BIOREAKTOR LABORATORYJNY TYPU SBR DO BADANIA WŁAŚCIWOŚCI OSADU CZYNNEGO I PROCESÓW OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW Tomasz Głębicki, Katarzyna Maria Jaromin, Agata Kopertowska, Grzegorz Łagód Politechnika Lubelska Streszczenie Artykuł przedstawia przegląd reaktorów sekwencyjnych wraz z omówieniem charakterystycznych procesów oczyszczania ścieków miejskich w reaktorach SBR. Scharakteryzowano w nim również procesy zachodzące podczas biologicznego oczyszczania ścieków komunalnych (mineralizacji związków organicznych, nitryfikacji, denitryfikacji oraz defosfatacji). Ponadto praca zawiera opis zaprojektowanego reaktora SBR wraz z charakterystyką jego pracy w warunkach laboratoryjnych. Wstęp Artykuł zawiera informacje o technologii oczyszczania ścieków za pomocą bioreaktorów SBR oraz o laboratoryjnych bioreaktorach tego typu zaprojektowanych i wykonanych na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej. Reaktory poddane były analizie sprawnościowej w zakresie oczyszczania ścieków komunalnych, ocenę przeprowadzono na podstawie badań biochemicznych wskaźników zanieczyszczeń min. BZT 5, ChZT, OWO. Nazwa reaktorów SBR wywodzi się od technologii oczyszczania ścieków w sposób porcjowy (Batch Reactor). Utlenianie biologiczne i sedymentacja przebiegają w tym samym zbiorniku naprzemiennie okresowo, w sposób powtarzalny (Sequencing) stąd SBR Sequencing Batch Reactor 1. 1 http://aquaprim-sbr.com z dnia 09.04.09. www.think.wsiz.rzeszow.pl, ISSN 2082-1107, Nr 2 (6) 2011, s. 120-128
1. Charakterystyka technologii reaktorów SBR Zastosowanie sekwencyjnych reaktorów biologicznych (SBR) do oczyszczania ścieków jest konkurencyjnym rozwiązaniem w stosunku do układów przepływowych. SBR-y są jednokomorowymi bioreaktorami, w których podczas fazy reakcji (mieszania i napowietrzania) mogą zachodzić procesy zintegrowanej eliminacji związków węgla, azotu, oraz fosforu, a w pozostałych fazach procesy sedymentacji oraz dekantacji ścieków oczyszczonych, pozwalające oddzielić oczyszczone ścieki od czynnika procesowego. Zazwyczaj są to układy budowane bez osadników wstępnych, nigdy natomiast nie stosuje się osadników wtórnych. Charakterystyczne jest to, że SBR-y nie wymagają urządzeń do recyrkulacji wewnętrznej, z kolei uwzględniają niekiedy w budowie wydzielone przegrodami sektory tlenowe lub beztlenowe 2,3. Przy zastosowaniu reaktorów typu SBR technolodzy mają możliwość wprowadzania wielu zmian podczas sterowania procesem, w przeciwieństwie do systemów z układem przepływowym, gdzie do regulacji najczęściej służy ilość dostarczanego powietrza oraz ilość recyrkulowanego osadu i/lub ścieków. Możliwość kontroli oraz modyfikacji warunków w reaktorach SBR polega na doborze odpowiedniego harmonogramu pracy poszczególnych faz w cyklu i zwiększa możliwość optymalizacji procesu oczyszczania w zakresie: wydajności procesów nitryfikacji, denitryfikacji, biologicznej defosfatacji, zwiększenia efektywności sedymentacyjnych osadu 4. Pełny cykl pracy reaktora SBR obrazuje rysunek numer 1 5. Wyodrębniono następujące fazy: napełnianie komory ściekami, mieszanie ścieków surowych, napowietrzanie, sedymentacja, dekantacja, postój. Każda z faz pełni ważne funkcje w całości procesu oczyszczania ścieków. Napełnianie może byś prowadzone równolegle ze wspomagającym je mieszaniem lub bez mieszania. Mieszanie ścieków z osadem czynnym, prowadzi do wytworzenia warunków niedotlenionych względnie beztlenowych. Najczęściej jest to faza anoksyczna, podczas której heterotroficzne bakterie denitryfikacyjne wykorzystują łatwo przyswajalne związki organiczne, następuje wtedy redukcja azotanów. Kolejną fazą jest napowietrzanie stosowane w celu wytworzenia warunków tlenowych i przeprowadzenia procesów biodegradacji związków węgla, nitryfikacji, defosfatacji, oraz symultanicznej denitryfikacji. 