LABORATORIUM Z TECHNOLOGII OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW

Ćwiczenie NR 1

ILOŚĆ I SKŁAD ŚCIEKÓW

Wprowadzenie

1. Rodzaje ścieków.

Ścieki definiujemy, jako wody zużyte odprowadzane po wykorzystaniu w gospodarstwach domowych czy w procesie technologicznym lub wytworzone w procesie technologicznym, łącznie z wodami deszczowymi i infiltracyjnymi. W praktyce eksploatacyjnej i projektowej wykorzystywany jest następujący podział ścieków, uwzględniający miejsce i sposób ich powstawania:

• ścieki bytowo-gospodarcze - produkowane bezpośrednio w gospodarstwach domowych i związane z codzienną aktywnością człowieka; ścieki te pochodzą z budynków mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego oraz użyteczności publicznej,

• ścieki przemysłowe - niebędące ściekami bytowymi albo wodami opadowymi lub roztopowymi, powstałe w związku z prowadzoną przez zakład działalnością handlową, przemysłową, składową, transportową lub usługową.

• ścieki deszczowe (opadowe) - pochodzące z opadów atmosferycznych, topnienia śniegu oraz polewania ulic, ujęte w otwarte lub zamknięte systemy kanalizacyjne.

W zależności od stosowanego sytemu kanalizacji do oczyszczalni ścieków dopływają:

• w systemie kanalizacji ogólnospławnej - wszystkie rodzaje ścieków, powstające na danym terenie,

• w systemie kanalizacji półrozdzielczej - ścieki bytowo-gospodarcze i przemysłowe oraz pierwsza fala ścieków deszczowych

• w systemie kanalizacji rozdzielczej - ścieki bytowo-gospodarcze i przemysłowe

Niezależnie od systemu kanalizacyjnego znaczny udział w ogólnej ilości ścieków płynących kolektorem zbiorczym mają wody gruntowe, dopływające do sieci kanalizacyjnej przez różnego rodzaju nieszczelności - wody przypadkowe i infiltracyjne

Często w praktyce inżynierskiej używane są określenia ścieki miejskie lub komunalne, jako określenie mieszaniny wszystkich rodzajów ścieków odprowadzanych miejską siecią kanalizacyjną, a także ścieki surowe, jako określenie ścieków dopływających kolektorem zbiorczym do oczyszczalni ścieków.

2. Charakterystyka ścieków.

2.1. Ilość ścieków.

Przyjmuje się, że ilość ścieków równa jest w przybliżeniu ilości zużywanej wody (w rzeczywistości jest niższa). W przypadku ścieków bytowo-gospodarczych, przeciętny jednostkowy odpływ ścieków przyjmuje się na poziomie 0,15 m³/d na 1 mieszkańca, chociaż w wyniku nasilającego się trendu spadku zużycia wody obserwuje się w praktyce dużo niższe wartości.

Wszystkie prace projektowe związane z budową oczyszczalni ścieków wymagają szczegółowego rozpoznania charakterystyki zmienności dopływu ścieków do oczyszczalni. Zmienność przepływu ma najczęściej charakter cykliczny i opisywana jest zazwyczaj poprzez tzw. współczynniki nierównomierności jak np. Nd max - współczynnik nierównomierności dobowej; Nh max -współczynnik nierównomierności godzinowej. Nierównomierność dopływu ścieków miejskich jest ściśle uzależniona od wielkości aglomeracji; im większe miasto tym mniejszy współczynnik nierównomierności dopływu ścieków do oczyszczalni. W miastach posiadających kanalizację ogólnospławną wzrost nierównomierności dopływu ścieków spotęgowany jest przez odpływy deszczowe.

