TECHNOLOGIA ŚCIEKÓW I OSADÓW

Woda

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 14.01 2002 w sprawie określenia przeciętnych norm zużycia wody

2. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dn. 4.09 2000 w sprawie warunków, jakim powinna odpowiadać woda do picia i na potrzeby gospodarcze, woda w kąpieliskach oraz zasad sprawowania kontroli jakości wody przez organy inspekcji sanitarnej.

3. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dn. 11.02 2004 w sprawie klasyfikacji dla prezentowania stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia monitoringu oraz sposobu interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód

Ścieki

1. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dn. 8.07 2004 w sprawie warunków, jakie należy spełniać przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla wód

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 20.07.2002 w sprawie sposobu realizacji obowiązków dostawców ścieków przemysłowych oraz warunków wprowadzania ścieków do urządzeń kanalizacyjnych

3. Rozporządzenie Rady Ministrów z dn. 19.05.1999 w sprawie warunków wprowadzania ścieków do urządzeń kanalizacyjnych stanowiących mienie komunalne

4. Rozporządzenie Ministra Środowiska 27.07 2004 w sprawie dopuszczalnych mas substancji

5. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dn. 1.08. 2002 w sprawie komunalnych osadów ściekowych

6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 17.10. 2002 w sprawie warunków wprowadzania nieczystości ciekłych do stacji zlewowych

7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12.11. 2002 w sprawie wymagań dla pojazdów asenizacyjnych

8. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dn. 10.11. 2005 w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego, których wprowadzanie w ściekach przemysłowych do urządzeń kanalizacyjnych wymaga uzyskania pozwolenia wodno - prawnego

Rodzaje ścieków:

• Ścieki bytowe - pochodzące z działalności bytowej człowieka

• Ścieki przemysłowe - pochodzące z działalności przemysłowej

• Ścieki opadowe - pochodzące z opadów atmosferycznych

• Ścieki komunalne - mieszanina różnych rodzajów ścieków

Parametry:

1. Ilość ścieków 100 - 200 dm³/Md

2. Rzeczywista liczba mieszkańców - liczba mieszkańców na danym obszarze

3. Równoważna liczba mieszkańców - liczba przeliczeniowa otrzymana z porównania ścieków przemysłowych i bytowych

4. Obliczeniowa liczba mieszkańców - suma 1)+2)

5. Stężenie zanieczyszczeń - ilość zanieczyszczeń w jednostce objętości ścieków

6. Ładunek zanieczyszczeń - ilość zanieczyszczeń odprowadzana w jednostce czasu

S
Ł = Q * S

Ł
Q - przepływ

S - stężenie

7. Ładunek jednostkowy - ładunek zanieczyszczeń odprowadzany przez jednego mieszkańca rzeczywistego

Ł_jDZT5 = 60 g/Md Ł_jZ = 70 g/Md

Ł_jSK = 12 gN/Md Ł_jP = 2 gP/Md

Np. Ł_{BZT5 1}+ Ł_{BZT5 2} + Ł_{BZT5 3} =

- stężenie średnie

Skład ścieków

• Zanieczyszczenia mechaniczne - części stałe i zawiesiny

• Zanieczyszczenia organiczne - związki węgla oznaczane jako BZT5, ChZT, OWO

• Zanieczyszczenia biogenne

1. azot - amonowy, azotynowy, azotanowy, organiczny, całkowity, ogólny Kjedahla

azot ogólny

Azot całkowity
azot azotynowy

N_org - ścieki surowe

azot azotanowy N_całk
N-NH₄⁺ - ścieki surowe

N-NO₂ -

N-NO₃^-

Azot ogólny Kjedhala
azot amonowy

azot organiczny

2. fosfor - ortofosforany, organiczny całkowity (ogólny)

P_{całk. org.}
P_org.

P-PO₄

• zanieczyszczenia chemiczne - pochodzenia przemysłowego (np. metale ciężkie)

Oczyszczanie mechaniczne

KRATY

• rzadkie - prześwit 40 - 200 mm

• średnie - prześwit 20 - 40 mm

• gęste - prześwit 20 mm

Liczba prześwitów

Qhmax - maksymalny godzinowy przepływ ścieków przez kratę (m³/s)

b - prześwit między prętami kraty (m)

h - głębokość ścieków przy kracie przy przepływie Qhmax (m)

Vkr - prędkość przepływu ścieków między prętami kraty przy przepływie Qhmax

Szerokość komory kraty

s - grubość prętów kraty (m)

Długość rozszerzenia kanału :

B - szerokość kanału dopływowego (m)

- kąt rozszerzenia kanału dopływowego (
=20
)

Długość zwężenia kanału

Przekrój czynny krat

Vkr - prędkość przepływu ścieków przez kratę

• krata ręczna - 0,3 - 0,6 m/s

• krata mechaniczna - 0,6 - 1 m/s

Qhmax - godzinowy przepływ maksymalny (m³/h)

Ilość skratek

a - jednostkowa ilość skratek

• krata rzadka - 2-3 dm³/M rok

• krata gęsta - 5-20 dm³/M rok

M - rzeczywista liczba mieszkańców

RLM - równoważna liczba mieszkańców

Ciężar objętościowy skratek 75 kg/m³

Uwodnienie skratek 80%

Zawartość części mineralnych 7 - 8 %

Rodzaje krat:

- łukowa

- automatyczna schodkowa

- koszowa

SITA

Statyczne:

- wielkość otworów 0,25 -1,5 mm

- skuteczność usuwania:

• piasku 80 - 90%

• zawiesiny 15 - 30 %

• BZT₅ 15 - 25 %

Obrotowe:

- wielkość otworu 2-4 mm

Ruchome:

- wielkość otworu 1 - 3 mm ^x 30 - 50 mm

- prędkość przepływu ścieków 0,2 m/s

- średnica tarczy lub bębna 2 - 6 m

- skuteczność usuwania

• Zawiesiny 5- 20 %

• BZT₅ 5 - 10 %

ROZDRABNIARKI

1. zatopione - kanałowe

2. niezatopione (nożowa, młotkowa)

Wydajność 500 - 5000 kg/h

Swobodne opadanie cząstek

gęstość wody

gęstość cząstki

Vcz - objętość cząstki

d - średnica cząstki

V - prędkość opadania cząstki w cieczy w ruchu pionowym

Fcz - powierzchnia czołowa poruszającej się cząstki

- współczynnik oporu

- współczynnik lepkości dynamicznej

V - współczynnik lepkości kinematycznej

10^-4<Re<04 ruch laminarny
= 24/Re

04<Re<1000 ruch przejściowy
= 18,5/Re^0,6

1000<Re<2*10⁵ ruch burzliwy
= 0,44

Dla ruchu laminarnego - równanie Stokesa

Im większa średnica tym większa prędkość opadania

ZAKŁÓCENIE OPADANIA CZĄSTEK

- porowatość układu zawiesin

OPADANIE ZAWIESIN KŁACZKOWATYCH

- przebieg łączenia cząstek

n₁ - liczba cząstek zawiesin w czasie t₁

n₂ - liczba cząstek zawiesin w czasie t₂

k - stała

- ciężar właściwy uwodnionych kłaczków

- ciężar właściwy cząstki

- ciężar właściwy wody

- objętość kłaczków uwodnionych

Vsm - objętość suchej masy kłaczków

PIASKOWNIK

Zawartość piasku w ściekach:

- z kanalizy rozdzielczej - 35 dm³/1000 m³ lub 0,02 dm³/Md

- z kanalizy ogólnospławnej - 150-200 dm³/1000 m³ lub 0,04 dm³/Md

Prędkość opadania cząstek:

- dla ruchu burzliwego (wzór Newtona)

- gęstość opadającej cząstki g/cm³

- gęstość cieczy g/cm³

- dla ruchu laminarnego (wzór Stokesa)

- współczynnik lepkości dynamicznej

- dla piasku kwarcowego

v - kinematyczny współczynnik lepkości cm²/s

d- średnica ziaren piasku

PIASKOWNIK O PRZEPŁYWIE POZIOMYM

Hmax - napełnienie koryta piaskownika przy przepływie Qhmax

V - pozioma prędkość przepływu ścieków 0,25 - 0,4 m/s

t - czas przebywania ścieków w piaskowniku 45 - 90 s

u_o - prędkość opadania najmniejszych cząstek

przyjmuje się :

- dla ziaren 0,2 mm - u_o = 14,5 mm/s

- dla ziaren 0,15 mm - u_o = 9,15 mm/s

- dla ziaren 0,1 mm - u_o = 4,6 mm/s

PIASKOWNIK PRZEDMUCHIWANY (NAPOWIETRZANY)

- pozioma prędkość przepływu 0,25 m/s

- szerokość części przepływowej do głębokości 1:1,5 do 1:2

- szerokość komory max 4m

- szerokość komory piaskowej 0,3 - 0,5 m

- spadek dna w kierunku komory piaskowej max 45 stopni

- powierzchnia przekroju poprzecznego A = Qhmax/V

OSADNIK

- osadniki małe

Powierzchnia :
tp = 2 - 4 h

- współczynnik sprawności osadnika

Graniczne wartości prędkości opadania zawiesin do obliczania osadników o przepływie poziomym:

- wody zabarwione o zawartości 200 - 250 g/m³ zawiesin po koagulacji - 0,35 - 0,45 mm/s

- wody mętne o zawartości zawiesin > 250 g/m³ po koagulacji - 0,5 - 0,6 mm/s

- mętne wody bez koagulacji 0,12-0,15 mm/s

Długość :
Lc = L + Lo

B - szerokość osadnika 3-6 m

n - liczba osadników

Objętość: V = Q * tp

Długość krawędzi przelewowych Lp = Q/Qhp

Qhp - obciążenie hydrauliczne przelewu, max = 20 m³/mh

OSADNIKI DŁUGIE

Długość:

Szerokość:

Objętość:

T - czas pomiędzy kolejnym usuwaniem osadu z osadnika

- stężenie osadu w strefie osadowej

PRZEPŁYW PIONOWY

- powierzchnia
Fc = F + fr

fr - powierzchnia rury centralnej

Vp = 0,4 - 0,8 mm/s H = 4 - 5 m

OSADNIKI ODŚRODKOWE

fz - powierzchnia strefy zaburzeń

• osadniki wielostrumieniowe

• osadniki z osadem zawieszonym

Skuteczność osadników przy zachowaniu wymaganych parametrów:

- BZT₅ 25 - 40 %

- zawiesina ogólna 60 - 70 %

- azot ogólny i fosfor ogólny 5 - 10 %

Najczęściej stosowane osadniki samodzielne :

Osadnik Imhoffa Typ 01

- bardzo głęboki

- osad usuwa się raz na kwartał lub pół roku

- projektuje się przed złożami biologicznymi

- usuwa 40 % BZT₅

Obliczenia tego osadnika:

- czas przepływu ścieków

Dla osadnika samodzielnego 2 godz.

Dla osadnika wstępnego 1,5 godz

- pozioma prędkość przepływu do 0,01 m/s

- odległość między ścianami sąsiednich koryt min 0,5 m

- powierzchnia koryt w planie max 80 % powierzchni osadnika

q - obciążenie hydrauliczne = 1,5 m³/m²*h

- powierzchnia przekroju poprzecznego koryta

L-przyjęta długość koryta m

n - liczba osadników

n_k - liczba koryt w jednym osadniku

- wysokość części trapezowej koryta

- wysokość części prostokątnej koryta

- czas fermentacji osadów 90 - 150 dni

- pochylenie ścian komory fermentacyjnej 30 - 50 stopni

- średnica dna komory fermentacyjnej 0,4 m

- jednostka objętości komory fermentacyjnej

Vos - obliczenia jednostkowe objętości osadu (m³/M)

Tf - czas fermentacji osadu (d)

Vosf - jednostkowa objętość osadu przefermentowanego (m³/Md)

Tm- czas magazynowania osadu (d)

- całkowita objętość komory fermentacyjnej

Osadnik gnilny

-pojemność części osadowej 60-120 dm³/M rok

- minimalna pojemność na ciecz (bez osadu i kożucha) tuż przed opróżnieniem osadnika Qdmax * 1doba (m³)

- pojemność zajęta przez kożuch 20 - 40 dm³/M rok

- głębokość ścieków w 1 komorze 100 - 350 cm

- wysokość części powietrznej 30 cm

- głębokość ścieków w następnych komorach 100 - 225 cm

- pojemność na ciecz 0,5 - 0,7 m³/M , min 3,0 m³

- minimalna średnica przewodów 100 mm

USUWANIE WĘGLA

Związki organiczne

• podlegają utlenieniu (heterotrofy)

• podlegają asymilacji i biomasie

• podlegają przemianą w inne substancje organiczne

• nie podlegają przemianą (są nierozkładalne)

1. reakcja bez nitryfikacji

C₁₈H₁₉O₉N+17,5O₂+H⁺->18CO₂+8H₂O+NH₄⁺

substancja organiczna, zużycie tlenu 1,42 kg O₂/kg s.m.

2. reakcja z nitryfikacją

C₁₈H₁₉O₉N+19,5O₂->18CO₂+9H₂O+NO₃^-+H⁺

substancja organiczna, zużycie tlenu 1,5 kg O₂/kg s.m.

Wpływ środowiska

• temperatura

k- stała temperaturowa

- max szybkość wzrostu

• zawartość tlenu

Ks- stała nasycenia

• odczyn pH

K_pH- stała szybkość przemian zależna od pH

J=10^{(opt pH-pH)}-1

• substancje toksyczne - powodują hamowanie procesu

K_SI- stała inhibicji

C_I- stężenie inhibitora

• azot i fosfor - powodują hamowanie procesu

BILANS BIOMASY

(Q+Qr)X=(Q-Qw)Xe+(Qr+Qw)Xu

WIEK OSADU (teoretyczny czas przebywania biomasy w układzie)

(d)

- strata osadu

OBCIĄŻENIE OSADU ŁADUNKIEM ZANIECZYSZCZEŃ

(g BZT₅/g d)

CZAS RETENCJI W KN

STOPIEŃ RECYRKULACJI OSADU

ZAWARTOŚĆ ZAWIESIN W OSADZIE RECYRKULOWANYM

B - współ. zagęszczenia = 1,2

Io - indeks masowy osadu (cm³/g)

PRZYROST OSADU CZYNNEGO

(g/d)

Y - współ. przyrostu biomasy (g/g BZT₅)

Yobs - obserwowany współ. przyrostu biomasy (g/g BZT₅)

Kd- współ. autolizy (obumierania) (1/d)

Xo - zawartość zawiesin organicznych w osadzie (75%) (g/m³)

ZAPOTRZEBOWANIE NA TLEN

• na utlenianie zanieczyszczeń organicznych

OCorg = y₁*(So-Se)*Q (kgO₂/d)

y₁ - współ. oddychania substratywnego (0,5gO₂/gBZT₅)

• na utlenianie zw. azotowych

OC_N=4,6 Q_Nutl (kgO₂/d)

Q_Nutl - ładunek utlenionego azotu amonowego (kg/d)

4,6 - ilość tlenu w g na utlenianie 1g N-NH₄

Qutl = (S_ON-Se_N-NH4-Nsyn)*Q

S_ON - stężenie azotu ogólnego w ściekach surowych mg/dm³

Se_N-NH4 - stężenie azotu amonowego w ściekach oczyszczonych mg/dm³

Nsyn - ilość azotu ogólnego wykorzystywanego na syntezę biomasy mg/dm³

Nsyn = Y*(So-Se)*F_N

F_N- zawartość azotu ogólnego w suchej masie osadu (6-10%)

• na oddychanie endogenne

OCe = k₁*Xo*V (kgO₂/d)

k₁ - współ. oddychania endogennego (0,1 g O₂/ g d)

USUWANIE AZOTU

Corg + Norg + O₂ -> synteza biomasy + oddychanie komórkowe

NH₄+CO₂+H₂O + CO₂ + H₂O

amonifikacja

+O₂

NO₂^-

nitryfikacja

(utlenianie)

NO₃^-

denitryfikacja

+CH₂

N₂ + N₂O

NITRYFIKACJA

2NH₄ + 3O₂ -> 2NO₂^- + 4H⁺ + 2H₂O (Nitrosomonos)

Amonifikacja - przekształcenie azotu organicznego w amonowy

NO₂^- + O₂ -> 2NO₃^- (Nitrobacter)

2NH₄⁺ + 4O₂ -> 2NO₃^- + 4H⁺ + 2H₂O

Wybrane cechy bakterii nitryfikacyjnych

Charakterystyka bakterii	Nitrosomanos	Nitrobacter
Wielkość komórek Masa komórki (g) Czas generacji (h) Autotrofy	1 - 1,5 0,12*10^-12 - 0,5*10^-12 8-36 obligatoryjne	0,5 - 1 0,12*10^-12 - 0,5*10^-12 12-59

1 etap

15 CO₂ + 13 NH₄ -> 10 NO₂ + 3C₅N₇NO₂^- + 23H⁺ + 4H₂O

biomasa

2 etap - spada pH

5 CO₂ + NH₄ + 10 NO₂ + 2H₂O ->10NO₃^- + C₅N₇NO₂^- + H⁺

Szybkość procesu (powolny wzrost mikroorganizmów - autotrofy)

