Optymalizacja usuwania azotu w wyniku modyfikacji istniejącego układu A2O przy wspomaganiu koagulantem żelazowym PIX 113 i zewnętrznym źródłem węgla KEM CARBO

Problemy w eksploatacji oczyszczalni ścieków sprowadzają się często do utrzymania odpowiednich parametrów azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych. Fakt ten może wynikać z właściwości technologicznych konkretnych rozwiązań, które albo nie uwzględniają i przez to nie są odporne na zmienne w czasie obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń, albo pozwalają utrzymać parametr azotu ogólnego na poziomie, niestety, zbyt blisko górnej granicy wyznaczonej warunkami pozwolenia wodnoprawnego. W efekcie obserwujemy tendencje do zwiększenia efektywności pracy oczyszczalni poprzez usuwanie azotu, na przykład na drodze deamonifikacji w ciągu bocznym. Na dzień dzisiejszy układy te wymagają nawet kilkumiesięcznego okresu rozruchu i ograniczone są limitem dopuszczalnych ładunków zanieczyszczeń.

1. Wstęp

Celem publikacji jest zwrócenie uwagi na możliwość zwiększenia skuteczności usuwania azotu ogólnego w ciągu głównym w istniejących obiektach poprzez zmianę reżimu technologicznego, polegającą na wprowadzeniu końcowej denitryfikacji wspomaganej zewnętrznym źródłem węgla oraz koagulantem żelazowym. Rola zewnętrznego źródła węgla sprowadza się do intensyfikacji (w przypadku konieczności) procesu denitryfikacji, natomiast zadaniem koagulanta jest (prewencyjne) wytrącanie fosforu, który w warunkach denitryfikacji końcowej może zostać uwolniony z komórek osadu czynnego do ścieku oczyszczonego.

Wyniki badań wykazały znaczną redukcję azotu azotanowego, który często stanowi dominującą frakcję azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych. Dla celów niniejszej dysertacji zmodyfikowany o końcową denitryfikację układ A2O nazwano układem typu Jamno.

2. Opis istniejącego układu oczyszczania ścieków

Oczyszczalnia Ścieków „Jamno” została wybudowana w 1994 roku, na zachód od dzielnicy Koszalina – Jamno. Do oczyszczalni dopływają ścieki bytowo-gospodarcze z miasta Koszalina, z miejscowości Kretomino (gm. Manowo), Mścice (gm. Będzino) oraz z gminy Sianów. Ponadto do oczyszczalni dowożone są ścieki taborem asenizacyjnym z pozostałych terenów nieobjętych systemem kanalizacyjnym. Udział ścieków dowożonych w ogólnej ilości ścieków wynosi około 1%. Przepustowość średniodobowa oczyszczalni wynosi Q_dśr = 36 000 m³/d, a maksymalna godzinowa Q_hmax = 5 000 m³/h. Stężenia i ładunki zanieczyszczeń w ściekach surowych (wg założeń projektowych) wynoszą:

• BZT₅ – 380 g O₂/m³ –15 200 kg O₂/d;
• ChZT – 690 g O₂/m³ – 27 600 kg O₂/d;
• zawiesina ogólna – 290 g/m³ – 11 600 kg/d;
• azot ogólny Kjeldahla – 70 g N/m³ – 2 800 kg N/d;
• azot amonowy – 37 g N-NH₄/m³ – 1 480 kg N-NH₄/d;
• fosfor ogólny – 14 g P/m³ – 560 kg P/d.

Równoważna liczba mieszkańców wynosi 279 030, natomiast dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych wynoszą:

• ChZT_Cr – 125 g O₂/m³;
• BZT₅ – 15 g O₂/m³;
• zawiesina ogólna – 35 g/m³;
• azot ogólny – 10 g N/m³;
• fosfor ogólny – 1,0 g P/m³.

Odbiornikiem ścieków oczyszczonych jest rzeka Dzierżęcinka, której jakość wody jest sprawdzana dwukrotnie w ciągu roku (w okresie letnim i zimowym) 50 m przed zrzutem ścieków do odbiornika i w odległości 200 m poniżej zrzutu.

Oczyszczalnia Ścieków „Jamno” składa się z czterech integralnych części:

• blok oczyszczania mechanicznego ścieków;
• blok chemicznego strącania;
• blok oczyszczania biologicznego ścieków;
• blok przeróbki osadów ściekowych.

