LABORATORIUM Z TECHNOLOGII OCZYSZCZANIA SCIEKOW

NR 3

WYZNACZANIE PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW TECHNICZNYCH PROCESU OSADU CZYNNEGO

Wprowadzenie

1. Teoretyczne podstawy procesu

Oczyszczanie biologiczne metodą osadu czynnego jest wzorowane na tlenowych procesach samooczyszczania, zachodzących w wodach powierzchniowych i polega na intensywnym biologicznym utlenianiu (mineralizacji) zanieczyszczeń organicznych znajdujących się w ściekach przez drobnoustroje osadu czynnego. Po okresie adaptacji (tzw. rozruchu oczyszczalni) w ściekach powstaje specyficzna biocenoza, o składzie typowym dla danej charakterystyki ścieków, rozkładu stężeń oraz planowanej redukcji zanieczyszczeń.

Większość bakterii osadu czynnego to bakterie heterotroficzne jakkolwiek obecne są w nim również autotrofy (bakterie nitryfikacyjne i siarkowe). W wyniku rozkładu wysokoenergetycznych związków na związki pośrednie oraz produkty końcowe (CO₂ i H₂O) powstaje energia niezbędna do życia mikroorganizmów oraz równoczesna synteza biomasy..

Umowne reakcje rozkładu:

1. Reakcja biochemicznego utleniania (oddychania pokarmowego):

enzymy

2. Reakcja asymilacji (syntezy nowych komórek):

enzymy

3. Reakcja utleniania masy komórkowej (oddychania podstawowego):

enzymy

Metoda osadu czynnego wymaga doprowadzenia tlenu do utleniania na drodze biologicznej zanieczyszczeń organicznych. Aby zapewnić bakteriom warunki tlenowe, stężenie tlenu rozpuszczonego w ściekach  powinno wynosić > 0,5 mg/dm³

Po procesie oczyszczania osad czynny jest oddzielany od ścieków i zawracany w celu powtórnego wykorzystania. Nadmiar organizmów wynikający z rozkładu związków organicznych, tzw. osad nadmierny, jest usuwany z procesu oczyszczania i kierowany do dalszej przeróbki. W wyniku oczyszczania ścieków osadem czynnym następuje usunięcie ze ścieków znacznych ilości rozpuszczonych związków organicznych, drobnych zawiesin i koloidów, a także bakterii wirusów i innych żywych organizmów.

Intensyfikacja procesu, w porównaniu z naturalnym samooczyszczaniem, polega na zwiększeniu ilości drobnoustrojów biorących udział w procesie, co pozwala na doprowadzenie większej ilości zanieczyszczeń, oraz na sztucznym natlenieniu środowiska wodnego. Doprowadzone powietrze, a także prowadzona w szczególnych przypadkach cyrkulacja ścieków wraz z biomasą zapewniają ciągłą turbulencję ułatwiająca mikroorganizmom kontakt z tlenem i substratem organicznym.

Powietrze doprowadzane do komór napowietrzania spełnia podwójną funkcję;

1. utrzymuje ścieki i osad stałym ruchu, uniemożliwiając opadanie osadu na dno reaktora

2. tlen rozpuszczony zawarty w ściekach służy jako substrat w reakcjach biochemicznego utleniania zanieczyszczeń zawartych w ściekach.

2. Nitryfikacja i denitryfikacja

Na oczyszczalni podaż azotu jest wyższa niż jego zapotrzebowanie do syntezy białka bakteryjnego (udział azotu w biomasie bakteryjnej wynosi ok. 12,3%). W tradycyjnej komorze osadu czynnego (warunki tlenowe) nie zostaje on usunięty ze ścieków, a jedynie na różnym stopniu utleniania (jako NO₂ lub NO₃) odprowadzony do odbiornika powodując jego eutrofizację.

Nitryfikacja polega na biologicznym utlenianiu amoniaku do azotanów NO₃, w którym uczestniczą bakterie rodzaju Nitrosomonas i Nitrobacter. Są to bezwzględnie tlenowe bakterie autotroficzne (samożywne), które jako budulec wykorzystują proste związki nieorganiczne: wodę i dwutlenek węgla, natomiast niezbędną do życia energię uzyskują w wyniku utleniania amoniaku i azotynów. Proces utleniania związki amonowych wymaga obecności tlenu na poziomie 1-2 mg/l.