Ks_NH4 - stała nasycenia dla azotu amonowego

Ks_NO2 - stała nasycenia dla azotu azotanowego

Ymax - max współ. przyrostu biomasy

Xn - stężenie nitryfikantów

• stężenie tlenu w komorze napowietrzania

4,6 g O₂/1 g N-NH₄ g/d

0,7 O₂/1 g ChZT g/d

• obciążenie osadu ładunkiem azotu

Współ. szybkości nitryfikacji

NR = 0,06 g NH₄/ g s.m. d

• zasadowość i pH

na 1 g N-NH₄ zużywa się 7,15 g zasadowości CaCO₃

pH 7,5 do 8,5

• amoniak i kwas azotowy

hamująco działa : 10 -150 mg N-NH₄ / dm³

0,2 - 2,8 mg HNO₃ / dm³

• BZT₅/Nog w ściekach surowych

BZT₅ * Nog % bakterii nitryfikacyjnych

w osadzie czynnym

0,5 35

1 21

2
12

3 8,3

4 6,4

• parametry osadu

t = 0,5 - 8 h

WO = 5 - 20 dni

rn = 0,1 - 0,2 g BZT₅ / g d

• temperatura

5-30
C

rx = 0,1 - 0,2 g BZT₅ / g d

X = 2000 - 3500 g/m³

WO = 8 -20 d

czas napowietrzania 6 - 15 h

stopień recyrkulacji 0,5 - 1,5

DENITRYFIKACJA

6NO₃^- + 5CH₃OH -> 5CO₃ + 3N₂ + 7H₂O + 6OH^- achromobacter

2NO₂^- -> 2NO + N₂O aerobacter

2NO₂^- -> 2(NOH) -> (NOH)₂ + H₂O bacillus

• temperatura

r_maxd = rd * 10^{kt (t-20)}

rd - szybkość denitryfikacji w temp. 20
C

kt - stała wpływu temp. 0,03 - 0,07

• stężenie tlenu

0,2 - 0,5 mgO₂ / dm³

• odczyn pH

wzrost zasadowości

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

pH 6,5 - 7,5

• źródło węgla

na 1 mg N-NO₃ potrzeba 4 mg BZT₅

Szybkość procesu

K_SNO3 - stała nasycenia dla azotu azotanowego

X_D - stężenie denitryfikantów

• parametry osadu

zależności obciążenia osadu czynnego od temp. i wieku osadu

Temperatura ( )	Wiek osadu (d)	Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń (BZT5/g*d)
25 15 7	3 6 20	0,35 0,24 0,08

zależności szybkości denitryfikacji od obciążenia osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń

Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń (BZT5/g*d)	Szybkość denitryfikacji
0,4 1,2 1,7	1,7 2,5 3,3

PROCES ANAMOX

Warunki procesu

- NH₄:NO₂ = 1:1,32

- pH 6,7 - 8,3

- temp. 20 - 43
C

- wydajność 0,7 - 2,6 kg N-NH₄/m³ d

- powolny wzrost biomasy (bakterie Brocadia)

USUWANIE FOSFORU

1. akumulacja polifosforanów (warunki tlenowe)

CH₃COOH + 0,16NH₄⁺ + 1,2O₂+PO₄^3-->0,16C₅H₇NO₂+12CO₂+0,2HPO₃+0,44OH +1,44H₂O

biomasa polifosforany

Faza anaerobowa :

- brak tlenu i azotanów

- łatwo rozkładana substancja organiczna

- energia

- fosforany

Faza aerobowa :

- w obecności tlenu lub azotanów

2. rozkład polifosforanów (warunki beztlenowe)

2CH₃COOH + HPO₃ + H₂O ->(C₂H₄O₂)₂+PO₄^-3+3H⁺

subst. organiczna

SZYBKOŚĆ REAKCJI

a) faza anaerobowa

K_HA - stała poboru kwasu octowego

K_SHA - stała nasycenia dla kwasu octowego

X_P - stężenia bakterii

S_HA - stężenie kwasu octowego

3. faza aerobowa

- max współ. przyrostu biomasy dla bakterii akumulujących fosfor

K_SPO4 - stała nasycenia dla ortofosforu

Warunki dla procesu usuwania fosforu:

• wymagane przemiennie warunki aerobowe i anaerobowej

• temperatura

- powyżej 15
C - sprawność 85%

- poniżej 15
C - sprawność 68%

- w 20
C - uwalnianie fosforu 1,9 mg/g s.m.

- w 12
C - uwalnianie fosforu 0,3 g/g s.m.

- w niższej temp. wymagany wyższy wiek osadu

• odczyn pH

- wpływa na wzrost biomasy i uwalnianie ortofosforanów

- maksymalne uwalnianie ortofosforanów w strefie anaerobowej przy pH=4

- maksymalne magazynowanie ortofosforanów przy pH= 6,5 - 8,2

- przy pH > 7 - synteza polifosforanów zamiast hydrolizy

• potencjał red - OX

- uwalnianie ortofosforanów poniżej 150 m

• tlen rozpuszczony

- w strefie anaerobowej blokuje powstawanie LKT

- konieczny do poboru fosforu w strefie aerobowej

• związki azotu

- azotany konkurują w wykorzystywaniu związków organicznych

- najkorzystniej gdy Nc : ChZT < 0,13

• związki węgla

- kwas octowy umożliwia uwalnianie ortofosforanów

- kwas octowy umożliwia powstawanie kwasu polihydroksymasłowego

- korzystne obciążenie BZT₅ : P = 25 :1

• metale

- Ca, K, Mg - magazynowane w postaci ortofosforanów

- Cu

- Cd, Ni , Zn - toksyczne

• czas zatrzymywania ścieków

- rozkład tylko z usuwaniem fosforu - 1h

- rozkład z usuwaniem azotu i fosforu - 2-4h

- wydłużenie czasu przez zatrzymanie

• zawartość fosforanów w biomasie - ok. 5%

SCHEMAT TECHNOLOGICZNY SYSTEMU A/O

osadnik
komora
komora
osadnik

wstępny beztlenowa tlenowa wtórny

osad recyrkulowany

SYSTEM UCT

recyrkulacja wew.2

recyrkulacja wew. 1

komora
komora
komora
osadnik

beztlenowa niedotleniona tlenowa wtórny

osad nadmierny

osad regulowany

SYSTEM ZMODYFIKOWANY BONADEN PHO

komora
komora
komora
komora
komora
osad

beztlenowa niedotleniona tlenowa niedotleniona tlenowa wtórny

przepustowość 6800 m³/d

SBR (reaktor sekwencyjny)

Fazy pracy sekwencyjnej reaktora biologicznego

1. Faza wstępna : ścieki surowe dopływają do reaktora

2. Faza mieszania i napełniania - ścieki surowe nadal dopływają do reaktora w którym na przemian wytwarzane są warunki tlenowe i niedotlenione, mechanicznie przebiegają procesy nitryfikacji i denitryfikacji

3. Faza końcowa - kończą się procesy technologiczne i poziom ścieków zbliża się do maksymalnego

4. Faza sedymentacji - wstrzymana jest praca urządzenia napowietrzająco - mieszającego, rozpoczyna się proces sedymentacji osadu i klarowanie ścieków

5. Faza dekantacji i usuwania osadu nadmiernego - następuje pompowa lub stateczna dekantacja ścieków, po zakończeniu dekantacji usuwany jest osad nadmierny

REAKTOR PORCJOWY Z ZASILANIEM BEZ ZBIORNIKA RETENCYJNEGO

Cykl pracy reaktora porcjowego:

• napełnienie - ścieki surowe dopływają do reaktora

• mieszanie - bez dopływu tlenu, warunki anaerobowe

• napowietrzanie - doprowadzenie tlenu i nitryfikacja

• reakcja - mieszanie bez dopływu tlenu, denitryfikacja

• sedymentacja - osad na dnie

• dekantacja

• postój - odprowadzanie osadu nadmiernego

REAKTOR PORCJOWY Z ZASILANIEM CHWILOWYM ZE ZBIORNIKIEM RETENCYJNYM

Ocena zdolności sedymentacyjnych osadu czynnego

• próba osadowa - objętość osadu po 0,5 h sedymentacji w cylindrze o pojemności 1 litra powinna wynosić max 500 cm³

• indeks osadu

Io = 50 -150 cm²/g s.m.

Vos - objętość osadu po próbie osadowej (cm³)

Mos - masa osadu z próby osadowej (g s.m.)

ZŁOŻA BIOLOGICZNE

(REAKTORY Z UTWIERDZONĄ BIOMASĄ)

• złoża zraszane

- wypełnione kruszywem lub tworzywem: złoża nisko obciążone

złoża spłukiwane

złoża wieżowe

- złoża tarczowe

• złoża zatopione

• złoża ruchome (wypełnienie z kształtek)

• złoża fluidalne (wypełnienie z ziaren)

1. Dane wyjściowe

- przepływ obliczeniowy Qdśr

- stężenie zanieczyszczeń na dopływie do oczyszczalni So

- temp. ścieków

- obciążenie hydrauliczne powierzchni złoża q, 0,5 - 1,5 m³/m²h

- rodzaj wypełnienia złoża

2. Obliczenia

- wymagany efekt oczyszczania

Sp - stężenie zanieczyszczeń na dopływie do złoża (g/m³)

Sp = So*(1-
)

