Ogólny schemat oczyszczani ścieków:

Część mechaniczna

Powoduje usuwanie zawiesiny łatwo opadającej, piasku itp.

Piaskownik często z komorą do odtłuszczania. Proces odtłuszczania zachodzi też w osadniku. W piaskowniku następuje sedymentacja piasku, który stanowi niepotrzebne obciążenie dla układu, pomp itp. Stosowane piaskowniki:

1. piaskowniki poziome - projektuje się je dla maksymalnego przepływu, a sprawdza dla maksymalnego i minimalnego, dla przepływów o dłuższych czasach liczymy dla przepływu średniego

Hydrocyklon - odpompowuje piasek z piaskowników, woda wraca do przepływu, a piasek po poddaniu go procesowi przepłukania i suszenia na poletku, gdzie schnie, a następnie np. wykorzystuje się do budowy dróg.

Recyrkulator - osad czynny jest recylkulowany, czyli zawracany, część wraca z powrotem do układu.

Kraty - ich zadaniem jest wyłapywanie wszystkich dużych części ze ścieków. Dzielimy je na: 1. oczyszczane ręcznie (dla małych oczyszczalni), 2. oczyszczane mechanicznie. Ze względu na wielkość oczek: 1. rzadkie (>40 mm-prześwit między kratami), 2. średnie (20-40mm), 3. gęste (<20mm). Kraty średnie wyłapują 7l/M/rok skratek. Skratki wyłapywane są rozdrobnione i jeszcze raz przepuszczane przez kraty. Zamiast krat można zamontować pompy rozdrabniające. Na dużych oczyszczalniach czasem montuje się sita (lub mikrosita) zamiast krat i osadnika wstępnego. Projektować powinno się tak, aby ścieki przepływały grawitacyjnie. Trzeba obliczyć straty. Jeżeli trzeba stosować przepompownie to na początku, aby dalej ścieki płynęły grawitacyjnie.

Osadniki wstępne - parametry charakteryzujące:1 . obciążenie hydrauliczne, 2. powierzchnia, im większa tym gorzej. Stosowane osadniki - najlepsze w przepływie poziomym, poza tym:

1. osadniki radialne (poziome) z rurą centralną - oleje przerabia się razem z osadem (mają one charakter organiczny)

Osadnik wtórny - usuwana zawiesina mikroorganizmów, a potem do zbiornika.

Najczęściej stosowany:

Wada: osad jest słabo zagęszczony i pompy muszą mieć dużą wydajność.

Część biologiczna

Część zanieczyszczeń usuwana jest w części mechanicznej a część w biologicznej. Część biologiczna powoduje usuwanie części rozpuszczalnych, koloidalnych, zawiesiny trudno opadającej, N, P. do odbiornika mogą być zrzucane zanieczyszczenia o BZT₅=15. Część mechaniczna usuwa BZT₅ ze sprawnością 20% reszta usuwana jest w części biologicznej. Część biologiczną stanowi komora osadu czynnego (może ona być zastąpiona złożem biologicznym ale wtedy mamy niepełne oczyszczanie.

Sprawność oczyszczania biolog.:

- niepełne - usuwanie BZT₅ - 85%

- pełne - usuwanie BZT₅ > 85% ( w granicach > 95%)

Usuwanie N i P

Obecnie jest obowiązek budowania oczyszczalni dwustopniowych z usuwaniem związków azotu i fosforu. N i P usuwa się w części biologicznej oczyszczania ścieków. W celu usunięcia ze ścieków N i P przeprowadza się procesy nitryfikacji i denitryfikacji. W 1 kg suchej masy osadu (SMO) może być zawartość 2,3% (23g) P i 12,6% (126g) N.

N - usuwany jest w procesie nitryfikacji(NH₄⁺→NO₂^-→NO₃^-), a następnie denitryfikacji (przejście azotu amonowego w azot gazowy: NO₃^-→NO₂^-→N↑).

P - usuwany jest m. in. w procesach chemicznych (chemiczne strącanie w osadniku) - aby strącić chemicznie 1g P trzeba zastosować 18g PIX i otrzymamy 8,3g smo.

