Obliczenia części biologicznej oczyszczalni ścieków
2. Obliczenia i dobór urządzeń osadu czynnego porcjowego (SBR)
2.1. Ustalenie danych wyjściowych
" Przepływ obliczeniowy średni godzinowy Qhśr [m3/h ],
" Przepływ obliczeniowy średni dobowy Qdśr [m3/d],
dop
" średnie stężenie BZT5 w ściekach po przepłynięciu przez piaskownik - SśrBZT5 po piaskowniku = SBZT
5
[g/m3 ],
" średnie stężenie zawiesiny w ściekach po przepłynięciu przez piaskownik -
dop
Sśrzaw. po piaskowniku = Szo [g/m3 ],
" średnie stężenie azotu całkowitego w ściekach po przepłynięciu przez piaskownik -
dop
SśrNc po piaskowniku = SN [g/m3 ],
" średnie stężenie fosforu ogólnego w ściekach po przepłynięciu przez piaskownik -
dop
SśrPog po piaskowniku = SPog [g/m3 ],
" Temperatura ścieków T [oC] (w okresie zimowym),
odp
" wymagane stężenie BZT5 na wylocie z oczyszczalni SBZT ( z rozporządzenia w zależności od
5
RLM) [g/m3],
odp
" wymagane stężenie zawiesiny ogólnej na wylocie z oczyszczalni Szo ( z rozporządzenia w
zależności od RLM) [g/m3],
odp
" wymagane stężenie azotu na wylocie z oczyszczalni SN ( z rozporządzenia w zależności od
RLM) [g/m3],
odp
" wymagane stężenie fosforu na wylocie z oczyszczalni SPog ( z rozporządzenia w zależności od
RLM) [g/m3].
2.2. Dobór oczyszczalni wg przepływu dobowego średniego Qdśr
Na podstawie przepływu dobowego średniego należy dobrać z określonego typoszeregu
oczyszczalni z osadem czynnym porcjowym typ oczyszczalni i podać następujące parametry:
" parametry reaktora,
o Przepływ Qnom [m3/d],
o Objętość reaktora Vcz [m3] ,
o A
adunek BZT5 [kg/d],
" objętość zbiornika na chemikalia [m3],
" objętość zbiornika retencyjnego[m3],
" objętość zbiornika osadu z napowietrzaniem lub bez[m3].
1
2.3. Konfiguracja procesu
2.3.1. OkreÅ›lenie liczby cykli w ciÄ…gu doby n [1/d] (2÷4)
Należy przyjąć liczbę cykli w ciągu doby n [1/d], która powinna się zawierać w przedziale od 2
do 4.
2.3.2. Określenie długości trwania poszczególnych faz cyklu:
Należy określić długość trwania poszczególnych faz cyklu i podać wartości trwania
poszczególnych faz w godzinach [h].
Przykładowy podział cyklu:
o napełnianie  11,5 %,
o napowietrzanie  28,2 %,
o mieszanie  37,4 %,
o końcowe napowietrzanie  2,20 %,
o sedymentacja  7,5 %,
o dekantacja  4 %,
o usuwanie osadu nadmiernego  2,80 %,
o przygotowanie reaktora do następnego cyklu - 6,4 %.
2.3.3. Obliczenie hydraulicznego czasu zatrzymania ścieków
24 Å"Vcz
tz = [h]
(2.1)
Qdsr
Vcz  objętość czynna reaktora [m3],
Qdśr średnie dobowe natężenie przepływu ścieków [m3/d],
tz  hydrauliczny czas zatrzymania ścieków [h].
2.3.4. Obliczenie objętości ścieków odprowadzanych podczas cyklu [m3]
Qdsr
"V = [m3]
n
(2.2)
Qdśr średnie dobowe natężenie przepływu ścieków [m3/d],
n  liczba cykli w ciÄ…gu doby [1/d].
2.3.5. Obliczenie współczynnika zmian objętości
"V
0,2 d" fA = [-] d" 0,5
Vcz
(2.3)
Vcz  objętość czynna reaktora [m3],
"V  objętość ścieków odprowadzanych podczas cyklu [m3].
2.3.6. Określenie czasu trwania cyklu
tc = tz Å" fA [h]
(2.4)
fA  współczynnik zmian objętości [-],
tz  hydrauliczny czas zatrzymania ścieków [h].