- sprawność mechanicznej części oczyszczalni

- obciążenie objętości złoża ładunkiem zanieczyszczeń organicznych

K -współ. zależny od temp. ścieków

dla t = 10 -20
C -> K = 0,75 - 1,2

- ustalenie wysokości złoża

- ładunek zanieczyszczeń doprowadzonych do złoża

L = Qśrd * (1+n)*Sp

n - stopień recyrkulacji

- wymagana objętość złoża

- rzeczywista powierzchnia złóż

- ustalenie liczby i średnicy złóż

gdzie Qrec = (1-3)Qśrd i

Objętość wypełnienia

-przy redukcyjnych związkach węgla

Ł_BZT5 - ładunek zanieczyszczeń organicznych kg BZT₅/d

Ac - obciążenie złoża ładunkiem organicznym kg BZT₅/m³d

- przy redukcji zw. węgla i azotu

Ł_N - ładunek azotu Kjeldahla

A_N - obciążenie ładunkiem azotu Kjeldahla

- całkowita objętość wypełnienia

V = Vc + V_N (m³)

	Wypełnienie ok. 100 m^2/m^3	Wypełnienie >100 m^2/m^3	RLM 50 - 1000
Bez nitryfikacji - Ac, kg BZT5/ m^3d Z nitryfikacją - Ac, kg BZT5/ m^3d - Ac, kg TKN/ m^3d	<0,4 <0,4 <0,4	>0,4 0,4 - 0,6 0,1 - 0,15	0,2 - 0,4 0,2 - 0,4 0,05 - 0,1

Powierzchnia złoża

R - stopień recyrkulacji ścieków

Q - obciążenie hydrauliczne pow. złoża

Wysokość złoża

Stopień recyrkulacji

Sk - BZT₅ w ściekach oczyszczonych

Sm - BZT₅ w ściekach po oczyszczeniu mechanicznym

Sp - BZT₅ w ściekach dopływających na złoże

Siła spłukująca

a - liczba ramion zraszacza

n - ilość obrotów zraszacza na godz.

Złoże denitryfikujące

- obciążenie 0,2 - 1 kg BZT₅/m³d

- pojemność denitryfikacyjna S_NO3/S_BZT5

- denitryfikacja wstępna, symultaniczna, wtórna

Złoże obrotowe (tarczowe)

1. Dane wyjściowe

- przepływ obliczeniowy Qdś

- stężenie zanieczyszczeń na dopływie do oczyszczalni S

- temp. ścieków

- obciążenie powierzchni złoża F ładunkiem zanieczyszczeń q_SF, 2 - 10 g/m²

2. Obliczenia

- powierzchnia złoża F

- liczba tarcz n

więc

Fosfor należy strącać

Azot trzeba usuwać ( małe obiekty nie muszą usuwać azotu)

Złoża ruchome

Parametry obliczeniowe

- powierzchnia właściwa wypełnienia 300 - 500 m²/m³

- obciążenie powierzchni właściwej wypełnienia 5 gBZT₅/m²d

- obciążenie biomasy ładunkiem zanieczyszczeń 0,2 - 0,5 gBZT₅/g s.m. d

- stopień recyrkulacji wewnętrznej 25 - 50%

- czas zatrzymania ścieków w reaktorze 3 - 4h

- wypełnienie objętości reaktora kształtkami 30-75%

Obliczenie ilości kształtek

Łz - ładunek zanieczyszczeń usuwany przez złoże kgBZT₅/d

Ak - pole powierzchni jednej kształtki m²

qs - obciążenie powierzchni kształtki ładunkiem zanieczyszczeń organicznych kgBZT₅/m²d

Łz = Łc -Ło

Łc - całkowity ładunek zanieczyszczeń doprowadzanych do reaktora kg BZT₅/d

Ło - ładunek zanieczyszczeń usuwany przez osad czynny kg BZT₅/d

Procentowa zawartość kształtek w reaktorze

Vk - objętość kształtki m³

Vr - objętość reaktora m³

Kinetyka reakcji biochemicznych

Podział reakcji

nieodwracalne odwracalne

A
B A
B

A+A
D A+B
C+D

A+B
C+D

homogeniczne heterogeniczne

Przemiany chemiczne rozważa się jako:

1. równowagę chemiczną - określenie stopnia przereagowania

No - początkowa liczba reagenta

N - liczba reagenta po czasie t

2. kinetykę chemiczną - analiza szybkości reakcji

r. homogeniczne r. heterogeniczne

jeżeli N = VC ( C - stężenie reagenta)

ponieważ V = const ,

Założenie reakcja nieodwracalna

a*C_A+b*C_B+c*Cc+…
P

C - stężenia reagentów

a, b, c - liczba moli reagentów

zgodnie z prawem działania mas

k - stała szybkości reakcji

n - rząd reakcji

k = k_n

RÓWNANIA SZYBKOŚCI REAKCJI

1. reakcja zerowego rzędu

2. reakcja pierwszego rzędu

3. reakcja drugiego rzędu

z_o

z₁
z₂

k_O = k₁ = k₂

Równania szybkości dla prostych reakcji

Reakcja	Rząd reakcji	Równanie różniczkowe szybk. reakcji	Równanie analityczne szybkości reakcji	Czas półtrwania reakcji
C D	0	- k0	C = C0 - k0 * t	t1/2 =
C D	1	- k1 * C
C+C D	2

1. Met. podstawiania do wzoru

Zał. rząd reakcji n

n = 1

n
1

2. Met. różniczkowa

dla nieskończenie małych przyrostów

3. Met. całkowa

Zał. rząd reakcji n

po scałkowaniu

n
1

4. Met. czasów półtrwania

dla t = t_1/2 i C = ½ C₀

n
1

po logarytmowaniu

met. stosowana gdy warunki reakcji wpływają na k_n, lecz nie zmieniają rzędu reakcji wtedy

KINEMATYKA REAKCJI ENZEMATYCZNYCH

kierunki przemian metabolicznych

utlenianie (katabolizm) biosynteza (anabolizm)

r. egzoenergetyczna r. endoenergetyczna

enzymy indukcyjne enzymy represyjne

Schemat reakcji enzymatycznej

zał. k₁
k₂
k₃

Stała równowagi tworzenia i rozpadu kompleksu

K_S - stała substratowa lub dysocjacji kompleksu mol/dm³

Szybkość nieodwracalnego rozpadu ( całkowita szybkość reakcji)

Eo - całkowite stężenie enzymu

Szybkość reakcji enzymatycznej

Równanie Michaelita - Meuten

zał. k₁ = k₂ = k₃

szybkość powstawania kompleksu = szybkość rozpadu

równanie Briggsa - Haldene'a

Równanie szybkości reakcji enzymatycznej

Wykres zależności szybkości reakcji od stężenia substratu

Wpływ stężenia substratu na szybkość reakcji enzymatycznej

dla S = K_M;

dla S >>K_M; r = Vmax

dla S<< K_M;

Wyznaczanie stałych K_M i Vmax

Dane z doświadczeń : S i k

Do wyznaczania K_M i Vmax

Równanie Limeweavera - Burke'a

Metoda linearyzacji	Postać równania	Współ. regresji liniowej		Wartości stałych
				a	b	Vmax	KM
Lineweavera - Burke'a
Hofstee - Eadie'go		- KM	Vmax	b	-a
Hanes'a

KINETYKA OCZYSZCZANIA BIOLOGICZNEGO

W procesie oczyszczania zmianie ulegają

ilość biomasy X stężenie zanieczyszczeń S

- właściwa szybkość wzrostu biomasy h^-1 przy uwzględnieniu obumierania biomasy

=
- Kd

Kd - współ. obumierania biomasy (samoutleniania) h^-1

wg Monoda

- max wartość właściwej szybkości wzrostu biomasy h^-1

Ks - stała Michaelita - Meuten ( stała saturacji) g/m³

Przyrost biomasy jest związany z ubytkiem substratu

Y - współ. syntezy biomasy g s.m./g sub. us.

Wykorzystując powyższe zależności i przyjmując

Y = Y₁ przy Kd = 0

q - właściwa szybkość usuwania zanieczyszczeń g sub./g sm. d

Równanie Monoda

- bez inhibicji

- z inhibicją kompetycyjną

- z inhibicją niekompetycyjną

- z inhibicją substratową

inhibicja to spowolnienie reakcji

I - stężenie inhibitora

K - stała inhibicji

Dwie grupy współ. kinetycznych

1. współ. charakteryzujące przyrost osadu

Yt, Yobs, Kd

2. współ. charakteryzujące szybkość usuwania zanieczyszczeń

i Ks lub q_max i Ks

Przyjmując wiek osadu

i wykorzystując poprzednie zależności współ. można wyznaczyć z równań

1)

2)

HAMOWANIE REAKCJI ENZYMATYCZNYCH - INHIBICJA

Inhibicja kompetycyjna - współzawodnicza (w tym hamowanie produktem)

Inhibitor współzawodniczy z substratem o centrum aktywne enzymu

- stała inhibicji

Hamowanie kompetycyjne produktem

(EPn)

(E) + (S)

(E) + (P₁)

+

(E)

(EP₁) …(E) + (Pn)

Dla I = P na podstawie równań mamy

Kp - stała inhibicji dla produktu

Inhibicja niekompetycyjna - niewspółzawodnicza ( w tym hamowanie substratem)

Inhibitor łączy się z enzymem lub kompleksem ES

(I) (I)

+ +

(E) + (S)

(ES)
(E) + (P)

5. + (S)
   
   (ES)

Hamwanie niekompetycyjne substratem

(E) + (S)

