Ocena skuteczności pracy oczyszczalni ścieków w Ostrowach

W pracy przedstawiono ocenę efektów pracy oczyszczalni ścieków Gminy Miedźno w Ostrowach. Na podstawie udostępnionych wyników badań fizykochemicznych ścieków surowych i oczyszczonych wyznaczone zostały następujące wskaźniki niezawodności pracy oczyszczalni ścieków: sprawność oczyszczania, współczynnik niezawodności technologicznej oraz ryzyko negatywnej oceny działania oczyszczalni w stosunku do badanych wskaźników zanieczyszczeń. Analiza obejmowała następujące wskaźniki zanieczyszczeń: BZT₅, ChZT_-Cr i zawiesinę ogólną. Okres wykonywanych badań obejmował lata 2016 i 2017. W wyniku wykonanej analizy badań określono skuteczność usuwania poszczególnych zanieczyszczeń na następującym poziomie: BZT₅ – 98%, ChZT_-Cr – 94% oraz zawiesina ogólna – 97%.

Stwierdzono, że oczyszczalnia działa w sposób prawidłowy i oczyszcza ścieki do wartości normatywnej w stosunku do dopuszczalnych wartości wskaźników określonych w obowiązującym dla niej pozwoleniu wodnoprawnym wydanym przez Starostę Kłobuckiego Przedsiębiorstwu Wodociągów i Kanalizacji Okręgu Częstochowskiego S.A. w Częstochowie z dnia 27 lipca 2016 r.

1. Wstęp

W 2004 roku, gdy Polska przystąpiła do struktur Unii Europejskiej, jednym z wielu zobowiązań jakie miała do spełnienia było poprawienie na terenie kraju gospodarki wodno-ściekowej, tj. odbierania, oczyszczania i sposobu odprowadzania ścieków oczyszczonych do odbiornika do poziomu jaki obowiązuje w innych krajach członkowskich.

Podstawowym dokumentem unijnym regulującym sprawy związane ze ściekami komunalnymi jest dyrektywa 91/271/EWG. W Polsce, oprócz wspomnianej dyrektywy, utworzono Krajowy Program Oczyszczania Ścieków Komunalnych (obecnie obowiązuje V aktualizacja tego programu). W dokumencie tym zawarto zadania związane z uporządkowaniem gospodarki ściekowej, a także przebiegiem ich realizacji [12, 13, 19]. Program został stworzony, w celu wypełnienia przez Polskę zobowiązań wynikających z postanowień traktatowych.

Od momentu wejścia Polski do Unii, nastąpił wzrost liczby wybudowanych kilometrów sieci kanalizacyjnych do odprowadzania ścieków bytowo-gospodarczych, zarówno z jednostek osadniczych miejskich, jak i wiejskich [7-11].

Wytwarzane przez mieszkańców ścieki nieoczyszczone tworzą istotny problem dla środowiska naturalnego i dla zdrowia. Na terenie Polski, oprócz rozbudowywanej infrastruktury kanalizacyjnej, należało podjąć starania związane z budową nowych i modernizacją już istniejących oczyszczalni, aby spełnić wymagania zawarte w obowiązujących aktach prawnych. Akty te obejmują głównie tematy związane z usuwaniem zanieczyszczeń zawartych w ściekach surowych wraz z zwiększeniem przepustowości oczyszczalni i wzrostem RLM wynikających z podłączania nowych obszarów.

Przykładem oczyszczalni, w której zachodzą wszystkie wyżej wymienione aspekty oczyszczania ścieków, jest oczyszczalnia zlokalizowana w województwie śląskim w miejscowości Ostrowy w Gminie Miedźno. Celem tej analizy było określenie skuteczności pracy tej oczyszczalni w oparciu o wytypowane wskaźniki zanieczyszczeń.

2. Obiekt badań

Oczyszczalnia ścieków w Ostrowy podlega  Przedsiębiorstwu  Wodociągów i Kanalizacji Okręgu Częstochowskiego S.A. w Częstochowie, natomiast sama oczyszczalnia znajduje się administracyjnie w Gminie Miedźno. Zakład oczyszczania ścieków jest jedną z ośmiu oczyszczalni, które wchodzą w skład PWiK Okręgu Częstochowskiego.