2
2.3.7. Określenie wysokości osadowej reaktora
X Å"Vcz Å" IO
HOS = [m] (2.5)
1000Å" F
X  stężenie osadu czynnego w reaktorze [kg/m3],
X = 3÷6 kg/m3,
Vcz  objętość czynna reaktora [m3],
IO  indeks osadu czynnego [l/kgs.m.].IO = 50÷150 l/kgs.m,
F  powierzchnia reaktorów [m2],
Vcz
F = [m2] (2.6)
H
H  wysokość od zwierciadła ścieków w reaktorze do dna reaktora [m].
Rys. 2.1. Schemat reaktora SBR
2.3.8. Określenie wysokości sedymentacyjnej reaktora
Vcz - "V
HS = [m] > HOS [m]
(2.7)
F
F  powierzchnia reaktorów [m2],
Vcz  objętość czynna reaktora [m3],
"V  objętość ścieków odprowadzanych podczas cyklu [m3].
2.4. Przyrost osadu nadmiernego
dop odp odp
"X = Yt Å"Qdsr Å"(SBZT 5 - SBZT 5) + Szo Å"Qdsr [g / d]
(2.8)
SBZT5dop =SBZT5 po piaskowniku stężenie BZT5 na dopływie do części biologicznej oczyszczalni [g/m3],
SBZT5odp wymagane stężenie BZT5 na odpływie [g/m3], (odczytywane z rozporządzenia na podstawie
RLM),
Szoodp wymagane stężenie zawiesiny organicznej na odpływie [g/m3]  (odczytywane z rozporządzenia
na podstawie RLM),
Yt  teoretyczny współczynnik przyrostu biomasy : 0,7gs.m./gsub.us.,
Qdśr średnie dobowe natężenie przepływu ścieków [m3/d].
3
2.5. Wiek osadu czynnego
Vcz Å" X
WO = [d] e" 10d
"X
(2.9)
X  stężenie osadu czynnego w reaktorze [kg/m3],
X = 3÷6 kg/m3,
"X  przyrost osadu nadmiernego [kg/d],
Vcz  objętość czynna reaktora [m3],
2.6. Obliczenie obciążenia osadu ładunkiem zanieczyszczeń
1
AOS = [kgBZT / kgs.m. Å" d]
5
(2.10)
WO Å"Yt
Yt  teoretyczny współczynnik przyrostu biomasy : 0,7gs.m./gsub.us.,
WO  wiek osadu czynnego [d].
2.7. Obliczenia parametrów osadu nadmiernego
2.7.1. Obliczenie zawartości suchej masy w osadzie nadmiernym
1000
SM = [kg / m3] (2.11)
IO
IO  indeks osadu czynnego : 50÷150 m3/g.
2.7.2. Obliczenie masy osadu usuwanej podczas cyklu
X Å"Vcz tR
Mos = Å" [kg / cykl]
WO 24
(2.12)
tR  Å‚Ä…czny czas reakcji w ciÄ…gu cyklu [h],
tR = tN + tD [h] (2.13)
tN  całkowity czas napowietrzania (nitryfikacji) w ciągu cyklu [h],
tD  całkowity czas mieszania (denitryfikacji) w ciągu cyklu [h],
WO  wiek osadu czynnego [d],
X  stężenie osadu czynnego w reaktorze [kg/m3],
Vcz  objętość czynna reaktora [m3].
4
2.7.3. Obliczenie całkowitej masy osadu z usuwania związków organicznych w ciągu doby
M = M Å"n [kg / d] (2.14)
osc os
n  liczba cykli w ciÄ…gu doby [1/d] [cykl/d],
MOS  masa osadu z usuwania związków organicznych podczas jednego cyklu [kg/cykl].
2.7.4. Obliczenie objętości osadu z usuwania związków organicznych w ciągu doby
Mosc
Vos = [m3 / d]
SM
(2.15)
SM  zawartość suchej masy w osadzie nadmiernym [kg/m3],
MOSC  masa osadu z usuwania związków organicznych w ciągu doby [kg/d].
2.8. Obliczenie zapotrzebowania na tlen
2.8.1. Określenie zapotrzebowania na tlen do utleniania węgla
Należy przyjąć na podstawie tabeli 2.1. dla danego wieku osadu i temperatury ścieków.
Np. Przyjęto dla t = 20 oC i WO = 25 dni.