(ES) K₁ = k₂/k₁

(ES) + (S)

(SES) K₂ = k₅/k₄ ; (ES)
(E) + (P)

pod warunkiem, że K₂ >> K₁

Wyznaczanie stałych w reakcjach hamowanych

Hamowanie Hamowanie

kompetycyjne niekompetycyjne

Metoda Lineweavera - Burke'a

Oczyszczanie roślinne

Obiekty rolniczego Oczyszczanie Fakultatywne

wykorzystania ścieków hydrobotaniczne stawy glonowe

złoża z roślinnością stawy z roślinnością

zakorzenioną wyższą pływającą

z powierzchniowym z podpowierzchniowym

przepływem ścieków przepływem ścieków

z poziomym przepływem

ścieków

Oczyszczanie w systemie Lemna

schemat technologiczny

(hydrobotaniczne oczyszczanie)

ścieki surowe

punkt zlewowy

część mechaniczna

staw napowietrzany

system napowietrzany

system nitryfikacji

system koagulacji

staw Lemna

urządzenie kontrolno - pomiarowe

ścieki oczyszczone

- czas zatrzymania 20 - 30 dni

- rzęsa

- warstwa tlenowa, nitryfikacja, rośliny pobierają zanieczyszczenia

- im głębiej tym mniej tlenu, denitryfikacja

- na dnie zachodzi mineralizacja beztlenowa

Parametr	Staw napowietrzany	Staw Lemna
Głębokość (m)	2-3	2,5 - 3,5
Czas retencji (+)	10 - 20	20 - 30
Sprawność (%) - BZT5 - Nog - Pog - zaw. organiczna - N - NH4	90 7 - 80 20 80 - 90 80 - 90	80/70 - 75 64 - 92 44 - 82 80 62 - 93
Wskaźnik zapotrzebowania tlenowego m^2/m^3 brutto dla obróbki techn.	30 - 100 16 - 34
Energochłonność (kWh/m^3)	0,39
Koszty E / I - oczyszczanie mech. - biol. - staw Lemna	0,07 - 0,1 0,03 - 0,05
Hałas ( 1 - 2 m ) dB	63

Na złożu poziomym dopływ ścieków jest ciągły, a na pionowym porcjowy

Złoża pionowe najczęściej są nitryfikacyjne.

Doprowadzanie ścieków

1. kwatera pojedyncza

2. konfiguracja równoległa

Rodzaje systemów - zasady projektowania

Złoża poziome (przepływ powierzchniowy)

- spadek do 0,5%

- głębokość do 30 m

- rowy serpentynowe

Przepływ podpowierzchniowy

- spadek 1 - 3 %

- głębokość 0,6 - 1,2 m

- obciążenie do 40 dm³/m²d

- minimalna powierzchnia 25 m² (5m² na 1M)

- sorpcja, filtracja, rozkład mikrobiologiczny ( utlenianie węgla i denitryfikacja - przy recyrkulacji)

- granulacja większa - system Coopera

- granulacja mniejsza - system Kickutha

Złoża pionowe

- dopływ okresowy, zalewanie cykliczne

- min powierzchnia 15 m² ( 1- 5 m² na 1M)

- filtr wielowarstwowy

- usuwanie węgla i nitryfikacja

- w układzie szeregowym 0,8 m²/M i 0,4 m²/M

Właściwości gruntów

- uziarnienie

• grunty niespoiste ( sypkie ) - frakcje

• grunty spoiste - trójkąt Fereta

• wskaźnik różnoziarnistości (jednorodnego uziarnienia)

d₆₀ i d₁₀ - średnice miarodajne ziaren

• przewodność hydrauliczna

k - współ. filtracji

Równanie Hazena

kf = C * d₁₀²

dla 0,1 mm
d₁₀
3 mm

C - współ. liczbowy

C = 400 + 4 (n - 26)

lub

1 < U
2 C = 1200

2 < U
4 C = 800

4 < U
5 C = 400

dla dowolnej temp.

k_T = 0,736 * k₁₀ (1+0,0337 T * 0,00022 * T²)

k₁₀ - współ. filtracji w temp. 10
C, m/d

DOBÓR GRUNTÓW

Przepływ powierzchniowy

- grunty rolnicze i gliny piaszczyste

- warstwa humusowa

- kf = 10^-4 - 10^-5 cm/s

Przepływ podpowierzchniowy

- głębokość korzeni 40 - 45 cm

- masa korzeni ok. 2000 g s.m. / m²

- kf zmienne w czasie

- kolmatacja na 1/3 - ¼ dł. złoża

Wytyczne europejskie

- żwir płukany bez drobnych cząstek

- 3 - 6 mm, 5 - 10 mm , najczęściej 6 - 12 mm

- spadek kf do 10 % wartości początkowej

Wytyczne niemieckie

- średnica miarodajna d
0,2mm

- wskaźnik różnoziarnistości

5

- współ. filtracji

kf =
(m/s)

- zawartość frakcji iłowej do 5%

Wytyczne amerykańskie

- spadek kf - 30 % dł. - k = 1 % kf

- k = 10 % kf

USUWANIE ZANIECZYSZCZEŃ

Przepływ poziomy

K_T - stała szybkości reakcji

t - czas zatrzymania ścieków w obiekcie d

n - porowatość (0,35 - 0,65 - 0,75 )

Ah - powierzchnia złoża m²

Co - stężenie zanieczyszczeń w dopływie mg O₂ / dm³

Ce - stężenie zanieczyszczeń w odpływie mg O₂ / dm³

H - głębokość złoża ( wody) m

Usuwanie BZT₅ ( obciążenie do 100 kg / ha d)

K_T = K₂₀ * (1,06)^(T-20)

- przepływ powierzchniowy

K₂₀ = 0,678 d^-1

Ce = 0,192 * Co + 0,097 * HLR

HLR - obciążenie hydrauliczne, cm / d

- przepływ podpowierzchniowy

K₂₀ = 1,104 d^-1

Podział osadów surowych

• osad wstępny - ze ścieków surowych

• osad wtórny - po oczyszczaniu biologicznym

- recyrkulowany (powrotny)

- nadmierny

• osad chemiczny ze strącania reagentami

• osad mieszany - wstępny i wtórny zmieszany

Podział osadów

- w zależności od sposobu unieszkodliwiania

• osad przefermentowany - po stabilizacji beztlenowej ( fermentacji metanowej)

• osad stabilizowany - po stabilizacji tlenowej

• osad przemyty

• osad zagęszczony

• osad odwodniony

• osad wysuszony

Właściwości technologiczne osadów

• objętość osadu

(m³)

Gos - sucha masa osadu kg sm./d

- gęstość osadu kg sm. / m³

W - uwodnienie osadu %

• gęstość osadu

- gęstość substancji stałych zawartych w osadzie kg / m³

- gęstość wody kg / m³

jeżeli W > 75 % to
=

• zmiana objętości osadu

- dla końcowego uwodnienia

(m³ / d)

Voso - początkowa objętość osadu m³/s

Vos1 - końcową objętość osadu m³/s

Wo - początkowe uwodnienie osadu %

W1 - końcowe uwodnienie osadu %

Dla końcowego uwodnienia < 75%

Vos1=Vos1

- zdolność osadu do fermentacji jest oceniana na podstawie ilości i składu wydzielanego gazu

- właściwości filtracyjne osadu (zdolność do odwodnienia)

V - obj. Filtratu m³

tf - czas trwania filtracji [s]

F - powierzchnia filtracyjna m²

ΛP - strata ciśnienia przy przejściu osadu przez przegrodę filtracyjna, różnica ciśnień wywołujących filtracje N/m²

U - lepkość filtratu Ns/m²

Ros- opór właściwy osadu m^-1

Rp - opór właściwy przegrody filtracyjnej

- ciepło spalania dla osadu wstępnego

Qc= 307(Pv-10) [kJ/kg]

- dla osadu czynnego nadmiernego

Qc= 252(Pv-5) [kJ/kg]

Pv - zawartość substancji lotnych w osadzie %

- wartość nawozowa osadu zależy od zawartości

- sub. Organicznych

- N,P,K,Mg,Ca

- mikroelementów

Dla przeciętnego osadu

N: 1,4-7,6%

P₂O₅ : 1-9,2 %

K₂O : 0,08-0,42 %

Właściwości fizyczne osadu

- zaw. sub. Stałych sucha masa lub sucha masa organiczna osadu

- skład granulometryczny cząstek osadu, duży wpływ na odwodnienie osadu zwłaszcza frakcja 1-100mm

- indeks osadu zdolność osadu do sedymentacji , odwodnienia 30-150 cm³/g

IO= Vos/Gos cm³/g

Vos - objętość osadu po 0,5 h sedymentacji w cylindrze o objętości 1dm³

- uwodnienie

w=

os - gęstość zagęszczonego osadu

- opór właściwy filtracji - ciśnienie wymagane do wytworzenia jednostkowego natężenia przepływu filtratu o jedn. Lepkości przez jedn. Masy placka filtracyjnego