Układy EBPR:

- ogólny:

W układach ważna jest głębokość reaktora bo im dłużej bańka powietrza przebywa w reaktorze tym bardziej efektywne jest wykorzystanie tlenu w niej zawartego. Stosuje się dyfuzory membranowe w celu dużego rozdrobnienia powietrz.

- Układ A²/O - najpowszechniej stosowany:

komory: anaerobowa (An), anoksyczna (Ax), Oxick (Ox-tltnowa)

Stosuje się wewnętrzną i zewnętrzną recyrkulację azotanów, nie trzeba tu stosować dodatkowego źródła węgla organicznego bo do komory tlenowej dociera osad organiczny, można tu dodatkowo stosować PIX. Ważna jest tu jednak stała temp., stały dopływ ścieków. Układ stosuje się do dużych oczyszczalni w blokach technologicznych (cęsto stosuje się więcej układów - zwykle 4 to minimum).

Najczęstszy układ trzech komór:

Mieszanie w An i Ax nie może tak burzliwe aby dostarczać tleny, mieszanie w Ox za pomocą natleniających dyfuzorów.

- Układ UTC najwcześniejszy:

Dwie wewnętrzne recyrkulacje ścieków i jedna zewnętrzna.

- Układ Bardenpho:

Z cieczy nadosadowej trzeba usuwać fosfor. Znajduje się tu recyrkulacja wewnętrzna i zewnętrzna.

- Układ Pho Strip:

Jest to uklad chemicznego strącania fosforu wapnem z cieczy nadosadowej. Chemiczne strącane wapnem powoduje, że P jest mniej niż 1g/m³.

- Układ AO z chemicznym strącaniem fosforanów:

Stosowany w małych oczyszczalniach.

W małych oczyszczalniach często rezygnuje się z osadnika wstępnego, stosując w zamian kraty i piaskownik.

Osad czynny:

Jest to zawiesina mikroorganizmów w odpowiednim stężeniu rozkładającym związki organiczne.

Znajduje się w komorze osadu czynnego. Ponieważ tylko część zawiesiny jest usuwana w części mechanicznej układu oczyszczania ścieków, należy w bilansie osadu obliczyć ile zawiesiny dostanie się do komory osadu czynnego ( przepływa przez nią zawiesina trudno opadająca i 10% zawiesiny łatwo opadającej).

Stosuje się dwa typy reaktorów osadu czynnego:

- o pełnym wymieszaniu:

Prędkość reakcji jest mniejsza niż w reaktorze tłokowym, jest on też droższy bo czas retencji jest dłuższy. Prędkość reakcji zależy od stężenia w reaktorze

dC/dt = -kt

Równanie na sprawność procesu oczyszczania:

(C₀-C)/x_v*t = k*C

t - czas retencji

k - stała szybkości biochemicznego rozkładu[d^-1]

x_v - stężenie osadu w komorze[g_SM/m³]

- o przepływie tłokowym (najczęściej stosowane):

stężenie zanieczyszczeń zmienia się na całej długości reaktora

C_e/C₀ = exp(-kx_v*t)

Dla ścieków miejskich k= 0,0007÷0,0018 h^-1

Parametru osadu czynnego:

a) czynniki wpływające na szybkość rozkładu zanieczyszczeń w reaktorze:

- skład ścieków

- ilość osadu czynnego w reaktorze

- czas napowietrzania

b) czynniki wpływające na przyrost i utlenianie biomasy:

- synteza biomasy w wyniku rozkładu zw. organicznych zawartych w ściekach

a*S_r, gdzie: S_r - usunięty ładunek zanieczyszczeń

- utlenianie wewnątrzkomórkowe (oddychanie biogenne) → stabilizacja osadu

b*x_v*V, gdzie: V - objętość reaktora, x - współczynnik utlenianie biomasy

- dopływ do komory osadu czynnego ścieków z zawiesiną, która nie została usunięta w części mechanicznej

f₀*x₀*Q, gdzie f₀ - udział nierozkładalnej frakcji organicznej i mineralnej, x₀ - stężenie osadu dopływającego(zawartość zawiesiny wypływającej z osadnika wstępnego)

