oczyszczanie odcieków ze składowiska

Oczyszczanie odcieków ze składowisk odpadów komunalnych metodą odwróconej osmozy

Zagospodarowywanie odcieków wysypiskowych jest poważnym problemem natury technicznej zarówno w fazie projektowania i budowy składowiska, jak też podczas jego eksploatacji i rekultywacji.

Niemniej ważny jest ekologiczny aspekt zagadnienia, bowiem odcieki zawierają znaczny ładunek substancji organicznych i soli nieorganicznych, często toksycznych, zaś skład i ilość tworzących się odcieków może zmieniać się w zależności np. od pór roku (opadów atmosferycznych). Z tego względu oczyszczanie odcieków wysypiskowych jest znacznie trudniejsze niż oczyszczanie ścieków komunalnych.

W Polsce dość powszechnie praktykowane jest wywożenie odcieków samochodami asenizacyjnymi do oczyszczalni ścieków komunalnych. Fachowcy zdają sobie doskonale sprawę z przejściowego charakteru takiego postępowania, jako że w uprzemysłowionych krajach Unii Europejskiej jest ono uznawane za sprzeczne z obowiązującym stanem techniki. W niedalekiej przyszłości oceniany będzie bowiem ładunek zanieczyszczeń wprowadzanych do środowiska, a nie, jak obecnie, stężenia zanieczyszczeń. Łączenie odcieków wysypiskowych ze ściekami komunalnymi w miejskich oczyszczalniach prowadzi przede wszystkim do ich rozcieńczenia w celu uczynienia zadość odpowiednim normom, które muszą spełniać ścieki opuszczające oczyszczalnię. Należy brać pod uwagę, że ok. 80 % wag. substancji rozpuszczonych w odciekach stanowią sole nieorganiczne, w tym metale ciężkie. Biocenozy bakterii nie są w stanie usunąć substancji nieorganicznych zawartych w odciekach. W efekcie substancje nieorganiczne w stanie niezmienionym trafiają do środowiska wraz z podczyszczonymi ściekami.

W krajach Unii Europejskiej do oczyszczania odcieków stosuje się kombinację metod biologiczno-chemiczno-fizycznych oraz membranowe metody odwróconej osmozy - fizycznego procesu rozdziału substancji rozpuszczonych.

Proces odwróconej osmozy zyskał szerokie praktyczne zastosowanie do oczyszczania wody, w tym do odsalania wody morskiej, zaś w ostatnim dwudziestoleciu wprowadzono go z powodzeniem i na dużą skalę do oczyszczania odcieków wysypiskowych.

Prace nad biologicznymi metodami oczyszczania odcieków prowadzone są w różnych ośrodkach naukowych, ale jeżeli nawet zakończą się one powodzeniem w zakresie usuwania z odcieków związków organicznych i związków azotu amonowego, pozostanie problem usunięcia wysokich zawartości soli nieorganicznych. Do rozwiązania tego problemu najefektywniejszą metodą może być także metoda odwróconej osmozy.

Skład odcieków a wybór metody oczyszczania

Wybór optymalnej metody oczyszczania odcieków ze składowisk odpadów komunalnych musi uwzględniać ich skład jakościowo - ilościowy. W fachowej literaturze istnieje obszerna baza danych na ten temat, z której wynika, że zawartość składników organicznych w wodach odciekowych z wysypisk odpadów wynosi 0,1-3 g/l i jest co najmniej o rząd wielkości mniejsza niż zawartość składników nieorganicznych (2-14 g/litr, w tym 0,3 - 2 g/l soli amonowych ). Wspomniane prawidłowości wyjaśniają powody niezadowalającej skuteczności biologicznych metod oczyszczania odcieków. Skuteczne oczyszczanie odcieków wysypiskowych nie jest możliwe nawet w połączeniu z procesami utleniania czy adsorpcji, ponieważ w najlepszym razie prowadzą one do usunięcia zaledwie części zanieczyszczeń organicznych, bowiem związki te, określane terminem „twarde ChZT”, bardzo trudno ulegają rozkładowi biologicznemu w większości stosowanych instalacji, jak również nie adsorbują się na węglu aktywowanym. Pozostają one w podczyszczonych odciekach odprowadzanych do środowiska, powodując w efekcie wzrost zanieczyszczenia. Ponadto powstające w procesach biologicznych osady ściekowe muszą być bezpiecznie deponowane lub spalane znane w przyrodzie zjawisko fizyczne, polegające na przenikaniu rozpuszczalnika z roztworu o mniejszym stężeniu do roztworu o większym stężeniu substancji rozpuszczonej przez rozdzielającą te roztwory membranę półprzepuszczalną (np. błonę komórkową). Dzieje się tak pod wpływem ciśnienia osmotycznego występującego na granicy roztworów o różnych stężeniach. Proces ten można zatrzymać wywierając na roztwór bardziej stężony ciśnienie równe ciśnieniu osmotycznemu. Dalsze zwiększanie ciśnienia wywieranego na roztwór bardziej stężony prowadzi do odwrócenia procesu czyli do przenikania rozpuszczalnika w przeciwną stronę (stąd nazwa „odwrócona osmoza”). W efekcie roztwór o wyższym stężeniu będzie ulegał dalszemu zatężaniu, zaś „wyciskany” z niego rozpuszczalnik przechodząc do roztworu o niższym stężeniu spowoduje dalsze jego rozcieńczenie.

