Dwustopniowa deamonifikacja TERRAMOX® realizowana w celu utrzymania właściwego stężenia azotu w odpływie na przykładzie wybranych oczyszczalni

1. Oczyszczalnia ścieków w Schrobenhausen – krótki opis

Historię oczyszczalni ścieków w Schrobenhausen można w skrócie opisać następującymi datami:

– 1967 – budowa pierwszej oczyszczalni ścieków służącej wyłącznie do eliminacji związków węgla.
– 1981 – modernizacja oczyszczalni ścieków i jej przystosowanie do nitryfikacji (budowa złóż zraszanych).
– 2001 – modernizacja i przystosowanie obiektu do wymagań denitryfikacji (implementacja procesu SDN, czyli zintegrowanie procesu denitryfikacji w istniejącym osadniku wstępnym).
– 2005-2010 – modernizacja większości obiektów i wyposażenia technicznego i przystosowanie obiektu do współczesnych wymagań.
– 2013 – ulepszenie i modernizacja technologii SDN, której sprawność była niewystarczająca z powodu zwiększenia hydraulicznego obciążenia oczyszczalni.
– 2014-2015 – ze względu na fakt, że modernizacja technologii SDN nie gwarantowała wystraczającej stabilności eliminacji związków azotu zrealizowano oczyszczalnię wód poosadowych korzystając z dwustopniowej deamonifikacji systemem TERRAMOX®.

Szczegółowy schemat technologiczny oczyszczalni ścieków w Schrobenhausen przedstawiono na rys. 1.

2. Przyczyny zastosowania deamonifikacji wód poosadowych w OŚ Schrobenhausen

Technologia SDN, polegająca na zastosowaniu istniejącego osadnika wstępnego jako komory denitryfikacji wstępnej z utrzymaniem funkcji osadnika jako takiego, pozwalała na utrzymanie stężeń związków azotu w odpływie oczyszczalni ścieków, zgodnych z obowiązującymi przepisami. Problemy zaczęły się w momencie, gdy w nowej decyzji wodnoprawnej zwiększono maksymalny dopływ do oczyszczalni podczas pogody deszczowej o ok. 55%. Problemy pogłębiły się ze względu na zwiększone opady deszczu, spowodowane zmianami klimatycznymi. Intensywne i często następujące po sobie opady powodowały wymywanie denitryfikantów z osadnika wstępnego, a bogate w tlen ścieki ogólnospławne nie pozwalały na prowadzenie procesu denitryfikacji, doprowadzając niekiedy do jego całkowitego załamania.

Ze względu na drastyczny wzrost opłat za odprowadzanie niedostatecznie oczyszczonych ścieków do odbiornika, zdecydowano się na modernizację technologii SDN przy pomocy kanału obejściowego, pozwalającego na skierowanie częściowego strumienia ścieków podczas pogody deszczowej bezpośrednio do komory osadu czynnego z pominięciem osadnika wstępnego, czyli komory denitryfikacji wstępnej. Realizacja kanału obejściowego przyniosła poprawę sytuacji i pozwoliła na prowadzenie stabilnego procesu denitryfikacji. Jednakże sprawność denitryfikacji nie pozwalała na utrzymanie parametrów odpływu na wystarczającym poziomie. Dlatego, w celu zapewnienia stabilnej i wystarczającej eliminacji związków azotu, zdecydowano się na odciążenie głównego ciągu oczyszczalni ścieków z ładunku azotu generowanego przez wody poosadowe, powstające w procesie odwadniania przefermentowanego osadu.

Po analizie dostępnych technologii deamonifikacji i zapoznaniu się z bardzo dobrymi wynikami eksploatacyjnymi dwustopniowego przepływowego oczyszczania wód poosadowych przy zastosowaniu nitrytacji i deamonifikacji w oczyszczalni ścieków w Landshut, zdecydowano się na realizację tej właśnie technologii.