Utlenianie amoniaku zawartego w ściekach za pomocą bakterii Nitrosomonas przebiega według reakcji:

NH₄⁺ + 1,5 O₂ → NO₂^- + 2H₂O + energia

Utlenianie azotynów przez Nitrobacter przebiega zgodnie z reakcją:

NO₂^- + 0,5 O₂ → NO₃^- + energia

Stopień nitryfikacji zależy od obciążenia osadu ładunkiem oraz wieku osadu. Zmniejszenie obciążenia i wydłużenie wieku osadu do ponad 5 dni pozwala na osiągniecie wysokiego stopnia nitryfikacji. W konwencjonalnej oczyszczalni z osadem czynnym redukcja azotu jest na poziomie 30-50%. Wyższy stopień usuwania azotu osiągany jest na drodze denitryfikacji tj. stworzenia w końcowej fazie procesu fazy niedotlenionej, gdzie możliwa jest redukcja azotanów do postaci azotu gazowego N₂, czyli denitryfikacja.

• .

Denitryfikacja, polega na biochemicznej redukcji azotanów lub azotynów do azotu gazowego z jednoczesnym utlenianiem związków organicznych, które są źródłem węgla i energii dla prowadzących proces bakterii heterotroficznych. Poniżej przedstawiono przykład reakcji dla metanolu jako źródła węgla organicznego:

6NO₃^- + 5CH₃OH → 3N₂ + 7H₂O + 6OH^- + 5CO₂

Ze względu na niską rozpuszczalność N₂ w ściekach jego nadmiar usuwany jest do atmosfery. W przeciwieństwie do nitryfikacji większość bakterii występujących w ściekach jest zdolnych do denitryfikacji. Bakterie te w warunkach tlenowych wykorzystują tlen, a w przypadku jego braku korzystają z obecności azotanów lub azotynów. Denitryfikacja, chociaż przebiega w warunkach braku tlenu nie korzysta z beztlenowych „szlaków metabolicznych”, lecz ze zmodyfikowanych „szlaków tlenowych”. Dlatego przyjął się termin denitryfikacja anoksyczna i wiele bakterii fakultatywnych może szybko przestawiać się z wykorzystywania tlenu na azotany lub azotyny Przyjmuje się, że stężenie tlenu rozpuszczonego w ściekach nie powinno przekraczać 0,5 mg/l.

3. Charakterystyka biologiczna osadu czynnego

Osad czynny jest żywą kłaczkowatą zawiesiną złożoną głównie z bakterii, a także pierwotniaków - orzęsków, wiciowców, wrotek oraz niektórych grzybów. Ma on luźną, gąbczastą strukturę. Kłaczki osadu czynnego powstają na skutek wydzielania przez komórki bakteryjne śluzowych otoczek, ułatwiających zlepianie pojedynczych organizmów i ich flokulację. Bakterie posiadają ujemny ładunek elektryczny, co powoduje dodatkowe przyciąganie kationów z roztworu dając początek tzw. bioflokulacji. Przeciętna wielkość klaczka mieści się w granicach 0,1 - 0,5 mm. Na podstawie obrazu mikroskopowego osadu czynnego można wysnuć wnioski dotyczące warunków prowadzenia procesu np. stopnia obciążenia osadu ładunkiem, stopnia natlenienia ścieków, itp.

Usuwanie zanieczyszczeń organicznych ze ścieków na drodze biologicznej odbywa się poprzez dyfuzję związków organicznych, produktów pośrednich oraz końcowych metabolizmu do wnętrza komórki bakterii oraz w kierunku przeciwnym. W transporcie na drodze dyfuzyjnej zasadniczą rolę odgrywa rozbudowana powierzchnia właściwa klaczka. Tak, więc wielkość i stopień rozdrobnienia kłaczków osadu czynnego odgrywają ważną rolę w procesie usuwania zanieczyszczeń organicznych. Zawartość tlenu w części napowietrzanej reaktorów, pH ścieków, wzajemne stosunki zawartości związków biogennych, zarówno węgla azotu i fosforu jak i mikroelementów są istotnymi czynnikami decydującymi o ilości, aktywności i składzie gatunkowym bakterii i mikroorganizmów biocenozy osadu czynnego.

