Zagadnienia projektowania złóż spłukiwanych

Seria: INŻYNIERIA SANITARNA z. 16 Nr kol. 278 ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ___________________ 1970

Bogumił Kucharski

Katedra Wodociągów i Kanalizacji

ZAGADNIENIA PROJEKTOWANIA ZŁÓŻ SPŁUKIWANYCH

Złoża biologiczne są szeroko stosowane w świecie w techni­

ce oczyszczania ścieków. Chociaż ostatnio coraz częściej są one wypierane przez metodę osadu czynnego, sposób oczyszcza­

nia ścieków na złożach biologicznych jest w dalszym ciągu a- trakcyjny szczególnie dla niedużych jednostek miejskich. W związku z tym pojawiło się wiele prób empirycznego i teore­

tycznego projektowania procesu biologicznego oczyszczania ścieków na złożach. Próby te dotyczą głównie złóż spłukiwa­

nych, gdyż zastosowanie złóż zraszanych jest ograniczone ze względów ekonomicznych do bardzo małych jednostek miejskich

(rzędu 3-5 tys. M).

Ta ilość formuł i sposobów”projektowania prowadzi do pow­

stania szeregu wątpliwości przy wyborze odpowiedniej metody wymiarowania złóż, tym bardziej, że każda z metod prowadzi do innych wyników. Celem niniejszej pracy jest ustalenie za­

kresu zbieżności kilku szerzej stosowanych formuł oraz po­

danie wytycznych do projektowania.

Proces redukcji zanieczyszczeń organicznych na złożach biologicznych jest procesem złożonym. Stężenie BZT^ w odpły­

wie ze złoża L^ można przedstawić ogólnie jako funkcję:

gdzie:

La - stężenie ścieków dopływających do złoża (gBZT^/m^) a - stężenie zawiesiny w ściekach dopływających

- obciążenie hydrauliczne T - temperatura ścieków na złożu H - wysokość złoża

r - zanieczyszczenie wtórne

P - ilość powietrza dostarczona do złoża

Przyjmując, że ilość powietrza (tlenu) dostarczona na złoże jest wystarczająca, uwzględniając zależność pomiędzy stężeniem

"L " ścieków a stężeniem zawiesiny w ściekach dopływających (La = K . a), biorąc pod uwagę, że zanieczyszczenie wtórne "p"

zależy od wysokości złoża "H" i obciążenia hydraulicznego oraz wyrażając wpływ temperatury przez stałą prędkość reakcji w danej temperaturze MKT ", stężenie ścieków odpływających ze złoża można przedstawić prościej jako funkcję [2^]:

Lt = f (La,g,KT ,qh )

Stosowane obecnie wzory matematyczne które uwzględniają po­

wyższe zależności sprowadzają się do wyrażenia określającego przebieg reakcji jednocząsteczkowej.

Wg Howlanda i Schulze'a:

gdzie "t" czas przepływu ścieków przez złoże można wyrazić wzo

Zagadnienia projektowania złóż spłukiwanych

Czas ten zależy oczywiście od rodzaju wypełnienia złoża, a więc jego granulacji i lepkości cieczy.

Wielkość stałej prędkości reakcji "K^" jak też wykładnika obciążenia hydraulicznego "n" są różne u różnych autorów

I tak wg: RH

h '

F

Eckenfeldera 7^{— = e} a

gdzie

K = 1 ,6 5 ^dla w l/min. m2 KH

Lt ^h

Sędzikowskiego = 1 0 + 5 dla K = 1,8 a

6 26 -2L.

L " °»4 • La

Jakowlewa = 10 ^{dla ^} 10

a t

r1,63 HK ¿-Q \ j-.- _a

^ = 1 0Lt

- ( f o ''-4 + 0,69) dla JJ- > 10

a. * t

gdzie

K = 0,138 dla t = 12°C K = 0,115 dla t = 8°C

Wpływ wysokości złoża na efekty działania

Wysokość złoża ma istotny wpływ na stopień redukcji zanie­

czyszczeń na złożu. Dla zapewnienia doprowadzenia odpowiedniej ilości powietrza (tlenu) na złoże na zasadzie ciągu naturalne­

go należałoby ograniczyć wysokość złoża do H = 4,0 m. W przy­

padku stosowania złóż wyższych trzeba przewidzieć wymuszony przepływ powietrza przez złoże. Wysokość złoża zależy od stę­

żenia ścieków doprowadzonych na złoże i powinna wzrastać wraz z wzrostem stężenia. Stosowanie mniejszych wysokości złoża spłukiwanego niż H = 3 m jest ryzykowne gdyż wg Jakowlewa [i]

dla redukcji BZT^ na złożu z wielkości 150 mg/l do 20 mg/l przy temp. 12°C potrzebna wysokość złoża wynosi ok. 2,5 m, a dla temperatur 8°C-12°C może okazać się konieczna wysokość ok.

