W artykule przedstawiono typoszereg oczyszczalni ścieków z zastosowaniem sekwencyjnych reaktorów biologicznych typu SBR przeznaczonych do oczyszczania ścieków komunalnych, o wydajności od 1000 do 15 000 mieszkańców.
Jako podstawę do zwymiarowania oczyszczalni ścieków przyjęto, że jednostkowa średnia dobowa ilość ścieków wyniesie 0,15 m3/(M ∙ d), a jednostkowe ładunki zanieczyszczeń w ściekach dopływających do oczyszczalni, to: BZT5 = 60 g/(M ∙ d), ChZT = 120 g/(M ∙ d), zawiesina ogólna = 70 g/(M ∙ d), azot ogólny = 11 g/(M ∙ d) oraz fosfor ogólny = 1,8 g/(M ∙ d). Ścieki oczyszczone powinny spełniać wymagania określone w rozporządzeniu ministra środowiska z 18 listopada 2014 r.
Zgodnie z cytowanym rozporządzeniem, ścieki pochodzące z jednostek osadniczych o wielkości do 10 000 mieszkańców powinny być przygotowane do usuwania związków węgla organicznego (BZT5 i ChZT) oraz obniżenia stężenia zawiesin ogólnych (układ technologiczny oznaczony symbolem C), a pochodzące z jednostek osadniczych obsługujących ponad 10 000 mieszkańców, dodatkowo do usuwania związków azotu i fosforu (układ technologiczny oznaczony symbolem CPN).
Dane wejściowe charakteryzujące prezentowane oczyszczalnie ścieków zamieszczono w tab. 1.
Omawiane oczyszczalnie ścieków są przygotowane do przyjmowania ścieków bytowych dopływających siecią kanalizacyjną oraz dowożonych taborem asenizacyjnym.
Ścieki dopływające siecią kanalizacyjną doprowadzane będą za pośrednictwem przewodu tłocznego do komory wlotowej usytuowanej przed sitopiaskownikiem, którego zadaniem jest zatrzymanie skratek oraz zawiesiny mineralnej.
Ścieki dowożone taborem asenizacyjnym trafiać będą do oczyszczalni w godzinach od 8 do 16. Będą one wprowadzane do stacji zlewczej z sitem, a następnie do zbiornika ścieków dowożonych, wyposażonego w mieszadło oraz pompę. Pompa umieszczona w zbiorniku ma za zadanie przetłaczanie ścieków dowożonych do komory wlotowej sitopiaskownika, równomiernie w ciągu całej doby. Sitopiaskownik umieszczony będzie w jednym z pomieszczeń budynku techniczno-socjalnego. Dalej ścieki odpływać będą grawitacyjnie do pompowni wewnętrznej, skąd będą przetłaczane do zbiornika uśredniającego. Zbiornik ten wyposażony będzie w mieszadło oraz zainstalowane będą dwie pompy zatapialne, których zadaniem będzie opróżnianie zbiornika i podawanie ścieków do zasadniczej części oczyszczalni, tj. do dwóch reaktorów biologicznych typu SBR pracujących w układzie równoległym.
Biologiczne oczyszczanie ścieków bazuje na technologii z wykorzystaniem osadu czynnego. Cykl pracy reaktorów składa się z wydzielonych faz następujących po sobie i dość szczegółowo określonych w czasie, który jest wyznaczany na etapie rozruchu oczyszczalni ścieków. Przykładowo można podać, że następujące po sobie fazy w jednym cyklu pracy reaktora, obejmują: napełnianie i mieszanie, napowietrzanie, sedymentację, dekantację (spust ścieków oczyszczonych) oraz spust nadmiernego osadu czynnego. Przyjęto, że napowietrzanie zawartości reaktora biologicznego będzie realizowane z wykorzystaniem aeratorów powierzchniowych.
Ścieki oczyszczone, odpływające z reaktorów sekwencyjnych, będą trafiać do zbiornika ścieków oczyszczonych, a dalej przez studzienkę z zamontowanym w niej przepływomierzem odprowadzane będą do odbiornika poprzez kanał zrzutowy. Oczywistym jest, że ścieki oczyszczone muszą spełniać wymagania ilościowe i jakościowe zawarte w udzielonym pozwoleniu wodnoprawnym.