W analizowanej oczyszczalni następują procesy oczyszczania dopływających ścieków oraz ścieków dowożonych z sołectw, wchodzących w skład Gminy Miedźno. Odbiornikiem ścieków oczyszczonych jest płynąca nieopodal oczyszczalni rzeka Biała Oksza, do której ścieki dopływają rowem odprowadzającym. Pod względem usytuowania terenu, zakład oczyszczania ścieków zlokalizowany jest w bliskim sąsiedztwie zalewu Ostrowy oraz otoczony gęstym lasem.

Oczyszczalnia ścieków w Ostrowach jest obiektem, w którym realizowane są procesy mechaniczno-biologicznego oczyszczania ścieków z dozowaniem środków chemicznych w celu usunięcia fosforanów. Na podstawie danych uzyskanych od eksploatatora oczyszczalni [20], określono jej charakterystyczne przepływy, tj.:

— Q_hmax = 25,00 m³/h;

— Q_dśr = 500,00 m³/d;

— Q_rśr = 148 717,00 m³/rok.

Schemat blokowy oczyszczalni ścieków w Ostrowach został przedstawiony na rys. 1.

Zakład w Ostrowach wykorzystuje układ  oparty o austriacką technologię firmy Dauser Indrustrienlangen und Aberwassertechnik GmbH [20]. Oczyszczalnia składa się z następujących elementów:

• punkt zlewny ścieków dowożonych;
• pompownia ścieków surowych;
• krata schodkowa i ręczna;
• piaskownik napowietrzany;
• biofiltr do dezodoryzacji powietrza;
• dozowanie PIX-u;
• zbiornik zespolony biologicznego oczyszczania (komora osadu czynnego i osadnik wtórny);
• stacja dmuchaw;
• zbiornik osadu nadmiernego;
• stacja mechanicznego odwadniania osadów.

Pozwolenie wodnoprawne udzielone zostało przez Starostę Kłobuckiego Przedsiębiorstwu Wodociągów i Kanalizacji Okręgu Częstochowskiego S.A. w Częstochowie jako eksploatatorowi oczyszczalni ścieków w Ostrowach [20]. Zawarte w nim informacje dotyczące przepustowości oczyszczalni i wartości wskaźników zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych, odprowadzanych do rzeki Białej Okszy przedstawiono w tab. 1.

3. Metodyka i zakres badań

Przeprowadzono analizę następujących wskaźników zanieczyszczeń: BZT₅, ChZT_-Cr oraz zawiesiny ogólnej. Analizą objęto dane z okres od stycznia 2016 do grudnia 2017 roku. Dane odnośnie wskaźników zanieczyszczeń zawartych zarówno w ściekach surowych, jak i oczyszczonych, zostały udostępnione przez Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji Okręgu Częstochowskiego S.A. w Częstochowie.

Wartości analizowanych wskaźników w ściekach surowych i oczyszczonych poddano statystyce opisowej, obejmującej m.in.: miary pozycyjne

• wartość minimalną, średnią i maksymalną; miary rozproszenia – odchylenie standardowe oraz współczynniki zmienności. Dodatkowo dla poszczególnych wskaźników zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych sporządzono histogramy i dystrybuanty empiryczne. Informację na temat liczby przedziałów oraz ich szerokości opracowano na podstawie następujących wzorów [16, 17]:

gdzie: N – liczba danych w ciągu obserwacyjny;

gdzie:

S_max – maksymalna wartość wskaźnika w ciągu obserwacyjnym [mg/dm³];

S_min – minimalna wartość wskaźnika w ciągu obserwacyjnym [mg/dm³].

Sprawność oczyszczania ścieków (h), określana jako iloraz różnicy stężenia zanieczyszczenia w ściekach surowych i oczyszczonych do stężenia zanieczyszczeń w ściekach surowych, obliczona została wg wzoru:

gdzie:

S_d – stężenie zanieczyszczeń w ś ciekach surowych [mg/dm³];

S_o – stężenie zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych [mg/dm³].

