www.think.wsiz.rzeszow.pl

, ISSN 2082-1107,

Nr 2 (6) 2011, s. 120-128

B

IOREAKTOR

L

ABORATORYJNY

T

YPU

SBR

DO

B

ADANIA

W

ŁAŚCIWOŚCI

O

SADU

C

ZYNNEGO I

P

ROCESÓW

O

CZYSZCZANIA

Ś

CIEKÓW

Tomasz Głębicki, Katarzyna Maria Jaromin, Agata Kopertowska, Grzegorz Łagód

Politechnika Lubelska

Streszczenie

Artykuł przedstawia przegląd reaktorów sekwencyjnych wraz z omówieniem charakterystycznych proce-

sów oczyszczania ścieków miejskich w reaktorach SBR. Scharakteryzowano w nim również procesy za-

chodzące podczas biologicznego oczyszczania ścieków komunalnych (mineralizacji związków organicz-

nych, nitryfikacji, denitryfikacji oraz defosfatacji). Ponadto praca zawiera opis zaprojektowanego reak-

tora SBR wraz z charakterystyką jego pracy w warunkach laboratoryjnych.

Wstęp

Artykuł zawiera informacje o technologii oczyszczania ścieków za pomocą bioreaktorów SBR oraz o la-

boratoryjnych bioreaktorach tego typu zaprojektowanych i wykonanych na Wydziale Inżynierii Środowi-

ska Politechniki Lubelskiej. Reaktory poddane były analizie sprawnościowej w zakresie oczyszczania

ścieków komunalnych, ocenę przeprowadzono na podstawie badań biochemicznych wskaźników zanie-

czyszczeń min. BZT

5

, ChZT, OWO.

Nazwa reaktorów SBR wywodzi się od technologii oczyszczania ścieków w sposób porcjowy (Batch Re-

actor). Utlenianie biologiczne i sedymentacja przebiegają w tym samym zbiorniku naprzemiennie –

okresowo, w sposób powtarzalny (Sequencing) stąd „SBR – Sequencing Batch Reactor”1.

1

http://aquaprim-sbr.com z dnia 09.04.09.

Bioreaktor laboratoryjny typu SBR do badania właściwości osadu czynnego i procesów oczyszczania ścieków

121

1.

Charakterystyka technologii reaktorów SBR

Zastosowanie sekwencyjnych reaktorów biologicznych (SBR) do oczyszczania ścieków jest konkurencyj-

nym rozwiązaniem w stosunku do układów przepływowych. SBR-y są jednokomorowymi bioreaktorami,

w których podczas fazy reakcji (mieszania i napowietrzania) mogą zachodzić procesy zintegrowanej eli-

minacji związków węgla, azotu, oraz fosforu, a w pozostałych fazach procesy sedymentacji oraz dekan-

tacji ścieków oczyszczonych, pozwalające oddzielić oczyszczone ścieki od czynnika procesowego.

Zazwyczaj są to układy budowane bez osadników wstępnych, nigdy natomiast nie stosuje się osadników

wtórnych. Charakterystyczne jest to, że SBR-y nie wymagają urządzeń do recyrkulacji wewnętrznej,

z kolei uwzględniają niekiedy w budowie wydzielone przegrodami sektory tlenowe lub beztlenowe

2,3

.

Przy zastosowaniu reaktorów typu SBR technolodzy mają możliwość wprowadzania wielu zmian pod-

czas sterowania procesem, w przeciwieństwie do systemów z układem przepływowym, gdzie do regula-

cji najczęściej służy ilość dostarczanego powietrza oraz ilość recyrkulowanego osadu i/lub ścieków. Moż-

liwość kontroli oraz modyfikacji warunków w reaktorach SBR polega na doborze odpowiedniego har-

monogramu pracy poszczególnych faz w cyklu i zwiększa możliwość optymalizacji procesu oczyszczania

w zakresie:

•

wydajności procesów nitryfikacji, denitryfikacji, biologicznej defosfatacji,

•

zwiększenia efektywności sedymentacyjnych osadu

4

.