Osad nadmierny, powstający w trakcie oczyszczania ścieków, będzie osadem ustabilizowanym tlenowo, na co wskazuje zarówno przyjęty wiek osadu, jak i obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń organicznych wyrażonym przez BZT5. Odprowadzany osad poddawany będzie zagęszczaniu w wydzielonym urządzeniu, w oczyszczalniach obsługujących jednostki osadnicze o wielkości do 5000 mieszkańców, bądź w zbiorniku umieszczonym współśrodkowo wewnątrz zbiornika uśredniającego – dla jednostek osadniczych liczących ponad 5000 mieszkańców. Osad zagęszczony będzie okresowo wywożony do najbliższej większej oczyszczalni ścieków, bądź też kierowany do odwadniania mechanicznego. Przyjęte rozwiązanie sposobu ostatecznego zagospodarowania osadu będzie zależne od wielkości oczyszczalni oraz możliwości przyjęcia osadu do dalszego unieszkodliwiania w najbliższej oczyszczalni ścieków, w której prowadzony będzie proces suszenia i termicznego przekształcania.
Ścieki deszczowe powstające na terenie oczyszczalni, spływające z dróg i placów, będą dopływały do wpustów deszczowych, a następnie siecią przewodów doprowadzane będą do pompowni wewnętrznej. Wody deszczowe spływające z dachu budynku techniczno-socjalnego będą odprowadzane na tereny zielone wewnątrz oczyszczalni ścieków.
Zbiornik ścieków dowożonych będzie wykonany jako zbiornik podziemny żelbetowy. Pozostałe zbiorniki, pełniące funkcje obiektów technologicznych, wykonane będą jako zbiorniki stalowe wykonane z elementów pokrytych od wewnątrz i od zewnątrz szkłem kobaltowym, łączonych za pomocą specjalnych śrub z uszczelnieniem miejsc łączenia specjalną masą uszczelniającą. Będą to zbiorniki typu Farmatic umieszczone na powierzchni terenu.
W dalszej części artykułu przedstawiono charakterystykę obiektów technologicznych z uwględnieniem ich wyposażenia. Należy tu podkreślić, że większość wyposażenia dostarczana jest za pośrednictwem firmy H2O.
1. Punkt zlewny ścieków dowożonych taborem asenizacyjnym
Ścieki dowożone taborem asenizacyjnym trafiać będą do punktu zlewnego, gdzie poprzez stację zlewczą wyposażoną w szobkozłącze zlewane będą do zbiornika ścieków dowożonych. W zbiorniku tym umieszczona będzie krata koszowa do zatrzymywania największych zanieczyszczeń stałych.
Układ stacji zlewczej jest układem szczelnie zabudowanym w ogrzewanym i wentylowanym kontenerze posadowionym na płycie betonowej.
W skład każdej stacji zlewczej, niezależnie od wielkości oczyszczalni, wchodzą: przepływomierz, szybkozłączka, zawór spustowy, identyfikator dostawców oraz urządzenia do pomiaru pH, przewodnictwa i temperatury. W zbiorniku ścieków dowożonych umieszczone będzie mieszadło o mocy ok. 1,5 kW oraz pompa o wydajności ok. 8 m3/h i mocy zainstalowanej ok. 1,25 kW. Zaleca się przyjmować, że pompa opróżniająca zbiornik pracować będzie przez 24 godziny w ciągu doby z wydajnością odpowiadającą 1/24 dobowej ilości dowiezionych ścieków.
Do punktu odbioru ścieków należy doprowadzić wodę oraz zaprojektować punkt ściekowy pod szybkozłączką, którego zadaniem jest odprowadzanie ścieków z węży do kanalizacji wewnętrznej, a dalej do pompowni.
2. Sitopiaskownik
Mieszanina ścieków dopływających siecią kanalizacyjną oraz dowożonych taborem asenizacyjnym poddawana będzie oczyszczaniu mechanicznemu z zastosowaniem sitopiaskownika. Zaleca się stosowanie urządzenia, w którym oprócz zatrzymywania skratek i piasku umieszczone będą urządzenia do prasowania skratek i separacji piasku. Wydajność piaskownika nie może być mniejsza od maksymalnej godzinowej ilości ścieków dopływających do oczyszczalni.
Bilansując ilości powstających odpadów zatrzymywanych w sitopiaskowniku należy przyjąć, że jednostkowa ilość skratek wynosi 15 dm3/(M ∙ a), a jednostkowa ilość piasku – 8 dm3/(M ∙ a).
