Charakterystyka ścieków bytowo-gospodarczych
Są to ścieki fekalne, ścieki z umywalni, kuchni, łazienek, pralni, itp. powstające w gospodarstwie domowym, instytucjach użyteczności publicznej, zakładach przemysłowych itp.
Ich ilość wynika bezpośrednio z ilości wody zużywanej na różne cele w mieszkaniach, zakładach użyteczności publicznej i zakładach pracy w związku z prowadzeniem gospodarstw domowych oraz zaspokajaniem potrzeb fizjologicznych i higieniczno- sanitarnych. Czyli teoretycznie ilość ścieków jest mniejsza od ilości zużywanej wody, ale przyjmuję się, że ilość ścieków jest równa ilości zużywanej wody.
Orientacyjne ilości ścieków bytowo-gospodarczych powstających codziennie na terenach jednostek gospodarczych w przeliczeniu na jednego mieszkańca:
- gospodarstwa domowe 0,05-0,25 m3/Md
-zakłady pracy 0,01-0,02 m3/Md
-zakłady użyteczności publicznej 0,03-0,05 m3/Md
Ilość ścieków odprowadzania do oczyszczalni podlega okresowo znacznym zmianom zarówno w cyklu dobowym jak i rocznym. Zazwyczaj mniejsza ilość ścieków przypada na miesiące zimowe oraz dni świąteczne i niedziele, natomiast największa na miesiące letnie i dni przedświąteczne. W cyklu dobowym najmniejsza ilość jest odprowadzana w nocy, a największa w godzinach południowych i wczesno wieczornych. Wynika to z dobowej aktywności mieszkańców. Na ogół wzrost standardu wyposażenia w urządzenia sanitarne zmniejsza nierównomierność odpływu ścieków. Im mniejsza jednostka osadnicza tym nierównomierność odpływu ścieków jest większa- co jest związane z wydłużeniem czasu dopływu ścieków do oczyszczalni i pojemnością retencyjną sieci kanalizacyjnej. Szczególną nierównomiernością charakteryzują się miejscowości wypoczynkowe, w których w sezonie przebywa znaczniej więcej ludzi niż w pozostałych miesiącach roku. Aby dokładnie określić nierównomierność dopływu ścieków do oczyszczalni należy robić pomiary na kolektorze głównym.
Charakterystyka ścieków deszczowych
Są to wody deszczowe lub wody z topnienia śniegu oraz ścieki powstające przy polewaniu i myciu ulic, spływające do kanalizacji z dachów, ulic, placów i innych terenów.
Spływ ścieków oblicza się według wzoru:
Q=F*Ψ*q [dm3/s]
Q- spływ ścieków deszczowych ze skanalizowanego terenu dm3/s
F- powierzchnia terenu kanalizowanego (powierzchnia zlewni), z której ścieki spływają do określonego odcinka kanału, ha
Ψ- współczynnik spływu powierzchniowego, wyrażający stosunek ilości ścieków deszczowych, które spłynęły do kanalizacji, do ilości ścieków deszczowych, które spały na dany teren. Wartość tego współczynnika należy przyjmować z przedziału 0,10-0,9, w zależności od gęstości zabudowy i szczelności pokrycia powierzchni zlewni.
Ścieki deszczowe mają tę specyfikę że ich odpływ siecią kanalizacyjną trwa stosunkowo krótko- w sumie kilkadziesiąt do kilkuset godzin w ciągu roku, ale natężenie przepływu w czasie deszczu może być bardzo duże- często kilkaset razy wyższe od natężenia przepływu ścieków gospodarczych.
