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, majÄ… zakres swojego rozwoju w przedziale 10 - 400C, zaÅ› optimum
przypada w zakresie 28 - 300C. Formy nitkowate bakterii np Sphaerotilus natans majÄ…
zbliżony zakres rozwoju, jednakże mogą one już dominować w temperaturze 5 - 100C, kiedy
organizmy zooglealne wykazują dopiero niewielką aktywność biochemiczną.
Temperatura w ścieków miejskich waha się w okresie letnim miedzy 15 a 25 0C, natomiast w
okresie zimowym wynosi około 100C. [1]
Odczyn ścieków bytowo - gospodarczych i komunalnych dopływających do komór osadu
czynnego mieści się w granicach pH = 7 + 0,5. Formy zooglealne organizmów osadu
czynnego wymagajÄ… optimum pH = 7 - 7,5, natomiast organizmy nitkowate rozwijajÄ… siÄ™ przy
odczynie pH = 5-6. 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:
V
T = [h]
Q
gdzie:
V - objętość komory napowietrzania, [m3],
Q - natężenie dopływu ścieków, [m3/h].
Czas, w którym organiczne zanieczyszczenia zostaną usunięte ze ścieków, zależy od:
1
rodzaju zanieczyszczeń, stężenia substancji zanieczyszczającej, ilości i aktywności osadu
czynnego, 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. Xv oznacza ile gramów
osadu (oznaczonego jako sucha masa lub sucha masa organiczna) znajduje siÄ™ w 1 dm3 (lub
m3) komory napowietrzania.
Xv [gs.m.o./dm3] lub [gs.m.o./m3]
Przeciętnie w komorze napowietrzania utrzymywane jest stężenie 3 - 3,5 kgs.m.o./m3 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:
Qr
n = [%]
Q
Obciążenie komór napowietrzania ładunkiem zanieczyszczeń  AV - określa ile gramów
lub kilogramów związków organicznych (oznaczonych przez stężenie BZT5) jest
doprowadzanych do jednego m3 komory napowietrzania w ciÄ…gu doby.
AV [gBZT5/m3d] lub [kgBZT5/m3d]
Q × C0
AV =
V
gdzie:
Q - natężenie przepływu ścieków, [m3/d],
C0 - stężenie związków organicznych w ściekach dopływających wyrażone jako BZT5,
[gBZT5/m3],
V - objętość komory napowietrzania, [m3].
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
gBZT5/m3d.
2
Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń - AX - określa ile gramów względnie
kilogramów związków organicznych (oznaczonych przez ładunek BZT5) przypada na 1 gram
suchej masy osadu czynnego w ciÄ…gu doby.
AX [gBZT5/gs.m.o.d] lub [kgBZT5/gs.m.o.d]
Pomiędzy obciążeniem komory napowietrzania AV i obciążeniem osadu AX istnieje
zależność:
AV
AX = [gBZT5/gs.m.o.d]
X
v
gdzie:
Xv -zawartość zawiesin osadu w komorze napowietrzania, [gs.m.o./m3].
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 g BZT5/gs.m.o.d. Z przeprowadzonych szczegółowych badań
wynika, iż dla całkowitego biologicznego oczyszczania ścieków odpowiednie jest obciążenie
osadu Å‚adunkiem BZT5 mniejsze od 0,4 gBZT5/gs.m.o.d, natomiast w przypadku nitryfikacji
obciążenie to nie przekracza 0,15 gBZT5/gs.m.o.d.
Wiek osadu 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:
V × Xv
W= [doba]
q × Xr + Q × Xe
gdzie:
V - objętość komory napowietrzania, [m3],
Xv - zawartość zawiesin osadu w komorze napowietrzania, [g/m3],
q - dobowy nadmiar osadu czynnego odprowadzany z osadników wtórnych, [m3/d],
Xr - zawartość zawiesin w osadzie nadmiernym, [g/m3],
Q - średnio dobowy przepływ ścieków, [m3/d],
Xe - zawartość zawiesiny w ściekach oczyszczonych, [g/m3],
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 ,
µ
gdzie:
µ - specyficzna szybkość wzrostu mikroorganizmów, [1/d].
3
W praktyce oznacza to, iż im mniejsza wartość µ - specyficznej szybkoÅ›ci 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 µ wynosi 1/8 czyli 0,12 [1/d] i wiÄ™cej. Drobnoustroje
charakteryzujÄ…ce siÄ™ mniejszÄ… wartoÅ›ciÄ… µ opuszczÄ… bioreaktor, gdyż nie zdążą siÄ™ w nim
namnożyć.
Indeks Mohlmana wyraża objętość w cm3, którą zajmuje 1 g osadu po półgodzinnym czasie
zagęszczania w leju Imhoffa. Można określić go wzorem:
V
I0= [cm3/g]
Xv
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 cm3/g. Przy napowietrzaniu sprężonym powietrzem osad powinien mieć
indeks poniżej 150 cm3/g, natomiast przy napowietrzaniu sposobami mechanicznymi
w granicach 100 - 300 cm3/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 z
le sedymentujÄ…ce. 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 luz
nÄ… strukturÄ…
i w związku z tym cząstki wody przyczepiają się do nich na dość dużej powierzchni i wskutek
tego ciężar właściwy układu woda - kłaczek jest zbliżony do ciężaru właściwego wody.
Przyczynami powstawania osadu spęczniałego mogą być:
- charakter dopływających ścieków: zmiany odczynu, wahania temperatury i BZT5,
naruszenie równowagi pomiędzy pierwiastkami biogennymi C, N i P.,
- przeciążenie osadu,
- nadmierne napowietrzanie osadu.
