Czarna woda odnosi się do kategorii ścieków, które składają się głównie ze ścieków z toalet. Oprócz fekaliów i moczu zawiera również wodę do spłukiwania oraz inne rozpuszczone i nierozpuszczone substancje z urządzeń sanitarnych. W porównaniu z szarą wodą (ścieki z pryszniców, zlewów i kuchni), czarna woda ma wyższe stężenie substancji organicznych, patogennych mikroorganizmów i składników odżywczych.

W oczyszczaniu ścieków przemysłowych i komunalnych ukierunkowane oczyszczanie czarnej wody odgrywa kluczową rolę w zapewnianiu bezpieczeństwa higienicznego i odzyskiwaniu cennych zasobów, takich jak woda, energia i składniki odżywcze.

Skład czarnej wody

Skład czarnej wody różni się znacznie w zależności od źródła (np. gospodarstwa domowe, przemysł, obiekty publiczne) i stosowanych systemów spłukiwania.

Główne komponenty

• Substancje organiczne:
  • Substancje biodegradowalne, takie jak tłuszcze, białka i węglowodany.
  • Wysoki udział biochemicznego zapotrzebowania na tlen (BZT) i chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZT).
• Mikroorganizmy chorobotwórcze:
  • Bakterie (np. Escherichia coli), wirusy i pasożyty z kału.
• Składniki odżywcze:
  • Związki azotu (np. amon, mocznik).
  • Fosforany pochodzące ze środków czyszczących lub ludzkich odchodów.
• Ciała stałe:
  • Substancje zawieszone i osadowe, w tym pozostałości fekaliów i włókna papierowe.

Typowe zakresy stężeń

• BZT5: 300-600 mg/l.
• ChZT: 600-1200 mg/l.
• Azot całkowity: 40-80 mg/l.
• Fosfor całkowity: 10-20 mg/l.
• Substancje stałe (TSS): 150-400 mg/l.

Wyzwania związane z oczyszczaniem czarnej wody

Uzdatnianie czarnej wody stawia szczególne wymagania w zakresie technologii i zarządzania:

1. Bezpieczeństwo higieniczne:

   • Mikroorganizmy chorobotwórcze wymagają dezynfekcji w celu ochrony zdrowia publicznego.

2. Wysokie obciążenie organiczne:

   • Wysokie stężenie substancji organicznych prowadzi do zwiększonego zapotrzebowania na tlen w reaktorach biologicznych.

3. Eliminacja składników odżywczych:

   • Azot i fosfor muszą być usuwane lub odzyskiwane w celu uniknięcia zanieczyszczenia środowiska (np. eutrofizacji).

4. Usuwanie ciał stałych:

   • Osady i zawiesiny muszą być skutecznie oddzielone, aby zapobiec zatorom i awariom.

5. Efektywne gospodarowanie zasobami:

   • Odzyskiwanie energii (np. biogazu) i składników odżywczych (np. fosforu) staje się coraz ważniejsze.

Proces uzdatniania czarnej wody

1. wstępna obróbka mechaniczna

Wstępna obróbka mechaniczna jest pierwszym etapem oczyszczania czarnej wody. Celem jest usunięcie gruboziarnistych ciał stałych i substancji osadowych w celu zmniejszenia obciążenia hydraulicznego i organicznego na kolejnych etapach oczyszczania.

Technologie:

• Grabie i sita:
  • Usuwanie grubego materiału, takiego jak papier, artykuły higieniczne i cząstki stałe.
  • Zastosowanie drobnych sit (rozmiar oczek 1-5 mm) w celu zmniejszenia obciążeń stałych.
• Pułapka piaskowa:
  • Oddzielanie materiałów osadowych, takich jak piasek, muł i małe cząstki kamieni.
  • Zapobiega powstawaniu osadów i zużyciu w pompach i przewodach rurowych.

2. oczyszczanie biologiczne

Oczyszczanie biologiczne jest głównym etapem usuwania związków organicznych i składników odżywczych z czarnej wody. Rozróżnia się procesy tlenowe i beztlenowe, które są często stosowane w połączeniu.

Beztlenowe oczyszczanie czarnej wody jest kluczową technologią dla zrównoważonego wytwarzania energii i oczyszczania ścieków. Przy braku tlenu mikroorganizmy rozkładają substancje organiczne i wytwarzają biogaz, który jest przekształcany z metanu (CH4) i dwutlenku węgla (CO2).

a) Fermentacja beztlenowa

• Funkcjonalność:

  • Związki organiczne są rozkładane przez różne mikroorganizmy na kilku etapach:
    1. Hydroliza:
       • Polimery (np. białka, tłuszcze, węglowodany) są rozkładane na mniejsze cząsteczki, takie jak aminokwasy, kwasy tłuszczowe i cukry.
    2. Kwasogeneza:
       • Przekształcenie produktów hydrolizy w kwasy organiczne, alkohol, wodór i dwutlenek węgla.
    3. Acetogeneza:
       • Tworzenie się kwasu octowego (CH3COOH) jako prekursor tworzenia metanu.
    4. Metanogeneza:
       • Mikroorganizmy metanogenne wytwarzają metan (CH4) i dwutlenek węgla z kwasu octowego lub wodoru.
  • Typowa zawartość metanu w biogazie: 50-70%.

b) Reaktory UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket):

• Funkcjonalność:
  • Czarna woda jest pompowana do reaktora od dołu i kierowana przez granulowany szlam.
  • Mikroorganizmy w pokrywie osadu rozkładają substancje organiczne i wytwarzają biogaz.
• Zalety:
  • Skuteczne oczyszczanie czarnej wody o wysokim ładunku organicznym.
  • Wysoka produkcja biogazu i niskie zapotrzebowanie na miejsce.

Wytwarzanie energii

• Wytworzony biogaz może być spalany bezpośrednio w elektrociepłowni (CHP) w celu wytworzenia energii elektrycznej i ciepła.
• Zastosowanie zdecentralizowane:
• Czarna woda z dzielnic miejskich lub osiedli mieszkaniowych może być oczyszczana w małych zakładach fermentacji beztlenowej.
• Produkowany biogaz jest wykorzystywany do pokrycia lokalnego zapotrzebowania na energię elektryczną i cieplną, umożliwiając samowystarczalne zaopatrzenie w energię.

Efektywne gospodarowanie zasobami:

• Dodatni bilans energetyczny: Energia uzyskana z biogazu często przekracza zapotrzebowanie energetyczne zakładu.
• Ochrona klimatu: Metan, który byłby uwalniany bezpośrednio z odchodów, jest wykorzystywany w kontrolowany sposób, co zmniejsza emisję gazów cieplarnianych.