Optymalizacja usuwania azotu – poprawa efektów oczyszczania i krok na drodze do samowystarczalności energetycznej Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków – podsumowanie projektu

W artykule przedstawiono podsumowanie zakończonego trzyletniego projektu badawczego pt. „Optymalizacja usuwania azotu – poprawa efektów oczyszczania i krok na drodze do samowystarczalności energetycznej Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków” (NWOŚ), dotyczącego nowoczesnych technologii zagospodarowania odcieków powstających podczas odwadniania osadów. Strumień ten, charakteryzujący się wysokim stężeniem azotu, podwyższoną temperaturą i brakiem związków organicznych może powodować m.in. zwiększone koszty eksploatacyjne związane z koniecznością jego oczyszczania po zawróceniu na początek oczyszczalni. Projekt był realizowany przez konsorcjum, w skład którego wchodziło MPWiK S.A we Wrocławiu, Politechnika Wrocławska oraz Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu.

W projekcie testowano technologie oparte o hodowlę bakterii nitryfikacyjnych lub deamonifikację. Podczas badań przeprowadzono kilka rozruchów procesów pełnej i częściowej nitryfikacji oraz jedno- i dwustopniowej deamonifikacji wykorzystującej bakterie annamox. Dzięki temu opracowano szczegółową metodykę przeprowadzenia skutecznego i szybszego rozruchu tych procesów z możliwością bioaugmentacji ciągu głównego (bloków biologicznych).

Dodatkowo wskazano uzyskane wydajności poszczególnych metod oczyszczania i optymalne parametry prowadzenia procesu, wraz z potencjalnymi problemami eksploatacyjnymi.

Ostatnim etapem były badania symulacyjne mające na celu określenie potencjalnych korzyści płynących z przyjęcia którejś z badanych technologii w pełnej skali technicznej we Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków, uwzględniając koszty eksploatacyjne i inwestycyjne każdej z nich.

Uzyskane wyniki były na tyle obiecujące, że na ich podstawie podjęto decyzję o wdrożeniu dwustopniowej deamonifikacji na obiekcie.

1. Wstęp

W oczyszczalniach ścieków wykorzystujących fermentację metanową, podczas odwadniania osadów powstają ciepłe (>25°C) odcieki. Ich ilość jest niewielka (oko. 2% strumienia ścieków surowych), ale ze względu na bardzo duże stężenie azotu (kilkaset g N/m³) ładunek azotu, który niosą, stanowi nawet 25% ładunku azotu dopływającego do oczyszczalni. Jednocześnie odcieki te są praktycznie pozbawione związków organicznych.

Zwykle odcieki te są zawracane na początek oczyszczalni, gdzie mieszają się ze ściekami surowymi i obciążają komory osadu czynnego (KOCz). Alternatywnie, odcieki te mogą być ujęte przed zmieszaniem i oddzielnie oczyszczone, co wiąże się z określonymi korzyściami (p. 1.1).

W czerwcu 2017 roku zakończyła się realizacja trzyletniego projektu badawczego pt. „Optymalizacja usuwania azotu – poprawa efektów oczyszczania i krok na drodze do samowystarczalności energetycznej Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków” (NWOŚ). Celem tego projektu było sprawdzenie, która z nowoczesnych technologii zagospodarowania odcieków pozwoli na usunięcie azotu najbardziej korzystne technologicznie i ekonomicznie. Projekt był realizowany przez konsorcjum, w skład którego wchodziło MPWiK S.A. we Wrocławiu, Politechnika Wrocławska oraz Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu. W projekcie testowano technologie oparte o hodowlę bakterii nitryfikacyjnych lub deamonifikację. Badania prowadzono na nowoczesnej stacji badawczej, wybudowanej na potrzeby realizacji projektu.

1.1. Celowość oczyszczania odcieków

W tab. 1 przedstawiono porównanie kubatur niezbędnych do usunięcia 1 Mg N/d z odcieków w przypadku oczyszczania odcieków razem ze ściekami w komorze osadu czynnego oraz wydzielonego oczyszczania. Opis technologii przedstawiono w p. 7.