Podstawową zaletą odwróconej osmozy w zastosowaniu do unieszkodliwiania odcieków składowiskowych jest możliwość rozdzielenia i zatężenia składników odcieków na poziomie cząsteczkowym lub jonowym bez przemiany fazowej. W procesie odwróconej osmozy uzyskuje się dwa strumienie - praktycznie czystą wodę, która w pełni nadaje się do odprowadzenia do wód powierzchniowych oraz zatężony roztwór, najczęściej zawracany na składowisko. Należy dodać, że oczyszczony strumień stanowi 70-95 % objętościowych surowych odcieków.

Odwrócona osmoza w omawianym zastosowaniu jest efektywną ekonomicznie i spójną ekologicznie propozycją. Potwierdzają to doświadczenia krajów UE i pozaeuropejskich, w których pracuje obecnie kilkaset oczyszczalni odcieków stosujących z powodzeniem tę technologię, zaś liczba użytkowników wciąż wzrasta.

Oczyszczanie odcieków ze składowisk odpadów komunalnych metodą odwróconej osmozy

Stosowane obecnie membrany osmotyczne mogą zatrzymać powyżej 99 % wszystkich związków organicznych i nieorganicznych rozpuszczonych w wodzie. Proces można kontrolować w prosty i pewny sposób prowadząc pomiary przewodnictwa odcieków, które jest miarą ich zanieczyszczenia. Niezawodność membran osmotycznych to dalsza zaleta omawianej metody. Rozruch bądź zatrzymanie instalacji następuje poprzez włączenie bądź wyłączenie pomp. Ciśnienie wytwarzane przez pompy zasilające i recyrkulacyjne stanowi siłę napędową procesu. Obsługa instalacji jest więc prosta.

Z uwagi na wysoką efektywność usuwania zanieczyszczeń metoda jest niewrażliwa nawet na duże zmiany stężenia poszczególnych składników w odciekach. Uzyski­wany permeat (odcieki oczyszczone) jest właściwie czystą wodą. Podobnie zmiana ilości przerabianych odcieków nie stanowi istotnego problemu - budowa modułowa urządzenia umożliwia szybką zmianę zdolności przerobowej poprzez zwiększenie lub zmniejszenie powierzchni zastosowanych membran odwróconej osmozy (zwiększenie lub zmniejszenie liczby modułów instalacji).

Oprócz zrozumiałego faktu, że do oczyszczania odcieków wysypiskowych metodą odwróconej osmozy konieczne jest stosowanie membran wykazujących wysoką wytrzymałość mechaniczną, należy także pamiętać, że nieodzownym jest zastosowanie modułów otwarto kanałowych. Musi przy tym istnieć możliwość ich sprawnego oczyszczania, aby zminimalizować problemy związane ze zjawiskami odkładania się wytrącanych składników nieorganicznych (tzw. scaling) oraz koloidów i zawiesin organicznych (tzw. fouling i biofouling).

W pierwszych instalacjach stosowano mniej doskonałe moduły rurowe, które następnie (od 1988 r.) zastąpiono modułami dyskowymi DT® z membranami poduszkowymi. Obecnie moduły tego typu są stosowane w około 200 oczyszczalniach odcieków ze składowisk odpadów w Europie, Ameryce Północnej i na Dalekim Wschodzie. Stanowi to ponad 80 % wszystkich instalacji oczyszczania odcieków ze składowisk odpadów pracujących metodą odwróconej osmozy.

