Politechnika Warszawska

Wydział Inżynierii Środowiska

Laboratorium z technologii oczyszczania ścieków

Temat ćwiczenia:

Oczyszczenie ścieków metodą osadu czynnego

Wykonali:

Marcin Godlewski

Kamil Jabłoński

Ewa Jadczak

Agnieszka Lasota

Grupa ISiW 1, zespół 6

1. Wstęp teoretyczny

Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego ma bardzo dużą skuteczność, dlatego jest ona powszechnie stosowana. Proces ten przebiega jak proces samooczyszczania się wód, jednak w sztucznych warunkach jest on znacznie przyspieszony. Uzyskuje się to dzięki zgromadzeniu ogromnej liczby mikroorganizmów w niewielkiej objętości.

Właśnie ten zespół mikroorganizmów tlenowych (m.in. bakterii heterotroficznych, grzybów, pierwotniaków, wrotków), które podczas długotrwałego napowietrzania ścieków tworzą się samorzutnie w postaci kłaczkowatej zawiesiny, tworzą osad czynny.

W pierwszej fazie biologicznego oczyszczania ścieków, zostaje utleniona część związków organicznych (równocześnie tworzą się nowe komórki) w celu uzyskania energii.

W drugiej fazie, za pomocą wydzielających się naturalnych związków spolimeryzowanych, bakterie łączą się w kłaczki, które łatwo opadają. Ta faza trwa znacznie dłużej.

Ten proces oczyszczania ścieków polega na adsorpcji i rozkładzie zanieczyszczeń organicznych (przez mikroorganizmy) podczas napowietrzania w komorach napowietrzania. W osadnikach wtórnych następuje oddzielenie osadu czynnego od oczyszczonych ścieków, a osad ten jest ponownie zawracany do komór napowietrzania.

1. Cel ćwiczenia

Celem badań jest kontrola efektu oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego z uwzględnieniem warunków pracy tego osadu. Uwzględnialiśmy następujące parametry:

• indeks osadu,

• stężenie osadu czynnego,

• oznaczenie czasu napowietrzania ścieków,

• obciążenie osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń organicznych,

• obciążenie komory osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń organicznych,

1. Zakres ćwiczenia

Zakres badań obejmował wykonanie analizy fizyko – chemicznej na ściekach dopływających i odpływających z komory, tj.

• oznaczenie odczynu pH,

• oznaczenie ChZT,

• oznaczenie zasadowości,

• oznaczenie zawartości azotu azotanowego,

• oznaczenie zawartości azotu azotynowego,

• oznaczenie zawartości azotu amonowego.

1. Metodyka

W celu oznaczenia indeksu osadu pobrano próbkę zawartości komory do cylindra miarowego o pojemności 100 cm³ i pozostawiono na 30 minut, (aby osad zsedymentował). Po upływie czasu zanotowano objętość osadu V_os30 w ml i całość przeniesiono ilościowo na zważony sączek. Sączek ten umieszczono w suszarce laboratoryjnej na około 2 godziny, a następnie w eksykatorze i zważono, otrzymując wagę sączka wraz z osadem.

Aby oznaczyć czas napowietrzania, zanotowano objętość komory, a następnie oznaczono przepływ średni (wykonano 3 pomiary) za pomocą cylindra miarowego i stopera.

1. Wyniki

Objętość osadu w 100 ml po 30 min sedymentacji: V_os30=19 ml

Masa suchego sączka: m_s = 0,7610 g

Masa sączka osadem: m_s+o = 1,0166 g

Masa osadu:

G = m_s+o – m_s = 1,0166 – 0,7610 = 0,2556 g

Indeks osadu obliczono ze wzoru:

$\text{IO} = \frac{V_{\text{os}\ 30}}{G} = \frac{19}{0,2556} =$ 76,3349 ml/g

Stężenie osadu czynnego:

Objętość komory osadu czynnego: V = 10 l

100 ml – 0,2556 [g s.m.]

1l - 2,556 [g s.m.]

