1

Ćwiczenie 3. Wyznaczenie parametrów technologicznych modelowego systemu

oczyszczania ścieków za pomocą „osadu czynnego”

1. Wprowadzenie

Na pracę osadu czynnego mają wpływ zarówno rodzaj, jak i stężenie zanieczyszczeń.

Rodzaj doprowadzanych zanieczyszczeń jest istotny ze względu na możliwość występowania
substancji wykazujących działanie toksyczne. Trudno rozkładalne związki organiczne
wymagają dłuższego czasu kontaktu z osadem, co uzyskiwane jest przez zmniejszenie
obciążenia, wydłużenie czasu zatrzymania, czy recyrkulację ścieków oczyszczonych.
Również temperatura i odczyn wywierają istotny wpływ na oczyszczanie ścieków metodą
osadu czynnego.

Temperatura

ścieków wpływa na: lepkość cieczy, wielkość napięcia

powierzchniowego, stężenie tlenu rozpuszczonego, rozpuszczalność substratów, wymianę
gazową między organizmami a cieczą otaczającą, szybkość reakcji biochemicznych,
opadalność zawiesin, w tym kłaczków osadu czynnego.
Mikroorganizmy mające istotny wpływ na powstawanie i strukturę kłaczków osadu czynnego
- Zooglea ramigera, mają zakres swojego rozwoju w przedziale 10 - 40

0

C, zaś optimum

przypada w zakresie 28 - 30

0

C. Formy nitkowate bakterii np Sphaerotilus natans mają

zbliżony zakres rozwoju, jednakże mogą one już dominować w temperaturze 5 - 10

0

C, kiedy

organizmy zooglealne wykazują dopiero niewielką aktywność biochemiczną.
Temperatura ścieków miejskich waha się w okresie letnim miedzy 15 a 25

0

C, natomiast w

okresie zimowym wynosi około 10

0

C [1]

Odczyn ścieków bytowo-gospodarczych i komunalnych dopływających do komór

osadu czynnego mieści się w granicach pH = 7,0 + 0,5. Formy zooglealne organizmów osadu
czynnego wymagają optimum pH = 7,0 – 7,5, natomiast organizmy nitkowate rozwijają się
przy odczynie pH = 5,0 – 6,0. W ścieków bytowo-gospodarczych dopływających na
oczyszczalnie pH może się wahać w zakresie 6,6 – 8,0.

Czas napowietrzania. Parametr ten określa czas, w którym ścieki wraz z osadem

czynnym są napowietrzane, co z reguły jest równoznaczne z ich hydraulicznym czasem
zatrzymania w komorze napowietrzania. Czas zatrzymania można obliczyć ze wzoru:

T =

V

Q

[h]

gdzie:

V - objętość komory napowietrzania, [m

3

],

Q - natężenie dopływu ścieków, [m

3

/h].

Czas, w którym zanieczyszczenia organiczne zostaną usunięte ze ścieków, zależy od: rodzaju
zanieczyszczeń, stężenia substancji zanieczyszczającej, ilości i aktywności osadu czynnego,

2

adaptacji osadu do rodzaju zanieczyszczeń, warunków środowiskowych (np. temperatury,
odczynu, proporcji substancji odżywczych, stopnia wymieszania).
Ścieki są zwykle mieszaniną substancji rozpuszczonych, z których każda usuwana jest
proporcjonalnie do upływającego czasu. Jednakże prędkość usuwania może być różna dla
każdej z rozpuszczonych substancji.

Zawartość zawiesin osadu czynnego w komorze napowietrzania – X

v

– oznacza ,

ile gramów osadu (oznaczonego jako sucha masa lub sucha masa organiczna) znajduje się w 1
dm

3

(lub m

3

) komory napowietrzania.

Xv [gs.m.o./dm3] lub [gs.m.o./m3]

Przeciętnie w komorze napowietrzania utrzymywane jest stężenie 3 - 3,5 kg

s.m.o.

/m

3

i dąży się

do większych wartości.