Pełny cykl pracy reaktora SBR obrazuje rysunek numer 1

5

. Wyodrębniono następujące fazy:

•

napełnianie komory ściekami,

•

mieszanie ścieków surowych,

•

napowietrzanie,

•

sedymentacja,

•

dekantacja,

•

postój.

Każda z faz pełni ważne funkcje w całości procesu oczyszczania ścieków. Napełnianie może byś prowa-

dzone równolegle ze wspomagającym je mieszaniem lub bez mieszania. Mieszanie ścieków z osadem

czynnym, prowadzi do wytworzenia warunków niedotlenionych względnie beztlenowych. Najczęściej

jest to faza anoksyczna, podczas której heterotroficzne bakterie denitryfikacyjne wykorzystują łatwo

przyswajalne związki organiczne, następuje wtedy redukcja azotanów.

Kolejną fazą jest napowietrzanie stosowane w celu wytworzenia warunków tlenowych i przeprowadze-

nia procesów biodegradacji związków węgla, nitryfikacji, defosfatacji, oraz symultanicznej denitryfikacji.

2

Z. Heidrich, Zastosowanie reaktorów sekwencyjnych w oczyszczani ścieków, „Przegląd Komunalny”, vol. 35 nr

7/2004.

3

M. Mańczak, Podział reaktorów okresowego działania – SBR, „Przegląd Komunalny”, nr 7/2004,s. 35-38.

4

E. Klimiuk, M. Łebkowska, Biotechnologia w ochronie środowiska, PWN, Warszawa 2004.

5

J. Podedworna, M. Żubrowska-Sudoł, Efektywność oczyszczania ścieków komunalnych w reaktorze SBR ze złożem

ruchomym, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna”, nr 9/2008,s. 18-21.

Bioreaktor laboratoryjny typu SBR do badania właściwości osadu czynnego i procesów oczyszczania ścieków

122

W tej fazie zachodzi mineralizacja związków organicznych, oraz wiązanie fosforanów, czego efektem

jest ubytek fosforu w ściekach

6

.

W momencie wyłączenia napowietrzania proces wchodzi w fazę sedymentacji, podczas której następuje

separacja kłaczków osadu czynnego od ścieków oczyszczonych. W fazie dekantacji ścieki sklarowane

odprowadzane są z reaktora.

Ostatni etap cyklu zwany jest fazą martwą lub faza postoju. W tym czasie reaktor przygotowywany jest

do następnego cyklu pracy, najczęściej faza ta jest wykorzystywana do odprowadzenia z komory osadu

nadmiernego

7

.

Rysunek 1. Przebieg faz procesowych podczas cyklu pracy reaktora sekwencyjnego SBR

8

.

6

J. Podedworna, Zintegrowane usuwanie azotu i fosforu w reaktorze z długotrwałym dawkowaniem ścieków przez

selektor, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002.

7

M. Lebiedowski, Wybrane jednostkowe procesy oczyszczania wody i ścieków w ujęciu matematycznym, Wydaw-

nictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2004.

8

K. Piaskowski, Wpływ parametrów procesowych na usuwanie związków biogennych w laboratoryjnym reaktorze

typu SBR, Część V, Rocznik Ochrona Środowiska, Wydawnistwo Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe
Ochrony Środowiska, Koszalin 2003.

Bioreaktor laboratoryjny typu SBR do badania właściwości osadu czynnego i procesów oczyszczania ścieków

123

2.

Podział reaktorów SBR

W związku z rosnącym zainteresowaniem rozwiązaniami technologicznymi bazującymi na reaktorach

typu SBR oraz rozwojem techniki oczyszczania ścieków powstało wiele implementacji technicznych ba-

zujących na zaprezentowanych powyżej założeniach ogólnych. W związku z powyższym reaktory moż-

na podzielić według:

•

rodzajów prowadzonych procesów oczyszczania ścieków,

•

rodzajów osadu czynnego,

•

sposobów zasilania ściekami.

