Notekūdeņu dūņu apstrāde ir atsevišķs process notekūdeņu apstrādē. Stingrākie šķidro rūpniecības atkritumu ierobežojumi un uzlabotā notekūdeņu savākšanas un apstrādes tehnoloģija nākotnē izraisīs notekūdeņu lieku dūņu daudzuma palielināšanos. Daudzu pasaules valstu likumdošana prasa lietderīgu apstrādāto dūņu neitralizāciju, kas novērš vides piesārņojumu. Ekonomisko, kā arī ekoloģisko apsvērumu dēļ ir lietderīgi atgriezt notekūdeņu dūņas dabas ciklā. Neapstrādās notekūdeņu dūņas, kā arī dzīvnieku ekskrementi parasti satur pūšanai pakļautas vielas, kā ar baktērijas, vīrusus, kukaiņu kokonus u.c. patogēnas formas. Lai novērstu jebkādu negatīvu ietekmi uz vidi, šādām notekūdeņu dūņām jābūt apstrādātām pirms utilizācijas vai lietderīgas izmantošanas. Apstrādes mērķis ir dūņu stabilizācija un dezinfekcija. Augsti efektīva tehnoloģija dūņu stabilizācijas un dezinfekcijas sasniegšanai, ir aerobā termofīlā stabilizācija ATS (ATAD autoheated thermophilic aerobic digestion). Šīs sistēmas pilnā apjomā darbojas Eiropā jau vairāk, kā 25 gadus.
1968. gadā Huberts K.E. vecākais Fuchs kompānijas dibinātājs, novēroja stipru sasilšanu šķidros cūku un mājputnu ekskrementos, kas bija pakļauti gaisa iedarbībai. Tas bija ATS procesu izstrādes sākums. Turpmākos gadus zinātniskie institūti un universitātes veica dažus pētījumus, kas noveda pie pirmās pilna mēroga ATS procesa izstrādes. Vilsburgā, Vācijā, 1977.gadā. tika izbūvēta pirmā ATS stacija, kas apkalpo notekūdeņu attīrīšanas staciju ar cilvēku ekvivalentu līdz 22,000 cilvēkiem šī iekārta veiksmīgi strādā veļ līdz šim.
Turpmāka tehniskā attīstība uzlaboja ATS tehnoloģiju tādā veidā, ka pašlaik pasaulē darbojas vairāk kā 80 ATS stacijas.

ATS Procesa pamati

NAI dūņu bioloģiskā stabilizācija balstās uz organisko vielu sadalīšanos. ATS tehnoloģijā šo materiālu sadalīšanās procesu veic ar aerobo mikroorganismu palīdzību. Aerobās enerģijas metaboliskās maiņas laikā notiek eksotermiski procesi, kuru laikā organisko vielu bioloģiskā oksidācija atbrīvo enerģiju, lielākoties siltuma formā. Šī procesa galīgie produkti ir zemas enerģijas komponenti - H2O un CO2. Siltuma efekts, kas rodas procesā noved pie augstas temperatūras (> 50°C) šādā temperatūrā organiskās vielas tiek sadalītas zemes enerģijas komponentos.
Tā kā viss process notiek aerobos apstākļos, nekādas sprāgstošas gāzes neveidojas. Izplūdes gāzēm, kas tiek izvadītas no ATS tiek papildus apstrādātas ar smaku novēršanas iekārtām.
ATS sistēmas parasti tiek izveidotas no 2 reaktoriem, kas darbojas secīgi (1. att.). Dūņas ATS sistēma tiek pievadītas reizi dienā pārējo laiku reaktori tiek turēti izolēti tam ir svarīga nozīme patogēnu kontrolē.

1. att. tipiskā ATAD plūsmas diagramma

Kopumā jebkuri organiskie atkritumi, kā notekūdeņu dūņas, atkritumu aktivētas dūņas, strūklaku filtra dūņas, septiskās dūņas, to maisījums, vai šķidrie dzīvnieku mēsli, kā arī bioloģisko atkritumu šķidrumi ir piemēroti aerobās termofīlās apstrādei. Lai utilizācijas laikā panāktu vēlamo bioķīmisko oksidācijā procesu jānodrošina 50°C temperatūrā.