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 sumÄ… 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/dm3. Zazwyczaj stężenie tlenu utrzymuje
siÄ™ w na poziomie 2-3 mg/dm3 we wszystkich miejscach komory.
4
2. Cel
Wyznaczenie podstawowych parametrów technologicznych modelowego systemu
oczyszczani  osadu czynnego wpływających na efektywność oczyszczania ścieków.
3.Wykonanie ćwiczenia
Stężenie biomasy
Komora
napowietrzania
x= ? (g/l)
Osadnik
Doplyw Q=?
Odplyw
(l/ d)
Stopien recrkulacji osadu r =? (%)
Rys.1 Schemat systemu osadu czynnego
5
Grupa studencka wykonuje wstępne pomiary i oznaczenia zestawione w Tabela1.
Tabela 1. Zakres i metody oznaczeń
Oznaczenie Metoda oznaczenia
Indeks Mohlmana, to objętość (w ml) osadu czynnego po
zagęszczaniu w ciągu 30 min w leju Imhoffa, przypadająca
SVI na 1g osadu.
Szybkość dopływu Pobierając ścieki surowe do cylindra miarowego o
ścieków surowych i pojemności 100 cm3 w ciągu 15 minut
wielość recyrkulacji
osadu
X Zawartość osadu czynnego w komorze napowietrzania
metodÄ… wagowÄ…
Tlen rozpuszczony Sonda tlenowa OXI 196 firmy WTW.
pH Papierek lakmusowy Merck, lub pH- metr
Temperatura Termometr
Objętość reaktora i Miara
osadnika wtórnego
Grupa studencka dzieli się na 2-3 osobowe zespoły, z których każdy będzie wykonywał
oznaczenia.
Na podstawie wykonanych pomiarów (tabeli 1), jak również danych dotyczących stężenia
zanieczyszczeń w dopływających ściekach (ćwiczenia nr. 2) zespoły studenckie obliczają
parametry technologiczne zestawione w Tabeli 2.
UWAGI!
Kalkulatory, długopis, kartka obowiązkowe
6
Tabela 2. Parametry technologiczne systemu osadu czynnego
Parametr Jednostki Wartość Wartość Nazwa systemu
obliczona literaturowa
Objętość komory [m3]
napowietrzania
Objętość osadnika [m3]
wtornego
Intensywność dopływu [m3/d]
ścieków
Obciążenie hydrauliczne [m3/m3g*d]
reaktora
Obciążenie substratowe [g ChZT/m3*d]
objętości reaktora
Obciążenie substratowe [g ChZT/gsmo*d]
osadu czynnego
Obciążenie substratowe [g BZT5/gsmo*d]
osadu czynnego
Czas zatrzymania w [h]
reaktorze (czas
napowietrzania)
Czas zatrzymania w [h]
systemie
*% usunięcia BZT5 [%]
SVI [cm3/g]
Stopień recyrkulacji [%]
Zawartość osadu [g/m3]
czynnego w komorze
napowietrzania
*Biochemiczne Zapotrzebowanie na Tlen (frakcja zw. organicznych rozkładalna biologicznie
w ciągu 5 dni) dla ścieków surowych przyjąć BZT5= 0.8 ChZT, dla ścieków oczyszczonych
przyjąć BZT5= 0.1 ChZT
4.Opracowanie wyników
Sekcje 4-5 osobowe opracowują wyniki na podstawie parametrów zebranych w Tabela 2.
4.1. Przeprowadz
dyskusję wyznaczonych parametrów technologicznych porównując je z
danymi literaturowymi (załącznik 1).
4.2. Zaproponuj jak można by usprawnić prace modelowej oczyszczalni osadu czynnego
sterujÄ…c danymi parametrami technologicznymi.
7
5. Literatura
1.  Biotechnologia ścieków - praca zbiorowa pod redakcją Korneliusza Mikscha;
wydawnictwo Politechniki ÅšlÄ…skiej; 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 A
ebkowska, PWN,
Warszawa 2005
6. Pytania kontrolne:
1. Co to jest Indeks Molhman?
2. Jaki wpływ ma pH i temperatury na proces oczyszczania?
3. Jaki wpływ ma zawartość tlenu rozpuszczonego w reaktorze na procesy biologiczne?
4. Jakie 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. Jakie zanieczyszczenia w ściekach charakteryzuje BZT5?
10. Na czym polega intensyfikacja procesów biologicznego samooczyszczania się w
systemach technologicznych?
7. Uwagi dodatkowe
Zaliczenie ćwiczenia:
- Sekcje 4-5 osobowe przygotowujÄ… 1 sprawozdanie (instrukcja punkt
4)
.
UWAGA!
Termin oddania sprawozdania : 2 tygodni od daty wykonanego ćwiczenia!!!
8
Załącznik 1
Parametry pracy systemów osadu czynnego
Układ Wiek Obciążenie Stężenie Czas napo- Stopień
osadu osadu osadu wietrzania recyrkula
[d] [kgBZT5/kgsmo [kg/m3] [h] cji
d] [%]
Przepływ 5-15 0.2-0.4 1.5-3.0 4-8 25-75
tłokowy
Całkowite 5-15 0.2-0.6 2.5-4.0 3-5 25-100
wymieszanie
Stopniowe 5-15 0.2-0.4 2.0-3.5 3-5 25-75
zasilanie
Wysoko 0.2-0.5 1.5-5.0 0.2-1.0 1.5-3 5-25
obciążony
Nisko obciążony 20-30 0.05-0.15 3.0-6.0 18-36 50-150
Rowy 10-30 0.05-0.2 3.0-6.0 8-36 75-150
biologiczne
SBR 0.05-0.3 1.5-5.0 12-50 brak
9