OVc = 1,32 kgO / kgBZT (2.16)
2 5
Tab. 2.1. Jednostkowe zapotrzebowanie na tlen
Jednostkowe zapotrzebowanie na tlen [kg O2/kg BZT5]
Temperatura
Wiek osadu, WO [d]
ścieków T [oC]
4 8 10 15 20 25
10 0,85 0,99 1,04 1,13 1,18 1,22
12 0,87 1,02 1,07 1,15 1,21 1,24
15 0,92 1,07 1,12 1,19 1,24 1,27
18 0,96 1,11 1,16 1,23 1,27 1,30
20 0,99 1,14 1,18 1,25 1,29 1,32
2.8.2. Obliczenie zapotrzebowania na tlen do utleniania azotu
4,6 Å" (SNH 4nit - SNO3denit ) +1,7 Å" SNO3denit
OVN = [kgO / kgBZT ]
odp
2 5
SBZT
5
(2.17)
SNH4nit  stężenie amoniaku do nitryfikacji [gN/m3],
SNO3denit  stężenie azotu do denitryfikacji [gN/m3],
SBZT5odp wymagane stężenie BZT5 na odpływie [gBZT5/m3]  (odczytywane z rozporządzeni na postawie
wielkości RLM).
5
2.8.3. Obliczenie stężenia amoniaku do nitryfikacji
SNH nit = SNK - SNorg - SNon [gN / m3]
4
(2.18)
SNK  stężenie azotu Kjeldahla w ściekach surowych [gN/m3],
SNorg  stężenie azotu organicznego w odpływie [gN/m3],
SNorg = 1÷ 2gN / m3
SNon  stężenie azotu w osadzie nadmiernym [gN/m3].
2.8.4. Obliczenie stężenia azotu w osadzie nadmiernym
dop
SNon = 5%SBZT [gN / m3] (2.19)
5
SBZT5dop =SBZT5 po piaskowniku stężenie BZT5 na dopływie do części biologicznej oczyszczalni [g/m3].
2.8.5. Obliczenie stężenia azotu Kjeldahla w ściekach surowych
SNK = 90%SNc [gN / m3] (2.20)
SNc  średnie stężenie azotu w ściekach surowych dopływających do części biologicznej
oczyszczalni [gN/m3].
2.8.6. Obliczenie stężenia azotu do denitryfikacji
SNO denit = SNH nit - SNnieorg [gN / m3]
3 4
(2.21)
SNH4nit  stężenie amoniaku do nitryfikacji [gN/m3],
SNnieorg  stężenie azotu nieorganicznego w odpływie [gN/m3],
SNnieorg = 6,00gN / m3.
2.8.7. Obliczenie jednostkowego zużycia tlenu
Cx
OB = Å"(OVc Å" fc + OVN Å" fN ) [kgO / kgBZT ]
2 5 (2.22)
Cx - Cs
Cs  wymagane stężenie tlenu [mgO2/l] : 2÷3 mgO2/l,
Cx  maksymalne stężenie tlenu [mgO2/l],
ëÅ‚ hd öÅ‚
Cx = Cx,12 Å" 1+ [gO / m3]
ìÅ‚ ÷Å‚
2 (2.23)
20,7
íÅ‚ Å‚Å‚
Cx,12  maksymalne stężenie nasycenia tlenem przy temperaturze 12 oC [gO2/m3], Cx,12 =9,3 gO2/m3,
hd  głębokość usytuowania dyfuzorów do napowietrzania drobnopęcherzykowego w zależności od
głębokości komory [m],
6
hd = H - hz [m]
(2.24)
H  wysokość od zwierciadła ścieków w reaktorze do dna reaktora [m],
hz  wysokość usytuowania dyfuzorów do napowietrzania od dna reaktora [m], hz = 0,2m,
fc  współczynnik nierównomierności [-], (odczytujemy z tabeli 2.2)
fN  współczynnik nierównomierności [-],(odczytujemy z tabeli 2.2)
OVC - zapotrzebowanie na tlen do utlenienia węgla [kgO2/ kgBZT5],( rów. 2.12)
OVN - zapotrzebowanie na tlen do utlenienia azotu [kgO2/ kgBZT5], (rów. 2.13).