2 Z. Heidrich, Zastosowanie reaktorów sekwencyjnych w oczyszczani ścieków, Przegląd Komunalny, vol. 35 nr 7/2004. 3 M. Mańczak, Podział reaktorów okresowego działania SBR, Przegląd Komunalny, nr 7/2004,s. 35-38. 4 E. Klimiuk, M. Łebkowska, Biotechnologia w ochronie środowiska, PWN, Warszawa 2004. 5 J. Podedworna, M. Żubrowska-Sudoł, Efektywność oczyszczania ścieków komunalnych w reaktorze SBR ze złożem ruchomym, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, nr 9/2008,s. 18-21. 121
W tej fazie zachodzi mineralizacja związków organicznych, oraz wiązanie fosforanów, czego efektem jest ubytek fosforu w ściekach 6. W momencie wyłączenia napowietrzania proces wchodzi w fazę sedymentacji, podczas której następuje separacja kłaczków osadu czynnego od ścieków oczyszczonych. W fazie dekantacji ścieki sklarowane odprowadzane są z reaktora. Ostatni etap cyklu zwany jest fazą martwą lub faza postoju. W tym czasie reaktor przygotowywany jest do następnego cyklu pracy, najczęściej faza ta jest wykorzystywana do odprowadzenia z komory osadu nadmiernego 7. Rysunek 1. Przebieg faz procesowych podczas cyklu pracy reaktora sekwencyjnego SBR 8. 6 J. Podedworna, Zintegrowane usuwanie azotu i fosforu w reaktorze z długotrwałym dawkowaniem ścieków przez selektor, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002. 7 M. Lebiedowski, Wybrane jednostkowe procesy oczyszczania wody i ścieków w ujęciu matematycznym, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2004. 8 K. Piaskowski, Wpływ parametrów procesowych na usuwanie związków biogennych w laboratoryjnym reaktorze typu SBR, Część V, Rocznik Ochrona Środowiska, Wydawnistwo Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska, Koszalin 2003. 122
2. Podział reaktorów SBR W związku z rosnącym zainteresowaniem rozwiązaniami technologicznymi bazującymi na reaktorach typu SBR oraz rozwojem techniki oczyszczania ścieków powstało wiele implementacji technicznych bazujących na zaprezentowanych powyżej założeniach ogólnych. W związku z powyższym reaktory można podzielić według: rodzajów prowadzonych procesów oczyszczania ścieków, rodzajów osadu czynnego, sposobów zasilania ściekami. W reaktorach sekwencyjnych SBR mogą zachodzić między innymi procesy: mineralizacji związków organicznych, mineralizacji związków organicznych z nitryfikacją związków azotu, mineralizacji związków organicznych, nitryfikacji oraz denitryfikacji związków azotu, mineralizacji związków organicznych, nitryfikacji, denitryfikacji związków azotu, oraz wzmożonej biologicznej defosfatacji z wykorzystaniem bakterii fosforowych (ang. Phosphate Accumulating Organisms). W zależności od założonego efektu oczyszczania ścieków, w sekwencyjnych reaktorach biologicznych modyfikuje się pojemność technologiczną komór SBR-ów i ich wyposażenie. Nowością jest zastosowanie ruchomego złoża w klasycznym reaktorze SBR. W ten sposób powstał tzw. MBSBBR (ang. Moving Bed Sequencing Batch Biofilm Reactor). Takie rozwiązanie pozwala na rozwój biomasy utwierdzonej na ruchomych nośnikach, dzięki czemu zastosowanie urządzenia niesie ze sobą duże możliwości technologiczne 5. Sekwencyjne reaktory biologiczne mogą być zasilane substratem w sposób ciągły lub okresowy. Zasilanie reaktorów SBR w sposób ciągły oznacza, że ścieki do komory doprowadzane są przez 24 h/d, podczas gdy odprowadzanie ścieków sklarowanych odbywa się okresowo 3. 