Procesa operēšanai autotermalā režīmā pie termofīlās temperatūras, optimāli ir šādi apstākļi:

• nogulšņu sausais atlikums koncentrācija neapstrādātās dūņās 2.5 - 3.0 % augstākas sadalīšanās pakāpes nodrošināšanai
• siltumizolēti un apsegti reaktori siltuma zudumu minimizēšanai
• augsti efektīvas aerācijas un maisīšanas iekārtas, lai nodrošinātu pilnīgi samaisītu aerobu vidi
• efektīva putu kontroles sistēma, putu slāņa ierobežošanai reaktoros

Efektīvs gaisa ievadīšanas process tiek sasniegts izmatojot spirāles un cirkulācijas aeratorus, kā norādīts 1.att. Šo iekārtu efektivitāte ATS tehnoloģijas attīstības laikā bija visaugstākā.

2. att. ATS baseinu iekārtu aprīkojums

1 - Sānu aerators, piemērots arī baseina maisīšanai
2 - Griešanas iekārta, kas paredzēta putu augstuma regulēšanai uz virsmas
3 - Centrālā aerācijas un maisīšanas iekārta
4 - Noslēgts un siltināts baseins

Sānu aerators                                       Centrālais aerators                              Putu griezējs
     3. att. ATS iekārtu aprīkojums

Spirāles aerators ir uzstādīts slīpi caur reaktora sienu un nodrošina vertikālo, kā arī horizontālo samaisīšanu. Šim aeratoram nav gultņu iegrimšanas galā, bet ir nerūsējošā tērauda veltnis korozijas novēršanai. Stipras maisīšanas rezultāts ir visa tilpnes satura rotācija. Cirkulācijas reaktori papildus pie ieprojektētā aprēķinātā diametra ir aprīkoti ar centrā uzstādīto cirkulācijas aeratoru, lai novērstu nogulšņu izveidošanos tilpnes centrā. Šis aerators izraisa vertikālo cirkulācijas cilpu, kas tiek daļēji nosegta ar sānu sienu. Aeratoru izsauktā rotāciju galīgajā plūsmas diagramma veido spirāli. Maisījumam aerācijas procesa rezultātā ātri veidojas biezs putu slānis, kurš darbojas, kā reaktora izolācija, kā arī noved pie labākiem rezultātiem skābekļa utilizācijā, kā arī palielina bioloģisko aktivitāti. Putas tiek nogādātas putu regulatorā dūņu rotācijas rezultātā un tiek mehāniski saplacinātas, lai izveidotu biezāku un kompaktāku slāni. Putu regulatora izmantošana regulē putu veidošanos, putu noteikta slāņa dziļumu un zināmās robežās arī to biezumu reaktoros. Tādejādi putu kontroles sistēma ir būtiska ATS tehnoloģijas sastāvdaļa.

Patogēnu samazināšana

Aerobos, termofīlās temperatūras apstākļos mikroorganismu metabolisms noved pie baktēriju, vīrusu, kukaiņu kokonu u.c. patogēno formu samazināšanos. Ar dažiem zinātniskiem pētījumiem atklāts, ka dūņu apstrāde 23 stundu laikā pie temperatūras 50°C un pH vērtības vairāk kā 8 noved pie tādu produkta izveidošanās, kas nevar izraisīt epidēmiju.
Vadot procesu pie šādas laika un temperatūras kombinācijas parasti izveidojas produkts, kurā viens dūņu grams nesatur salmonellas un satur mazāk kā 1,000 MPN zarnu baktēriju. Saskaņā ar ASV EPA noteikumiem 503, minimālā temperatūra 55°C ir nepieciešama 23 stundu laikā, lai izveidotu tā saucamo A klases biomasu. A klases biomasa ir vērtīgs mēslošanas līdzeklis un tam nav ierobežojumu lauksaimnieciskai izmantošanai.
Lai novērstu īsu cirkulāciju, kas var novest pie patogēnu caursūkšanos, ATS sistēmām ir jādarbojas dozēšanas režīmā. Lai maksimāli samazinātu patogēnus ATS stacijai parasti ir nepieciešami 2 reaktori, kas ir savienoti secīgi (sk. 1.zīm). Pirmā stadijā temperatūra parasti ir zemā termofilā diapazonā no 40 līdz 50°C. Maksimālā dezinfekcija tiek sasniegta otrā stadijā, kurā temperatūras var svārstīties no 50 līdz 60°C. Dienas laikā apstrādātās dūņas tiek izkrautas tikai pēc pēdējās stadijas. Pēc izkraušanas pabeigšanas, neapstrādātās dūņas tiek iekrautas apstrādei pirmās kaskādes reaktorā, kamēr daļēji apstrādātās dūņas tiek pārvietotas nākamos reaktoros. Pēc iekraušanas reaktori paliek izolēti uz 23 stundām, kamēr notiek dūņu termofīlā sadalīšanās.