Charakterystyczne parametry odcieków w postaci podwyższonej temperatury i wysokiego ładunku azotu w małej objętości pozwalają na zastosowanie alternatywnego, wydzielonego oczyszczania. Alternatywne oczyszczanie może być prowadzone za pomocą częściowej nitryfikacji z hodowlą nitryfikantów i denitryfikacją w KOCz lub w procesie deamonifikacji (opis procesów w p. 4, 5 i 6). Implementacja procesu deamonifikacji czy hodowli nitryfikantów I fazy w komorze osadu czynnego jest obecnie niemożliwa. Możliwe jest również oczyszczenie odcieków w klasycznej nitryfikacji/denitryfikacji, jednak wysoka temperatura odcieków pozwala na osiągnięcie znaczne wyższej sprawności objętościowej w alternatywnych procesach. Skutkuje to dużymi oszczędnościami na kubaturze, a w przypadku hodowli nitryfikantów pozwala również na zastosowanie wieków osadu, co z kolei skutkuje bardzo dużym przyrostem bakterii. Niezależnie więc od zastosowanego procesu, wydzielone usuwanie azotu z odcieków, zapewnia duże oszczędności inwestycyjne.

Wydzielone oczyszczanie odcieków jest też korzystniejsze eksploatacyjnie, gdy do usunięcia azotu wykorzystamy właśnie nowoczesne, a nie klasyczne metody oczyszczania (tab. 2).

Konwencjonalne technologie oczyszczania oparte są o proces nitryfikacji i denitryfikacji. Do usunięcia azotu amonowego przy udziale tych dwóch procesów wymagany jest tlen (do nitryfikacji) i odpowiednia zawartość związków organicznych (do denitryfikacji), które w przypadku odcieków muszą być dawkowane. Zużycie tlenu i związków organicznych może być ograniczone, gdy zastosowane zostaną procesy skróconej nitryfikacji i denitryfikacji. W przypadku technologii takich jak deamonifikacja zapotrzebowanie na związki organiczne jest zerowe, a zużycie tlenu jest jeszcze mniejsze, co skutkuje znacznym zredukowaniem kosztów eksploatacyjnych.

1.2. Dlaczego prace B + R, a nie bezpośrednia implementacja?

Wydzielone zagospodarowanie odcieków nie jest dojrzałym technologicznie rozwiązaniem. Pomimo istnienia powyżej 100 instalacji do deamonifikacji [Lacner i in. 2014] i ponad 20 instalacji do hodowli nitryfikantów i zaszczepiania osadu czynnego, eksploatacja tych technologii nie jest opanowana w takim stopniu, jak np. procesu osadu czynnego. Problemy występują szczególnie w przypadku procesu deamonifikacji z uwagi na to, że:

• proces skróconej nitryfikacji jest niestabilny i podatny na załamanie, co skutkuje zatrzymaniem procesu deamonifikacji [Lackner i inni 2014];
• proces anammox jest wrażliwy na wiele czynników środowiskowych i łatwo ulega zahamowaniu, co skutkuje zatrzymaniem procesu deamonifikacji [Lackner i inni 2014];
• zatrzymanie procesu deamonifikacji może skutkować przeciążeniem komór osadu czynnego i potencjalnym pogorszeniem jakości ścieków oczyszczonych.

Awarie lub zaburzenia pracy instalacji do deamonifikacji zdarzają się często. Opublikowane w 2014 r. wyniki badań ankietowych wskazują, że poważne sytuacje awaryjne zdarzają się w kilkudziesięciu procentach instalacji [Lackner i in. 2014]. Tab. 3. przedstawia typowe problemy eksploatacyjne, częstość ich występowania w instalacjach w pełnej skali technicznej oraz ich potencjalne skutki.

W sytuacji, gdy występujące zaburzenie skutkuje trwałym zatrzymaniem procesu anammox, należy liczyć się z trwającym 30÷180 dni ponownym rozruchem [Muhammad Ali, Satoshi Okabe 2015], w czasie którego cały lub większość usuwanego dotychczas ładunku azotu będzie zasilało ciąg osadu czynnego.

