Uniwersytet Przyrodniczy Wrocław

we Wrocławiu 06 grudnia 2009 r.

Wydział Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji

Katedra Budownictwa i Infrastruktury

Ćwiczenie projektowe z przedmiotu

Sanitacja wsi

PROJEKT PRZYDOMOWEJ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW

Rok akademicki 2009/2010 Wykonała

inż. Barbara Teżyk

Ochrona Środowiska

Specjalizacja: Ochrona wód

Bilans ścieków

Celem danego zadania jest zaprojektowanie przydomowej oczyszczalni ścieków złożonej z osadnika gnilnego oraz złoża gruntowo-roślinnego o przepływie pionowym oraz o przepływie poziomym.

Osadnik gnilny będzie miał tylko funkcję mechanicznego oczyszczania ścieków. Są to ścieki socjalno-bytowe, które dopływają z gospodarstwa domowego liczącego 4 mieszkańców. Zrzut jednostkowy ścieków nie przekracza 5m³/d.

Charakterystyka ścieków pod względem jakościowym

Charakteryzując ścieki pod względem jakościowym pod uwagę należy wziąć ładunek zanieczyszczeń. Ładunek zanieczyszczeń definiowany jest jako masa zanieczyszczeń zawartych w ściekach dopływających do urządzeń oczyszczalni w jednostce czasu, równa iloczynowi natężenia przepływu ścieków i stężenia zawartych w nich zanieczyszczeń. Ładunek zanieczyszczeń może być wyrażony np. BZT₅, ChZT, zawiesina, lub innymi zanieczyszczeniami charakterystycznymi dla danego rodzaju ścieków.

l_x = S_x • q_dsr

gdzie: ł_x - jednostkowy ładunek zanieczyszczeń [g/M∙d];

S_x -stężenie zanieczyszczeń w ściekach [g/m³];

q_j - jednostkowa średnia dobowa ilość ścieków [dm³/M∙d].

Podczas charakterystyki jakościowej ścieków bierze się pod uwagę także stężenie zanieczyszczeń. Stężenie zanieczyszczeń w ściekach to zawartość określonych zanieczyszczeń, które wyraża się w jednostkach masy przypadających na jednostkę objętości.

Ładunki poszczególnych zanieczyszczeń w ściekach bytowych:

• ł_BZT5: 60 g/Md;

• ł_zaw.: 70 g/Md;

• ł_ChZT: 120 g/Md;

• ł_N: 20 g/Md;

• ł_P: 1,8 g/Md.

Obliczone stężenia zanieczyszczeń w ściekach bytowych:

$$S_{x} = \frac{l_{x}}{q_{dsr}}\ $$

$$S_{BZT5} = \frac{60\ g/Md}{0,08\ m^{3}} = 750\ g/m^{3}$$

• S_BZT5: 750 g/m³;

• ł_zaw.: 875 g/m³;

• ł_ChZT: 1500 g/m³;

• ł_N: 250 g/m³;

• ł_P: 22,5 g/m³.

Charakterystyka ścieków pod względem ilościowym

Ze względu na IV klasę wyposażenia mieszkań przyjęto normę dobową zużycia wody 80 dm³/Md, natomiast współczynnik nierównomierności dobowej przyjęto 1,4.

Do charakterystyki ścieków pod względem ilościowym wykorzystano następujące wzory:

Q_dsr = L • q_j

gdzie: Q_dśr. - średni dobowy przepływ ścieków [m³/d];

L - liczba jednostek odniesienia w danej grupie użytkowników;

q_j - przeciętne zużycie wody przypadające na jednego mieszkańca [dm³/M/d].

Q_dmax = Q_dsr • Nd

gdzie: Q_dmax - maksymalny dobowy przepływ ścieków [m³/d];

Q_dśr. - średni dobowy przepływ ścieków [m³/d];

Nd - współczynnik nierównomierności dobowej.

Obliczenia średniego i maksymalnego dobowego przepływu ścieków:

Q_dsr = 4 • 0, 08m³ = 0, 32m³

Q_dmax = 0, 32m³ • 1, 4 = 0, 448m³

Część mechaniczna przydomowej oczyszczalni ścieków

Część mechaniczną oczyszczalni ścieków stanowi osadnik gnilny. W osadniku zachodzi wiele skomplikowanych procesów, wśród nich proces sedymentacji, proces flotacji oraz proces fermentacji. Istnieje kilka metod liczenia objętości osadnika.

Metody obliczeń pojemności osadników gnilnych

Wzory przybliżone

V_p = Q_dmax • t

gdzie: V_p - objętość przepływowa osadnika [m³/d];

Q_dmax - maksymalny dobowy przepływ ścieków [m³/d];

t - czas przepływu ścieków przez osadnik [d].

