Obliczenia części biologicznej oczyszczalni ścieków
3. Obliczenia i dobór urządzeń osadu czynnego porcjowego (SBR)
Ustalenie danych wyjściowych
Qhśr = 6,724 [m3/d]
Qdśr = 146,70 [m3/d ] – przepływ dobowy średni
SśrBZT5 po piaskowniku = SBZT5dopSdopBZT5 = 649,80 [g/m3 ]– średnie stężenie BZT5 w ściekach po przepłynięciu przez piaskownik
Sśrzaw. po piaskowniku = Szodop = 307,04 [g/m3 ]– średnie stężenie zawiesiny w ściekach po przepłynięciu przez piaskownik
SśrNc po piaskowniku = SNdop =101,52 [g/m3 ] – średnie stężenie azotu całkowitego w ściekach po przepłynięciu przez piaskownik
SśrPog po piaskowniku = SPogdop =19,71 [g/m3 ] – średnie stężenie fosforu ogólnego w ściekach po przepłynięciu przez piaskownik
T=13 [⁰C] – temperatura ścieków (w okresie zimowym)
SBZT5odp = 40 [g/m3] – wymagane BZT5 na wylocie z oczyszczalni (z rozporządzenia w zależności o RLM)
Szoodp = 50 [g/m3] – wymagane zawiesiny ogólnej na wylocie z oczyszczalni (z rozporządzenia w zależności o RLM)
SNodp = 30 [g/m3] – wymagane azotu na wylocie z oczyszczalni (z rozporządzenia w zależności o RLM)
SPogodp = 5 [g/m3] – wymagane fosforu na wylocie z oczyszczalni (z rozporządzenia w zależności o RLM)
Dobór oczyszczalni wg przepływu dobowego średniego Qdśr
Na podstawie przepływu dobowego średniego należy dobrać z określonego typoszeregu oczyszczalni z osadem czynnym porcjowym (Biovac) typ oczyszczalni i podać następujące parametry:
Parametry reaktora
Qnom = 184,0 [m3/d] - przepływ reaktora
Vcz = 120 [m3] - objętość reaktora
ŁBZT5 = 38,4 [kg/d] - ładunek BZT5
5 [m3] - objętość zbiornika na chemikalia
50 [m3] - objętość zbiornika retencyjnego
30 [m3] - objętość zbiornika osadu z napowietrzaniem lub bez
SBR0815
Konfiguracja procesu
Określenie liczby cykli w ciągu doby n [1/d] (2÷4)
n = 3 [1/d]
Określenie długości trwania poszczególnych faz cyklu:
Przykładowy podział cyklu:
napełnianie – 11,5% - 0,92 h
napowietrzanie – 28,2% - 2,26 h
mieszanie – 37,4% - 2,99 h
końcowe napowietrzanie – 2,2% - 0,18 h
sedymentacja – 7,5% - 0,6 h
usuwanie osadu nadmiernego – 2,8% - 0,22 h
przygotowanie reaktora do następnego cyklu - 6,4% - 0,51 h
Obliczanie hydraulicznego czasu zatrzymania ścieków
$$t_{z} = \frac{24*120}{146,7} = 19,63\ \lbrack h\rbrack$$
Vcz – objętość czynna reaktora [m3]
Qdśr– średnie dobowe natężenie przepływu ścieków [m3/d]
tz – hydrauliczny czas zatrzymania ścieków [h]
Obliczenie objętości ścieków odprowadzanych podczas cyklu [m3]