W skład części mechanicznej oczyszczalni wchodzą:

• Krata ręczna o prześwicie 100 mm – 1 sztuka.
• Punkt zlewny ścieków dowożonych – automatyczna trzystanowiskowa stacja zlewna.
• Kraty mechaniczne schodkowe Meva Rotoscreen typ RS – 21-80-3 – 2 szt. i typ RS-23-80-3 – 1 szt. o prześwicie 3 mm i przepustowości 3100 m³/h wraz z transporterami ślimakowymi skratek TAL-NIVE typ U-220 – 2 szt.
• Piaskownik trzykomorowy z lejami piaskowymi umiejscowionymi na początku każdej komory. Do usuwania piasku służą pompy Flygt DS3080MMT310 – 3 szt. umieszczone w każdym leju piaskowym.
• Odwadniacz piasku o przepustowości 1,3 m³/min z transporterem śrubowym TAL-NIVE – 1 komplet.
• Kanał pomiarowy z czujnikiem ultradźwiękowym – 2 szt.
• Dwa osadniki wstępne poziome w kształcie dwusekcyjnych komór z dwunastoma lejami osadowymi i czterema zgarniaczami osadu typu VA-TEKNIK oraz czterema zgarniaczami dennymi i dwoma powierzchniowymi typu Zickert o łącznej powierzchni 1 081 m², głębokości czynnej 2,7 m i łącznej objętości czynnej wynoszącej 2 920 m³.

W skład części biologicznej Oczyszczalni Ścieków „Jamno” wchodzą:

• Reaktory biologiczne trzyfazowe – 2 szt. o pojemności 12 612,12 m³ każdy, składające się z:
• 1 szt. komory predenitryfikacji osadu (KPDN) o wymiarach w planie 11,4×12,0 m, głębokość czynna 3,65 m, objętość czynna 499,32 m³, w komorze jest zainstalowane mieszadło wolnoobrotowe zatapialne Flygt 4650.410;
• 2 szt. komór defosfatacji (KB) o wymiarach w planie 11,4×12,0 m, głębokość czynna 3,65 m, objętość czynna 499,32 m³, w każdej komorze jest zainstalowane mieszadło wolnoobrotowe zatapialne Flygt 4650.410;
• 3 szt. komór denitryfikacji (KD1, KD2 i KD3) o wymiarach w planie 35,0×12,0 m, głębokość czynna 3,65 m, objętość czynna 1533,00 m³, w komorze są zainstalowane 2 szt. mieszadeł wolnoobrotowych zatapialnych Flygt 4410.011 oraz ruszty napowietrzające Flygt Sanitaire z dyskowymi dyfuzorami napowietrzającymi (tylko w komorach KD3 i KD2);
• 1 szt. komory nitryfikacji/denitryfikacji (KN/KD) o wymiarach w planie 35,0×12,0 m, głębokość czynna 3,65 m, objętość czynna 1533,00 m³, w komorze są zainstalowane 2 szt. mieszadeł wolnoobrotowych zatapialnych Flygt 4410.011. oraz ruszt napowietrzający Flygt Sanitaire z dyskami napowietrzającymi;
• 2 szt. komór nitryfikacji (KN1 i KN2) o wymiarach w planie 35,0×19,5 m, głębokość czynna 3,65 m, objętość czynna 2491,13 m³, w komorze jest zainstalowany ruszt napowietrzający Flygt Sanitaire z dyskowymi dyfuzorami napowietrzającymi;
• 2 szt. pompowni recyrkulacji wewnętrznej osadu wyposażone w pompy KSB Amacan PA4-700/258UG1 o wydajności 2250 m³ /h. Jedna z pomp sterowana jest falownikiem umożliwiającym płynną zmianę wydajności pompy.
• Osadniki wtórne radialne typu ORwt 48/51 o średnicy 48 m i objętości pojedynczego osadnika 7 000 m3 wyposażone w zgarniacze typu 24Rc48 – 2 komplety.
• Pompownie recyrkulacji zewnętrznej osadu wyposażone w pompy Flygt CP3152LT-61 o wydajności 576 m³ /h. W każdej przepompowni zainstalowane są 2 szt. pomp, z których jedna sterowana jest falownikiem umożliwiającym płynną zmianę wydajności pompy. Ilość przepompowni – 2 komplety.
• Stacja dmuchaw wyposażona w 3 szt. dmuchaw typu Rootsa o wydajności 156 m³ /min oraz jedną dmuchawę typu Rootsa o wydajności 80 m³ /min. Jedna z dmuchaw sterowana jest falownikiem umożliwiającym płynną regulację wydajności sprężonego powietrza.