Nawet w przypadku braku wystąpienia identyfikowalnych zaburzeń, sprawność procesu deamonifikacji może istotnie zmieniać się w czasie, skutkując zmiennym ładunkiem azotu zrzucanym do bloku biologicznego. Potwierdzają to dostępne doniesienia literaturowe. Dla przykładu, sprawność w usuwaniu azotu amonowego jednego z istniejących reaktorów DEMON zmieniała się w krótkim czasie wielokrotnie, od ok. 80 do 40% [Nifong i in.].

Aktualny stopień rozwoju tych technologii powoduje więc, że na razie każde kolejne wdrożenie jest de facto eksperymentem i wiele nieprzewidywalnych zdarzeń może mieć miejsce.

Kolejnym argumentem jest brak możliwości odpowiedzi na pytanie, która z testowanych technologii zagospodarowania odcieków będzie korzystniejsza dla Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków.

Świadomość występujących problemów doprowadziła do podjęcia decyzji o realizacji projektu badawczego przed planowanym wdrożeniem procesu zagospodarowania odcieków.

Decyzja ta okazała się słuszna. W toku prac wykazano, np., że proces jednostopniowej deamonifikacji jest w warunkach Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków bardzo niestabilny i jego implementacja nie jest wskazana (p. 6.1.3.).

2. Projekt badawczy

Projekt badawczy, w ramach którego przetestowano w warunkach technicznych procesy zagospodarowania odcieków, nosił nazwę „Optymalizacja usuwania azotu – poprawa efektów oczyszczania i krok na drodze do samowystarczalności energetycznej Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków” i był realizowany przez konsorcjum utworzone przez Politechnikę Wrocławską, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu oraz Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji we Wrocławiu (lider projektu). Projekt był dofinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Programu Badań Stosowanych. Składał się z ośmiu zadań badawczych oraz analizy technologiczno-finansowej.

W ramach zadań badawczych zbadane zostały technologie oparte o proces deamonifikacji – realizowany w wersji jednostopniowej oraz dwustopniowej, hodowlę nitryfikantów I i II fazy wraz z zaszczepianiem osadu czynnego.

Dla każdego procesu wykonano kilkukrotnie rozruch. Następnie rozpoczynano okres półrocznej stabilnej eksploatacji. Na podstawie zebranych danych opracowano najkorzystniejszy sposób eksploatacji oraz metodyki rozruchu i eksploatacji każdego procesu.

Doświadczenia uzyskane przy realizacji zadań badawczych zostały wykorzystane w analizie technologiczno-finansowej. Wyniki zadań badawczych przedstawiono w p. 4÷6, a podsumowanie analizy technologiczno-finansowej w p. 7.

3. Stacja Badawcza WOŚ

Na potrzeby realizacji projektu wybudowano stację badawczą. Zlokalizowana została ona we Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków „Janówek”.

Stacja składa się z dwóch części: laboratoryjnej (rys. 1) oraz instalacji badawczej (rys. 2), zlokalizowanych bezpośrednio nad laboratorium, odpowiednio na drugim oraz trzecim poziomie budynku odwadniania osadów.

Cztery reaktory procesowe (rys. 3) stanowią serce instalacji. Każdy o pojemności 150 dm³, wyposażony jest w profesjonalny system monitoringu i sterowania procesami prowadzonymi w reaktorach.

Każdy reaktor wyposażony został w zbiornik do gromadzenia ścieków oczyszczonych oraz osadu nadmiernego. Reaktory zasilane są odciekami z pras do odwadniania osadów. Na kompletny reaktor (rys. 3), poza zbiornikami, składają się elementy wykonawcze oraz oprzyrządowanie kontrolne:

• elementy wykonawcze:
• układ napowietrzania – dmuchawa, elektryczny zawór upustowy, talerzowy dyfuzor membranowy,
• układ grzania i chłodzenia,
• pompa odcieków surowych,
• pompa odcieków oczyszczonych,
• pompa osadu nadmiernego,
• pompa dozująca roztwór zasadowości + zbiornik roztworu zasadowości;
• oprzyrządowanie kontrolne:
• hydrostatyczna sonda poziomu,
• sonda tlenu rozpuszczonego,
• sonda azotu amonowego,
• sonda azotu azotanowego,
• sonda pH/redox,
• rotametr (przepływ powietrza),
• czujnik temperatury.