Rola i zasada działania krat w II stopniowej oczyszczani ścieków komunalnych
Rola krat: usuwanie ze ścieków zanieczyszczeń występujących w postaci substancji stałych o stosunkowo dużych rozmiarach z wykorzystaniem procesu cedzenie
Zasada działania: ciąg technologiczny oczyszczania ścieków rozpoczyna się procesem cedzenia. Za kolektorem zbiorczym znajdują się kanały doprowadzające ścieki do oczyszczalni. Ścieki te na początku trafiają do hali krat, w której każdy z kanałów jest zaopatrzony w zestaw krat lub sit. Na kratach i na sitach zachodzi proces cedzenia, czyli mechanicznego usunięcia ze ścieków zanieczyszczeń występujących w postaci substancji stałych o stosunkowo dużych rozmiarach. Odpady usunięte na kratach nazywa się potocznie skratkami. Następnie ścieki tak wstępnie oczyszczone trafiają do piaskownika.
Jest to proces bardzo znaczący dla prawidłowego oczyszczania ścieków, ale również dla eksploatacji urządzeń znajdujących się w dalszych częściach ciągu technologicznego
Rola i zasada działania piaskownika w II stopniowej oczyszczani ścieków komunalnych
Rola piaskowników:
-usuwanie ze ścieków zawiesin mineralnych (piasku, żużlu, drobnych kamieni, pestek, kawy zmielonej) o średnicy 0,1- 0,2 mm i większe przy wykorzystaniu procesu sedymentacji- ziarna o średnicy 0,1 mm powinny być zatrzymane w około 65%
-oddzielanie zawiesin mineralnych od organicznych- ilość zawiesin organicznych zawartych w piasku po sedymentacji nie powinna przekraczać 10% w stosunku wagowym
-zapobiegają zapychaniu rurociągów
-zapobiegają ścieraniu mieszadeł
-zatrzymanie zawiesin ziarnistych (mineralnych)- odpad to piasek
- zabezpieczananie kolejnych obiektów oczyszczalni przed zapychaniem rurociągów i ścieraniem mechanicznym elementów
- zabezpieczanie komór napowietrzania przed akumulacją piasku
- zapobiegają uszkodzeniu wirników pomp
-zapobiegają zaleganiu zawiesiny mineralnej na końcu układu, które może prowadzić do scementowania dna urządzeń zmniejszając tym samym ich objętość czynną
Zasada działania: Piaskowniki są urządzeniami przepływowymi, w których panuje ruch burzliwy zapobiegający opadaniu zawiesin organicznych łatwo opadających. Ścieki dopływają króćcem wlotowym piaskownika. Następnie przy wykorzystaniu procesu sedymentacji następuje opadanie cząstek zawiesiny mineralnej (piasku, żużlu, drobnych kamieni). Ścieki pozbawione piasku odprowadzane są do dalszych etapów oczyszczania króćcem odpływowym. Osadzający się w komorze zbiorczej piaskownika piasek usuwany jest z niego za pomocą zgarniaczy.
Ważna jest prędkość przepływu ścieków (osadniki poziome 0,3m/s): za mała- opadanie zawiesiny organicznej, za duża- wypłukiwanie zawiesiny mineralnej
Wyróżniamy piaskowniki o przepływie poziomym, pionowo-śrubowym (piaskowniki napowietrzane) oraz w mniejszych oczyszczalniach pionowo-wirowe
Rola i zasada działania osadnika wstępnego w II stopniowej oczyszczani ścieków komunalnych
Rola osadnika wstępnego:
-usuwanie ze ścieków zawiesiny organicznej (50-0%) przy wykorzystaniu procesu sedymentacji skrępowanej
-usunięcie olejów i tłuszczów (włączenie flotacji)
-zmniejszenie wielkości komór osadu czynnego (usunięcie ok. 30% BZT5)
- zmniejszenie ilości osadu nadmiernego w części biologicznej
-zmniejszenie zużycia energii w procesie oczyszczania biologicznego
-usunięcie zawiesin łatwo opadających w 60-70%- odpad to osad wstępny
-wyrównanie nierównomierności strumienia i ładunku zanieczyszczeń ścieków dopływających do części biologicznej
-wytworzenie w ściekach prostych kwasów lotnych, wspomagających defosfatację biologiczną
Zasada działania: ścieki po piaskowniku wpływają do osadnika wstępnego w którym następuje usuwanie ze ścieków zawiesiny organicznej na drodze sedymentacji skrępowanej. Osiadłe na dnie osady zgarniane są do leja skąd ujmowane są do osadnika. Gromadzące się na powierzchni substancje (np. tłuszcze) o gęstości mniejszej od gęstości wody, również za pomocą zgarniacza usuwane są do miejsca przeznaczenia.
