Powszechnie wiadomo, że podstawą do projektowania oczyszczalni ścieków są charakterystyczne ilości ścieków i charakterystyczne stężenia zanieczyszczeń, jak też wynikające z iloczynu podanych wielkości, ładunki zanieczyszczeń. Określając ładunki zanieczyszczeń, które są przede wszystkim podstawą do wymiarowania reaktorów biologicznych i urządzeń towarzyszących, można je wyznaczyć jako iloczyn ilości ścieków i stężeń zanieczyszczeń, bądź też jako iloczyn jednostkowych ładunków zanieczyszczeń i liczby mieszkańców obsługiwanych przez oczyszczalnię.
Bardzo często, wobec braku wyników pomiaru ilości ścieków dopływających do oczyszczalni oraz wyników badań jakości ścieków, projektanci sięgają po dane literaturowe, które jednak zwykle odbiegają od danych rzeczywistych. Można zatem mówić o tym, że oczyszczalnia ścieków może być przewymiarowana lub też niedowymiarowana. Oczywistym jednak jest, że aktualna rzeczywista ilość ścieków i aktualne ładunki zanieczyszczeń powinny być nieco niższe od tego co inwestor, a dalej projektant, przewiduje w przyszłości w związku z rozbudową systemów kanalizacyjnych.
Przedmiotem artykułu jest analiza danych wejściowych charakteryzujących ponad 70 miejskich oczyszczalni ścieków, które udało się zebrać na podstawie ankiet rozesłanych do ponad 200 przedsiębiorstw eksploatujących oczyszczalnie ścieków o różnej wielkości.
W artykule przedstawiono rozważania dotyczące ilości ścieków, analizując nie tylko ich średnie dobowe, ale również ilości jednostkowe odniesione do jednego mieszkańca. Wzięto pod uwagę dane projektowe i dane rzeczywiste wynikające z prowadzonych pomiarów oraz wyznaczono wartości ilorazów ilości ścieków rzeczywiście poddawanych oczyszczaniu (Qr) i ilości ścieków przyjmowanych na etapie projektowania (Qp). Zebrane dane dały podstawę do opracowania histogramu analizowanego ilorazu (Qr/Qp). Analizując histogram przedstawiony na rys. 1.c można zauważyć, że największy udział dotyczy ilorazu Qr/Qp = 0,7÷0,8, co świadczy o tym, że w oczyszczalniach tych jest rezerwa odniesiona do ilości ścieków na poziomie 20÷30%. I to nie powinno być przedmiotem totalnej krytyki kończącej się stwierdzeniem, że oczyszczalnia ścieków została przewymiarowana. Niepokojące jest jednak to, że 50% analizowanych oczyszczalni ścieków charakteryzuje się ilorazem Qr/Qp poniżej 0,7. W analizowanym zbiorze danych nieco ponad 4% to oczyszczalnie, w których została przekroczona ilość ścieków określonych w projekcie. Biorąc pod uwagę cały zbiór danych badanego ilorazu Qr/Qp można podać, że wartość minimalna to 0,38, wartość maksymalna – 1,23, a wartość średnia arytmetyczna – 0,70.
Znając średnią dobową ilość ścieków oraz liczbę obsługiwanych mieszkańców, możliwe było wyznaczenie jednostkowych ilości ścieków wynikających z danych projektowych (qp) oraz danych pochodzących z pomiarów (qr). Wyznaczono jednostkową ilość ścieków dla obu przypadków oraz określono wartość ilorazu qr/qp. W odniesieniu do jednostkowej ilości ścieków, wynikającej z danych projektowych, sporządzono histogram przedstawiony na rys. 2.a. Analizując jego układ można zauważyć, że blisko 40% zbioru danych to jednostkowa ilość ścieków qp = 0,15÷0,2 m3/(M.·.d). Warto jednocześnie zauważyć, że ok. 40% uzyskanych danych, to jednostkowa ilość ścieków poniżej 0,15 m3/(M.·.d). Wartości powyżej 0,2 m3/(M.·.d) można uznać za wynikające z podania przez ankietowanych niewłaściwych danych.