Metodyka

1. W okresie od stycznia do marca 2019 roku oznaczono kilkukrotnie w jednorazowych próbkach sączonych metodą laboratoryjną zawartość azotu azotanowego w próbkach pobranych z wylotu komory KN/KD do KN1 na ciągu biologicznym nr 1 w celu oszacowania tzw. efektu przebicia azotanami, tj. dostarczania azotanów z końcówki strefy denitryfikacji do strefy nitryfikacji w warunkach niskiego przepływu, przy maksymalnym stopniu recyrkulacji wewnętrznej wynoszącym powyżej 400%.
2. Wykonano oznaczenia za pomocą fotometru PF-12 zawartości azotu amonowego, azotanowego oraz fosforanów w jednorazowych, sączonych próbkach osadu czynnego pobranych z wylotów komór: KD2, KD3, KN/KD, KN1 i KN2. Zakres oznaczeń użytych odczynników dla azotu azotanowego, amonowego i fosforanów wynosił odpowiednio: 1÷120 mg/l N-NO₃^–, 0,5÷15 mg/l N-NH₄⁺, 0,2÷5 mg/l PO₄^3-.
3. Dokonano modyfikacji układu technologicznego polegającego na wprowadzeniu końcowej denitryfikacji w komorze KN2 w reaktorze biologicznym nr 2 w okresie od stycznia do maja 2019 roku, w cyklach trwających maksymalnie 7 dni (rys. 1).
4. Oznaczono zmiany zawartości azotu azotanowego za pomocą fotometru PF-12 i sondy jonoselektywnej ISE Max Endress Hauser w próbce osadu czynnego pobranej z komory KN2 z reaktora biologicznego nr 1, przy powolnym mieszaniu próbki za pomocą mieszadła magnetycznego. Dodatkowo oznaczono fotometrem PF-12 zawartość azotu amonowego i fosforanów w trakcie powolnego mieszania próby pobranej z komory KN2 reaktora biologicznego nr 1 w dniu 10 sierpnia 2019 r.

Wyniki

1. Poziom azotu azotanowego z wylotu komory KN/KD do KN1 reaktora biologicznego nr 1 w warunkach niskiego przepływu, przy maksymalnym stopniu recyrkulacji wewnętrznej wynoszącym powyżej 400% wynosił poniżej 0,2 mg/l N-NO₃^– .Tak niski wskaźnik azotu azotanowego w tej strefie sugeruje wysoką sprawność procesu denitryfikacji w istniejącym układzie oraz możliwość eksploatacji układu przy maksymalnej recyrkulacji wewnętrznej.

2. Profile podłużne azotu amonowego, azotanowego i fosforanów (wyk. 1 i 2) potwierdzają skuteczność strefy denitryfikacji oraz nitryfikacji objawiających się spadkiem azotu amonowego i fosforanów do wartości < 1 mg/L. Największy wzrost azotu azotanowego obserwuje się już w pierwszej fazie nitryfikacji – wylot z komory KN1.

3. W wyniku modyfikacji istniejącego układu technologicznego (rys. 1), polegającej na wprowadzeniu końcowej denitryfikacji w komorze KN2 w reaktorze biologicznym nr 2 zaobserwowano już po kilku godzinach gwałtowny spadek azotu azotanowego do wartości ok. 1,5 mg/l N-NO₃ (rys. 2).

4. Oznaczono zmiany zawartości azotu azotanowego za pomocą kolorymetru PF-12 i sondy jonoselektywnej ISE Max Endress Hauser w próbce osadu czynnego pobranej z komory KN2 z reaktora biologicznego nr 1 przy użyciu mieszadła magnetycznego (wyk. 3). Dodatkowo oznaczono fotometrem PF-12 zawartość azotu amonowego i fosforanów w trakcie powolnego mieszania próby pobranej z komory KN2 reaktora biologicznego nr 1 w dniu 10 sierpnia 2019 r.