3,8 m.

Obciążenie hydrauliczne

Obciążenie hydrauliczne ma za zadanie zapewnić odpowiednie

"spłukiwanie" złoża aby niedopuścić do jego zarastania.Stosowa- - 3 2

ne obecnie obciążenia hydrauliczne minimalne - 0,5& /m .h op-

/ 3 2 r i

tymalne - 0,8 + 1,2 m /m h wg 6J są w zasadzie obowiązujące, szczególnie jeśli chodzi o wielkości minimalne. W formułach przedstawiających przebieg procesów na złożach jako reakcję jednocząsteczkową, czas przepływu ścieków przez złoże wyraża się następująco

wg danych amerykańskich b ] W H t +

qh 0,5

wg Howlanda [5^{J [}3^{] t = H| dla ruchu} qh

laminarnego i t = — dla ruchu burzliwego qh

wg Jakowlewa [i] t = H

Zagadnienia projektowania złóż spłukiwanych 24-9

Stosowanie w praktyce innych wielkości np ru"

qh

chu laminaranego może być wątpliwe gdy przepływ ścieków przez złoże jest nieciągły.

Przyjęcie wielkości ■—Hr r-r jest zbliżone do danych doświad-

czalnych [lj. h

Wzrost obciążenia hydraulicznego bez odpowiedniej zmiany stężenia doprowadzanych ścieków (a więc przy jednoczesnym wzroś- cie ładunku doprowadzonego na złoża) prowadzi do pogorszenia efektów pracy złoża.

Obciążenie hydrauliczne powinno wzrastać z wysokością złoża dla zapewnienia właściwego wykorzystania stężenia ścieków do­

prowadzanych na złoże.

Dopuszczalne stężenie ścieków doprowadzanych na złoże zale­

cane do projektowania wynosiło 150 mg BZT5/1. wg danych nie­

mieckich oraz 200 mg BST^/1 wg danych radzieckich.

W zasadzie ograniczenie takie mogłoby nie obowiązywać gdyż stężenie ścieków doprowadzanych do złoża mogłoby wynosić ok.

500 mg/l biorąc pod uwagę zdolność utleniającą złoża [5^] Jakowlew [lj uzależnia dopuszczalne stężenie ścieków dopły­

wających do złoża od wielkości BZT^ odpływu i tak podaje

L = 8 - 10 L, dla złóż o H = 4-,0 m

SI X

L = 6 - 8 L dla złóż o H = 3 t0 ®

SI v

biorąc pod uwagę konstrukcję porównywanych formuł widać że stę- żenie doprowadzanych ścieków wiąże się z obciążeniem hydraulicz­

nym.

Można też łatwo zauważyć dla utrzymania obc. hydraulicznego qh>0,5 m^/m^h przy stosowaniu formuły wg Eckenfeldera dla złóż

H = 4 a i założonych stężeń ścieków dopływających możemy uzy­

skać następujące wyniki

stężenie początkowe L stężenie odpływu

dla 200 ^mg/l 20 ^mg/l

300 ^" 30 ••

400 " 40 ^{• t} *

500 ^" 50 ^{t f}

dla złóż H = 3 b ^ff

dla 200 ^mg/l 35 ^tf

300 ^" 50 ^tf

przy zastosowaniu formuły wg Jakowlewa dla złóż H = 4 m

a) przy temp. ścieków 12°C dla 200 ^mg/ 1

dla 300 ^•

b) przy temp. ścieków 8^°C dla 200 ^mg/l

dla 300 ^»

20 ^mg/l 27 "

23 mg/l 37 "

Jak wynika z załączonych rysunków przy złożach o wysokoś­

ciach H a 3 m przy utrzymaniu przynajmniej minimalnego obcią­

żenia hydraulicznego, dla uzyskania pełnego oczyszczania ście­

ków, a więc w granicach 20-30 mgBZT^/1 w odpływie stosowane stężenia powinny być niższe od 200 ^mg/l.

W przypadku jeśli obciążenie hydrauliczne jest mniejsze od minimalnego dla założonego efektu oczyszczenia ścieków, należy przewidzieć recyrkulację.

