Metody biotechnologii

Metody biotechnologii

w ochronie środowiska

w ochronie środowiska

Osad czynny

ciąg dalszy

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Proces osadu czynnego został opracowany

około 1914 roku w celu usuwania ze ścieków
substancji powodujących zużycie tlenu w
odbiorniku.

Jest intensyfikacją na skalę techniczną procesu

samooczyszczania wód poprzez:

-

zwiększenie ilości mikroorganizmów,

-

sztuczne natlenienie środowiska wodnego.

W efekcie daje to możliwość zwiększenia ilości

oczyszczanych ścieków.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

reaktor
napowietrzany

osadnik wtórny -
pozwala oddzielić
oczyszczone ścieki od
osadu czynnego

Napowietrzanie dostarcza tlenu i
utrzymuje mikroorganizmy w
stanie zawieszenia

osad recyrkulowany

osad
nadmierny

ścieki
surow
e

ścieki
oczyszczo
ne

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Dobra separacja oczyszczonych ścieków od
osadu czynnego wymaga dobrych własności
sedymentacyjnych osadu.

I
O

=

V

o

X

, cm

3

/g

smo

Indeks Mohlmanna – indeks osadu
czynnego

IO = 50 – 150 cm

3

/g smo

dobre właściwości sedymentacyjne

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

s chemat osadu czynnego3.jpg

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Aerator3.jpg

Aerator1.jpg

Aerator typu szczotka
Kessenera

aerator w komorze

napowietrzania

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Dyfuzory.jpg

Widok dyfuzorów (po lewej stronie) i
rusztu do napowietrzania
drobnopęcherzykowego (po prawej
stronie) na dnie komory napowietrzania

ruszt napow.jpg

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Vc

S
C

A
S

X

V

X

R

Q

W

W
S

R
S

Q

R

X

e

, Q

e

,

S

e

S, Q

AS – osad czynny (activated sludge),
SC – osadnik wtórny (secondary

clarifier),
RS – osad recyrkulowany (return sludge),
WS – osad nadmierny(wasted sludge),

S, S

e

– stężenie substratu,

Q, Q

e

, Q

R

– natężenie przepływu (flow

rate),

V, V

C

– objętość,

X, X

e

, X

R

– zawartość biomasy

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Hydrauliczny czas
zatrzymania

(hydraulic retention

time) HRT dotyczy ścieków:

HR
T

Wiek osadu

(Sludge age) inaczej Średni czas

przebywania biomasy w systemie (Mean cell retention
time) WO dotyczy osadu czynnego czyli biomasy
mikroorganizmów:

d

WO
=

V ·
X

Q

W

· X

R

+ Q

e

·

X

e

,

=

V
Q

, h

θ

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Q·S

0

V

kg
COD

d·m

3

,

F/M (food – to – microorganism
ratio)

kg
COD

g sm · d

,

Q·S

0

V·X

F

M

=

Obciążenie komory
osadu czynnego
ładunkiem
zanieczyszczeń

Obciążenie osadu
czynnego
ładunkiem
zanieczyszczeń

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Q

R

· X

R

= (Q + Q

R

) ·

X Q

R

Q + Q

R

=

X

X

R

= R

Stopień recyrkulacji osadu
czynnego R

po
przekształceniu:

X

Q

R

R =

X

R

- X

=

Q

, %

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Wzrost mikroorganizmów osadu

czynnego limitowany substratem

r = µ ·
X

µ =
µ

m

S

K

s

+

S

r
=

µ

m

· S ·

XK

s

+

S

r – szybkość wzrostu
mikroorganizmów, g sm/ l·s,

µ - specyficzna szybkość
wzrostu, d

-1

,

X- zawartość biomasy, g sm/l,

µ

m

– maksymalna specyficzna

szybkość wzrostu, d

-1

,

K

s

– stała saturacji dla danego

substratu, mg/l,

S – stężenie substratu
limitującego wzrost
mikroorganizmów, mg/l,

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

r = -Y ·
r

s

Y – współczynnik przyrostu

biomasy,
g sm/ g BZT

5,

r

s

– szybkość zużycia substratu,

mg/l·s,
r – szybkość wzrostu

mikroorganizmów,
g sm/ l·s,

r

s

=

-

r

Y

=
-

µ

m

· S ·

X

Y · (K

s

+

S)

