Ocena funkcjonowania Gminnej Oczyszczalni Ścieków w Starych Babicach

W artykule przedstawiono ocenę funkcjonowania oczyszczalni ścieków w Gminie Stare Babice. 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 wskaźniki zanieczyszczeń, takie jak: BZT₅, ChZT_-Cr, zawiesinę ogólną, azot ogólny i fosfor ogólny. Okres wykonywanych badań obejmował lata 2017–2018. W wyniku wykonanej analizy określono skuteczność usuwania poszczególnych zanieczyszczeń na poziomie: BZT₅ – 99,0%, ChZT_-Cr – 96,5%, zawiesina ogólna – 98,6%, azot ogólny – 94,0% oraz fosfor ogólny – 98,3%. 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 Warszawskiego Zachodniego Gminnemu Przedsiębiorstwu Komunalnemu „EKO-BABICE” Sp. z o.o. w Starych Babicach z dnia 10 września 2015 r.

1. Wstęp

W każdej komunalnej oczyszczalni ścieków zachodzą odpowiednie procesy mające na celu zredukowanie zanieczyszczeń zawartych w dopływających ściekach surowych do odpowiedniego poziomu, umożliwiając w związku z tym odprowadzenie ich do środowiska. Eliminuje to tym samym wszelkie zagrożenia dla zdrowia człowieka i środowiska naturalnego [2-3]. Dopływające do zakładu ścieki surowe posiadają w swym składzie, oprócz związków biogennych, refrakcyjnych, zawiesin łatwo opadających i koloidalnych, także drobnoustroje patogenne. W zależności od jednostki osadniczej jaką obsługuje dana oczyszczalnia wykorzystywane są rozmaite technologie oczyszczania ścieków. W przypadku obszarów wiejskich, gdzie zabudowa jest typowo rozproszona, wykorzystywane są technologie konwencjonalne, a także hydrofitowe [10]. Oczyszczalnie hydrofitowe w stosunku do konwencjonalnych technologii charakteryzują się niewielkimi kosztami utrzymania oraz są mniej uciążliwe w eksploatacji. Technologia ta jest powszechnie wykorzystywana w związku ze sporą wytrzymałością na przeciążenia hydrauliczne oraz na przeciążenia ładunkiem zanieczyszczeń, jaki dociera w ściekach surowych. Wśród wielu autorów panuje przeświadczenie, iż procesy technologiczne zachodzące w systemach hydrofitowych nie gwarantują stałego poziomu oczyszczenia ścieków i wymaga się wykonania założeń eksploatacyjnych. W wielu oczyszczalniach dochodzi do zjawiska, że efektywność oczyszczania ścieków surowych maleje wraz z biegiem czasu [8]. W związku z koniecznością dobrania odpowiedniego procesu technologicznego należy zwracać uwagę na efektywność procesu, ale także na nakłady finansowe, jakie należy ponieść na ich realizację. Ważnym aspektem jest również wybór odpowiedniej technologii oczyszczania ścieków, dzięki której możliwe będzie ograniczenie problemów eksploatacyjnych oraz uzyskanie wysokiego efektu oczyszczenia ścieków.

