Wiadomości wstępne
Efekt oczyszczania ścieków osadem czynnym określa na ogół stopień redukcji w ściekach wskaźnika BZT5, który wyrażany jest wzorem:
Gdzie:
- η – wielkość bezwymiarowa
- Sp – początkowa wartość BZT5 ścieków doprowadzonych do komory w kg O2/m3
- Sk – końcowa wartość BZT5
Dla wartości parametru η > 0,8 mówimy o pełnym biologicznym oczyszczaniu ścieków. Natomiast przy wartościach η = 0,3 do 0,8, o częściowym oczyszczaniu biologicznym. Na stopień oczyszczania biologicznego ścieków metodą osadu czynnego ma wpływ szereg parametrów procesowych, takich jak:
- obciążenie masy osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń organicznych
- obciążenie objętości komór osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń organicznych
- stopień stężenia osadu czynnego w komorze napowietrzania
- czas napowietrzania ścieków w komorze
- przyrost osadu czynnego
- wiek osadu czynnego
- indeks osadu czynnego
- stopień natlenienia komory osadu czynnego
- intensywność mieszania osadu czynnego
- stopień zanieczyszczenia ścieków doprowadzonych do komory osadu czynnego
- nierównomierność obciążenia komór w ciągu doby
Charakterystyka powyższych parametrów zostanie przedstawiona na podstawie literatury ([1] Kanalizacja, cz.2 Oczyszczanie ścieków – Marek Roman), a także skryptu [2]wydanego dla studentów Wydziału Ochrony Wód i Rybactwa Śródlądowego z 1997 r autorstwa Doroty Stachowiak i Ireny Wojnowskiej-Baryły.
Obciążenie masy osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń organicznych
Określa ilość zanieczyszczeń biologicznych zawartych w ściekach w kg BZT5 na dobę, przypadającą na 1 kg suchej masy osadu i może być wyrażone za pomocą ilorazu:
rx = L/G
gdzie:
- L – dobowy ładunek zanieczyszczeń doprowadzony do komory osadu czynnego wyrażony w kg lub gramach BZT5
- G – sucha masa osadu czynnego zawartego w komorze w kg
Wzór powyższy możemy też zapisać w bardziej precyzyjnej formie, jako:
gdzie:
- Sp – początkowe stężenie BZT5 ścieków dopływających do komory g O2/m3
- q – strumień dopływających ścieków w ciągu doby w m3/d
- V – objętość komory osadu czynnego w m3
- X – stężenie zawiesin osadu czynnego w komorze w g/m3
Według [1], w zależności od prowadzonego procesu, stosunek ten waha się pomiędzy 0,2 do 11 kg BZT5/kg·d, przy czym przy wartościach 0,2 i niższych, nalezy spodziewać się pełnego oczyszczania łącznie z nitryfikacją. Przy wartościach > 0,5 dochodzi zwykle do częściowego oczyszczania ścieków.
Obciążenie objętości komór osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń organicznych
Podawanie obciążenia komory w odniesieniu do masy kłaczków osadu czynnego jest trudne, bez szczegółowej analizy zawartości komory (badań laboratoryjnych osadu). W praktyce możemy podać obciążenie komór w odniesieniu do ich objętości czynnej, podawanej w m3. Nazwijmy ten parametr symbolem rv i wyraźmy w kg BZT5/m3·d.
gdzie:
- Sp i q – jw.
- V – objętość czynna komory osadu czynnego wyrażana w m3,
Wartość rv według[1], w zależności od sposobu prowadzenia procesu może wynosić od 0,13 do 12 kg BZT5/m3·d
Stopień stężenia osadu czynnego w komorze napowietrzania
Określa stosunek suchej masy osadu czynnego przypadającej na 1m3 objętości komory. W komorze aeracji stężenie osadu czynnego powinno mieścić się w granicach 0,5 do 7 kg suchej masy na m3 objętości komory. W szczególnych przypadkach dopuszcza się stężenie do 10 kg/m3.
Czas napowietrzania ścieków w komorze
Wyrażany jest symbolem T i określa ilość godzin przebywania ścieków w komorze osadu czynnego. W praktyce czas ten wyznacza się dzieląc objętość komory przez objętość dopływających ścieków surowych wyrażoną w m3/h. Stąd:
gdzie:
- V – objętość komory osadu czynnego w m3
- Qh – strumień ścieków surowych w m3/h
Jeśli przepływ ścieków zostanie wyrażony w m3/d to wzór powyższy przyjmie postać:
gdzie q – dobowy strumień ścieków w m3/d
a po uwzględnieniu cyrkulacji części osadu w osadnika wtórnego:
gdzie qr – strumień osadu recyrkulowanego w m3/d
Czas przetrzymania osadu w komorze napowietrzania można też wyznaczyć z zależności uwzględniającej obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń. W tym wypadku wzór przyjmie postać:
gdzie:
- Sp – stężenie zanieczyszczeń w ściekach dopływających do komory w g O2/m3,
- X – stężenie zawiesin osadu czynnego w komorze w g/m3
- rx – obciążenie osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń w g BZT5/g·d
Czas napowietrzania może się bardzo różnić, w zależności od technologii prowadzenia procesu i wynosi od 0,3 do 72 h.