3. Ogólny opis deamonifikacji związków azotu

W trakcie mechanicznego odwadniania osadu, pochodzącego z oczyszczalni ścieków stosujących fermentację osadu, powstają wody poosadowe zawierające wysokie ładunki związków azotu. Według aktualnych danych, obciążenie głównego ciągu oczyszczania ścieków generowane przez wody poosadowe wynosi ok. 20% całkowitego ładunku związków azotu, które muszą być poddane eliminacji. Jeżeli oczyszczalnia przyjmuje osady obce lub zewnętrzne kosubstraty, to obciążenie związkami azotu spowodowane przez wody poosadowe może wynosić nawet do 50% całkowitego ładunku w dopływie do stopnia biologicznego. W procesie beztlenowej mezofilowej fermentacji osadu zachodzi przemiana związków węgla w metan i dwutlenek węgla. Skutkuje to niskim stosunkiem BZT₅ do TKN (ok. 0,15), co w pewnych przypadkach może generować konieczność używania zewnętrznych źródeł węgla w głównym ciągu oczyszczania ścieków.

Z tego powodu, od mniej więcej 15 lat budowane są osobne oczyszczalnie wód poosadowch, w celu odciążenia głównego ciągu oczyszczania ścieków, a w szczególności nitryfikacji i denitryfikacji. W początkowym okresie rozwoju tych oczyszczalni, stosowano klasyczną nitryfikację i denitryfikację. Procesy te są drogie w eksploatacji ze względu na duże zużycie energii elektrycznej (utlenianie azotu amonowego do azotu azotanowego) oraz konieczność dodawania sody kaustycznej i zewnętrznego źródła węgla.

Z tego względu, od mniej więcej 10 lat, coraz częściej stosowany jest proces nitrytacji i deamonifikacji wód poosadowych. Zalety procesów nirtytacji i deamonifikacji w stosunku do tradycyjnej nitryfikacji i denitryfikacji są następujące:

• zapotrzebowanie na tlen jest o ok. 25% mniejsze;
• zużycie energii elektrycznej jest o ok. 60% niższe;
• zewnętrzne źródło węgla nie jest potrzebne;
• osad nadmierny nie powstaje wcale lub powstaje w bardzo niewielkich ilościach;
• ładunek ChZT, wymagany do osiągnięcia warunków anoksycznych w celu denitryfikacji jest o ok. 10% mniejszy, czyli w konsekwencji, więcej węgla jest dostarczane do procesu fermentacji mezofilowej.

Proces deamonifikacji musi być prowadzony w odpowiedniej temperaturze. Optymalna temperatura prowadzenia procesu wynosi od 25 do 30°C. W przypadku ciągłego prowadzenia odwadniania osadu przefermentowanego nie ma większego problemu z osiągnięciem odpowiedniej temperatury odcieków, ponieważ temperatura wód poosadowych jest wystarczająca. Podgrzewanie nie jest wtedy konieczne. W przypadku nieciągłego odwadniania osadów pofermentacyjnych, ostudzone odcieki muszą być podgrzewane, do czego konieczna jest energia cieplna. W takim przypadku korzystne jest posiadanie możliwie nisko- lub bezkosztowego źródła ciepła odpadowego.

4. Dwustopniowe urządzenie do deamonifikacji w OŚ Schrobenhausen

Jak wspomniano uprzednio, konieczność wybudowania oczyszczalni wód poosadowych wynikła z niemożności utrzymania parametrów odpływu w odniesieniu do związków azotu (NH₄-N < 10 mg/l i N_całk < 18 mg/l, w kwalifikowanej próbie 2-godzinnej w okresie od 1 maja do 31 października każdego roku). Było to jedyne sensowne wyjście z sytuacji bez konieczności przebudowy całej oczyszczalni, połączonej ze zasadniczą zmianą technologii oczyszczania.