Tab. 2.2. Współczynniki uderzeniowe zużycia tlenu
Wartości współczynników [-]
Wyszczególnienie Wiek osadu, WO [d]
4 8 10 15 20 25
fc 1,30 1,25 1,20 1,20 1,15 1,10
fN dla A
BZT5 d"1200 kg/d - - - 2,5 2,0 1,5
fN dla A
BZT5 d"6000 kg/d - - 2,0 1,8 1,5 -
2.8.8. Obliczenie maksymalnego zapotrzebowania na tlen
OB Å" A
BZT
5
Ä…OC = [kgO / h]
(2.25)
2
24
A
BZT5  ładunek BZT5 w ściekach dopływających do części biologicznej [kg/d],
OB  jednostkowe zużycie tlenu [kgO2/ kgBZT5],(rów. 2.18),
dop
A
BZT = Qdsr Å" SBZT [kgBZT / d ]
(2.26)
5 5 5
SBZT5dop =SBZT5 po piaskowniku stężenie BZT5 na dopływie do części biologicznej oczyszczalni [kg/m3],
Qdśr średnie dobowe natężenie przepływu ścieków [m3/d].
2.9. Obliczenie masy osadu z usuwania fosforu Pog
a) Obliczenie stężenia fosforu usuwanego biologicznie [gP/m3]
dop
SPb = nPb Å" SBZT [gP / m3] (2.27)
5
nPb  współczynnik biologicznego usuwania fosforu [gP/ gBZT5],
" dla wstÄ™pnej komory beztlenowej nPb = 0,01÷0,015 gP/ gBZT5,
" dla wstępnej komory beztlenowej, przy wymaganym stężeniu azotanów w
odpÅ‚ywie do 15 gN/m3 nPb = 0,005÷0,010 gP/ gBZT5,
" bez wstępnej komory beztlenowej nPb < 0,005 gP/ gBZT5,
dop
SBZT - stężenie BZT5 na dopływie do części biologicznej oczyszczalni [gBZT5/m3].
5
7
b) Obliczenie fosforu potrzebnego do budowy komórek heterotrofów [gP/m3]
dop
PX = 0,01Å" SBZT [gP / m3]
5
(2.28)
dop
SBZT - stężenie BZT5 na dopływie do części biologicznej oczyszczalni [gBZT5/m3].
5
c) Obliczenie stężenia fosforu usuwanego chemicznie [m3/d]
dop odp
SPch = SPog - SPog - PX - SPb [gP / m3] (2.29)
dop
SPog - stężenie fosforu na wlocie do oczyszczalni [gP/m3],
odp
SPog - wymagane stężenie fosforu na wylocie z oczyszczalni [gP/m3],
Px - fosfor potrzebny do budowy komórek heterotrofów [gP/m3 ],
SPb  stężenie fosforu usuwanego biologicznie [kgP/m3 ].
d) Obliczenie masy osadu z chemicznego usuwania fosforu
M = Qdsr Å" "mPch Å" SPch [kgs.m. / d]
Pch
(2.30)
"mPch - przyrost osadu w procesie defosfatacji chemicznej [kgs.m./kgP],
"mPch = 6,8 kgs.m. / kgP dla soli żelaza
"mPch = 5,3 kgs.m. / kgP dla soli glinu
Qdśr  średni dobowy dopływ ścieków do oczyszczalni [m3/d],
SPch - stężenie fosforu usuwanego chemicznie [kgP/m3].
e) Obliczenie masy osadu z biologicznego usuwania fosforu
M = Qdsr Å" "mPb Å" SPb [kgP / d]
(2.31)
Pb
"mPb - przyrost osadu w procesie defosfatacji biologicznej [kgs.m./kgP],
"mPb = 3,0 kgs.m. / kgP
Qdśr  średni dobowy dopływ ścieków do oczyszczalni [m3/d],
SPb  stężenie fosforu usuwanego biologicznie [kgP/m3 ].
f) Obliczenie masy osadu z usuwania fosforu
M = M + M [kgs.m. / d]
(2.32)
P Pch Pb
MPch - masa osadu z chemicznego usuwania fosforu [kgs.m./d],
MPb - masa osadu z biologicznego usuwania fosforu [kgs.m./d].
8
g) Obliczenie ładunku fosforu do chemicznego usunięcia
P = SPch Å"V1 [gP / cykl]
(2.33)
SPch - stężenie fosforu usuwanego chemicznie [kgP/m3].
V1  jednorazowa porcja ścieków pompowana podczas cyklu do reaktora SBR [m3/cykl].