$$V = \frac{Q_{dsr}}{n}\ \ \ \lbrack m^{3}\rbrack$$
$$V = \frac{Q_{dsr}}{n}\ \lbrack m^{3}\rbrack$$
Qdśr – średnie dobowe natężenie przepływu ścieków [m3/d]
n – liczba cykli w ciągu doby [1/d]
Obliczenie współczynnika zmian objętości
$$0,2\ \leq \ f_{A} = \frac{V}{V_{\text{cz}}}\text{\ \ }\left\lbrack - \right\rbrack\ \leq 0,5$$
Vcz – objętość czynna reaktora [m3]
ΔV – objętość ścieków odprowadzanych podczas cyklu [m3]
Określenie czas trwania cyklu
tc = tz * fA
fA - współczynnik zmian objętości [-]
tz – hydrauliczny czas zatrzymania ścieków [h]
Określenie wysokości osadowej reaktora
$$H_{\text{OS}} = \frac{X*V_{\text{cz}}*IO}{1000*F}\ \ \ \lbrack m\rbrack$$
$$H_{\text{OS}} = \frac{X*V_{\text{cz}}*IO}{1000*F}\ \ \ \lbrack m\rbrack$$
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]
$$F = \frac{V_{\text{cz}}}{H}\ \ \lbrack m^{2}\rbrack$$
$$F = \frac{V_{\text{cz}}}{H}\ \ \lbrack m^{2}\rbrack$$
H – wysokość od zwierciadła ścieków w reaktorze do dna reaktora [m]
Określenie wysokości sedymentacyjnej reaktora
$$H_{S} = \frac{V_{\text{cz}} - V}{F}\text{\ \ }\left\lbrack m \right\rbrack\ > \ H_{\text{OS}}\ \ \lbrack m\rbrack$$
$$H_{S} = \frac{V_{\text{cz}} - V}{F}\text{\ \ }\left\lbrack m \right\rbrack\ > \ H_{\text{OS}}\ \ \lbrack m\rbrack$$
F – powierzchnia reaktorów [m2]
Vcz – objętość czynna reaktora [m3]
ΔV – objętość ścieków odprowadzanych podczas cyklu [m3]
Przyrost osadu nadmiernego
$$X = Y_{t}*Q_{dsr}*\left( S_{BZT5}^{\text{dop}} - S_{BZT5}^{\text{odp}} \right) + S_{\text{zo}}^{\text{odp}}*Q_{dsr}\ \ \lbrack\frac{g}{d}\rbrack$$
$$X = Y_{t}*Q_{dsr}*\left( S_{BZT5}^{\text{dop}} - S_{BZT5}^{\text{odp}} \right) + S_{\text{zo}}^{\text{odp}}*Q_{dsr}\ \ \lbrack\frac{g}{d}\rbrack$$
SBZT5dop = SBZT5 po piaskowniku – stężenie BZT5 na dopływie [g/m3]
SBZT5odp – stężenie BZT5 na odpływie [g/m3] (z rozporządzenia w zależności o RLM)
Szoodp– stężenie zawiesiny organicznej na odpływie [g/m3] (z rozporządzenia w zależności o RLM)
Yt – teoretyczny współczynnik przyrostu biomasy : 0,7gs.m./gsub.us.
Qdśr – przepływ dobowy średni [m3/d ]
Wiek osadu czynnego
$$WO = \frac{}{}$$
X – stężenie osadu czynnego w reaktorze [kg/m3]
X – 3 ÷ 6 [kg/m3]
X - przyrost osadu nadmiernego [kg/d]
Vcz – objętość czynna reaktora [m3]
Obliczenie obciążenia osadu ładunkiem zanieczyszczeń
$$A = \frac{}{}$$
Yt – teoretyczny współczynnik przyrostu biomasy : 0,7gs.m./gsub.us.