r’ = -Y · r

s

- k

d

· X

szybkość rozkładu
endogennego

k

d

- stała szybkości rozkładu,

d

-1

,

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

r’
=

µ

m

· S ·

XK

s

+

S

- k

d

· X

Szybkość wzrostu mikroorganizmów

uwzględniająca rozkład endogenny

r’·V = Q

W

·X

R

+ Q

e

·X

e

r’ =

Q

W

·X

R

+

Q

e

·X

e

V

r’ = -Y·r

s

-

k

d

·X

r

s

1

WO

= -Y

- k

d

X

Q

W

·X

R

+

Q

e

·X

e

V·X

= -Y

- k

d

r

s

X

Q

W

·X

R

+

Q

e

·X

e

V

= -Y·r

s

-

k

d

·X

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

r

s

X

=

S - S

e

·X

=

(S – S

e

)·Q

V·X

Specyficzna szybkość wykorzystania
substratu

-Y(S –
S

e

)·Q

V·X

- k

d

=

1

WO

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Dobór urządzeń

natleniających

OC – zdolność natleniania (Oxygenation
Capacity)

Szybkość wprowadzania tlenu do
odtlenionej wody o temperaturze 20°C lub
10°C (zależy od producenta) przy
ciśnieniu barometrycznym 1013 hPa i
temperaturze powietrza
charakterystycznej dla danego systemu:

-napowietrzania powierzchniowego 20°C,
-napowietrzania sprężonym powietrzem
75°C,

i przy ściśle określonych warunkach
geometrycznych, np. rozmieszczenie
dyfuzorów, wysokość słupa wody.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

OC = 3,6 c

s

k

L

a, kg

O

2

/h

c

s

– stężenie tlenu w g O

2

/m

3

odpowiadające

pełnemu nasyceniu tlenem wody o
temperaturze 20°C (10°C) przy ciśnieniu 1013
hPa,

k

L

– wspólczynnik przenikania tlenu, m/s,

a – powierzchnia międzyfazowa, m

2

Wartość iloczynu k

L

a zależy od wielu czynników:

temperatury, lepkości i zasolenia ścieków,
temperatury powietrza, wielkości pęcherzyków
powietrza, turbulencji przepływu pęcherzyków
gazu, turbulencji cieczy, ciśnienia parcjalnego
tlenu w pęcherzykach powietrza,ciśnienia
atmosferycznego

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

k

L

a

w warunkach technicznych jest

niższe niż w laboratoryjnych.

Stężenie tlenu w ściekach,

odpowiadające pełnemu nasyceniu,
różni się od analogicznego stężenia w
wodzie.

Przyczyny:

-

wyższe zasolenie,

-

zawartość zawiesin

-

i substancji powierzchniowo czynnych.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

W instalacjach osadu czynnego

utrzymuje się zwykle stężenie tlenu
w zakresie od 0,5 – 2,0 g O

2

/m

3

.

OC/A – stosunek zdolności natleniania

urządzeń napowietrzających do
zapotrzebowania tlenu czyli ładunku
zanieczyszczeń

A – ładunek zanieczyszczeń to iloczyn

S i Q, kg BZT

5

/d

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

OC/A = 1,4 – 1,6 kg O

2

/kg BZT

5 us

- dla pełnego usuwania BZT,
OC/A ~ 2,5 - dla pełnego usuwania BZT i nitryfikacji,
OC/A ~ 2,8 – dla stabilizacji osadu nadmiernego.
Zużycie powietrza m

3

/kg BZT

5 us

Zapotrzebowanie energii kWh/BZT

5 us

Najmniej energii zużywają wirownice i napowietrzanie

drobnopęcherzykowe do około 0,6 kWh/kg BZT

5 us

Napowietrzanie grubo- i średniopęcherzykowe oraz

aeratory powierzchniowe zużywają do koło 1,1 – 1,2
kWh/kg BZT

us

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Reaktor okresowy (batch
reactor)

stężenie początkowe
S

o

czas

st

ę

że

n

ie

Reaktor pełnego wymieszania (continuous
stirred reactor)

S

o

S

e

st

ę

że

n

ie

cza
s

S

o

∞

S

e

S

e

Reaktory przepływowe

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Reaktor tłokowy (tubular reactor)

S

o

S

e

odległość od czoła reaktora

st

ę

że

n

ie

S

o

S

e

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Z

m

n

ie

js

ze

n

ie

B

Z

T

5

,

%

50

100

0,05

stabilizacja osadu

0,1
5

nitryfikacj
a

0,3

pełne utlenienie
C

org

5

Osad czynny wysoko
obciążony

Obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń, g BZT

5

/g

sm•d

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

stawy napowietrzane (laguny
napowietrzane)

Długi czas
zatrzymani
a ścieków i
duża
powierzchn
ia

Systemy te mogą być bez zatrzymania biomasy lub z jej
zawracaniem.

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Rowy cyrkulacyjne prototyp systemów
karuzelowych