Biorąc pod uwagę cały zbiór danych, można podać, że średnia jednostkowa ilość ścieków to wartość qp = 0,178 m3/(M.·.d). Wyniki rozważań, dotyczących rzeczywistej jednostkowej ilości ścieków qr, przedstawiono w postaci histogramu na rys. 2.b. Analizując układ histogramu można zauważyć, że 80% zbioru danych to wartości qr zawierające się w przedziale od 0,1 do 0,25 m3/(M.·.d). Istotne przy tym jest spostrzeżenie, że średnia arytmetyczna wartość qr jest zbliżona do średniej arytmetycznej wartości qp.
Dalsze rozważania dotyczące jednostkowej ilości ścieków obejmowały analizę ilorazu rzeczywistej jednostkowej ilości ścieków (qr) do jednostkowej ilości wynikającej z projektu (qp). Wartość tego ilorazu przedstawiono w formie histogramu na rys. 2.c. I tutaj dominujący jest zakres wartości ilorazu qr/qp od 0,7 do 1,3, który obejmuje ok. 70% zbioru danych. Warto zwrócić uwagę na to, że średnia arytmetyczna analizowanego ilorazu nieznacznie przekracza jeden.
Na podstawie przeprowadzonych rozważań można przyjąć, że jednostkowa ilość ścieków, która powinna być przyjmowana na etapie projektowania miejskich oczyszczalni ścieków, to:
q = 0,175 m3/(M · d)
Porównując tę wartość z wcześniejszymi danymi literaturowymi można zauważyć jej wzrost, bowiem z danych statystycznych [1.] wynika, że badana wielkość to q = ok. 0,14 m3/(M.·.d), a z badań obejmujących dane z 2015 roku [2] – 0,15 m3/(M.·.d).
Dalsze rozważania dotyczyły jakości ścieków dopływających do oczyszczalni, z uwzględnieniem danych przyjmowanych na etapie projektowania i danych rzeczywistych. Analizy przeprowadzono w odniesieniu do podstawowych wskaźników zanieczyszczeń, które decydują o wielkości obiektów technologicznych, biorąc pod uwagę ChZT, BZT5, zawiesinę ogólną, azot ogólny i fosfor ogólny.
Histogramy wartości ChZT przedstawiono na rys. 3. Analizując wartości ChZT przyjmowane na etapie projektowania (rys. 3.a) można zauważyć, że ok. 60% zbioru danych to wartości zawierające się w przedziale 500÷900 g/ m3. Wartość średnia to 901 g/m3. Dane rzeczywiste pokazały, że analizowany wskaźnik jest bardziej zmienny, bowiem większość wyników, to przedział 600÷1200 g/m3, który obejmuje ponad 76% zbioru danych. W odniesieniu do danych rzeczywistych średnia wartość ChZT to 945 g/m3. Analizując iloraz rzeczywistej wartości ChZT [(ChZT)r] do wartości przyjętej w założeniach projektowych [(ChZT)p] można zauważyć, że iloraz ten jest bardzo zmienny i trudno tu wskazać przedział dominujący. Wartości badanego ilorazu niższe od jeden stanowią ok. 47% zbioru danych, natomiast wartości pomiędzy 1 a 1,4, to blisko 35% zbioru danych. Wartości wyższe od 1,4 można uznać za przypadkowe.