- pozorny właściwy opór filtracyjny

-rzeczywisty właściwy opór

K- procent wagowy suchej masy w osadniku

c- gęstość cieczy

- zmniejszenie oporu koagulanty

- ściśliwość osadu

S=tgα=0,6-0,9

- czas ssania kapilarnego (CSK) ocena zdolności odwodnienia wyznaczenie dawki elektrolitu( wyznaczamy jako czas wsiakania...... w bibułe o określonych wymiarach)

- właściwości chemiczne osadów

- odczyn

• W zależności od rodzaju osadu ph=5-8

• Osad wstępny w fazie fermentacji kwasnej ph=6

• Osad przefermentowany ph=7-7,5

- zasadowość (mg CaO₃/dm³)

• Osad wstępny i wtórny kilkaset mgCaCO₃/dm³

• Osad przefermentowany 2000-6000 mgCaCO₃/dm³

• Zasadowość osadu 2xwiększa niż cieczy zasadowej

- zawartość kwasów lotnych (mg CaO₃/dm³) ilość kwasów oraganicznych w osadzie

- zawartość związków biogennych decyduje o wykorzystaniu do nawodnienia

- zawartość substancji szkodliwych , utrudniona fermentacji i odwodnienie

Ilość osadów

- osad wstępny

Gwst=Qdst*Z*ηzo [kg Sm/d]

Qdsr- średnia dobowa ilość ścieków m³/d

Z- średnie stężenie zawiesin ogólnych

W ściekach dopływających do oczyszczalni kg//m³

ηzo - skuteczność usuwania zawiesiny ogólne w osadnikach wstępnych

tz=0,5-1h

tz=1,5-2h

ηzo=0,5

ηzo=0,64

- osad nadmierny po złożach biologicznych

Bzb=SBZT5*Λmzb*ηBZT5 [kg Sm/d]

SBZT5 - średnie BZT5 dopływające do złóż po redukcji

tz=0,5-1h

tz=1,5-2h

ηzo=0,25

ηzo=0,33

Λmzb- jednostkowy przyrost suchej masy

- osad nadmierny po komarach osadu czunnego

Gocz=SBZT5*Λmocz*Qdsr [kg Sm/d]

Λmocz - jednostkowy przyrost suchej masy

SBZT5- średnie BZT5 dopływ. Do komory osadu czynnego po redukcji na Wart

- osad z usuwania fosforu biologicznego

ΛGpb=Qdsr*Λmpb*Spb[kg Sm/d]

Λmpb- przyrost osadu w procesie defosforacji

Spb- ilość fosforu usuwana biologicznie

- chemicznego

ΛGpch=Qdsr*Λmpch*Spch[kg Sm/d]

Λmpch

Dla soli żelaza 6,8[kg Sm/kgp]

Dla soli glinu 5,3[kg Sm/kgp]

Spch= Sop-Sep-Px-ΛPb g/m³

Sop - stężenia P ogólnego w ściekach dopływających do reaktora

Sep - odpływających z reaktora

Odwodnienie osadu

- zagęszczanie(grawitacyjne,flotacyjne, mechaniczne)

-odwadnianie termiczne(suszenie i granulacja, suszenie)

-odwadnianie naturalne(poletka osadowe....)

- odwadnianie mechaniczne(prasy komorowe, prasy filtracyjno taśmowe, wirówki)

Stabilizacja przeróbka osadu

Met biologiczne

• Fermentacja(klasyczna,wielostopniowa)

• Stabilizacja tlenowa(klasyczna , termofitowa)

• Kompostowania

Met chemiczne

• Mieszanie z CaO z Ca(OH)₂

Met fizyczne

• Termokondycjowanie

• Piroliza(odwodnienie osadu)

• Spalanie całkowite

• Pole elektromagnetyczne

• Ultradźwięki

Ostateczne unieszkodliwianie osadu

- składowanie

- rolnicze wykorzystanie

• Bezpośrednie

• Pośrednie(kompostowanie, wernikompost)

- spalanie całkowite

Zagęszczenie osadu

- def. Zagęszczenie osadu - zmniejszenie objętości w celu ułatwienia stabilizacji i odwodnienia

- woda występuję w osadzie w postaci

• Wody wolnej miedezycząsteczkowej

• Kapilarnej luźno związanej z cząsteczkami osadu

• Wody zawieszonej przylegającej do czasteczek

- zagęszczenie osadu może być :

- samoistne

- flotacyjne

- mechaniczne

Zagęszczanie grawitacyjne rys.

Schemat zagęszczacza grawitacyjnego o pracy ciągłej

- powierzchnia zagęszczacza

Vos * ρo * Co

Fzg = gzg

Vos - dobowa obj. osadu m³/d

ρo - gęstość osadu kgs.m./m³

Co - zawartość ciał stałych %

gzg - obciążenie pow. zagęszczacza

- objętość zagęszczacza

Vos * topt (m³)

Vzg. = 24

Topt - optymalny czas zagęszczania, h

-gęstość czynna zagęszczacza

Vzg. (m)

Hzg = Fzg

- obciążenie pow. zagęszczacza zawiesiną

Co * ρo * Ho kgsm/ m² * h

gzg = topt

Orientacyjnie można przyjmować

1. osad wstępny gzg = 100 - 150 kg s.m/m²d

2. osad wtórny po złożach 40 - 50

3. osad czynny nadmierny 20 - 40

4. osad mieszany (a) + (b) 50 - 60

5. osad mieszany (a) + (c) 25 - 50

- obciążenie pow. zagęszczacza objętością osadu orientacyjnie można przyjmować

1. osad wstępny g_Fr = 15 - 30 m³/m²d

2. nadmierny osad czynny 20 - 40

3. osad mieszany (a) + (b) 6 - 12

Zależność optymalnego czasu zagęszcz. od zawartości ciał stałych w osadzie

Zagęszczacze flotacyjne ( zbieramy osad z powierzchni)

• cząstki osadu są wiązane czynnikiem flotacyjnym, naj. powietrzem

• stosowane dla osadu mieszanego i nadmiernego

• zwiększenie efektywności polimerem

Zagęszczacze mechaniczne

a) sitowe

- cylindryczne obracające się bębny z tkaniną filtracyjną

- osad kondycjonowany

- wydajność 3 - 100 m³/h lub 15 - 1500 kgsm/h

- średnia bębna 600 - 1200 mm

- dł. bębna 1500 - 3500 mm

-obroty bębna 2 - 30 obr/min

b) taśmowe

- praca ciągła

- osad kondycjonowany

- zgarniacz usuwa osad

- wydajność 10 - 150 m³/h lub 50 - 2250 kgsm/h

- szerokość taśmy 800 - 2700 m

- prędkość taśmy 7 - 30 m/min

c) ślimakowa prasa

- osad kondycjonowany

- cylindryczne sito szczelinowe

- kąt nachylenia 30 ⁰

- wewnątrz podajnik ślimakowy

- wydajność 8 - 50 m³/h lub 40 - 750 kgsm/h

- średnia sita bębnowego 300 - 700 mm

- dł. bębna 1200 - 1750

- obroty ślimaka 1 - 12 obr/min

- sito oczyszczane przez dysze

Stabilizacja tlenowa osadu

Definicja: Aerobowy, biochem. rozkład substancji organicznych zawartych w osadzie w warunkach niedoboru substratu, prowadzony przez heterotrofy i stosowany dla osadu nadmiernego i mieszanego

1. stabilizacja w komorach osadu czynnego, bardzo długi wiek osadu

2. stabilizacja w komorach wydzielonych ( okresowe doprowadzanie i odprowadzanie osadów)

3. termofitowa tlenowa stabilizacja ( okresowe doprowadzanie odprowadzanie osadów)

Cechy stabilizacji tlenowej:

- porównywalna z fermentacją redukcja suchej masy osadu

- mniejszy niż w procesie fermentacji ładunek BZT₅ w wodzie nad osadowej i większa wartość nawozowa osadu

- stabilny biologicznie produkt końcowy

- mniejsze nakłady inwestycyjne niż na fermentację i stosunkowo prosta obsługa

- wysokie koszty energii elektrycznej ( napowierzchnie)

- wpływ temp. zewnętrznej i geometrii zbiornika

- brak produkcji biogazu

- mniejsza zdolność do odwadniania niż osadu przefermentowanego

Osad jest ustabilizowany gdy: sucha masa podatna na rozkład = 0,1 - 0,2

Początkowa sucha masa powietrza na rozkład

Stopień poboru tlenu , 0,12 kg O₂ / kgsm * d

Reakcje w procesie stabilizacji tlenowej

1. Redukcja biomasy

C₅ H₇ NO₂ + 5O₂ 4CO₂ + H₂O + NH₄HCO₃

2. Nitryfikacja

NH₄ + 2O₂ NO₃ + 2H + H₂0

3. Reakcja sumaryczna z pełną nitryfikacją

C₅H₇NO₂ + 7H₂O 5O₂ + 3H₂O + HNO₃

4. Denitryfikacja

C₅H₇NO₂ + 4NO₃ + H₂O NH₄ + 5HCO₃ + 2NO₂

5. Reakcja sumaryczna z pełną nitryfikacją i denitryfikacją

2C₅H₇NO₂ + 11,5O₂ 10CO₂ + 7H₂O + 2N₂

Czynniki wpływające na proces stabilizacji tlenowej

- temp. - niska hamuje, wysoka przyspiesza proces ( izolacja zbiorników)