3. Pompownia wewnętrzna
Ścieki podczyszczone mechanicznie dopływać będą do pompowni wewnętrznej, do której dodatkowo trafiać będą ścieki pochodzące z realizowanych w oczyszczalni procesów technologicznych. Wydajność pompowni powinna odpowiadać maksymalnej godzinowej ilości ścieków, która zawiera się w przedziale od 14 m3/h dla oczyszczalni obsługującej 1000 mieszkańców do 210 m3/h dla oczyszczalni obsługującej 15 000 mieszkańców. Zaleca się stosowanie pomp o mocy zainstalowanej 2 kW dla 1000 mieszkańców oraz 9 kW dla 15 000 mieszkańców. Z pompowni wewnętrznej ścieki kierowane będą do zbiornika uśredniającego.
4. Zbiornik uśredniający
Zadaniem zbiornika uśredniającego, przyjmującego ścieki podawane z pompowni wewnętrznej, jest retencjonowanie ścieków i wyrównanie ich składu.
Przewiduje się wykonanie zbiornika w konstrukcji stalowej naziemnej z wykorzystaniem technologii farmatic (systemy przechowywania w zbiornikach, które zapewniają znacznie niższe zapotrzebowanie na energię dla utrzymania stałej temperatury wewnętrznej, dzięki innowacyjnym rozwiązaniom technologicznym). Przykładowo, można podać, że w przypadku oczyszczalni ścieków obsługującej 1000 mieszkańców pojemność zbiornika powinna wynosić 55 m3, a w oczyszczalni obsługującej 15 000 mieszkańców – 675 m3. Wyposażenie zbiornika stanowić będą mieszadła o mocy 1,5 kW w oczyszczalni obsługującej 1000 mieszkańców oraz o mocy 5,5 kW w oczyszczalniach przeznaczonych do obsługi 15 000 mieszkańców. Każdy zbiornik uśredniający wyposażony będzie w pompę zatapialną o mocy 1,23 kW dla 1000 mieszkańców i o mocy 5,5 kW dla 15 000 mieszkańców. W każdym ze zbiorników powinny być zamontowane dwie pompy, przy czym każda z nich ma za zadanie podawanie ścieków do jednego z dwóch reaktorów SBR.
5. Reaktory biologiczne
Ścieki do każdego z dwóch reaktorów wykonanych w konstrukcji typu farmatic dostarczane będą przez pompy umieszczone w zbiorniku uśredniającym.
Określając wymaganą pojemność reaktorów biologicznych, przyjęto następujące wartości podstawowych parametrów technologicznych:
- stężenie osadu czynnego – 4 kg s.m./m3;
- obciążenie osadu czynnego łądunkiem BZT5 – 0,044 kg BZT5/(kg s.m. ∙ d);
- wiek osadu – 25 dni.
Przeprowadzone obliczenia wykazały, że przy utrzymaniu wymienionych wyżej wartości parametrów technologicznych, pojemność reaktorów dla 1000 mieszkańców powinna wynosić – 2 × 205 m3, a dla 15 000 mieszkańców – 2 × 3140 m3.
Wyposażenie reaktorów biologicznych dostarczane będzie przez firmę H2O i obejmować będzie: aeratory powierzchniowe, mieszadła i dekantery. W przypadku oczyszczalni obsługującej 1000 mieszkańców, zastosowany będzie jeden aerator o mocy 5,5 kW, umieszczony w każdym z reaktorów, mieszadło o mocy 1,5 kW/reaktor oraz po jednym dekanterze w każdym reaktorze o mocy 0,5 kW. Łączna moc zainstalowana w najmniejszej oczyszczalni ścieków z typoszeregu (M = 1000 mieszkańców) wyniesie 15 kW. Reaktory w oczyszczalni obsługującej 15 000 mieszkańców będą wyposażone w aeratory powierzchniowe, po 3 szt. w każdym z reaktorów i mocy jednego aeratora 37 kW. Dodatkowo każdy reaktor wyposażony będzie w 3 mieszadła o mocy każdego 7,5 kW oraz pojedyncze dekantery o mocy 0,5 kW każdy. Łączna moc zainstalowana urządzeń stanowiących wyposażenie reaktorów obsługujących 15 000 mieszkańców wyniesie 157 kW.
Nadmierny osad czynny, ustabilizowany tlenowo, powstający w ostatniej fazie pracy reaktora przetłaczany będzie do magazynu osadu z wykorzystaniem pompy oferowanej przez firmę KSB. W oczyszczalni o wielkości 1000 mieszkańców zostaną zainstalowane pompy o mocy 1,23 kW każda, a w oczyszczalni dla 15 000 mieszkańców – o mocy 2 kW każda.
