1 Utlenianie biologiczneWykład 5 Utlenianie biologiczne Procesy Oczyszczania Cieczy 2

2 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneOczyszczanie cieczy metodami biologicznymi polega na rozkładzie zanieczyszczeń w procesach biologicznego utleniania , tzn. przy dominującym udziale mikroorganizmów. Podstawą technicznej realizacji biologicznego rozkładu zanieczyszczeń organicznych jest proces samooczyszczenia się wód. Wprowadzenie do wody zanieczyszczeń organicznych zdolnych do rozkładu powoduje zakłócenie równowagi, bakterie mając dużo pożywienia namnażają się bardzo intensywnie. Bakterie te przy rozkładzie substancji organicznych zużywają rozpuszczony w wodzie tlen co może doprowadzić do odtlenienia wody. Namnażanie bakterii trwa tak długo jak długo dostępny jest pokarm. Pokarm przekształcany jest w biomasę, produkty pośrednie, CO2 H2O i NH3 Procesy Oczyszczania Cieczy 2

3 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneKażdy gatunek posiada własną strategię, generalnie mówi się jednak o dwóch typach (R i K). Gatunki zaliczane do strategii R cechują się wydawaniem licznego potomstwa, ale także dużą umieralnością wśród osobników młodych. Tak więc wieku produkcyjnego dożywa zaledwie niewielki procent najsilniejszych jednostek. Tą strategią charakteryzuje się większość zwierząt takich jak owady, ryby, czy płazy – bakterie. Strategia K opiera się na małej liczbie potomstwa, ale obszernej opiece nad nim. Większość młodych osobników dożywa wieku produkcyjnego i wydaje na świat kolejne pokolenia. Tą strategią charakteryzują się przede wszystkim ptaki i ssaki. K R Procesy Oczyszczania Cieczy 2

4 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneW wodach bakterie to grupa R. (ilość zależy od ilości pożywienia). Namnażanie bakterii trwa tak długo jak długo dostępny jest pokarm. Pokarm przekształcany jest w biomasę, produkty pośrednie, CO2 H2O i NH3. W układzie szybko osiągany jest stan w którym jest dużo bakterii a mało pożywienia. Zostaje zakłócona równowaga środowiska wodnego. R – stratedzy sami są zakłóceniem. I etap zmian biocenozy – I etap sukcesji ekologicznej. W następnym II etapie zachodzi eliminacja bakterii. Nie znajdując pożywienia utleniają substancje własnego organizmu zużywając rozpuszczony tlen. Jest to etap zwany oddychaniem endogennym. Bakterie eliminowane są przez inne organizmy obecne w wodzie które też zużywają rozpuszczony tlen (orzęski, pierwotniaki, ameby) III etap zmian ekologicznych w biocenozie charakteryzuje się występowaniem bakterii nitryfikacyjnych. Zużywają one amoniak powstały przy rozkładzie białek. Bakterie typu Nitrosomonas z azotu amonowego wytwarzają azotyny które utlenianie są przez bakterie z rodzaju Nitrobacter do azotanów. W obu przypadkach zużywany jest tlen. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

5 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneUtlenianie endogenne nitryfikacja III etap BZT II etap I etap Największe zużycie tlenu ( wzrost wykładniczy) Procesy Oczyszczania Cieczy 2

6 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneW aspekcie biodegradowalności rozpuszczone substancje zanieczyszczają ce dzieli się na: łatwo biodegradowalne Trudno rozkładalne Nieulegające biodegradacji  utlenianie chemiczne Ad1) łatwo biodegradowalne: węglowodany i białka. Węglowodany ulegają biodegradacji już w kanałach ściekowych. Utlenianie biologiczne w oczyszczaniu ścieków skupia się na eliminacji aminokwasów, kwasów tłuszczowych i amoniaku  powstałych z rozpadu białek i tłuszczów. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

7 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneBiologiczne oczyszczanie ścieków możne być realizowane w warunkach: Naturalnych  proces zachodzi w rzekach, jeziorach i morzach, samooczyszczenie. Półnaturalnych  naturalne środowisko wodne jest przekształcone przy użyciu środków technicznych do przyjęcia dużej porcji zanieczyszczeń. Jest to realizowane w postaci: stawów ściekowych ( stawy rybne) i urządzeń glebowo – gruntowych (pola irygowane, rowy filtracyjne, filtry gruntowe) Sztucznych w urządzeniach technicznych uzyskuje się wielokrotne zintensyfikowanie biochemicznych procesów rozkładu. Intensyfikacja osiągana jest przez: a) zwiększenie ilości mikroorganizmów b) zwiększenie dostępności tlenu rozpuszczonego w wodzie. Ad a) g. s. m. /dm3 (gramy suchej masy na litr) 0,1 w warunkach normalnych w urządzeniach Sztucznych 10 gsm/dm3 Ad b) sztuczne mechaniczne napowietrzanie wody Procesy Oczyszczania Cieczy 2

