Oczyszczanie Ścieków

Transkrypt

1 Oczyszczanie Ścieków

2 Oczyszczanie Ścieków WYKŁAD 7

3 Typy reaktorów Reaktory z idealnym pełnym wymieszaniem Reaktor idealnie mieszany W każdym punkcie reaktora stężenie w danym czasie jest stałe- nie ma znaczenia miejsce poboru próby, W warunkach ustalonych stężenie w reaktorze nie zmienia się w czasie- nie ma znaczenia czas poboru próby Analogia do konta bankowego C

4 Typy reaktorów Reaktory z idealnym pełnym wymieszaniem V Objętość reaktora, m 3 C stężenie w reaktorze (i odpływie), g/m 3 Q d natężenie przepływu, m 3 /d C d stężenie w dopływie, g/m 3 Bilans masy na odcinku czasu t Qd Cd t - Qd C t V r t V C Doplyw g Odplyw g Reakcja g Akumulacja g ( / ) / t Q d C d Q d C V r V C t lim t 0 C t dc dt dc V dt Akumulacja(g/d) Qd Cd Doplyw(g/d) Qd C Odplyw(g/d) V r Reakcja(g/d)

5 Typy reaktorów Reaktory z idealnym pełnym wymieszaniem V Objętość reaktora, m 3 C stężenie w reaktorze (i odpływie), g/m 3 Q d natężenie przepływu, m 3 /d C d stężenie w dopływie, g/m 3 dc V dt Akumulacja(g/d) Qd Cd Doplyw(g/d) Qd C Odplyw(g/d) V r Reakcja(g/d) d(v C) dt dc dt Q Q V d d C C d d Q C d C r V r, g, 3 m d g/d

6 Typy reaktorów Reaktory z idealnym pełnym wymieszaniem kaskada reaktorów Kaskada reaktorów idealnie mieszanych C 1 C2 3 C C n n Reaktor tłokowy

7 Typy reaktorów Reaktor o przepływie tłokowym Na długości reaktora stężenie ulega zmianie, im bliżej początku tym więcej substratów im bliżej końca tym więcej produktów W warunkach ustalonych stężenie jedynie w danym punkcie pozostaje stałe Układ modeluje się jako kaskadę reaktorów przepływowych Reaktor tłokowy

8 Typy reaktorów Reaktory z idealnym pełnym wymieszaniem Czy reaktor o pełnym wymieszaniu może mieć charakter reaktora tłokowego? Reaktor wsadowy (porcjowy) Czynnikiem może być czas a nie długość C

9 Typy reaktorów biologicznych Informacje podstawowe Reaktory biologiczne do oczyszczania ścieków Biomasa zawieszona Biomasa unieruchomiona Systemy hybrydowe Osad czynny Stawy ściekowe Rozwiązania zaawansowane Oczyszczanie w gruncie Złoża biologiczne MBBR Reaktory przepływowe Reaktory porcjowe (SBR)) Mnóstwo konfiguracji rozwiązań technicznych oraz gotowych patentów Stacjonarne Obrotowe

10 Typy reaktorów biologicznych Osad czynny

11 Typy reaktorów biologicznych Stawy ściekowe

12 Typy reaktorów biologicznych Złoże biologiczne wypełnienie z łucznia kamiennego

13 Typy reaktorów biologicznych Złoże biologiczne tarczowe

14 Osad czynny Reaktory porcjowe SBR (Sequence Batch Reactor)

15 Osad czynny Reaktory o pełnym wymieszaniu

16 Osad czynny Reaktory o pełnym wymieszaniu Źródło:

17 Osad czynny Reaktory tłokowy

18 Osad czynny Reaktory o pełnym wymieszaniu Źródło:

19 Osad czynny Reaktory cyrkulacyjny AX OX OX AX

20 Osad czynny Reaktory o pełnym wymieszaniu Źródło:

21 Do opracowania w domu Na podstawie wiedzy z wykładu postaraj się ustalić jaki ty reaktora biologicznego znajduje się twojej oczyszczalni. Osoby z Wrocławia wybierają do analizy miasta z województw (to samo co za ostatnim razem): Lubelskiego, Podlaskiego, Podkarpackiego.

