1

Ć

wiczenie 3. Wyznaczenie parametrów technologicznych modelowego systemu

oczyszczania ścieków za pomocą „osadu czynnego”

1.

Wprowadzenie

Na pracę osadu czynnego mają wpływ zarówno rodzaj, jak i stężenie zanieczyszczeń. Rodzaj
doprowadzanych zanieczyszczeń jest istotny ze względu na możliwość występowania
substancji wykazujących działanie toksyczne. Trudno rozkładalne związki organiczne
wymagają dłuższego czasu kontaktu z osadem, co uzyskiwane jest przez zmniejszenie
obciążenia, wydłużenie czasu zatrzymania czy recyrkulację ścieków oczyszczonych.
Również temperatura i odczyn wywierają istotny wpływ na oczyszczanie ścieków metodą
osadu czynnego.

Temperatura ścieków wpływa na:- lepkość cieczy,- wielkość napięcia powierzchniowego,-
stężenie tlenu rozpuszczonego,- rozpuszczalność substratów,- wymianę gazową między
organizmami a cieczą otaczającą, - szybkość reakcji biochemicznych, - opadalność zawiesin,
w tym kłaczków osadu czynnego.
Mikroorganizmy mające istotny wpływ na powstawanie i strukturę kłaczków osadu czynnego
- Zooglea ramigera, mają zakres swojego rozwoju w przedziale 10 - 40

0

C, zaś optimum

przypada w zakresie 28 - 30

0

C. Formy nitkowate bakterii np Sphaerotilus natans mają

zbliżony zakres rozwoju, jednakże mogą one już dominować w temperaturze 5 - 10

0

C, kiedy

organizmy zooglealne wykazują dopiero niewielką aktywność biochemiczną.
Temperatura w ścieków miejskich waha się w okresie letnim miedzy 15 a 25

0

C, natomiast w

okresie zimowym wynosi około 10

0

C. [1]

Odczyn ścieków bytowo - gospodarczych i komunalnych dopływających do komór osadu
czynnego mieści się w granicach pH = 7 + 0,5. Formy zooglealne organizmów osadu
czynnego wymagają optimum pH = 7 - 7,5, natomiast organizmy nitkowate rozwijają się przy
odczynie pH = 5-6. W ścieków bytowo-gospodarczych dopływających na oczyszczalnie pH
może się wahać w zakresie 6.6-8.0.

Czas napowietrzania. Parametr ten określa czas, w którym ścieki wraz z osadem czynnym są
napowietrzane, co z reguły jest równoznaczne z ich hydraulicznym czasem zatrzymania w
komorze napowietrzania. Czas zatrzymania można obliczyć ze wzoru:

T =

V

Q

[h]

gdzie:

V - objętość komory napowietrzania, [m

3

],

Q - natężenie dopływu ścieków, [m

3

/h].

Czas, w którym organiczne zanieczyszczenia zostaną usunięte ze ścieków, zależy od:

2

rodzaju zanieczyszczeń, stężenia substancji zanieczyszczającej, ilości i aktywności osadu
czynnego, adaptacji osadu do rodzaju zanieczyszczeń, warunków środowiskowych (np.
temperatury, odczynu, proporcji substancji odżywczych, stopnia wymieszania).

Ś

cieki są zwykle mieszaniną substancji rozpuszczonych, z których każda usuwana jest

proporcjonalnie do upływającego czasu. Jednakże prędkość usuwania może być różna dla
każdej z rozpuszczonych substancji.

Zawartość zawiesin osadu czynnego w komorze napowietrzania. X

v

oznacza ile gramów

osadu (oznaczonego jako sucha masa lub sucha masa organiczna) znajduje się w 1 dm

3

(lub

m

3

) komory napowietrzania.

X

v

[g

s.m.o.

/dm

3

] lub [g

s.m.o.

/m

3

]

Przeciętnie w komorze napowietrzania utrzymywane jest stężenie 3 - 3,5 kg

s.m.o.

/m

3

i dąży się

do większych wartości.

Ponieważ do komory napowietrzania doprowadzane są ścieki surowe, a odprowadzane

ś

cieki wraz z osadem, to dla utrzymania odpowiedniej ilości zawiesin w komorze stosuje się

zawracanie osadu z osadników wtórnych do komór napowietrzania, czyli recyrkulację.
Stopień recyrkulacji osadu -n- wyraża w procentach stosunek recyrkulowanego osadu do
ilości dopływających ścieków:

n =

Q

Q

r

[%]

Obciążenie komór napowietrzania ładunkiem zanieczyszczeń – A

V

- określa ile gramów

lub kilogramów związków organicznych (oznaczonych przez stężenie BZT

5

) jest

doprowadzanych do jednego m

3

komory napowietrzania w ciągu doby.

