PODSTAWY
BIOLOGICZNEGO
OCZYSZCZANIA
ŚCIEKÓW – część I
Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska
Politechniki Wrocławskiej
Dr inż. Michał Mańczak
1
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