- ilość osadu może ulec zmniejszeniu na skutek wynoszenia z osadnika wtórnego, wraz ze ściekami z niego odpływającymi

x_e*Q, gdzie x_e - ilość osadu wynoszonego z układu

Przyrost organicznej części biomasy osadu czynnego określamy równaniem:

X_v = a*S_r - b*x_v*V

Całkowita ilość osadu nadmiernego:

X = (
X_v/f_v)+Q * (f₀*x₀ - x_e)

Frakcja organiczna składa się z :

- 77% substancji organicznych biologicznie rozkładalnych

- 23% substancji organicznych biologicznie nierozkładalnych

Parametr: wiek osadu - jest to statystyczny czas przebywania cząsteczki osadu czynnego w komorze. Im większy wiek osadu tym większy wzrost (kumulacja) frakcji nierozkładalnej w osadzie:

WO = (x_v*v)/
x_v = (x_v*v)/x_n*Q_n,

Gdzie:

x_v*v- zapas osadu,

x_n - zawartość suchej masy osadu nadmiernego,

Q_n - ilość osadu nadmiernego.

Zapotrzebowanie na tlen:

Z_O2 = a'*S_r + b'* x_v*V,

gdzie:

a' - wsp. zapotrzebowania tlenu do syntezy biomasy [kg_O2/kg_BZT5zred]

b' - wsp. zapotrzebowania tlenu do oddychania wewnątrzkomórkowego

bardzo istotnym parametrem jest zapotrzebowanie na związki pokarmowe (N i P):

BZT₅ : N : P = 100 : 5 : 1

Z_N = 0,123
X_v + 1,0 Q

Z_P = 0,026
X_v + 0,05 Q

Przy dużym wieku osadu (powyżej 40 dób) można się spodziewać stabilizacji tlenowej osadu (osad ustabilizowany można od razu poddać mechanicznym procesom osuszania)

Ostatecznie:

WO = (x_v*v)/
x_v

x_v/ x_vV = a*(S_r/x_v*V) - b

(S_r/x_v*V)= O_s', gdzie (S_r/x_v*V) - obciążenie osadu ładunkiem zredukowanym;

1/WO = a* O_s'-b

z czego wynika, że wiek osadu jest odwrotnie proporcjonalny do obciążenia osadu ładunkiem zredukowanym (im mniej zanieczyszczeń tym większy wiek osadu)

Ilość osadu nadmiernego - zwiększa się ją przez zwiększenie stężenia osadu (można to wprowadzić aby z większą efektywnością prowadzić proces usuwania pierwiastków biogennych).

Osad chemiczny ma istotny wpływ na osad organiczny (hamuje przeróbkę osadu jeśli zawiera Al.)

Bardzo ważnym elementem w układzie oczyszczania ścieków jest gospodarka osadami!

Osad nadmierny - trzeba go oczyścić, można go przetransportować przed osadnik wstępny.

