PODSTAWY

BIOLOGICZNEGO

OCZYSZCZANIA

ŚCIEKÓW – część I

Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska

Politechniki Wrocławskiej

Dr inż. Michał Mańczak

1

WSTĘP

Biologiczne

oczyszczanie

ścieków

-----------------------

Bakterie

- heterotroficzna

- autotroficzne
Pierwotniaki

Reaktory

- przepływowe

- o pracy
okresowej
(SBR)

Warunki

- tlenowe

- anoksyczne
- beztlenowe

Biomasa
zawieszona w
środowisku
wodnym

- osad czynny

- stawy ściekowe

Biomasa
unieruchomiona
na nośniku

- złoża biologiczne

• stacjonarne

• obrotowe

- oczyszczanie w
gruncie

2

KOMORY UTLENIAJĄCE

> 1,5 g O

2

/m

3

KOMORY NIEDOTLENIONE

< 0,5 g O

2

/m

3

KOMORY BEZTLENOWE

< 0,1 g O

2

/m

3

WARUNKI TLENOWE

3

- activated sludge (ang.)
- Belebtschlamm (niem.)
- Активный ил(rus.)
- Actif boue (fr.)

Osad czynny - jest żywą zawiesiną bakterii

autotroficznych, heterotroficznych i pierwotniaków które są
zdolne do prowadzenia utleniania związków organicznych,
nitryfikacji i denitryfikacji.

OSAD CZYNNY - definicja

4

OSAD CZYNNY

5

OSAD CZYNNY

6

Mechanizm procesu oczyszczania tlenowego
- utlenianie części związków organicznych przez bakterie

heterotroficzne,

- wiązanie części związków organicznych w biomasie

mikroorganizmów prowadzących proces (ta część nie jest
utleniana).

Potrzebny jest tlen do napowietrzania!!

Przyrost biomasy (osadu wtórnego)

– konieczne jego

oddzielenie

(sedymentacja wtórna) i utylizacja (przeróbka osadu).

OSAD CZYNNY

7

Utlenienie związków organicznych przez mikroorganizmy
heterotroficzne z wykorzystaniem tlenu

C

10

H

19

O

3

N + 12,5 O

2

 10 CO

2

+ 8 H

2

O + NH

3

Synteza biomasy heterotroficznej przy biodegradacji
związków organicznych

C

10

H

19

O

3

N + 1,5 NH

3

+ 2,5 CO

2

 2,5 C

5

H

7

NO

2

+ 3 H

2

O

Sumaryczne równanie dla utleniania i syntezy

C

10

H

19

O

3

N + 4,375 O

2

+ 0,625 NH

3

 1,875 CO

2

+ 4,75

H

2

O +

+ 1,625 C

5

H

7

NO

2

Reakcje chemiczne

8

Kłaczek – „minireaktor”

Działa tak długo, aż
Zostanie usunięty z układu
(tzw. wiek osadu – wartość
rzędu wielu dób).

Zanieczyszczenia nierozpuszczone

– bardzo szybko usidlane są w kłaczkach

osadu czynnego i tam są „trawione”, aż kłaczek opuści układ (czas rzędu dób).

Zanieczyszczenia rozpuszczone

– dyfundują wolno do kłaczka w tempie

(wolnym) ich rozkładu przez organiczny w kłaczkach osadu czynnego. Te które
zdążą być rozłożone przy jednokrotnym przepływie ścieków przez KOCZ (czas
rzędu godzin) trafiają do ścieków oczyszczonych.

OSAD CZYNNY

9

OZNACZENIA

V – objętość KOCZ, m

3

Q

o

– natężenie dopływu ścieków, m

3

/d

C

o

– stężenia zanieczyszczeń rozpuszczonych w ściekach surowych, g/m

3

X

o

– stężenie zanieczyszczeń nierozpuszczonych (zawiesiny i koloidy) w

ściekach surowych, g/m

3

X – stężenie osadu w KOCZ, gsm/m

3

C

e

– stężenie zanieczyszczeń rozpuszczonych w ściekach oczyszczonych,

g/m

3

X

e

– stężenie zawiesin w ściekach oczyszczonych, gsm/m

3

Q

R

– natężenie przepływu osadu powrotnego, m

3

/d

Q

N

– natężenie przepływu osadu nadmiernego, m

3

/d

X

R

– stężenie osadu recyrkulowanego (powrotnego i nadmiernego),

gsm/m

3

α = Q

R

/Q

O

– stopień recyrkulacji

10

WIEK OSADU

Wiek osadu

(najważniejszy parametr, decyduje o efektach)

Jest to średni czas przebywania kłaczków osadu czynnego w układzie
(wynosi 1 ÷ 40 d).