A

V

[gBZT

5

/m

3

d] lub [kgBZT

5

/m

3

d]

V

C

Q

A

V

0

×

=

gdzie:
Q - natężenie przepływu ścieków, [m

3

/d],

C

0

- stężenie związków organicznych w ściekach dopływających wyrażone jako BZT

5

,

[gBZT

5

/m

3

],

V - objętość komory napowietrzania, [m

3

].

Samo obciążenie komory napowietrzania nie jest czynnikiem ograniczającym efektywność
oczyszczania ścieków. W przypadku jednakowego obciążenia czasy zatrzymania ścieków w
komorze będą się wahać w zależności od ich stężenia. Stężone ścieki można przy
jednakowym obciążeniu objętościowym oczyścić w wyższym stopniu niż ścieki
„rozcieńczone”. W praktyce spotyka się obciążenia komór w zakresie 100 - 25000
gBZT

5

/m

3

d.

3

Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń - A

X

- określa ile gramów względnie

kilogramów związków organicznych (oznaczonych przez ładunek BZT

5

) przypada na 1 gram

suchej masy osadu czynnego w ciągu doby.

A

X

[gBZT

5

/g

s.m.o.

d] lub [kgBZT

5

/g

s.m.o.

d]

Pomiędzy obciążeniem komory napowietrzania A

V

i obciążeniem osadu A

X

istnieje

zależność:

A

X

=

v

V

X

A

[gBZT

5

/g

s.m.o.

d]

gdzie:
X

v

-zawartość zawiesin osadu w komorze napowietrzania, [g

s.m.o.

/m

3

].

Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń należy traktować jako czynnik

ograniczający działanie oczyszczające osadu, gdyż wraz z obciążeniem osadu zmienia się też
naturalnie aktywność biocenozy bakteryjnej. Dany układ osadu czynnego powinien być
obciążony ładunkiem zanieczyszczeń w takim stopniu, aby mikroorganizmy były w stanie
zużyć większość materii organicznej dopływającej wraz ze ściekami. W praktyce stosuje się
obciążenia w granicach 0,05 - 5,0 g BZT

5

/g

s.m.o.

d. Z przeprowadzonych szczegółowych badań

wynika, iż dla całkowitego biologicznego oczyszczania ścieków odpowiednie jest obciążenie
osadu ładunkiem BZT

5

mniejsze od 0,4 gBZT

5

/g

s.m.o.

d, natomiast w przypadku nitryfikacji

obciążenie to nie przekracza 0,15 gBZT

5

/g

s.m.o.

d.

Wiek osadu określa się jako czas, po którym cały osad zgromadzony w całym systemie
ulegnie wymianie; jest to przeciętny czas, w którym kłaczek osadu czynnego znajduje się
w systemie oczyszczania:

W=

V

X

q

X

Q

X

v

r

e

×

×

+ ×

[doba]

gdzie:
V - objętość komory napowietrzania, [m

3

],

X

v

- zawartość zawiesin osadu w komorze napowietrzania, [g/m

3

],

q - dobowy nadmiar osadu czynnego odprowadzany z osadników wtórnych, [m

3

/d],

X

r

- zawartość zawiesin w osadzie nadmiernym, [g/m

3

],

Q - średnio dobowy przepływ ścieków, [m

3

/d],

X

e

- zawartość zawiesiny w ściekach oczyszczonych, [g/m

3

],

Parametr ten jest zależny od przyjętego sposobu oczyszczania oraz od specyficznej

szybkości wzrostu mikroorganizmów. Dla procesu osadu czynnego można przyjąć, że
odwrotność szybkości wzrostu mikroorganizmów jest równa wiekowi osadu

1

µ

=

WO

,

gdzie:

µ

- specyficzna szybkość wzrostu mikroorganizmów, [1/d].

4

W praktyce oznacza to, iż im mniejsza wartość

µ

- specyficznej szybkości wzrostu

mikroorganizmów, tym wyższy musi być utrzymany wiek osadu, aby nie dochodziło do
ucieczki (wymywania) mikroorganizmów z układu. Przykładowo jeżeli w bioreaktorze będzie
utrzymywany wiek osadu na poziomie WO = 8 dób, to zostaną zatrzymane w nim te
mikroorganizmy dla których

µ

wynosi 1/8 czyli 0,12 [1/d] i więcej. Drobnoustroje

charakteryzujące się mniejszą wartością

µ

opuszczą bioreaktor, gdyż nie zdążą się w nim

namnożyć.