V1 = fA Å"Vcz [m3 / cykl] (2.34)
fA  współczynnik zmian objętości [-],
Vcz  objętość czynna reaktora [m3].
2.10. Obliczenie ilości PIX-u potrzebnego do strącenia fosforu
2.10.1. Obliczenie ilości żelaza potrzebnego do usunięcia fosforu Pog
Na usuniÄ™cie 1,0 gp potrzeba 2,0÷3,0 gFe
Fe = nFe / P Å" P [gFe / cykl]
(2.35)
Fe  ilość żelaza potrzebnego do chemicznego usunięcia fosforu [gFe/cykl],
nFe/P  masa żelaza potrzebna na usuniÄ™cie 1 g fosforu [gFe/gP], nFe/P =2,0÷3,0 gFe/gP,
P - ilość fosforu do chemicznego usunięcia [gP/cykl].
2.10.2. Obliczenie ilości PIX potrzebnego do strącenia fosforu
W jednym litrze PIX znajduje siÄ™ 180 gFe.
Fe
VPIX = [l / cykl]
(2.36)
180
Fe  ilość żelaza potrzebnego do chemicznego usunięcia fosforu [gFe/cykl].
2.11. Obliczenie parametrów stabilizacji osadu
2.11.1. Obliczenie czasu stabilizacji
1 Xo
t = Å"ln [d] (2.37)
k20 Å"1,035(T -20) Xt
k20  stała biodegradacji substancji organicznej: 0,10d-1,
T  temperatura osadu : 10°C,
Xo  stężenie masy organicznej osadu na początku procesu(70%suchej masy) [kg/m3],
Xo = 0,7 Å" SM [kg / m3] (2.38)
SM  zawartość suchej masy w osadzie nadmiernym [kg/m3],
Xt  stężenie masy organicznej osadu po czasie t (50%początkowego).
Xt = 0,5Å" Xo [kg / m3] (2.39)
9
2.11.2. Obliczenie masy osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania
chemicznego
MOS org.+P = M + MOSC [kg / d] (2.40)
P
MP  masa osadu z usuwania fosforu [kg/d],
MOSC  masa osadu z usuwania związków organicznych [kg/d].
2.11.3. Obliczenie objętości osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania
chemicznego
100 Å" MOS org.+ P
VOSC = [m3 / d] (2.41)
Áos Å" (100 -W )
Áos  gÄ™stość osadu [g/m3], Áos = 1000kg/m3,
W  uwodnienie osadu [%], (odczytane z danych literaturowych),
MOS org.+P  masa osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania
chemicznego[kg/d].
2.11.4. Obliczenie wymaganej objętości zbiornika stabilizacji osadu
Vzos = t Å"VOSC [m3]
(2.42)
VOSC  objętość osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania
chemicznego [m3/d],
t  czas stabilizacji [d].
2.11.5. Obliczenie dobowego zapotrzebowania na tlen
Xo - Xt
zt =1,42Å" Å"Vzos [kg / d] (2.43)
t
Xo  stężenie masy organicznej osadu na początku procesu(70%suchej masy) [kg/m3],
Xt  stężenie masy organicznej osadu po czasie t (50%początkowego) [kg/m3].
Vzos  objętość zbiornika stabilizacji osadu [m3],
t  czas stabilizacji [d].
2.11.6. Obliczenie masy osadu nadmiernego po stabilizacji
M 'OS = 0,65 Å" MOSorg.+ P [g / d] (2.44)
M OS  masa osadu po stabilizacji [g/d],
MOS org.+P  masa osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania
chemicznego [g/d].
10
2.11.7. Obliczenie objętości osadu nadmiernego po stabilizacji
100 Å" M 'OS
V 'OS = [m3 / d]
(2.45)
ÁOS Å" (100 -W ')
V OS  objętość osadu nadmiernego po stabilizacji tlenowej [m3/d],
Áos  gÄ™stość osadu [kg/m3], Áos = 1000kg/m3,
W  uwodnienie osadu ustabilizowanego [%],
M OS  masa osadu nadmiernego po stabilizacji [kg/d].
2.11.8. Określenie dziennej Ilości osadu ustabilizowanego
Qosadu= V 'OS (2.46)
V OS  objętość osadu nadmiernego po stabilizacji tlenowej [m3/d].
11