UNIWERSYTET WARSZAWSKI Wydział Chemii ZAKŁAD DYDAKTYCZNY TECHNOLOGII CHEMICZNEJ  Zapraszamy do odwiedzania strony www Zakładu - proszę tu kliknąć . .ĆWICZENIE NR 13A . . . . . . . . . (Oczyszczanie ścieków organicznych z wykorzystaniem złoża spłukiwanego i reaktora osadu czynnego. Dodatkowo: stopień dodatkowej biologicznej denitryfikacji, koagulacja i flokulacja za pomocą Al2(SO4)3, sorpcja na węglu aktywnym) Statystyka dostępna bez hasła. Kliknij na obrazku    VIDEO Kliknij na obrazku Uwaga studenci: Materiały do ćwiczenia nr 13A zostały przygotowane w formacie HTML (ang. HyperText Markup Language, pol. hipertekstowy język znaczników) czyli w jezyku opisujacym sposób wyswietlania na ekranie odbiorców tresci tekstowej i multimedialnej dokumentów hipertekstowych oraz organizacje wzajemnych polaczeń między nimi. Wyrazy wyróżnione kolorem i podkreśleniem stanowią połączenia do dodatkowych materiałów rozszerzających wiedzę w temacie. Obowiązkiem studenta jest zapoznanie się z nimi. Wiedza zawarta wyłącznie na "pierwszej stronie" nie jest wystarczająca do uzyskania na kolokwium oceny dobrej i bardzo dobrej. Odwiedzano nas już przeszło 11 tysięcy razy.

INSTRUKCJA ĆWICZENIA OPRACOWAŁ ADAM MYŚLIŃSKI Wersja 2010/2011 Ostatnie zmiany - 12.03.2010 r. KONSPEKT ĆWICZENIA

SPIS TREŚCI
 

Ścieki i ich oczyszczanie Klasyfikacja ścieków Określenie stopnia zanieczyszczenia ścieków      Metody oczyszczania ścieków      Metody mechaniczne      Metody chemiczne      Metody biologiczne      Praktyczne rozwiązania oczyszczalni ścieków Część doświadczalna      Opis oczyszczalni       Zasada działania instalacji Przebieg ćwiczenia      Uruchamianie instalacji      Przygotowanie próbek do oznaczania azotanów; denitryfikacja II      Przygotowanie ścieków do oczyszczania      Analiza ścieków surowych  Przepisy analityczne      1 - ChZT          Analiza pomocnicza      2 - miano KMnO4....      3. Kolejne analizy  Opracowanie wyników Wymagania do kolokwium Literatura

Ścieki są to zużyte ciecze, roztwory, koloidy lub zawiesiny, a także odpadowe ciała stałe odprowadzane za pomocą rurociągów do odbiorników naturalnych jakimi mogą być zbiorniki lub cieki wodne, doły gnilne itp. W postaci ścieków odprowadza się odpadowe substancje przemysłowe oraz odpady żywnościowe i fekalia z miejskich i osiedlowych gospodarstw domowych. Ze względu na dużą szkodliwość biologiczną ścieków, zarówno komunalnych jak i przemysłowych, przed odprowadzeniem do odbiornika powinno się poddawać je oczyszczeniu w oczyszczalniach. W Polsce, mimo dużego postępu w tej dziedzinie, nie wszystkie ścieki poddawane są procesowi oczyszczania, co doprowadziło do zatrucia większości naturalnych cieków wodnych, czyniąc z nich na niektórych odcinkach martwe, pozaklasowe kanały ściekowe. W chwili obecnej coraz większa liczba zakładów chemicznych zmuszana jest do racjonalizacji gospodarki wodą, polegającej przede wszystkim na stosowaniu zamkniętych obiegów wody, co powoduje stosowanie nowych, skutecznych metod oczyszczania własnych ścieków, tak by mogły się stać one źródłem wody wykorzystywanej w celach przemysłowych. Do spisu

Ścieki przemysłowe powstają w trakcie procesów technologicznych wielu rodzajów przemysłu. Aby ocenić ich szkodliwość trzeba znać nie tylko skład ich ogólnego odpływu z całego zakładu przemysłowego, lecz także skład strumieni wypływających z poszczególnych działów produkcji. Istotnym parametrem jest ilość ścieków przypadająca na jednostkę produktu wytwarzanego w danym dziale lub zakładzie. Znajomość parametrów ilościowych i jakościowych ścieków pozwala na oszacowanie koniecznego stopnia oczyszczenia, przy którym ich odprowadzenie do naturalnego odbiornika nie spowoduje pogorszenia klasy czystości wody. Sytuacją pożądaną jest uzyskanie lepszej czystości ścieków niż czystość wody w odbiorniku. Z drugiej strony rachunek ekonomiczny określa optimum, które należy przyjąć, aby nie powiększać nadmiernie kosztów własnych zakładu i cenę produktu uczynić konkurencyjną w stosunku do cen światowych. Problem ścieków występuje szczególnie ostro w koksowniach, zakładach petrochemicznych, garbarniach, celulozowniach, mleczarniach i cukrowniach. Ich nieoczyszczone ścieki stanowią duże zagrożenie dla odbiorników naturalnych. Do najczęściej występujących organicznych składników ścieków zalicza się: białka, węglowodany, tłuszcze, oleje, żywice, barwniki, fenole, produkty naftowe, detergenty, pestycydy itp. Składnikami nieorganicznymi są zasady, kwasy nieorganiczne, metale ciężkie (ołów, miedź, rtęć, cynk, kadm, chrom),a także arsen, chlor, siarkowodór, jony siarczanowe, chlorkowe, azotanowe, fosforanowe, węglanowe, amonowe itd. Różnorodne związki organiczne i nieorganiczne nadają ściekom określone cechy fizyczne takie jak mętność, barwa, zapach, zawiesiny. Pienienie się ścieków jest spowodowane występowaniem w nich substancji powierzchniowo czynnych, powodujących zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody. Należą do nich detergenty, mydła i saponiny. Ścieki przemysłowe na ogół nie stanowią zagrożenia sanitarno-epidemiologicznego, gdyż nie zawierają bakterii chorobotwórczych. Wyjątkiem są ścieki z zakładów przemysłu spożywczego, garbarni i zakładów utylizacji odpadów. Mogą one zawierać chorobotwórcze drobnoustroje w różnych postaciach (wegetatywnej i zarodnikowej) i jako takie powinny być poddawane procesom dezynfekcji. Do spisu

 

Parametrem określającym ilość zanieczyszczeń w ściekach jest tzw. biochemiczne zapotrzebowanie tlenu - BZT. Jest to ilość tlenu rozpuszczonego w wodzie zużyta przez bakterie aerobowe (tlenowe) (mg/dm3) w ciągu określonego czasu. Ponieważ ok. 50% zanieczyszczeń zostaje utlenione przez bakterie w ciągu 3 dni, a po ok. 20 dniach proces jest zwykle zakończony, przyjmuje się czas 5 dni jako reprezentatywny do wyznaczenia charakterystyki biochemicznego zapotrzebowania tlenu. BZT5 oznacza się metodą rozcieńczeń lub metodami manometrycznymi. W celu kontroli procesu oczyszczania ścieków parametr BZT5 oznacza się na wlocie i wylocie z oczyszczalni. Metoda manometryczna polega na pomiarze zmiany ciśnienia w szczelnie zamkniętym naczyniu pomiarowym (butelce). Biologiczna redukcja tlenu prowadzi do zmniejszenia ciśnienia powietrza zgromadzonego nad próbką ścieków. W konwencjonalnych manometrycznych systemach pomiarowych używano manometrów rtęciowych. Rtęć, a w szczególności jej pary są substancjami trującymi. W celu eliminacji tego zagrożenia opracowano alternatywne metody pomiarowe. Jako przykład nowoczesnego rozwiązania niech posłuży opracowany przez niemiecką firmę Wissenschaftlich-Technische Werkstaetten GmbH (WTW) system OxiTop® i OxiTop® Control. Jest to manometryczny, bezrtęciowy pomiar BZT. Ciśnienie jest mierzone za pomocą elektronicznych czujników Fotografia obok przedstawia elektroniczny czujnik tzw. "główkę", która pozwala na odczyt ciśnienia wprost z wyświetlacza (OxiTop®). W systemie OxiTop® Control wbudowana pamięć oraz interfejs na pod czerwień pozwala na zgromadzenie od 180 do 360 zestawów danych (w zależności od nastawionego czasu pracy), które mogą zostać w każdej chwili wywołane w kontrolerach i przedstawione tam w postaci wykresu. Kontroler OC 100/OC 110 może zarządzać maksymalnie 120 główkami pomiarowymi OxiTop ® -C; drukarka lub PC wyposażony w odpowiedni program sporządza dokumentację. Innym parametrem jest ChZT (chemiczne zapotrzebowanie tlenu), czyli właściwość wody i ścieków do redukcji pewnych związków chemicznych - takich jak manganian(VII) potasu lub dichromian(VI) potasu. Wyniki oznaczania ChZT zależą od warunków, w jakich wykonuje się próbę, dlatego należy przeprowadzać je w ściśle znormalizowany sposób. Do oznaczania ChZT wody stosuje się zwykle metody nadmanganianowe (zwyczajowa nazwa manganianu(VII)), do ścieków - dichromianową. ChZT oznaczone metodą nadmanganianową określa sie także jako utlenialność. Ze względu na to, że utlenieniu ulega tylko ok. 60% substancji organicznych zawartych w badanych próbkach, utlenialność określa jedynie orientacyjną zawartość zanieczyszczeń. Stosunkowa łatwość wykonania oznaczenia sprawia, że jest ono często stosowane. Uwaga! Nie należy mylić "utlenialności" ze stężeniem tlenu rozpuszczonego w wodzie lub ściekach. To dwa zupełnie odrębne zagadnienia. Do spisu

W procesach oczyszczania ścieków stosuje się metody mechaniczne, chemiczne, biologiczne, mieszane i dezynfekcję. W zależności od rodzaju ścieków proces oczyszczania powinien być tak pomyślany, aby przy minimalnym nakładzie kosztów uzyskiwać najwyższy możliwy stopień oczyszczenia. W tym celu stosuje się jedną lub kilka z wymienionych metod oczyszczania.

