Wprowadzanie elementów gospodarki obiegu zamkniętego w tarnobrzeskiej oczyszczalni ścieków

1. Wstęp

Gospodarka o obiegu zamkniętym Unii Europejskiej zakłada efektywne wykorzystanie zasobów na wszystkich etapach życia produktu. Podstawy jej wprowadzenia w życie zostały sformułowane przez Unię Europejską w planie działania [1]. Ponieważ traktuje ona odpady jako surowce, to wymaga zasadniczych zmian w stosunku do sposobu zagospodarowania odpadów. Koncepcja gospodarki cyrkulacyjnej może znaleźć szczególne zastosowanie w branży wodno-ściekowej i osadowej, przyczyniając się również do ograniczenia zmian klimatycznych [2]. W systemach ściekowo-osadowych, oprócz ich tradycyjnej roli, jaką jest oczyszczanie ścieków i przeróbka osadów ściekowych, nową rolą staje się produkcja zasobów (przykładowo: odzysk substancji biogennych, w tym szczególnie fosforu), a także produkcja energii (przykładowo: odzysk energii z osadów ściekowych) [3]. W pracy zaprezentowano elementy gospodarki o obiegu zamkniętym, które są wprowadzane w oczyszczalni ścieków przez Tarnobrzeskie Wodociągi Sp. z o.o.

2. Oczyszczalnia ścieków

Mechaniczno-biologiczna oczyszczalnia ścieków w Tarnobrzegu pracuje od 1998 r. Ilość ścieków komunalnych dopływających do oczyszczalni wynosi:

• średnia dobowa – 5 300 m³/d;
• maksymalna dobowa w porze suchej – 4 380 m³/d;
• maksymalna dobowa w porze deszczowej – 10 000 m³/d.

Udział ścieków przemysłowych wynosi 2%. Część mechaniczną procesu technologicznego stanowią kraty schodkowe oraz piaskownik. W części biologicznej wykorzystuje się metodę osadu czynnego.

W części biologicznej pracują dwa ciągi technologiczne, każdy z nich składa się z trzech stref: anaerobowej (defosfotacji, anoksycznej (denitryfikacji)) i aerobowej (nitryfikacji). W bioreaktorach zachodzą procesy powodujące rozkład materii organicznej i usuwanie ze ścieków związków biogennych. W pierwszej z trzech wymienionych komór zostaje usunięty, w drodze biologicznej, fosfor. Usuwanie pozostałego fosforu przebiega na zasadzie chemicznego strącania za pomocą kogulanta PIX. W komorze denitryfikacji następuje redukcja związków azotu, tj. azotanów, do wolnego azotu. W komorze aerobowej ścieki są napowietrzane, co pozwala ostatecznie zredukować zawartość związków organicznych (węgiel) i utlenić związki azotu.

Z bioreaktorów ścieki kierowane są do koryta przelewowego, a następnie przepływają do osadników wtórnych. W wyniku zachodzącej tam sedymentacji kłaczki osadu czynnego opadają na dno, skąd są zgarniane i odprowadzane do przepompowni osadu. Część osadu z osadników wtórnych jest zawracana do reaktora biologicznego, a osad nadmierny odprowadzany jest do budynku przeróbki osadu.

3. Przeróbka osadów

Pierwszym etapem przeróbki osadu jest jego zagęszczanie w zagęszczaczu mechanicznym. Osad zagęszczony do poziomu 4÷5% s.m. z zastosowanym wcześniej polielekrolitem zostaje przetłoczony do zamkniętych komór fermentacyjnch (ZKF), które przeznaczone są do beztlenowej fermentacji osadu, która zachodzi w temperaturze 35°C i trwa od 30 do 60 dni. Podczas tego procesu zostaje rozłożone około 40% substancji organicznej, a powstający w trakcie gaz spalany jest w kotłowni lokalnej i wykorzystywany do ogrzewania ZKF oraz pomieszczeń administracyjnych i technologicznych w okresie zimowym. W przypadku jego nadmiernej produkcji, jest on spalany na pochodni (podczas lata).