W celu prawidłowego zwymiarowania urządzenia do deamonifikacji wód poosadowych, przeprowadzono serię badań odcieków, co pozwoliło na prawidłową ocenę ładunku związków azotu, które należy poddać procesowi eliminacji. Na podstawie badań stanu istniejącego i oceny możliwości wzrostu obciążenia oczyszczalni na skutek powiększenia zlewni ustalono, że maksymalny ładunek związków azotu nie przekroczy w 20-letniej perspektywie 130 kg N/d.

Wielkość oczyszczalni ścieków w Schrobenhausen wynosi 55 500 RLM. Średnioroczne obciążenie waha się pomiędzy 35 000 a 40 000 RLM, a maksymalne obciążenie ładunkiem BZT₅ od czasu do czasu przekracza wartość obciążenia wymiarującego.

Zagospodarowanie osadu ściekowego i odprowadzanie wód poosadowych przed wybudowaniem instalacji deamonifikacji przebiegało następująco:

• Wszystkie rodzaje osadu nadmiernego dostawały się do osadnika wstępnego, pełniącego jednocześnie rolę komory denitryfikacji (5 na rys. 1).
• Z lejów osadowych osad dostawał się do jednego z dwóch zagęszczaczy grawitacyjnych (14 na rys. 1).
• Wody nadosadowe z zagęszczaczy odprowadzano do zbiornika na wody poosadowe (18 na rys. 1).
• Zagęszczony osad odprowadzano do ZKF-ów (15 na rys. 1) zasilanych równolegle.
• Po fermentacji osad kierowano do jednego ze zbiorników osadu (16 na rys. 1).
• Przefermentowany osad był nieciągle odwadniany za pomocą wirówki do stężenia ok. 31% s.m. Wody poosadowe kierowano do zbiornika 18 na rys. 1.
• Wody poosadowe wprowadzano zgodnie z zadaną matrycą ilościową do głównego ciągu oczyszczania.

Oczyszczalnię wód poosadowych zgodnie z założeniami technologii TERRAMOX® wybudowano na przełomie lat 2015/2016. Wielkość oczyszczalni w Schrobenhausen nie pozwala na ciągłe odwadnianie osadu, co powoduje wystudzenie wód poosadowych. W związku z tym, równolegle wybudowano przewody zaopatrujące oczyszczalnię ścieków w ciepło odpadowe pochodzące z agregatów kogeneracyjnych pobliskiej biogazowni. Eksploatator oczyszczalni ścieków otrzymuje ciepło odpadowe bezpłatnie, ponieważ właściciel biogazowni otrzymuje dodatkowe wynagrodzenie od Państwa za wykorzystanie ciepła odpadowego.

Cała oczyszczalnia wód poosadowych składa się z następujących elementów:

• Zbiornik wód poosadowych (18 na rys. 1), pełniący również rolę zbiornika buforowego.
• Pompownia zasilająca (19 na rys. 1) urządzenie TERRAMOX® (20 na rys. 1) wodami poosadowymi.
• Oczyszczalnia wód poosadowych TERRAMOX® (20 na rys. 1), składająca się z hali maszyn i sterowni, komory nitrytacji, osadnika 1, komory deamonifikacji i osadnika 2 (rys. 2).

Technologia TERRAMOX® (patrz rys. 3) skonstruowana jest podobnie jak dwustopniowa oczyszczalnia ścieków z osadem czynnym. Stopień nitrytacji składa się z komory nitrytacji, osadnika i pompowni osadu powrotnego, a stopień deamonifikacji z komory deamonifikacji, osadnika i pompowni osadu powrotnego. Obie pompownie osadu, wymienniki ciepła, system rurociągów, stacja dmuchaw i sterownia znajdują się w hali maszyn (patrz rys. 4 i 5). Obciążenie objętości ładunkiem wynosi ok. 1 kg N/(m³ · d), co pozwala na niewielkie objętości reaktorów i ich kompaktową konstrukcję. Pompownia zasilająca urządzenie zlokalizowana jest w osobnej budowli.