Dyskusja

Na podstawie przeprowadzonych badań w zakresie ilości azotu azotanowego w próbkach pobranych z wylotu komory KN/KD do KN1, stwierdzono zawartość azotu azotanowego na poziomie poniżej 0,2 mg/l. Stąd wysunięto wniosek, że pojemność strefy denitryfikacji zapewnia skuteczną redukcję azotu azotanowego nawet w przypadku bardzo dużego poziomu recyrkulacji wewnętrznej wynoszącego powyżej 400%. Możemy zatem z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić występowanie korzystnego dla badanego układu oczyszczania ścieków zjawiska braku wtórnego zasilania strefy nitryfikacji azotem azotanowym z komór anoksycznych. Zjawisko to zostało również potwierdzone na podstawie wykonania serii profili podłużnych w zakresie zmian azotu amonowego i azotanowego wzdłuż komór od KD1 do KN/KD (wyk. 1 i 2). Wartości azotu azotanowego oscylowały wokół dolnej granicy zakresu oznaczenia fotometru PF-12, wynoszącej 1 mg/l N- NO₃^–. Poziom recyrkulacji wewnętrznej w koszalińskiej oczyszczalni ścieków może być ustawiony w trybie automatycznym w funkcji przepływu ścieków lub utrzymania stałego stężenia azotu azotanowego [Kozak 2007]. W przypadku przekroczenia poziomu 10 mg/L N- NO₃^– pompy recyrkulacji wewnętrznej pracują na maksymalnej wydajności wynoszącej powyżej 400% w stosunku do ilości dopływających ścieków.

Przeprowadzone próby wydzielenia denitryfikacji końcowej z komory KN2 dały najlepsze rezultaty w momencie zmniejszenia do minimum dopływu sprężonego powietrza do obu rusztów napowietrzających typu Flygt Sanitaire (rys. 1).

Ograniczanie dopływu sprężonego powietrza tylko do przedostatniej sekcji, przy normalnym trybie pracy ostatniej sekcji rusztów napowietrzających (klasyczny układ 5-fazowy), nie dawało widocznych rezultatów w postaci obniżki zawartości azotu azotanowego. Dodatkowo zaobserwowano możliwość ograniczenia wydajności pomp recyrkulacji wewnętrznej do poziomu ok. 200% w stosunku do przepływu ścieków, co pozwoli uzyskać znaczne oszczędności energii elektrycznej.

Spadek azotu azotanowego na skutek denitryfikacji endogennej zaobserwowano także w próbach pobranych z wylotu komory KN2 w reaktorze biologicznym nr 2 przy użyciu mieszadła magnetycznego. Wielkość obniżki azotu azotanowego w ciągu trzech godzin ekspozycji wyniosła 7,5 mg/l zatem prędkość denitryfikacji endogennej wynosiła około 15 mg N/(g s.m. · d). W przeprowadzonych w dniu 10 sierpnia 2019 r. pomiarach prędkości denitryfikacji endogennej (bez użycia zźw) nie odnotowano wtórnego uwalniania fosforu i azotu amonowego.

W trakcie przeprowadzonych testów na reaktorze biologicznym nr 2 z wydzieloną denitryfikacją końcową, zaobserwowano po około trzeciej dobie stopniowy wzrost azotu amonowego w ściekach oczyszczonych i na końcu komory KN2. Wzrost tej formy azotu był spowodowany brakiem efektywnego dostarczania tlenu do komór KN/KD i KD3 przez nieeksploatowane ruszta napowietrzające. Pomimo przepłukiwania membran za pomocą środków chemicznych usuwających kamień kotłowy w porach membran (kwas mrówkowy, Deox) uzyskiwany poziom tlenu w tych komorach ograniczał się do wartości 0,3÷1 mg/l. Tak niskie stężenie tlenu nie zapewniało odpowiednich warunków dla procesu nitryfikacji. W trakcie krótkotrwałych testów z wydzieleniem denitryfikacji końcowej tylko na jednym z dwóch reaktorów biologicznych udało się uzyskać stężenie azotu ogólnego w próbach średniodobowych na poziomie 4,9 mg N_og/l. Dalsza eksploatacja układu z wydzieloną denitryfikacją końcową wymaga wymiany membran, przepustnic sprężonego powietrza oraz przeniesienia tlenomierzy do części anoksycznej.