WO – wiek osadu czynnego [d]
Obliczenia osadu nadmiernego
3.7.1 Obliczenie zawartości suchej masy w osadzie nadmiernym
$$SM = \frac{1000}{\text{IO}}\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}}{m^{3}}\rbrack$$
$$SM = \frac{1000}{\text{IO}}\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}}{m^{3}}\rbrack$$
IO – indeks osadu czynnego : 50÷150m3/g
Obliczenie masy osadu usuwanej podczas cyklu
$$M_{\text{OS}} = \frac{X*V_{\text{cz}}}{\text{WO}}*\frac{t_{R}}{24}\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}}{\text{cykl}}\rbrack$$
$$M_{\text{OS}} = \frac{X*V_{\text{cz}}}{\text{WO}}*\frac{t_{N}}{24}\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}}{\text{cykl}}\rbrack$$
tR – łączny czas reakcji w ciągu cyklu [h]
tR = tN + tD
tR = tN + tD
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]
Obliczenie całkowitej masy osadu z usuwania związków organicznych w ciągu doby
$$M_{\text{OSC}} = M_{\text{OS}}*n\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}}{d}\rbrack$$
$$M_{\text{OSC}} = M_{\text{OS}}*n\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}}{d}\rbrack$$
n – liczba cykli w ciągu doby [1/d], [cykl/d]
MOS – masa osadu z usuwania związków organicznych podczas jednego cyklu [kg/cykl]
Obliczenie objętości osadu z usuwania związków organicznych w ciągu doby
$$V_{\text{OS}} = \frac{M_{\text{OSC}}}{\text{SM}}\ \ \lbrack\frac{m^{3}}{d}\rbrack$$
$$V_{\text{OS}} = \frac{M_{\text{OSC}}}{\text{SM}}\ \ \lbrack\frac{m^{3}}{d}\rbrack$$
SM - zawartość suchej masy w osadzie nadmiernym [kg/m3]
MOSC – masa osadu z usuwania związków organicznych w ciągu doby [kg/d]
Obliczenie zapotrzebowania na tlen
Określenie zapotrzebowania na tlen do utleniania węgla
Przyjęto dla t = 13 oC i WO = 10,29 dni.
OVC = 1, 09 kgO2/kgBZT5
Obliczenie zapotrzebowania na tlen do utleniania azotu
$$\text{OV}_{N} = \frac{}{}\ \ \lbrack\frac{\text{kg}_{O_{2}}}{\text{kg}_{BZT5}\rbrack}$$
SNH4nit – stężenie amoniaku do nitryfikacji [gN/m3]
SNO3denit – stężenie azotu do denitryfikacji [gN/m3]
SBZT5odp– stężenie BZT5 na odpływie [gBZT5/m3] – (odczytywane z rozporządzenia na podstawie wielkości RLM)
3.8.3 Obliczenie stężenia amoniaku do nitryfikacji
SNH4nit=
SNK – stężenie azotu Kjeldahla w ściekach surowych [gN/m3]
SNorg – stężenie azotu organicznego w odpływie [gN/m3]
SNon – stężenie azotu w osadzie nadmiernym [gN/m3]
3.8.4 Obliczenie stężenia azotu w osadzie nadmiernym
SNon = 5%*
SBZT5odp– stężenie BZT5 na odpływie do części biologicznej oczyszczalni [gBZT5/m3]
3.8.5 Obliczenie stężenia azotu Kjeldahla w ściekach surowych
SNK = 90%*
SNc – średnie stężenie azotu w ściekach surowych dopływających do części biologicznej oczyszczalni [gN/m3]