Ilość ścieków charakteryzowana jest przez tzw. przepływy miarodajne, spośród których najważniejsze to:

• Q śr d (m3/d) - przepływ średni dobowy, będący średnią arytmetyczną przepływów z okresu rocznego (lub danego okresu obserwacji); Q śr d = Q roczny /365

• Q śr h (m3/h) - przepływ średni godzinowy; Q śr h = Q śr d /24

• Q śr h dz (m3/h) - przepływ średni godzinowy z godzin dziennych; średnia z 12 godzin z okresu pomiędzy 5 :00 a 21:00, w dobie maksymalnej, podczas których zarejestrowano na oczyszczalni największe przepływy; Q śr h dz = Q śr h x N d max x N h dz

• Q max d - przepływ maksymalny dobowy; Q max d = Q śr d x N d max

• Q max h - maksymalny przepływ godzinowy; Q max h = Q śr h x Nd max x N h max

W miarę potrzeby określać można również inne przepływy miarodajne, takie jak przepływ minimalny, zmianowy, nocny, itp.

Ilość ścieków, powstających w wyniku działalności produkcyjnej podawana jest zwykle w odniesieniu do ilości wytworzonego produktu lub zużytego surowca. W związku z tym bilans ilościowy ścieków musi opierać się na danych uzyskanych bezpośrednio z konkretnego zakładu.

Do określenia ilości ścieków deszczowych stosuje się wartość natężenia deszczu miarodajnego, przy uwzględnieniu współczynnika spływu powierzchniowego.

Ilość wód infiltracyjnych i przypadkowych zależy od szczelności sieci kanalizacyjnej, a także od długości kanałów i poziomu wód gruntowych na terenie objętym siecią kanalizacyjną. Wielkość przepływu tych wód podaje się jako procent ilości ścieków bytowo-gospodarczych.

Dla uzyskania miarodajnych wartości natężania przepływu wskazane jest wykonanie pomiarów przez dłuższy okres czasu np. 1 tydzień. Pomiary 1-dobowe ze względu na swą wyrywkowość nie dają wiernego obrazu odpływu ścieków, zwłaszcza w miejscowościach o dużym współczynniku nierównomierności dopływu ścieków. Serie pomiarów należy ewentualnie powtórzyć w różnych porach roku, a w zakładach przemysłowych w okresach o zróżnicowanej produkcji.

Ze względu na trudności w określeniu rzeczywistego charakteru zmienności dopływu ścieków często stosuje się ocenę statystyczną dostępnych danych, szacując prawdopodobieństwa wystąpienia określonego przepływu wraz z niższymi. Najczęściej, jako wartości średnie, przyjmuje się wartości występujące wraz z niższymi z prawdopodobieństwem 60 %, natomiast, jako wartości maksymalne z prawdopodobieństwem 85-90 % .

2.2. Jakość ścieków.

• Charakterystyka jakościowa ścieków obejmuje wskaźniki fizyczne i chemiczne, a także biologiczne. Określana jest poprzez stężenie poszczególnych zanieczyszczeń (S, g/m3), jak również ładunek zanieczyszczeń (Ł kg/d), odpowiadający masie zanieczyszczeń dopływających w ściekach w określonym czasie:

Ł = Q*S, np. kg/d, g/h,

2.2.1 Charakterystyka fizyczna

Na charakterystykę fizyczną składa się całkowita ilość zanieczyszczeń o różnym stopniu dyspersji (zawiesiny, koloidy i substancje rozpuszczone) zawartych w ściekach, określana jako sucha pozostałość, całkowita ilość zanieczyszczeń stałych zawartych w ściekach, określana jako zawiesiny, a także takie cechy fizyczne ścieków jak mętność, barwa, zapach i temperatura.

Barwa i zapach ścieków są wskaźnikiem ich świeżości, a także mogą świadczyć o udziale specyficznych substancji pochodzenia przemysłowego. Temperaturę ścieków kształtują między innymi: udział ścieków przemysłowych z niektórych gałęzi przemysłu, zastosowany system kanalizacji i jego rozległość, temperatura powietrza. Duży udział ścieków przemysłowych może spowodować wzrost temperatury ścieków nawet do 30 ^oC. Natomiast przy kanalizacji ogólnospławnej, temperatura ścieków w zimie może obniżyć się nawet do 2-3 ^oC. Temperatura ścieków ma wpływ na szybkość procesów biochemicznych zarówno w oczyszczalni jak i w samym odbiorniku

2.2.2. Zanieczyszczenia chemiczne

Zanieczyszczenia chemiczne występujące w ściekach można podzielić na substancje organiczne, nieorganiczne oraz rozpuszczone gazy.