Flokulacja komory wolnego mieszania - mechaniczne mieszanie o osi pionowej

Koagulacja - jest to metoda oczyszczania wód zawierających koloidy oraz zawiesiny trudno opadające. W wyniku koagulacji usuwane są z wody cząstki trudno opadające oraz koloidalne decydujące o mętności wody lub intensywności jej barwy. Wśród koloidów powodujących mętność dominują koloidy hydrofobowe (cząstki zawiesin nieorganicznych i bezwodne tlenki metali), zaś wśród decydujących o intensywności barwy koloidy hydrofilowe (cząstki organiczne zawieszone, żywe i martwe mikroorganizmy oraz uwodnione tlenki metali). Powierzchniowy ładunek elektryczny usuwanych z wody koloidów jest wynikiem sorpcji na ich powierzchni kationów i anionów obecnych w wodzie lub dysocjacji grup funkcyjnych obecnych w koloidach. W praktyce koagulacje prowadzi się koagulantami których produkty hydrolizy powodują koagulację elektrolitem oraz koagulację koloidem o znaku przeciwnym. Koagulacja zachodzi w dwóch fazach: w pierwszej, występującej bezpośrednio po dodaniu koagulantu, a trwającej sekundy, przebiegają reakcje chemiczne i fizyczne prowadzące do destabilizacji cząstek koloidalnych; podczas drugiej fazy, trwającej znacznie dłużej, zwanej flokulacją, w wyniku transportu i zderzeń cząstek zdestabilizowanych powstają kłaczki, które mogą być usunięte w wyniku flotacji i filtracji. Koagulacja zaczyna się wówczas gdy potencjał elektrokinetyczny jest mniejszy od tzw. potencjału krytycznego, którego wartość dla wielu koloidów wynosi +/- 30 mV; jest to koagulacja powolna, której szybkość zwiększa się wraz z ilością dodanego elektrolitu; przy stężeniu elektrolitu powodującym zmniejszenie potencjału elektrokinetycznego do wartości ξ = 0 rozpoczyna się koagulacja szybka. Warunkiem dobrych efektów koagulacji jest zastosowanie optymalnej ilości koagulantu oraz zapewnienie zasadowości wody niezbędnej do hydrolizy dodanego koagulantu hydrolizującego. O wyborze koagulantu decyduje jego przydatność do koagulowania usuwanych koloidów oraz pewność tworzenia trwałych, trudno rozpuszczalnych i podatnych na usuwanie z wody kłaczków. Ważne są również łatwość przygotowania roztworu i jego dawkowania, trwałość chemiczna roztworów koagulantu, dostępność na rynku oraz ich cena. Na stopień hydrolizy, która jest reakcją odwracalną, wpływa stężenie jonów wodorowych. Zwiększenie stężenia jonów wodorowych hamuje hydrolizę soli glinu i żelaza.

Jakość wód przeznaczonych do spożycia: wymagania mikrobiologiczne (brak bakterii escherichia coli, termotolerancyjnych, typu kałowego, coli i paciorkowców typu kałowego, klostridii redukujących siarczyny); wymagania fizykochemiczne (wskaźniki chemiczne: barwa, mętność, przewodność, smak, zapach; grupy substancji nieorganicznych: amoniak, azotyny, azotany, fluorki, Mg, Zn, Fe; substancje organiczne: benzopiren, WWA, utlenialność; uboczne produkty dezynfekcji: bromiany, chloraminy, chlorany; radionuklidy)

Koagulacja solami (zasadowość musi być jeśli nie to + wapno). Środki wspomagające koagulację ich celem jest zmniejszenie dawki koagulantu i przyspieszenie procesu.

Osadniki - sedymentacja, następny proces po koagulacji; o przepływie poziomym lub pionowym

Klarownik - osadnik połączony z komorą flokulacji

Sedymentacja - jest jednym z podstawowych procesów wykorzystywanych w oczyszczaniu wody (do usuwania cząstek o gęstości większej od gęstości wody - cząstek opadających). Opadanie cząstek w wodzie jest zjawiskiem złożonym i zależy od ich stężenia, wymiaru, kształtu, gęstości, temperatury, prędkości i kierunku przepływu wody. W zależności od charakteru i ilości zawiesin wyróżnia się opadanie cząstek ziarnistych, kłaczkowatych.

Osadniki - to urządzenia, w których zachodzi proces usuwania zawiesin z oczyszczonej wody, służą więc do zatrzymywania zawiesin łatwo opadających, naturalnych lub wytworzonych w procesie koagulacji i chemicznego strącania związków trudno rozpuszczalnych. Stosowane w celu oczyszczenia wód podziemnych i powierzchniowych. Ich miejsce w układzie urządzeń zależy od kolejności procesów oczyszczania wody (na początku układu lub po urządzeniach powodujących powstanie zawiesiny). Ze względu na kierunek przepływu wody, osadniki dzielą się na: pionowe, poziome, poziomo - pionowe. Specjalną odmianą osadników są osadniki zespolone z komorą reakcji w której zachodzi flokulacja i sedymentacja. Przyspieszenie koagulacji otrzymuje się poprzez kontakt z kłaczkami osadu zawieszonego. Osadniki o przepływie poziomym: unoszenie cząstek stałych zależy od prędkości przepływu wody w osadniku i prędkości opadania. Osadniki o przepływie pionowym: do małych ilości wody. Osadniki o przepływie poziomo - pionowym: przebudowane stare osadniki poziome + przegródki. Osadniki odśrodkowe: woda przepływa poziomo, promieniście, do dużych ilości wody. Osadniki wielostrumieniowe: sedymentacja wielostrumieniowa w modułach sedymentacyjnych. Osadniki kontaktowe z osadem zawieszonym: oczyszczanie wody poprzez koagulacje (klarowniki), przepływ koagulowanej wody przez warstwę osadu zawieszonego zawierającego kłaczki koagulantu, koloidy, zmiękczają wodę.