Podsumowując rozważania dotyczące wartości ChZT w ściekach dopływających do oczyszczalni, proponuje się przyjmowanie wartości:
ChZT = 950 g/m3
Podobne rozważania, dotyczące wartości BZT5, wykazały, że dominujący przedział tych wartości według danych projektowych, przedstawiony w formie histogramu na rys. 4.a, zawiera się w przedziale od 200 do 400 g/m3 i obejmuje ponad 60% zbioru danych. Średnia wartość BZT5 to ok. 420 g/m3. Z histogramu przedstawionego na rys. 4.b wynika, że wartości BZT5 według danych rzeczywistych są nieco wyższe niż przyjmowane w projektach. I tutaj można przyjąć, że dominujący przedział to wartości w zakresie od 300 do 500 g/m3, który stanowi 60% zbioru danych. W tym przypadku określono wartość średnią BZT5 na poziomie 440 g/m3. Rozważania dotyczące ilorazu (BZT5)r/(BZT5)p wykazały, że pomiędzy badanymi wielkościami występuje niewielka różnica. Wartość średnia tego ilorazu to 1,17, ale należy zwrócić uwagę na to, że 44% zbioru danych to wartości od 0,8 do 1,2. Można w tym przypadku mówić o tym, że przyjmowane na etapie projektowania wartości BZT5 nie budzą zastrzeżeń. Jako wartość dobrze charakteryzującą ścieki dopływające do oczyszczalni można przyjmować:
BZT5 = 440 g/m3
Analiza stężeń zawiesiny ogólnej, przyjmowanych na etapie projektowania, wykazała, że ponad 1/3 zbioru danych to wartości tego wskaźnika od 300 do 400 g/m3, co ilustruje histogram przedstawiony na rys. 5.a. Średnia arytmetyczna z całego zbioru danych to 410 g/m3. Odnosząc się do rzeczywistych danych dotyczących stężenia badanego wskaźnika, można zauważyć, że ponad 57% uzyskanych wyników, to stężenia zawarte w przedziale od 300 do 500 g/m3. Z danych rzeczywistych wynika, że średnie stężenie zawiesiny w ściekach dopływających do oczyszczalni wynosi 436 g/m3. Ciekawe wnioski wynikają z analizy wartości histogramu ilustrującego iloraz stężenia zawiesiny ogólnej w rzeczywistości do stężenia przyjmowanego na etapie projektowania. Średnia wartość tego ilorazu wynosi 0,83, a blisko 70% zbioru danych zawiera się w szerokim przedziale od 0,4 do 1,0. Przeprowadzona analiza wskazuje na to, że stężenie zawiesiny ogólnej w ściekach dopływających do oczyszczalni zaleca się przyjmować na poziomie:
z. o. = 440 g/m3
…
Dalsze rozważania dotyczyły stężenia związków biogennych. Odpowiednie histogramy przedstawiono na rys. 6 i 7. Analizując stężenia azotu ogólnego można zauważyć, że jest to wskaźnik o bardzo zmiennej wartości. Według danych projektowych zawiera się on w przedziale od 38 do 201 g/m3, przy wartości średniej 75 g/m3. W tym przypadku trudno wskazać przedział jednoznacznie dominujący. Rzeczywiste stężenia azotu charakteryzują się mniejszą zmiennością, natomiast wartość średnia jest nieco wyższa, bowiem wynosi 82 g/m3. Iloraz danych rzeczywistych do danych projektowych jest bardzo zmienny, bowiem waha się w przedziale od 0,13 do 1,35, przy wartości średniej 0,83. Można tu wskazać, że ponad 80% zbioru danych, to wartość ilorazu w przedziale od 0,5 do 1,1. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można wskazać, że średnie stężenie azotu ogólnego w ściekach dopływających do miejskiej oczyszczalni można przyjmować na poziomie:
Nog = 80 g/m3
Stężenia fosforu ogólnego według danych projektowych, których histogram przedstawiono na rys. 7.a, są bardzo zmienne, bowiem przedział wartości, to 5,3÷40 g/m3, przy wartości średniej 13,8 g/m3. Warto tu zauważyć, że ponad 72% zbioru danych, to stężenia fosforu nieprzekraczające 15 g/m3. Według danych rzeczywistych zmienność stężeń tego wskaźnika jest również bardzo szeroka i zawiera się w przedziale od 4,2 do 40 g/m3. Wartość średnia to 12,2 g/m3. Analizując iloraz danych rzeczywistych do danych projektowych, można podać, że średnia wartość tego ilorazu wynosi ok. 0,7. Z histogramu przedstawionego na rys. 7.c wynika, że blisko 60% danych to iloraz pomiędzy 0,5 a 0,9. Świadczyć to może o tym, że w wielu przypadkach przyjmowane jest na etapie projektowania zdecydowanie za wysokie stężenie tego wskaźnika zanieczyszczeń. Zebrane i przeanalizowane dane wskazują na to, że przy projektowaniu miejskich oczyszczalni ścieków można przyjmować stężenie fosforu ogólnego na poziomie:
Pog = 13 g/m3
Znając ilości ścieków poddawanych oczyszczaniu, stężenia zanieczyszczeń oraz liczby mieszkańców obsługiwanych przez oczyszczalnię, możliwe było wyznaczenie jednostkowych ładunków zanieczyszczeń. Dotychczas projektanci przyjmują jednostkowe ładunki według danych zamieszczonych w wytycznej ATV-A131 [3], albo przy wykorzystaniu danych wynikających z badań, których wyniki przedstawiono w artykule „Dane wejściowe do projektowania miejskich oczyszczalni ścieków (według stanu na koniec 2015 r.)” [2].