Efektywność usuwania zawiesiny w danych warunkach uzależniona jest od powierzchni i objętości osadnika oraz od burzliwości przepływu
Rola i zasada działania osadnika wtórnego w II stopniowej oczyszczani ścieków komunalnych
Rola osadnika wtórnego: oddzielenie osadu czynnego od oczyszczonych ścieków
Zasada działania: osadniki wtórne znajdują się za komorami napowietrzania dlatego do osadników wtórnych dopływa ogromna ilość zawiesin kłaczkowatych. Zawiesiny te mają tendencję do łączenia się w duże kłaczki i do formowania się warstwy osadu, która przez cały czas zagęszcza się. Ta warstwa zalega na dnie w leju osadowym skąd jest usuwana w sposób ciągły (np.do komory fermentacyjnej). Oczyszczone ścieki trafiają do środowiska (np.rzeka).
Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego- omówić zasadę, prosty schemat, warunki
Z ekologicznego punktu widzenia układ komór osadu czynnego przedstawia otwarty ekosystem wodny. Składa się on z dwóch części:
- biotycznej, którą reprezentują mikroorganizmy i ich współzawodnictwo, inhibicja, drapieżnictwo
- abiotycznej, do której należą czynniki takie jak ilość i jakość pokarmu, temperatura, odczyn pH, stężenie tlenu
Osad czynny jest biocenozą heterotroficzną. Biocenoza ta podzielona jest na poziomy, charakteryzujące się rozwojem, a przede wszystkim obecnością pewnych grup mikroorganizmów.
-Pierwszy poziom troficzny - bakterie, pierwotniaki saprofityczne i grzyby
-Drugi poziom troficzny - pierwotniaki (takie jak orzęski, wiciowce) odżywiające się bakteriami.
- Najwyższy poziom troficzny - pierwotniaki drapieżne, robaki i nicienie (zaliczane do konsumentów II rzędu).
Zmiany w obrębie jednego poziomu powodują zmiany na innych poziomach. Zmiany te mogą być krótko- lub długotrwałe.
Właściwości osadu czynnego
- Zdolność mikroorganizmów osadu czynnego do tworzenia kłaczków – sedymentacja, oddzielenie osadu od ścieków
-Kłaczkowanie jest podstawowym czynnikiem selekcjonującym w mieszanej kulturze osadu czynnego
- Mikroorganizmy w kłaczkach są zatrzymywane w systemie osadu czynnego podczas gdy rozproszone, swobodnie wzrastające komórki podlegają wymywaniu
- Wzrost w kłaczkach chroni większość komórek mikroorganizmów przed drapieżnikami
Zanieczyszczenia organiczne są adsorbowane na powierzchni kłaczków i mineralizowane na skutek procesów metabolizmu zachodzących w mikroorganizmach. Aby zapewnić prawidłowy przebieg procesu kłaczki powinny być równomiernie unoszone w masie ścieków przepływającej przez komorę napowietrzania.
Obserwując osad za pomocą mikroskopu,
można otrzymać wyczerpujące informacje
na temat funkcjonowania oczyszczalni.
- Morfologia kłaczków
-Obecność bakterii nitkowatych
-Skład gatunkowy i modyfikacje proporcji ilościowych pierwotniaków
- Zróżnicowana wrażliwość na działanie
substancji toksycznych
Kształt : zaokrąglony / nieregularny
Kłaczki o kształcie przybliżonym do kulistego określa się jako „zaokrąglone”. Kłaczki, których kształt znacznie odbiega od kulistego, określa się jako „nieregularne”.
Przyczyną nieregularnego kształtu kłaczków może być duża ilość bakterii nitkowatych lub wzrost obciążenia oczyszczalni ładunkiem zanieczyszczeń.