Obecnie na terenie Polski funkcjonuje 4136 oczyszczalni ścieków, które realizują procesy oczyszczania ścieków [5]. Należy jednak mieć na uwadze, iż w każdej oczyszczalni procesy denitryfikacji i nitryfikacji mogą przebiegać nieprawidłowo w związku z czynnikami zewnętrznymi, takimi jak obecność w dopływających ściekach surowych metali ciężkich oraz zmniejszona zawartość tlenu rozpuszczonego w komorze osadu czynnego. W związku z oceną prawidłowości działania ciągu technologicznego oczyszczalni, a także procesów mechaniczno-biologicznych, realizowany jest ciągły monitoring ich pracy [6-7]. Każda mechaniczno-biologiczna oczyszczalnia musi posiadać własny odbiornik, do którego odprowadzi oczyszczone ścieki, które muszą spełniać wymagania jakie zostały określone w obowiązującym Rozporządzeniu Ministra Środowiska z 18 listopada 2014 roku [12]. We wspomnianym Rozporządzeniu, oprócz informacji na temat wskaźników zanieczyszczeń, zamieszczono wartości graniczne dla innych zanieczyszczeń, jakie mogą znajdować się w składzie ścieków surowych, m.in. metali ciężkich [12]. W każdej oczyszczalni ścieków uzyskuje się odmienny efekt redukcji zanieczyszczeń, wynikający z faktu stosowania przez każdy zakład odmiennej technologii. Wymagany efekt redukcji, to taki, przy którym wyeliminuje się ryzyko związane z negatywnym wpływem oczyszczanych ścieków na zdrowie człowieka oraz środowisko naturalne [1]. Skutkuje to koniecznością wykonywania w dalszym ciągu kompleksowych analiz, które umożliwią określenie prawidłowości pracy oczyszczalni z obowiązującym ustawodawstwem [1, 3, 12].

Tematem niniejszej pracy będzie przedstawienie działania mechaniczno-biologicznej oczyszczalni ścieków zlokalizowanej w Starych Babicach na podstawie udostępnionych danych odnoszących się zarówno do przepływów ścieków, jak i do wskaźników zanieczyszczeń.

2. Obiekt badań

Oczyszczalnia ścieków zlokalizowana w Starych Babicach podlega Gminnemu Przedsiębiorstwu Komunalnemu „Eko-Babice”. Realizuje procesy wymagające oczyszczania dopływających ścieków oraz ścieków dowożonych z obszaru całej gminy. Zakład oczyszczania ścieków zlokalizowany jest w bliskim sąsiedztwie zabudowy jednorodzinnej oraz zakładów produkcyjnych.

Oczyszczalnia ścieków w Starych Babicach jest zakładem, w którym zachodzą procesy mechaniczno-biologicznego oczyszczania ścieków z dozowaniem środków chemicznych. Ma to na celu usunięcie fosforanów. Na podstawie danych uzyskanych od eksploatatora oczyszczalni [4] określono jej charakterystyczne przepływy, tj.:

Dla rowu melioracyjnego O-16/3/8:

• Q_h max = 167,00 m³/h;

• Q_d śr = 3 000,00 m³/d;

• Q_r śr = 1 095 000,00 m³/rok.

Dla rowu melioracyjnego Z-7:

• Q_h max = 360,00 m³/h;

• Q_d śr = 3 000,00 m³/d;

• Q_r śr = 1 095 000,00 m³/rok.

Oczyszczalnia ścieków w Starych Babicach do oczyszczania wykorzystuje technologię Biogradex opartą na metodzie osadu czynnego nisko obciążonego [4]. Oczyszczalnia składa się z następujących elementów:

• punkt zlewny,
• zbiornik retencyjny ścieków dowożonych,
• pompownia główna z kratą koszową,
• krata schodkowa,
• piaskownik pionowy wirowy,
• zbiornik retencyjny ścieków surowych,
• reaktor biologiczny,
• komora dodatkowej denitryfikacji,
• węzeł podciśnieniowego odgazowania osadu,
• osadnik wtórny,
• stacja dozowania PIX-u,
• stacja dmuchaw,
• zbiornik retencyjny ścieków oczyszczonych,
• pompownia ścieków oczyszczonych,
• filtr,
• zbiornik magazynowania osadu,
• stacja mechanicznego odwadniania oraz linia produkcji nawozu z osadu,
• wiata magazynowania.

Obowiązujące pozwolenie wodnoprawne wydane zostało przez Starostę Warszawskiego Zachodniego, Gminnemu Przedsiębiorstwu Komunalnemu „Eko-Babice” Sp. z o.o. jako eksploatatorowi oczyszczalni ścieków w Starych Babicach [4]. Zawarte w nim dane odnoszą się do przepustowości oczyszczalni, jak również do wartości wskaźników zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych, które są odprowadzane do odbiornika dwoma rowami melioracyjnymi znajdującymi się w zlewni Kampinoskiego Parku Narodowego (Z-7) oraz w zlewni rzeki Utraty (O-16). W tabeli zbiorczej (tab. 1) przedstawiono wartości zawarte w obowiązującym pozwoleniu wodnoprawnym.