Ponieważ do komory napowietrzania doprowadzane są ścieki surowe, a odprowadzane

ścieki wraz z osadem, to dla utrzymania odpowiedniej ilości zawiesin w komorze stosuje się
zawracanie osadu z osadników wtórnych do komór napowietrzania, czyli recyrkulację.
Stopień recyrkulacji osadu – n – wyraża w procentach stosunek recyrkulowanego osadu do
ilości dopływających ścieków:

n =

Q

Q

r

[%]

Obciążenie komór napowietrzania ładunkiem zanieczyszczeń – A

V

– określa ile

gramów lub kilogramów związków organicznych (oznaczonych przez stężenie BZT

5

) jest

doprowadzanych do jednego m

3

komory napowietrzania w ciągu doby.

A

V

[gBZT

5

/m

3

d] lub [kgBZT

5

/m

3

d]

V

C

Q

A

V

0





gdzie:
Q - natężenie przepływu ścieków, [m

3

/d],

C

0

- stężenie związków organicznych w ściekach dopływających wyrażone jako BZT

5

,

[gBZT

5

/m

3

],

V - objętość komory napowietrzania, [m

3

].

Samo obciążenie komory napowietrzania nie jest czynnikiem ograniczającym

efektywność oczyszczania ścieków. W przypadku jednakowego obciążenia, czasy
zatrzymania ścieków w komorze będą się wahać, w zależności od ich stężenia. Stężone ścieki
można przy jednakowym obciążeniu objętościowym oczyścić w wyższym stopniu niż ścieki
„rozcieńczone”. W praktyce spotyka się obciążenia komór w zakresie 100 – 25000
gBZT

5

/m

3

d.

3

Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń – A

X

– określa ile gramów względnie

kilogramów związków organicznych (oznaczonych przez ładunek BZT

5

) przypada na 1 gram

suchej masy osadu czynnego w ciągu doby.

A

X

[gBZT5/gs.m.o.d] lub [kgBZT5/gs.m.o.d]

Pomiędzy obciążeniem komory napowietrzania A

V

i obciążeniem osadu A

X

istnieje

zależność:

A

X

=

v

V

X

A

[gBZT

5

/g

s.m.o.

d]

gdzie:
X

v

- zawartość zawiesin osadu w komorze napowietrzania, [g

s.m.o.

/m

3

].

Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń należy traktować jako czynnik

ograniczający działanie oczyszczające osadu, gdyż wraz z obciążeniem osadu, zmienia się też
naturalnie aktywność biocenozy bakteryjnej. Dany układ osadu czynnego powinien być
obciążony ładunkiem zanieczyszczeń w takim stopniu, aby mikroorganizmy były w stanie
zużyć większość materii organicznej dopływającej wraz ze ściekami. W praktyce stosuje się
obciążenia w granicach 0,05 - 5,0 gBZT

5

/g

s.m.o.

d. Z przeprowadzonych szczegółowych badań

wynika, iż dla całkowitego biologicznego oczyszczania ścieków odpowiednie jest obciążenie
osadu ładunkiem BZT

5

mniejsze od 0,4 gBZT

5

/g

s.m.o.

d, natomiast w przypadku nitryfikacji

obciążenie to nie przekracza 0,15 gBZT

5

/g

s.m.o.

d.

Wiek osadu – W – określa się jako czas, po którym cały osad zgromadzony w całym

systemie ulegnie wymianie; jest to przeciętny czas, w którym kłaczek osadu czynnego
znajduje się w systemie oczyszczania:

W=

V

X

q

X

Q

X

v

r

e





 

[doba]

gdzie:
V - objętość komory napowietrzania, [m

3

],

X

v

- zawartość zawiesin osadu w komorze napowietrzania, [g/m

3

],

q - dobowy nadmiar osadu czynnego odprowadzany z osadników wtórnych, [m

3

/d],

X

r

- zawartość zawiesin w osadzie nadmiernym, [g/m

3

],

Q - średnio dobowy przepływ ścieków, [m

3

/d],

X

e

- zawartość zawiesiny w ściekach oczyszczonych, [g/m

3

],

Parametr ten jest zależny od przyjętego sposobu oczyszczania oraz od specyficznej

szybkości wzrostu mikroorganizmów. Dla procesu osadu czynnego można przyjąć, że
odwrotność szybkości wzrostu mikroorganizmów jest równa wiekowi osadu

1





WO ,

gdzie:



- specyficzna szybkość wzrostu mikroorganizmów, [1/d].