4. att. ATAD darbības temperatūras, Vācija

4.att. ir parādīts ilglaicīgs temperatūras grafiks divpakāpju ATS sistēmai Vācijā, kas veiksmīgi darbojas jau vairāk, kā 20. gadus. Zemākā vidēja temperatūra pirmā reaktorā ir 34°C , augstākā 44°C. Zemākā vidēja temperatūra otrā reaktorā bija 52°C un augstākā vidēja temperatūra bija 64°C.
Temperatūras paaugstināšana virs 60°C samazina mikroorganismu darbību. Tāpēc ATS stacija otrā etapā parasti tiek apgādāta ar siltuma apmaiņas iekārtām dzesēšanai (sk. 1.zīm.). Dzesēšana var notikt ar NAI notekūdeņiem. Siltuma apmaiņas iekārtas ir serpentīncaurules siltumapmainītājs vai filtrēšanas cauruļu siltummainis, kas atrodas reaktora centrā.
Daži izmeklējumi tika veikti lai novērtētu ATS spējas patogēnu samazināšanā. Viena no pēdējām atskaitēm tika veikta Austrālijā ATS stacija tika palaista darbībā 2002.g. jūnijā. Minimālais temperatūras nosacījums dezinficētām dūņām ir 55°C 23 stundu ilgam apstrādes periodam pēc kura neitralizētās dūņas atbilst EPA standarts A klases biomasai. Kā vērojams 1.tab. testējot ielādējamo dūņu paraugus tika konstatēti kuņģa vīrusi, dziedzeru vīrusi un reo vīrusi, bet tie nebija visos paraugos, kas tika ņemti no 2 reaktora. Salmonella un E.coli (zarnu nūjiņas) klātbūtne tika noteikta ielādējamos dūņu paraugos. Kamēr visos paraugos, kas bija ņemti no pirmā un otrā reaktora salmonellas nebija, E.coli daudzums bija aprēķināts mazāk kā 2 eks.

1. tab. dezinfekcijas rezultāti, Austrālija

Gaistošo vielu samazināšana

Parasti suspendēto vielu (SV) koncentrācijai notekūdeņu dūņās, kas tiek ievadītas ATS stacijā jābūt diapazonā no 4% līdz 6%. Sadzīves notekūdeņu dūņās organiskās masas daļa sastāda ap 70%, tas nozīmē, ka aktivēto nogulšņu noslodzei jābūt lielākai par 0,1 kg/dienā-1.
Mazāka daudzuma neitralizēšanas laiks sasniedz 6 līdz 9 dienas.
Stabilizācijas kritērijs saskaņā ar ASV EPA standartu pieprasa gaistošo vielu samazināšanu par 38%. 2.tab rāda stabilizācijas rezultātus ATS stacijā Austrālijā. Vidējā stabilizācija izrādās 43.2%.

2. tab. Stabilizācijas rezultāti, Austrālija

5. att. gaistošo vielu SV koncentrācija neapstrādātās un apstrādātās dūņās

Novērojumu periodā vidējais sausnes saturs ielādējamās dūņās bija 4.43 % kamēr gaistošo vielu frakcija bija 82.6 %. Sadalījušās dūņas sastāv no vidēji 3,09% sausnes, kamēr gaistošo vielu frakcija sastādīja 73.1 %. Šie dati liecina, ka tika sasniegta gaistošo vielu samazināšana par 38 %. Vidējais apstrādes laiks bija 7.3 dienas un maksimālās temperatūras, kas tika sasniegtas otrā reaktorā svārstījās no 55 līdz 63°C.
Vairāk informācijas par ATS staciju darbību no dažādām ATS stacijām visā pasaulē var redzēt tabulā 2. Gaistošo vielu iznicināšana parasti ir diapazonā 38 - 45%. E.Coli daudzums, kas atrasts apstrādātās dūņās parasti ir daudz zemāks nekā pielaistais maksimums 1,000 MPN / gr uz kopējo cieto vielu daudzumu.
 