Programowanie oraz kontrola pracy poszczególnych elementów może odbywać się przez dwa panele operatorskie (szafa sterująca w laboratorium oraz na poziomie pierwszym instalacji badawczej) lub bezpośrednio z komputera znajdującego się w części laboratoryjnej. Dodatkowo, upoważnione osoby posiadają podgląd zdalny pracy poszczególnych reaktorów bez możliwości ingerencji.

Laboratorium stanowi bezpośrednie zaplecze naukowo-analityczne dla badań realizowanych w ramach projektu. Bogate wyposażenie daje możliwość natychmiastowego wykonywania niezbędnych oznaczeń i pomiarów bez potrzeby transportu próbek w inne miejsca.

4. Hodowla nitryfikantów I i II fazy

Proces nitryfikacji, polegający na utlenieniu azotu amonowego do azotanów, przebiega w dwóch następujących po sobie procesach biologicznych prowadzonych przez dwie różne grupy bakterii. Pierwszy etap, prowadzony przez nitryfikanty pierwszej fazy – AOB (ang. Ammonia Oxidizing Bacteria), pozwala na transformację NH₄ do NO₂. Powstałe w ten sposób azotyny zostają utlenione do azotanów poprzez nitryfikanty drugiej fazy – tzw. bakterie NOB (ang. Nitrite Oxidizing Bacteria). Procesy te zachodzą w warunkach tlenowych i są niezbędne w konwencjonalnych rozwiązaniach układów oczyszczania ścieków. Hodowla nitryfikantów na strumieniu odcieków posiadających podwyższoną temperaturę pozwala prowadzić proces przy znacznie mniejszym wieku osadu, co umożliwia uzyskanie znacznie większej masy bakterii nitryfikacyjnych niż w komorze osadu czynnego przy takim samym ładunku azotu amonowego. Doprowadzenie dodatkowych bakterii do ciągu głównego pozwala utrzymać aktywność nitryfikacji w przypadku obniżenia temperatury lub zmniejszyć wiek osadu przy temperaturach wyższych. Zmniejszenie wieku osadu pozwala zmaksymalizować ładunek związków organicznych trafiających do komór fermentacyjnych, co bezpośrednio przekłada się na intensyfikację produkcji gazu fermentacyjnego. W wyniku zastosowania reaktora hodowlanego, możliwe jest ograniczenie napowietrzania w części komory tlenowej osadu czynnego i promocja denitryfikacji w celu zwiększenia skuteczności usuwania azotu.

W projekcie badano możliwość długotrwałej i wydajnej hodowli nitryfikantów na strumieniu odcieków oraz wpływ zaszczepiania nimi osadu czynnego na przebieg procesów prowadzonych w ciągu osadu czynnego. Badania prowadzono w reaktorach stacji badawczej. Uzyskane wyniki wykorzystano do kalibracji modelu matematycznego i symulacji skutków pełnoskalowego wdrożenia (rys. 4).

4.1. Rozruch reaktora hodowlanego

Podczas badań wykonano pięć rozruchów procesu nitryfikacji oraz pięć rozruchów częściowej nitryfikacji, co pozwoliło na precyzyjne określenie optymalnych działań, jakie należy podjąć w celu uruchomienia układu o największym przyroście masy bakterii i skuteczne usuwającego duże ładunki azotu amonowego. W opracowanej metodyce określono takie parametry, jak m.in.: zalecane stężenie osadu, stężenie tlenu, pH, wiek osadu, metodyka rozruchu i dawki zaszczepiania z komór osadu czynnego oczyszczalni. Całość eksperymentu odbywała się w dwóch reaktorach procesowych SBR. Ostatecznie osiągnięto niemalże całkowite usunięcie azotu amonowego, na poziomie powyżej 95%, oraz wykazano możliwość skutecznej i innowacyjnej hodowli bakterii nitryfikacyjnych AOB. Wypracowane rozwiązanie pozwoliło zapewnić zwiększenie szybkości rozruchu reaktora, ograniczenie II fazy nitryfikacji, przy promocji I fazy, do potrzeb procesu deamonifikacji oraz możliwość skutecznej bioaugmentacji ciągu głównego (bloków biologicznych). Metodykę hodowli opatentowano pn. „Sposób wytwarzania bakterii nitryfikacyjnych AOB” (P.418097).