3. Oczyszczanie ścieków komunalnych w reaktorach SBR W związku z prostą zasadą działania reaktory SBR są bardziej elastyczne w dostosowaniu parametrów pracy do potrzeb procesowych niż systemy przepływowe. Czas cyklu zależny jest od technologów sterujących procesem, można go dopasować do zmian w ilości oraz składzie dopływających ścieków 9. Zwykle czas trwania cyklu w przypadku oczyszczania ścieków komunalnych wynosi około 8 do 12h. Modyfikacja czasu pracy reaktora następuje poprzez jego wydłużenie, gdy natężenie ścieków doprowadzanych do bioreaktora charakteryzuje się wyjątkowo dużym współczynnikiem nierównomierności, bądź gdy zakłada się uzyskanie podwyższonej sprawności eliminacji substancji organicznych oraz związków biogennych - azotu i fosforu. 9 M. Mańczak, Przykłady zastosowania reaktorów SBR - kompakt do oczyszczania ścieków komunalnych, Przegląd Komunalny, nr 7/2004b,s. 38-40 123
Czas trwania elementarnych faz całego cyklu zależny jest od charakteru ścieków, natężenia ich przepływu, zdolności osadu czynnego do sedymentacji oraz założonej sprawności oczyszczania. Istotną rolę odgrywa sposób doprowadzania i odprowadzania ścieków, czyli to czy występują zbiorniki retencyjne czy też nie. Podczas doboru reżimu technologicznego dla oczyszczania ścieków komunalnych, zgodnie z danymi literaturowymi przyjmuje się, iż w bioreaktorach SBR możliwe są następujące sytuacje: czas fazy napełniania zależy od ilości doprowadzanych ścieków podczas trwania cyklu oraz od liczby reaktorów; czas fazy mieszania i napowietrzania związany jest z rodzajem ścieków doprowadzanych, zależy również od celów technologicznych, przyjętych w procesie oczyszczania. Czas napowietrzania należy dobierać uwzględniając sposób napełniania reaktora ściekami; czas trwania sedymentacji uzależniony jest od właściwości sedymentacyjnych zawieszonej biomasy. Gdy osad czynny jest w dobrej kondycji, czas ten powinien wynosić (w zależności od głębokości czynnej komory reaktora) od 0,5 h do 0,75 h. Natomiast w przypadku pogorszenia zdolności sedymentacyjnych osadu, szczególnie w okresie zimowym, przewiduje się wydłużenie czasu sedymentacji do 1 2 h; czas trwania spustu uzależniony jest od efektywności urządzeń przewidzianych do tego celu, zazwyczaj czas trwania tej fazy równy jest 1 h; czas trwania fazy postoju wynosi zwykle około 0,5 h 4. Liczne zalety technologiczne oraz aspekty organizacyjne i ekonomiczne przesądziły o tym, że reaktory typu SBR często pełnią rolę laboratoryjnego urządzenia służącego do badań nad właściwościami osadu czynnego oraz procesami oczyszczania ścieków. Do niepodważalnych zalet technologii sekwencyjnych reaktorów biologicznych w porównaniu z systemem przepływowym zaliczyć można między innymi: możliwość usuwania związków węgla, azotu i fosforu w jednym zbiorniku, brak urządzeń do recyrkulacji osadu, prostą budowę, możliwość rezygnacji z osadników wstępnych, brak osadników wtórnych, elastyczność doboru długości poszczególnych faz cyklu, dobrą sedymentację osadu, stosunkowo małe zapotrzebowanie na tlen, względnie niewielkie nakłady inwestycyjne, stosunkowo niskie nakłady eksploatacyjne, możliwość kontroli najważniejszych parametrów technologicznych w czasie. 124
4. Laboratoryjny sekwencyjny bioreaktor typu SBR W celu prowadzenia badań laboratoryjnych nad parametrami osadu czynnego oraz procesami oczyszczania ścieków komunalnych powstał reaktor SBR. Jego konstrukcję przedstawiają Rysunki 2, 3, 4. Rysunek 2. Widok na bioreaktor Rysunek 3. Widok z dołu na komorę reaktora 125