- masa osadu w układzie, kg

- przyrost osadu w wyniku procesów oczyszczania, kg/d

d

x

x

V

x

M

WO

x

,











x

V

M

x





x



d

gsm

X

Q

Q

X

Q

x

e

N

O

R

N

/

,

)

(











d

gsm

x

x

x

x

I

B

/

,

min















biomasa
gsm/d
gsmo/d
gChZT/d

nierozkładalne
biol. zaw. org.
gsm/d
gsmo/d
gChZT/d

zawiesiny
min
gsm/d

11

WIEK OSADU

Wiek osadu przyjmuje się
zależnie od niezbędnych
efektów oczyszczania
ścieków.

Przyjmując

odpowiednio długi wiek

osadu

oprócz dobrych efektów
usuwania związków
organicznych, można

utlenić

azot amonowy do

azotanów

(nitryfikacja)

z

m

n

ie

js

z

e

n

ia

12

WIEK OSADU

Przyrost osadu

zależy od

wieku osadu i ładunków
zanieczyszczeń w
oczyszczonych ściekach.

Na osi rzędnych ∆x

Bj

– wartość jednostkowa na
g BZT

5

usuniętego.

gsmo/gBZT

5j

usunięty ładunek

BZT

5

, gBZT

5

/d

d

gsmo

Ł

x

x

us

BZT

j

B

B

/

,

.

5









13

WIEK OSADU

d

gsmo

x

Q

x

O

I

O

I

/

,

,







x

I,o

– stężenie w dopływie zawiesin organicznych biologicznie

nierozkładalnych, gsmo/m

3

W surowych ściekach

bytowo – gospodarczych (o)

x

I,o

≈ 0,13 · ChZT

o

/1,5 gsmo/m

3

ChZT zaw. org. gChZT/gsmo

biol. nierozkł.

x

I,o

≈ 0,23 BZT

5,o

/1,5 gsmo/m

3

W mechanicznie oczyszczonych ściekach

bytowo –

gospodarzych (m)

x

I,o

≈ 0,09 ChZT

m

/1,5 gsmo/m

3

x

I,o

≈ 0,16 BZT

5

,m

/1,5

gsmo/m

3

14

STĘŻENIE OSADU W KOCZ

Stężenie osadu w KOCZ

x = 2000 ÷ 5000 gsm/m

3

(najczęściej ok. 3000)

x

B

– stężenie biomasy osadu czynnego, gsm/m

3

, gsmo/m

3

,

gChZT/m

3

x

I

– biologicznie nierozkładalne zawieisny organiczne

pochodzące z oczyszczonych ścieków,
gsm/m

3

,gsmo/m

3

,gChZT/m

3

x

min

– zawiesiny mineralne pochodzące z oczyszczanych

ścieków, gsm/m

3

3

min

/

,

m

gsm

x

x

x

x

I

B







15

MASA OSADU W KOCZ

Masa osadu w KOCZ

Objętość KOCZ

kgsm

gsm

x

WO

x

V

M

x

,

,











3

,m

x

x

WO

x

M

V

x









16

CZAS PRZETRZYMANIA

ŚCIEKÓW

Czas przetrzymania ścieków w KOCZ

T = kilka do kilkanaście (kilkadziesiąt) godzin

(zależnie od WO i przyjmowanego ).

Nie powinien być krótszy o ok. 3h.

h

Q

V

T

h

,



17

OBCIĄŻENIE OSADU

Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń

określa ilość

zanieczyszczeń organicznych (BZT

5

) doprowadzanych do

KOCZ w jednostce czasu (d) na jednostkę masy osadu w
komorze (sm).

Jest to parametr, którego wartość jest wynikiem przyjęcia
określonego wieku osadu (WO).

d

gsm

gBZT

M

Ł

M

S

Q

O

x

BZT

x

BZT

d

ł









/

,

5

5

5

d

gsm

gBZT

x

WO

Ł

O

BZT

ł









/

,

5

5

18

OBCIĄŻENIE OSADU

19

OBCIĄŻENIE OBJĘTOŚCI

Obciążenie objętości komory ładunkiem zanieczyszczeń.

Określa ilość

zanieczyszczeń doprowadzanych do KOCZ w jednostce czasu w
przeliczeniu na 1 m

3

objętości KOCZ.

Jest to parametr wynikowy, zależny od przyjętej objętości KOCZ

(V),

która zależy od przyjętego wieku osadu i stężenia osadu w

KOCZ

(V=WO·∆x/x).

d

m

gBZT

V

Ł

V

S

Q

O

BZT

BZT

d

K

3

5

/

,

5

5







x

O

O

x

x

WO

Ł

O

ł

K

BZT

K













5

20

OBCIĄŻENIE OBJĘTOŚCI

21

INDEKS OSADU

Charakteryzuje zdolność zawiesin osadu czynnego do sedymentacji w
osadniku wtórnym.

V

os

= objętośc osadu po 30 min zagęszczaniu w 1 litrowym cylindrze,
ml/l, cm

3

/l

x = stężenie osadu w cylindrze przed zagęszczaniem, g/l

Im mniejsza wartość indeksu osadu (IO), tym korzystniejsze są jego
własności sedymentacyjne.