W reaktorach sekwencyjnych SBR mogą zachodzić między innymi procesy:

•

mineralizacji związków organicznych,

•

mineralizacji związków organicznych z nitryfikacją związków azotu,

•

mineralizacji związków organicznych, nitryfikacji oraz denitryfikacji związków azotu,

•

mineralizacji związków organicznych, nitryfikacji, denitryfikacji związków azotu, oraz wzmożonej

biologicznej defosfatacji z wykorzystaniem bakterii fosforowych (ang. Phosphate Accumulating

Organisms).

W zależności od założonego efektu oczyszczania ścieków, w sekwencyjnych reaktorach biologicznych

modyfikuje się pojemność technologiczną komór SBR-ów i ich wyposażenie. Nowością jest zastosowa-

nie ruchomego złoża w klasycznym reaktorze SBR. W ten sposób powstał tzw. MBSBBR (ang. Moving

Bed Sequencing Batch Biofilm Reactor). Takie rozwiązanie pozwala na rozwój biomasy utwierdzonej na

ruchomych nośnikach, dzięki czemu zastosowanie urządzenia niesie ze sobą duże możliwości technolo-

giczne

5

.

Sekwencyjne reaktory biologiczne mogą być zasilane substratem w sposób ciągły lub okresowy. Zasila-

nie reaktorów SBR w sposób ciągły oznacza, że ścieki do komory doprowadzane są przez 24 h/d, pod-

czas gdy odprowadzanie ścieków sklarowanych odbywa się okresowo

3

.

3.

Oczyszczanie ścieków komunalnych w reaktorach SBR

W związku z prostą zasadą działania reaktory SBR są bardziej elastyczne w dostosowaniu parametrów

pracy do potrzeb procesowych niż systemy przepływowe. Czas cyklu zależny jest od technologów steru-

jących procesem, można go dopasować do zmian w ilości oraz składzie dopływających ścieków

9

.

Zwykle czas trwania cyklu w przypadku oczyszczania ścieków komunalnych wynosi około 8 do 12h. Mo-

dyfikacja czasu pracy reaktora następuje poprzez jego wydłużenie, gdy natężenie ścieków doprowadza-

nych do bioreaktora charakteryzuje się wyjątkowo dużym współczynnikiem nierównomierności, bądź

gdy zakłada się uzyskanie podwyższonej sprawności eliminacji substancji organicznych oraz związków

biogennych - azotu i fosforu.

9

M. Mańczak, Przykłady zastosowania reaktorów SBR - kompakt do oczyszczania ścieków komunalnych, „Przegląd

Komunalny”, nr 7/2004b,s. 38-40

Bioreaktor laboratoryjny typu SBR do badania właściwości osadu czynnego i procesów oczyszczania ścieków

124

Czas trwania elementarnych faz całego cyklu zależny jest od charakteru ścieków, natężenia ich przepły-

wu, zdolności osadu czynnego do sedymentacji oraz założonej sprawności oczyszczania. Istotną rolę od-

grywa sposób doprowadzania i odprowadzania ścieków, czyli to czy występują zbiorniki retencyjne czy

też nie.

Podczas doboru reżimu technologicznego dla oczyszczania ścieków komunalnych, zgodnie z danymi lite-

raturowymi przyjmuje się, iż w bioreaktorach SBR możliwe są następujące sytuacje:

•

czas fazy napełniania zależy od ilości doprowadzanych ścieków podczas trwania cyklu oraz od liczby

reaktorów;

•

czas fazy mieszania i napowietrzania związany jest z rodzajem ścieków doprowadzanych, zależy

również od celów technologicznych, przyjętych w procesie oczyszczania. Czas napowietrzania należy

dobierać uwzględniając sposób napełniania reaktora ściekami;

•

czas trwania sedymentacji uzależniony jest od właściwości sedymentacyjnych zawieszonej biomasy.