Usuwanie zatężonych odcieków. Infiltracja do złoża odpadów

Niedostatek wilgoci w złożu odpadów prowadzi do zamierania procesów mikrobiologicznych i rozkładu obecnych w odpadach składników organicznych, a w efekcie do niepożądanego „zmumifikowania” materiałów organicznych znajdujących się w złożu odpadów. Taka sytuacja, która ma miejsce w wielu funkcjonujących składowiskach, ogranicza lub zatrzymuje produkcję gazu, zwiększa ryzyko jego niekontrolowanych emisji (pożary) oraz znacznie przedłuża fazę nadzoru poeksploatacyjnego składowiska.

Gdy wilgotność złoża wynosi 15-25 %, konieczne jest nawilżenie do 35-40 %. Do tego celu można użyć zatężonych odcieków jako wody infiltracyjnej, wprowadzanej do złoża odpadów w sposób kontrolowany. W tym miejscu należy wyraźnie odróżnić tę technikę infiltracji od gdzieniegdzie jeszcze stosowanej recyrkulacji (rozdeszczowywania) odcieków surowych.

Termin „infiltracja kontrolowana” opisuje sterowane podawanie wody infiltracyjnej za pomocą urządzeń umożliwiających regulację dozowania oraz zmianę miejsca infiltracji, w tym jej głębokości. Przykładami urządzeń technicznych pracujących zazwyczaj pod ciśnieniem są pionowe lub poziome układy nawilżające, takie jak studnie chłonne, sondy czy lance irygujące lub też wieloprzewodowe układy z podpowierzchniowym systemem infiltracyjnym.

Problematyką infiltracji - początkowo odcieków - zajmowano się obszernie m.in. w Bawarii. Stwierdzono, że zastosowanie infiltracji spowodowało podwyższenie aktywności biologicznej i intensyfikację produkcji biogazu przez złoże od utrzymywać równowagę bilansu wody. W większości przypadków w naszej sferze klimatycznej takiej równowagi nie udaje się utrzymać, ponieważ ilość wód odciekowych opuszczających złoże odpadów znacznie przekracza objętość potrzebną dla utrzymania zalecanej wilgotności złoża. W tej sytuacji rozsądną drogą postępowania, prowadzącą do pożądanego celu, jest infiltracja zatężonych odcieków, których po procesie odwróconej osmozy jest kilkakrotnie mniej niż odcieków surowych.

Infiltracja zatężonych odcieków jest stosowana w Niemczech od 1986 roku i jest uważana za element procesu oczyszczania odcieków metodą odwróconej osmozy. W tej kwestii obserwowane wcześniej pozytywne skutki (podwyższenie aktywności biologicznej złoża, intensyfikacja produkcji biogazu, przyśpieszenie procesów mineralizacji - a stąd immobilizacji składników odpadów) zostały potwierdzone wynikami wielu badań, ale w szczególności potwierdzają je wieloletnie doświadczenia składowisk, które stosują tę technologię.

Jedną z najbardziej istotnych obserwacji, poczynionych na kilku składowiskach w okresie 3-5 lat jest brak zauważalnego wpływu infiltracji zatężonych odcieków na zawartości poszczególnych składników w odciekach wypływających z tego samego składowiska. Stwierdzenie to wymaga dokładniejszego omówienia.

Wpływ infiltracji zatężonych odcieków na jakość odcieków surowych

Składowisko może być traktowane jako reaktor biochemiczny, w którym niektóre składniki odpadów są rozkładane i usuwane wraz z gazami wysypiskowymi, zaś inne ulegają trwałemu zatrzymaniu w złożu. W związku z warstwowym nagromadzeniem odpadów i tworzeniu się stref o różnej przepuszczalności, infiltracja następuje głównie w kierunku poziomym, co skutkuje długim czasem przebywania odcieków w złożu odpadów.

Uznaje się , że najważniejsze, zachodzące w zdeponowanych odpadach procesy, to:

• degradacja biochemiczna, powodująca obniżenie zawartości składników organicznych w odpadach i w infiltrowanych odciekach. Należy podkreślić, że dotychczas nie stwierdzono toksycznego oddziaływania na procesy biodegradacji, przez zatężone odcieki .

• odkładanie się materiału organicznego i nieorganicznego w postaci związków powstających w efekcie metabolicznego przetwarzania odpadów przez mikroorganizmy (tlenków, siarczków, węglanów).

• adsorpcja metali ciężkich na powierzchni różnych materiałów znajdujących się w odpadach (materiały gliniaste, związki humusowe).