Indeks Mohlmana wyraża objętość w cm

3

, którą zajmuje 1 g osadu po półgodzinnym czasie

zagęszczania w leju Imhoffa. Można określić go wzorem:

I

0

=

V

X

v

[cm

3

/g]

Indeks Mohlmana określa własności sedymentacyjne osadu oraz jego uwodnienie i jest

podstawową wielkością określającą pracę osadników wtórnych. Indeks ten waha się
w zakresie 40 - 300 cm

3

/g. Przy napowietrzaniu sprężonym powietrzem osad powinien mieć

indeks poniżej 150 cm

3

/g, natomiast przy napowietrzaniu sposobami mechanicznymi

w granicach 100 - 300 cm

3

/g.

Nadmierne uwodnienie osadu, czyli powstanie tzw. osadu spuchniętego, powoduje

niekorzystny wzrost indeksu, czyli nadmierny wzrost objętości w stosunku do masy. Wysoki
indeks nie musi być oznaką pogorszenia się aktywności biochemicznej osadu, gdyż pomimo
złych własności sedymentacyjnych może on dobrze oczyszczać ścieki. Duży wzrost wartości
indeksu objętościowego osadu może spowodować rozpad osadu: kłaczki będą ciągle mniejsze
i przez to źle sedymentujące. Przy konwencjonalnych czasach zatrzymania w osadniku
wtórnym będą one wynoszone poza układ powodując zanieczyszczenie odbiornika.

Pod względem mikrobiologicznym w osadzie spuchniętym rozwijają się bakterie

nitkowate np. Sphaerotilus, Thiotrix, Beggiatoa, które charakteryzują się luźną strukturą
i w związku z tym cząstki wody przyczepiają się do nich na dość dużej powierzchni i wskutek
tego ciężar właściwy układu woda - kłaczek jest zbliżony do ciężaru właściwego wody.
Przyczynami powstawania osadu spęczniałego mogą być:
- charakter dopływających ścieków: zmiany odczynu, wahania temperatury i BZT

5

,

naruszenie równowagi pomiędzy pierwiastkami biogennymi C, N i P.,
- przeciążenie osadu,
- nadmierne napowietrzanie osadu.

Natlenianie komór osadu czynnego. Aby zapewnić odpowiedni przebieg procesów w
komorze napowietrzania konieczne jest doprowadzenie odpowiedniej ilości tlenu.
Zapotrzebowanie na tlen w komorze napowietrzania jest sumą zapotrzebowania na:
- oddychanie substratowe - w wyniku którego część organicznych zanieczyszczeń podlega
utlenieniu, dostarczając energię niezbędną do budowy komórek.
W celu zagwarantowania mikroorganizmom warunków tlenowych, stężenie tlenu w komorze
napowietrzania powinno wynosić minimum 0,5 mg/dm

3

. Zazwyczaj stężenie tlenu utrzymuje

się w na poziomie 2-3 mg/dm

3

we wszystkich miejscach komory.

5

2. Cel

Wyznaczenie podstawowych parametrów technologicznych modelowego systemu
oczyszczani „osadu czynnego” wpływających na efektywność oczyszczania ścieków.

3.Wykonanie ćwiczenia

Osadnik

Stopien recrkulacji osadu r =? (%)

Doplyw Q=?
(l/ d)

Komora
napowietrzania

Odplyw

St

ęż

enie biomasy

x= ? (g/l)

Rys.1 Schemat systemu osadu czynnego

6

Grupa studencka wykonuje wstępne pomiary i oznaczenia zestawione w Tabela1.

Tabela 1. Zakres i metody oznaczeń

Oznaczenie

Metoda oznaczenia

SVI

Indeks Mohlmana, to objętość (w ml) osadu czynnego po

zagęszczaniu w ciągu 30 min w leju Imhoffa, przypadająca

na 1g osadu.

Szybkość dopływu

ś

cieków surowych i

wielość recyrkulacji

osadu

Pobierając ścieki surowe do cylindra miarowego o

pojemności 100 cm

3

w ciągu 15 minut

X

Zawartość osadu czynnego w komorze napowietrzania

metodą wagową

Tlen rozpuszczony

Sonda tlenowa OXI 196 firmy WTW.

pH

Papierek lakmusowy Merck, lub pH- metr

Temperatura

Termometr

Objętość reaktora i
osadnika wtórnego

Miara

Grupa studencka dzieli się na 2-3 osobowe zespoły, z których każdy będzie wykonywał

oznaczenia.

Na podstawie wykonanych pomiarów (tabeli 1), jak również danych dotyczących stężenia

zanieczyszczeń w dopływających ściekach (ćwiczenia nr. 2) zespoły studenckie obliczają

parametry technologiczne zestawione w Tabeli 2.

