1
Ćwiczenie 4. Ocena efektywności oczyszczania ścieków w
modelowym systemie „złoża biologicznego”
1. Wprowadzenie
Oczyszczanie na złożu biologicznym jest naśladownictwem i intensyfikacją procesów
samooczyszczania, zachodzących głównie w środowisku w glebowym. Oczyszczanie polega
na przepuszczaniu ścieków przez warstwę wypełnienia, na którym rozwinęły się
mikroorganizmy, tworząc śluzowatą otoczkę, zwaną błoną biologiczną. Pokrywająca
wypełnienie błona biologiczna, w której panują warunki tlenowe, jest grubości 2 - 3 mm. Do
głębszych warstw błony rozwijającej się na wypełnieniu, dyfuzja tlenu jest już ograniczona.
Oczyszczanie ścieków opiera się na wielu procesach fizycznych, chemicznych i
biochemicznych. W wyniku tych procesów usuwane są ze ścieków zanieczyszczenia w
postaci stałej, koloidalnej i rozpuszczonej. Najważniejsze z nich to adsorpcja i biokoagulacja,
a następnie biochemiczne utlenianie substratu organicznego. W pierwszej fazie procesu
zatrzymane na powierzchni błony biologicznej zanieczyszczenia, są tak przekształcane, aby
jako produkty enzymatycznej hydrolizy organicznego substratu, mogły wnikać do komórek
mikroorganizmów (rozkład węglowodanów do heksoz, białek do aminokwasów, tłuszczy do
gliceryny i kwasów tłuszczowych). W drugiej fazie procesu przekształcone drobiny ulegają
dalszym przemianom już w komórkach mikroorganizmów (związki przejściowe zostają
częściowo utlenione, przy czym obok dwutlenku węgla i wody powstaje acetylo-koenzym A,
kwas alfa-ketoglutarowy i kwas szczawiowo-octowy). Zaś w trzeciej fazie część z tego
przekształconego substratu, ulega bezpośredniemu biochemicznemu utlenieniu (spalanie
metabolitów w cyklu Krebsa). Pozostała cześć jest asymilowana w postaci biomasy, z której
z kolei pewna część ulega autooksydacji. Usuwanie z błony produktów metabolizmu
mikroorganizmów następuje w procesie dyfuzji do ścieków i powietrza, lub przez
wypłukiwanie wraz z obumarłą i nadmierną błoną biologiczną.
Warunkiem prowadzenia procesu na złożach biologicznych jest:
* posiadanie złoża zasiedlonego odpowiednią mikroflorą,
* doprowadzenie substratu organicznego pozbawionego substancji hamujących wzrost
mikroorganizmów,
* zapewnienie odpowiedniego stosunku pomiędzy ilością substratu, a zapotrzebowaniem
mikroorganizmów na substancje odżywcze,
* zapewnienie odpowiednich warunków tlenowych
Złoża biologiczne są urządzeniami służącymi do biologicznego oczyszczania ścieków
w warunkach tlenowych, anoksycznych, bądź beztlenowych. W niniejszym opracowaniu
omówione zostały złoża pracujące w warunkach tlenowych.
W budowie złoża biologicznego można wyróżnić:
– warstwę wypełnienia,
– ścianę lub siatkę boczną otaczającą warstwę wypełnienia,
– konstrukcję stanowiącą dno i podtrzymującą wypełnienie,
– instalacje: doprowadzające oraz odprowadzające ścieki oczyszczone,
– systemy zapewniające natlenienie ścieków.
2
Model złoża biologicznego przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Przekrój przez złoże biologiczne:
Złoża tarczowe (ZT) są szczególnym rodzajem złóż biologicznych. Konstruowane są w formie
tarcz zamontowanych na wspólnej osi poziomej. Podczas zanurzania następuje kontakt błony
biologicznej ze ściekami, a podczas wynurzania natlenianie błony. Obecnie złoża tarczowe są
wykonywane najczęściej z tworzyw sztucznych. Pojedyncze tarcze w systemach oczyszczania
posiadają średnicę do 4 m i długość wału obrotowego do 8 m. Obciążenie hydrauliczne dla
złóż obrotowych zależy od ich przeznaczenia (do usuwania węgla organicznego lub
nitryfikacji). Schemat modelowego złoża tarczowego przedstawia rysunek 2.