V_os = 0, 123 • M

gdzie: V_os – objętość części osadowej osadnika [m³/d];

0,123 m³/d – jednostkowa ilość osadu przy częstotliwości usuwania osadu co 12 miesięcy;

M – liczba mieszkańców;

Obliczenia osadnika gnilnego wzorami przybliżonymi:

V_p = 0, 448m³ • 3 = 1, 344m³

V_os = 0, 123m³d • 4 = 0, 492m³

Wzory wg Iwanowa

$$V_{p} = 0,127\frac{q^{0,55} \bullet Q_{\text{dmax}} \bullet t^{0,33}}{T^{0,028} \bullet \sqrt{q}} \bullet \left( \frac{Z_{p}}{Z_{k}} \right)^{1,1}$$

gdzie: V_p - objętość przepływowa osadnika [m³/d];

q - średnia dobowa ilość ścieków [dm³/M∙d]

Q_dmax - maksymalny dobowy przepływ ścieków [m³/d];

t – czas przebywania osadów w osadniku [d];

T – temperatura ścieków [˚C];

Z_p – zawartość zawiesiny w ściekach na dopływie [mg/dm³];

Z_k – zawartość zawiesiny w ściekach na odpływie [mg/dm³].

$$V_{\text{os}} = \frac{v_{\text{os}} \bullet M \bullet t\left( 100 - W_{1} \right) \bullet 0,7 \bullet 1,2}{\rho_{\text{os}}\left( 100 - W_{2} \right)}$$

gdzie: V_os – objętość części osadowej osadnika [m³/d];

v_os – jednostkowa dobowa objętość osadów [zalecane: 0,7dm³/Md];

M – liczba mieszkańców;

W₁ – uwodnienie osadu surowego [%];

W₂ – uwodnienie osadu przefermentowanego [%];

ρ_os – gęstość osadu [kg/m³].

Obliczenia osadnika gnilnego wzorami Iwanowa:

$$V_{p} = 0,127\frac{80^{0,55}\text{dm}^{3} \bullet 0,448m^{3} \bullet 365^{0,33}}{9^{0,028}C \bullet \sqrt{80\text{dm}^{3}}} \bullet \left( \frac{875mg/\text{dm}^{3}}{430mg/\text{dm}^{3}} \right) = 1,020m^{3}$$

$$V_{\text{os}} = \frac{0,7\text{dm}^{3}/Md \bullet 4 \bullet 365\left( 100 - 95\% \right) \bullet 0,7 \bullet 1,2}{1000kg/m^{3}\left( 100 - 90\% \right)} = 0,027m^{3}$$

Wzory wg Osmólskiej-Mróz

V_cz = L_m(q•t+0,365•V_os)

gdzie: V_cz – objętość czynna osadnika gnilnego [m³/d];

L_m – liczba mieszkańców;

q - - średnia dobowa ilość ścieków [m³/M∙d];

t - czas przepływu ścieków przez osadnik [d];

V_os – objętość części osadowej; zaleca się przyjmować 0,3-05 dm³ przy częstotliwości usuwania osadów i kożucha co 6-12 miesięcy).

V_cz = 4 • (0,08m³•3+0,365•0,5dm³) = 1, 690m³

Wzory wg Błażejewskiego

V_cz = Q_dmax • t_rs + 0, 214•t^0, 675

gdzie: V_cz – objętość czynna osadnika gnilnego [m³/d];

Q_dmax - maksymalny dobowy przepływ ścieków [m³/d];

t_rs – czas retencji ścieków w strefie klarowania [d];

t – czas między kolejnymi opróżnieniami osadnika [a].

V_cz = 0, 448m³/d • 3 + 0, 214 • 1^0, 675 = 1, 558m³

Wzory wg EPA (Environment Protection Agency)

V_cz = 180 • P + 2000

gdzie: V_cz – objętość czynna osadnika gnilnego [dm³/d];

P – liczba mieszkańców (minimum 4).

V_cz = 180 • 4 + 2000 = 2720dm³ = 2, 720m³

Podsumowanie

Tabela 1. Obliczenia objętości osadnika gnilnego różnymi metodami

Metoda	Vp [m^3]	Vos [m^3]	Vcz [m^3]
Wzory przybliżone	1,344	0,492
Wzory wg Iwanowa	1,020	0,027
Wzory wg Osmólskiej-Mróz			1,690
Wzory wg Błażejewskiego			1,558
Wzory wg EPA			2,720

Zasady wymiarowania osadnika gnilnego w dalszej części projektu opierać się będą na wymogach Osmólskiej-Mróz.

Dobór osadnika gnilnego

Ponieważ minimalna pojemność osadnika gnilnego według wymogów Osmólskiej-Mróz wynosi 3 m³ zdecydowano się na zastosowanie osadnika gnilnego z polietylenu firmy „Wobed-Hydret”.