Zagadnienia projektowania złóż spłukiwanych 251

Zagadnienia recyrkulacji

Recyrkulacja w warunkach ścieków miejskich może okazać się potrzebna, nie ze względu na stężenia ścieków, lecz na koniecz­

ność zapewnienia odpowiedniego obciążenia hydraulicznego.

Recyrkulacja obniża sprawność działania złoża [5] ale jej stosowanie może okazać się niezbędna dla uzyskania wymaganych efektów oczyszczania. Recyrkulacja obniża ekonomię urządzenia powiększając m.in. zużycie energii. Ma jednak korzystny w d y w na pracę górnych warstw złoża [5] . W przypadku stosowania re­

cyrkulacji przez osadnik wstępny ma ona również taki sam ko­

rzystny wpływ na sedementację w osadniku wstępnym jak wprowa­

dzenie samych osadów wtórnych przed osadnik wstępny.

Obciążenie objętościowe złoża

Dotychczas stosowany sposób projektowania złóż wg Rumpf’a narzucał obciążenie objętościowe złoża w zależności od za­

łożonego stężenia odpływu. Można stwierdzić, że formuły wg Ec- kenfeldera oraz Jakowlewa nie odbiegają pod względem dopusz­

czalnego obciążenia objętościowego (dla pełnego oczyszczenia ścieków)od lanych wg Rumpf a, a w przypadku złóż H = 3 m lub temperatury ścieków 8°C [i] formuły te wymagają niższych ob­

ciążeń objętościowych od obciążeń wg Rumpf’a.

Jedynie wzór podany przez Sędzikowskiego dopuszcza wyższe obciążenia objętościowe.

Uwagi końcowe

1. Jak wynika z wykresów podanych przez Sędzikowskiego wzrost stężenia ścieków dopływających na złoże powoduje zmniejsze­

nie wielkości BZTę. w odpływie. Nie jest to zgodne z innymi formułami (przynajmniej w zakresie obciążeń hydraulicznych

3 2

°» 5 » /» h) wg których wzrost stężenia ścieków dopły wających na złoże powoduje wzrost wielkości BZT^ odpływu.Po­

za tym jest to sprzeczne z wpływem recyrkulacji na stopień oczyszczenia ścieków na złożu [53 ^[l3 i budzi wątpliwości co do słuszności formuły stosowanej przez Sędzikowskiego [5]- 2. Wzór Jakowlewa został skonstruowany na podstawie badań dzia­

łania złóż o stężeniu ścieków dopływających nie przekracza­

jącym w zasadzie stężenia 200 mg/l. Budzi to obawy przed stosowaniem tego wzcru dla stężeń wyższych

3. Formuły przedstawiające procesy na złożu jako reakcję jedno- cząsteczkową wykazują dużą zbieżność z danymi wg Rumpf’a dla pełnego oczyszczania tj. dla wielkości odpływu 20*50(40) mg BZT^/1. Można stwierdzić, że wykres R u m p f ^ dobrze od­

zwierciedla procesy w tym zakresie na złożu H = 3 *r 4 m przy temperaturze ścieków na złożu ok. 10°C dla obciążeń hydrau- licznych ^ 0,5 m /m h.3 2

4. Formuła stosowana przez Eckenfeldera wykazuje zgodność z wy nikami uzyskiwanymi na oczyszczalni Szczukino dla ścieków o temperaturze ok. 10°C. Potwierdza to możliwość zapewnie­

nia zgodności parametrów projektowania z wynikami eksploata­

cji

Wnioski

1. Stężenie ścieków dopływających nie musi być ograniczane do 200 mg/l. Może być stosowane do 500 mg/l. Dla uzyskania od­

powiedniego efektu działania złoża, zależnego od obciążenia hydraulicznego, stężenie początkowe powinno być ograniczone do wielkości:

La = 10 L U La = 6 L

w

dla złóż H = 4 m dla złóż H = 3 a

Zagadnienia projektowania złóż spłukiwanych 253

2 . Dla projektowania złóż spłukiwanych w procesie jednostopnio-

wego oczyszczania tzn. dla pełnego oczyszczenia ścieków za­

lecić można stosowanie wykresu R u m p f a i przyjmowanie stę­

żeń ścieków dopływających jak podano w p. 1 wniosków.

B z rs o d ff Z05. h/t

¡j/m]

BO

5 0

bo-—

50

20

10

W y s okc.< r z fo ż o / / - k O/t.