Rysunek 4. Widok na mieszadło i dyfuzory Ścieki wykorzystane do badań pobierane były z Miejskiej Oczyszczalni Ścieków Hajdów w Lublinie. Napełnianie komory reaktora SBR realizowane jest od góry. Mieszanie ścieków odbywa się z użyciem mieszadła wolnoobrotowego napędzanego silnikiem elektrycznym. Podczas fazy mieszania nie występuje natlenianie układu, co skutkuje powstaniem warunków anoksycznych a następnie beztlenowych, sprzyjających procesowi denitryfikacji azotanów pozostałych po poprzednim cyklu pracy reaktora. W fazie napowietrzania zawartość reaktora jest jednocześnie natleniania i mieszana, dzięki czemu osad czynny pozostaje w stanie zawieszenia w warunkach tlenowych. Prowadzi to do biodegradacji związków organicznych, umożliwia proces nitryfikacji, a także pobór ortofosforanów przez bakterie PAO. Napowietrzanie realizowane jest poprzez dyfuzor zasilany powietrzem z dmuchawy membranowej. Po wyłączeniu systemu napowietrzania rozpoczyna się faza mieszania i następnie sedymentacji osadu, a co za tym idzie klarowanie ścieków. Następuje oddzielenie się osadu od ścieków oczyszczonych pozwalające na dekantację cieczy nadosadowej do zbiornika ścieków oczyszczonych. Rozmieszczanie dekanterów uwzględnia różną kondycję osadu (właściwości sedymentacyjne) co umożliwia efektywne odprowadzanie sklarowanych ścieków. Fazą kończącą proces oczyszczania ścieków w laboratoryjnym bioreaktorze jest spust nadwyżki osadu nagromadzonego (osad nadmierny) która jest odprowadzana z układu przy użyciu zaworu spustowego zlokalizowanego w dnie reaktora SBR. Zaprojektowany i wykonany zestaw laboratoryjny zabudowany jest z 2 bioreaktorów o łącznej objętości 150 litrów, zakres regulacji prędkości obrotowej mieszadeł zawiera się w zakresie 19 30 obr/min. 126
Najlepsze efekty oczyszczania ścieków uzyskano podczas gdy długość cyklu pracy bioreaktora wynosiła od 8 do 12 godzin. Ilość cykli w ciągu doby oraz długość poszczególnych faz ustalana jest indywidualnie w zależności od wymagań stawianym ściekom oczyszczonym 10. SBR z zastosowaniem którego wykonywane były badania, został zaprojektowany przy założeniu 90% sprawności usuwania BZT 5 i 12 godzinnego cykl pracy. Pełny cykl obejmuje następujące fazy: napełnianie (0,5 h), mieszanie (4 h), napowietrzanie (6 h), sedymentacja (1 h), dekantacja (0,5 h), postój. Wśród badanych parametrów świadczących o stopniu oczyszczenia ścieków komunalnych znajdują się chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT), biochemiczne pięciodniowe zapotrzebowanie na tlen (BZT 5 ), ogólny węgiel organiczny (OWO). 10 T. Głębicki, Bioreaktor do laboratoryjnego badania właściwości osadu czynnego, Praca magisterska, Lublin 2009. 127
Bibliografia 1. Głębicki T.: Bioreaktor do laboratoryjnego badania właściwości osadu czynnego, Praca magisterska, Lublin 2009r. 2. Heidrich Z., 2004, Zastosowanie reaktorów sekwencyjnych w oczyszczani ścieków, Przegląd Komunalny, No 7, 35 3. Klimiuk E., Łebkowska M., Biotechnologia w ochronie środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2004. 4. Lebiedowski M., Wybrane jednostkowe procesy oczyszczania wody i ścieków w ujęciu matematycznym, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2004. 5. Mańczak M., 2004a, Podział reaktorów okresowego działania SBR, Przegląd Komunalny, No 7, 35-38. 6. Mańczak M., 2004b, Przykłady zastosowania reaktorów SBR - kompakt do oczyszczania ścieków komunalnych, Przegląd Komunalny, No 7, 38-40. 7. Piaskowski K., Wpływ parametrów procesowych na usuwanie związków biogennych w laboratoryjnym reaktorze typu SBR, Rocznik Ochrona Środowiska Tom 5., wyd. Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska, Koszalin 2003 8. Podedworna J., Zintegrowane usuwanie azotu i fosforu w reaktorze z długotrwałym dawkowaniem ścieków przez selektor, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002. 9. Podedworna J., Żubrowska-Sudoł M., 2008, Efektywność oczyszczania ścieków komunalnych w reaktorze SBR ze złożem ruchomym, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, No 9, 18-21. 10. http://aquaprim-sbr.com 09.04.09. 128