 
 

Polegają one na usunięciu grubszych zawiesin organicznych i mineralnych oraz ciał pływających. Usuwa się je za pomocą krat, sit, piaskowników, tłuszczowników oraz osadników różnego typu. Kraty i sita są mechanicznymi przegrodami ustawionymi na drodze spływu ścieków. Osadzające się na nich zanieczyszczenia, zwane skratkami, usuwa się okresowo ręcznie lub mechanicznie. Następnie poddaje się je procesom kompostowania lub po rozdrobnieniu w dezintegratorach zawraca się do obiegu. Kraty zatrzymują grubsze frakcje zanieczyszczeń, sita - drobniejsze (ok. 5 mm). Drobniejsze frakcje nadają się do przeróbki w komorach fermentacyjnych lub biotermicznych. Produktem jest tzw. biogaz oraz przefermentowany osad, nadający się do użycia jako nawóz.

 

Rys. 1	Fot.2

 

Piaskowniki zatrzymują cięższe zanieczyszczenia ziarniste takie jak piasek, muły węglowe itp. Ziarna tych frakcji charakteryzują się dużym stopniem twardości (wg  Mohsa). Nieoddzielenie ich powodowałoby szybkie zużycie urządzeń mechanicznych takich jak pompy, zawory itp. pracujących w przepompowniach. Piaskowniki płaskie mają kształt rynien o długości kilku metrów, w których zanieczyszczenia osadzają się na dnie wskutek działania siły ciężkości podczas przepływu ścieków z niewielką (9...12 m/min) prędkością.. Wadą piaskowników płaskich jest fakt zajmowania przez nie dużej powierzchni użytkowej. Tej wady pozbawione są piaskowniki wirowe, działające na zasadzie hydrocyklonów (rys.1 i fot.2). Zbudowane są w postaci pionowej rury, do której w górnej części wtłaczane są ścieki na kierunku stycznej do ścianki rury. Nadaje to im szybki ruch wirowy. Siła odśrodkowa odrzuca cięższe zanieczyszczenia ku ściankom, po powierzchni których opadają do zbiornika zlokalizowanego u dołu urządzenia. Odpiaszczone ścieki opuszczają urządzenie umocowaną współśrodkowo rurą odlotową.Tłuszczowniki (rys. 1a) są to przepływowe osadniki

Rys 1a. Tłuszczownik jednokomorowy (w celu powiększenia kliknij myszą na obrazku) [wg.6] służące do oddzielania zanieczyszczeń o gęstościach mniejszych od wody, co powoduje, że unoszą się na jej powierzchni. Tłuszczowniki mają postać basenu flotacyjnego. Ścieki przepływają przez basen ze zmniejszoną prędkością umożliwiającą wypłynięcie tłuszczu na powierzchnię cieczy. W celu ułatwienia wypływu wytwarza się w cieczy pęcherzyki powietrza, wdmuchując sprężone powietrze przez otwory w pobliżu dna tłuszczownika. Pęcherzyki powietrza unosząc się ku powierzchni porywają cząstki tłuszczu. Warstwa tłuszczów lub olejów zgarniana jest systemem przelewów lub czerpaków. Osadniki służą do usuwania ze ścieków zanieczyszczeń łatwo opadających. Oczyszczanie ścieków odbywa się wsposób ciągły z wykorzystaniem sił grawitacyjnych. Prędkość liniowa ścieków powinna wynosić do 0,01 m/s, przekrój strumienia ścieków powinien byś przeto odpowiednio duży w porównaniu z rurociągiem transportującym ścieki.. W osadnikach można oddzielić cząstki stałe o średnicy ponad 0,03 mm. Scieki oczyszczone w osadnikach mają wyraźnie zredukowaną wartość parametru BZT5. W osadnikach Imhoffa (dwukomorowych) poza rozdzieleniem osadów od ścieków następuje fermentacja z wydzieleniem metanu i dwutlenku węgla. Otrzymany w ten sposób gaz może służyć do celów opałowych (metan 65...70%. CO2 25...30%). Czas oraz intensywność fermentacji zależą od temperatury. W temperaturze 10...15 st. C całkowity rozkład osadu następuje po 2...4 miesiącach. Osadniki te redukują BZT5 o ok. 40%, a zawiesiny o ok. 70% Do spisu

 
 

Do oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających chemiczne związki organiczne, metale ciężkie itp. stosuje się metody fizyko-chemiczne jak i chemiczne. Zalicza się do nich koagulację, neutralizację, ekstrakcję, sorpcję, elektrolizę i destylację. W zależności od składu ścieków można prowadzić oczyszczanie jedną lub kilkoma z podanych metod. Koagulacja. (rys.1)Procesy koagulacji ścieków są podobne do zachodzących podczas oczyszczania wody Polegają na łączeniu cząstek koloidowych w większe zespoły, w wyniku czego wytrąca się osad w postaci zwartego koagulatu. Czynnikiem powodującym koagulację może być dodatek elektrolitu, dodatek koloidu o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego do ładunku cząstek koloidowych, dehydratacja zolu, odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego, a także czasami ogrzewanie lub wytrząsanie zolu. Ciekawą grupą związków stosowanych jako koagulanty są polielektrolity. Należą do nich np. kopolimery kwasu akrylowego i jego pochodnych. W łańcuchu tego polimeru mogą występować boczne grupy jonotwórcze, takie jak -COOH, -COO-Me+, -NH2, -NR2, lub NR3+X-. Ich budowa powoduje powstawanie zespołu zjawisk elektrostatycznych na granicy cząsteczka - roztwór prowadzących do koagulacji cząstek koloidalnych i wytrącenia ich w postaci osadu. Dokładniejszy opis mechanizmu koagulacji można znaleźć w podręcznikach chemii fizycznej. W procesie koagulacji uzyskuje się znaczny efekt oczyszczenia (redukcja BZT5 do 85% i zawiesin do 90%). Powstaje tu jednak duża ilość osadów. Metodę stosuje się najczęściej do oczyszczania ścieków przemysłu włókienniczego, garbarskiego i chemicznego. Neutralizacja. Polega na zobojętnianiu ścieków o odczynie alkalicznym lub kwaśnym substancjami o odczynie przeciwnym. Do zobojętniania ścieków alkalicznych można używać kwaśnych gazów spalinowych, powstających np. z paliw zasiarczonych i zawierających dwutlenek węgla, tlenki siarki i azotu. Do neutralizacji ścieków kwaśnych używa się mleka wapiennego lub gazów odpadowych zawierających amoniak. Neutralizację można prowadzić następującymi metodami: - mieszaniem ścieków kwaśnych z alkalicznymi, - dodawaniem odpowiednich odczynników, - przepuszczaniem ścieków kwaśnych przez złoża sporządzone np. z kamienia wapiennego i innych skał o podobnym odczynie (np. dolomitów). Do spisu