Po wprowadzeniu modyfikacji układu technologicznego, polegającej na wprowadzeniu końcowej denitryfikacji w komorze KN2 w reaktorze biologicznym nr 2 (typ Jamno) stwierdzono możliwość skutecznego usuwania azotu azotanowego także na drodze denitryfikacji endogennej (po ograniczeniu dawkowania zewnętrznego źródła węgla). W przypadku wydzielenia końcowej komory denitryfikacji o pojemności zapewniającej krótszy czas przetrzymania (poniżej 2 h) lub w przypadku wysokiego dopływu ładunku azotu, może nastąpić konieczność zwiększenia prędkości denitryfikacji poprzez aplikację zewnętrznego źródła węgla zarówno do komory KD1 jak i komory KN2 (rys. 1). Wówczas wtórne uwalnianie fosforu można będzie łatwo zredukować poprzez aplikację koagulantu żelazowego przed osadnikami wtórnymi. Wtórne uwalnianie fosforu na koszalińskiej oczyszczalni ścieków zaobserwowano szczególnie w warunkach zmniejszenia stopnia recyrkulacji zewnętrznej (ok. 50%), przy niskim obciążeniu hydraulicznym oczyszczalni oraz przy temperaturze ścieków wynoszącej powyżej 20°C. Stąd, w celu zapobiegania wtórnemu uwalnianiu fosforu, stosuje się wyższy stopień recyrkulacji zewnętrznej, w połączeniu z interwencyjnym dozowaniem koagulantu żelazowego do komory rozdziału przed osadnikami wtórnymi.

Wnioski

1. Wykorzystanie potencjału końcowej denitryfikacji (endogennej lub wspomaganej zewnętrznym źródłem węgla) w istniejących oczyszczalniach ścieków przyczyni się do zwiększenia redukcji azotu ze strumienia ścieków, co pozwoli na stabilną pracę oczyszczalni oraz zachowanie warunków pozwolenia wodnoprawnego także w niekorzystnych warunkach niskich temperatur, zwiększonego dopływu odcieków z gospodarki osadowej, czy w warunkach zwiększonego ładunku dopływu zanieczyszczeń ze zlewni miejskiej.
2. Zachowanie niskich wartości azotu ogólnego, w niektórych przypadkach może eliminować potrzebę rozbudowy oczyszczalni odcieków, zwłaszcza w oparciu o procesy skróconej denitryfikacji w tzw. ciągu bocznym.
3. Badania wykazały wysoką skuteczność adaptacji istniejącej kubatury komór osadu, zwiększającej stopień redukcji azotu ze strumienia ścieków, także na drodze denitryfikacji endogennej, która może przyczynić się dodatkowo do spadku ilości osadu nadmiernego powstającego w ciągu roku.
4. W komorach nitryfikacji, do stworzenia warunków końcowej denitryfikacji można wykorzystać instalację do napowietrzania drobnopęcherzykowego, w przypadku braku mieszadeł mechanicznych. Kluczowym warunkiem zapewniającym efektywną denitryfikację w takich warunkach będzie sposób nastawienia i pracy przepustnic sprężonego powietrza.
5. W przypadku projektowania nowych instalacji do oczyszczania ścieków warto uwzględnić takie rozwiązania, które pozwolą na elastyczną pracę oczyszczalni w różnych konfiguracjach stref tlenowych, anoksycznych i beztlenowych w zależności od zmieniających się warunków eksploatacyjnych w przyszłości.
6. Wprowadzenie denitryfikacji końcowej w układzie A2O pozwoli ograniczyć intensywność recyrkulacji wewnętrznej, co jest równoznaczne ze zmniejszeniem energochłonności procesu oczyszczania ścieków.

Literatura

• Barnard J.L. Projektowanie oczyszczalni z osadem czynnym usuwających związki biogenne, Filozofia projektowania a eksploatacja oczyszczalni ścieków, Materiały seminarium szkoleniowego, LEM Projekt s.c., Kraków 28-29.06.2000, s. 13-59.
• Bieniowski M. Usuwanie azotu. Po pierwsze recyrkulacja wewnętrzna. Forum Eksploatatora nr 6, 2008.
• Kozak M. Sterowanie pracą urządzeń technologicznych części ściekowej oczyszczalni na przykładzie zmodernizowanej Oczyszczalni Ścieków JAMNO. Zeszyty Naukowe Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Koszalińskiej Nr 23, Seria Inżynieria Środowiska, 2007.
• Malej J. Oczyszczanie ścieków z zastosowaniem cyrkulacyjnych komór osadu czynnego. Wybrane zagadnienia technologiczne i zasady wymiarowania. Poznań 1999.   

Piotr Maciołek, Miejskie Wodociągi i Kanalizacja Sp. z o.o. w Koszalinie

Źródło: Forum Eksploatatora 6/2019