Spójność: słaba / duża
W kłaczku o słabej spójności nie istnieje stabilne jądro komórkowe, ich struktura łatwo ulega zniszczeniu. W fazie płynnej występuje duża liczba wolno unoszącego się materiału komórkowego.
Na spójność kłaczków ma wpływ obciążenie oczyszczalni. Kłaczki o słabej spójności występują przy bardzo niskim obciążeniu oczyszczalni, ze względu na niedostateczną ilość substancji odżywczych konieczną do utrzymania przy życiu organizmów tworzących kłaczki. Mocne, stabilne kłaczki o dużej spójności tworzą się przy dużym obciążeniu oczyszczalni.
Struktura : zwarta / luźna
W kłaczkach o zbitej strukturze można znaleźć tylko nieliczne luźne przestrzenie, w kłaczkach o luźnej strukturze ich cząstki są wyraźnie oddzielone od siebie licznymi perforacjami. Luźna struktura kłaczków jest spowodowana obecnością organizmów nitkowatych.
Wielkość kłaczków:
- kłaczki o dużej wielkości: średnica > 500m
- kłaczki o średniej wielkości: 100m < średnica < 500m
- kłaczki o małej wielkości: średnica < 100m
Istnieje wyraźny związek między składem gatunkowym „mikrofauny” osadu czynnego a warunkami procesowymi i jakością odpływu. Oznaczanie gatunków jest trudne, wymaga dużej wiedzy. Badania wykazały, że same proporcje ilościowe dużych i łatwych do rozpoznania kategorii pierwotniaków pozwalają ocenić kondycję osadu i funkcjonowanie systemu.
•grzyby (Fungi – Geotrichum, Fusarium, Oospora, Phormidium), biorące udział głównie w mineralizacji ścieków przemysłowych,
•pierwotniaki (Protozoa),
–wiciowe (Mastigota),
–zarodziowe (Sarcodita),
–orzęski (Ciliata),
•wrotki (Rotatoria),
•robaki (glisty).
Wiciowce heterotroficzne
Rozmiar < 10 μm
Stały składnik osadu czynnego.
Najliczniejsza kategoria wśród pierwotniaków w dopływających ściekach.
Dominują
w pierwszej fazie rozruchu nowej oczyszczalni,
w systemach wysoko obciążonych.
po różnego rodzaju zaburzeniach szokowych
Żywią się głównie bakteriami rozproszonymi.
Wysoka liczebność wiciowców w dojrzałym osadzie - złe funkcjonowanie systemu.
nadmiernego obciążenia substratowego,
braku tlenu
dopływu ścieków zagniwających.
Wiciowce wykazują
Duża odporność na obecność substancji toksycznych
Szybkie tempo wzrostu
Orzęski swobodnie pływające
Bakteriożerne
Charakterystyczne dla
-wysokich obciążeń substratowych
-wczesnych etapów sukcesji w nowo uruchamianych systemach
Zdolne do bardzo szybkiego wzrostu
Wymagają dużego zagęszczenia bakterii w środowisku
Gatunki o drobnych rozmiarach
Hymenostomata: Cyclidium, Tetrahymena, Uronema, Colpidium,
Orzęski osiadłe
Bakteriożerne
Charakterystyczne wydajne aparaty filtrujące.
Przytwierdzają się do powierzchni kłaczków osadu za pomocą sztywnych lub kurczliwych stylików.
Najbardziej charakterystyczny składnik osadu czynnego.
Występują w szerokim zakresie obciążeń.
Masowy rozwój (ponad 80% całej „mikrofauny” osadu) może świadczyć o niestabilnych warunkach - wzrost lub znaczne wahania obciążenia.
Osiadłe orzęski z grupy Peritrichidia -
Carchesium, Vorticella, Epistylis czy Opercularia
Orzęski pełzające
Bakteriożerne (np. Aspidisca, Euplotes, Chilodonella, Trochilia) korzystać z bakterii związanych z kłaczkami osadu, niektóre specjalizują się w połykaniu bakterii nitkowatych
Występują w warunkach niskich i średnich obciążeń.