8 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneBiologiczne oczyszczanie ścieków ( utlenianie biologiczne) realizuje się w dwóch grupach rozwiązań technologicznych (warunki sztuczne): Złoże biologiczne Metoda osadu czynnego Złoża biologiczne to reaktory biochemiczne z biocenozą unieruchomioną, służące do tlenowego rozkładu zanieczyszczeń w ściekach. W złożach mikroorganizmy osadzone są na stałym podłożu, tworząc śluzowatą błonkę biologiczną. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

9 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneNa powierzchni ciała stałego rozwija się błona zawierająca bakterie, pierwotniaki i zwierzęta o wyższej formie życia. Bakterie zasiedlające błonę biologiczną to bakterie należące głównie do rodzajów: Pseudomonas, Zoogloea, Chromobacter, Nitrosomonas, Nitrobacter. Pierwotniaki i organizmy żywiące się bakteriami to: wrotki, orzęski i ameby wrotki orzęski ameby Procesy Oczyszczania Cieczy 2

10 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneZwierzęta wyższe to: nicienie, robaki, larwy owadów i muszki nicień Procesy Oczyszczania Cieczy 2

11 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneBłona biologiczna w normalnych warunkach ma grubość 2 – 3 mm ale z upływem czasu jej grubość rośnie i może dojść do stanu w którym tlen nie dociera do głębszych warstw błonki. Bezpośrednio na powierzchni ciała stałego powstaje warstwa anaerobowa. Warstwa ta jest słabo związana z powierzchnią i może dość do oderwania i wypłukania błony ze złoża. Fragmenty błony biologicznej są separowane od strumienia ścieków w osadniku wtórnym i dołączane do głównego strumienia osadów ściekowych. Z tego powodu złoża biologiczne są reaktorami otwartymi, bo biomasa nie jest zawracana do bioreaktora. Na powierzchni materiału tworzy się nowa błona biologiczna Procesy Oczyszczania Cieczy 2

12 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneOczyszczanie ścieków zachodzi w kilku etapach: 1) Sorpcja zanieczyszczeń na powierzchni błony biologicznej 2) Mikroorganizmy zasiedlające błonkę wykorzystują tlen i substancje zaadsorbowane w wodzie. 3) Do powietrza transportowane są produkty przemiany materii CO2 a do ścieków inne produkty rozkładu. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

13 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneZależnie od sposobu realizacji kontaktu ścieków z unieruchomioną błona biologiczną wyróżnia się: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

14 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneObecnie najważniejszą rolę spełniają złoża zraszane strumieniem ścieków. Na efekt działania złoża biologicznego mają wpływ: 1) Obciążenie złoża ładunkiem zanieczyszczeń. W = BZT5 (mg O2/dm3) na jednostkę objętości złoża i dzień. (biologiczne zapotrzebowanie na tlen). 2) Prędkość pozorna przepływu cieczy (tzw. obciążenie hydrauliczne powierzchni) q [m3/(m2*h)] 3) Stężenie i właściwości zanieczyszczeń zawartych w oczyszczanej cieczy. 4) Temperatura panująca w złożu. 5) Rodzaj wypełnienia. a [m2/m3] jego powierzchnia właściwa. 6) Konstrukcja złoża, w tym wysokość H i sposób rozprowadzenia cieczy oraz warunki napowietrzania. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

