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
surowe

ścieki
oczyszczone

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

Metody biotechnologii w ochronie środowiska

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

IO =

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

schemat 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

SC

AS

X

V

X

R

Q

W

WS

RS

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:

HRT

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 · X

K

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 · X

K

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

θ

·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

ęż

en

ie

Reaktor pełnego wymieszania (continuous stirred reactor)

S

o

S

e

st

ęż

en

ie

czas

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

ęż

en

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

0,15

nitryfikacja

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
zatrzymania
ścieków i duża
powierzchnia

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