4.2. Stabilna praca reaktora

Po rozruchu procesu osiągnięto 7-miesięczny okres stabilnej pracy pełnej nitryfikacji przy sprawności usuwania azotu wynoszącej 0,57 kg N-NH₄/(m³ · d). Wahania nie przekraczały 10% średniej sprawności, a podczas dodatkowego 4-miesięcznego okresu maksymalnej sprawności wartość ubytku azotu amonowego wynosiła aż 0,8 kg N-NH₄/(m³ · d).

W przypadku jednostopniowej nitryfikacji osiągnięto sprawność usuwania na poziomie 0,4 kg N-NH₄/(m³ · d) w okresie półrocznym, o maksymalnych wahaniach 15% średniej sprawności. Akumulacja azotynów w tym okresie (niezbędnych do procesu deamonifikacji) wynosiła około 0,85 kg N-NO₂/m³. Oba procesy (pełnej i częściowej nitryfikacji) były prowadzone przy możliwie krótkim wieku osadu, co pozwoliło na zmaksymalizowanie wartości netto przyrostu bakterii.

5. Zaszczepianie osadu czynnego wyhodowanymi nitryfikantami

Kolejnym elementem projektu było badanie wpływu zaszczepiania osadu czynnego wychodowanymi wcześniej nitryfikantami 1. oraz 2. fazy, a w szczególności określeniu szybkości tych procesów, współczynników przyrostu i obumierania bakterii oraz określenie strategii adaptacyjnej minimalizującej negatywny wpływ zmian warunków na żywotność zaszczepu. W tym celu przeprowadzono komputerowe badania symulacyjne oraz testy krótko- i długotrwałe. Osiągnięte wyniki miały pomóc w określeniu możliwości i wymiernych efektów jakie dałoby wprowadzenie wyhodowanych bakterii do osadu czynnego w pełnej skali technicznej oczyszczalni.

W testach krótkotrwałych badano wpływ zmiany warunków, takich jak pH czy temperatura na szybkość procesów. Stwierdzono negatywny wpływ zmian temperatur na metabolizm bakterii, lecz zidentyfikowano go jako krótkotrwały, poprzez szybkie dostosowywanie się mikroorganizmów do zmian w ciągu kilku dni i niewymagający dodatkowych działań w przypadku dawkowania zaszczepu do ciągu głównego. Badana hodowla wykazała również dużą odporność na zmiany odczynu w analizowanych wartościach, a zauważalne zmiany powiązano raczej ze zmiennością stężenia wolnego kwasu azotawego, który jest czynnikiem inhibitującym proces. Ostatnim krokiem tego etapu były testy długotrwałe, polegające na porównaniu symulacji komputerowej mieszaniny osadu hodowlanego i ciągu głównego z danymi rzeczywistymi. Uzyskano wysoką zgodność wyników, co podkreśliło poprawność danych wszystkich parametrów modelowanego układu populacji nitryfikantów i możliwość wykorzystania ich w dalszej praktyce badawczo-rozwojowej.

6. Deamonifikacja

Deamonifikacja jest to proces usuwania azotu na drodze częściowej nitryfikacji i procesu anammox (rys. 5).

Proces anammox został odkryty pod koniec lat 90. XX w. Polega na beztlenowej przemianie azotu amonowego do azotu cząsteczkowego przy udziale azotynów. Azotyny produkowane są przez bakterie AOB. Deamonifikacja, jako technologia oparta o dwie odrębne grupy bakterii, może być realizowana na dwa sposoby: jako proces 1-lub 2-stopniowy. W pierwszym przypadku, częściowa nitryfikacja i anammox realizowane są w jednym reaktorze. W przypadku drugim – procesy te są rozdzielone

Względem klasycznej nitryfikacji–denitryfikacji, usunięcie azotu przy wykorzystaniu bakterii anammox pozwala skrócić drogę przemiany azotu. Koszt usunięcia ładunku azotu przy wykorzystaniu rozwiązania opartego o deamonifikację, względem przytoczonego porównania, przedstawiono w tab. 2. Schemat (rys. 6) pokazuje realizację procesu w układzie technologicznym oczyszczalni ścieków.