4. Parametry technologiczne osadu czynnego

Do podstawowych parametrów procesu osadu czynnego można zaliczyć:

• Stężenie zawiesin ogólnych w komorze napowietrzania

X = Xb + Xbin +Xmin g sm/m3

gdzie:

Xb - stężenie biomasy osadu czynnego w komorze; g sm/m3 (g smo/m3, g ChZT/m3),

Xi - biologicznie nierozkładalne zawiesiny organiczne w oczyszczanych

ściekach; g sm/m3 (g smo/m3, g ChZT/m3),

Xmin - zawiesiny mineralne w oczyszczanych ściekach, g sm/m3.

Najczęściej stężenie osadu czynnego wynosi 2000 - 5000 g sm/m3 i zależne jest od warunków prowadzenie procesu biologicznego oczyszczania ścieków.

• Obciążenie osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń

Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń określa ilość zanieczyszczeń organicznych

(najczęściej wyrażanych jako BZT5) doprowadzanych do komory osadu czynnego w

jednostce czasu na jednostkę masy osadu w komorze

gdzie:

S_BZT - stężenie zanieczyszczeń organicznych w ściekach doprowadzanych do komory;

g BZT5/m3

Ł_BZT - ładunek zanieczyszczeń w ściekach; g BZT5/d

Dla osadu niskoobciążonego O_Ł =0,05 - 0,3 g BZT5/g sm/d.

Dla osadu wysokoobciążonego

− układ wysokosprawny: O_Ł =0,4 - 1,5 g BZT5/g sm/d

− częściowego oczyszczania: O_Ł =1,5 - 5,0 g BZT5/g sm/d

• Czas przetrzymania ścieków w komorze osadu czynnego T

Czas przetrzymania ścieków w komorze wynosi od kilku do kilkunastu (kilkudziesięciu) godzin (zależnie od przyjmowanego stężenia osadu w komorze). Nie powinien być krótszy niż 3 h. Obliczać go można z zależności natężenia przepływu i objętości komór osadu czynnego.

• Stopień recyrkulacji osadu α
  

Stopień recyrkulacji osadu α określa stosunek strumienia osadu powrotnego z

osadnika wtórnego, QR do ilości ścieków surowych dopływających do stopnia biologicznego Q_B .

α = Q_R/Q_B

W celu zachowania równowagi pomiędzy podażą substratów, a ilością dostępnej biomasy osadu czynnego osad z osadnika zawracany jest do komór osadu czynnego. Recyrkulacja osadu ma na celu wprowadzenie do komory zregenerowanego osadu, w pełni zdolnego do adsorpcji i mineralizacji zanieczyszczeń, a także utrzymanie stężenia osadu na wymaganym poziomie. Przeciętnie stopień recyrkulacji osadu wynosi 25-100%.

• Wiek osadu

Jest to najważniejszy parametr decydujący o efektach pracy osadu czynnego.

Określa on średni czas przebywania kłaczków osadu czynnego w układzie, liczony jako

stosunek masy osadu w układzie do dobowego przyrostu masy osadu podczas procesu oczyszczania.

WO =

gdzie:

M_X ⋅ = X x V - masa osadu czynnego w układzie; kg

V - objętość komory osadu czynnego; m3

∆X - dobowy przyrost osadu w wyniku procesów oczyszczania; kg/d

Wiek osadu czynnego może wynosić od 1 do kilkudziesięciu dób (zależnie od sposobu

prowadzenia procesu i niezbędnych efektów oczyszczania). Osad o WO > 40d jest osadem

biologicznie stabilnym. Przyjmując odpowiednio długi wiek osadu ( w praktyce ok.10d ) oprócz dobrych efektów usuwania związków organicznych, można uzyskać również warunki odpowiednie dla prowadzenia procesu nitryfikacji.