Przyrost osadu czynnego
Związany jest ze stałym rozwojem części osadu czynnego w której występują żywe mikroorganizmy. Przyrost osadu w komorze powoduje powstanie tzw. osadu nadmiernego, który musi być następnie usuwany z komory wraz z przepływającymi ściekami i osadzany następnie w osadnikach wtórnych. Przyrost osadu wyrażany jest w kg osadu nadmiernego na kg usuniętego ze ścieków BZT5. Wartość ta waha się [2] od 0,15 do 0,75 kg/kg usuniętego BZT5. Mniejsze wartości należy przyjmować dla osadu o przedłużonym czasie napowietrzania, dla układów konwencjonalnych 0,55, a dla dużych obciążeń ładunkiem zanieczyszczeń wartości 0,75 i większe.
gdzie:
- ΔX – przyrost biomasy osadu czynnego w g/g BZT5 lub w kg/kg BZT5
- y – współczynnik przyrostu biomasy (jednostka jw.) w układach ze stopniem mechanicznym 0,5 g/g BZT5,
- Sp, Sk – stężenie zanieczyszczeń w ściekach dopływających i odpływających z komory w g O2/m3,
- q – natężenie przepływu ścieków m3/d,
- kd – współczynnik autolizy równy 0,05/d
- X0 – zawartość w kłaczkach osadu części organicznych przyjmowane jako 75% całkowitej masy osadu 0,75X, w g/m3 osadu
- V – objętość komory osadu czynnego w m3,
Przyrost osadu czynnego można tez wyliczyć z innego wzoru, wykorzystującego rzeczywisty współczynnik przyrostu osadu czynnego:
gdzie:
- yobs – rzeczywisty współczynnik przyrostu osadu czynnego obliczany z osobnego wzoru
gdzie:
- y – współczynnik przyrostu biomasy w g/g BZT5,
- kd – współczynnik autolizy równy 0,05/d
- θ – wiek osadu w dobach (omówiony w dalszej części)
Indeks osadowy
To parametr określający zdolność osadu do jego sedymentacji. Określany jest w tzw. leju Imhoffa, gdzie poddaje się analizie 1 litr objętości osadu po upływie 30 minutowego zagęszczania. Pod wpływem zagęszczania osad opada na dno leja, a nad nim tworzy się warstwa klarownej cieczy nadosadowej. Indeks oblicza się dzieląc objętość zagęszczonego osadu, przez masę suchego osadu znajdującego się w leju i podaje w cm3/g osadu. Prawidłowe wartości indeksu osadowego powinny się mieścić w granicach 30 do 150 cm3/g suchej masy osadu. Zbyt duże wartości indeksu traktowane są jako problem pęcznienia osadu i utrudniają jego późniejszą sedymentację.
Znając indeks osadowy można obliczyć stężenie zawiesin osadu recyrkulowanego z zależności:
gdzie:
- B – stopień zagęszczenia osadu przyjmowany zwykle 1,2
- Io – indeks osadowy w cm3/g
A następnie wyliczyć stopień recyrkulacji osadu ze wzoru:
Wiek osadu czynnego
Według Imhoffa parametr ten określa szybkość wymiany osadu czynnego w komorze i podawany jest w dobach. Obliczenie tego parametru można wykonać dzieląc całkowitą masę osadu przebywającego w komorze aeracji, przez masę usuwanego z niej codziennie osadu nadmiernego. W zależności od prowadzonego procesu wiek osadu waha się od 0,2 do 90 dni.
