony rozmiar cząstek). Trzeciorzędowa laguna ścieków w strefach zrzutu roślinnego (ZRV) nie jest jeszcze prawnie uznana we Francji za element oczyszczania (w rozumieniu dekretu z 21 lipca 2015 r.), ale prace nad oceną ich wydajności pod względem redukcji bakterii lub niektórych mikrozanieczyszczeń są badane. Na tych obszarach promienie słoneczne UV i ekosystem mogą pomóc w zmniejszeniu liczby bakterii chorobotwórczych nadal obecnych w strumieniu.
Dezynfekcja jest rzadko stosowana we Francji na wylocie oczyszczalni ścieków, ponieważ w tym kraju rzadko brakuje wody, a francuskie przepisy do tego nie zachęcają, oczyszczone ścieki nie podlegają natychmiastowemu ponownemu wykorzystaniu we Francji w rolnictwie lub do wody pitnej.
Na całym świecie w 2017 r. ponownie wykorzystano by około 7 miliardów m 3 oczyszczonych ścieków; Według Juana Ochoa (centrum wiedzy i innowacji Veolia Water) Francja odpowiada tylko za 0,1% tego wolumenu, czyli 50 razy mniej niż w Hiszpanii, Włoszech czy Izraelu.
Na rynku istnieje pewna różnorodność systemów. Tradycyjna zasada dezynfekcji promieniowaniem UV polega na poddaniu uzdatnianej wody działaniu źródła promieniowania UV poprzez przepuszczenie jej przez kanał zawierający szereg zanurzonych lamp. W ostatnich latach znaleźliśmy również, zwłaszcza dla małych oczyszczalni ścieków, system oparty na reaktorach jednolampowych, który oferuje korzyści w zakresie kosztów utrzymania i eksploatacji.
Oczyszczanie trzeciorzędowe obejmuje co najmniej jeden z następujących procesów:
Naturalne systemy lagun (ewentualnie trzeciorzędowe, to znaczy zainstalowane tylko na wylocie oczyszczalni) umożliwiają oczyszczanie zanieczyszczeń organicznych i ewentualnie udoskonalenie oczyszczania przed zrzutem do środowiska naturalnego.
Gdy przestrzeń jest ograniczone do lagooning układy pionowych dostosowany do stosunkowo niewielkich ilości zanieczyszczonej wody taki, jak Freewaterbox (opracowany w Francji Ennesys) łączą bakterii fermentacyjnych oraz alg fotobioreaktora zawierającej kultury mikroalg wybrany oczyścić szarej wody i wytwarzania związków organicznych interesujące ( biostymulatory ) w podejściu opartym na gospodarce o obiegu zamkniętym .
Wymienione powyżej procesy uzdatniania nie pozwalają na usunięcie mikrozanieczyszczeń z uzdatnianej wody. Mikrozanieczyszczenia są używane do oznaczania związków śladowych obecnych w wodzie w bardzo niskich stężeniach (rzędu mikrograma lub nanograma na litr), które nawet w niewielkich stężeniach mogą mieć szkodliwy wpływ na organizmy wodne. Na przykład: pozostałości leków, hormonów, pestycydów, a nawet kosmetyków.
W Szwajcarii, po wejściu w życie w 2015 r. nowelizacji prawa federalnego i rozporządzenia o ochronie wód nakazującej eliminację co najmniej 80% mikrozanieczyszczeń na wylocie oczyszczalni, zrealizowano wiele projektów pilotażowych przetestować techniki usuwania mikrozanieczyszczeń.
Wybrano dwie metody leczenia:
Dawka CAP około 18 mg / l lub ozonowania od 0,6 do 1,0 g O 3 / g DOC wymagane do usunięcia mikrozanieczyszczeń. Ozonowanie ma tę wadę, że wytwarza czasem niepożądane produkty utleniania, takie jak bromian . Możliwe stężenia wynikające z ozonowania zależą od właściwości uzdatnionej wody.
Osady ściekowe (miejskie lub przemysłowe) to główne odpady wytwarzane przez oczyszczalnię ścieków ze ścieków ciekłych. Głównym sposobem oczyszczania osadów jest odwadnianie . Odwadnianie to można przeprowadzić przez wirowanie , prasę filtracyjną , prasę filtracyjną, elektroodwadnianie, suszarnię obsadzoną trzciną, suszenie słoneczne. Umożliwia zmniejszenie stężenia wody w osadzie.
Ze względu na ich toksyczność lub stopień nieszkodliwości dla środowiska osady są następnie składowane lub spalane w spalarniach.
Osad może być wykorzystany do produkcji biogazu (metanu) w komorach fermentacyjnych w warunkach beztlenowych .
Wśród często napotykanych trudności są:
Najczęściej jest to spowodowane niechcianymi bakteriami, które wywołują zjawisko zwane pęcznieniem osadu . Jest to spowodowane proliferacją niektórych gatunków bakterii, z których najczęściej Microthrix parvicella , w wyniku zbyt nagłych napływów przeciążeń materii organicznej i/lub wód opadowych i spływów, lub w wyniku napływu składników utrudniających reprodukcję lub życie innych bakteria.
Działanie konwencjonalnej oczyszczalni osadu czynnego opiera się na zasadzie wytwarzania osadu resztkowego i osadzania . Według sondażu, który dotyczył 370 niskoobciążonych oczyszczalni osadów czynnych, w latach 2010-tych problemy z osiadaniem były nadal „poważnym problemem dla 30% instalacji mniejszych niż 250 000 RLM i dla 50% tych, które mają do czynienia z większymi. Co najmniej jedna dysfunkcja na trzy jest spowodowana nadmiernym rozwojem bakterii nitkowatych ” (zjawisko pęcznienia osadów ). „Wysoki wskaźnik obciążenia organicznego został zidentyfikowany jako jeden z czynników sprzyjających dysfunkcjom” . Dodatek soli metali do odfosforowania ścieków pomaga ograniczyć występowanie tych usterek.
Operatorzy czasami mają trudności ze znalezieniem rynków zbytu dla zanieczyszczonego osadu, który następnie musi być składowany lub spalany.
Wśród problemów napotykanych podczas dekontaminacji wody są nieprzyjemne zapachy z osadów i przepompowni, które są uważane za niedogodność karną dla okolicznych mieszkańców.
Aby ograniczyć te uciążliwości zapachowe, istnieją trzy różne rodzaje obróbki: fizykochemiczna, biologiczna i adsorpcja na węglu aktywnym.