W niektórych przypadkach, w celu obciążenia osadu, polepszenia jego właściwości sedymentacyjnych i podwyższenia zasadowości, stosowany jest środek zawierający dużo montmorylonitu i naturalnie aktywny bentonit o nazwie handlowej TERRANA®.

Budowa całej oczyszczalni wód poosadowych, łącznie z montażem urządzeń technicznych, trwała ok. 9 miesięcy. Eksploatację i wpracowywanie procesu oczyszczania wód poosadowych TERRAMOX® rozpoczęto w kwietniu 2016 r. Stopień deamonifikacji zaszczepiono osadem z innej oczyszczalni eksploatującej podobne urządzenie.

Na rys. 6 przedstawiono wyniki pomiarów eksploatacyjnych prowadzonych w Schrobenhausen w okresie od kwietnia do września 2016 roku. Stężenia NH₄-N w dopływie są zaznaczone na niebiesko. Średnia wartość stężeń dopływających wód poosadowych wynosiła ok. 500 mg NH₄-N/l. Stopień redukcji NH₄-N oznaczony jest kolorem zielonym, a całkowita eliminacja związków azotu kolorem fioletowym. Po stosunkowo krótkim okresie wpracowania procesu, osiągnięto stopnie redukcji powyżej 90%. Stężenia NH₄-N i NO₂-N w odpływie przedstawione są kolorami czerwonym i jasnozielonym. Ich średnie wartości wynosiły odpowiednio 26 i 7 mg/l. Wzrost stężenia azotu amonowego pod koniec maja i na początku sierpnia został spowodowany zbyt niskim stężeniem azotu azotynowego w stopniu nitrytacji. Niezamierzony wzrost ładunku ChZT w dopływie spowodował, że podczas fazy mieszania doszło do denitryfikacji już w pierwszym stopniu oczyszczania. Z tego powodu, w stopniu deamonifikacji nie było wystarczająco dużego stężenia azotynów, koniecznego do przemiany azotu amonowego i azotynów w azot cząsteczkowy.

Sprawne i stabilne funkcjonowanie oczyszczalni wód poosadowych pozwoliło na bezproblemowe osiągniecie stężeń związków azotu w odpływie, przewidzianych w prawie wodnym. Odciążenie głównego ciągu oczyszczania spowodowało również poprawę sprawności eliminacji azotu w tym ciągu. W konsekwencji, obniżono dopuszczalne stężenie azotu całkowitego w odpływie z oczyszczalni ścieków o 20% (z N_całk ≤ 18 mg/l do N_całk ≤ 14,4 mg/l), co zmniejszyło opłaty ponoszone przez oczyszczalnię za użytkowanie odbiornika i corocznie redukuje koszty eksploatacyjne.

5. Dwustopniowe urządzenie do deamonifikacji na OŚ Karlsfeld

Inne urządzenie do deamonifikacji wybudowano w Karlsfeld koło Monachium. Jest bardzo podobne do urządzenia w Schrobenhausen i powstało w 2015 r., a jego eksploatację rozpoczęto na początku 2016 r. Oczyszczalnia w Karlsfeld została zwymiarowana na 45 000 RLM. Technologia oczyszczania ścieków jest w Karlsfeld prawie identyczna, jak w Schrobenhausen.

Oczyszczalnia wód osadowych TERRAMOX® w Karlsfeld weszła do eksploatacji w tym samym czasie, co Schrobenhausen. Stopnie nitrytacji nie były zaszczepiane obcym osadem, ale oba stopnie deamonifikacji zaszczepiono osadem z Landshut. Odcieki w Karlsfeld wykazywały średnie stężenia ok. 850 mg NH₄-N/l, czyli o wiele wyższe niż w Schrobenhausen.