Charakterystyka osadnika:

• pojemność: 3 m³;

• wysokość dna rury:

  • wlot PCV 160: 1,10 m;

  • wylot PCV 110: 1,06 m;

• średnica: 1,2 m;

• długość: 3,3 m;

• liczba komór: 2;

• rodzaj zastosowanego materiału: HDPE R.

Rysunek 1. Osadnik gnilny o pojemności 3 m³ wykonany z HDPE R

Część biologiczna przydomowej oczyszczalni ścieków

Część biologiczna przydomowej oczyszczalni ścieków będzie się składała z trzech elementów: dwóch części złoża gruntowo-roślinnego o przepływie pionowym oraz jednej części złoża gruntowo-roślinnego o przepływie poziomym.

Złoże gruntowo-roślinne o przepływie pionowym

Złoże gruntowe jest odizolowane od podłoża za pomocą nieprzepuszczalnego materiału (w tym wypadku za pomocą folii stawowej). Przepływ ścieków odbywa się pionowo (z góry złoża na dół). Ważne tutaj jest równomierne rozprowadzanie ścieków w złożu. System ten charakteryzuje się stosunkowo dobrą sprawnością na przestrzeni czasu.

Powierzchnia pierwszego złoża liczona jest według następującego wzoru:

A₁ = 3, 5P^0, 35 + 0, 6P

gdzie: A₁ – powierzchnia pierwszego złoża o przepływie pionowym [m²];

P – liczba mieszkańców lub równoważna liczba mieszkańców.

Powierzchnia drugiego złoża zależna jest od stopnia podczyszczenia ścieków. W przypadku, kiedy ścieki trafiające na złoże dopływają z osadnika, stosowany jest następujący wzór:

A₂ = 0, 5•A₁

gdzie: A₂ – powierzchni drugiego złoża o przepływie pionowym [m²];

A₁ – powierzchnia pierwszego złoża o przepływie pionowym [m²].

W przypadku, gdy na złoże dopływają ścieki nie podczyszczone w osadniku gnilnym stosowany jest następujący wzór:

A₂ = 0, 6•A₁

gdzie: A₂ – powierzchni drugiego złoża o przepływie pionowym [m²];

A₁ – powierzchnia pierwszego złoża o przepływie pionowym [m²].

Całkowita głębokość złoża wynosi 0,8 m. Grubość poszczególnych warstw jest następująca:

• I warstwa - piasek ostry: 0,2 m

• II warstwa – żwir Ø 6 mm: 0,2 m;

• III warstwa - żwir Ø 12 mm: 0,2 m;

• IV warstwa - żwir Ø 30-60 mm:0,2 m.

Obliczenie powierzchni złoża pierwszego

A₁ = 3, 5 • 4^0, 35 + 0, 6 • 4 = 8, 086m²

Przyjmuje się, że wymiary złoża pierwszego będą następujące:

• wysokość: 0,8 m;

• długość: 3,2 m;

• szerokość: 3,2 m.

Obliczenie powierzchni złoża drugiego

A₂ = 0, 5 • 8, 086m² = 4, 043m²

Przyjmuje się, że wymiary złoża drugiego będą następujące:

• wysokość: 0,8 m;

• długość: 2,3 m;

• szerokość: 2,2 m.

Złoże gruntowo-roślinne o przepływie poziomym

Podobnie, jak w przypadku złoża o przepływie pionowym, złoże jest odizolowane od podłoża za pomocą nieprzepuszczalnego materiału (folia stawowa). Przepływ ścieków odbywa się poziomo, wobec czego trzeba zapewnić odpowiedni spadek dna (0,5%). Ważne jest równomierne rozprowadzenie ścieków po całej powierzchni złoża.

Czas retencji

Czas retencji stanowi czas przepływu ścieków przez złoże wyrażony w dobach i wyliczany jest ze wzoru:

$$t = \frac{1}{K_{T}} \bullet \ln\frac{C_{\text{dop}}}{C_{\text{odp}}}$$

gdzie: t – czas retencji [d];

K_T – współczynnik charakteryzujący prędkość rozkładu zanieczyszczeń organicznych w oczyszczalni[1/d];

C_dop – stężenie BZT₅ ścieków dopływających na złoże [mg/l];

C_odp – stężenie BZT₅ ścieków odpływających ze złoża [mg/l].

Współczynnik K_T jest ściśle zależny od temperatury i można go wyrazić z zależności:

K_T = K₂₀ • (1,06)^T − 20

gdzie: K_T – współczynnik charakteryzujący prędkość rozkładu zanieczyszczeń organicznych w oczyszczalni [1/d];

K₂₀ – wartość współczynnika K_T w temperaturze 20˚C;

T – temperatura ścieków [˚C].