6. Zbiornik ścieków oczyszczonych
Ścieki odprowadzane z reaktorów SBR w fazie dekantacji kierowane będą do zbiornika ścieków oczyszczonych wykonywanego w konstrukcji Farmatic. Przykładowo, można podać, że pojemność zbiornika nie powinna być mniejsza od 75 m3 – dla 1000 mieszkańców oraz 100 m3 – dla 15 000 mieszkańców. Ścieki oczyszczone zostaną wykorzystane przez pompę ciepła jako źródło ciepła dla instalacji grzewczej i instalacji ciepła technologicznego.
Z omawianego zbiornika ścieki będą pobierane do realizacji określonych procesów technologicznych, takich jak płukanie skratek, płukanie piasku oraz na potrzeby stacji zlewczej. Proponuje się do tego celu wykorzystanie układu ze zbiornikiem hydroforowym, oferowanego przez firmę Grundfos.
7. Instalacja koagulantu PIX
W celu polepszenia właściwości sedymentacyjnych osadu przewiduje się zastosowanie instalacji do magazynowania i dawkowania koagulantu PIX‑113. W przypadku oczyszczalni obsługującej 1000 mieszkańców konieczne będzie umieszczenie zbiornika o pojemności 1 m3, a w oczyszczalni obsługującej 15 000 mieszkańców – o pojemności 3 m3. Magazyn koagulantu umieszczony będzie nad wanną o pojemności równej pojemności zbiornika koagulantu.
8. Część osadowa
W trakcie biologicznego oczyszczania ścieków powstawać będzie nadmierny osad czynny, który przy zachowaniu wcześniej podanych parametrów technologicznych będzie ustabilizowany tlenowo i w związku z tym nie jest konieczna budowa urządzeń do jego stabilizacji.
Osad odprowadzany z reaktorów biologicznych kierowany będzie do zbiornika pełniącego zarówno rolę zagęszczacza, jak i magazynu osadu. Urządzenie to zostanie wykonane w konstrukcji typu Farmatic, a jego pojemność wyniesie 55 m3 dla 1000 mieszkańców oraz 170 m3 – dla 15 000 mieszkańców. Każdy z zagęszczaczy wyposażony będzie w dekanter do usuwania wód osadowych, którego moc zainstalowana wyniesie 0,5 kW.
Przyjęto, że osad doprowadzany do zagęszczacza będzie się charakteryzował zawartością suchej masy na poziomie ok. 1%, a po zagęszczaniu – 2%.
W mniejszych oczyszczalniach ścieków osad zagęszczony usyabilizowany tlenowo będzie wywożony z oczyszczalni do dalszego zagospodarowania. W przypadku oczyszczalni obsługujących 10 000 mieszkańców i większych przewiduje się poddanie osadu mechanicznemu odwadnianiu z wykorzystaniem prasy taśmowej. Zaproponowano wykorzystanie tu prasy typu Monobel oferowanej przez firmę Ekofinn-Pol. Odwodniony osad, po przeprowadzeniu wymaganych badań będzie mógł być wykorzystany na cele rolnicze lub do rekultywacji terenów.
Dane dotyczące pojemności wszystkich obiektów tworzących oczyszczalnie ścieków typu SBR zestawiono w tab. 2. Przyjęto przy tym założenie, że wszystkie obiekty wyniesione ponad teren wykonane będą w konstrukcji stalowej, dwustronnie pokrytej szkłem kobaltowym, typu Farmatic.
Przykładowe rozwiązanie oczyszczalni ścieków obsługującej 10 000 mieszkańców przedstawiono na rys. 1.
9. Sterowanie procesem oczyszczania
W prezentowanych oczyszczalniach ścieków przewiduje się zastosowanie automatycznego komputerowego sterowania procesem technologicznym.
Przewiduje się, że w oczyszczalni prowadzone będą w sposób ciągły pomiary (łącznie z rejestracją i sygnalizacją pracy oraz sygnalizacją postoju maszyn) następujących podstawowych wielkości:
- ilość poszczególnych mediów, obejmująca dopływ i odpływ ścieków, dopływ ścieków dowożonych oraz ilość powstających osadów;
- w reaktorach biologicznych pomiar stężenia tlenu rozpuszczonego, jako podstawy do sterowania pracą aeratorów oraz pomiar stężenia osadu czynnego;
- pomiary napełnienia z uwzględnieniem sterowania, obejmujące sitopiaskownik (sterowanie własne), stację zlewczą (sterowanie własne), pompownię wewnętrzną, zbiornik uśredniajacy, reaktor biologiczny, zagęszczacz osadu oraz magazyn koagulantu.
Zastosowany układ technologiczny oczyszczalni ścieków umożliwia, poprzez zmianę sterowania pracą aeratorów powierzchniowych, usuwania związków biogennych.