Jeżeli stosunek ilościowy form pełzających do osiadłych przekracza 0,5 odpływ jest lepszej jakości.
Ameby oskorupione (Testacea)
W osadzie czynnym występują najczęściej przedstawiciele rodzajów: Arcella, Euglypha i Diflugia. Ich występowanie jest związane
-z długim wiekiem osadu,
-niskim obciążeniem (tempo wzrostu jest bardzo powolne)
-dobrym natlenieniem
-bardzo niskim stężeniem azotu amonowego – wskaźnik dobrze przebiegającej nitryfikacji
-liczebność rośnie latem w wyższych temperaturach.
-intensywność brązowożółtej barwy domków Arcella (wpływ soli żelaza) wskazuje na duży wiek osadu.
Niektóre z pierwotniaków są gatunkami wskaźnikowymi – przede wszystkim są to gatunki zdolne do życia w warunkach ekstremalnych, a więc wskazują na złą kondycję osadu.
Opercularia ( Opercularia coarctata, Opercularia microdiscus i Opercularia minima).
- wysokie obciążnie
- wysokie wartości BZT5 w odpływie
- świadczą zdecydowanie o złych warunkach
- duża odporność na różne substancje toksyczne, zwłaszcza na metale (domieszki ścieków przemysłowych).
Vorticella microstoma
- wysokie obciążenia
- obecny we wczesnej fazie rozwijającego się osadu czynnego
- obserwowany przy spadkach stężenia tlenu
- dobry wskaźnik niedoborów tlenowych
Vorticella convallaria,
- stabilne warunki.
Urozmaicony skład gatunkowy pierwotniaków to:
-dobrze pracujący osad
-dobra jakość odpływu
Ograniczona liczba gatunków lub silna dominacja pojedynczej
- zakłócone funkcjonowanie systemu
W każdej oczyszczalni powstaje osad czynny o swoistych właściwościach
Informacje na podstawie obrazu mikroskopowego osadu czynnego -jakości osadu
- kondycji związanej z ilością
pokarmu,
tlenu
-wieku osadu
-stwierdzenia ewentualnych zaburzeń
-ustalenia przyczyn złej pracy
Oczyszczanie ścieków na złożu biologicznym.
Biologiczne oczyszczenie ścieków jest możliwe, gdy:
•ścieki nie są toksyczne dla mikroorganizmów,
•substancje zawarte w ściekach ulegają biodegradacji,
•zapewnione są odpowiednie warunki dla mikroorganizmów (temperatura i pH ścieków, zawartość tlenu, mieszanie),
•zapewniona jest dostępność substancji pożywkowych (węgiel organiczny biodegradowalny, azotu, fosforu).
Najstarszą sztuczną metodą oczyszczania biologicznego jest oczyszczanie ścieków z zastosowaniem złóż biologicznych - wywodzi się od filtrów gruntowych i procesu samooczyszczania. Po raz pierwszy złoże biologiczne niskoobciążone zostało wykorzystane w Anglii w 1893 roku przez J. Corbeta do oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych.
Reaktory z utwierdzona biomasą
Reaktory z utwierdzoną biomasą są bioreaktorami, w których organizmy są osadzone na stałym podłożu w postaci błony biologicznej oraz przyjmują pokarm z przepływających ścieków, do których oddawane są produkty przemiany materii.
-Nie ma recyrkulacji biomasy
-Zmiana grubość warstwy biomasy
-Odrywanie biomasy od podłoża i usuwanie ze strumieniem ścieków
Etapy oczyszczanie ścieków w złożach biologicznych
-sorpcja zanieczyszczeń organicznych pochodzących ze ścieków na powierzchni błony biologicznej,
-zaadsorbowane zanieczyszczenia są
-bezpośrednio rozkładane w warunkach tlenowych do CO2 i H2O i beztlenowych do H2S i NH3 a gazowe produkty przemiany materii usunięte ze strumieniem przepływającego powietrza
- zużyte do przyrostu błony biologicznej - odprowadzenie przyrostu biomasy ze strumieniem ścieków.