Gdy osad czynny jest w dobrej kondycji, czas ten powinien wynosić (w zależności od głębokości

czynnej komory reaktora) od 0,5 h do 0,75 h. Natomiast w przypadku pogorszenia zdolności sedy-

mentacyjnych osadu, szczególnie w okresie zimowym, przewiduje się wydłużenie czasu sedymenta-

cji do 1 ÷ 2 h;

•

czas trwania spustu uzależniony jest od efektywności urządzeń przewidzianych do tego celu, zazwy-

czaj czas trwania tej fazy równy jest 1 h;

•

czas trwania fazy postoju wynosi zwykle około 0,5 h

4

.

Liczne zalety technologiczne oraz aspekty organizacyjne i ekonomiczne przesądziły o tym, że reaktory

typu SBR często pełnią rolę laboratoryjnego urządzenia służącego do badań nad właściwościami osadu

czynnego oraz procesami oczyszczania ścieków. Do niepodważalnych zalet technologii sekwencyjnych

reaktorów biologicznych w porównaniu z systemem przepływowym zaliczyć można między innymi:

•

możliwość usuwania związków węgla, azotu i fosforu w jednym zbiorniku,

•

brak urządzeń do recyrkulacji osadu,

•

prostą budowę,

•

możliwość rezygnacji z osadników wstępnych,

•

brak osadników wtórnych,

•

elastyczność doboru długości poszczególnych faz cyklu,

•

dobrą sedymentację osadu,

•

stosunkowo małe zapotrzebowanie na tlen,

•

względnie niewielkie nakłady inwestycyjne,

•

stosunkowo niskie nakłady eksploatacyjne,

•

możliwość kontroli najważniejszych parametrów technologicznych w czasie.

Bioreaktor laboratoryjny typu SBR do badania właściwości osadu czynnego i procesów oczyszczania ścieków

125

4.

Laboratoryjny sekwencyjny bioreaktor typu SBR

W celu prowadzenia badań laboratoryjnych nad parametrami osadu czynnego oraz procesami oczysz-

czania ścieków komunalnych powstał reaktor SBR. Jego konstrukcję przedstawiają Rysunki 2, 3, 4.

Rysunek 2. Widok na bioreaktor

Rysunek 3. Widok z dołu na komorę reaktora

Bioreaktor laboratoryjny typu SBR do badania właściwości osadu czynnego i procesów oczyszczania ścieków

126

Rysunek 4. Widok na mieszadło i dyfuzory

Ścieki wykorzystane do badań pobierane były z Miejskiej Oczyszczalni Ścieków „Hajdów” w Lublinie.

Napełnianie komory reaktora SBR realizowane jest od góry. Mieszanie ścieków odbywa się z użyciem

mieszadła wolnoobrotowego napędzanego silnikiem elektrycznym. Podczas fazy mieszania nie występu-

je natlenianie układu, co skutkuje powstaniem warunków anoksycznych a następnie beztlenowych,

sprzyjających procesowi denitryfikacji azotanów pozostałych po poprzednim cyklu pracy reaktora. W fa-

zie napowietrzania zawartość reaktora jest jednocześnie natleniania i mieszana, dzięki czemu osad

czynny pozostaje w stanie zawieszenia w warunkach tlenowych. Prowadzi to do biodegradacji związków

organicznych, umożliwia proces nitryfikacji, a także pobór ortofosforanów przez bakterie PAO. Napo-

wietrzanie realizowane jest poprzez dyfuzor zasilany powietrzem z dmuchawy membranowej.