C = 2,556 [kg. s. m./m³]

Obciążenie osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń organicznych

Objętość komory osadu czynnego: V_K = 10 l = 0,01m³

Przepływ średni: Q = 0,08294 cm³/s = 0,007167 [m³/d]

C_ChZT = 0,432[kg. ChZT/m³]

C_os = 2,556 [kg. s. m./m³]

$$A_{\text{os}} = \frac{L_{Ch\text{ZT}}}{G} = \frac{L_{Ch\text{ZT}}}{C_{\text{os}}*V_{k}}\ \left\lbrack \frac{\text{kg}\ Ch\text{ZT}}{\text{kg}\ s.m*.d} \right\rbrack$$

$$L_{Ch\text{ZT}} = C_{Ch\text{ZT}}*Q = 0,432*0,007167 = 3,096*10^{- 3}\frac{\text{kg}\ s.m.}{d}$$

$$A_{\text{os}} = \frac{3,096*10^{- 3}}{2,556*0,01} = 0,1211\ \left\lbrack \frac{\text{kg}\ Ch\text{ZT}}{\text{kg}\ s.m*.d} \right\rbrack$$

Czas napowietrzania ścieków z osadem czynnym obliczono z zależności:

$t = \frac{V}{Q} = \frac{10}{0,298584} =$ 33,49 h

gdzie:

V_k – objętość komory napowietrzania [l]

Q – średni przepływ [l/h]

Obciążenie komory napowietrzania ładunkiem zanieczyszczeń organicznych:

$$A = \frac{L_{Ch\text{ZT}}}{V_{k}} = \frac{3,096*10^{- 3}}{0,01} = 0,310\ \left\lbrack \frac{\text{kg}\ Ch\text{ZT}}{m^{3}*d} \right\rbrack$$

Zestawienie parametrów technologicznych laboratoryjnego modelu komory napowietrzania

Parametry	Jednostki	Wyniki
Stężenie osadu czynnego	[kg s.m./m^3]	0,002556
Indeks osadu	[ml/g s.m]	76,3349
Obciążenie komory	[kgChZT/m^3d]	0,310
Obciążenie osadu czynnego	[kgChZT/kg s.m.d]	0,1211
Czas napowietrzania	[h]	33,49

Tabela zbiorcza efektów oczyszczania ścieków osadem czynnym

Wskaźnik	Ścieki surowe	Ścieki oczyszczone	Redukcja
ChZT [mgO2/l]	432,0	43,2	90 %
N-NH4^+ [mgN/l]	40,5	1,24	-
N-NO2^- [mgN/l]	0,1	0,07	-
N-NO3^- [mgN/l]	0,03	30,0	-
zasadowość [mval/l]	6,6	0,6	-
pH	6,26	5,96	-
Norg [mg/l]	20	0,5	-

Azot ogólny w ściekach surowych:

Nog = N-NH₄⁺ + N-NO₂^- + N-NO₃^- + N_org = 40,5 + 0,1 + 0,03 + 20,0 = 60,63 mgN/l

Azot ogólny w ściekach oczyszczonych:

Nog = N-NH₄⁺ + N-NO₂^- + N-NO₃^- + N_org = 1,24 + 0,07 + 30,0 + 0,5 = 31,81 mgN/l

Redukcja azotu ogólnego: 47,53 %

Bilans azotu:

Amonifikacja:

$$W_{\text{amon}} = N_{\text{org}} = 20\ \frac{\text{Norg}}{l}$$

Nitryfikacja:

$$W_{\text{nitr}} = \left( N - \text{NH}_{4}^{+} + W_{\text{amon}} \right) - N - \text{NH}_{4}^{+} = \left( 40,5 + 20 \right) - 1,2 = 59,26\ \frac{\text{mgN} - \text{NO}_{x}}{l}$$

Denitryfikacja:

$$N - \text{NO}_{x} = 0,07 + 30,0 - \left( 0,1 + 0,03 \right) = 29,94\ \frac{\text{mgN} - \text{NO}_{x}}{l}$$

$$W_{\text{den}} = W_{\text{nitr}} - N - \text{NO}_{x} = 59,26 - 29,94 = 29,32\ \frac{\text{mgN}}{l}$$

1. Omówienie wyników

Zachodzące procesy:

Na podstawie otrzymanych wyników, zaobserwowaliśmy spadek wartości ChZT w ściekach oczyszczonych. Świadczy to o tym, że w urządzeniu zaszło utlenienie związków organicznych do wody i dwutlenku węgla przez bakterie heterotroficzne.