Tabela 2. Wartości wybranych współczynników w zależności od rodzaju gruntu

Wypełnienie	d10 [mm][	α	k [m/d]	K20 d^-1
Piasek średni	1	0,42	420	1,84
Piasek gruby	2	0,39	480	1,34
Żwir	8	0,35	500	0,86

Założono wypełnienie złoża piaskiem średnim grubym.

$$K_{T} = \frac{1}{1,34} \bullet \left( 1,06 \right)^{9 - 20} = 0,393$$

Zakładając redukcję BZT₅ po osadniku wtórnym o 10%, a po pierwszym i drugim złożu pionowym po 40% stężenie BZT₅ na dopływie będzie wynosiło:

C_dop = [(750mg/l•0,9)•0,6] • 0, 6 = 243mg/l

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. normuje najniższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń dla oczyszczalni ścieków bytowych i komunalnych wprowadzanych do wód i ziemi. Według tego rozporządzenia pięciodobowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu BZT₅ dla oczyszczalni poniżej 2 000 RLM musi zostać zredukowane do minimum 40 mg/l. Wartość ta stanowić będzie stężenie BZT₅ ścieków odpływających ze złoża (C_odp).

$$t = \frac{1}{0,393} \bullet \ln\frac{243mg/l}{40mg/l} = 4,59$$

Powierzchnia złoża gruntowo-roślinnego o przepływie poziomym

Powierzchnię złoża o przepływie poziomym wyliczyć można ze wzoru:

$$A = \frac{t \bullet Q}{H \bullet \alpha}$$

gdzie: A – powierzchnia filtru [m²];

t – czas retencji [d];

Q – natężenie dopływu ścieków [m³/d];

H – grubość złoża filtracyjnego [m];

α – współczynnik porowatości.

Powierzchnia poprzeczna złoża o przepływie poziomym wyliczyć można ze wzoru:

$$A_{c} = \frac{Q}{i \bullet k}$$

gdzie: A_c – powierzchnia przekroju poprzecznego filtru [m²];

Q - natężenie dopływu ścieków [m³/d];

i – nachylenie podłoża złoża;

k – współczynnik filtracji [m/d].

W dalszej części obliczeń należy znaleźć długość albo szerokość złoża stosując jeden z poniższych wzorów:

L = t • k • i

gdzie: L – długość filtru [m];

t – czas retencji [d];

i – nachylenie podłoża złoża;

k – współczynnik filtracji [m/d].

$$W = \frac{A_{c}}{H}$$

gdzie: W – szerokość filtru [m];

A_c – powierzchnia przekroju poprzecznego filtru [m²];

H – grubość złoża filtracyjnego [m].

Obliczenia:

$$A = \frac{4,59 \bullet 0,32m^{3}}{0,6m \bullet 0,39} = 6,278m^{2}$$

$$A_{c} = \frac{0,32m^{3}}{0,005 \bullet 480m/d} = 0,133m^{2}$$

L = 4, 59 • 480 • 0, 005 = 11, 016m

Wymiary złoża poziomego:

• powierzchnia filtru: 6,278 m²;

• powierzchnia poprzeczna filtru: 0,133 m²;

• długość: 11,016 m;

• szerokość: 0,57 m;

• wysokość: 0,6 m.

Złoże poziome planuje się podzielić na dwie części o długości 5,5 m.

Obliczenia sprawdzające

W obliczeniach sprawdzających należy znaleźć wartość obciążenia hydraulicznego stanowiącego prędkość przepływu ścieków przez złoże oraz obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń.

Obciążenie hydrauliczne wynika z wielkości jednostkowej powierzchni filtru na jednego użytkownika. Obciążenie hydrauliczne powinno mieścić się w zakresie 0,02-0,07 m³/m² d.

Obciążenie ładunkiem w idealnych warunkach wynosi 15 g/m² d.

$$L_{q} = \frac{Q}{A}$$

gdzie: L_q – obciążenie hydrauliczne [m³/m² d];

Q - natężenie dopływu ścieków [m³/d];

A – powierzchnia filtru [m²].

$$L_{\text{BZT}_{5}} = \frac{C_{\text{dop}} \bullet Q}{A}$$

gdzie: L_BZT5 – obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń [g/m² d];

C_dop – stężenie BZT₅ ścieków dopływających na złoże [mg/l];

Q - natężenie dopływu ścieków [m³/d];

A – powierzchnia filtru [m²].

Obliczenia:

$$L_{q} = \frac{0,32m^{3}}{6,278m^{2}} = 0,051m^{3}/m^{2} \bullet d$$

$$L_{\text{BZT}_{5}} = \frac{243mg/l \bullet 0,32m^{3}}{6,278m^{2}} = 12,386g/m^{2} \bullet d$$

Zarówno wartość obciążenia hydraulicznego jak i obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń mieści się w granicach normy nie jest konieczna modyfikacja wymiarów żadnego ze złóż.