15 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneAd. 1) W (kg BZT/ m3 złoża * dzień) – ilość aktywnych mikroorganizmów w złożu jest stała. Aktywna warstwa błony biologicznej wynosi ok. 0,2 mm stąd 1 m2 błony 0,2 kg aktywnej błony. ( gęstość wody 1000 kg/m3) . Błona w 97 % składa się z wody , stąd suchej masy 1 m2 błony to 0,006 kg = 6 gramów. Typowe złoże ma 100 m2/m3 powierzchni więc w jednym m3 złoża jest 0,6 kg suchej masy mikroorganizmów. Przy obciążeniu złoża 0,2 kg BZT / m3 *dzień obciążenie mikroorganizmów zanieczyszczeniami wynosi: 0,2/0,6 kg BZT / kg s. m. = 0,33 kg BZT/kg s. m. Ad. 2) qV [m3/ m3 *h ] – obciążenie hydrauliczne objętości złoża. Górna wartość określona jest przez zalewanie złoża (brak dostępu powietrza). Dolna granica powinna zapewniać całkowite zwilżenie złoża. Jeżeli jest za mały strumień to można recyrkulować strumień oczyszczony. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

16 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneProcesy Oczyszczania Cieczy 2

17 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneSpłukiwanie złoża zapobiega jego zarastaniu, które nastąpiło by w wyniku przyrostu grubości błony biologicznej co prowadziło by do powstawania warstwy anaerobowej. W okresie zmniejszonego natężenia strumienia ścieków ( w nocy dla ścieków komunalnych) trzeba stosować spłukiwanie z recyrkulacją części oczyszczonych ścieków : Lub w układzie z drugą parą złoże – osadnik w cyklu przemiennym: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

18 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneUrządzenia do realizacji utleniania biologicznego w złożach biologicznych składają się z : Wypełnienia ziarnistego Obudowy złoża Dna i urządzeń drenażowych Wypełnienie powinno być nie nasiąkliwe i odporne chemicznie i mechanicznie, tradycyjnymi wypełnieniami są: Tłuczeń granitowy, bazaltowy, wapienny Żużel wielkopiecowy Węgiel kamienny Koks Cegła klinkierowa, są też wypełnienia z tworzyw sztucznych, PCV., PA, PS itp. Dno musi podtrzymać mechanicznie złoże, zapewnić odprowadzenie ścieków przy odpowiednich warunkach napowietrzania oraz niezatrzymywaniu spłukanych części błony biologicznej. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

19 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneDla przebiegu prawidłowego procesu utleniania biologicznego niezbędna jest odpowiednia zawartość tlenu rozpuszczonego w cieczy. Uzyskuje się to w procesie napowietrzania które może następować w sposób naturalny na zasadzie ciągu kominowego lub sztucznego ciągu powietrza. Powietrze w złożu jest zimniejsze od powietrza na zewnątrz lato Powietrze w złożu jest cieplejsze od powietrza na zewnątrz zima Procesy Oczyszczania Cieczy 2

20 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneOpis matematyczny procesu oparty jest na założeniu, że spełniona jest zależność na szybkość rozkładu biologicznego: chwilowe stężenie zanieczyszczeń [kg/m3] stała szybkości reakcji rozkładu [1/s] całkując w granicach L0 – LK oraz 0 – τ mamy: średni czas przepływu cieczy przez warstwę wypełnienia Procesy Oczyszczania Cieczy 2

21 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneDla złoża o wysokości H zraszanego z z gęstością zraszania q średni czas przepływu przez złoże można wyrazić : k2 i m to współczynniki wyznaczane doświadczalnie a więc ostatecznie: k=k1*k2 -0,2 – 0,9 i zależy od właściwości wypełnienia właściwości zanieczyszczeń i temperatury. m = 0,3 – 5,4 zależy od rodzaju wypełnienia i jego właściwości hydraulicznych. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

22 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneProces osadu czynnego. Proces ten polega na oczyszczaniu ścieków podczas ich przepływu przez napowietrzany zbiornik zawierający kolonie mikroorganizmów, utrzymywane w stanie zawieszenia. Zanieczyszczenia są utlenianie biologicznie przez mikroorganizmy, których skupiska tworzą cząstki osadu czynnego. Cząstki te maja rozmiar od 50 do 100 μm i dobrze rozminiętą powierzchnię od 20 do 100 m2/m3 zbiornika. Osad czynny skłąda się z wielu rodzajów mikroorganizmów (najważniejsze są bakterie) Ich liczba w gramie suchej masy osiąga wartość 109 – Wśród nich znajdują się barkterie zooglealne wytwarzające śluz, ułatwiający zlepianie się komórek i zawiesin. Przez to cząstki osadu czynnego tworzą charakterystyczne kłaczki. Strefa brzegowa jest aktywna w utlenianiu zanieczyszczeń, strefa centralna zasiedlana jest przez organizmy beztlenowe. Mieszanie zapobiega tworzeniu się aglomeratów. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