4

W praktyce oznacza to, iż im mniejsza wartość



- specyficznej szybkości wzrostu

mikroorganizmów, tym wyższy musi być utrzymany wiek osadu, aby nie dochodziło do
ucieczki (wymywania) mikroorganizmów z układu. Przykładowo jeżeli w bioreaktorze będzie
utrzymywany wiek osadu na poziomie WO = 8 dób, to zostaną zatrzymane w nim te
mikroorganizmy, dla których



wynosi 1/8 czyli 0,12 [1/d] i więcej. Drobnoustroje

charakteryzujące się mniejszą wartością



opuszczą bioreaktor, gdyż nie zdążą się w nim

namnożyć.

Indeks Mohlmana – I

0

– wyraża objętość w cm

3

, którą zajmuje 1 g osadu po

półgodzinnym czasie zagęszczania w leju Imhoffa. Można określić go wzorem:

I

0

=

V

X

v

[cm

3

/g]

Indeks Mohlmana określa własności sedymentacyjne osadu oraz jego uwodnienie i

jest podstawową wielkością określającą pracę osadników wtórnych. Indeks ten waha się
w zakresie 40 - 300 cm

3

/g. Przy napowietrzaniu sprężonym powietrzem osad powinien mieć

indeks poniżej 150 cm

3

/g, natomiast przy napowietrzaniu sposobami mechanicznymi

w granicach 100 - 300 cm

3

/g.

Nadmierne uwodnienie osadu, czyli powstanie tzw. osadu spuchniętego, powoduje

niekorzystny wzrost indeksu, czyli nadmierny wzrost objętości w stosunku do masy. Wysoki
indeks nie musi być oznaką pogorszenia się aktywności biochemicznej osadu, gdyż pomimo
złych własności sedymentacyjnych może on dobrze oczyszczać ścieki. Duży wzrost wartości
indeksu objętościowego osadu może spowodować rozpad osadu: kłaczki będą ciągle mniejsze
i przez to źle sedymentujące. Przy konwencjonalnych czasach zatrzymania w osadniku
wtórnym będą one wynoszone poza układ, powodując zanieczyszczenie odbiornika.

Pod względem mikrobiologicznym w osadzie spuchniętym rozwijają się bakterie

nitkowate np. Sphaerotilus, Thiotrix, Beggiatoa, które charakteryzują się luźną strukturą
i w związku z tym, cząstki wody przyczepiają się do nich na dość dużej powierzchni, wskutek
tego ciężar właściwy układu woda – kłaczek jest zbliżony do ciężaru właściwego wody.

Ostatnią fazą oczyszczania ścieków jest oddzielenie osadu czynnego od oczyszczonych
ścieków. W eksploatacji oczyszczalni ścieków dąży się zawsze do uzyskania czystego i
przejrzystego odpływu. Nie zawsze udaje się to osiągnąć. Obecność elementów
nieopadających w odpływie może mieć różne przyczyny. Wśród nich można wymienić:

- rozwój wolnopływających bakterii, wywołany np. przez wysokie obciążenie osadu lub

brak pierwotniaków, prowadzi do obecności cząstek, których nie udaje się jeszcze
oddzielić w osadniku wtórnym,