3. Metodyka i zakres badań

W artykule przeprowadzono niezbędną analizę wskaźników zanieczyszczeń, tj.: BZT₅, ChZT_-Cr, zawiesiny ogólnej, azotu ogólnego i fosforu ogólnego. Okres analizy obejmował przedział od stycznia 2017 do grudnia 2018 roku. Dane odnoszące się do wskaźników zanieczyszczeń zawartych zarówno w ściekach surowych, jak i oczyszczonych zostały udostępnione przez Gminne Przedsiębiorstwo Komunalne „EKO-BABICE” Sp. z o.o. Wartości analizowanych parametrów w ściekach surowych i oczyszczonych poddano statystyce opisowej, obejmującej m.in.: miary pozycyjne – wartość minimalna, średnia i maksymalna; miary rozproszenia – odchylenie standardowe i współczynniki zmienności. Uzupełnieniem statystki opisowej dla poszczególnych wskaźników zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych było wykonanie histogramów i dystrybuant empirycznych. Informację na temat liczby przedziałów jak również ich szerokości, opracowano na podstawie wzorów [8-9]:

                                                                                     (1)

gdzie:

N – liczba danych w ciągu obserwacyjnym.

                                                    (2)

gdzie:

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

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

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

(3)

gdzie:

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

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

Współczynnik niezawodności technologicznej, określany jako iloraz wartości średniej stężenia danego wskaźnika na odpływie do wartości dopuszczalnej danego wskaźnika na odpływie, obliczany jest na podstawie wzoru [8-9]:

                                                   (4)

gdzie:

X_sr – 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, określanej jako iloraz liczby wyników badań zgodnych z wartościami dopuszczalnymi z pozwolenia wodnoprawnego do wszystkich wyników badań, wyznaczony jest na podstawie wzoru [11]:

                                                    (5)

gdzie:

n_z – liczba wyników badań zgodnych z wartościami dopuszczonymi w 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, obliczane jest na podstawie wzoru [1]:

                                                    (6)

gdzie:

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

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

4. Opracowanie i dyskusja wyników badań

Zbiorcze zestawienie parametrów fizyko-chemicznych ścieków surowych i oczyszczonych, które zostały poddane analizie statystycznej na podstawie udostępnionych zasobów oczyszczalni w Starych Babicach, przyczyniło się do ukazania zmian, jakie następowały w trakcie poddawania ścieków procesom oczyszczenia. Wartości poddane analizie statystycznej zestawiono w tab. 2.

Dokonując analizy ścieków surowych (tab. 2), które dopływały do oczyszczalni, pod względem ich składu od stycznia 2017 do grudnia 2018 roku, sformułowano wniosek, iż badane wskaźniki zanieczyszczeń w odniesieniu do wartości średnich były podobne do tych, które są podawane w dostępnej literaturze [2]. Jednakże na podstawie danych dostępnych w literaturze należy ocenić, iż zmienność składu ścieków surowych, jakie dopływały do oczyszczalni w analizowanym okresie, cechowała się przeciętnymi wahaniami [13]. Dowodem tego są wartości współczynników zmienności (V_s) dla poszczególnych wskaźników zanieczyszczeń, które oscylowały w zakresie od 0,14 do 0,37. Obserwując natomiast jakość oczyszczonych ścieków (tab. 2) po procesach mechaniczno-biologicznych, odprowadzanych do odbiornika z okresu od stycznia 2017 do grudnia 2018 roku, stwierdzono, że wartości analizowanych wskaźników znajdowały się poniżej wartości dopuszczalnych, zawartych w obowiązującym pozwoleniu wodnoprawnym dla zakładu oczyszczenia ścieków. Sprawdzając stabilność składu oczyszczanych ścieków w zakładzie w Starych Babicach stwierdzono, że odznacza się ona dużą zmiennością [13]. Potwierdzeniem tego mogą być wartości współczynników zmienności (V_s), które kształtowały się od 0,04 do 0,71. Dodatkowo do przeprowadzonej analizy sporządzono histogramy częstości oraz dystrybuanty empiryczne dla analizowanych wskaźników zanieczyszczeń. Zarówno ilość przedziałów klasowych, jak ich rozpiętość, zostały określone na podstawie wzorów 1 i 2. Na rys. 5-9 umieszczono wykresy częstości dla analizowanych wskaźników zanieczyszczeń zawartych w ściekach oczyszczonych.