Wykorzystanie procesów biochemicznych i częściowo fizycznych do oczyszczania ścieków pozwala uzyskać dalsze obniżenie ładunku substancji organicznych. Stosuje się je zwykle jako kolejny stopień oczyszczania w przypadku, gdy metody zastosowane wcześniej nie zapewniają odpowiedniej klasy czystości wody zrzucanej do odbiorników. Oczyszczanie biologiczne przebiega zarówno w warunkach tlenowych, niedotlenionych jak i beztlenowych i polega na utlenianiu oraz mineralizacji związków organicznych zawartych w ściekach przy udziale mikro i makroorganizmów. Mikroorganizmy te zużywają związki zawarte w ściekach jako pokarm i podstawę przemiany materii. Zasada oczyszczania jest taka sama, jak w przypadku naturalnego samooczyszczania się zbiorników wodnych. Różnica polega na stworzeniu optymalnych warunków przebiegu procesu (obecność tlenu, pożywki, mieszanie mechaniczne, temperatura, pH itp.), które zwiększają szybkość i skuteczność procesu. Metody biologiczne dzieli się na naturalne i sztuczne. Do naturalnych zlicza się metodę pól irygacyjnych i pól filtracyjnych. Do sztucznych zalicza się metodę złoża spłukiwanego i osadu czynnego. We wszystkich metodach biologicznego oczyszczania ścieków zachodzą następujące procesy: rozkład substancji organicznych do CO2, H2O i NH3 nitryfikacja, czyli utlenienie NH3 za pomocą bakterii Nitrosomonas do azotynów, a następnie za pomocą bakterii Nitrobacter do azotanow, denitryfikacja, czyli przemiana azotanów do postaci azotu gazowego - N2 Można je przedstawić w postaci uproszczonych równań reakcji enzymatycznych: Równanie bezpośredniego utleniania gdzie CxHyOz jest zastępczą formułą zanieczyszczeń organicznych, a E1 to efekt energetyczny reakcji Równanie biosyntezy komórek (asymilacji) gdzie (C5H7O2N)n jest zastępczą formułą substancji komórkowej mikroorganizmów oczyszczających ścieki, a E2 to efekt energetyczny reakcji. Równanie oddychania podstawowego E3 to efekt energetyczny reakcji. Zobacz również:   Większoć bakterii grupy heterotrofów posiada zarówno zdolność oddychania tlenowego jak i azotanowego. Są zatem tzw. względnymi beztlenowcami. W warunkach tlenowych  jako końcowy akceptor elektronów wykorzystują tlen atmosferyczny, a w warunkach beztlenowych azotyny i azotany. Przykładowy przebieg denitryfikacji przedstawia w wielkim uproszczeniu następujące równanie: mikrobiologiczny rozkład Reakcja biegnie z przeniesieniem 10 elektronów i jest reakcją denitryfikacji całkowitej, najbardziej pożądanej z punktu widzenia jakości operacji. (Na podst.[9]) Więcej o enzymach dowiesz się klikając tutaj

 

Metoda osadu czynnego. Oczyszczanie ścieków za pomocą osadu czynnego polega na wytworzeniu w objętości ścieków kłaczków o wymiarze 50 - 100 mm o bardzo silnie rozwiniętej powierzchni. Kłaczki zbudowane są z mineralnego jądra koloru brązowego lub beżowego, a na powierzchni w śluzowej otoczce zawierają liczne bakterie z grupy heterotrofów takich jak Acinetebacterium, Pseudomonas, Zoogloea, Enterobactericeae, Aeromonas, Flavobacterium, Achromobacter i Micrococus. Zanieczyszczenia organiczne są absorbowane na powierzchni kłaczków i mineralizowane na skutek procesów metabolizmu zachodzących w mikroorganizmach. Aby zapewnić prawidłowy przebieg procesu kłaczki powinny być równomiernie unoszone w masie ścieków przepływającej przez komorę napowietrzania. Metoda osadu czynnego wymaga doprowadzenia tlenu jako substratu bioutleniania zanieczyszczeń organicznych. Aby zagwarantować bakteriom warunki tlenowe, stężenie tlenu rozpuszczonego w ściekach  powinno wynosić > 0,5 mg/dm3[5]. Proces ten może być również stosowany do usuwania ze ścieków amoniaku, siarkowodoru i innych gazów w nich rozpuszczonych. Aktywizują się wówczas bakterie z grupy autotrofów, takie jak Nitrosomonas, Nitrosococcus i Nitrobacter oraz Beggiatoa, Thiotrix, Thioploca i Thiobacillus thioparus. Powstawanie osadu czynnego w komorze napowietrzania wymaga czasu. Aby czas ten skrócić można stosować szczepienie osadu przez dodanie pewnej jego ilości ze ścieków wcześniej oczyszczonych. Stałe utrzymanie kłaczków w stanie zawieszonym wymaga intensywnego mieszania zawartości reaktora. Stosuje się różne metody od mieszania mechanicznego po dysze napowietrzające, które łączą w działaniu funkcję mieszadeł i aeratorów (turbin napowietrzających), a także jedne i drugie razem. Proces mieszania i napowietrzania jest energochłonny. Nowoczesne konstrukcje mieszadeł i aeratorów poprzez odpowiednie dobranie kształtów łopat i dysz zapewniają skuteczność operacji przy optymalnym zużyciu energii elektrycznej. Po zakończeniu procesu napowietrzania ścieki kierowane są do osadnika wtórnego, gdzie następuje oddzielenie osadu czynnego od cieczy. Nadmiarowy osad poddawany jest odwodnieniu i suszeniu, ciecz zrzucana do odbiorników jakimi mogą być np. stawy rybne, a następnie odprowadzana do cieków naturalnych. Stawy rybne stanowią również element kontroli jakości odprowadzanej wody. Mogą być też traktowane jako zbiorniki buforowe w przypadku awarii urządzeń oczyszczających. Woda w stawach ulega dalszemu samooczyszczeniu. Zaletą oczyszczania za pomocą osadu czynnego jest duża skuteczność przy niewielkim zapotrzebowaniu na teren (BZT5 i zawiesiny do 95%, bakterie chorobotwórcze do 98%). Wadą - wrażliwość mikroorganizmów na związki toksyczne i inne czynniki wpływające na ich rozwój.

 
 

Na fotografiach osad czynny z pracownianego reaktora. Można  zauważyć również larwy owadów i nicienie  stanowiące kolejne ogniwo łańcucha pokarmowego

VIDEO

 

Stanowisko do obserwacji mikroskopowej osadu czynnego: z lewej kamera na oświetlaczu, po prawej monitor. Sztuczne złoża biologiczne Sztuczne złoże biologiczne składa się z rusztu, na którym ułożona została warstwa kruszywa, koksu, żużla, tufów wulkanicznych, kamienia, gruzu ceglanego itp. Od dołu, przez ruszt złoże jest napowietrzane sprężonym powietrzem, od góry zaś zraszane ściekami. Zraszanie realizowane jest systemem przelewów, młynkami Segnera  itp. Istotne jest równomierne rozrzucenie cieczy na całą powierzchnię złoża. Procesy zachodzące na powierzchni wypełnienia złoża są podobne do procesów na powierzchni gleby pól irygacyjnych. Tworzy się błona biologiczna, w skład której wchodzą mikroorganizmy roślinne i zwierzęce. Ich działanie polega na utlenieniu i mineralizacji substancji zawartych w ściekach. Złoże po zbudowaniu nie jest aktywne. Jego dojrzewanie trwa kilka tygodni. Złoża zraszane mają grubość 1,5...3 m. Swoją aktywność utrzymują do temperatury 6 st. C. Poniżej aktywność złoża zanika. Ich praca charakteryzuje się wysokim stopniem oczyszczania. BZT5 do 95%, zawiesiny do 92%, bakterie chorobotwórcze do 95%. Wysoka skuteczność oczyszczania jest okupiona stosunkowo niewysoką wydajnością. Złoża spłukiwane (wysokoobciążone). Są to złoża o podobnej budowie. Grubość warstwy wypełnienia wynosi 2...4 m. Ze względu na większe objętościowe obciążenie złoża mineralizacja zanieczyszczeń nie zachodzi na nich całkowicie. Powstają na nich duże ilości kłaczkowatej błony biologicznej, która jest częściowo unoszona przez odpływające ścieki. Nadają się do oczyszczania ścieków o niewilkim stężeniu. W przypadku ścieków stężonych należy stosować recyrkulację. Stopień oczyszczenia wynosi ok. 65% BZT5.

Biomembranowe oczyszczanie ścieków.  Jest to jedna z metod oczyszczania, polegająca na zblokowanu modułów ultrafiltracyjnych z reaktorem biologicznyczm osadu czynnego [10]. Mieszanina ścieków z osadem czynnym ulega w tym procesie zatężeniu, gdyż na zewnątrz odprowadzany jest permeat pozbawiony całkowicie zawiesin, a retentat zawracany jest w całości bądź w części do bioreaktora. Pozwala to na stosowanie o wiele większych stężeń osadu czynnego niż w klasycznym procesie. Prędkość odpływu ścieków oczyszczonych jest stała i zależy od wydajności modułów ultrafiltracyjnych. Niezbędne jest zatem stosowanie zbiorników buforujących okresowe (dzień - noc) wahania dopływu ścieków. Technika ultrafiltracyjna wymaga stosowania urządzeń ciśnieniowych, niezbędny jest szybki przepływ oczyszczanych ścieków stycznie do powierzchni membrany. Pojawiają się problemy związane z tzw. polaryzacją stężeniową membran. Moduły muszą być okresowo myte, lub w przypadku utraty właściwości - wymieniane. W powiążaniu z technikami odwróconej osmozy ze ścieków daje się usuwać również sole mineralne. Szerzej o separacyjnych technikach membranowych można dowiedzieć się z materiałów do ćwiczenia nr 14.   Roślinne oczyszczalnie ścieków  W ostatnich latach jako alternatywa dla małych "technicznych" oczyszczalni ścieków, szczególnie dla jednego lub grupy budynków, pojawiły się oczyszczalnie ścieków z udziałem roślin. Technologia oczyszczalni ścieków przy użyciu roślin jest stosunkowo młoda. Pierwsza tego typu oczyszczalnia powstała w latach pięćdziesiątych w Izraelu, a w Europie pierwsze prace badawcze zostały podjęte równolegle przez Kathe Seidel z Instytutu Limnologii Maxa Planka w Plon oraz R. Kickutha z Instytutu Gleboznawstwa Uniwersytetu w Getyndze w latach sześćdziesiątych XX wieku. Więcej o oczyszczalniach korzeniowych dowiesz się kilikając tutaj Może to się przydać podczas zdawania kolokwium. Więcej o metodach biologicznych można dowiedzieć się klikając tutaj. (w jęz. ang.)