3. tab. informācija par FUCHS ATS dažu staciju darbību

Industriālā izmantošana

Papildus sadzīves notekūdeņu dūņām ATS efektīvi attīra arī organiskās rūpniecības dūņas.
Tika veikti eksperimentālie izmeklējumi ar dūņām no pienotavām un rūpnīcām, kas veic gaļas pārstrādi. Balstoties uz šiem eksperimentālajiem izmeklējumiem, tika veiksmīgi konstruēta un uzbūvēta pilna mēroga ATS stacija pienotavai un kartupeļu pārstrādes uzņēmumam.
ATS stacijas ir piemērotas arī šķidro dzīvnieku mēslu efektīvā apstrādei. Ļoti labi rezultāti ar ATS tika sasniegti papīrfabriku notekūdeņu dūņu apstrādē Polijā.
 

6. att. ATS iekārtas Skolwin pilsētā

7. att. parādīts eksperimenta rezultāts, kas bija veikts ražotnei, kas ražo barību mājdzīvniekiem. Sakarā ar termofīlo procesu strauji palielinās tauku daudzumu. Pēc 6 diennaktis tauku daudzums stabilizējās un pamazām sāk samazināties. Gaistošo vielu daļas daudzums sadalīšanās laikā palielinās līdz sasniedz vairāk kā 60% pēc 12 apstrādes diennaktīm..
 

7. att. ATS darbība ar dzīvnieku barības ražošanas atkritumiem

Smakas kontrole

ATS procesā radušās gāzes satur nepatīkamas smakas, kas var izplatīties apkārtnē. Lai to novērstu radušās gāzes ir jāapstrādā.
Agrāk ATS radīto gāžu apstrādei tika izmantoti bioloģiskie filtri un ķīmiskie gāzes tīrītāji. Pārsvarā tika izmantoti ķīmiskie gāzes tīrītāji, taču to konstrukcijas ir pārāk nedrošas un apkalpošana ir bīstama.
Pēdējo gadu laikā tika izstrādāta jauna tehnoloģija smakas apstrādei, kas balstās uz UV gaismas un katalītiskā konvertera pielietošanu. FUCHS foto-katalītiskās oksidācijas process (FKO) izmanto UV- gaismas oksidēšanas iespējas ATS staciju un citu gāžu plūsmu apstrādei.
UV – gaismas lietošana izplūdes gāžu apstrādei rezultātā dod ozona un hidroksilradikāļus. Procesā lielākie piesārņojumi sadalās mazākos fragmentos, kas pēc tam tiek oksidēti. Katalītisks konverters ar savu virsmu kalpo grūti sadalāmo piesārņojumu sadalīšanai nodrošinot arī to, ka ozons netiek izlaists vidē.
1. zīm. parādīts PCO agregāts, kas tiek izmantots ATS izplūdes gāzes apstrādei. Ūdens gāzes tīrītājs kalpo lielākoties izplūdes gāzes plūsmas temperatūras samazināšanai vienlaicīgi samazinot arī amonjaka koncentrāciju. Ūdens attīrīšanas stacijas attīrītie ūdeņi tiek izmantoti kā tīrīšanas ūdens.

 

7. att. katalītiskā apstrādes stacija ATS stacijas izplūdes gāzēm

Rezumējums

ATS procesu veiksmīgi izmanto Eiropā vairāk kā 25 gadus. Pārvēršot notekūdeņu dūņas tā saucamā A klases biomasā, process ir efektīvs līdzeklis vērtīgo cietvielu atgriešanā dabas apritē.
Visā pasaulē ir vairāk kā 80 strādājošo iekārtu.

Tehnoloģija raksturojas:

• vienlaicīgi stabilizē un neitralizē patogēnus
• atbilst starptautiskiem standartiem
• stabils process nav iespaidojams ar mainīgiem vielu daudzumiem vai smagiem metāliem
• īss procesa laiks (apm. 7-9 dienas)
• nelielas laukuma prasības
• zemi ieguldījumu izdevumi
• iespējama pārvietošana
• iespējama palielināšana
• industriālā un municipālā izmantošana

Darbības dati no visām pilnā mērogā strādājošām iekārtam un eksperimentāliem rūpnieciskiem pētījumiem apstiprina sistēmas spēju sasniegt pieprasāmās temperatūras apstākļus bez papildu sildīšanas, būtiski samazināt gaistošās vielas un patogēnus līdz noteiktām robežām. ATS tehnoloģija atbilst notekūdeņu dūņu pārvēršanos A klases biomasā, atbilstoši starptautiskiem standartiem.