- deflokulacja w osadzie czynnym może być spowodowana przez nadmierne

zawirowanie w komorze napowietrzania lub zatrucie osadu,

- niecałkowite zatrzymywanie drobnych kłaczków przez zawieszoną warstwę filtracyjną

osadu czynnego w osadniku wtórnym. Te kłaczki „pinpoint” (tzw. łepek od szpilki)
zostają odprowadzone wraz z odpływem ścieków oczyszczonych,

- hydrauliczne przeciążenie osadnika wtórnego może czasem prowadzić do porywania osadu
nawet wtedy, gdy posiada on dobre właściwości sedymentacyjne,

5

- wadliwa budowa osadnika wtórnego może prowadzić do nieregularnego obciążenia

krawędzi przelewu,

- wynoszenie osadu w osadniku wtórnym może zachodzić na skutek procesów

denitryfikacyjnych, obecności małych kuleczek tłuszczu w osadzie, nadmiernego
rozwoju bakterii typu Nocardia oraz na skutek pęcherzyków powietrza zamkniętych w
kłaczkach,

- zbyt długie zaleganie osadu na dnie osadnika wtórnego, spowodowane np. przez źle

działające zgarniacze osadu, osad staje się wtedy beztlenowy. Może to prowadzać do
powstania pęcherzyków powietrza zamkniętych w kłaczkach,

osad źle sedymentuje, gdy występują duże ilości mikroorganizmów nitkowatych i/lub

bakterii Zooglea
- charakter dopływających ścieków: zmiany odczynu, wahania temperatury i BZT

5

,

naruszenie równowagi pomiędzy pierwiastkami biogennymi C, N i P.,

Natlenianie komór osadu czynnego. Aby zapewnić odpowiedni przebieg procesów

w komorze napowietrzania, konieczne jest doprowadzenie odpowiedniej ilości tlenu.
Zapotrzebowanie na tlen w komorze napowietrzania jest sumą zapotrzebowania na
oddychanie substratowe – w wyniku którego część organicznych zanieczyszczeń podlega
utlenieniu, dostarczając energię niezbędną do budowy komórek.
W celu zagwarantowania mikroorganizmom warunków tlenowych, stężenie tlenu w komorze
napowietrzania powinno wynosić minimum 0,5 mg/dm

3

. Zazwyczaj stężenie tlenu utrzymuje

się w na poziomie 2 – 3 mg/dm

3

we wszystkich miejscach komory.

2. Cel

Wyznaczenie podstawowych parametrów technologicznych modelowego systemu
oczyszczani „osadu czynnego” wpływających na efektywność oczyszczania ścieków.

3.Wykonanie ćwiczenia

Osadnik

Stopien recrkulacji osadu r =? (%)

Doplyw Q=?
(l/ d)

Komora
napowietrzania

Odplyw

St

ężenie biomasy

x= ? (g/l)

6

Rys.1 Schemat systemu osadu czynnego

Grupa studencka wykonuje wstępne pomiary i oznaczenia zestawione w Tabeli1.

Tabela 1. Zakres i metody oznaczeń

Oznaczenie/

Metoda oznaczenia

SVI

Indeks Mohlmana, to objętość (w ml) osadu czynnego po

zagęszczaniu w ciągu 30 min w leju Imhoffa, przypadająca

na 1g osadu.

Krzywa sedymentacji

Obserwacje (60 min), cylinder

Intensywność dopływu

ścieków surowych i

wielość recyrkulacji

osadu

Pobierając ścieki surowe do cylindra miarowego o

pojemności 100 cm

3

w ciągu 15 minut

X

Zawartość osadu czynnego w komorze napowietrzania

metodą wagową

Tlen rozpuszczony

Sonda tlenowa OXI 196 firmy WTW.

pH

Papierek lakmusowy Merck, lub pH- metr

Temperatura

Termometr

Objętość reaktora i
osadnika wtórnego

Miara

Ocena morfologii

kłaczka i zawartości

bakterii nitkowatych

Mikroskop optyczny, powiększenie x100

Na podstawie wykonanych pomiarów (tabeli 1), jak również danych dotyczących

stężenia zanieczyszczeń w dopływających ściekach (wartości z ćwiczenia nr 2 lub podane

przez prowadzącego ćwiczenia) zespoły studenckie obliczają parametry technologiczne

zestawione w Tabeli 2.