Współczynnik niezawodności technologicznej (WN), określany jako iloraz wartości średniej stężenia danego wskaźnika na odpływie do wartości dopuszczalnej danego wskaźnika na odpływie, obliczony został na podstawie

wzoru [16, 17]:

gdzie:

X_śr – wartość średnia danego wskaźnika zanieczyszczeń w oczyszczonych ściekach [mg/dm³];

X_dop – wartość dopuszczalna danego wskaźnika zanieczyszczeń w oczyszczonych ściekach [mg/dm³].

Wskaźnik sprawności technologicznej oczyszczania (P_sw), określanej jako iloraz liczby wyników badań zgodnych z wartościami dopuszczalnymi z pozwolenia wodnoprawnego do wszystkich wyników badań, obliczony został na podstawie wzoru [21]:

gdzie:

n_z – liczba wyników badań z godnych z wartościami dopuszczalnymi z pozwoleniem wodnoprawnym [mg/dm³];

N – liczba wszystkich wyników badań [-].

Ryzyko negatywnej pracy oczyszczalni (R_so), określane jako prawdopodobieństwo przekroczenia dopuszczalnej wartości stężenia zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych, obliczone zostało na podstawie wzoru [1]:

gdzie:

n_n – liczba próbek ścieków oczyszczonych o stężeniach przekraczających wartości z pozwolenia wodnoprawnego [-];

N_dop – dopuszczalna liczba próbek, które mogą niespełniać wymagań [-].

4. Opracowanie i dyskusja wyników badań

Zestawienia następujących parametrów statystycznych, które zostały wyznaczone dla danych wyników badań fizykochemicznych, zarówno dla ścieków surowych, jak i oczyszczonych w oczyszczalni w Ostrowach, miały za zadanie zobrazować dynamikę zmian w ich składzie. Wyniki wskaźników zanieczyszczeń poddanych analizie statystycznej zestawiono w tab. 2.

Analizując skład ścieków surowych dopływających do oczyszczalni ścieków z okresu od stycznia 2016 do grudnia 2017 r. zaobserwowano, że wartości badanych wskaźników zanieczyszczeń w odniesieniu do wartości średnich były podobne do składu ścieków bytowych podawanego w literaturze [2, 14, 15]. Natomiast w oparciu o dane literaturowe należy stwierdzić, że zmienność składu ścieków surowych docierających do oczyszczalni w Ostrowach w latach 2016-2017 cechowała się przeciętnymi wahaniami [18, 23]. Świadczą o tym wartości współczynników zmienności (V_s) dla poszczególnych wskaźników, które mieściły się w przedziale od 0,24 do 0,36.

Analizując z kolei jakość ścieków oczyszczonych odprowadzanych do odbiornika – rzeki Białej Okszy – z okresu od stycznia 2016 do  grudnia  2017 roku stwierdzono, że wartości badanych wskaźników zanieczyszczeń mieszczą się poniżej wartości dopuszczalnych (tab. 2), zgodnie z obowiązującym Rozporządzeniem Ministra Środowiska [22].

Sprawdzając stabilność składu oczyszczonych ścieków odprowadzanych do rzeki Białej Okszy w latach 2016-2017 zaobserwowano, że cechował się on dużą zmiennością [18, 23]. Potwierdzają to wartości współczynników zmienności (V_s), które wahały się od 0,39 do 0,61. Dopełnieniem sporządzonej analizy jakości oczyszczonych ścieków w oczyszczalni w Ostrowach w badanym okresie, są wykonane histogramy częstości, a także dystrybuanty empiryczne oznaczonych wskaźników zanieczyszczeń. Wykresy częstości  dla  poszczególnych  wskaźników  zanieczyszczeń zamieszczono na rys. 2-4.