6.1. 1-stopniowa deamonifikacja

Proces jednostopniowej deamonifikacji jest realizowany w jednym reaktorze (rys. 7). Osad jest naprzemiennie napowietrzany, a następnie tylko mieszany.

Bakterie AOB w fazie tlenowej w procesie częściowej nitryfikacji dostarczają niezbędne azotyny dla beztlenowego procesu anammox, który uaktywnia się po wyłączeniu napowietrzania. Obecność tlenu jest szkodliwa dla bakterii anammox. W celu prowadzenia tego procesu osad hoduje się więc w taki sposób, aby bakterie anammox znajdowały się wewnątrz kłaczków (lub granul), a bakterie nitryfikacyjne na zewnętrznej części. W ten sposób bakterie nitryfikacyjne „chronią” bakterie anammox przed toksycznym wpływem tlenu.

6.1.1. Rozruch/metodyka

W ramach projektu wykonano rozruch reaktora do 1-stopniowej deamonifikacji. Do rozruchu wykorzystano osad z układu 2-stopniowego. Proces adaptacji przebiegał powoli. Podstawowym problemem był negatywny wpływ tlenu na bakterie anammox, utrzymujący się nawet po wyłączeniu napowietrzania. Skutkowało to obniżoną aktywnością bakterii anammox i potrzebą pracy przy bardzo długich fazach anoksycznych. Po kilkudziesięciu dniach wymagany czas trwania fazy anoksycznej skrócono do poziomu pozwalającego osiągnąć rozsądną sprawność procesu.

6.1.2. Stabilna praca i wydajność procesu

Przeprowadzono dwa długookresowe testy stabilności pracy. Podczas pierwszego, 5-miesięcznego, testu osiągnięta sprawność usuwania azotu wynosiła 0,19 kgN/(m³ · d) przy ponad 85-procentowej sprawności usuwania sumy wszystkich form azotu.

W drugim, 6-miesięcznym, teście odnotowano wzrost jednostkowej wydajności w usuwaniu azotu do poziomu 0,29 kgN/(m³ · d).

Pomimo wielu prób, nie uzyskano wyższych sprawności, a badany proces w warunkach Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków był bardzo niestabilny i nastręczał poważnych trudności eksploatacyjnych.

6.1.3. Potencjalne problemy eksploatacyjne

Zagrożenie wynikające z załamania ewentualnie prowadzonego procesu deamonifikacji, to znacznie zwiększone obciążenie dla komór osadu czynnego. W projekcie sprawdzono więc wpływ możliwych zdarzeń eksploatacyjnych na stabilność procesu:

• gwałtowne wahania odczynu pH w zakresie od 6,0 do 9,0;
• gwałtowne zmiany stężenia tlenu;
• gwałtowne zmiany temperatury z zakresu od 15 do 35°C;
• przerwę w zasilaniu od kilku godzin do 10 dni;
• wpływ wysokiego stężenia jonów Fe²⁺ w odciekach.

Zebrane dane posłużyły do stworzenia metodyki zaradczej nastawionej na szybką reakcję i działania minimalizujące powstałe straty i przyśpieszające przywracanie początkowej sprawności.

6.2. 2-stopniowa deamonifikacja

Poprawę wydajności deamonifikacji można uzyskać poprzez zastosowanie oddzielnego reaktora do produkowania azotynów, a co za tym idzie rozdzielenia grup bakterii (rys. 8). Rozdzielenie eliminuje problem występujący przy 1-stopniowym odpowiedniku. Bakterie przystosowane do odmiennych warunków osobno wykazują większą stabilność. Ewentualne problemy z jednym procesem nie wpływają bezpośrednio na proces drugi.

6.2.1. Rozruch i metodyka

Zaszczep do rozruchu procesu otrzymano z poznańskiej instalacji pilotowej. Wstępne parametry procesu ustalono w testach laboratoryjnych, po zakończeniu których rozpoczęto rozruch. Konsekwentnie, zwiększając obciążenie, szybko osiągnięto wydajność maksymalną odnotowaną dla 1-stopniowej deamonifikacji.