• Indeks osadu (indeks Mohlmana)

Charakteryzuje zdolność zawiesin osadu czynnego do sedymentacji w osadniku

wtórnym. Jest to stosunek objętości osadu czynnego po 30 minutach zagęszczania w

cylindrze 1dm³ do masy osadu w cylindrze. Indeks osadu obliczany jest z wzoru:

Im mniejsza wartość indeksu osadu, tym korzystniejsze są jego właściwości

sedymentacyjne. Dobre właściwości sedymentacyjne ma osad o IO w granicach 50-100ml/g sm. Wyższe wartości IO wskazują na pęcznienie osadu, wywołane najczęściej

przez bakterie nitkowate. Im mniejszy jest indeks osadu, tym mniejszy może być stopień recyrkulacji; im mniejszy jest stopień recyrkulacji osadu i tym mniejsze są koszty jego pompowania.

• Stężenie tlenu rozpuszczonego w komorze osadu czynnego
  

W procesie tlenowego osadu czynnego konieczne jest dostarczanie do układu niezbędnej ilości tlenu. Jest on zużywany w procesie utleniania związków organicznych, a także do pokrycia zapotrzebowania wynikającego z prowadzenie procesu nitryfikacji. W komorze osadu czynnego utrzymuje się stężenie tlenu rozpuszczonego w granicach 1-2 g O2/m3.

5. Cel i zakres badań

Celem ćwiczenia jest określenie efektywności oczyszczania ścieków komunalnych metodą osadu czynnego w reaktorze biologicznym.

Rys.1 Schemat biologicznego oczyszczania ścieków osadem czynnym

Ćwiczenie obejmuje również wyznaczenie podstawowych parametrów pracy komory osadu czynnego takich jak:

• Obciążenie osadu ładunkiem Oł

• Czas napowietrzania ścieków z osadem czynnym (t)

• Stężenie osadu czynnego w komorze osadu czynnego (X),

• Indeks objętościowy osadu (IO):

• Stopień redukcji zanieczyszczeń:

5.1.Metodyka wykonania ćwiczenia

Zakres ćwiczenia obejmuje kontrolę efektu oczyszczania ścieków komunalnych metodą osadu czynnego. Doświadczenie prowadzone jest w komorze osadu czynnego wypełnionej ściekami po oczyszczaniu mechanicznym z wpracowanym osadem czynnym, pochodzącymi z miejskiej oczyszczalni ścieków. Przed przystąpieniem do badań należy wykonać szkic techniczny modelu wraz z podstawowymi wymiarami oraz wykonać pomiar natężenia dopływu ścieków do komory. Pomiar przeprowadzić metodą objętościową; minimum 3 razy. Do dalszych obliczeń należy pobrać średni wynik z trzech pomiarów. Następnie należy pobrać próbkę ścieków dopływających do komory i oznaczyć w niej następujące wskaźniki: BZT₅, ChZT, utlenialność, zawiesinę ogólną, pH, azot amonowy, azot azotanowy i fosforany. Te same oznaczenia należy wykonać w próbkach pobranych z odpływu z osadnika wtórnego. Ponadto w komorze osadu czynnego należy określić stężenie zawiesin, temperaturę oraz indeks osadu.

OPRACOWANIE WYNIKÓW I WNIOSKI:

Uzyskane wyniki zamieścić w tabeli zbiorczej.

Parametr		Jednostka	Komora napowietrzania
Natężenie dopływu ścieków Q Objętość komory		m3/h m3
Ścieki po mechanicznym oczyszczaniu	pH BZT5 ChZT Utlenialność NH3 NO3 PO4 Zawiesina og.	g O2/m3 g O2/m3 g O2/m3 g N/m3 g N/m3 g P/m3 g/m3
Ścieki po biologicznym oczyszczaniu	pH BZT5 ChZT Utlenialność NH3 NO3 PO4 Zawiesina og.	g O2/m3 g O2/m3 g O2/m3 g N/m3 g N/m3 g P/m3 g/m3

Następnie na podstawie z podanych powyżej zależności wyznaczyć podane parametry techniczne pracy komory osadu czynnego:

• czas napowietrzania

• stężenie osadu w reaktorze

• indeks osadu

• obciążenie osadu

• pojemność komory

• stopień redukcji w zakresie usuwania BZT₅

W sprawozdaniu przedstawić:

• cel i zakres badań

• wyniki w postaci przedstawionej powyżej tabeli oraz obliczonych parametrów procesu

• wnioski dotyczące uzyskanych efektów procesu biologicznego oczyszczania ścieków w komorze osadu czynnego

• ocenę uzyskanych parametrów technologicznych procesu

---