23 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneW układzie zawierającym tak znaczną ilość mikroorganizmów potrzebna jest bardzo duża ilość tleniu  sztuczne natlenianie. Zbiorniki, w których zachodzi utlenianie zanieczyszczeń z mikroorganizmami w postaci osadu czynnego , nazywa się komorą natleniania lub napowietrzania. Ciecz w komorze natleniania musi być intensywnie mieszana  zapobiega to sedymentacji cząstek osadu czynnego. Ta forma oczyszczania wykazuje wyższy stopień oczyszczania cieczy w porównaniu z oczyszczaniem w złożach zraszanych. Sprawność procesu jest niezależna od pory roku. Wady: trudniejsza obsługa, większe ilości uwodnionych ścieków. Oczyszczanie z wykorzystaniem osadu czynnego realizuje się stosując dwa podstawowe urządzenia: 1) komory napowietrzania 2) osadniki wtórne o działaniu ciągłym Procesy Oczyszczania Cieczy 2

24 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneKlasyczny schemat technologiczny: Do komory napływa strumień ścieków które są intensywnie mieszane i natleniane. Zanieczyszczenia adsorbują się na cząstkach osadu czynnego. Po osiągnięciu odpowiedniego stopnia oczyszczania, mieszanina oczyszczonych ścieków i osadu czynnego jest kierowany do osadnika wtórnego. W osadniku następuje sedymentacja osadu czynnego który zawracany jest do komory napowietrzania. Proces zachodzi w sposób ciągły. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

25 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneProces osadu czynnego, wyraźnie określony technologicznie, może być zróżnicowany biologicznie, w zależności przede wszystkim od wielkości obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń. Obciążenie osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń jest wyrażane dobową ilością kg BZT zanieczyszczeń przypadającą na kg suchej masy mikroorganizmów A* [kg BZT /(kg s. m. doba)] Zapotrzebowanie na tlen w komorze osadu czynnego wynika z : Rozkładu związków organicznych, czyli zmniejszenia BZT ścieków. Oddychania endogennego mikroorganizmów Procesu nitryfikacji, zmniejszanie BZT ścieków. Zużycie tlenu związane z e zmianą BZT jest wartością stałą, natomiast zużycie wynikające z oddychania endogennego zależy od obciążenia osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

26 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneUkład z niskoobciążonym osadem czynnym Proces utleniania zanieczyszczeń obejmuje wszystkie etapy biodegradacji z utlenianiem endogennym i nitryfikacją. Oznacza to duży stopień zmniejszenia BZT ścieków i duże zużycie tlenu rozpuszczonego. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

27 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneUkład z wysokim obciążeniem osadu czynnego Pożywienia jest bardzo dużo, bakterie wstrzymują oddychanie endogenne i proces biodegradacji zanieczyszczeń sprowadza się tylko do pierwszego etapu- biodegradacji związków węgla oraz przyrostu biomasy. Stopień zmniejszenia zanieczyszczenia mierzonego wartością BZT jest mniejszy, mniejszy jest również stopień zużycia tlenu. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

28 Wykład 5 – Utlenianie biologicznePrzyjęto, że obciążenie osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń jest niskie gdy A* ma wartość od 0 do 0,3 [kg BZT/ (kg s/m doba)] Wzrost obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń Procesy Oczyszczania Cieczy 2

29 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneEfekt oczyszczenia ścieków w procesie osadu czynnego wyraża się jako procentowy spadek wskaźnika BZT 5 : Dla wartości η=0,8 – 0,9 mówimy o pełnym oczyszczaniu biologicznym , dla 0,3 – 0,8 mamy częściowe oczyszczanie biologiczne. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

30 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneEfekt oczyszczania ścieków zależy od wielu czynników. Istotny wpływ ma obciążenie osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń. Obciążenie to wyrażane jest bardzo różnie: Ładunek zanieczyszczeń BZT5 [kg BZT/boba] Na jednostkę masy suchego osadu czynnego (j. w.) A* zmienia się od 0,2 – 11 kg BZT/(kg s. m. Doba) Masa suchego osadu [kg] - Na jednostkę objętości komory Vk A zmienia się od 0,13 – 12 kg BZT/(m3 Doba) Procesy Oczyszczania Cieczy 2