Metodą strąceniową, uzdatnionej do celów energetycznych. Osadnik z warstą osadu zawieszonego w wielu ukl oczyszczanej wody zastąpił konwencjonalne urządzenia do koagulacji objętościowej tj. komory szybkiego i wolnego mieszania i osadniki. Proces koagulacji w osadzie zawieszonym wymaga mniejszej destabilizacji ukl koloidalnych niż koagulacja obj., stad przy stosowani osadników z osadem zwieszonym uzyskuje się mniejsze dawki koagulantów w porównani z osadem zawieszonym wymaganiami do koagulacji realizowane w komorach szybkiego i wolnego mieszania.

Osad zawieszony pełni główną rolę technologiczną w tych urządzeniach ma, znaczna powierzchnie właściwa do 290 m2/g i pojemność sorpcyjną, która w pełni morzy by wykorzystana podczas przepływu wody w przeciwprądzie z kłaczkami. Osad działając kontaktowo przyśpiesza proces koagulacji i tworzenie dużych aglomeracji kłaczków zatrzymuje drobne zawiesiny i mikro kłaczki. Łączy więc w sobie mechanizmy decydujące o koagulacji i sedymentacji.

Konstrukcje osadników kontaktowych z osadem zawieszonym są różne i dotyczą głównie przepływu wody przez warstwę osadu zawieszonego. Z uwagi na powyższe osadniki można podzieli na: o stałym przepływie przez warstwę osadu zawieszonego , o pulsacyjnym przepływie, bez przepływu wody prze warstwę osadu zawieszonego lecz z zawracaniem strąconego osadu i mieszaniem go z dopływającą wodą

Żeby zaszła hydroliza to musi być odpowiedni skład wody oraz odpowiednia zasadowość-węglany i węglowodory sodu. Reakcje istotne dla chlorków i siarczanów:

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 <=> 2Al(OH)3 +3CaSO4+ 6CO2

Fe2(SO4)3 + to samo <=> 2Fe (OH)3+ to samo

FeCl3 + to samo <=>2 Fe(OH)3 + CaCl2 + 6CO2

Rośnie zasolenie i powstaje CO2 , który powoduje korozję ,ale możemy dodać wapno -sedymentacja, filtracja.. Ważne jest aby było trochę mętności -zarodki do tworzenia się kwasów. Usuwamy procesie sedymentacji , nie ma 100% sprawności.

Stosując warstwę węgla:

Cykl filtracji nie krótszy niż 1 dzień, Dla stacji podziemnej nie stosujemy nie stosujemy odzysku wody .

Kolejny proces oczyszczania wody - adsorpcja.

Koagulacja,flokulacja, sedymentacja , filtrcja<=>adsorpcja

Cząstki rozpuszczone o charakterze hydrofobowym migrują do granicy rozdziału faz (wyłapanie [przez powierzchnie zanieczyszczeń zanieczyszczeń i usunięcie ich ),stosujemy absorbenty - materiały ziarniste o dużej powierzchni właściwej . np.:

- węgiel aktywny (otrzymywany z surowców wyjściowych)

- mat.żele kwasu krzemowego

- sita molekularne

Adsorbery - sub. O dużej powierzchni właściwej, o dużym stopniu rozdrobnienia .Granulowany węgiel aktywny możemy regenerować -wodą płuczącą .Transport do systemu regeneracji ..Parametry procesu adsorpcji są takie same jak w filtracji .Na obszarze (stacji) oczyszczanai wody nie buduje się systemów regeneracji..

1 regeneracja 10% ubytek po 10 mamy 100% nowe węgle aktywne .