Zaobserwowaliśmy również duży spadek stężenia azotu amonowego, co świadczy o zajściu procesu nitryfikacji. W tym procesie, z azotu amonowego powstają azotyny i azotany. Widzimy, że z jednoczesnym spadkiem stężenia azotu amonowego, wzrosło stężenie azotanów N-NO₃^-. Nie zaobserwowaliśmy jednak azotynów w ściekach oczyszczonych. Świadczy to o tym, że proces nitryfikacji nie zatrzymał się na pierwszym stopniu, gdyż azot NO₂^- produkowany przez bakterie nitryfikacyjne I-go stopnia, od razu był konsumowany przez bakterie nitryfikacyjne II-go stopnia, które produkowały azot NO₃^-.

Zaobserwowaliśmy także znaczy spadek zasadowości w ściekach oczyszczonych. Zasadowość to zawartość w ściekach kwaśnych węglanów (HCO₃^-). Te kwaśne węglany są źródłem węgla mineralnego, którego potrzebują bakterie autotroficzne. Baterie nitryfikacyjne wykorzystują ten węgiel mineralny jako źródło węgla do przeprowadzania procesu nitryfikacji. Zatem zaobserwowany przez nas spadek zasadowości jest potwierdzeniem zajścia procesu nitryfikacji.

Badanie zasadowości jest ważne, ponieważ, jak widzimy zasadowość w ściekach oczyszczonych spadła aż do 0,6 mval/l, gdyby było więcej amoniaku w ściekach surowych, to nitryfikacja mogłaby nie zachodzić ze względu na zbyt małą zasadowość, a co za tym idzie zbyt mała ilość węgla mineralnego.

Po przeprowadzeniu oczyszczania ścieków zaobserwowano spadek wartości ChZT z 432,0 do 43,2 mg mgO₂/l, co stanowi redukcję w wysokości 90 % tego wskaźnika. Porównując wynik Rozporządzeniem Ministra Środowiska, można stwierdzić, że mieści się on w granicy dopuszczalnych wielkości dla każdej z wymienionych wielkości oczyszczalni.

1. Wnioski

W badanym urządzeniu zaobserwowano wysoką sprawność procesu nitryfikacji.

Badany osad czynny w komorze zapewniał również sprawne usuwanie związków organicznych.

Według Rozporządzenia Ministra Środowiska wartość dopuszczalna ChZT w ściekach odprowadzanych wynosi 150 mgO₂/l dla oczyszczalni poniżej 2000 RLM i 125 mgO₂/l lub 75% redukcji dla oczyszczalni powyżej 2000 RLM. Ścieki oczyszczone poprzez badany osad czynny mają wartość ChZT 43,2 mgO₂/l i 90% redukcji, co oznacza że spełniają wymogi dla każdej z oczyszczalni.

Natomiast porównując zawartość azotu ogólnego, (którego wartość dopuszczalna wynosi 30 mgN/l dla oczyszczalni do 2000 RLM, 15 mgN/l dla oczyszczalni między 2000 a 99999 RLM i 10 mgN/l dla oczyszczalni powyżej 100000 RLM) z wartością otrzymanego azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych, widzimy, że nie spełnia on żadnego z tych wymogów. Również redukcja azotu ogólnego wynosząca 47,53% nie mieści się w dopuszczalnym zakresie 80% dla oczyszczalni między 15000 a 99999 RLM ani 85% dla oczyszczalnie 10000 i powyżej.

Dlatego ścieki oczyszczone tym sposobem muszą zostać poddane jeszcze innym procesom mającym na celu usunięcie nadmiernej ilości azotu.