Na podstawie wykonanej analizy danych przedstawionej graficznie na wykresach (rys. 5) stwierdzono, iż BZT₅ ścieków oczyszczonych znajdowało się głównie w przedziale klasowym od 2,73 do 3,64 mg/dm³, w którym znajdowało się 12 wykonanych oznaczeń, stanowiąc przy tym aż 50% udziału we wszystkich pomiarach. Jednocześnie w trakcie wykonywanej analizy nie stwierdzono przekroczeń wartości dopuszczalnych BZT₅ w obowiązującym pozwoleniu wodnoprawnym [12].

Z przeprowadzonej analizy danych przedstawionej graficznie na wykresach (rys. 6) zaobserwowano, że ChZT_-Cr ścieków oczyszczonych znajdowało się w największym stopniu w przedziale klasowym powyżej 27,93 mg/dm³, w którym mieściło się aż 13 przeprowadzonych oznaczeń, stanowiąc przy tym aż 55% udziału we wszystkich pomiarach. Również przy tej analizie nie zaobserwowano przekroczenia wartości z wartościami dopuszczalnymi ChZT_-Cr zawartym w pozwoleniu wodno-prawnym [12].

Na podstawie wykonanej analizy danych przedstawionej graficznie na wykresach (rys. 7) stwierdzono, iż stężenie zawiesiny ogólnej zawartej w ściekach oczyszczonych znajdowało się głównie w przedziale klasowym od 3,20 do 4,80 mg/dm³, w którym znajdowało się 10 wykonanych oznaczeń, stanowiąc przy tym aż 42% udziału we wszystkich pomiarach. Również w tym przypadku nie stwierdzono przekroczeń wartości dopuszczonych w obowiązującym pozwoleniu wodnoprawnym [12].

W oparciu o analizę danych, która została przedstawiona graficznie na rys. 8 zaobserwowano, że stężenie azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych znajdowało się w największym stopniu w dwóch przedziałach klasowych, były to przedziały od 4,04 do 5,05 mg/dm³ oraz powyżej 7,07 mg/dm³. W obu przedziałach mieściło się po 6 przeprowadzonych oznaczeń, stanowiąc przy tym łącznie 50% udziału we wszystkich pomiarach. Także przy tej analizie nie stwierdzono przekroczenia wartości dopuszczonychw pozwoleniu wodnoprawnym [12].

Na podstawie wykonanej analizy danych zaprezentowanej na wykresach (rys. 9) stwierdzono, iż stężenie fosforu ogólnego zawartego w ściekach oczyszczonych znajdowało się głównie w przedziale klasowym od 0,09 do 0,18 mg/dm³ oraz od 0,18 do 0,27 mg/dm³, w obu przypadkach mieściło się po 10 przeprowadzonych oznaczeń, stanowiąc przy tym łącznie 83% udziału we wszystkich pomiarach. W trakcie wykonywanej analizy zaobserwowano aż 3 przekroczenia wartości dopuszczonych w obowiązującym pozwoleniu wodnoprawnym [12]. Przekroczenia prawdopodobnie wystąpiły w związku z wystąpieniem problemów na oczyszczalni w związku z wymaganym oczyszczeniem ścieków z fosforu ogólnego poniżej wartości 0,25 mg/dm³.