Wśród związków organicznych, zawartych w ściekach możemy wyróżnić białka (40-60 %), węglowodany (20-40 %), oleje i tłuszcze (10-20 %). Istotną, z technologicznego punktu widzenia, grupą zanieczyszczeń są związki organiczne odporne częściowo lub całkowicie na konwencjonalne metody oczyszczania, np. fenole, detergenty, pestycydy. Określenie zawartości poszczególnych substancji organicznych w sposób bezpośredni jest bardzo skomplikowane, ze względu na ich różnorodność, stąd stosowane są oznaczenia, które w sposób pośredni (BZT, ChZT, utlenialność) lub bezpośredni (OWO) określające zawartość całej grupy związków organicznych.

• BZT₅ - Biochemiczne Zapotrzebowanie Tlenu - biochemiczne zapotrzebowanie na tlen, czyli ilość tlenu, wyrażoną w mg/dm3, wymaganą do utlenienia związków organicznych (zawartych w jednostce objętości ścieków w temp. 20°C, w określonym czasie) przez mikroorganizmy. Wartość tę uzyskuje się w wyniku pomiaru zużycia tlenu przez badaną próbkę ścieków w ciągu 5 lub 20 dni (odpowiednio BZT₅ lub BZT₂₀). BZT charakteryzuje jakość oczyszczanych ścieków: wyższa wartość BZT oznacza większą ilość związków organicznych.
  Proces biochemicznego utleniania substancji organicznych można w uproszczeniu przedstawić jako:

Związki org. + O₂ + bakterie (enzymy) = CO₂ + H₂O + nowe bakterie

Przebieg przemian biochemicznych ilustruje poniższa krzywa. Zachodzą one w dwóch fazach. Pierwsza faza (krzywa -a- ) obejmuje utlenienie węglowodanów; druga faza (krzywa -b-) pokazuje utlenienie związków azotowych i rozpoczyna się z pewnym opóźnieniem wynoszącym od 3-10 dni. Przyjmuje się, że prawie całkowita mineralizacja substancji organicznych zawartych w wodzie (ok. 99%) występuje po okresie 20 dni (wskaźnik BZT₂₀), jakkolwiek procesy te przebiegają najszybciej w ciągu pierwszych 5 dni (BZT5). Przyjmuje się, że w ściekach bytowo- gospodarczych, komunalnych i niektórych przemysłowych BZT5 stanowi 68-70% całkowitego biochemicznego zapotrzebowania tlenu. Oznaczenie BZT5 nie obejmuje procesu nitryfikacji, która hamowana jest przez dodanie n-allilotiomocznika (inhibitor nitryfikacji).

Krzywą zużycia tlenu można również przedstawić matematycznie równaniem:

BZTt = BZTc (1 -10^{-k t}) gO2/m3

gdzie - BZTc całkowite zapotrzebowanie na tlen

BZTt - zużycie tlenu w czasie t

k - stała szybkości reakcji dla ścieków surowych wg różnych autorów

0,07 - 0,6 ^d-1

Czynniki wpływające na wielkość Biochemicznego Zapotrzebowania Tlenu:

1. Temperatura - najwyższe zużycie tlenu zaobserwowano w temp. 20-30⁰ C. W 10⁰ C następuje znaczne opóźnienie procesu oraz stosunkowo małe zużycie tlenu; w 4⁰ C proces praktycznie nie zachodzi.

2. Substancje pożywkowe - do prawidłowego przebiegu procesu BZT potrzebne są różne miko- i makroelementy. Najważniejszymi pierwiastkami limitującymi rozwój mikroorganizmów są azot i fosfor.

3. pH - optymalne pH procesu to 7-8; zarówno środowisko silnie kwaśne jak i silnie alkaliczne powodują zahamowanie procesu

4. Substancje toksyczne - wpływ substancji toksycznej może spowodować znaczne opóźnienie lub zahamowanie procesu. Substancje takie jak np.: metale ciężkie, fenole, cyjanki, pestycydy mogą być toksyczne nawet w niewielkich stężeniach.