Na rys. 7 przedstawiono wyniki eksploatacyjne OŚ Karlsfeld z pierwszej połowy 2017 r. Pomimo sześciotygodniowej przerwy w eksploatacji, sprawność oczyszczalni wód poosadowych była po jej ponownym uruchomieniu niezmiennie dobra. Przebieg linii przedstawiających stopień redukcji N_całk (linia fioletowa) i NH₄-N (linia ciemnozielona) jest prawie identyczny. W odpływie stwierdzano przewagę azotu amonowego. Sprawność oczyszczania dla obu wspomnianych uprzednio parametrów wyniosła średnio 95%. Czerwona linia przedstawia wartości stężenia azotu amonowego, a jasnozielona stężenia azotynów w odpływie ze stopnia deamonifikacji. Wzrost stężenia NH₄-N w kwietniu i czerwcu spowodowany był niedostatecznym napowietrzaniem w stopniu nitrytacji.

6. Ocena dwustopniowych urządzeń do deamonifikacji wód poosadowych

Oba opisane urządzenia do deamonifikacji wód poosadowych wykazują stabilną eksploatację od 2016 r. Całkowite stężenie związków azotu w odpływach obu oczyszczalni zredukowano o 3÷4 mg/l. Również dwa inne urządzenia pracujące w technologii TERRAMOX®, wybudowane w latach 2010 i 2012, pracują bardzo stabilnie i wykazują stopnie redukcji związków azotu powyżej 90%.

Oczyszczalnie wód poosadowych wyposażone są w nowoczesne urządzenia pomiarowe online, które wymagają nakładów pracy na ich doglądanie, ale pozwalają na bieżąco kontrolować najważniejsze parametry eksploatacyjne i zapewniają możliwość szybkiej reakcji w przypadkach wystąpienia jakichkolwiek problemów. Dzięki pomiarom online można te problemy szybko rozpoznać i im zapobiegać. Sterownik urządzenia obsługiwany jest przez panel dotykowy, przy pomocy którego można zmieniać parametry eksploatacyjne i przystosowywać je do sytuacji wykazanej przez pomiary online.

Zaletą dwustopniowości procesu jest zabezpieczenie stopnia deamonifikacji bypasem pozwalającym na jego obejście w sytuacji nieprzewidzianych problemów ze składem odcieku. Zabezpiecza to bakterie prowadzące proces deamonifikacji przed ich zatruciem lub wypłukaniem.

Przy projektowaniu i eksploatacji urządzeń TERRAMOX® należy zwrócić uwagę na następujące sprawy:

• Konieczne jest niedopuszczanie do zbyt wysokich stężeń ChZT w wodach poosadowych.
• Należy zapewnić, żeby wody poosadowe nie zawierały zbyt dużo suchej masy (organicznej i nieorganicznej).
• Mierniki online muszą być regularnie kalibrowane, więc konieczne jest również regularne wykonywanie badań laboratoryjnych.
• Na wypadek niestabilności ładunków i stężeń w dopływie do oczyszczalni wód poosadowych, spowodowanych np. zakłóceniami procesu fermentacji, wskazane jest przewidzenie obejścia całej instalacji lub możliwości buforowania odcieku.
• Należy pamiętać, że zmiana polielektrolitu używanego w procesie odwadniania osadu może zakłócić na pewien czas pracę instalacji.

Niewątpliwymi zaletami dwustopniowych urządzeń do oczyszczania wód poosadowych wybudowanych wg technolologii TERRAMOX® są:

• stabilna eksploatacja;
• rozdzielenie procesów nitrytacji i deamonifikacji;
• niskie zużycie energii elektrycznej;
• bardzo głęboka redukcja związków azotu – powyżej 90%;
• możliwość wyłączenia stopnia deamonifikacji z eksploatacji w przypadku zagrożenia dla bakterii prowadzących proces deamonifikacji.

Dwustopniowe urządzenia do deamonifikacji wód poosadowych wyróżniają się również długoletnimi pozytywnymi doświadczeniami w praktycznej eksploatacji tych instalacji w skali technicznej.

Kerstin Zacherl-John, Wojciech Przywecki
Ingenieurbüro Przywecki & Partner

źródło: Forum Eksploatatora 3/2018