6.2.2. Stabilna praca i wydajność

W przeciwieństwie do wariantu 1-stopniowego, ten wariant nie nastręczał żadnych trudności eksploatacyjnych. Wykazano stabilną 6-miesięczną pracę. Maksymalna sprawność reaktora wynosiła 0,96 kg N/(m³ · d) i utrzymywana była przez 180 dni. Ograniczeniem zwiększenia wydajności okazały się być uwarunkowania techniczne.

6.2.3. Potencjalne problemy eksploatacyjne

Podobnie jak w przypadku warunków eksploatacji procesu jednostopniowego, wykonano testy mające na celu ustalić potencjalne zagrożenie dwustopniowego odpowiednika. Sprawdzono czynniki (takie same jak dla jednostopniowego reaktora), które mogą mieć wpływ na stabilność procesu. Uwagę należy zwrócić na zwiększoną wrażliwość bakterii anammox na obecność tlenu w przypadku 2-stopniowej deamonifikacji niż w 1-stopniowej. Związane jest to z całkowitym brakiem ekspozycji reaktora procesu anammox na tlen – przeciwnie niż w kombinowanym układzie 1-stopniowym.

7. Wdrożenie na WOŚ – badania symulacyjne

Ostatnim etapem było przeprowadzenie analizy ekonomiczno-technologicznej wdrożenia każdej z metod w pełnej skali na Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków. Dokładne przeanalizowanie możliwości zaaplikowania wymienionych procesów w warunkach Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków będzie stanowić istotne wsparcie w podejmowaniu decyzji dotyczących wyboru technologii zagospodarowania odcieków na tej oczyszczalni.

Zdobyte wyniki doświadczeń posłużyły do kalibracji modelu ASM2d. Dzięki przeprowadzonym symulacjom możliwe było określenie potencjalnych korzyści płynących z przyjęcia którejś z badanych technologii. Na potrzeby projektu opracowano również kompletny bilans odcieków i ładunków zanieczyszczeń w odciekach powstających na WOŚ. Mimo niewielkiego strumienia odcieków (zaledwie 1% objętości bloków biologicznych WOŚ) z racji zawracania strumienia odcieków, do reaktorów trafia około 12% ładunku azotu ogólnego i amonowego.

Badania symulacyjne przeprowadzono przy dwóch charakterystycznych temperaturach – 10 i 15°C, dla wariantu referencyjnego pracy ciągu ściekowego WOŚ oraz 6 wariantów zakładających oczyszczanie odcieków w procesach: pełnej nitryfikacji (pNIT), skróconej nitryfikacji (sNIT), 1-stopniowej deamonifikacji oraz 2-stopniowej deamonifikacji.

Wybrane najważniejsze wyniki obejmujące stężenia azotu ogólnego (N_og) i fosforu ogólnego (P_og) w ściekach oczyszczonych, zapotrzebowanie na powietrze, zużycie energii oraz koszty napowietrzania zestawiono w tab. 4.

Wpływ wdrożenia metod zagospodarowania odcieków na zużycie powietrza i energii oraz koszty z tym związane jest mniej jednoznaczny. W wariantach bazujących na deamonifikacji sumaryczne wartości tych wskaźników są niższe o 2÷4% niż w wariancie referencyjnym. W wariantach bazujących na skróconej nitryfikacji sumaryczne wartości tych wskaźników są niższe o 1÷2% niż w wariancie referencyjnym. Natomiast w wariantach bazujących na pełnej nitryfikacji, sumaryczne wartości tych wskaźników są wyższe o 2÷4% niż w wariancie referencyjnym. Ponadto koszt reagentów do korekty odczynu w wariantach zakładających deamonifikację jest wyraźnie niższy (ok. 14 razy) od rozwiązań bazujących na skróconej lub pełnej nitryfikacji.