Osad przefermentowany podawany jest do zbiornika osadu przefermentowanego, skąd specjalnymi pompami wędruje na prasę taśmową w celu jego odwodnienia. Przed prasą dozowany jest roztwór polieketrolitu. Osad po opuszczeniu prasy posiada wilgotność około 82÷84% i jest okresowo składowany pod wiatą na placu operacyjno-składowym. Osad po procesie fermentacyjnym jest osadem ustabilizowanym. Osad ten obecnie wykorzystywany jest w celach rolnych lub rekultywacyjnych na terenach zdegradowanych. Średnio na dobę wytwarza się około 8,0 ton osadów ściekowych po prasie o zawartości około 18% s.m. Rocznie zużywa się około 6,5 tony polielektrolitu (dawka 13,6 g/kg s.m. osadu). Dobowa produkcja biogazu w procesie fermentacji wynosi 600 m³.

Ilość osadu po procesie fermentacji wynosi 568 t s.m. osadu/rok. Natomiast masa surowych osadów ściekowych wynosi 3 450 kg/rok. Uzyskiwane dotychczas efekty przeróbki osadów wraz ze sposobem wykorzystania biogazu, to osiągnięcia inwestycji współfinansowanych środkami unijnymi ostatnich lat. Nie jest to jednak pełen efekt gospodarki obiegu zamkniętego.

4. Wprowadzanie elementów gospodarki cyrkulacyjnej w przeróbce osadów

Obecnie w gospodarce wodno-ściekowej stosuje się rozwiązania, które wpisują się w pełni w ideę gospodarki obiegu zamkniętego, która stanowi nowy trend w polityce Unii Europejskiej. W gospodarce obiegu zamkniętego zasoby należy wykorzystywać maksymalnie długo, a odpady które powstają, traktować jako surowce. Na osady ściekowe należy spojrzeć jak na zasoby materiałowe (fosfor, azot), a także energetyczne. W tej koncepcji osady ściekowe są surowcem do dalszego wykorzystania.

W zarządzaniu w Tarnobrzeskich Wodociągach podjęto dalsze kierunki rozwiązań w realizowanym obecnie projekcie unijnym gospodarki wodno-ściekowej. Realizowany obecnie projekt ujmuje kierunki działań w zakresie dalszej poprawy systemu gospodarki osadami ściekowymi, a mianowicie:

• zmniejszenie uwodnienia osadów, a przez to zwiększenie stopnia odwodnienia z około 16% do poziomu około 28%;
• zmniejszenie dawki polielektrolitu stosowanego przy odwadnianiu osadów;
• całoroczne wykorzystanie biogazu;
• biogaz – paliwem gazowym dla suszenia osadów;
• realizacja instalacji suszarni osadów oraz współspalanie osadu w obiektach zewnętrznych;
• produkcja nawozu wg potrzeb rynku dla części osadu wysuszonego (90% s.m.);
• zmniejszenie kosztów transportu osadu.

Działania te wpłyną na dalszą poprawę wskaźnika samowystarczalności energetycznej oczyszczalni ścieków.

Modernizacja linii przeróbki osadów ściekowych na oczyszczalni obejmuje:

• modernizację węzła zagęszczania;
• budowę dodatkowej ZKF;
• montaż nowego urządzenia do odwodnienia osadu przed suszeniem;
• budowę suszarni.

Stacja mechanicznego zagęszczania osadu, ze względu na znaczny stopień wyeksploatowania, zostanie wymieniona na nową instalację wyposażoną w zagęszczacz taśmowy. Osad zadawany na zagęszczacz będzie wcześniej mieszany ze środkiem floksującym.

Efektami zagęszczenia osadu będą:

• zawartość suchej masy organicznej w osadzie zagęszczonym na poziomie 6÷7%;
• zużycie flokulantów na poziomie 2÷4 kg/Mg s.m. (substancji czynnej polielektrolitu).

W budynku suszenia osadu zaprojektowana została nowa instalacja odwodnienia osadu z prasą tłokowo-ciśnieniową o wydajności nominalnej około 150÷200 kg s.m./h (stara prasa taśmowa będzie służyła jako rezerwowa).