22 Oczyszczanie Ścieków WYKŁAD 8

23 Złoża biologiczne Informacje podstawowe Są to urządzenia służące do biologicznego oczyszczania ścieków w warunkach (najczęściej) tlenowych. Wykonane są w postaci kolumn przepływowych wypełnionych materiałem porowatym (naturalnym lub z tworzyw sztucznych), na którym wskutek zraszania ściekami rozwijają się mikroorganizmy, tworzące śluzowatą otoczkę, zwaną błoną biologiczną.

24 Złoża biologiczne Informacje podstawowe Biomasa unieruchomiona Systemy hybrydowe Oczyszczanie w gruncie Złoża biologiczne MBBR Stacjonarne Obrotowe (ruchome) Zraszane Tarczowe Zatopione fluidalne

25 Złoża biologiczne Złoże zraszane Złoża zraszane (zwilżane) są to obecnie jedne z najczęściej spotykanych konstrukcji złóż biologicznych. Złoże zraszane wykonane jest najczęściej w szczelnym zbiorniku o kształcie cylindrycznym. W takim złożu ścieki stale się przez nie przesączają, ale nie następuje zatapianie złoża, dzięki czemu możliwa jest ciągła wymiana powietrza

26 Złoża biologiczne Złoża zraszane

27 Złoża biologiczne Złoża zraszane - schemat Dopływ Osadnik Odpływ 2-5m Odpływ Recyrkulacja

28 Złoża biologiczne Złoża zraszane alternatywne wypełnienia

29 Złoża biologiczne Złoże tarczowe Złoże tarczowe, tworzy je szereg tarcz, umieszczonych współosiowo na wale napędzanym silnikiem elektrycznym. Tarcze są częściowo zanurzone w ściekach. Ruch obrotowy tarcz pozwala na dostarczenie tlenu atmosferycznego wymaganego do procesów tlenowego rozkładu oraz na dostarczenie materii organicznej ze ścieków

30 Złoża biologiczne Złoża tarczowe

31 Złoża biologiczne Złoża tarczowe - schemat

32 Złoża biologiczne Złoże zalane Złoża zanurzone (zalane) są rodzajem złoża biologicznego, umieszczonego pod powierzchnią ścieków w sposób stały. W tych konstrukcjach najczęściej wykorzystuje się pakietowe wypełnienia z tworzyw sztucznych. Tlen niezbędny do zwiększenia efektywności procesów biologicznych dostarczany jest w formie sprężonej poprzez dyfuzory umieszczone pod złożem.

33 Złoża biologiczne Złoża zalane Dopływ Odpływ Jak zrobić złoże zatopione? 2-5m Czy to musi być złoże tlenowe? Dopływ Odpływ

34 Złoża biologiczne Złoże fluidalne i systemy hybrydowe Co to są złoża fluidalne? Co to są systemy hybrydowe Jaka jest różnica pomiędzy nimi?

35 Złoża biologiczne Złoże fluidalne (hybrydowe) Złoża zawieszone (fluidalne) inaczej MBBR można uznać za system hybrydowy, łączący w sobie cechy osadu czynnego i złóż biologicznych. Lekkie kształtki wykonane z tworzyw sztucznych utrzymywane są w ściekach przy użyciu sprężonego powietrza lub mieszadeł

36 Do opracowania w domu Przeczytać: Politechnika Białostocka: Monografie Tom 21 Ścieki I Osady Ściekowe Strona M. Litwińska, D Ginter-Kramarczyk, I. Kruszelnicka Technologia złoża ruchomego jako przyszłość w modernizacji oczyszczalni ścieków w Polsce

37 Złoża biologiczne Osadniki wtórne Po co jest osadnik wtórny? Gromadzenie ścieków do recyrkulacji Oddzielenie zawiesin od ścieków oczyszczonych Ochrona odbiornika Potrzeba recyrkulacji biomasy

38 Złoża biologiczne Parametry pracy złóż biologicznych Rodzaj złoża złoża nisko obciążone przy pełnym biologicznym oczyszczaniu przy częściowy biologicznym oczyszczaniu Obciążenie ładunkiem BZT5 Obciążenie hydrauliczne Wysokość wypełnienia g/m 3 d m 3 /m 2 h m 3 /m2d m ,05 0,25 1,6 6 1,5 2, ,5 1, ,