Recyrkulacja ścieków
− uzyskanie wymaganego hydraulicznego obciążenia złoża,
− obniżenie stężenia doprowadzanych ścieków,
− osiągnięcie wymaganego stopnia oczyszczenia ścieków,
− odświeżenie ścieków (natlenienie), korekty pH, zaszczepienia ścieków surowych biomasą.
Kontakt ścieków z błoną biologiczną można zapewnić przez:
- okresowe zalewanie złoża ściekami, np. złoża zalewane,
- przepuszczanie ścieków przez warstwę złoża: złoża zraszane i spłukiwane,
- okresowe zanurzanie złoża w ściekach: złoża zanurzane i złoża obrotowe.
Omówić proces nitryfikacji
Proces ten nie usuwa azotu ze ścieków lecz zmienia jego formę polegającą na utlenianiu jonów amonowych NH4+ do azotu azotanowego NO3- i przebiega w warunkach tlenowych z udziałem głównie autotroficznych bakterii nitryfikacyjnych, które potrzebują do życia amoniak a nie węgiel organiczny. Ponadto potrzebują dużo tlenu, łatwo je struć, powoli przyrastają, potrzebuja długiego czasu do reprodukcji. Konkurują z bakteriami węglowymi. Skuteczność heterotroficznych bakterii nitryfikacyjnych w utlenianiu jonów NH4+ jest bardzo mała. Współwystępowanie w błonie biologicznej bakterii heterotroficznych autotroficznych jest korzystne dla przebiegu nitryfikacji. Za głównych nitryfikatorów uważa się chemolitotroficzne bakterie Nitrosomonas i Nitrobacter
Bakterie Nitrosomonas
2NH3+3O2 -> 2HNO2 +2H2O + 148 kcal
Bakterie Nitrobacter
2HNO2 + O2 -> 2HNO3 +48 kcal
O skuteczności nitryfikacji współdecydują stężenie tlenu rozpuszczanego, substratów i produktów reakcji, temperatura i pH wody
Omówić proces denitryfikacji
Zdolność do wykorzystywania azotu azotanowego jako ostatecznego akceptora elektronów w reakcjach biochemicznych.
Co najmniej czterdzieści gatunków mikroorganizmów wodnych jest zdolnych do denitryfikacji (Achromobacter, Arthrobacter, Bacillus, Flavobacterium, Hypomicrobium, Moraxella i Pseudornonas). Pospolite mikroorganizmy nitkowate i grzyby osadu czynnego są zdolne do prowadzenia tylko pierwszego etapu denitryfikacji, tj. redukcji azotanów do azotynów. Zużywają BZT i nie wymagają do oddychania obecności tlenu w ściekach wykorzystują tlen z NO3.
Denitryfikacja oprócz podstawowej korzyści, jaką jest usuwanie azotu, wpływa także na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych oczyszczalni.
- Denitryfikacja przyczynia się do zmniejszenia zużycia tlenu (zmniejszenie kosztów zużyta energii na napowietrzanie ścieków),
- pozwala uniknąć dozowania chemikaliów (np. wapna) dla uzupełnienia strat zasadowości w skutek nitryfikacji,
- zmniejszenie produkcji osadu nadmiernego (koszt w przeróbki i zagospodarowania osadu).
Rodzaje kanalizacji
Charakterystyka ścieków komunalnych
Morfologia i biocenoza osadu czynnego
Rola sedymentacji w oczyszczaniu ścieków
Omówić zasadę zintegrowanego usuwania pierwiastków biogennych ze ścieków – przedstawić układ technologiczny.
Chemiczne usuwanie fosforu w procesie oczyszczania ścieków.
Osady ściekowe – wymienić rodzaje, właściwości, zanieczyszczenia, uwodnienie, sposoby zagospodarowania