Odwadnianie osadów jest procesem bardzo istotnym w kontekście ich dalszej przeróbki i zagospodarowania. Ze względów ekonomicznych, dobranie urządzenia pozwalającego na odwodnienie osadu do poziomu min. 25% pomoże zaoszczędzić znaczną ilość energii cieplnej i elektrycznej potrzebną w procesie suszenia osadów. Prasa tłokowa wyposażona będzie w instalację nadawy oraz stację polielektrolitu. Instalacja odwodnienia będzie wyposażona w urządzenia do transportu osadów odwodnionych do instalacji suszarni.

Dla oczyszczalni ścieków w Tarnobrzegu zaprojektowano taśmową instalację suszenia osadu (typ Easy Dry ED12) o wydajności co najmniej 400 kg/h wody odparowanej. Zawartość suchej masy w wysuszonym granulacie będzie wynosić co najmniej 90%. Wszystkie elementy suszarni pracują przy lekkim podciśnieniu, a powietrze odprowadzane będzie przez biofiltr. Zakłada się masę całkowitą osadu wysuszonego w wysokości 664 Mg/rok (redukcja masy 72%).

Uwzględniając cały proces inwestycyjny prowadzony w oczyszczalni, należy zauważyć, że źródłami ciepła będą:

• energia ze spalania biogazu w ilości 170 000 Nm³/r – 116 kW;
• energia z pomp ciepła (energia cieplna ciepła opadowego dopływających ścieków): w lecie praca 1 pompy – 120 kW – 2 888 kWh/d; w zimie praca 2 pomp – 240 kW – 5 760 kWh/d.

5. Wnioski

Energia cieplna z pomp ciepła jest energią tańszą niż energia ze spalania gazu ziemnego. Energia ta powinna być wykorzystana do ogrzewania ZKF i pomieszczeń cieplnych pod warunkiem dogrzania wody o 5°C w kotłowni za pomocą biogazu.

Energia wytworzona przez spalanie powstającej ilości biogazu powinna wystarczyć do wysuszenia około 50% obecnej ilości osadów.

Jeżeli eksploatacja instalacji suszarni będzie prowadzona przez 4 lub 5 dni w tygodniu, to należy w sposób ekonomiczny ustalić właściwe wykorzystanie źródeł ciepła (biogaz, pompy ciepła). Poza tym, w rzeczywistości może wystąpić taka sytuacja, że w możliwych kierunkach zagospodarowania osadów nie będzie potrzeby suszenia całej masy osadów. Natomiast w przypadku braku ciepła do wysuszenia osadu instalacja suszarni będzie korzystać z instalacji gazu ziemnego (rezerwa i uzupełnienie). Możliwe warianty pracy suszarni, w tym prowadzenie gospodarki osadowej, będą przebiegać według uwarunkowań i potrzeb rynku.

Na koniec należy podkreślić ogromne znaczenie dostępności środków unijnych w branży wodociągowo-kanalizacyjnej w kolejnych perspektywach finansowych. To środki unijne pozwalają podmiotom w branży niwelować ogromne luki w infrastrukturze gospodarki wodno-ściekowej w dosyć krótkim czasie, a tym samym podnosić konkurencyjność regionów. Przez realizowane inwestycje wprowadzamy do branży nowoczesność, nowe materiały, nowe technologie, a tym samym realne staje się wprowadzenie gospodarki obiegu zamkniętego.

6. Literatura

Komunikat Komisji do Parlamentu europejskiego, Rady Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego i Komitetu Regionów: Zamknięcie obiegu – plan działania dotyczący gospodarki o obiegu zamkniętym. Bruksela, COM (2015) 614 final, 2.12.2015.

Gromiec M.: Gospodarka cyrkulacyjna w branży wodno-ściekowo-osadowej. W: Wykorzystanie ścieków i osadów ściekowych jako źródła energii i pozyskiwania surowców dla ograniczenia zmian klimatycznych, Senat Rzeczypospolitej Polskiej. Wyd. Kancelaria Senatu, Warszawa 2017, s. 20-48.

Gromiec M.: Osady ściekowe w gospodarce cyrkulacyjnej. Wodociągi i Kanalizacja 4, 10-13, 2018.

mgr inż. Antoni Sikoń

Tarnobrzeskie Wodociągi Sp. z o.o.

Źródło: Technologia Wody 2/2019