- stężenie suchej masy - wzrost zwiększa zużycie tlenu; zalecane 3,5 - 4,5 % s.m

- zapotrzebowanie na tlen 2,3 kg O₂ / kgs.m

Równanie opisujące proces tlenowej stabilizacji

So - biol. rozkładalna s.m.org. osadu na początku procesu kg s.m./ m³

St - biol. rozkładalna s.m. os. Po czasie t kg s.m./m³

St = (20 - 25) % So

kd - współczynnik szybkości rozkładu substancji org. d^-1

kd = kd₂₀

Parametry projektowe

- wiek osadu d

- temp. prowadzenia procesu ⁰C

- redukcja s.m. org. osadu %

- zawartość subst. biodegradowalnych w osadzie

- czas stabilizacji

dla osadu wstępnego t = 20 - 25 dni

zmieszanego 12 - 15

nadmiernego 6 - 8

ln (ST / So)

t = - kd ( d)

- obciążenie komory stabilizacyjnej

Or = Zosm

- objętość komory stabilizacyjnej m³

Vos * Zsm

V_RS = Vos *t lub V_KS = Or

lub V_KS = V_KS * M

Vos - dobowa obj. osadu poddawanego stabilizacji m³/d

V_KS - jednostkowa pojemność komory

V_KS = 0,085 - 0,113 m³/ M

M - liczba mieszkańców obsługiwanych przez oczyszczalnie ścieków

- zapotrzebowanie na tlen

So - St

Z O₂ = 1,42 * t * V_KS kg O₂ / d

lub ZO₂ = 2,3 * Vos * Zsm kg O₂ / d

1,42 - ilość tlenu niezbędna do utlenienia 1kg s.m. org. osadu kg O₂ / kg.s.m.

- zapotrzebowanie na powietrze

Z O₂

Vp = 0,28 k m³ / d

0,28 - zawartość tlenu w 1m³ powietrza

k - stopień wykorzystanego tlenu z powietrza k= 0,05 - 0,15

- jednostkowe zapotrzebowanie na powietrze

dla osadu wstępnego i mieszanego Zp = 0,2 - 0,035 m³/ m³ min

dla osadu wtórnego Zp = 0,06 m³ / m³ min

System anoksyczno - tlenowy

Uzyskuje się

- proces z całkowitą nitryfikacją i denitryfikacją

- zmniejszone zapotrzebowanie tlenu w fazie tlenowej

- częściowe odzyskanie zasadowości ( do 50%)

- odpowiednie pH bez bez dawkowania alkolidów

- automatyczna termofitowa stabilizacja osadów

Charakter procesu

- proces proces tlenowy z mikroorganizmami termofilnymi

- silne napowietrzanie i mieszanie

- egzotermiczny rozkład subst. organ. 55 - 80 ⁰C

- brak nitryfikacji i denitryfikacji

- redukcja patogenów

- dużo amoniaku w produkcie przy pH 8 - 9

- czas zatrzymania osadu 6 - 8 dni

- obciążenie komory s.m. osadu 5 - 8,7 kg s.m / m³d

- redukcja zw organ. 30 - 50 %

- temp. procesu 60 - 65 ⁰C

Fermentacja metanowa

Faza I - bakterie hydrolityczne rozkładają nierozpuszczalne związki organ.

Faza II - fermentacja kwaśna, bakterie kwasowe rozkładają rozpuszczone związki do prostych kwasów ( octowy, propionowy), wodoru i CO₂

Faza III - f. metanowa - autotrofy i heterotrofy metanowe rozkładają kwasy do CH₄, CO₂ i H₂O

Cząstki organiczne

osadu (ciała stałe)

H₂O

Fermentację można podzielić

- jednostopniowo

-dwustopniowo (50 - 60 % przefermentowania)

Moduł fermentacji określa stopień przefermentowania osadu

l₁ m₀

mf = 100 * ( 1 - m₁ * l₀ ) [%]

- lo, l₁ - udział ciał lotnych w osadzie surowym i przefermentowanym % s.m.

- mo, m₁ - udział ciał mineralnych w osadzie surowym i przefermentowanym % s.m.

Dla osadu dobrze przefermentowanego Mf > 50 %

Wielkości wpływające na proces fermentacji

Temperatura

- ferm. psydrofilowa T < 20 ⁰C

- ferm. mezofilowa T = 30 - 38 ⁰C

- ferm. termofitowa T = 45 - 58 ⁰C

Ilość i częstotliwość odprowadzania osadu

- decyduje o czasie fermentacji

- ferm.psydrofilowa - jedno lub kilkakrotnie na dobę

- ferm. mezofilowa - min 6 razy na dobę

- ferm. termofitowa - kilkanaście razy na dobę

Mieszanie osadu

- zapewnia jednorodność masy osadu w komorze

Wydajność urządzeń mieszających w m³ / d

- f. psydrofilowa - Qm

Ogrzewanie osadu

- stosuje się wymienniki ciepła spiralne, płytowe, rurowe

- temp. wody 60 - 90 ⁰C

- ogrzewanie parą

Ogrzewanie osadu w WKF

1. ogrzew. wewnętrzne

2. ogrzew. zewnętrzne

3. ogrzew. tzw. „żywą parą”

ilość ciepła do podgrzewania osadów

Qc 1,63 * Vos * ΔT [kwn/d]

• 1,163 - przeliczenie kcal/d na kwn/d

• Vos - obj. osadu poddawanego ogrzewaniu m³/d

• Δ T - różnica pomiędzy temp.osadu surowego, a temp., do której należy podgrzać, ⁰C

lub

Qc = Gos * Cos * ΔT [J/d]

- Gos - sucha masa osadu kg s.m/d

- Cos - siepło właściwe osadu ( przyjmuje się 4200 J/kg s.m ⁰C

Straty przez obwodową komory

qs = kc * F * ΔT [J/s]

kc - całkowity współczynnik przenikania ciepła

ilość i skłąd powstającego gazu

Zależy od

-stopnia rozkładu subst. organ.

- temp. procesu

- mieszania

Qg = Qgmax * ( 1 - e ^{- k * t}) [m³]

- Qgmax - maksymalna możliwa do uzyskania ilość gazu, m³

- t - czas fermentacji d

- k - stała szybkości reakcji d ^{- 1}

W optymalnych warunkach k = 0,25 d ^{- 1}

Ilość gazu ok. 0,75 - 1,15 m³/kgsm. os

0,35 m³/ kgCH2T us

28 m³/d na 1000 mieszkańców

Skład gazu - metan 65 - 70 %

- CO₂ 29 - 34 %

- siarkowodór

Ilość metanu uzyskiwanego w ciągu doby

V_CH4 = φ * [ ( S dop - S odp ) * Q - 1,42 * Px] [m³/d]

^{bCHZT bCHZT}

Sdop - biodegradowalne ChZT w dopływie do oczyszczalni g/m³

^bCHZT

Q - natężenie przepływu ścieków

Φ - teoretyczny współczynnik przeliczeniowy ilości metanu produkowanego z 1kg ChZt

Px - dzienna produkcja suchej masy osadu (kg s.m/d)

Y * Q * ( Sdop - Sodp )

Px = ^{bChZT bChZT}

1 + kd * t

Y - współczynnik przyrostu biomasy

Kd - współczynnik rozkładu ( obumierania) Kd = 0,02 - 0,04 d ^{- 1}

t - czas fermentacji

Wymiarowanie komór fermentacyjnych

Podstawowe parametry

- czas fermentacji

- obciążenie objętości komory subst. organ.