Poza kosztami eksploatacyjnymi związanymi z pracą wybranego wariantu układu do oczyszczania odcieków, istotną rolę odgrywają również koszty inwestycyjne w dużym stopniu zależne od wybranej technologii. Wszystkie analizowane rozwiązania wymagają zapewnienia odpowiedniej kubatury w celu retencjonowania powstających odcieków po odwadnianiu osadów, a także reaktora biologicznego do prowadzenia procesu nitryfikacji/deamonifikacji (w przypadku 2-stopniowej deamonifikacji niezbędne są 2 reaktory). W wariantach z pełną/skróconą nitryfikacją dodatkowymi elementami niezbędnej infrastruktury będą układy membranowe/wymiany jonowej do produkcji koncentratu, a także rurociąg pozwalający na pompowanie produkowanych nitryfikantów do reaktorów biologicznych ciągu głównego.

Zmniejszenie ładunku azotu trafiającego do głównego ciągu ściekowego skutkuje również zmniejszeniem masy nitryfikantów w reaktorach biologicznych o 9÷11%, jednakże zaszczepianie ciągu głównego osadem nadmiernym z reaktorów do oczyszczania odcieków pozwala ograniczyć ubytek masy nitryfikantów do 1÷4%, co powinno się przełożyć na bardziej stabilną pracę ciągu głównego przy zmiennym obciążeniu.

Ponadto, dodatkowa seria badań symulacyjnych pokazała, że przy wdrożeniu wybranej metody zagospodarowania odcieków możliwe jest zwiększenie przepustowości ciągu ściekowego WOŚ o około 20 tys. m³/d (~15%) bez konieczności zwiększania kubatury urządzeń. Przy czym czynnikiem limitującym okazała się przepustowość osadników wtórnych, a nie zdolność układu do usuwania azotu.

Na podstawie przeprowadzonych analiz oraz wyników przeprowadzonych eksperymentów wykazano, że najkorzystniejszym rozwiązaniem pod kątem kosztów eksploatacyjnych będą warianty uwzględniające proces deamonifikacji, przy czym wariant z dwustopniową deamonifikacją jest ok. 1% tańszy niż jednostopniowy. Również jednostkowe sprawności usuwania azotu osiągnięte podczas długotrwałej eksploatacji dwustopniowej deamonifikacji w porównaniu do układu jednostopniowego (maksymalna sprawność ponad 3 razy większa) pozwalają na ograniczenie kubatur instalacji w pełnej skali, ograniczając tym samym przewagę wynikającą z niższych nakładów inwestycyjnych na deamonifikację jednostopniową, jednocześnie zapewniając znacznie wyższą stabilność eksploatacyjną. Niezależnie od wybranego rozwiązania technicznego, dla wdrożenia procesu deamonifikacji kluczowe jest sprowadzenie odpowiedniej ilości zaszczepu zawierającego bakterie Anammox, co znacząco pozwoli skrócić i ułatwić proces rozruchu.

8. Wdrożenie na WOŚ – podjęte działania

Na podstawie wyników projektu podjęto decyzję o wdrożeniu dwustopniowej deamonifikacji. Budowa zostanie zrealizowana przy okazji rozbudowy Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków na potrzeby przyjęcia nadmiarowych wód opadowych. Obecnie trwają prace projektowe.

9. Literatura

[1] Susanne Lackner, Eva M. Gilbert, Siegfried E. Vlaeminck, Adriano Joss, Harald Horn, Mark C.M. van Loosdrecht, 2014: Full-scale partial nitritation/anammox experiences An application survey Wat.Res., 55, 292-303.
[2] Muhammad Ali, Satoshi Okabe, 2015: Anammox-based technologies for nitrogen removal: Advances in process start-up and remaining issues, Chemosphere 141, 144–153.
[3] Andrea Nifong, Andy Nelson, Chandler Johnson, Charles B. Bott: Performance of a Full-Scale Sidestream DEMON® Deammonification Installation http://www.essdemon.com/libraries.files/08C_Nifong.pdf.

Maciej Leoniak1, Kamil Janiak1, 2, Łukasz Kokurewicz1, Mateusz Muszyński-Huhajło1, Stanisław Miodoński1, Paula Iliaszewicz1, Ryszard Szetela1, Piotr Balbierz, Marta Knap, Tomasz Konieczny2, Przemysław Chrobot2, Katarzyna Rucka1

1             Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska

2             Centrum Nowych Technologii MPWiK S.A. we Wrocławiu

Źródło: Forum Eksploatatora 1/2018