3.8.6 Obliczenie stężenia azotu do denitryfikacji
SNO3denit=
SNH4nit – stężenie amoniaku do nitryfikacji [gN/m3]
SNnieorg – stężenie azotu nieorganicznego w odpływie [gN/m3]
3.8.7 Obliczenie jednostkowego zużycia tlenu
$$OB = \frac{}{}$$
Cs – wymagane stężenie tlenu : 2÷3 [mgO2/l]
Cx – maksymalne stężenie tlenu [mgO2/l]
$$C_{x} = C_{x,12}*\left( 1 + \frac{\text{hd}}{20,7} \right)\ \ \lbrack\frac{g_{O_{2}}}{m^{3}}\rbrack$$
$$C_{x} = C_{x,12}*\left( 1 + \frac{\text{hd}}{20,7} \right)\ \ \lbrack\frac{g_{O_{2}}}{m^{3}}\rbrack$$
Cx,12 – maksymalne stężenie nasycenia tlenem przy temperaturze 12 gO2/m3, Cx,12=9,3 gO2/m3
hd – głębokość usytuowania dyfuzorów do napowietrzania drobnopęcherzykowego w zależności głębokości komory [m]
hd = H − hz [m]
hd = H − hz [m]
H – wysokość od zwierciadła ścieków w reaktorze do dna reaktora [m]
hz – wysokość usytuowania dyfuzorów do napowietrzania od dna reaktora [m], hz=0,2 [m]
fc – współczynnik nierównomierności [-]
fN – współczynnik nierównomierności [-]
OVC – zapotrzebowanie na tlen do utleniania węgla [kgO2/kgBZT5]
OVN – zapotrzebowanie na tlen do utleniania azotu [kgO2/kgBZT5]
Obliczenie maksymalnego zapotrzebowania na tlen
$$\alpha OC = \frac{OB*L_{BZT5}}{24}\text{\ \ }\left\lbrack \text{kg}_{O_{2}}/h \right\rbrack$$
$$\alpha OC = \frac{OB*L_{BZT5}}{24}\text{\ \ }\left\lbrack \text{kg}_{O_{2}}/h \right\rbrack$$
ŁdopBZT5 – ładunek BZT5 w ściekach dopływających do części biologicznej [kg/d]
OB – jednostkowe zużycie tlenu [kgO2/kgBZT5]
LBZT5dop
Qdśr – przepływ dobowy średni [m3/d ]
SśrBZT5 po piaskowniku = SBZT5dopSdopBZT5 - średnie stężenie BZT5 w ściekach po przepłynięciu przez piaskownik [g/m3 ]
3.9 Obliczenie masy osadu z usuwania fosforu Pog
a) obliczenie stężenia fosforu usuwanego biologicznie [gP/m3]
$$S_{\text{Pb}} = n_{\text{Pb}}*S_{BZT5}^{\text{dop}}\ \ \ \lbrack\frac{g_{P}}{m^{3}}\rbrack$$
$$S_{\text{Pb}} = n_{\text{Pb}}*S_{BZT5}^{\text{dop}}\ \ \ \lbrack\frac{g_{P}}{m^{3}}\rbrack$$
nPb – współczynnik biologicznego usuwania fosforu [gP/gBZT5]
Dla wstępnej komory beztlenowej nPb=0,01÷0,015 [gP/gBZT5]
Dla wstępnej komory beztlenowej, przy wymaganym stężeniu azotanów w odpływie do 15 [gN/m3] nPb=0,005÷0,01 [gP/gBZT5]
Bez wstępnej komory beztlenowej nPb<0,005 [gP/gBZT5]
b) obliczenie fosforu potrzebnego do budowy komórek heterotrofów [gP/m3]
$$P_{x} = 0,001*S_{BZT5}^{\text{dop}}\ \ \lbrack\frac{g_{P}}{m^{3}}\rbrack$$
$$P_{x} = 0,001*S_{BZT5}^{\text{dop}}\ \ \lbrack\frac{g_{P}}{m^{3}}\rbrack$$
c) obliczenie stężenia fosforu usuwanego chemicznie [m3/d]
$$S_{\text{Pch}} = S_{\text{Pog}}^{\text{dop}} - S_{\text{Pog}}^{\text{odp}} - P_{x} - S_{\text{Pb\ }}\ \ \lbrack\frac{g_{P}}{m^{3}}\rbrack$$