10. Energetyka
Charakterystykę energetyczną oczyszczalni ścieków przedstawiono w tab. 3, uwzględniając wszystkie odbiorniki energii elektrycznej. Warto tu zwrócić uwagę, że w dobowym zużyciu energii elektrycznej najistotniejszy udział mają aeratory powierzchniowe.
Przykładowo można podać, że w oczyszczalni obsługującej 1000 mieszkańców zużycie energii elektrycznej przez aeratory stanowi ponad 80% ogólnego zużycia energii elektrycznej. Świadczy to o tym, że projektując oczyszczalnię ścieków z reaktorami typu SBR, celowe byłoby poszukiwanie oszczędności energetycznych poprzez zmianę systemu napowietrzania.
Istotne oszczędności energetyczne można osiągnąć poprzez wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (OZE). W opisywanych oczyszczalniach ścieków zaproponowano zastosowanie paneli fotowoltaicznych i elektrowni wiatrowych. Oczywistym jest, że wykorzystanie OZE spowoduje znaczne obniżenie zużycia energii elektrycznej. Można tu podać, że wykorzystanie OZE w oczyszczlni obsługującej 1000 mieszkańców będzie stanowiło ok. 25% ogólnego zużycia energii, a udział ten w oczyszczalni obsługującej 15 000 mieszkańców wyniesie ponad 13%. Średnio, w opisywanych oczyszczalniach ścieków można uzyskać obniżenie zużycia energii elektrycznej o ponad 14%.
Obliczone wskaźniki zużycia energii elektrycznej kształtują się na względnie niskim poziomie. Wskaźnik odniesiony do ilości oczyszczanych ścieków waha się w przedziale od 0,71 do 0,88 kWh/m3 i jest porównywalny z wskaźnikami charakteryzującymi miejskie oczyszczalnie ścieków, a których wartość wynosi średnio 0,84 kWh/m3. Warto tu zwrócić uwagę na to, że wskaźnik odniesiony do jednego mieszkańca i doby, to przedział od 106 do 131 Wh/(M ∙ d). Jak już wspomniano, dalsze obniżenie zużycia energii elektrycznej w opisywanych oczyszczalniach ścieków jest możliwe poprzez daleko idącą analizę dotyczącą systemu napowietrzania.
11. Powierzchnia oczyszczalni
Zwarty układ technologiczny opisywanych oczyszczalni ścieków powoduje, że zapotrzebowanie terenu jest bardzo niewielkie. W przypadku oczyszczalni obsługującej 1000 mieszkańców, wymagana powierzchnia to 0,2 ha, a w przypadku gdy oczyszczalnia obsługuje 10 000 mieszkańców – wymagana powierzchnia wynosi 0,42 ha, natomiast oczyszczalnia obsługująca 15 000 mieszkańców wymaga powierzchni 0,55 ha.
Jednostkowa powierzchnia oczyszczalni odniesiona do liczby obsługiwanych mieszkańców jest malejąca. W przypadku oczyszczalni obsługującej 1000 mieszkańców jednostkowa powierzchnia, to 2 m2/M, w przypadku oczyszczalni obsługującej 10 000 mieszkańców – 0,42 m2/M, a w przypadku oczyszczalni obsługującej 15 000 mieszkańców – 0,37 m2/M.
12. Orientacyjne nakłady inwestycyjne
Przeprowadzone rozważania wykazały, że całkowite nakłady inwestycyjne ponoszone przy budowie opisywanych oczyszczalni ścieków wynoszą od 930 tys. zł w przypadku oczyszczalni obsługującej 1000 mieszkańców; 4,05 mln zł w przypadku oczyszczalni obsługującej 7500 mieszkańców oraz 6,7 mln zł w przypadku oczyszczalni obsługującej 10 000 mieszkańców.
Można tu podać, że jednostkowe nakłady inwestycyjne odniesione do jednego mieszkańca obsługiwanego przez oczyszczalnię wyznacza zależność:
iM = 5 995 ∙ M-0,2696
a w odniesieniu do ilości oczyszczanych ścieków:
iQ = –1212 ∙ ln Qd śr + 12 156.
Oczywistym jest, że wyznaczone jednostkowe nakłady inwestycyjne należy pomnożyć przez efekt użytkowy wyrażony bądź liczbą mieszkańców, bądź też średnią dobową ilością ścieków poddawanych oczyszczaniu (Qd śr w m3/d).
Andrzej Witkowski, Zbigniew Heidrich, Politechnika Warszawska, Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska
Maciej Lewandowski, H2O
Źródło: Forum Eksploatatora 2/2018