Analizę jednostkowych ładunków zanieczyszczeń odniesionych do ChZT, według danych projektowych i rzeczywistych, zilustrowano w formie histogramów na rys. 8. Z przeprowadzonych analiz wynika, że w projektach najczęściej przyjmuje się ładunek ChZT w przedziale od 100 do 120 g/(M.·.d), który to stanowi blisko 38% zbioru danych. Warto tu zauważyć, że ponad 50% uzyskanych wyników, to jednostkowy ładunek zanieczyszczeń wyższy od 120 g/(M.·.d). Wartość średnia tego wskaźnika, to 140 g/(M.·.d). Z danych rzeczywistych, przedstawionych na rys. 8.b, wynika, że 54% zbioru danych to jednostkowe ładunki zanieczyszczeń w przedziale od 110 do 170 g/(M.·.d). Według tych danych wartość średnia, to 164 g/(M.·.d). Wynika z tego, że jednostkowe ładunki ChZT są zdecydowanie wyższe od podanego w ATV-A131 [3] i bardzo zbliżone do wartości określonej we wspomnianym już artykule [2]. Warto zauważyć, że średnia wartość ilorazu rzeczywistych wartości tego wskaźnika do wartości projektowych jest wyraźnie wyższa od jedności. Przeprowadzone rozważania wskazują na to, że na etapie projektowania jednostkowy ładunek zanieczyszczeń odniesiony do ChZT można przyjmować na poziomie:
łChZT = 165 g/(M · d)
…
Wyniki rozważań dotyczących jednostkowego ładunku zanieczyszczeń odniesionego do BZT5 przedstawiono w formie histogramów na rys. 9. Analizując dane projektowe można zauważyć, że blisko 2/3 zbioru danych, to jednostkowe ładunki w przedziale od 50 do 60 g/(M.·.d). Wartość średnia arytmetyczna to 68 g/(M.·.d). Dane rzeczywiste pokazują, że wartość tego wskaźnika jest wyższa od wartości przyjmowanej na etapie projektowania oczyszczalni. Przedział wartości wskaźnika od 50 do 60 g/(M.·.d) obejmuje tylko 1/3 zbioru danych. Wartości wyższe od 60 g/(M.·.d) stanowią ok. 55% zbioru danych. Można podać, że średnia wartość tego wskaźnika, to 75 g/(M.·.d). Ta ostatnia wartość jest wyższa o 25% od przyjmowanej według ATV-A131 [3] i bardzo zbliżona do wartości wynikającej z artykułu „Dane wejściowe…” [2]. Zdaniem autorów artykułu wartość badanego wskaźnika określanego na etapie projektowania zaleca się przyjmować:
łBZT5 = 75 g/(M · d)
Według danych pokazanych na rys. 10, jednostkowy ładunek zawiesiny ogólnej przyjmowany na etapie projektowania, jak też wartość wynikająca z danych rzeczywistych, wskazują na jego dużą zmienność. Z danych projektowych wynika, że jednostkowy ładunek zawiesiny ogólnej to przedział od 34 do 187 g/(M.·.d), przy wartości średniej – 66 g/(M.·.d). Warto tu też zauważyć, że ok. 70% zbioru danych, to wartości wskaźnika w przedziale od 40 do 70 g/(M.·.d). Z danych rzeczywistych wynika również duża zmienność tego wskaźnika, przy braku możliwości wskazania przedziału dominującego. Przeprowadzona analiza wykazała, że średni jednostkowy ładunek zawiesiny ogólnej, to 76 g/(M.·.d). Analiza histogramu przedstawiającego iloraz wartości rzeczywistych do projektowych pozwoliła na stwierdzenie, że wartość ta jest wyższa od jedności, co świadczy o tym, że jednostkowe ładunki przyjmowane na etapie projektowania są zaniżone.