31 Wykład 5 – Utlenianie biologicznePonadto na oczyszczanie ścieków wpływ mają : Stężenie osadu czynnego w komorze napowietrzania Parametr ten wacha się od 0,5 - 7 [kg s. m. / m3] 2) Czas napowietrzania – średni czas przebywania ścieków w komorze. Od 0,3 - 72 [h] 3) Indeks osadowy (Mohlmana) I. Osad czynny powinien mieć dobrze rozwinięta powierzchnię przy dobrych właściwościach sedymentacyjnych. I jest to objętość osadu czynnego po 30 minutach sedymentacji w leju Imhoffa, przypadająca na 1 g suchej masy osadu: [cm3/ g s. m.] Optymalnie od Procesy Oczyszczania Cieczy 2

32 Wykład 5 – Utlenianie biologiczne4) Przyrost masy osadu czynnego. [kg s. m. / kg BZT] Współczynnik ten określa masę suchą osadu nadmiarowego przypadającą na jednostkę zmniejszenia BZT ścieków i charakteryzuje ilość osadu nadmiarowego odprowadzaną z układu. Współczynnik a wynosi od 0,4 do 1,5 kg suchej masy / kg usuniętego BZT. 5) Wiek osadu czynnego. Oblicza się go jako stosunek masy osadu czynnego zawartego w komorze do masy usuwanego osadu nadmiarowego. Wiek osadu wynosi od 0,2 do 90 dni. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

33 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneKomory napowietrzania. Różny kształt komory i różne sposoby napowietrzania: Sprężonym powietrzem Mechanicznie za pomocą wirników o osi poziomej Mechanicznie za pomocą wirników o osi pionowej W sposób złożony. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

34 Wykład 5 – Utlenianie biologiczne1) Komory napowietrzane sprężonym powietrzem. Wartość nadciśnienia powietrza zależy od głębokości na której umieszczone są urządzenia do rozpraszania powietrza. Komory o głęboki napowietrzaniu – ( 3 – 6 m) rozpraszanie powietrza na wysokości 0,2 – 0,5 m nad dnem. Komory o płytkim wprowadzeniu powietrza – tzw. System Inka. Urządzenia rozpraszające są umieszczone ok. 0,8 m pod powierzchnią cieczy. Przy tym rodzaju napowietrzania zależnie od wielkości powstających pęcherzyków mamy: Napowietrzanie drobnopęcherzykowe – dp< 1,5 mm – FILTROSY (spieki, porowate) Napowietrzanie średniopęcherzykowe – dp< 5 mm – Dyfuzory (perforowane rury) Napowietrzanie grubopęcherzykowe – dp>10 mm Procesy Oczyszczania Cieczy 2

35 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneDaje to różny stopień wykorzystania powietrza ( urządzenie na głębokości 3 m) Wiąże się to z zapotrzebowaniem na powietrze. Przy założeniu 90% redukcji BZT5 zapotrzebowanie powietrza na 1 kg zredukowanego BZT5 wynosi: 32,5, 55 i 65 m3. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

36 Wykład 5 – Utlenianie biologiczne2) Komory napowietrzane mechanicznie za pomocą wirników o osi poziomej. System sheffieldzki (widok z góry) mała zdolność natleniania długi cykl pracy Szczotki Kessenera recyrkulacja Procesy Oczyszczania Cieczy 2

37 Wykład 5 – Utlenianie biologiczne3) Komory napowietrzane wirnikami o osi pionowej. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

38 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneDo oceny efektywności procesu natleniania stosuje się dwa wskaźniki: Zdolność natleniania OC lub k Ekonomia natleniania E Zdolność natleniania (Oxygen capacity) zawartości komory osadu czynnego wyraża się Ilością tlenu wprowadzonego na jednostkę objętości komory i jednostkę czasu [kg O2/ m3h] Stopień natlenianie k jest wyrażony stosunkiem zdolności natleniania OC do ładunku zanieczyszczeń doprowadzonych do komory w jednostce czasu i na jednostkę objętości komory [kg O2/ kg BZT] Procesy Oczyszczania Cieczy 2

39 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneZależnie od obciążenia komory osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń i sposobu natleniania, wartość stopnia natleniania zmienia się w granicach od 1 do 2,8 . Dla różnych wartości k proces osadu czynnego określa się mianem: Procesy Oczyszczania Cieczy 2

40 Wykład 5 – Utlenianie biologiczneEkonomia natleniania wyraża się stosunkiem ilości tlenu wprowadzonego do cieczy do ilości energii zużytej do osiągniecie tego efektu. moc czas Procesy Oczyszczania Cieczy 2