UWAGI!



Kalkulatory, długopis, kartka obowiązkowe






7

Tabela 2. Parametry technologiczne systemu osadu czynnego

Parametr

Jednostki

Wartość

obliczona

Wartość

literaturowa

Nazwa systemu

Objętość komory

napowietrzania

[m

3

]

Objętość osadnika

wtórnego

[m

3

]

Intensywność dopływu

ścieków

[m

3

/d]

Obciążenie hydrauliczne

reaktora

[m

3

/m

3

*d]

Obciążenie substratowe

objętości reaktora

[g ChZT/m

3

*d]

Obciążenie substratowe

osadu czynnego

[g ChZT/g

smo

*d]

Obciążenie substratowe

osadu czynnego

[g BZT

5

/gsmo*d]

Czas zatrzymania w

reaktorze (czas

napowietrzania)

[h]

Czas zatrzymania w

systemie

[h]

*% usunięcia BZT

5

[%]

SVI

[cm

3

/g]

Stopień recyrkulacji

[%]

Zawartość osadu

czynnego w komorze

napowietrzania

[g/m

3

]

BZT

5 dopl

mg/l

BZT

5 Odplyw

mg/l

**ChZT

dopl

mg/l

**ChZT

Odplyw

mg/l

*Biochemiczne Zapotrzebowanie na Tlen (frakcja zw. organicznych rozkładalna biologicznie
w ciągu 5 dni) dla ścieków surowych przyjąć BZT

5

= 0.7 ChZT, dla ścieków oczyszczonych

przyjąć BZT

5

= 0.05 ChZT

**Wartości ChZT podaje prowadzący ćwiczenia

8

4.Opracowanie wyników

Sekcje 3-4 osobowe opracowują wyniki na podstawie parametrów zebranych w Tabeli 2.

4.1. Na podstawie obliczonej wartości obciążenia substratowego osadu czynnego oraz

wykresu przedstawionego w załączniku 2, oszacuj wiek osadu.

4.2. Przeprowadź dyskusję wyznaczonych parametrów technologicznych porównując je z

danymi literaturowymi (załącznik 1).

4.3 Wykreślenie krzywą sedymentacji i ocen właściwości sedymentacyjnych osadu na

podstawie załącznika 3.

4.4 Na podstawie materiałów dostarczonych przez prowadzącego ćwiczenia:



oceń morfologię kłaczków oraz zawartości bakterii nitkowatych (np.: morfologia:

duże, zwarte i regularne kłaczki,



oceń zawartość bakterie nitkowatych: FI (w skali 6 punktowej (0-5) (załącznik 4)

4.5. Zaproponuj jak można by usprawnić pracę modelowej oczyszczalni osadu czynnego

sterując danymi parametrami technologicznymi.

5. Literatura

1. „Biotechnologia ścieków” - praca zbiorowa pod redakcją Korneliusza Mikscha;
wydawnictwo Politechniki Śląskiej; Gliwice 2000 r.
2. „Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków” – praca zbiorowa pod redakcją Z.
Dymaczewskiego, J. Oleszkiewicza, M Sozańskiego ; Poznań 1997 r.
3. „Biotechnologia w ochronie środowiska” Ewa Klimuk, Marta Łebkowska, PWN,
Warszawa 2005

6. Pytania kontrolne:

1. Co to jest Indeks Molhman?
2. Jaki wpływ ma pH i temperatura na proces oczyszczania?
3. Jaki wpływ ma zawartość tlenu rozpuszczonego w reaktorze na procesy biologiczne?
4. Jaki niekorzystny efekt mogą wywoływać bakterie nitkowate w osadzie czynnym?
5. Czas zatrzymania biomasy osadu czynnego w komorze tlenowej?
6. Jakie procesy zachodzą w osadniku wtórnym?
7. Jaką rolę pełni recyrkulacja osadu w procesie oczyszczania ścieków?
8. Wyjaśnij wpływ obciążenia osadu ładunkiem zanieczyszczeń na efekt oczyszczenia

ścieków.