Dopływ
Odpływ
tarcze
Z
Z
ł
ł
o
o
ż
ż
e tarczowe
e tarczowe
Rys. 2. Schemat modelowego złoża tarczowego: 1-wypełnienie, 2-silnik elektryczny, 3-zbiornik
Na pracę złóż biologicznych mają wpływ zarówno rodzaj, jak i stężenie zanieczyszczeń.
Rodzaj doprowadzanych zanieczyszczeń istotny jest ze względu na możliwość występowania
substancji wykazujących działanie toksyczne. Również temperatura i odczyn mogą wpływać
na proces biologicznego oczyszczania. Trudno rozkładalne związki organiczne wymagają
dłuższego czasu kontaktu z błoną biologiczną, co uzyskiwane jest przez zmniejszenie
obciążenia, zwiększenie wysokości złoża, recyrkulację czy zastosowanie złóż
wielostopniowych.
3
Mikroorganizmy unieruchomione na nośniku znacząco zmieniają swoje właściwości,
stają się bardziej oporne na zmiany środowiskowe, działanie substancji toksycznych oraz nie
ulegają wymywaniu z reaktora w takim stopniu, jak np. organizmy osadu czynnego. Z tego
też względu złoża biologiczne chętnie są wykorzystywane do utleniania wysokich stężeń
azotu amonowego metodą biologicznej nitryfikacji. Bakterie odpowiedzialne za ten proces są
bowiem uznawane za bardzo wrażliwe na zmiany temperatury, odczynu, obecność substancji
toksycznych, a ponadto, bardzo wolno się rozmnażają. W metodzie złóż biologicznych,
podobnie jak w procesie osadu czynnego, można usunąć ze ścieków związki organiczne oraz
azot na drodze biologicznej.
Wybrane parametry pracy złóż biologicznych
Obciążenie hydrauliczne O
h
– wyraża ilość ścieków przypadającą na jednostkę
powierzchni lub objętości w jednostce czasu.
]
/
[
2
3
d
m
m
F
Q
O
H
gdzie: F – łączna powierzchnia tarcz, m
2
;
Obciążenie hydrauliczne, obok rodzaju wypełnienia oraz wysokości złoża, decyduje o czasie
kontaktu składników ścieków z błoną biologiczną. Przy niezmiennych pozostałych
parametrach pracy złóż, efekt oczyszczania zależeć będzie od stosowanego obciążenia
hydraulicznego. Odpowiednio dobrane obciążenie hydrauliczne nie dopuszcza do zarastania,
a przez to, do pogorszenia się efektywności pracy złoża. Spotykane obciążenia hydrauliczne
mieszczą się w przedziale 0,04 -5,0 m
3
/m
2
h.
Obciążenie złoża ładunkiem zanieczyszczeń (substratowe) O
v
– wyraża ładunek
zanieczyszczeń wyrażony w g/d lub w kg BZT
5
/d przypadający na jednostkę objętości złoża.
O
v
[gBZT
5
/m
3
d]
Z teorii pracy złóż wynika, że dla każdego złoża istnieje pewien optymalny zakres obciążeń
ładunkiem zanieczyszczeń, zapewniający zachowanie warunków tlenowych w błonie
biologicznej, przy zachowaniu stałego obciążenia hydraulicznego. Po przekroczeniu
obciążenia krytycznego, obok strefy tlenowej, pojawia się również strefa beztlenowa, która
przy dalszym wzroście obciążenia, zaczyna dominować tak, że w złożu zachodzą wyłącznie
procesy beztlenowe. Każde przejście z jednej strefy do drugiej, wiąże się ze spadkiem
efektywności pracy złoża, jednak w obrębie danej strefy, sprawność oczyszczania jest
zbliżona i niezależna od obciążenia. Najczęściej spotykane obciążenia substratowe mieszczą
się w przedziale 225-8000 gBZT
5
/m
3
d.
Obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń powierzchni tarcz A
F
]
/
[
2
5
d
m
gBZT
F
Q
C
A
O
F
gdzie: C
0
– stężenie BZT
5
w dopływających ściekach.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania modelowego złoża
tarczowego, wyznaczenie parametrów pracy tego systemu oraz sprawdzenie
efektywności jego pracy.