$$S_{\text{Pch}} = S_{\text{Pog}}^{\text{dop}} - S_{\text{Pog}}^{\text{odp}} - P_{x} - S_{\text{Pb\ }}\ \ \lbrack\frac{g_{P}}{m^{3}}\rbrack$$
Px – fosfor potrzebny do budowy komórek heterotrofów [gP/m3]
SPb – stężenie fosforu usuwanego biologicznie [kgP/m3]
d) obliczenie masy osadu z chemicznego usuwania fosforu
$$M_{\text{Pch}} = Q_{dsr}*{m}_{\text{Pch}}*S_{\text{Pch}}\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}_{\text{s.m.}}}{d}\rbrack$$
$$M_{\text{Pch}} = Q_{dsr}*{m}_{\text{Pch}}*S_{\text{Pch}}\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}_{\text{s.m.}}}{d}\rbrack$$
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
$$M_{\text{Pb}} = Q_{dsr}*{m}_{\text{Pch}}*S_{\text{Pb}}\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}_{P}}{d}\rbrack$$
$$M_{\text{Pb}} = Q_{dsr}*{m}_{\text{Pch}}*S_{\text{Pb}}\ \ \ \lbrack\frac{\text{kg}_{P}}{d}\rbrack$$
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
MP = MPch + MPb
MP = MPch + MPb
MPch – masa osadu z chemicznego usuwania fosforu [kgs.m./d]
MPb – masa osadu z biologicznego usuwania fosforu [kgs.m./d]
g) obliczenie ładunku fosforu do chemicznego usunięcia
$$P = S_{\text{Pch}}*V_{1}\ \ \ \lbrack\frac{g_{P}}{\text{cykl}}\rbrack$$
$$P = S_{\text{Pch}}*V_{1}\ \ \ \lbrack\frac{g_{P}}{\text{cykl}}\rbrack$$
SPch – stężenie fosforu usuwanego chemicznie [kgP/m3]
V1 – jednorazowa porcja ścieków pompowana podczas cyklu do reaktora SBR [m3/cykl]
$$V_{1} = f_{A}*V_{\text{cz}}\ \ \ \lbrack\frac{m^{3}}{\text{cykl}}\rbrack$$
$$V_{1} = f_{A}*V_{\text{cz}}\ \ \ \lbrack\frac{m^{3}}{\text{cykl}}\rbrack$$
fA – współczynnik zmian objętości [-]
Vcz – objętość czynna reaktora [m3]
3.10 Obliczenie ilości PIX-u potrzebnego do strącenia fosforu
3.10.1 Obliczenie ilości żelaza potrzebnego do usunięcia fosforu Pog
Na usunięcie 1 gP potrzeba 2,0 do 3,0 gFe
$$Fe = n_{Fe/P}*P\ \ \ \ \lbrack\frac{g_{\text{Fe}}}{\text{cykl}}\rbrack$$
$$Fe = n_{Fe/P}*P\ \ \ \ \lbrack\frac{g_{\text{Fe}}}{\text{cykl}}\rbrack$$
Fe – ilość żelaza potrzebnego do chemicznego usunięcia fosforu [gFe/cykl]
nFe/P – masa żelaza potrzebne na usunięcie 1g fosforu [gFe/gP], nFe/P=2,0 ÷ 3,0 gFe/gP
P – ilość fosforu do chemicznego usunięcia [gP/cykl]
3.10.2 Obliczenie ilości PIX potrzebnego do usunięcia fosforu
W jednym litrze PIX-u znajduje się 180 gFe
$$V_{\text{PIX}} = \frac{}{}$$
Fe – ilość żelaza potrzebnego do chemicznego usunięcia fosforu [gFe/cykl]
Obliczenie parametrów stabilizacji osadu
3.11.1 Obliczenie czasu stabilizacji
$$t = \frac{1}{,,,*{1,035}^{(10 - 20)}}*ln\frac{}{}\ \ \ \lbrack d\rbrack$$
k20 – stała biodegradacji substancji organicznej: 0,10d-1
T – temperatura osadu : 10°C
Xo – stężenie masy organicznej osadu na początku procesu (70%suchej masy)