9

9. Jakie zanieczyszczenia w ściekach charakteryzuje BZT

5

?

10. Na czym polega intensyfikacja procesów biologicznego samooczyszczania się w

systemach technologicznych?

7. Uwagi dodatkowe

Zaliczenie ćwiczenia:

Sekcje 3-5 osobowe przygotowują 1 sprawozdanie (instrukcja punkt 4)

.UWAGA!

Termin oddania sprawozdania : 2 tygodnie od daty wykonanego
ćwiczenia!!!

Załącznik 1

Parametry pracy systemów osadu czynnego

Układ

Wiek

osadu

[d]

Obciążenie

osadu

[kgBZT

5

/kg

smo

d]

Stężenie

osadu

[kg/m

3

]

Czas napo-

wietrzania

[h]

Stopień

recyrkula

cji

[%]

Przepływ

tłokowy

5-15

0.2-0.4

1.5-3.0

4-8

25-75

Całkowite

wymieszanie

5-15

0.2-0.6

2.5-4.0

3-5

25-100

Stopniowe

zasilanie

5-15

0.2-0.4

2.0-3.5

3-5

25-75

Wysoko

obciążony

0.2-0.5

1.5-5.0

0.2-1.0

1.5-3

5-25

Nisko obciążony 20-30

0.05-0.15

3.0-6.0

18-36

50-150

Rowy

biologiczne

10-30

0.05-0.2

3.0-6.0

8-36

75-150

SBR

0.05-0.3

1.5-5.0

12-50

brak

10

Załącznik 2

Zależność pomiędzy obciążeniem substratowym osadu czynnego (ładunkiem BZT

5

) a WO

11

Załącznik 3

- określenie właściwości sedymentacyjnych osadu czynnego wykreślenie krzywej
sedymentacji i oznaczenie indeksu Mohlmana

12

Załącznik 3 cd

13

Załącznik 4

Obserwacje mikroskopowe osadu czynnego
Wykonanie:
Pobrać świeżą próbkę osadu czynnego do czystego pojemniczka. Nanieść kroplę osadu na
szkiełko podstawowe i nakryć szkiełkiem nakrywkowym. Budowę kłaczków osadu czynnego
oraz organizmy wyższe obserwować pod mikroskopem w świetle przechodzącym pod
powiększeniem 100× (obiektyw 10× i 20×)

Mikroorganizmy osadu czynnego

Załącznik 4cd

14

15

Załącznik 4cd

-zawartość bakterie nitkowatych: FI (w skali 6 punktowej (0-5)

Przy prowadzeniu obserwacji za pomocą obiektywu o 10x powiększeniu zaobserwowac
kształt, budowę i wielkość kłaczków osadu, określic zageszczenie bakterii nitkowatych
(indeks FI od 0 do 5) i przedstawicieli Protozoa-pierwotniaki (orząski, wiciowce, ameby nagie,
ameby skorupkowe) i Metazoa- wielokomórkowce reprezentujących: wrotki, nicienie,
skąposzczety

(podczas

analizy,

w

razie

potrzeby,

posłużyć się tablicami z

rysunkamischematycznymi organizmów osadu czynnego),

Numerical
value

Abundance

Explanation

0

None

-

1

Few

Filaments present, but only observed in an occasional floc

2

Some

Filaments commonly observed, but not present in all flocs

3

Common

Filaments observed in all flocs, but at low density (e.g. 1 to 5
filaments per floc)

4

Very
common

Filaments observed in all flocs at medium density (e.g. 5 - 20 per
floc)

5

Abundant

Filaments observed in all flocs at high density (e.g. 20 per floc)

6

Excessive

They present in all flocs, appears more filaments than flocs and / or
filaments growing in high abundance in bulk solution