Dalszym działaniem w celu określenia prawidłowości pracy oczyszczalni w Starych Babicach było wykonanie analizy pod kątem wskaźników niezawodności pracy oczyszczalni, m.in.: sprawności oczyszczania, współczynnika niezawodności technologicznej, technologicznej sprawności oczyszczania oraz ryzyka. W tab. 3 zestawiono obliczone wskaźniki niezawodności.

Analizując wartości zestawione w tab. 3 można stwierdzić, iż sprawność usuwania cechowała się wysokim stopniem redukcji zanieczyszczeń ze ścieków. We wszystkich analizowanych zanieczyszczeniach redukcja osiągnęła wartość w granicach η = 94÷99%. Jeśli chodzi o wskaźniki oceny pracy oczyszczalni, takie jak współczynnik niezawodności technologicznej, technologiczna sprawność oczyszczania oraz ryzyko negatywnej pracy oczyszczalni (WN, P_sw oraz R_so), to w przypadku BZT₅, ChZT_-Cr, zawiesiny ogólnej oraz azotu ogólnego stwierdzono niezawodne i prawidłowe funkcjonowanie oczyszczalni ścieków w Starych Babicach. Jeśli chodzi o fosfor ogólny, dla którego wykryto 3 przypadki przekroczenia wartości dopuszczalnych, spowodowane prawdopodobnie problemami eksploatacyjnymi oczyszczalni w tamtym okresie, stwierdzono, że w stosunku do pozostałych próbek zakład działa w sposób niezawodny i prawidłowy.

5. Wnioski

Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badań i oceny funkcjonowania oczyszczalni ścieków w Starych Babicach z okresu od stycznia 2017 do grudnia 2018 roku, sformułowano następujące wnioski:

• średni skład ścieków surowych dopływających do badanej oczyszczalni w czasie wykonywanej analizy był typowy do składu ścieków bytowych poddawanego w literaturze;
• średnia sprawność usuwania badanych zanieczyszczeń z oczyszczalni ścieków w Starych Babicach była znacząca i osiągnęła dla wszystkich pięciu wskaźników wysoki poziom, w przedziale η = 94÷99%, 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, zawiesiny ogólnej i azotu ogólnego stężeń, które przekraczałyby wartości dopuszczone w pozwoleniu wodnoprawnym;
• w przypadku fosforu ogólnego na 24 możliwe przekroczenia wartości dopuszczalnej stwierdzono tylko 3 przekroczenia;
• w oparciu o wykonane analizy można bardzo dobrze ocenić proces oczyszczania ścieków, jaki następował w Starych Babicach w okresie przeprowadzanych obserwacji. Działalność oczyszczalni przyczynia się tym samym do skutecznej ochrony wód odbiornika ścieków oczyszczonych, a także zlewni Kampinoskiego Parku Narodowego.

6. Literatura

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

Baroszewski K., Dymaczewski Z., Krynicki A., Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków. Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Wielkopolski, Poznań 2011.

Błażejewski R., Kanalizacja wsi. PZITS Oddział Wielkopolski, Poznań 2003.

Gminne Przedsiębiorstwo Komunalne „EKO-BABICE” Sp. z o.o.

GUS. Dane statystyczne GUS w zakresie gospodarowania zasobami wodnymi oraz oczyszczania ścieków w Polsce. Główny Urząd Statystyczny 2018.

Hartman L., Biologiczne oczyszczanie ścieków. Wydawnictwo Instalator Polski. Warszawa 1992.

Łomotowski J., Szpindor A., Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków. Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2002, s.43-51.

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.

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.

Pawełek J., Kaczor G., Bergel T., Zagadnienia ilościowo-jakościowe ścieków bytowych odprowadzanych wiejskimi systemami kanalizacyjnymi. Ogólnopolska konferencja Naukowo-Techniczna, Poznań 2004, s. 1-24.

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, czerwiec 1996.

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 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).

Wasilewska E., Statystyka opisowa od podstaw. Wydawnictwo SGGW, 2011.

Szymon Piekar
Politechnika Śląska,
Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Źródło: Forum Eksploatatora 4/2019