$$X_{o} = 0,7*SM\ \ \lbrack\frac{\text{kg}}{m^{3}}\rbrack$$
$$X_{o} = 0,7*SM\ \ \lbrack\frac{\text{kg}}{m^{3}}\rbrack$$
SM – zawartość suchej masy w osadzie nadmiernym $\frac{\lbrack kg}{m^{3}\rbrack}$
Xt – stężenie masy organicznej osadu po czasie t (50%początkowego)
$$X_{t} = 0,5*X_{o}\text{\ \ }\frac{\lbrack kg}{m^{3}\rbrack}$$
$$X_{t} = 0,5*X_{o}\text{\ \ }\frac{\lbrack kg}{m^{3}\rbrack}$$
3.11.2 Obliczenie masy osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania chemicznego
$$M_{OS\ org + P} = M_{P} + M_{\text{OSC\ \ \ \ }}\lbrack\frac{\text{kg}}{d}\rbrack$$
$$M_{OS\ org + P} = M_{P} + M_{\text{OSC\ \ \ \ }}\lbrack\frac{\text{kg}}{d}\rbrack$$
MP – masa osadu z usuwania fosforu [kg/d]
MOSC – masa osadu z usuwania związków organicznych [kg/d]
3.11.3 Obliczenie objętości osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania chemicznego
$$V_{\text{OSC}} = \frac{100*M_{OS\ org + P}}{\rho_{\text{OS}}*\left( 100 - W \right)}\text{\ \ \ }\frac{\lbrack m^{3}}{d\rbrack}$$
$$V_{\text{OSC}} = \frac{100*M_{OS\ org + P}}{\rho_{\text{OS}}*\left( 100 - W \right)}\text{\ \ \ }\frac{\lbrack m^{3}}{d\rbrack}$$
ρOS – gęstość osadu [g/m3], ρOS=1000 kg/m3
W – uwodnienie osadu [%], (odczytane z danych literaturowych)
MOS org + P - masa osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania chemicznego [kg/d]
3.11.4 Obliczenie wymaganej objętości zbiornika stabilizacji osadu
VZOS =
VOSC – objętość osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania chemicznego [m3/d]
t – czas stabilizacji [d]
3.11.5 Obliczenie dobowego zapotrzebowania na tlen
$$z_{t} = 1,42*\frac{}{}*\ \ $$
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]
3.11.6 Obliczenie masy osadu nadmiernego po stabilizacji
$${M'}_{\text{OS}} = 0,65*M_{OS\ org + P}\ \ \ \ \lbrack\frac{g}{d}\rbrack$$
$${M'}_{\text{OS}} = 0,65*M_{OS\ org + P}\ \ \ \ \lbrack\frac{g}{d}\rbrack$$
M’OS – masa osadu po stabilizacji [g/d]
MOS org + P - masa osadu nadmiernego z usuwania związków organicznych i strącania chemicznego [kg/d]
3.11.7 Obliczenie objętości osadu nadmiernego po stabilizacji
$${V'}_{\text{OS}} = \frac{100*{M'}_{\text{OS}}}{\rho_{\text{OS}}*\left( 100 - W' \right)}\ \ \ \lbrack\frac{m^{3}}{d}\rbrack$$
$${V'}_{\text{OS}} = \frac{100*{M'}_{\text{OS}}}{\rho_{\text{OS}}*\left( 100 - W' \right)}\ \ \ \lbrack\frac{m^{3}}{d}\rbrack$$
V’OS – objętość osadu nadmiernego po stabilizacji tlenowej [m3/d]
ρOS – gęstość osadu [g/m3], ρOS=1000 kg/m3
W’ – uwodnienie osadu ustabilizowanego [%]
M’OS – masa osadu po stabilizacji [kg/d]
3.11.8 Określenie dziennej ilości osadu ustabilizowanego
Qosadu = V′OS
Qosadu = V′OS
V’OS – objętość osadu nadmiernego po stabilizacji tlenowej [m3/d]