--- L o * Z 0 0 [9 /r r d ---L a --300 ---L a = 1,00

• » L a --5 0 0

---- R — .

> Z akres recyrkulacji. ,

— ) / / / /

jy

1

/

/ V

- J N / Z * v

/T f

$ /

’ i

obciążenie obje'tościom todunkierri

Rys. 1. Krzywe = f(a) wg Eckenfeldera, dla równania -KH

= e

o0 *5

*h dla K = 1,65

■ C 9 * * r * /m a x T .< * J Rys. 2. Krzywe Lt s f(A) wg Eckenfeldera

-KH Lt ’S'5

dla równania — = e dla K = 1,65

Zagadnienia projektowania złóż spłukiwanych 255

r <7 B z r s / 7

/ m ^ z f cfc. J

R y s . 3» Krzywe = f(A ) wg Jakowlewa L. 10 HK

d l a ^{formuły r —} = ^f(-g— —⁾

a q 1

¿¿PO 400 óOO #¿70 ¿OOO ¿¿OO ¿400 /¿OO o A c /ą ż e /f/e ¿¿A/efadc/otae fa d u n k ie m

/ > " ■ % SM J Bjs. 4. Krzywe Lt = f(A) wg Jato»lm,a

L+ 10HK.

dla formuły - f(-_-1)

a q ’

BZTs ZO&. Ht.

L V /m sJ

Wysokość zćozo ł / --3 m

L a - £ 0 0

— n— za k re s rect/rkuLacji

Z a g a d n i e n i a p r o j e k t o w a n i a z ł ó ż s p ł u k i w a n y c h 257

06c / q i e n / e oby e /o ś ć /o w e fadunkijem

Rys. 5. Krzywe = f(A) wg Sędzikowskiego -1.8 H

L a 2 / 3

t

dla formuły — = 10 + 5

LITERATURA

[i J S.W. JAKOWLEW - Iskustwiennyje biołogiczesKije okislitie- ii i metody ich rasczieta Gosstrojizgat - Moskwa 1959

f s ] J.

-

wania biologicznego procesu oczyszczania ścieków metodą wysoko-obciążonych złóż zraszanych GifTS rok XXXII 1958 s.

217

[3] W.W, ECKENFELDER, D.J, O*Connor - Biological waste treat­

ment P.P. Ltd New York 1961

[/»•j ECKENFELDER, von Der Emde, Gloyna, Malina, Ford - Waste treatment plant design and operational control. The Uni­

versity of Texas at Austin Austin, Texas 1969

£5] T. SĘDZIKOWSKI ~ Uproszczone graficzne spsoby obliczania złóż biologicznych wg metody obciążeń hydraulicznych. Ma­

teriały na IV naradę roboczą projektantów oczyszczalni ścieków.

[ 6 ] » . STICHA - Odvodneni mest kanalisace a Cistirny Statni Nakladatelstvi Techicke Literatury. Praha 1958

[?] Von H. ROHDE - Betriebsergebnisse von klarenlagen Das Gas - und Wasserfach 1960 zeszyt 652

S t r e s z c z e n i e

Referat zawiera interpretację różnych formuł stosowanych do projektowania złóż biologicznych.

Przeprowadzono porównanie tych formuł na rysunkach oraz przedyskutowano zakres ich stosowania do projektowania w pro­

cesie jednostopniowym dla pełnego oczyszczania ścieków.

Zagadnienia projektowania złóż spłukiwanych 259

nPOBJIEM n POEKTHPOBAHMH EHOSttJIbTPOB

P e 3 b m e

f l o K J i a j c o a e p x a ? H H T e p n p e t a m i » p a 3 H t i x ( p o p u y m n p s t u es u em h x rjlb.

n p o e K T K p o B B H M a ( 5 M O $ H J i Ł T p o B . I I p o B e s e H o c p a s H e i i H e s t k x ( p o p i t y m a a p a c y K K a x , a T a i c s c e 6 h j j o C c y K s ^ H n p o j e m h x n p a i t e H e h h h b o j H o c T y - n e H « a T O M n p o x i e c c e j m a n o m a o i i o v k c t k h c t o u h h x b o * .

PROBLEMS OF DISIGNING TRICKLING FILTERS

S u m m a r y

The paper contains the interpretation of various formulae applied to the designing of trickling filters. This formulae were compared with one another by means of drawings:there has been also discussed the range of their application in a one - stage process with the purpose of a full treatement of sever-