4
3. Wykonanie ćwiczenia
Opis stanowiska
Biofilm na złożach tarczowych umiejscowiony jest na obrotowych tarczach. Tarcze
podczas obrotu częściowo zanurzone są w korycie wypełnionym ściekami, gdzie następuje
kontakt biofilmu z zanieczyszczeniami zawartymi w ściekach. Podczas wynurzenia tarcz
następuje natlenienie biofilmu tlenem zawartym w powietrzu. W biofilmie mogą więc
zachodzić zarówno procesy tlenowe (przeprowadzane na jego powierzchni) jak również
beztlenowe, co jest zależne od grubości biofilmu i stopnia dyfuzji tlenu do wnętrza bioflmu.
Złoże podzielone jest na trzy segmenty (w każdym segmencie po 4 tarcze (dyski)) (Rys 2).
Grupa studencka dzieli się na zespoły 2-3 osobowe, z których każdy będzie wykonywał dane
oznaczenia zanieczyszczeń oraz pomiary ( np. intensywność przepływu, powierzchni tarcz) (Tabela
2).
UWAGII!
Do każdego oznaczenia należy przygotować próbkę referencyjna tzw. „ślepą” na wodzie
destylowanej.
Pobrane próbki przefiltrować na filtrze twardym w celu usunięcia zawiesin.
Wyniki analiz zespołów studenckich należy zebrać w tabeli 2. Należy obliczyć również
wybrane parametry technologiczne modelowego systemu zestawione w tabeli 3.
Tabela 1. Zakres i metody oznaczeń
Oznaczenie/pomiar
Metoda oznaczenia
Szybkość dopływu
ścieków surowych
Ustalić intensywność dopływu ścieków na złoże (pobierając ścieki surowe
do cylindra miarowego o pojemności 100 cm
3
w ciągu 15 minut).
F
Pomiar powierzchni tarcz ZT, miara
Odczyn
Papierek lakmusowy Merck, lub pH- metr
ChZT
standardowa metoda dwuchromianowa
Azot amonowy
metoda kolorymetryczna (z wersenianem sodowym i odczynnikiem
Nesslera) SPEKOL 11 firmy Carl Zeiss Jena
Azot azotynowy
metoda kolorymetryczna (z kwasem sulfanilowym i alfanaftyloaminą)
SPEKOL 11 firmy Carl Zeiss Jena
Azot azotanowy
metoda kolorymetryczna, SPEKOL 11 firmy Carl Zeiss Jena
spectrophotometr S106
Fosforany
metoda kolorymetryczna (z kwasem askorbinowym i odczynnikiem
mieszanym) SPEKOL 11 firmy Carl Zeiss Jena
5
4. Opracowanie wyników
*Wykonaj wykres słupkowy dla form N w poszczególnych częściach złoża. Określić, jakie
procesy dominują w poszczególnych komorach (I, II, III).
*Dokonaj oceny efektywności biologicznego oczyszczania ścieków (usuwania
zanieczyszczeń organicznych ChZT, BZT
5
oraz N) w modelowym systemie w oparciu o dane
literaturowe [1].
*Przeprowadź dyskusję uzyskanych wyników zmiany zanieczyszczeń, ze zwróceniem uwagi
na procesy biologiczne tam zachodzące (nitryfikacja, usuwanie związków organicznych).
*Przeprowadź dyskusję wyznaczonych parametrów technologicznych porównując je z
danymi literaturowymi (załącznik 1). W zależności od obciążenia hydraulicznego dokonaj
klasyfikacji złóż.
Tabela 2. Wybrane wskaźniki ścieków surowych i oczyszczonych
Oznaczenia
Jednostki
Ścieki
surowe
Komora I
Komora II
Komora III
Ścieki
oczyszczone
ChZT
[mgO
2
/dm
3
]
Azot amonowy
[mgN-NH
4
+
/dm
3
]
Azot azotynowy
[mgN-NO
2
-
/dm
3
]
Azot azotanowy
[mgN-NO
3
-
/dm
3
]
Fosfor
[mg P/dm
3
]
*BZT
5
[mgO
2
/dm
3
]
*Biochemiczne Zapotrzebowanie na Tlen (frakcja zw. organicznych rozkładalna biologicznie) dla ścieków
surowych przyjąć BZT
5
= 0.7 ChZT, dla ścieków oczyszczonych przyjąć BZT
5
= 0.1 ChZT
6
Tabela 3. Parametry technologiczne modelowego systemu
Parametr
Jednostki
Wartość
obliczona
Wartość
literaturowa
Nazwa systemu
Objętość całkowita
systemu ZT
[m
3
]
Intensywność dopływu
ścieków
[m
3
/d]
-
Obciążenie hydrauliczne
reaktora ZT
[m
3
/m
3
*h]
-
Obciążenie złoża
ładunkiem zanieczyszczeń
[g BZT
5
/m
3
*d]
Obciążenie ładunkiem
zanieczyszczeń
powierzchni tarcz
[g BZT
5
/m
2
*d]
Czas zatrzymania w
reaktorze ZT
[h]
5. Uwagi dodatkowe
Zaliczenie ćwiczenia:
-
Sekcje 2-3 osobowe przygotowują 1 sprawozdanie
UWAGA!