W oparciu o analizę danych zawartych na rys. 2 zaobserwowano, że stężenie BZT₅  w ściekach oczyszczonych mieściło się głównie w przedziale klasowym od 2,35 do 4,70 mg/dm³, w którym zaobserwowano 7 wykonanych oznaczeń, co stanowiło ponad 30% udziału we wszystkich pomiarach. Ponadto w analizowanym okresie nie odnotowano przekroczenia wartości dopuszczalnej BZT₅ w obowiązującym pozwoleniu wodnoprawnym [20]. Analiza danych zamieszczonych na rys. 3 wskazuje, że stężenie ChZT_-Cr w ściekach oczyszczonych mieściło się głównie w przedziale klasowym od 34,35 do 45,80 mg/dm³, w którym zaobserwowano 8 wykonanych oznaczeń, co stanowiło ponad 34% udziału we wszystkich pomiarach. W analizowanym okresie badań nie odnotowano przekroczenia wartości dopuszczalnej ChZT_-Cr w obowiązującym pozwoleniu wodnoprawnym [20].

Analiza danych zamieszczonych na rys. 4 pozwala zaobserwować, że stężenie zawiesiny ogólnej w ściekach oczyszczonych również mieściło się głównie w drugim przedziale klasowym,  tj.  od  7,40  do  11,10  mg/dm³, w którym zaobserwowano  9  wykonanych  oznaczeń, co stanowiło ponad 39% udziału we wszystkich pomiarach. I w tym przypadku również nie odnotowano przekroczenia wartości  dopuszczalnej  zawiesiny  ogólnej w obowiązującym pozwoleniu wodnoprawnym [20].

Kontynuację oceny pracy oczyszczalni ścieków w Ostrowach wykonano w oparciu o wskaźniki niezawodności pracy oczyszczalni, takie jak: sprawność oczyszczania, współczynnik niezawodności technologicznej, sprawność technologiczna oczyszczania oraz ryzyko. Obliczone wskaźniki niezawodności zestawiono w tab. 3.

Poddając analizie wartości zestawione w tab. 3 zaobserwowano bardzo wysoką sprawność usuwania badanych zanieczyszczeń. Dla wszystkich zanieczyszczeń sprawność ich usuwania osiągała wartości w granicach η = 94÷98%. W przypadku wskaźników oceny pracy oczyszczalni, takich jak współczynnik niezawodności technologicznej, technologiczną sprawność oczyszczania oraz ryzyko negatywnej pracy oczyszczalni (WN, P_sw oraz R_so), także stwierdzono niezawodne i prawidłowe funkcjonowanie oczyszczalni ścieków w Ostrowach, w okresie prowadzenia badań, w odniesieniu do wymagań określonych w aktualnym pozwoleniu wodnoprawnym.

5. Wnioski

Na podstawie wykonanej analizy wyników  badań i oceny funkcjonowania oczyszczalni ścieków w Ostrowach w okresie od stycznia 2016 do grudnia 2017 roku, sformułowano następujące wnioski:

• średni skład ścieków surowych dopływających do badanej oczyszczalni w analizowanym okresie był podobny do składu ścieków bytowych podawanego w dostępnych źródłach literaturowych;
• średnia sprawność usuwania badanych zanieczyszczeń z oczyszczalni ścieków w Ostrowach była znaczna i dla analizowanych trzech wskaźników zanieczyszczeń utrzymywała się na wysokim poziomie, w przedziale η = 94÷98%. We wszystkich przypadkach były to wartości wyższe od wymaganych w pozwoleniu wodnoprawnym;
• określone w badaniach wskaźniki niezawodności potwierdzają brak występowania w pomiarach BZT₅, ChZT_-Cr, i zawiesiny ogólnej, stężeń które przekraczałyby wartości dopuszczalne w pozwoleniu wodnoprawnym;
• w oparciu o wykonane analizy, można bardzo dobrze ocenić pracę oczyszczalni ścieków w Ostrowach, w okresie, w którym prowadzone były badania. Działalność oczyszczalni przyczynia się tym samym do skutecznej ochrony wód odbiornika ścieków oczyszczonych, jakim jest rzeka Biała Oksza.

Literatura

[1] Andraka D., Dzienis L.: Modelowanie ryzyka w eksploatacji oczyszczalni ścieków. Rocznik Ochrona Środowiska, nr 15, s. 1111-1125, Koszalin 2013.

[2] Błażejewski R.: Kanalizacja wsi. PZITS Oddział Wielkopolski, Poznań 2003.