Wyznaczanie BZT_c przyjętego umownie, jako proces 20-dniowy często okazuje się niepraktyczne, gdy oczekuje się szybkiej odpowiedzi na temat składu ścieków. Dlatego zaleca się wyznaczenie całkowitego teoretycznego BZT ścieków, przez co najmniej 5 pomiarów BZT w czasie do 10 dni i wyznaczenie na tej podstawie stałej szybkości -k.- BZT w ściekach oznaczane jest metodą rozcieńczeń Winklera lub w butelkach manometrycznych (system Oxi Top ®).

Jako wynik oznaczania przyjmuje się różnicę w zawartości tlenu w próbkach przed i po inkubacji z uwzględnieniem poprawki wynikającej z zastosowania wody do rozcieńczeń. Jako miarodajny wynik do obliczania BZT₅ uważa się rozcieńczenie, w którym zużycie tlenu wynosi przynajmniej 2 mg/dm³, a ilość tlenu pozostałego po inkubacji nie jest mniejsza od 1 mg/dm³.W technologii ścieków oznaczanie BZT₅ wymaga często dużych rozcieńczeń próbki, co może wiązać się z uzyskaniem wyniku obarczonego pewnym błędem.

• ChZT - umowny wskaźnik określający chemiczne zapotrzebowanie na tlen, czyli ilość tlenu równoważną ilości silnego utleniacza, dwuchromianu potasu K₂Cr₂O₇ zużytego do utlenienia substancji zawartych w ściekach, w środowisku kwaśnym. W czasie oznaczania ChZT utleniane są głównie substancje organiczne i niektóre nieorganiczne. Dwuchromian potasu nie utlenia np. pirydyny i jej pochodnych, benzenu, toulenu, a także związków amonowych i amoniaku wydzielonego z rozkładu białek. W kontroli analitycznej procesów technologicznych wskaźnik ChZT jest bardzo często stosowany, ze względu na znaczną powtarzalność wyników oraz stosunkowo szybki czas wykonania oznaczenia (2h, podczas gdy w przypadku BZT - 5dni).

• Utlenialność - jest uzupełnieniem wskaźnika BZT i pozwala na określenie zwartych w ściekach substancji łatwo utlenialnych chemicznie oraz zredukowanych związków mineralnych. Oznaczenie to określa ilość tlenu zużytego przez badaną próbkę w reakcji z roztworem nadmanganianu potasu, w środowisku kwaśnym. Oznaczenie to wykonuje się, jako pomocnicze przy ustalaniu stopnia rozcieńczenia próbki dla BZT₅.

• OWO - ogólny węgiel organiczny, pozwala oznaczyć wszystkie związki węgla organicznego, zarówno rozpuszczone, jak i zawieszone w wodzie. Węgiel organiczny oznacza się spalając próbkę w temperaturze 650-950 C i oznaczając ilość powstałego w wyniku spalania dwutlenku węgla.

Szczególną grupę zanieczyszczeń w ściekach stanowią tzw. związki biogenne, czyli głównie związki azotu i fosforu. Analiza zawartości poszczególnych form azotu ma znaczenie przy ocenie przebiegu procesów oczyszczania i samooczyszczania.

Związki azotu występują w ściekach surowych zwykle w formie azotu organicznego i amonowego, z przewagą formy amonowej. Proporcje pomiędzy tymi formami wynikają ze stopnia amonifikacji azotu organicznego, zachodzącej w kanalizacji, której intensywność jest uzależniona głównie od temperatury i długości sieci kanalizacyjnej.

• Azot organiczny, N_org jest miarą ogólnej ilości związków organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego zawierających azot z białek, peptydów, amin, aminokwasów i ich pochodnych. Naturalnym źródłem azotu organicznego są resztki pożywienia, mocz, obumarłe części roślin i zwierząt. Związki organiczne azotu ulegają powolnemu rozkładowi na drodze biochemicznej.