39 Złoża biologiczne Parametry pracy złóż biologicznych Wymagany efekt oczyszczania ścieków (obniżenie BZT 5 ) Wskaźnik powierzchni F 0 m 2 /m 3 min Obciążenie powierzchni złoża gbzt 5 /m 2 d Liczba stopni złóż 50% % % % % Ubytek azotu N ~ (5 10) gn/m 3 Ubytek fosforu P ~ (1 2) gp/m 3

40 Oczyszczanie Ścieków WYKŁAD 9

41 Osad czynny Informacje podstawowe Metoda osadu czynnego wykorzystuje procesy samooczyszczania wód powierzchniowych. Polega na mineralizacji organicznych zanieczyszczeń, które znajdują się w ściekach przez mikroorganizmy. W ten sposób mikroorganizmy zyskują energię niezbędną do życia. W trakcie procesu dochodzi także do wzrostu ich biomasy. W wyniku uzyskuje się również nadmiar mikroorganizmów, który usuwany jest z układu jako tzw. osad nadmierny. Intensyfikacji procesu, w stosunku do naturalnego samooczyszczania, dokonuje się stosując zwiększoną ilość (stężenie) bakterii, które biorą udział w procesie, co w efekcie zwiększa wydajność oczyszczania ścieków.

42 Osad czynny Kłaczki osadu czynnego Zawiesiny i koloidy (usidlanie X S, X I, X min ). Produkty rozpuszczone (dyfuzja S NH, S NO, N 2 ) Substraty rozpuszczone (dyfuzja S S, S NH, S PO4, S NO, S o ) E-1 X (przyrost osadu) Jakie mikroorganizmy mamy w osadzie czynnym?

43 Osad czynny Mikroorganizmy

44 Osad czynny Mikroorganizmy

45 Osad czynny Mikroorganizmy

46 Osad czynny Mikroorganizmy Wrotki w osadzie

47 Osad czynny Komora Osadu Czynnego Dopływ Odpływ Odpływ KOCz Osadnik Recyrkulacja osadu Po co jest recyrkulacja osadu? Złoże biologiczne

48 Osad czynny Po co jest recyrkulacja osadu? Dopływ Odpływ KOCz Osadnik

49 Osad czynny Po co jest recyrkulacja osadu? Dopływ Odpływ Osadnik

50 Osad czynny Po co jest recyrkulacja osadu? Dopływ Odpływ Osadnik Recyrkulacja osadu

51 Osad czynny Idea Przyrost Dopływ Związki organiczne (ChZT, BZT) Azot Fosfor Inne Mineralizacja Odpływ Mineralizacja zanieczyszczeń do: CO2 H2O Inne Mniejsze stężenia zanieczyszczeń w ściekach

52 Osad czynny Przyrost mikroorganizmów heterotroficznych w warunkach OX lub AX Akceptor elektronów O 2 (NO 3 ) Źródło węgla i energii związki organiczne S S (ChZT substratu) Pożywki N, P, S i inne e - Oddychanie G Biosynteza Produkty oddychania CO 2, H 2 O, NH 4, PO 4 N 2 Biomasa - X BH C 5 H 7 NO 2 (ChZT biomasy) Rozkładowi związków organicznych zawierających N i P towarzyszy wydzielanie: azotu amonowego (S NH ) - amonifikacja fosforanów (S PO4 ) G H Y ' O ' O H, O kcal g ChZT 3.4 kcal g ChZT 0.67 g ChZT X BH utl utl g ChZT usun G H Y ' NO ' NO H, NO kcal g ChZT 3.1kcal g ChZT 0.60 g ChZT X BH utl utl g ChZT usun

53 Osad czynny Idea Dopływ Związki organiczne (ChZT, BZT) Białka Tłuszcze Węglowodany Inne Enzymy zewnątrz komórkowe Związki organiczne muszą mieć taki rozmiar aby zmieścić się przez dziurki bakterii

54 Osad czynny Idea Dopływ Związki organiczne (ChZT, BZT) Białka Tłuszcze Węglowodany Inne Hydroliza Dodatkowo kształt związków organicznych musi pasować do dziurek bakterii Nie każdy mikroorganizm jest wstanie wykorzystywać każdy związek organiczny

55 1-f P = 92% Osad czynny Przemiany związków orgnaicnzych WOLNO ROZKŁADALNE 100 Hydroliza % ŁATWO ROZKŁADALNE X S S S 67% Przyrost mikroorganizmów BIOMASA Obumieranie f P = 8% PRODUKTY INERTNE X BH X P

56 Osad czynny Przyrost mikroorganizmów Czy mikroorganizmy tylko przyrastają? Czy przyrost może być w nieskończoność? Osadnik Jaki będzie efekt jeżeli nic z tym nie będziemy robić? Co powinniśmy robić?