Parametry dla obciążeń standardowych

- czas zatrzymania osadu t = 30 - 60 d

- obciążenie komory Or = 0,64 - 1,6 kgsm/m³d

- jednostkowa pojemność komory (2,4 - 6,41)

• osad wstępny Vk = 0,03 - 0,04 ( 10,02 - 0,03)

• osad wstępny i nadmierny osad czynny Vk = 0,06 - 0,0 m3/M (0,02 - 0,04)

• osad wstępny i osad wtórny po złożach (-Vk = 0,02 - 0,04 m³/M)

Objętość komory fermentacyjnej

V_WKF = Vos * RLM * t * 10 ^{- 3} m³

Vos - jednostkowa ilość osadu dm³/Md

RLM

t - czas fermentacji, d

f. mezofilowa t = 27 dni

f. termofilowa 14 - 15 dni

Gsmo

lub V_WKF = [m³]

Or

Gsmo - sucha masa subst. organ. w osadzie przed fermentacją kgsmo/d

Or - obciążenie objętości komory osadem kgsmo/m³d

Gsmo = 0,1 * p (100 - W) * Vos [kgsmo/d]

p - zawartość sust. organ. w suchej masie osadu p= 65 - 74 %

w - uwodnienie osadu doprow. do komory %

Vos objętość osadu doprow. do komory m^3/d

Vos = vos * RLM m³/d

Wymagany efekt fermentacji

ηf = ηf max - n * P (%)

ηf - max możliwy rozkład subst. organ. w osadzie %

n - współczynnik zależy od uwodnienia osadu

w = 95 % f. mezofilowa n = 0,82

f. termofitowa 0,38

w = 97 % f. mezofilowa 0,4

f. termofitowa 0,18

p - dobowa porcja osadu doprow. do komory w stosunku do jej objętości, % d

w = 95 f. mezofilowa P = 9 %

f. termofitowa 18 %

Odwadnianie osadu

Metody:

1. wirowanie ( siła odśrodkowa)

2. filtracja (włókniny)

Zwiększanie efektu:

1. wstępne zagęszczanie statyczne

2. kondycjonowanie

Kondycjonowanie - działania prowadzące do zmian, które polepszają zdolność osadów do zagęszczenia i odwodnienia

1. chemiczne

Stosowane środki:

1. nieorganiczne - sole żelaza, glinu i wapna - zwiększają ilość osadu do przeróbki, stosowane w prasach komorowych

2. organiczne - polielektrolity ( anionowe, kationowe, obojętne )

Dawki:

- średnio 1 - 4 g/kg s.m. osadu

- do nadmiernego osadu czynnego 3 - 10 g/kg s.m. osadu

- do osadu mieszanego 2 - 18 g/ kg s.m. osadu

- dla osadu czynnego ustabilizowanego 4 - 10 g / kg s.m. osadu

2. fizyczne

1. mechaniczne - zmiana struktury osadu bez reakcji chemicznej

- stosuje się : popiół, miał węglowy, trociny, piasek, żwir

- stosowane przy prasach filtracyjnych

- zwiększa gęstość osadu

b) termiczne - rozbicie struktury osadu

- wymrażanie do temp. 20
C

- podgrzanie do temp. 60 -80
C

- podgrzanie do temp. 180-230
C przy ciśnieniu 10-25 bar

WIRÓWKI

1. rozdział fazy stałej od ciekłej za pomocą siły odśrodkowej

2. kondycjonowanie osadu

3. wirówki przeciwprądowe - przeciwny ruch fazy stałej i ciekłej

4. wirówki współprądowe - woda odprowadzana rurą wewnętrzną, osad w części zewnętrznej

5. parametry:

- współ. rozdziału - zawartość części stałych w osadzie odwodnionym w stosunku do osadu doprowadzanego

- uwodnienie osadu po odwodnieniu zależy od rodzaju osadu i dawki polielektrolitu

Osad wstępny przefermentowany - 63-74%

Osad nadmierny 82-86%

Osad nadmierny przefermentowany 80%

Osad mieszany 76-83%

PRASY FILTRACYJNE

1. taśmowe

- przeznaczone do pracy ciągłej

- kondycjonowany osad tłoczony pompą

- stopniowo zwiększany nacisk na osad

- taśma płukana wodą (filtratem)

- regulacja stopnia odwodnienia szybkością przesuwu taśmy

- zalecana zawartość suchej masy w osadzie do odwodnienia 3-8 %

- szerokość taśmy 800-1000 mm

- wydajność

2 - 30 m³/h lub 100-1500 kg s.m./h

- po odwodnieniu uzyskuje się 18 -28 % s.m.osadu

Sucha masa osadu przypadająca na 1m szerokości taśmy

- osad wstępny q_o = 360-550 kg s.m./mh

- osad nadmierny (1-4% s.m.) - q_o = 45-180 kg s.m./mh

- osad mieszany z osadem nadmiernym 1:1 (3-6 % s.m.) q_o = 180-320 kg s.m. /mh

- osad mieszany z osadem po złożach (3-6%)

2. komorowe

- filtracja przez tkaninę filtracyjną pod ciśnieniem statycznym

- współ. rozdziału bliski 100%

- wydajność zależna od liczby komór ( do 200 płyt)

- cykl pracy prasy komorowej

• napełnienie osadem

• zamknięcie płyt do uzyskania maksymalnego ciśnienia

• filtracja osadu

• redukcja ciśnienia

• stopniowe przesuwanie płyt, otwieranie komór

WORKOWNICE

- kosze ze stali nierdzewnej z zamocowanymi workami z tkaniny filtracyjnej

- sterowanie ręczne lub automatyczne

- 2,3,6 lub 12 worków

- wymiana worków 1 lub 2 x na dobę

- górny i dolny czujnik poziomu osadu

- zestaw do kondycjonowania osadu

Obliczanie liczby worków

Vos- dobowa produkcja osadu dm³/d

a - stała

dla osadu wstępnego a = 20

biologicznego a = 17,5

biologicznego ze strącaniem a = 15

Cykl pracy

- napełnienie worków do górnego czujnika

- odwodnienie pod ciśnieniem do dolnego czujnika poziomu

- dopełnienie worków do górnego czujnika poziomu

- odwodnienie pod ciśnieniem

- zakończenie procesu po osiągnięciu dolnego poziomu

SUSZENIE OSADÓW

Suszenie na poletkach

Suszenie z wykorzystaniem naturalnego procesu filtracji i parowania

Warunki procesu:

- czas suszenia 1-1,5 m-ca

- zalewanie od razu do eksploatacyjnej wysokości zalewu

- filtracja w pierwszym okresie po zalaniu

- kondycjonowanie osadu

- uwodnienie końcowe 50-60%

- po wysuszeniu składowanie ok. 1 roku

- kompostowanie i wykorzystanie rolnicze

Obliczanie powierzchni poletek osadowych

n -liczba wylewów na rok (5-6)

h - wysokość warstwy osadu (20-30 cm)

Vos - dobowa objętość osadu

Suszenie termiczne

Cele suszenia osadu:

- eliminacja wody związanej z osadem

- zmniejszenie objętości osadu (składowanie, transport)

- zmniejszenie uwodnienia osadu do 50% (spalanie częściowe) lub 90 % (spalanie całkowite)

- zwiększenie wartości opałowej osadu

- stabilizacja i higienizacja osadu

- polepszenie struktury osadu przed wykorzystaniem rolniczym

Zużycie paliwa do suszenia osadu :

Wysuszenie 35-95 %

Zużycie - oleju opałowego 120-300 dm³/t s.m

energii elektrycznej 30 -50 kWh/ t s.m

Koszt 50-100 zł/m³ osadu

Warunki prowadzenia procesu:

- kondycjonowanie osadu olejem, rozpuszczalnikiem lub mieszanie z suchym osadem

- osad wysuszony - granulki o średnicy 1-4 mm

- powstaje 1-2 m³ gazów z jednej tony odprowadzanej cieczy

- chłodzenie, odprowadzanie i oczyszczanie gazów

- zapobieganie wybuchom pyłów poprzez schłodzenie oparów 50 - 100 m³ na 1 tonę s.m osadu

- odprowadzanie i oczyszczanie ścieków

Spalanie osadu

Cel spalania: zmniejszenie masy i objętości osadu

Wymagania:

- odwodnienie i podsuszenie osadu do 35-50 % s.m.

- zawartość substancji organicznej min. 40 %

- zawartość substancji palnych min. 25 %

Ciepło spalania

Wtp = 14235 - 168,3 ^. W

W - uwodnienie osadu

Spalanie całkowite

CaObHcN_d+(a+0,25^.c+0,5^.b)O₂
aCO₂+0,5cH₂O+0,5oN₂

- zapotrzebowanie tlenu 4-krotnie większe niż wynika z reakcji

- do odprowadzania 1 kg wody z osadu potrzeba 4 -5 MJ ciepła

- dopuszczalny ładunek osadu 27 -75 kg/hm²

Piroliza - rozkład termiczny substancji bez udziału tlenu

- piroliza niskotemperaturowa 300-600
C

- piroliza wysokotemperaturowa 750 - 1000
C

Produkty pirolizy

- faza gazowa - gaz pizolityczny (wodór, metan, tlenek i dwutlenek węgla)

- faza stała - koks pizolityczny (węgiel, metale, substancje niepalne)

- faza płynna (olej, smoła)

Kompostowanie - termiczna przeróbka osadów w warunkach tlenowych

Kompostowanie zapewnia:

- stabilizację zw. organicznych

- naturalną dezynfekcję w wysokej temperaturze

- zmniejszenie masy i uwodnienia osadu

- stabilny produkt końcowy do dalszego wykorzystania

Wymagania :

- osad odwodniony

- mieszanina osadu i słomy, trocin, odpadów o uwodnieniu 40-60%

- stosowanie węgla organicznego do azotu 26:1

Warunki prowadzenia procesu:

- pryzmy lub reaktory

- samorzutne ogrzewanie do 50-70%]

- dezodoryzacja powietrza do napowietrzania

- kontrola uwodnienia

1

Faza II

CH₄ + H₂O

H₂ + CO₂

Bakterie metanowe (autotroficzne)

Bakterie metanowe (heterotroficzne)

CH₄ + CO₂

Kwasy organiczne

Bakterie zakwaszające

Rozpuszczalne zw. organiczne

Bakterie hydrolityczne

Faza I

Faza III

---