…
Przeprowadzone analizy dają podstawę do zaproponowania, aby na etapie projektowania przyjmować jednostkowy ładunek odniesiony do zawiesiny ogólnej na poziomie:
łz.o. = 75 g/(M · d)
Warto zauważyć, że wartość ta jest zbliżona do wyników rozważań przedstawionych we wcześniejszych pracach prowadzoych przy udziale autorów niniejszego opracowania [2].
Zebrane dane pozwoliły na określenie jednostkowego ładunku azotu ogólnego w odniesieniu do danych projektowych i rzeczywistych. Dane projektowe, których histogram ilustruje rys. 11.a, zawierają się w bardzo szerokim przedziale, a wartość średnia to 12,9 g/(M.·.d). Największy udział w zbiorze danych ma przedział od 8 do 12 g/(M.·.d), który stanowi ponad 48%. Według danych rzeczywistych przedział wartości jest nieco zawężony, a wartość średnia, to 14,1 g/(M.·.d). Iloraz analizowanych wartości, to bardzo szeroki przedział, a wartość średnia wynosi 1,14. Można tu zwrócić uwagę na to, że blisko 60% zbioru danych, to wartość analizowanego ilorazu, która zawiera się w przedziale od 0,9 do 1,5 g/(M.·.d). Wydaje się, że przy projektowaniu miejskich oczyszczalni ścieków można przyjmować jednostkowy ładunek azotu ogólnego na poziomie:
łNog = 14 g/(M · d)
Jest to wartość o 27% wyższa od podanej w ATV-A131 [3] oraz zbieżna z wartością podaną w przywołanym wcześniej artykule [2].
Jednostkowy ładunek fosforu ogólnego w odniesieniu do danych rzeczywistych i projektowych oraz ilorazu obu wielkości przedstawiono w formie histogramów na rys. 12. Śledząc wartości tych wskaźników i ilorazów można przypomnieć, że według ATV-A131 [3] jednostkowy ładunek fosforu ogólnego zaleca się przyjmować na poziomie 1,8 g/(M.·.d), natomiast według wcześniej wspominanego opracowania [2] – 2 g/(M.·.d). Przeprowadzone rozważania wykazały, że średnia wartość analizowanej wielkości na podstawie danych projektowych wynosiła 2,3 g/(M.·.d), a według danych rzeczywistych 2,1 g/(M.·.d). Wartość średnia ilorazu badanego wskaźnika była poniżej jedności. Analizując histogramy warto zauważyć, że ponad 84% zbioru danych, to jednostkowe ładunki charakteryzujące się progresją i zawierające się w przedziale od 1 do 3 g/(M.·.d). To spostrzeżenie daje podstawę do przyjęcia jednostkowego ładunku fosforu ogólnego na poziomie nieco wyższym od podanego w cytowanej literaturze [2, 3], wynoszącym:
łpog = 2,3 g/(M · d)
…
Literatura
[1] Rocznik Statystyczny. Infrastruktura komunalna. Wyd. Główny Urząd Statystyczny. Warszawa 2016.
[2] Sytek-Szmeichel K., Heidrich Z., Stańko G. 2016: Dane wejściowe do projektowania miejskich oczyszczalni ścieków (według stanu na koniec 2015 r.). Gaz, Woda i Technika Sanitarna.
[3] ATV-DVWK-A131 2001. Wymiarowanie oczyszczalni ścieków z osadem czynnym. Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o. Warszawa.
…
Karolina Wójcik, Zbigniew Heidrich
Politechnika Warszawska, Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska
…
Źródło: Forum Eksploatatora nr 5/2018