Typowy proces oczyszczania ścieków składa się - na ogół - z czterech stopni oczyszczania: mechanicznego, biologicznego, usuwania związków biogennych i tzw. odnowy wody. Złoże spłukiwane może stanowić - obok instalacji osadu czynnego - drugi stopień oczyszczania. Pomimo stosowania oczyszczania wielostopniowego w ściekach mogą pozostać jednak pewne zanieczyszczenia nie ulagające rozkładowi. Te substancje zwykło się określać nazwą związków refrakcyjnych. Usuwanie ich odbywa się metodami innymi niż biologiczne, np. przez sorpcję na węglu aktywowanym. Jest to skuteczna, ale jednocześnie bardzo droga metoda. Pewnego rodzaju rozwiązaniem mogą być próby uzyskiwania szczepów bakteryjnych działających selektywnie na konkretny związek chemiczny. Pozwala to na rozkład tych substancji w specjalnie prowadzonych procesach z mikroorganizmami immobilizowanymi na nośniku, np. piance poliuretanowej. Te same szczepy można stosować do regeneracji węgla aktywowanego, co pozwoli na wielokrotne jego użycie. Sorpcja na węglu aktywowanym. Pochłanianie zanieczyszczeń na powierzchni sorbenta, jakim jest węgiel aktywowany nazywamy adsorpcją. Jest to typowy proces pomiędzy fazą ciekłą i stałą doprowadzony do stanu równowagi. Matematycznym i graficznym wyrazem tego jest równanie i wykres tzw. izotermy adsorpcji A = K c n gdzie: A - ilość pochłoniętej substancji na jednostkę adsorbenta, c - równowagowe stężenie adsorbowanej substancji w roztworze, K i n - są to współczynniki określone na drodze doświadczalnej. Wielkość ta jest zależna od rodzaju sorbenta, jakości i stężenia zanieczyszczeń w ściekach i temperatury procesu. [6] Stężenie równowagowe należy pojmować jako takie, w którym szybkość adsorpcji jest równa szybkości desorpcji z powierzchni sorbenta. Ten prosty opis może służyć do charakteryzowania zjawisk tzw. adsorpcji monomolekularnej, tj. odpowiadającej teorii Freundlicha. Więcej na temat zjawisk sorpcji można znaleźć w części teoretycznej ćwiczenia nr 17, a także w materiałach pomocniczych, które można znaleźć klikając tutaj [materiały zamieszczone na stronach www Iowa State University, USA].     Opisane powyzej metody znajdują zastosowanie w nowoczesnych technologicznie instalacjach oczyszczania ścieków, ktorych przykladem może być oczyszczalnia typu "Bioset". Praca instalacji (rys.3.) polega na separacji zanieczyszczeń mechanicznych na gęstej kracie samoczyszczącej z możliwością prasowania wychwyconych odpadów, sedymentacji łatwoodpadających zanieczyszczeń w piaskowniku pionowym, a następnie w separatorze piasku. Kolejną operacją jest wielofazowe oczyszczanie metodą osadu czynnego w systemie jednoosadowym, komór obiegowych z recyrkulacją wewnętrzną (redukcja związków biogennych na drodze biologicznej, bez stosowania reagentów chemicznych). Duża głębokość komór (6,5m), powierzchniowy sposób napowietrzania z intensywnym mieszaniem powodują, że ścieki przechodzą przez strefy o różnym potencjale oksydo-redukcyjnym i podlegają naprzemiennie procesom biologicznej defosfatacji, nitryfikacji i denirtyfikacji. Następnie prowadzona jest sedymentacja końcowa i dwustopniowe zagęszczanie osadu z recyrkulacją wewnętrzną - samoczynną z osadnika oraz wymuszoną za pomocą pomp zatapialnych z głębokich lejów osadowych. Odwadnianie osadu przebiega w sposób naturalny w lagunach trzcinowych lub mechaniczne. Większość procesów oczyszczania biologicznego prowadzona jest w jednym, wielofunkcyjnym zbiorniku żelbetowym (4) o średnicy od 12 do 48 metrów i głębokości czynnej 6,5 m. Całość wyposażenia zanurzonego na stałe pod zwierciadłem cieczy wykonana jest z materiałów nie korodujących (przede wszystkim tworzywa sztuczne, a elementy złączne z nie korodującej stali jakościowej). Elementy ponad zwierciadłem ścieków wykonane są ze stali o zwykłej jakości i zabezpieczane farbami o odpowiedniej odporności. Instalacja umożliwia również chemiczne strącanie nadwyżki fosforu w przypadku nietypowych proporcji związków węgla do fosforu, higienizację odwodnionego osadu za pomocą wapna oraz biologiczną przeróbkę odwodnionego osadu na biohumus z wykorzystaniem dżdżownic. Możliwe jest również prowadzenie dezynfekcji w przypadku wykorzystania ścieków oczyszczonych jako źródła wody. W instalacji można uzyskać następującą skuteczność oczyszczania: Tabela 1. Redukcja [%] BZT5 ChZT Zawiesina Fosfor ogólny Azot ogólny 95-99 90-93 93-95 80-951 90-95   1) - przy wspomaganiu chemicznym Rys. 3. Schemat technologiczny oczyszczalni ścieków typu "Bioset" Oznaczenia: 1. pompownia, 2.krata gęsta, 3. piaskownik , 4. reaktor Bioset, 4.1 komora beztlenowa,   4.2 komora niedotleniona,  4.3 komora tlenowa, 4.4 osadnik wtórny, 5. biostruktury, 6. zwężka pomiarowa,  7. zagęszczacz osadu, 8.prasa taśmowa osadu   Oczyszczalnia jest sterowania systemem komputerowym z prowadzeniem wielu pomiarów i optymalizacją procesu. Przy przepustowości kilkunastu tysięcy m3/dobę wymaga zatrudnienia około 10 osób przy pracy ciągłej, trzyzmianowej. Usunięcie 1 kg ładunku BZT5 ze ścieków komunalnych pochłania 1,9 - 2,5 kWh (w przeliczeniu na działanie całej oczyszczalni), natomiast oczyszczenie 1 m3 ścieków około 0,35 - 0,45 kWh przy BZT5 ścieków surowych przy 300 mg O2/dm3. Przykładem innego rozwiązania jest urządzenie typu BIOSTYRR®. Jest to proces biologicznego oczyszczania ścieków działający na zasadzie złoża biologicznego. Kultury bakterii, które rozkładają zanieczyszczenia zawarte w ściekach osiadają na granulowanym wypełnieniu z poliestyrenu. Oczyszczalnie są zaprojektowane jako złoża o przepływie z dołu do góry ze strefą niedotlenioną przy dnie i strefą tlenową na górze złoża. Ścieki są recyrkulowane ponad złożem. Specyfika metody polega na: Trzech procesach prowadzonych w jednym zbiorniku, tzn. nie ma osadnika wtórnego Wysokiej efektywności procesu Zwartej budowie urządzenia i małym zapotrzebowaniu terenu Możliwości instalowania na istniejących oczyszczalniach Małej wrażliwości na temperaturę Braku uciążliwych zapachów, ponieważ na powierzchni złoża są tylko ścieki oczyszczone nasycone tlenem W oczyszczalni systemu BIOSTYRR usuwanych jest wiele zanieczyszczeń organicznych i związków biogennych, np. azot. Osad i małe cząsteczki zawiesiny są zatrzymywane na filtrze. Wszystkie te procesy zachodzą w jednym niewielkim zbiorniku - nazywanym komorą. Oznacza to, że oczyszczalnia BIOSTYRR wymaga bardzo mało miejsca w porównaniu z konwencjonalnymi oczyszczalniami. System BIOSTYRR daje dużą swobodę wyboru procesu. Urządzenie może pracować jako złoże z usuwaniem tylko związków organicznych lub jako złoże nitryfikacyjne i/lub denitryfikacyjne z recyrkulacją lub bez niej. Konfiguracja jest uzależniona od wymaganej jakości ścieków oczyszczonych. Jeżeli wymagane jest usuwanie azotu ogólnego, system BIOSTYRR może być zaprojektowany do łącznego prowadzenia nitryfikacji/denitryfikacji lub też denitryfikacja może być prowadzona na osobnym złożu.   Opis procesu Zasada działania systemu jest następująca: ścieki są pompowane do kanału rozdzielającego, skąd są doprowadzane na dno komory. Następnie ścieki przepływają do góry przez złoże. Najpierw przez strefę niedotlenioną, gdzie zachodzi zarówno denitryfikacja, jak i filtracja, tzn. zatrzymywanie zawiesin na materiale wypełniającym złoże. Kiedy ścieki przepływają przez napowietrzaną strefę tlenową, amoniak jest przekształcany w azotyny, a potem w azotany w wyniku procesu nitryfikacji. Ścieki zawierające azotany są recyrkulowane i mieszane ze ściekami surowymi. Mieszanina tych ścieków jest następnie zawracana do dołu komory złoża. Przemiany azotanów wymagają obecności związków węgla w strefie niedotlenionej. Znaczna część związków węgla znajdujących się w ściekach surowych jest usuwana wraz z osadem już podczas ich mechanicznego oczyszczania. Dlatego, może wystąpić konieczność dodawania źródła węgla w postaci etanolu lub metanolu. W tym samym czasie, kiedy nitryfikacja zachodzi w strefie tlenowej, w strefie niedotlenionej zachodzi proces denitryfikacji. Dzięki recyrkulacji ścieków azotany ze strefy tlenowej są redukowane do azotu gazowego w strefie niedotlenionej. Kiedy ścieki przepływają przez materiał wypełniający złoże, zatrzymywana jest zawiesina powodując stopniowe zatykanie złoża. Żeby poruszyć zatrzymany osad i usunąć go, złoże jest przepłukiwane w odwrotnym kierunku przy pomocy ścieków i powietrza. Usunięty osad może być skierowany ponownie do części mechaniczno-chemicznej oczyszczalni i oddzielony wraz z osadem wstępnym. Do spisu   Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z operacją oczyszczania ścieków na wysokoobciążonym złożu spłukiwanym zespolonym z reaktorem osadu czynnego. Oczyszczane będą ścieki mleczarskie. Ścieki mleczarskie zawierają typowo organiczne zanieczyszczenia, a mianowicie w różnym stosunku kazeinę i inne białka, laktozę (cukier mlekowy) oraz tłuszcze [6]. Jednym z możliwych składów ścieków oczyszczanych w ćwiczeniu jest wodny roztwór serwatki (cieczy powstającej przy produkcji sera w mleczarniach) lub wodny roztwór mleka, a więc imitujące składem ścieki mleczarskie. Należy zaznaczyć, że w nowoczesnych mleczarniach serwatka generalnie powinna być przerabiana np. na koncentraty paszowe, a pewne jej ilości trafiające do ścieków mogą pochodzić tylko z sytuacji awaryjnych oraz wód używanych do mycia naczyń, aparatów, zbiorników i rurociągów pracujacych w zakładzie. Ogólne stężenie serwatki w ściekach nie przekracza 20%. Przeciętny skład chemiczny serwatki ilustruje tabela 2 Tabela 2 Składniki Serwatka [w %] podpuszczkowa kwasowa kazeinowa Sucha masa 7,3 7,3 6,4 - 4,5 Tłuszcz 0,4 0,4 0,02 -0,05 Białko 1,1 1,0 0,4 -0,6 Laktoza 5,0 4,2 4,0 - 5,0 Popiół 0,6 0,8 0,4 - 0,6 wg [7] Z tresci tabeli wynika, że skład serwatki zależy m. in. od metody koagulacji białka. Do spisu Tabela 2a Przykładowy skład ścieków z mycia rurociągów do transportu mleka. w/g[15] Oznaczenie Wartość pH 9.6 Utlenialność [mg O2 / dm3] 290 ChZT    [mg O2 / dm3] 1200 BZT5    [mg O2 / dm3] 515 Ekstrakt eterowy    [mg / dm3] 160 Zawiesiny    [mg / dm3] 480 Tabela 2b Przykładowy skład mleka UHT [w/g danych producenta] Oznaczenie Udział Laktoza 4.7% Tłuszcze ~3.2% Białka ~3% Sole mineralne 0.8% Woda do 100% W ćwiczeniu będzie oczyszczany wodny roztwór mleka tłustego imitujący wody popłuczynowe z mycia aparatury.