• procesy krystalizacyjne, prowadzące do powstawania nierozpuszczalnych soli, zatrzymywanych w składowisku.

• wytrącanie węglanów, siarczków, itp., niektórych metali jako końcowy etap nieorganicznych przemian chemicznych.

Wytłumaczenia pozytywnego oddziaływania kontrolowanej infiltracji zatężonych odcieków na zdeponowane odpady upatruje się we wzajemnym powiązaniu wymienionych wyżej procesów. Jeszcze raz należy podkreślić, że w wyniku tej infiltracji nie stwierdza się zauważalnych zmian w zawartości zanieczyszczeń w wodach odciekowych ze składowiska.

Jednym ze wskaźników, który o tym świadczy, jest przewodnictwo elektrolityczne odcieków utrzymujące się na tym samym poziomie.

Aspekt ekonomiczny procesu

Oczyszczanie odcieków ze składowiska metodą odwróconej osmozy zapobiega skażeniu wód podziemnych i powierzchniowych, co ma zasadnicze znaczenie z punktu widzenia ochrony środowiska. Jednak obok wymogów ekologicznych nie można ignorować aspektu ekonomicznego.

Rzetelna analiza ekonomiczna kosztów scalonych (zamortyzowany koszt inwestycyjny plus koszty eksploatacji) prowadzi do wniosku, że w większości przypadków technologia odwróconej osmozy okazuje się rozwiązaniem korzystnym finansowo. Jest tak nawet wtedy, gdy porównuje się całkowite koszty eliminacji odcieków tą metodą z kosztami ich oczyszczania innymi metodami lub metodami częściowego usuwania zanieczyszczeń z odcieków.

W powyższych rozważaniach uwzględniono infiltrację zatężonych odcieków do złoża odpadów. Inne metody zagospodarowania odcieków zatężonych (odparowanie, suszenie, spalanie, wiązanie z cementem lub popiołami lotnymi i deponowanie suchego produktu na składowisku) powodują zwiększenie kosztów eksploatacyjnych. Do chwili obecnej bywa to przyczyną nieporozumień w ocenie opłacalności stosowania technologii odwróconej osmozy, którą w przeszłości uznawano za bardzo kosztowną ze względu na problemy z zagospodarowaniem jednego z produktów procesu - zatężonych odcieków.

Jak wspomniano poprzednio, dość powszechną praktyką stosowaną w Polsce jest wywożenie odcieków do oczyszczalni ścieków komunalnych. Pomijając aspekt ekologiczny takiego postępowania można dokonać stosunkowo prostego porównania kosztów ponoszonych w tym przypadku z kosztami unieszkodliwiania odcieków bezpośrednio na terenie składowiska. Wnioski z analizy mogą stanowić istotny element przy podejmowaniu decyzji o wyborze metody, niezależnie od aspektu ekologicznego, którego znaczenie nieuchronnie będzie rosło w miarę zbliżania się wejścia Polski do UE .

Podsumowanie

Zastosowanie filtracji membranowej - odwróconej osmozy - prowadzi do eliminacji niepożądanego oddziaływania odcieków ze składowisk odpadów na środowisko, a przede wszystkim przyczynić się może do ochrony zasobów wód podziemnych i powierzchniowych. Niewątpliwą zaletą tej technologii jest znaczne zmniejszenie pozostających objętości cieczy, którą można użyć do kontrolowanej infiltracji do złoża odpadów.

Utrzymuje się dzięki temu należytą wilgotność złoża, co z kolei przynosi wymierne korzyści, takie jak:

• intensyfikacja produkcji biogazu,

• polepszenie biochemicznych procesów rozkładu,

• zapobieganie mumifikacji złoża,

• zmniejszenie ryzyka samozapłonu na składowisku,

• przyspieszenie immobilizacji związków nieorganicznych w masie odpadów,

• skrócenie czasu nadzoru poeksploatacyjnego.

Odtwarzalna, wysoka jakość oczyszczonych odcieków, pozwala na wprowadzenie ich do obiegu wód naturalnych i zapewnia technologii odwróconej osmozy miano metody przyjaznej środowisku naturalnemu.

Zastosowanie technologii odwróconej osmozy do oczyszczania odcieków wysypiskowych umożliwia eliminację kłopotliwych odpadów ciekłych w miejscu ich powstania. Jest to rozwiązanie spójne ekologicznie, zgodne z dyrektywami UE, a ponadto w wielu przypadkach konkurencyjne ekonomicznie.