• Amoniak (azot amonowy), N-NH₃ - jest produktem biochemicznego rozkładu związków białkowych w warunkach tlenowych i beztlenowych. W ściekach bytowo- gospodarczych źródłem amoniaku jest mocznik

• Azot azotanowy i azotynowy, N-NO₃ i N-NO₂ nie stanowią znaczącego ładunku, z wyjątkiem przypadków dużego udziału ścieków przemysłowych zawierających azotany lub występowania znacznej ilości azotanów w wodzie wodociągowej.

W praktyce laboratoryjnej stosuje się oznaczanie dodatkowych dwóch form azotu:

• Azot ogólny N_og - jako suma wszystkich powyższych form azotu:

N_og = N_org + N-NH₃ +N-NO₃ + N-NO₂

oraz

• Azot Ogólny Kieldahla (TKN) = N_org + N-NH₃

Związki fosforu występuje w ściekach w postaci ortofosforanów, polifosforanów oraz fosforu organicznego. Źródłami fosforu są obumarłe resztki roślinne i zwierzęce, a także środki czystości. Fosfor stanowi ok 2,5% suchej masy komórek bakteryjnych. W ściekach oznaczane są następujące formy fosforu: fosfor organiczny P_org, fosforany PO₄ oraz fosfor ogólny P_og (suma wszystkich form fosforu)

• P_og = P_org + PO₄

Poza nieorganicznymi formami azotu i fosforu podstawowe zanieczyszczenia nieorganiczne, obserwowane w ściekach stanowią chlorki i siarczany będące miarą zasolenia ścieków. Zarówno chlorki jak i siarczany nie ulegają żadnym zmianom w procesie samooczyszczania wód i konwencjonalnego oczyszczania ścieków.

2.2.3. Zanieczyszczenia biologiczne

Zanieczyszczenie biologiczne w ściekach stanowią różnorodne grupy mikroorganizmów, głównie bakterie, wirusy, grzyby, a także jaja pasożytów.

2.3. Wartości głównych wskaźników zanieczyszczeń

Ścieki bytowo-gospodarcze cechuje wysokie podobieństwo jakościowe, pomimo oczywistych różnic, wynikających z odmiennego trybu życia ludności czy wyposażenia sanitarnego w różnych systemach kanalizacyjnych.

O wyborze stosowanych na oczyszczalni procesów technologicznych decydują wartości kluczowych, dla ścieków bytowo-gospodarczych, wskaźników zanieczyszczeń, tj. BZT₅, ChZT, zawiesiny ogólne, azot ogólny, fosfor ogólny, a także temperatura, pH i zasadowość. Wartości głównych wskaźników w ściekach o różnym stopniu rozcieńczenia przedstawiono w tab.1.

Z technologicznego punktu widzenia bardzo istotne jest nie tylko rozpoznanie stężenia poszczególnych zanieczyszczeń, ale także proporcji pomiędzy zawartością poszczególnych substancji lub grup substancji. Dotyczy to w szczególności relacji pomiędzy zawartością substancji organicznych oraz związków azotu i fosforu, determinujących możliwość usuwania tych substancji w procesach biologicznych. Stosunek wartości dwóch głównych wskaźników charakteryzujących zawartość związków organicznych w ściekach tj. CHZT i BZT₅ jest miarą podatności związków organicznych w ściekach na biologiczny rozkład (korzystne jest, jeżeli wartość ChZT/BZT₅ jest mniejsza lub równa 2). Dla typowych surowych ścieków miejskich stosunek utlenialności/BZT₅ =1/3. W ściekach oczyszczonych biologicznie stosunek ten ulega zmianie i wynosi 0,5 - 0,7. Za odpowiedni, dla uzyskania wysokiej efektywności usuwania azotu ze ścieków, uznaje się stosunek BZT₅/Nog w zakresie 4-5, natomiast dla procesu biologicznego usuwania fosforu korzystny jest stosunek BZT₅/Pog w zakresie 20-25.

Tab.1. Stężenia głównych wskaźników w ściekach bytowo-gospodarczych o różnym stopniu rozcieńczenia (Henze i in, 2002.)