Rysunek 1 przedstawia aparaturę oczyszczalni. Składa się ona ze złoża znajdującego się w perforowanym pojemniku (średnica 0,25 m wysokość 0,3 m ), nad którym jest umieszczony zraszacz. Materiałem wypełniającym złoża jest koks (właściwą nazwą jest "koksik", w odróżnieniu od koksu hutniczego) o granulacji 20 - 50 mm. Koks jest substancją porowatą, co zwiększa powierzchnię, na której rozwija się błona biologiczna. Poniżej pojemnika jest umieszczony zbiornik ścieków. Zbiornik pełni również funkcję bioreaktora osadu czynnego. Zawartość zbiornika jest mieszana za pomocą mieszadła napędzanego silnikiem. Intensywność mieszania można regulować za pomocą odpowiedniej sekcji transformatora. Na dnie zbiornika umieszczona jest perforowana rura przez którą można tłoczyć powietrze natleniające ścieki. Tlen z powietrza jest głownym substratem bioreakcji zachodzących w aerobowych procesach oczyszczania ścieków.

 

Oczyszczalnia wyposażona jest w czujniki: temperatury ścieków, pH i stężenia tlenu rozpuszczonego w ściekach. Chcąc zaliczyć kolokwium na ocenę dobrą lub bardzo dobrą trzeba kliknąć na powyższy link i zapoznać się z treścią opracowania. Pomiar temperatury i pH mają znaczenie pomocnicze, pomiary stężenia tlenu w funkcji czasu pozwalają ocenić postęp reakcji zachodzących w oczyszczalni. Czujniki współpracują z mikrokomputerowym pH/tlenomierzem typu CC-411 połączonym z komputerem PC. Taki zestaw pomiarowy pozwala na samoczynną rejestrację wyników pomiarów i następnie ich graficzną prezentację w postaci krzywych w układzie współrzędnych prostokątnych.

Typowe krzywe zależnosci stężenia tlenu rozpuszczonego w funkcji czasu trwania eksperymentu należy obejrzeć KLIKAJĄC TU Może to się przydać podczas zdawania kolokwium.

 

Zbiornik ścieków jest również wyposażony w poziomowskaz oraz zawór służący do pobierania próbek analitycznych. W otwór w dnie zbiornika został wmontowany elastyczny króciec ssawny zasilający pompę. Na wejściu do pompy umieszczono kratę chroniącą wirnik przed mechanicznymi uszkodzeniami w przypadku przedostania się większych zanieczyszczeń stałych. Krata nie jest widoczna na rysunku. Wyjście pompy połączono z przepływomierzem cieczy, skąd ścieki są kierowane elastycznym przewodem do zraszacza, który rozbija strumień cieczy na drobne krople, a te opadając na powierzchnię złoża równomiernie je zraszają. Pompę napędza silnik elektryczny zasilany przez transformator regulacyjny  włączany i wyłączany programowanym sterownikiem mikrokoprocesorowym. Pomiar ilości energii zużytej do napędu silników pompy, mieszadła i kompresora powietrza - a w efekcie do oczyszczania ścieków - umożliwia odpowiedni miernik (popularnie zwany "licznikiem prądu"). Zestaw ćwiczeniowy wyposażony został również w klasyczne stanowisko analityczne składające się z biurety 25 ml, kolb stożkowych o pojemności 200 i 250 cm3, pipet o pojemności 1, 2, 5 i 10 cm3, cylindrów miarowych, zlewek itp. W butlach z ciemnego szkła znajdują się roztwory odczynników analitycznych (0,0125 N KMnO4 (0.0025 mol/dm3) i 0,0125 n (COONa)2 (0.00625 mol/dm3), H2SO4 1:3). Do ogrzewania próbek analitycznych służy łaźnia wodna znajdująca się pod wyciągiem. Do spisu

 

Oczyszczanie ścieków na złożach biologicznych jest naśladownictwem oczyszczania na gruntach naturalnych. Są to procesy aerobowe, czyli zachodzące z pełnym dostępem tlenu z powietrza. W biologicznym oczyszczaniu ścieków główną rolę odgrywają mikroorganizmy takie jak: bakterie, grzyby, pleśnie, glony i pierwotniaki. W złożach są one przyczepione do materiału wypełniającego, tworząc aktywną błonę biologiczną. Proces tlenowego rozkładu zanieczyszczeń przedstawia się zwykle w postaci uogólnionych reakcji utleniania, asymilacji i autooksydacji substancji komórkowej [1]. Powierzchnia wypełnienia złoża jest pokryta błoną biologiczną, utworzoną na bazie handlowego produktu służącego do biologicznego oczyszczania ścieków w oczyszczalniach przydomowych. W zbiorniku ścieków znajduje się pewna objętość wcześniej oczyszczonych ścieków. Powierzchnia i objętość złoża, wydajność pompy użytej w zestawie, a także czas trwania zajęć powodują, że złoże musi pracować jako bardzo silnie obciążone [2]. Zastosowano więc cyrkulację ścieków w celu zintensyfikowania oczyszczania, w odróżnieniu od "prawdziwych" oczyszczalni , w których przepływ ścieków przez złoże następuje - na ogół - tylko raz. Oprócz kontaktu z błoną biologiczną ścieki ulegają zetknięciu z otaczającym powietrzem powodującym ich natlenienie. Proces ten jest intensyfikowany rozwinięciem powierzchni kontaktu międzyfazowego ciecz - gaz przez rozbicie strumienia na drobne krople w zraszaczu i na wypływie ze złoża. Cyrkulacja cieczy trwa nieprzerwanie przez kilka dni (a nie tylko w czasie zajęć).