[3] Chmielowski K.: Eliminacja zanieczyszczeń ze ścieków komunalnych w oczyszczalni w Dąbrowie Tarnowskiej. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, nr 5, s. 149-158,  Kraków 2008.

[4] Chmielowski K., Bugajski P., Wąsik E.: Ocena działania oczyszczalni ścieków w Haczowie przed i po modernizacji. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, nr 4, s. 949-964, Kraków 2015.

[5] Chmielowski K., Satora S., Wałęga A.: Ocena niezawodności działania oczyszczalni dla gminy Tuchów. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, nr 9, s. 67-72, Kraków 2009.

[6] Chmielowski K., Ślizowski R.: Ocena skuteczności usuwania zanieczyszczeń w oczyszczalni w Tarnowie. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, nr 5, s. 137-146.

[7] Heidrich Z.: Kierunki rozwiązań systemów kanalizacyjnych na terenach wiejskich. Politechnika Warszawska, Warszawa 2006.

[8] Heidrich Z., Kalenik M., Podeworna J., Stańko G.: Sanitacja wsi. Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o., s. 235-346, Warszawa 2008.

[9] Heidrich Z., Stańko G.: Kierunki rozwiązań oczyszczalni ścieków dla wiejskich jednostek osadniczych. Polska Akademia Nauk, Oddział w Krakowie, Kraków 2008.

[10] Heidrich Z., Tabernacki J., Sikorski M.: Wiejskie oczyszczalnie ścieków. Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1984.

[11] Heidrich Z., Witkowski A.: Urządzenia do oczyszczania ścieków. Projektowanie, przykłady obliczeń. Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa 2010.

[12] Henze M., Harremoes P., Jansen J., Arvin E.: Oczyszczanie ścieków. Procesy biologiczne i chemiczne. Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2002.

[13] Imhoff K., Imhoff K.: Kanalizacja miast i oczyszczanie ścieków. Wydawnictwo Arkady, s. 56-78, Warszawa 1982.

[14] Kaczor G.: Stężenia zanieczyszczeń w ściekach odprowadzanych z wiejskich systemów kanalizacyjnych województwa małopolskiego. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, nr 9, s. 97-104, Kraków 2009.

[15] Kaczor G., Bugajski P.: Ocena oczyszczalni ścieków typu Ecolo-Chief w Spytkowicach. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, nr 1, s. 187-195, Kraków 2007.

[16] Miernik W., Wałęga A.: Wpływ czasu eksploatacji na efekty oczyszczania ścieków w oczyszczalni typu Lemma. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, nr 3, s. 39-51, Kraków 2006.

[17] Miernik W., Wałęga A.: Usuwanie ze ścieków związków organicznych i biogennych w oczyszczalni z reaktorem biologicznym funkcjonującym w układzie A2/O. [w:] J. Rak (ed.): Wybrane aspekty ochrony i kształtowania środowiska w Polsce, we wschodniej Słowacji i zachodniej Ukrainie, wyd. Muzeum Regionalnego im. Adama Fastnachta w Brzozowie, s. 107-126.

[18] Mucha J.: Metody geostatystyczne w dokumentowaniu złóż. Skrypt, wyd. AGH Kraków, Kraków 1999.

[19] Państwowe Gospodarstwo Wodne Wody Polskie. Aktualizacja Krajowego Programu Oczyszczania Ścieków Komunalnych – AKPOŚK 2017. Wydawnictwo Arkady, s. 23-30, Warszawa 2017.

[20] Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji Okręgu Częstochowskiego S.A.

[21] Rak J., Wieczysty A.: Funkcjonowanie systemu oczyszczalnia ścieków odbiornik w świetle teorii niezawodności. IX Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna z cyklu „Problemy gospodarki wodno-ściekowej w regionach rolniczo-przemysłowych”, s. 16-24, Rajgród 1996.

[22] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 listopada 2014 roku w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz. U. 2014 poz. 1800).

[23] Wasilewska E.: Statystyka opisowa od podstaw. Wydawnictwo SGGW, 2011.

Szymon Piekar
Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Źródło: Forum Eksploatatora nr 2/2019