Obliczenie wieku osadu czynnego w dobach przeprowadzamy ze wzoru:
lub
gdzie:
- V – objętość komory napowietrzania w m3,
- X – zawartość zawiesin w komorze napowietrzania w g/m3,
- qw – natężenie przepływu osadu nadmiernego m3/d
- q – natężenie przepływu ścieków dopływających do komory m3/d
- Xu – stężenie zawiesin w osadzie recyrkulowanym g/m3
- Xk – stężenie zawiesin w ściekach odpływających g/m3
- X0 = 0,75X
Zapotrzebowanie tlenu w komorze
Określa ilość doprowadzonego do komór powietrza w ciągu doby, a ściślej – jego zapotrzebowanie na utlenienie zanieczyszczeń organicznych i oznaczane jest symbolem OC (oxygenation capasity). W komorze osadu czynnego tlen pełni kilka ról, jest substratem do reakcji utleniania związków organicznych, pęcherzyki powietrza pełnią też rolę mieszania zawartości komory. Całkowita ilość powietrza wprowadzana do komory w ciągu doby powinna równoważyć jego zapotrzebowanie na oddychanie pokarmowe, endogenne, a także na procesy nitryfikacyjne. Według literatury [2] obliczanie zapotrzebowania na tlen przeprowadza się następująco:
1. zapotrzebowanie na oddychanie pokarmowe
gdzie:
- y’ – współczynnik oddychania substratowego równy 0,5 g O2/g BZT5,
- Sp, Sk – stężenie zanieczyszczeń w ściekach dopływających i odpływających z komory w g O2/m3,
- q – natężenie przepływu ścieków m3/d,
2. Zapotrzebowanie tlenu na procesy nitryfikacyjne
gdzie: QNutl – ładunek utlenionego w komorze azotu amonowego w kg/d
3. Zapotrzebowanie tlenu na procesy oddychania endogennego
gdzie:
- k’ – współczynnik oddychania endogennego przyjmowany w wysokości 0,1g O2/(g·d)
- Xo – 0,75X w g/m3,
- V – objętość komory w m3,
Intensywność mieszania komory osadu czynnego
Parametr ten nie ma swojego wzoru obliczeniowego. Przy prawidłowo zaprojektowanej i działającej komorze, kłaczki osadu powinny cały czas przebywać w stanie zawieszenia, aby miały kontakt z jak największą ilością przepływających ścieków. Mieszanie przeprowadza się doprowadzanym do komory powietrzem, jak też mechanicznie. Jeśli stopień natlenienia komory jest wystarczający, a mimo to dochodzi do sedymentacji kłaczków, intensyfikuje się proces mieszania przez wprowadzanie dodatkowych urządzeń.
Stopień zanieczyszczenia ścieków doprowadzonych do komory osadu czynnego
Zanieczyszczenia zawarte w ściekach wyrażane są ich ładunkiem BZT5 lub CHZT. Im większa ilość doprowadzanych ze ściekami zanieczyszczeń tym gorszy, końcowy efekt oczyszczania, przy tej samej intensyfikacji procesu. Niektóre zanieczyszczenia mogą mieć też toksyczny wpływ na kłaczki osadu (np. metale ciężkie, w szczególności chrom, kadm, arsen). Z kolei zbyt mała zawartość w ściekach zanieczyszczeń biologicznych, stanowiących pożywkę dla mikroorganizmów (fosfor, azot), może ujemnie wpływać na wzrost kłaczków.
Wpływ na proces oczyszczania ścieków osadem czynnym ma też ich temperatura i pH. W zimie proces jest wyraźnie spowolniony, podczas gdy w lecie przyspiesza, znajdując optimum w temperaturze 30°C. Dalszy wzrost temperatury nie jest już korzystny i na ogół pogarsza efekt końcowy oczyszczania. Z kolei pH ścieków winno się zawierać między 5-9, z optymalnym zakresem 6-8.
Nierównomierność obciążenia komór w ciągu doby
Każda oczyszczalnia ścieków komunalnych musi się liczyć ze znacznym wahaniem ich ilości w ciągu doby. Idzie za tym duża zmienność obciążenia komór osadu czynnego ładunkiem BZT5, co pogarsza efekt oczyszczania. Przepustowość komór jest zawsze ściśle określona przy projektowanym końcowym efekcie oczyszczania. Istotnym problemem jest np. gwałtowny wzrost przepływu ścieków w czasie silnych opadów. W początkowej ich fazie do oczyszczalni potrafią dopływać duże ładunki zanieczyszczeń chemicznych, bardzo niekorzystnie wpływających na osad czynny (np. spłukane z ulic węglowodory). W dalszej fazie trwania deszczu pojawia się z kolei bardzo niski ładunek zanieczyszczeń biologicznych, wywołany znacznym rozcieńczeniem ścieków sanitarnych. Sytuacja taka ma miejsce w sieciach komunalnych ogólnospławnych, jak i półrozdzielczych.
Innym problemem mogą być okresowe zrzuty do oczyszczalni ścieków przemysłowych, poprocesowych. Ich ładunek zanieczyszczeń może znacznie przekraczać dopuszczalne procesem normy.