Dobre własności sedymentacyjne ma osad o IO w granicach 50 ÷ 100
(150) ml/g.

gsm

cm

gsm

ml

x

V

IO

os

/

,

/

,

3



22

STOPIEŃ RECYRKULACJI

Stopień recyrkulacji osadu α

(0,25 ÷ 1) (25%÷100%)

Im IO mniejszy tym α może być mniejsze.
Im mniejsze α tym mniejsze koszty pompowania.
Zbyt małe α to osad gromadzi się w osadniku wtórnym.

o

R

Q

Q





23

STĘŻENIE OSADU

RECYRKULOWANEGO

Stężenie osadu recyrkulowanego.

Osad w leju osadnika wtórnego może zagęścić się

ok. 2 ÷ 4

krotnie w stosunku do stężenia w KOCZ (x).

Uzyskanie x

R

zależy od przyjętego stopnia

recyrkulacji α:

3

/

),

1

1

(

m

gsm

x

x

R







24

OBJĘTOŚĆ OSADU

NADMIERNEGO

Objętość osadu nadmiernego Q

N

W ilości Q

N

(m

3

/d) o stężeniu x

R

(gsm/m

3

) musimy

odprowadzić cały przyrost w układzie (∆x, gsm/d)
pomniejszony o ilość osadu odprowadzanego z układu jako
zawiesiny pozostałe w odpływie z osadnika wtórnego
(~ Q

o

· x

e

, gsm/d).

Rzędu 1 ÷ kilku %

R

e

o

o

o

N

R

e

o

N

x

x

Q

x

Q

Q

d

m

x

x

Q

x

Q













/

)

/

(

/

,

3

25

26

27

28

29

• REAKTOR O PEŁNYM WYMIESZANIU

W każdym punkcie reaktora stężenia zanieczyszczeń

są

praktycznie jednakowe.

PODSTAWOWE TYPY

REAKTORÓW

30

PODSTAWOWE TYPY

REAKTORÓW

• REAKTOR O PRZEPŁYWIE TŁOKOWYM

31

PODSTAWOWE TYPY

REAKTORÓW

• REAKTOR CYRKULACYJNY

32

PODSTAWOWE TYPY

REAKTORÓW

• SEKWENCYJNY REAKTOR WSADOWY

(SBR)

33

ZUŻYCIE TLENU

Zużycie tlenu (Z

O2

, gO

2

/d, kgO

2

/d)

W KOCZ utrzymuje się stężenie tlenu rozpuszczonego

1 ÷ 2 (3)

gO

2

/m

3

.

- zużycie tlenu na utlenienie związków organicznych w

KOCZ,

gO

2

/d

- zużycie tlenu na nitryfikację azotu amonowego w KOCZ

(gdy z

uwagi na przyjęty WO nitryfikacja ma miejsce) gO

2

/d

d

gO

Z

Z

Z

NIT

O

C

O

O

/

,

2

2

2

2





NIT

O

C

O

Z

Z

2

2

34

ZUŻYCIE TLENU

- BZT

5

w próbie sączonej z odpływu osadnika wtórnego,

gBZT

5

/m

3

- przyrost osadu organicznego, gsmo/d

NITRYFIKACJA

NH

4+

+ 2O

2

NO

3-

- 2H

+

+ H

2

O (~4,6gO

2

/gN-NH

4+

utl.)

gO

2

/g N-NO

3-

powstałego w nitryfikacji

org

S

e

o

o

C

O

x

BZT

BZT

Q

Z









42

,

1

)

(

47

,

1

,

5

,

5

2

org

S

e

x

BZT



,

5

d

gO

x

ChZT

ChZT

Q

Z

org

S

e

o

o

C

O

2

,

)

(

2









d

gO

NO

N

Q

ZO

e

NIT

/

,

6

,

4

2

,

3

2











35

STĘŻENIE ZAWIESIN W

ODPŁYWIE

Stężenie zawiesin w odpływie z osadnika wtórnego

P

f

= 0,0109 h/m

Obciążenie powierzchni osadnika zawiesinami

3

/

,

)

1

(

m

gsm

x

O

P

x

h

f

e









3

2

/

,

)

1

(

/

,

m

gsm

O

P

x

h

m

gsm

x

O

O

z

f

e

h

z











36

STĘŻENIE ZANIECZYSZCZEŃ

Stężenie zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych

(z uwzględnieniem zanieczyszczeń w zawiesinie).

C

e

– całkowite

C

es

– rozpuszczone, zależy od WO i składu ścieków

oczyszczonych

C

ex

– w zawiesinie (nie dotyczy N-NH

4

, N-NO

3

)

3

/

,

m

g

C

C

C

x

e

s

e

e





3

/

,

m

g

x

f

C

e

x

e





37