 

Istnieje również możliwość oczyszczania ścieków z wyłącznym wykorzystaniem zbiornika z osadem czynnym. W tym przypadku nie uruchamia się pompy tłoczącej ścieki na złoże, a reakcje zachodzą w osadzie. Osad czynny powstaje z cząstek błony biologicznej wypłukiwanych wcześniej z powierzchni wypełnienia złoża. Aby zwiększyć aktywność osadu poprzez zapobieganie jego sedymentacji, miesza się intensywnie zawartość reaktora. Tlen dostarczany jest wówczas do środowiska reakcji w przeważającej ilości przez napowietrzenie za pomocą kompresora i perforowanej rury zanurzonej w ściekach. Operacja trwa również kilkadziesiąt godzin. Programując w odpowiedni sposób sterownik mikroprocesorowy można uzyskać naprzemienne cykle aerobowe i anaerobowe wymuszając reakcje utleniania, nitryfikacji i denitryfikacji. W warunkach beztlenowych nastepuje również rozkład związków siarki z wydzieleniem H2S (analiza organoleptyczna). Można także wyłączyć kompresor i prowadzić oczyszczanie w warunkach anaerobowych.

Jeśli chcesz obejrzeć uproszczone schematy animowane -   KLIKNIJ TUTAJ Może to się przydać podczas zdawania kolokwium.

Rys. 1. Schemat aparatury Do zadań studentów należy uruchomienie instalacji i aparatury kontrolno-pomiarowej, ustabilizowanie warunków tlenowych, odebranie porcji ścieków oczyszczonych w poprzednim cyklu w celu ich koagulacji chemicznej, wprowadzenie porcji nowych ścieków i kontrolę ich stężenia poprzez oznaczenie (ChZT) (chemiczne zapotrzebowanie na tlen) w czasie trwania procesu oczyszczania. Wybór tej metody analitycznej podyktowany został prostotą jej wykonania. ChZT jest obok parametru BZT5podstawowym parametrem opisującym stopień zanieczyszczenia ścieków substancjami organicznymi [2]. Porównanie wyników uzyskanych z analiz chemicznych z przebiegiem krzywej tlenowej, a także wyników obliczeń uzuskanych z arkusza kalkulacyjnego pozwoli wyciągnąć wnioski o jakości pracy oczyszczalni. Do spisu

.

UWAGA! W czasie wykonywania analiz studenci posługują się roztworami, które pozostają nieobojętne dla zdrowia wykonującego. Należy zatem ściśle przestrzegać przepisów BHP obowiązujących w Pracowni. Przy pracy z roztworami żrącymi należy używać okularów i rękawic ochronnych. Przy pipetowaniu - do zaciągania roztworów używać pompek lub gruszek. Podczas ogrzewania naczyń w łaźni wodnej zachować odpowiednią ostrożność. Wszystkie roztwory poanalityczne wylewać do specjalnie do tego przygotowanego pojemnika, znajdującego się pod wyciągiem. Poza tym na pracowni zabrania się jedzenia, picia, palenia tytoniu, a przerwę na posiłek należy ustalić z prowadzącym ćwiczenie. Niektóre odczynniki chemiczne używane w tym ćwiczeniu i wymienione w tekście instrukcji mają zaprogramowane " linki " do baz danych dotyczących ich właściwości, oddziaływania na człowieka i sposobu postępowania w przypadku wystąpienia zagrożenia. Wskazane jest, aby zapoznać się z tymi danymi przed przystąpieniem do ćwiczenia.

.
 
 

I. Przygotowanie części ścieków do analizy na zawartość azotanów Do zlewki pobrać ok. 550 cm3 ścieków oczyszczonych biologicznie w poprzednim cyklu doświadczalnym (grupa pracująca tydzień wcześniej). Około 0.5 dm3 cieczy przelać do butli z ciemnego szkła, będącej w dalszej części ćwiczenia reaktorem dodatkowej denitryfikacji. Pozostałe 50 - 100 cm3 przesączyć, a osad czynny zawrócić do reaktora. Jeśli przesącz pozostawałby mętny, dodać do niego kilka kropel 10% roztworu Al2(SO4)3 wymieszać i odczekać do strącenia i opadnięcia osadu. Ponownie przesączyć na sączku twardym (niebieskie opakowanie). Analiza #1 Przesącz - zawierający azotany w stężeniu przewyższającym najczęściej zakres oznaczalności metody - rozcieńczyć w stopniu określonym przez asystenta (najczęściej ok. 2 - 10). W tym celu odpipetować odpowiednia ilość przesączu do kolby miarowej 100 cm3, a następnie dopelnić wodą destylowaną do kreski i dokładnie wymieszać. Do naczynka reakcyjnego odpipetować 5 cm3 roztworu, a następnie pracując pod wyciągiem zadać 2 miarkami preparatu NO3-1 firmy Merck®, zatkać korkiem, wstrząsać ostrożnie przez 1 min, a następnie pozostawić na 5 minut. Preparat Merck® jest silnie toksyczny i szkodzacy srodowisku. Zawiera m. in. kwas sulfanilowy, siarczan miedzi (II) i pył kadmowy. Wskutek wdychania może wywoływac nowotwory płuc, uczulenia - wskutek kontaktu ze skóra. Przy długo trwającej ekspozycji prowadzi do nieodwracalnego pogorszenia stanu zdrowia. Podczas pracy używać odzieży ochronnej, okularów ochronnych, maseczki przeciwpyłowej i rękawic lateksowych. W czasie oczekiwania włączyć kolorymetr. W otworze umieścić filtr interferencyjny 400 nm. Blokując dopływ światła do fotoelementu przyciskiem z lewej strony przyrządu - potencjometrem "ZERO" ustawić wychylenia wskazówki na wartość zerową skali miernika. Kuwetę pomiarową #1 napełnić roztworem ścieków po koagulacji i drugim sączeniu jako roztworem odniesienia, wstawić ją do komory pomiarowej i pokręcając potencjometrem "% " ustawić wartość 100% na skali miernika. Po upływie 5 minut ostrożnie napełnić kuwetę pomiarową #2 zabarwionym roztworem. Kuwety w kolorymetrze zamienić miejscami i po ustaleniu się wyniku zanotować jego wartość w komórce B10 arkusza kalkulacyjnego "17", w Komórce D10 wpisać współczynnik rozcieńczenia wstępnego próbki. Jeśli ścieki nie były wstępnie rozcieńczane, współczynnik = 1. Zapisać na dysku komputera. Roztwory poanalityczne zawierające kadm przelać do pojemnika na odpady stojącego pod wyciągiem. II. Przygotowanie reakcji dodatkowej denitryfikacji Obliczyć szacunkowe zapotrzebowanie węgla organicznego w funkcji stężenia azotanów w ściekach przyjmując, że źródłem węgla jest CH3OH, a jego utlenienie będzie zachodzić wg uogólnionej reakcji denitryfikacji: 2CH3OH + 2NO3- --> 2CO2 + N2 + 4H2O Dodać odpowiednią objętość metanolu przyjmująć jego gęstość r = 0.79 g / cm3. Do butli wrzucić mieszadełko. Butlę zamknąć zakrętką i postawić na mieszadle magnetycznym. Włączyć mieszanie i pozostawić na 24 - 48 h. Analiza #2 Analizę wykonuje się na drugi lub trzeci dzień po pracowni. Około 100 cm3 ścieków po dodatkowej reakcji denitryfikacji przesączyć podobnie jak podczas analizy #1. Jeśli przesącz pozostawałby mętny, dodać do niego kilka kropel 10% roztworu Al2(SO4)3 wymieszać i odczekać do strącenia i opadnięcia osadu. Ponownie przesączyć na sączku twardym (niebieskie opakowanie). Do naczynka reakcyjnego odpipetować 5 cm3 roztworu, a następnie pracując pod wyciągiem zadać 2 miarkami preparatu NO3-1 firmy Merck®, zatkać korkiem, wstrząsać ostrożnie przez 1 min i pozostawić na 5 minut. Kuwetę pomiarową #1 napełnić roztworem ścieków z kolby 100 cm3 jako roztworem odniesienia, wstawić ją do komory pomiarowej i pokręcając potencjometrem " % " ustawić wartość 100% na skali miernika. Po upływie 5 minut ostrożnie napełnić kuwetę pomiarową #2 zabarwionym roztworem. Kuwety w kolorymetrze zamienić miejscami i po ustaleniu się wyniku zanotować jego wartość w komórce B12 arkusza kalkulacyjnego "17", w Komórce D12 wpisać 1 (współczynnik dla analizy bez rozcieńczenia wstępnego próbki). Zapisać na dysku komputera. Jeśli wynik przekraczałby zakres oznaczalności metody (in plus), analizę powtórzyć wg. przepisu #1 (ze wstępnym rozcieńczeniem). Roztwory poanalityczne przelać do pojemnika na odpady stojącego pod wyciągiem. Wyłączyć kolorymetr. III. Sorpcja Po opadnięciu osadów w cylindrze Imhoffa umieścić końcówkę przewodu ssącego na głębokości 2 - 3 cm powyżej górnej granicy osadu. Uruchomić pompę perystaltyczną i ustawić szybkość tłoczenia wg wskazówek asystenta. Pod wylot przewodu odprowadzającego ścieki po sorpcji podstawić odbieralnik - zlewkę na 500 cm3. Co pewien czas obserwować objętość cieczy w odbieralniku. Gdy objętość odebranej cieczy wyniesie ok. 500 cm3, odebrać pozostałą liość ścieków do drugiej zlewki o pojemności ok. 500 cm3. Gdy cała objętość ścieków zostanie przetłoczona, zatrzymać pompę perystaltyczną. Z uzyskanej próbki wykonać analizę ChZT wg przepisu analitycznego nr 1 bez stosowania rozcieńczenia wstępnego. Z danych o parametrze ChZT oznaczonym dla ostatniej próby po oczyszczaniu biologicznym uzyskanych przez ćwiczących w poprzednim tygodniu i danych uzyskanych z analizy obliczyć % redukcję parametru ChZT w operacji adsorpcji na węglu aktywowanym i całkowitą redukcję dla oczyszczalni (dla wszystkich etapów łącznie). IV. Przygotowanie nowej porcji ścieków do oczyszczania. Do kolby stożkowej 2000 cm3 wlać ok. 300 - 500 cm3 serwatki lub 100 - 250 cm3 mleka  i uzupełnić wodą z kranu do 2000 cm3. Powstały roztwór wlać do dolnego zbiornika oczyszczalni i odczekać 5 minut  w celu wymieszania nowego ładunku z zawiesiną osadu czynnego znajdującego się wewnątrz zbiornika. V. Analiza ChZT ścieków surowych Po ok. 2-3 minutach pracy odczytać na wodowskazie ogólną objętość ścieków zwiększająć ją o 2 dm3 gdy pracuje pompa zraszająca złoże. Jeśli oczyszczalnia pracuje tylko osadem czynnym wyniku nie zwiększać. Wynik zapisać w arkuszu kalkulacyjnym uruchomionym w komputerze. Aby nie zakłócać samoczynnego naboru wyników pomiaru stężenia tlenu w ściekach, wpisy do arkusza Excel należy przeprowadzić w chwilę po automatycznym zapisie do pliku w środowisku DOS. Stosując kombinację klawiszy "Alt Tab" przejść ze środowiska DOS w środowisko Windows, dokonać wpisu w odpowiedniej rubryce, a następnie powrócić do środowiska DOS tą samą kombinbacją klawiszy. Postępować podobnie przy wpisywaniu pozostałych wartości. Odczytać stan licznika energii elektrycznej i miernika przepływu cieczy; wpisać do arkusza kalkulacyjnego. Posługując się schematem prac analitycznych (rys. 2) pobrać próbkę ścieków surowych i przygotować próbki analityczne. do zlewki pobrać 500 cm3 ścieków i odstawić je, a po pobraniu następnej porcji ścieków zawrócić do zbiornika. do następnej zlewki pobrać 100 cm3 ścieków i przesączyć je na sączku od osadu czynnego, pobrać pipetą 1 cm3 przesączu i przenieść do kolby miarowej 250 cm3, a następnie dopełnić wodą destylowaną do kreski. Wymieszać. Z proporcji 1cm3  - 250 cm3; x  - 100 cm3 wyliczyć zawartość ścieków przypadającą na 100 cm3 próbki analitycznej i wpisać ją jako wartość V* do arkusza kalkulacyjnego. odczytać na rotametrze wielkość przepływu powietrza i wprowadzić ją do arkusza kalkulacyjnego. z przygotowanego roztworu analitycznego (pkt. 3c) odpipetować dwie próbki po 100 cm3 do kolb Erlenmayera i oznaczyć parametr ChZT wg Przepisu 1. Do spisu Przepis analityczny 1 - ChZT   Do każdej próbki przygotowanej wg pkt. IV 3e (patrz powyżej) odmierzyć biuretą po 10 cm3 0.0125 N (normalnego) (0.0025 mol/dm3) roztworu KMnO4. Próbki przenieść pod wyciąg i zakwasić odmierzając cylindrem po 10 cm3 kwasu siarkowego (1+3 - wodny roztwór kwasu o stosunku objętościowym 1 część kwasu, 3 części wody dest.) Kwas znajduje się w butelkach obok łaźni wodnych pod wyciągiem. Kolby z próbkami umieścić na 30 minut we wrzącej łaźni wodnej. Po 30 minutach kolby przenieść do stołu i odpipetować do nich od razu po 10 cm3 0,0125 N (normalnego) (0.00625 mol/dm3) roztworu (COONa)2, wymieszać, a następnie miareczkować 0,0125 N (0.0025 mol/dm3) roztworem KMnO4 do pierwszego słabego, (ale trwałego - utrzymującego się przez co najmniej 2 min.) różowego zabarwienia. Uwaga praktyczna: w czasie miareczkowania pod kolbę Erlenmeyera podłożyc białą kartkę papieru lub bibuły, odsunąć od stanowiska wszystkie silnie zabarwione przedmioty (unikanie refleksów swietlnych) i miareczkować do barwy na granicy wykrywalności wzrokiem. Mówiąc żartem - do momentu "zdaje mi się, że jest już różowawe". Każde, nawet najsłabsze zabarwienie jest bowiem nadmiarem titranta, który w tej analizie jest także wskaźnikiem. Im nadmiar mniejszy, tym wynik dokładniejszy. Uwaga dotyczy wszystkich analiz manganometrycznych w tym ćwiczeniu. Wynik uśrednić. Wyniki są prawidlowe jeśli nie różnią się od siebie więcej niż ± 5% mniejszej wartości. Wpisać do arkusza kalkulacyjnego jako wartość w kolumnie V1. W czasie miareczkowania zachodzi reakcja:

 

2KMnO4 + 5Na2C2O4 + 8H2SO4==> 2MnSO4 + 5Na2SO4 + 8H2O +10CO2 + K2SO4

Można ją również zapisać jonowo:

 

Jon manganowy z +7 stopnia utlenienia przechodząc na +2 redukuje się, jest więc utleniaczem. Jon szczawianowy przechodząc z -2 do cząsteczkowego CO2 utlenia się, jest więc reduktorem. Reakcja ta jest konkurencyjna w stosunku do reakcji utleniania związków organicznych w czasie ogrzewania próbki. Pozwala zatem na różnicowe ich oznaczenie w próbce. Do spisu

VI. Analiza pomocnicza Ponieważ roztwór analityczny KMnO4 jest nietrwały, należy wyznaczyć jego miano posługując się wzorcowym roztworem (COONa)2. Również woda destylowana używana do rozcieńczania przesączu ścieków zawiera pewną ilość substancji redukujących. Należy zatem wyznaczyć tę zawartość. W tym celu należy posłużyć się przepisem 2.

 

Rys. 2 Schemat prac analitycznych. Do spisu Przepis analityczny 2 - Miano KMnO4 i ChZT wody destylowanej. Do dwóch kolb Erlenmayera odmierzyć po 100 cm3 wody destylowanej używanej w ćwiczeniu. Do każdej dodać z biurety po 10 cm3 roztworu KMnO4. Kolby przenieść pod wyciąg i zakwasić próbki dodając po 10 cm3 kwasu siarkowego (1+3). Umieścić we wrzącej łaźni wodnej na 30 minut Po 30 minutach kolby z próbkami przenieść do stołu i odpipetować po 10 cm3  0,0125 N (0.00625 mol/dm3) roztworu (COONa)2, wymieszać, a następnie miareczkować 0,0125 N (0.0025 mol/dm3) roztworem KMnO4 do pierwszego słabego różowego zabarwienia. Zanotować wyniki, uśrednić i wpisać do arkusza kalkulacyjnego w kolumnę V0. Następnie ponownie dodać po 10 cm3 0,0125 N (0.00625 mol/dm3) roztworu (COONa)2, wymieszać i miareczkować 0,0125 N (0.0025 mol/dm3) roztworem KMnO4 do ponownego słabego różowego zabarwienia. Zanotować wyniki, uśrednić i wpisać do arkusza kalkulacyjnego w kolumnę V. Reakcje zachodzące w tej analizie są takie same jak w analizie poprzedniej Do spisu VII. Dalsze analizy pracy oczyszczalni Po upływie 2...2,5 godziny pracy oczyszczalni należy pobrać kolejną próbkę ścieków. Należy postępować wg procedury opisanej w punktach 1 - 3 Analizy ścieków surowychz ta różnicą, że stężenie roztworu analitycznego należy podwoić pipetując do kolby miarowej 2 cm3 przesączu na 250 cm3 roztworu. Z proporcji jak w punkcie IV. 3c wyliczyć nową wartość V* i wstawić w odpowiednią kolumnę arkusza. Wyniki pomiarów energii i przepływów cieczy wstawić w odpowiednie kolumny. Kontrolować ogólną objętość ścieków. Jeśli wskutek parowania wody objętość ścieków w zbiorniku zmniejszy się, należy ją uzupełnić wodą destylowaną do wielkości z początku ćwiczenia. Do poprawnego wyznaczenia charakterystyki należy wykonać kilka analiz w odstępach 2...3 godzinnych. Końcową analizę należy wykonać po dwóch - trzech dniach pracy oczyszczalni. Ilość poprawnie wykonanych analiz ma bezpośredni wpływ na ocenę pracy laboratoryjnej. VIII. Opracowanie wyników Jeśli nie ma możliwości użycia komputera, obliczenia można wykonać tradycyjnie stosując się do następujących wskazówek. 1. Obliczyć hydrauliczne obciążenie złoża w kolejnych okresach pomiarowych w jednostkach [m3/m2 * 24 h] ; przyjmując wymiary złoża jako f = 0,25 m., h = 0,3 m. 2. Obliczyć ChZT dla wszystkich próbek stosując zależność: [mg O2 /dm3]    (3.) gdzie: V - objętość roztworu KMnO4zużytego do miareczkowania 10 cm3roztworu (COONa)2 V0- objętość roztworu KMnO4zużyta do miareczkowania 100 cm3wody redestylowanej używanej do rozcieńczenia próbek V1- objętość roztworu KMnO4zużyta do miareczkowania próbki, V2- objętość wody w 100 cm3próbki wstępnie rozcieńczonej V3- objętość badanej próbki w 100 cm3wstępnie rozcieńczonej próbki 1000 - przelicznik W trybie normalnym obliczenia ChZT należy wykonać używając arkusza kalkulacyjnego w programie Excel 3. Po wykonaniu ostatniej analizy ChZT (na drugi lub trzeci dzień) zatrzymać program samoczynnego naboru danych (klawisze Ctrl Alt x) i wyłączyć zasilanie tlenomierza przyciskiem "on/off". 4. Korzystając z pliku zawierającego wyniki pomiarów stężenia tlenu rozpuszczonego narysować krzywą tlenową w układzie współrzędnych prostokątnych (oś Y w [%] tlenu rozpuszczonego, oś X czas [h]). Można to wykonać w środowisku Windows uruchamiając program kalkulacyjny MSExcel lub graficzny "Grapher" i postępując wg wskazówek asystenta. Wersję DEMO programu (~11MB) można ściagnąć KLIKAJĄC TU. Można to również zrobić inną, dowolną techniką graficzną. 5. Za pomocą tego samego programu wykonać wykres ChZT = f(t) i współczynnk jakości pracy oczyszczalni w funkcji czasu. Pożądane jest wykonanie wykresów ilustrujących zależność wszystkich wyników uzyskanych w arkuszu kalkulacyjnym w kolumnach "Wyniki" od czasu. Porównać przebiegi wymienionych funkcji. Wyciągnąć wnioski. Przykładowe zmiany utlenialności ścieków w funkcji czasu eksperymentu. Objętość ścieków w reaktorze - 9 dm3, po kolejnym cyklu oczyszczania wymiana 1,7 dm3 ścieków oczyszczonych biologicznie na wodny roztwór mleka tłustego 3,2% w stosunku: 0,3 dm3 mleka i 1,4 dm3 wody wodociągowej. Wyniki z ośmiu serii pomiarowych - semestr zimowy 2007 / 2008. Interesujący jest zmniejszający się rozrzut wyników w funkcji czasu. Ilustruje on z dużym prawdopodobieństwem nabieranie wprawy w wykonywaniu analiz przez studentów. 6. Z podziałki cylindra Imhoffa odczytac objętość osadu. Oszacować procentowy (objętościowy) udział osadu w próbce. 7. Opis wykonania ćwiczenia przygotować wg poniższego wzoru:

 

Sprawozdanie z ćwiczenia nr.	Data wykonania ćwiczenia
Asystent prowadzący ćwiczenie	Data oddania sprawozdania
Wykonujący ćwiczenie.	Nr grupy
Tytuł ćwiczenia	Uwagi asystenta

1. Cel ćwiczenia. 2. Przestudiowana literatura dotycząca ćwiczenia. 3. Teoretyczne podstawy eksperymentu. 4. Opis eksperymentu zawierający: a) blokowy (uproszczony) schemat aparatury Schemat należy wykonać własnoręcznie ( nie kopiować rysunku z niniejszej instrukcji) korzystając z dowolnego programu graficznego (np. MS Paint, Paintbrush), lub przycisku "Rysowanie" w pasku narzędzi edytora tekstu MSWord. W ostateczności starannie narysować na arkuszu papieru w kratkę. Schemat powinien przedstawiać podstawowe elementy instalacji w postaci prostokątów lub kwadratów połączone przewodami hydraulicznymi - linie ciągłe, pneumatycznymi - linie kropkowane i elektrycznymi - linie przerywane. Można je także wyróżnić kolorem. b) listę reagentów i odczynników, c) wykonywane czynności. d) obserwacje i wyniki pomiarów. 5. Opracowanie wyników: a) równania reakcji, b) rachunkowe opracowanie otrzymanych wyników  Wykorzystując arkusz Nr 2 sporządzić wykresy zależnosci zmian paramertów: ChZT od czasu Obciążenia hydraulicznego od czasu Obciążęnia ChZT od czasu Współczynnika jakosci pracy od czasu  Wykorzystując arkusz Nr 17 sporządzić wykres słupkowy ilustrujący redukcję stężenia azotanów. Wykorzystując arkusz Nr 1 wykonać wykres zmian stężenia tlenu rozpuszczonego w funkcji czasu w oparciu o wyniki uzyskane z tlenomierza. c) źródła błędów, 6) Dyskusja otrzymanych wyników. 7) Wnioski ( między innymi, czy cel ćwiczenia został osiągnięty).

 

Opis należy dostarczyć do prowadzącego ćwiczenie lub innego asystenta Pracowni nie później niż dwa tygodnie od dnia wykonania ćwiczenia. Forma opisu - wydruk lub plik w formacie MSWord na niezawirusowanej dyskietce; w ostateczności - czytelny rękopis. Opis można również nadesłać jako załącznik (w Outlook Express komenda: Wstaw - Plik załącznika) pod adresem: admys@alfa.chem.uw.edu.pl Do spisu

Ćwiczenia "Oczyszczanie ścieków" wykonywanego na Pracowni Technologii Chemicznej dla Studentów Wydziału  Chemii U.W. i pracowni Utylizacji i Neutralizacji Odpadów dla Studentów M.S.O.Ś U.W. 1. Ścieki i ich podział a) ścieki przemysłowe, b) ścieki komunalne, c) ścieki z gospodarstw rolnych i hodowlanych. 2. Metody oczyszczania ścieków i utylizacja produktów a) oczyszczanie mechaniczne, b) oczyszczanie chemiczne, c) oczyszczanie biologiczne. 3. Metody analityczne stosowane w oczyszczalniach ścieków (parametry ChZT, BZT5, , pH - metria, konduktometria, kolorymetria, pomiar stężenia tlenu rozpuszczonego met. elektrody tlenowej, azot ogólny i w różnych formach, fosforany ). Proszę otworzyć wszystkie linki umieszczone w tym punkcie wymagań. Może to się przydać podczas zdawania kolokwium. 4. Znajomość przebiegu ćwiczenia. Do spisu

UWAGA: Linki umieszczone w spisie literatury na numerach ISBN połączą Państwa z katalogiem online  Biblioteki Narodowej w Warszawie. Połączenie realizowane jest protokołem "Telnet". Po ukazaniu się okna "Telnet" i słowa "login", należy wpisać "library" i nacisnąć "Enter". Wybrać sposób przeszukiwania zasobów wg numeru ISBN naciskając "n", a nastpnie przepisać numer zamieszczony w instrukcji - np. 83-230-9837-9 i ponownie nacisnąć "Enter". Pozycje literatury 3, 6 i 10 dostępne u autora strony. Głowiak B., Kempa E., Winnicki T. - Podstawy ochrony środowiska, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1985. Praca Zbiorowa pod red. Nauk. Teresy Kasprzyckiej - Guttman - Podręcznik do ćwiczeń z technologii chemicznej, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 1996, ISBN 83-230-9837-9 Polska Norma PN-85/C - 04578/02 , Woda i ścieki.. Badania zapotrzebowania tlenu i zawartości węgla organicznego. Oznaczanie chemicznego zapotrzebowania tlenu (ChZT) metodą nadmanganianową. Wydawnictwo Normalizacyjne "Alfa", Warszawa 1986. Szpindor A., - Zaopatrzenie w wodę i kanalizacja wsi, Wyd. ARKADY, Warszawa 1998, ISBN 83-213-3968-9  Hartmann L., - Biologiczne oczyszczanie ścieków, Wyd. Instalator Polski, Warszawa 1996, ISBN 83-902636-4-5  Koziorowski B., Kucharski J.- Ścieki Przemysłowe, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1964 Kumider J. - Utylizacja odpadów przemysłu rolno-spożywczego. Aspekty towaroznawcze i ekologiczne. Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Poznaniu, Poznań 1996, ISBN 83-85530-63-0 Materiały zaczerpnięte ze stron www firm Krueger, Instalex-Bioox Sp.z o.o., WTW i in. Miksch K., - Biotechnologia środowiskowa, część I, Fundacja Ekologiczna "Silesia", Katowice 1995, ISBN 83-902174-3-0 Bodzek M., Bohdziewicz J. - Membrany w biotechnologii. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Inżynieria Środowiska Nr 35, Gliwice 1993. Pawlaczyk-Szpilowa M., Mikrobiologia wody i scieków, PWN, Warszawa 1978 http://www.cdc.gov/niosh/ipcs/ipcssyn.html http://www.ekokompleks.com.pl/isco1.htm - współczesne techniki analityczne w oczyszczalniach ścieków http://www.jezioro.com.pl/jeziora/info/obiegi.htm - obieg azotu i fosforu w naturalnych zbiornikach wody Bartkiewicz B. - Oczyszczanie ścieków przemysłowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002, ISBN 83-01-13808-4 Sekwencje video - Katarzyna Skupińska, Wiesława Skupińska; mikrovideo  -  Adam Mysliński Powrót