UWAGI!

Kalkulatory, długopis, kartka obowiązkowe
















7

Tabela 2. Parametry technologiczne systemu osadu czynnego

Parametr

Jednostki

Wartość

obliczona

Wartość

literaturowa

Nazwa systemu

Objętość komory

napowietrzania

[m

3

]

Objętość osadnika

wtornego

[m

3

]

Intensywność dopływu

ś

cieków

[m

3

/d]

Obciążenie hydrauliczne

reaktora

[m

3

/m

3

g*d]

Obciążenie substratowe

objętości reaktora

[g ChZT/m

3

*d]

Obciążenie substratowe

osadu czynnego

[g ChZT/g

smo

*d]

Obciążenie substratowe

osadu czynnego

[g BZT

5

/gsmo*d]

Czas zatrzymania w

reaktorze (czas

napowietrzania)

[h]

Czas zatrzymania w

systemie

[h]

*% usunięcia BZT

5

[%]

SVI

[cm

3

/g]

Stopień recyrkulacji

[%]

Zawartość osadu

czynnego w komorze

napowietrzania

[g/m

3

]

*Biochemiczne Zapotrzebowanie na Tlen (frakcja zw. organicznych rozkładalna biologicznie
w ciągu 5 dni) dla ścieków surowych przyjąć BZT

5

= 0.8 ChZT, dla ścieków oczyszczonych

przyjąć BZT

5

= 0.1 ChZT

4.Opracowanie wyników

Sekcje 4-5 osobowe opracowują wyniki na podstawie parametrów zebranych w Tabela 2.

4.1. Przeprowadź dyskusję wyznaczonych parametrów technologicznych porównując je z

danymi literaturowymi (załącznik 1).

4.2. Zaproponuj jak można by usprawnić prace modelowej oczyszczalni osadu czynnego

sterując danymi parametrami technologicznymi.

8

5. Literatura

1. „Biotechnologia ścieków” - praca zbiorowa pod redakcją Korneliusza Mikscha;
wydawnictwo Politechniki Śląskiej; Gliwice 2000 r.
2. „Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków” – praca zbiorowa pod redakcją Z.
Dymaczewskiego, J. Oleszkiewicza, M Sozańskiego ; Poznań 1997 r.
3. „Biotechnologia w ochronie środowiska” Ewa Klimuk, Marta Łebkowska, PWN,
Warszawa 2005

6. Pytania kontrolne:

1.

Co to jest Indeks Molhman?

2.

Jaki wpływ ma pH i temperatury na proces oczyszczania?

3.

Jaki wpływ ma zawartość tlenu rozpuszczonego w reaktorze na procesy biologiczne?

4.

Jakie niekorzystny efekt mogą wywoływać bakterie nitkowate w osadzie czynnym?

5.

Czas zatrzymania biomasy osadu czynnego w komorze tlenowej?

6.

Jakie procesy zachodzą w osadniku wtórnym?

7.

Jaką rolę pełni recyrkulacja osadu w procesie oczyszczania ścieków?

8.

Wyjaśnij wpływ obciążenia osadu ładunkiem zanieczyszczeń na efekt oczyszczenia

ś

cieków.

9.

Jakie zanieczyszczenia w ściekach charakteryzuje BZT

5

?

10.

Na czym polega intensyfikacja procesów biologicznego samooczyszczania się w
systemach technologicznych?

7. Uwagi dodatkowe

Zaliczenie ćwiczenia:

-

Sekcje 4-5 osobowe przygotowują 1 sprawozdanie (instrukcja punkt
4)

.

UWAGA!

Termin oddania sprawozdania : 2 tygodni od daty wykonanego ćwiczenia!!!

9

Załącznik 1

Parametry pracy systemów osadu czynnego

Układ

Wiek

osadu

[d]

Obciążenie

osadu

[kgBZT

5

/kg

smo

d]

Stężenie

osadu

[kg/m

3

]

Czas napo-

wietrzania

[h]

Stopień

recyrkula

cji

[%]

Przepływ

tłokowy

5-15

0.2-0.4

1.5-3.0

4-8

25-75

Całkowite

wymieszanie

5-15

0.2-0.6

2.5-4.0

3-5

25-100

Stopniowe

zasilanie

5-15

0.2-0.4

2.0-3.5

3-5

25-75

Wysoko

obciążony

0.2-0.5

1.5-5.0

0.2-1.0

1.5-3

5-25

Nisko obciążony

20-30

0.05-0.15

3.0-6.0

18-36

50-150

Rowy

biologiczne

10-30

0.05-0.2

3.0-6.0

8-36

75-150

SBR

0.05-0.3

1.5-5.0

12-50

brak