*granulowane -pyliste

Adsorpcja węglem akt. Jako środek do filtracji .

Procesy utlenianiania zanieczyszczeń:

Wstępne utlenianie - na początku układu zadaniem jest wyeliminowanie mikroorganizmów które są wodzie surowej a mają tworzyć osady biologiczne .Możemy otrzymać uboczne produkty utleniania nie zawsze korzystne - kancerogenne i mutagenne

Humus + Cl2 = THM

Nie najlepsze , ale najtańsze , najsilniejsze

Związki fulwowe są w nieznacznej ilości humusów -łatwo usuwane w koagulacji .

Współczynnik dyfuzji :

D =k t/z pi g d

Wstępne utlenianie może polepszyć usuwanie tłuszczy .Utlenianie przed procesem adsorpcji tylko O3.

- rozbijanie większych cząstek na mniejsze i szybciej migruje przyspieszony proces ,

- stworzenie warunków tlenowych w układzie - w komorze węgla aktywnego .

- cząstki przygotowane do lepszego absorbowania ,

- zjawiska samoistnej regeneracji węgla aktywnego ,

- stworzone lepsze możliwości do biologicznej regeneracji ,

Końcowe utlenianie - dezynfekcja - ostateczne utlenianie

Wyeliminowanie bakteriologii- nie powinno być większej niż 2 gC/m³ ilość C_akt - owo - substancje organiczne

bromki - ozonowanie- bromiany powstają które są niedobre

Mechanizmy zniszczenia bakterii:- niszczenie błony bakteryjnej i wyeliminowanie ich. Ozonu nie można stosować w końcowe utlenianie bo na działanie punktowe , dlatego dezynfektem CL,CLO₂

Utlenianie i dezynfekty stosowane: - chlor, -ozon, -nad wymywaniem potasu,- CLO_{2 ,} podchloryn sodu

CLO_{2 ,} =>możemy wytwożyć =>chlorynę i chlorany -redukcja O₂ powstaje chloryna 50% i chlorany 50% dlatego OWO = 2 gC/m³ bo nie może być więcej niż OH. Postępowanie przy doborze utleniaczy O₃THM -utl. , osad => koagulacja =>flolacje=> sedymentacja=> filtracja=> adsorpcja

Naturalne procesy oczyszczanie filtry powolne . Wraca się do nich. Potencjał uzależnień od zmiany entalpi swobodne Δ6˚=-nFE˚ =-R T lnK n- liczba ele przenoszonych, F- stała Faradaja, R- stała gazowa, Układ reakcji utl.stosowane : chlor, tlen, nadmanganian potasu

Cl₂ + 2e^- =>2Cl^- E₁^o =1,36V, 2Fe²⁺ +6H₂O=>2Fe(OH)₃ + 6H⁺ + 2e^- E₂^o =-1,01V

Sumaryczne reakcje

2Fe²⁺ +Cl₂ + 6H₂O=>Fe(OH)₃ + 2Cl^- + 6H⁺

MnO₄^- + 4H⁺ +3e^- =>MnO₂ +2 H₂O E=1,69

3Fe²⁺ +9H₂O=>3Fe(OH)₃ +9H⁺ + 3e^- E=-1,01

3Fe²⁺ + MnO₄^- +7H₂O=>3Fe(OH)₃ +MnO₂ +5H⁺+ tlen E=0,67V

O₂ +4H^- +4e^- =>2 H₂O E=1,23V

4Fe²⁺ +12H₂O=>4Fe(OH)₃ +12H⁺ + 4e^- E= -1,01V

4Fe²⁺ + O₂ +10H₂O=>4Fe(OH)₃ +8H⁺ E=0,22

Wyznaczamy stałą równowagi

k=expּ(Δ6ּ10³ / RT)

k=expּ(67,41ּ10³ /8,29ּ288)=1,93 ּ 10¹² dla chloru

Dla nadmanganianu potasu

k=expּ(153,56ּ10³ /8,29ּ288)=1,619 ּ 10³⁵

dla tlenu

k=expּ(84,75ּ10³ /8,29ּ288)=2,605 ּ 10¹⁵

---