Po wyłączeniu systemu napowietrzania rozpoczyna się faza mieszania i następnie sedymentacji osadu,

a co za tym idzie klarowanie ścieków. Następuje oddzielenie się osadu od ścieków oczyszczonych po-

zwalające na dekantację cieczy nadosadowej do zbiornika ścieków oczyszczonych. Rozmieszczanie de-

kanterów uwzględnia różną kondycję osadu (właściwości sedymentacyjne) co umożliwia efektywne od-

prowadzanie sklarowanych ścieków.

Fazą kończącą proces oczyszczania ścieków w laboratoryjnym bioreaktorze jest spust nadwyżki osadu

nagromadzonego (osad nadmierny) która jest odprowadzana z układu przy użyciu zaworu spustowego

zlokalizowanego w dnie reaktora SBR.

Zaprojektowany i wykonany zestaw laboratoryjny zabudowany jest z 2 bioreaktorów o łącznej objętości

150 litrów, zakres regulacji prędkości obrotowej mieszadeł zawiera się w zakresie 19 ÷ 30 obr/min.

Bioreaktor laboratoryjny typu SBR do badania właściwości osadu czynnego i procesów oczyszczania ścieków

127

Najlepsze efekty oczyszczania ścieków uzyskano podczas gdy długość cyklu pracy bioreaktora wynosiła

od 8 do 12 godzin. Ilość cykli w ciągu doby oraz długość poszczególnych faz ustalana jest indywidualnie

w zależności od wymagań stawianym ściekom oczyszczonym

10

.

SBR z zastosowaniem którego wykonywane były badania, został zaprojektowany przy założeniu 90%

sprawności usuwania BZT

5

i 12 godzinnego cykl pracy. Pełny cykl obejmuje następujące fazy:

•

napełnianie (0,5 h),

•

mieszanie (4 h),

•

napowietrzanie (6 h),

•

sedymentacja (1 h),

•

dekantacja (0,5 h),

•

postój.

Wśród badanych parametrów świadczących o stopniu oczyszczenia ścieków komunalnych znajdują się

chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT), biochemiczne pięciodniowe zapotrzebowanie na tlen

(BZT

5

), ogólny węgiel organiczny (OWO).

10

T. Głębicki, Bioreaktor do laboratoryjnego badania właściwości osadu czynnego, Praca magisterska, Lublin 2009.

Bioreaktor laboratoryjny typu SBR do badania właściwości osadu czynnego i procesów oczyszczania ścieków

128

Bibliografia

1.

Głębicki T.: Bioreaktor do laboratoryjnego badania właściwości osadu czynnego, Praca magisterska,

Lublin 2009r.

2.

Heidrich Z., 2004, Zastosowanie reaktorów sekwencyjnych w oczyszczani ścieków, Przegląd Komu-

nalny, No 7, 35

3.

Klimiuk E., Łebkowska M., Biotechnologia w ochronie środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa 2004.

4.

Lebiedowski M., Wybrane jednostkowe procesy oczyszczania wody i ścieków w ujęciu matematycz-

nym, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2004.

5.

Mańczak M., 2004a, Podział reaktorów okresowego działania – SBR, Przegląd Komunalny, No 7, 35-

38.

6.

Mańczak M., 2004b, Przykłady zastosowania reaktorów SBR - kompakt do oczyszczania ścieków

komunalnych, Przegląd Komunalny, No 7, 38-40.

7.

Piaskowski K., Wpływ parametrów procesowych na usuwanie związków biogennych w laboratoryj-

nym reaktorze typu SBR, Rocznik Ochrona Środowiska Tom 5., wyd. Środkowo-Pomorskie Towarzy-

stwo Naukowe Ochrony Środowiska, Koszalin 2003

8.

Podedworna J., Zintegrowane usuwanie azotu i fosforu w reaktorze z długotrwałym dawkowaniem

ścieków przez selektor, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002.

9.

Podedworna J., Żubrowska-Sudoł M., 2008, Efektywność oczyszczania ścieków komunalnych w re-

aktorze SBR ze złożem ruchomym, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, No 9, 18-21.

10.

http://aquaprim-sbr.com 09.04.09.