Wskaźnik	Ścieki
		stężone	średnio stężone	rozcieńczone	bardzo rozcieńczone
BZT5 [gO2/m^3]	530	380	230	150
ChZT [gO2/m^3]	740	530	320	210
Utlenialność [gO2/m^3]	210	150	90	60
OWO [gC/m^3]	250	180	110	70
Azot ogólny [gN/m^3]	80	50	30	20
Azot organiczny [gN/m^3]	30	20	12	8
Azot amonowy [gN/m^3]	50	30	18	12
Azot azotanowy [gN/m^3]	0,5	0,5	0,5	0,5
Azot azotynowy [gN/m^3]	0,1	0,1	0,1	0,1
Fosfor ogólny [gP/m^3]	23	16	10	6
Fosfor organiczny [gP/m^3]	4	3	2	1
Ortofosforany [gP/m^3]	14	10	6	4
Polifosforany [gP/m^3]	5	3	2	1
Zawiesina ogólna [g/m^3]	450	300	190	120
pH	7-8	7-8	7-8	7-8
Zasadowość [val/m^3]	3-7	3-7	3-7	3-7

Podobnie jak w przypadku bilansowania ilości ścieków, również szacowanie ładunku zanieczyszczeń coraz częściej odbywa się z użyciem analizy statystycznej. Wg wytycznych projektowych ATV jako miarodajną dla projektowania części biologicznej wartość ładunku BZT₅ przyjmuje się wartość występującą wraz z niższymi z prawdopodobieństwem 85 %.

Cel i zakres badań:

Celem ćwiczenia jest określenia charakterystyki jakościowej surowych ścieków komunalnych, pochodzących z jednej z krakowskiej oczyszczalni, w zakresie wybranych najważniejszych wskaźników zanieczyszczeń. Uzyskane wyniki należy porównać z danymi literaturowymi dotyczącymi charakterystyki typowych ścieków komunalnych.

Wykonanie ćwiczenia:

W przygotowanych przez prowadzącego próbkach ścieków wykonać oznaczenia wybranych wskaźników zanieczyszczeń: pH, zawiesiny, BZT₅ (2 rozcieńczenia₎, ChZT, utlenialności, azotu amonowego (NH₃), azotanowego (NO₃), fosforanów (PO₄^-3) i chlorków. Analizy wykonać dla podanych przez prowadzącego objętości ścieków.

OPRACOWANIE WYNIKÓW I WNIOSKI:

Obliczyć i podać stężenia poszczególnych wskaźników. Obliczyć stosunek ChZT/BZT₅ i/lub utlenialności/BZT₅ w analizowanych ściekach. Na podstawie uzyskanych wyników scharakteryzować badane ścieki w zakresie analizowanych wskaźników zanieczyszczeń. Porównać uzyskane wyniki z wartościami charakteryzującymi przeciętne ścieki komunalne i sformułować wnioski dotyczące jakości badanych ścieków.

Wyniki analiz przedstawić w tabeli.

Wskaźnik	Badane ścieki	Ścieki średnio stężone (wg Henze i in.2002)
pH Zawiesina g/m^3 BZT5 gO2/m^3 ChZT gO2/m^3 Utlenialność gO2/m^3 NH3 g N/m^3 NO3 g N/m^3 PO4^-3 g P/m3 Chlorki g Cl/ m3

Literatura:

1. Balcerzak W., Beńko P., Korzeniowska-Rejmer E, Kryłów M, Mucha Z. (2008) Jakość wody, oczyszczanie ścieków, zanieczyszczenia promieniotwórcze, Centrum Szkolenia i Organizacji Systemów Jakości PK, Kraków

2. Henze M., Harremoes P., la Cour Jansen J., Arvin, (2002) Oczyszczanie ścieków. Procesy biologiczne i chemiczne. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, Kielce

Komentarz ATV-DVWK do A131P i do 210P, Wymiarowanie jednostopniowych oczyszczalni ścieków z osadem czynnym oraz sekwencyjnych reaktorów porcjowych SBR

8

Sucha pozostałość

Zawiesiny ogólne

Substancje rozpuszczone

Zawiesiny mineralne

Zawiesiny organiczne

Substancje rozpuszczone

mineralne

Substancje rozpuszczone

organiczne

---