Terminy oddania sprawozdania: 2 tygodnie od daty wykonanego ćwiczenia!!!
6. Literatura
1. „Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 (Dz.U.06.137.984.) w sprawie
warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w
sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego.
2. „Biotechnologia ścieków” - praca zbiorowa pod redakcją Korneliusza Mikscha;
wydawnictwo Politechniki Śląskiej; Gliwice 2000 r.
3.„Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków” – praca zbiorowa pod redakcją Z.
Dymaczewskiego, J. Oleszkiewicza, M Sozańskiego ; Poznań 1997 r.
4. Rosik-Dulewska Cz.: Podstawy gospodarki odpadami. Wydawnictwo Ekoinżynieria,
Lublin 1999
7
6. Pytania kontrolne:
1. Na czym polega oczyszczanie ścieków w systemach złóż biologicznych?
2. Jaki wpływ ma pH i temperatura na proces oczyszczania?
3. Jakie charakterystyczne strefy „saprobów” można zauważyć zgodnie z kierunkiem przepływu
ścieków na złożach biologicznych?
4. Wymień różnice między oczyszczaniem metodą osadu czynnego a metodami złóż biologicznych.
5. Opisz sposób pobierania pokarmu i tlenu przez mikroorganizmy immobolizowane na suporcie
złoża tarczowego.
6. Co to jest błona biologiczna?
7. Dlaczego w procesach biologicznego oczyszczania ścieków miejskich wykorzystuje się zawsze
mieszane populacje mikroorganizmów?
8. Na czym polega proces denitryfikacji?
Załącznik 1
Zestawienie stosowanych obciążeń, wysokości i efektów oczyszczania na złożach biologicznych
Suplement
Biofilmy tworzą się naturalnie, najczęściej w wilgotnych i niesterylnych
środowiskach. Ich powstawanie jest odpowiedzią bakterii na warunki środowiska,
umożliwiającą przeżycie. Zastosowanie laserowego skaningowego mikroskopu konfokalnego
w badaniach nad strukturą błon biologicznych, pozwoliło na stwierdzenie, że drobnoustroje
tworzą w biofilmie małe kolonie, które zajmują łącznie mniej niż trzydzieści procent jego
ogólnej objętości. Pozostałą część stanowią substancje wydzielane przez te komórki na
zewnątrz - tzw. egzopolimery (EPS, extracellular polymeric substances), które tworzą
macierz pozakomórkową (glikokaliks).
Zwykle więc błony biologiczne składają się z bardzo dużej liczby mikrokolonii,
oddzielonych od siebie siecią kanalików, przez które dostarczane są składniki pokarmowe i
8
usuwane produkty przemiany materii. W głębszych warstwach biofilmu system ten nie
funkcjonuje już sprawnie, co powoduje różnicowanie się komórek w biofilmie. Ponadto,
drobnoustroje wchodzące w skład błon biologicznych, wytwarzają cząsteczki sygnałowe w
rodzaju feromonów i hormonów zwierzęcych. Dzięki temu tworzą się kolonie o różnorodnej
strukturze i funkcjach. W ten sposób biofilm zaczyna funkcjonować jako prymitywny
organizm wielokomórkowy (rys.1).
Rys. 1 Współpracujące ze sobą kolonie i konsorcja bakterii i innych mikroorganizmów w
biofilmie [Dreeszen, 2003].
Powstawanie biofilmu bakteryjnego składa się z trzech etapów:
I.
Adhezja pojedynczych komórek do powierzchni.
II.
Powstawanie mikrokolonii i różnicowanie populacji bakterii.
III.
Powstanie dojrzałej formy biofilmu.
Trwałość powstającego biofilmu potęgowana jest przez pobieranie jonów wapnia z
otaczającego medium, dzięki czemu następuje sieciowanie polisacharydów. Komórki danego
gatunku w biofilmie odczuwają swoją gęstość i odpowiednio do niej regulują aktywność
metaboliczną.
Rys. 2 Tworzenie się biofilmu