57 Osad czynny Czy czegoś tutaj jeszcze brakuje? Dopływ Odpływ KOCz Osadnik Recyrkulacja osadu Osad nadmierny

58 Osad czynny Osad nadmierny Skąd wiadomo ile osadu musimy odprowadzać? Co będzie jeżeli odprowadzimy 2 razy więcej osadu? A co jak 2 razy mniej?

59 Osad czynny Wiek osadu Średni czas przebywania kłaczków osadu czynnego w komorach osadu czynnego Masa (zapas) osadu WO M V X X X X, d Przyrost (odbiór) osadu

60 Osad czynny Wiek osadu V objętość KOCz X Stężenie osadu X odbiór osadu Zwiększenie dokładności: Uwzględnienie zawiesin na odpływie (niezbędne). Uwzględnienie zawiesin w dopływie. Uwzględnienie zapasu osadu w osadniku (niewymagane). WO M V X X X X, d

61 Osad czynny Wiek osadu V objętość KOCz X Stężenie osadu WO M X V X X X, d X odbiór osadu Oczyszczalnia o następujących parametrach: Przepływ 1000m 3 /d Objętość KOCz 1000m 3 Stężenie osadu 4kg/m 3 Odbiór osadu nadmiernego 400kg/d Jaki jest WO uwzględniający jedynie osad nadmierny?

62 Do opracowania w domu Oczyszczalnia o następujących parametrach: Przepływ 1000m 3 /d Objętość KOCz 1000m 3 Objętość Owt 250m 3 Stężenie osadu 4kg/m 3 Odbiór osadu nadmiernego 400kg/d Jaki jest WO uwzględniający jedynie osad nadmierny - 10d to już wiemy Jaki jest WO uwzględniający dopuszczalny odpływ zawiesin 35g/m 3 do odbiornika? Na oczyszczalni pogorszył się proces sedymentacji (zawiesina w odpływie to 200g/m 3 ) jaki będzie WO przy niezmiennym odbiorze osadu nadmienrego?

63 Osad czynny Wiek osadu V objętość KOCz X Stężenie osadu WO M X V X X X, d X odbiór osadu Jak skrócić WO 2 razy? Jak wydłużyć WO 2 razy

64 Osad czynny Wiek osadu Reaktor SBR 1000m 3 V objętość KOCz X Stężenie osadu WO M X V X X X, d Jak utrzymać WO 10 dób Jak skrócić WO 2 razy? Jak wydłużyć WO 2 razy

65 Osad czynny Wiek osadu Uogólniając: Chcąc utrzymać WO na danym poziomie (n) poziomie musimy odbierać w każdej dobie 1/n objętości reaktora, ponieważ znajduje się w niej 1/n całego osadu w reaktorze. Sposób w jaki to zrobimy ma drugorzędne znaczenie

66 Do opracowania w domu Objętość reaktora biologicznego w oczyszczalni ścieków z osadem czynnym wynosi 2000 m 3, a stężenie osadu czynnego w reaktorze jest równe 4000 g s.m./m 3. Wiek osadu wynosi 10 d. Ile wynosi objętość osadu nadmiernego (m 3 /d) jeżeli stężenie osadu nadmiernego jest dwukrotnie wyższe od stężenia osadu czynnego w reaktorze, ile będzie wynosił wiek osadu jeżeli stężenie w komorze osadu czynnego spadnie do 2000 g s.m./m 3 (zaniedbujemy masę osadu zgromadzoną w osadniku wtórnym oraz wynoszoną z osadnika wtórnego ze ściekami oczyszczonyni)?

67 Oczyszczanie Ścieków WYKŁAD 10

68 Napowietrzanie ścieków Informacje podstawowe Cele natleniania: Natlenianie stosuje się do biologicznego oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego. Tlen jest substratem bioutleniania zanieczyszczeń organicznych. Tlenowy proces osadu czynnego ma za zadanie zmniejszenie stężenia nie opadających, rozpuszczonych i koloidalnych związków organicznych. Utrzymanie ścieków w stałym ruchu zapobiega opadaniu osadu czynnego na dno, gdzie brak tlenu spowodowałby ich obumarcie.

69 Napowietrzanie ścieków Systemy napowietrzania Systemy napowietrzna reaktorów biologicznych Napowietrzanie wgłębne Napowietrzanie pompowe (strumienice) Powierzchniowe Rozwiązania alternatywne Dyfuzory ceramiczne Aeratory (pionowy wał) Napowietrzanie czystym tlenem Dyfuzory membranowe Szczotki napowietrzające (poziomy wał)

70 Napowietrzanie ścieków Napowietrzani powierzchniowe Rozwiązanie powirzechne w latach 80. Obecnie stosowane coraz żądziej Niska sprawność transferu tlenu (- - -) Niskie koszty inwestycyjne (+) Brak dodatkowych urządzeń w systemie napowietrzania (+) Możliwość mieszania i napowietrzania (+)

71 Napowietrzanie ścieków Napowietrzani powierzchniowe

72 Napowietrzanie ścieków Strumienice napowietrzające Rozwiązanie najczęściej spotykane w bardzo małych obiektach. Alternatywnie w miejscach gdzie wymagana jest niewielka ilość potrzebna do wprowadzenia do reaktora (zbiorniki retencyjne) Niskie koszty inwestycyjne (+) Brak dodatkowych urządzeń w systemie napowietrzania (+) Możliwość mieszania i napowietrzania (+) Niewielka ilość tlenu uzyskiwana przy funkcjonowaniu jednego urządzenia (- - )

73 Napowietrzanie ścieków Strumienice napowietrzające

74 Napowietrzanie ścieków Strumienice napowietrzające

75 Napowietrzanie ścieków Napowietrzani wgłębne Powietrze sprężone doprowadza się przez porowate płyty (tzw. filtrosy lub dyfuzory). Napowietrzanie powietrzem odbywa się poprzez grubopęcherzykowe, średniopęcherzykowe i drobnopęcherzykowe dyfuzory. Aby zwiększyć transfer tlenu do ścieków należy dyfuzory umieści możliwie głęboko (na ile pozwoli na to technologia). Wydłuża się wtedy kontakt między pęcherzykami powietrza a ściekami oraz wzrasta koncentracja nasycenia tlenem przy wyższym ciśnieniu.

76 Napowietrzanie ścieków Napowietrzani wgłębne

77 Napowietrzanie ścieków Napowietrzani wgłębne Czy dyfuzory wystarczą do napowietrzania ścieków Czy potrzebne są inne urządzenia? Jakie? Co robi stacja dmuchaw? Co znajduje się w stacji dmuchaw? Jakie parametry określają dmuchawy? Ile energii zużywane jest na napowietrzanie ścieków?

78 Napowietrzanie ścieków Stacja dmuchaw WPROWADZANIE POWIETRZA DO ŚCIEKÓW STACJA DMUCHAW RUROCIĄGI TRANSPORTOWE

79 Napowietrzanie ścieków Dmuchawy - rootsa Inaczej dmuchawy wyporowe Małe i średnie oczyszczalnie Zasada działania analogiczna do pomp tłokowych Jakie to niesie implikacje?

80 Napowietrzanie ścieków Dmuchawy - Turbodmuchawy Inaczej dmuchawy odśrodkowe, wirowe, wirnikowe Średnie (granica się obniża) i duże oczyszczalnie ścieków Zasada działania analogiczna do pomp wirowych Jakie to niesie implikacje?

81 Napowietrzanie ścieków Napowietrzanie a natlenianie Ile w powietrzu jest tlenu? 21% Czyli ile? Uwzględniając gęstość około 299g/m 3 Jak dobrze tlen rozpuszcza się w wodzie? Raczej słabo Realnie nie więcej niż 20% (bardzo mało) - 40% (ekstremalnie dużo) Około gO 2 /m 3 powietrza

82 Napowietrzanie ścieków Napowietrzanie a natlenianie

83 Napowietrzanie ścieków Napowietrzanie a natlenianie Około gO 2 /m 3 powietrza średnio 90gO 2 /m 3 Średnie zapotrzebowanie powietrza dla Janówka to: Około 2 600kgO 2 /h Ile to powietrza? m 3 /h a ten szacunek i tak jest zaniżony Zużywamy na to 1000kWh energii elektrycznej czyli tyle ile 4600 gospodarstw domowych