Analiza technologiczna pracy oczyszczalni ścieków w Żorach

W artykule przedstawiono wyniki analizy pracy oczyszczalni ścieków w Żorach. Wykorzystując dostępne dane z monitoringu procesu technologicznego, dokonano charakterystyki procesu oczyszczania ścieków. Scharakteryzowano funkcjonowanie części biologicznej i osadowej oczyszczalni, przedstawiono parametry procesowe oraz omówiono efektywność pracy oczyszczalni. Na podstawie wyników badań laboratoryjnych porównano jakość ścieków dopływających do obiektu, scharakteryzowano ich wpływ na skuteczność oczyszczania w głównym ciągu technologicznym. Przeprowadzona analiza w aktualnym stanie funkcjonowania oczyszczalni miała na celu wskazanie przestrzeni do optymalizacji procesu technologicznego zorientowanej na poprawę parametrów pracy, jako element przygotowawczy do pełnienia przez oczyszczalnię kolejnych funkcji, tj. przetwarzania organiki kuchennej, oczyszczania wyselekcjonowanych ścieków technologicznych powstających w zlewni oczyszczalni oraz poprawy efektywności energetycznej obiektu.

1. Wstęp

Podstawowym zadaniem oczyszczalni ścieków jest ochrona ekosystemów wodnych, tj. zintegrowane usuwanie z zanieczyszczonych ścieków związków biogennych, przede wszystkim związków węgla, azotu i fosforu metodami mechanicznymi i biologicznymi. Wybór właściwego układu usuwania i oczyszczania ścieków winien być poprzedzony dokładną analizą charakteru zabudowy, ukształtowania terenu oraz warunków hydrogeologicznych. Właściwa eksploatacja oczyszczalni ścieków polega na osiągnięciu odpowiedniego poziomu oczyszczania ścieków i realizacji procesu technologicznego zgodnie z przyjętą technologią. Wymaga to zatem dostosowania prowadzonych procesów oczyszczania ścieków do zmieniających się charakterystyk funkcjonalnych elementów oczyszczalni, w tym do niejednorodnego dopływu oraz składu ścieków.

Zaburzenia i niesprawności w pracy oczyszczalni ścieków powodują, że do ekosystemów wodnych wprowadzane są zwiększone ilości zanieczyszczeń. Istotnym elementem kontroli pracy oczyszczalni ścieków jest analiza wykonywanych na bieżąco badań próbek ścieków surowych i oczyszczonych i na tej podstawie określenie efektywności usuwania zanieczyszczeń.

Obserwacje i pomiary są podstawowymi elementami kontroli pracy oczyszczalni. Analiza wyników badań próbek ścieków pozwala na prowadzenie aktualnej analizy sprawności działania oczyszczalni ścieków, ocenę stanu technicznego obiektów i ewentualne podejmowanie czynności technologicznych, np. korekty parametrów technologicznych w poszczególnych stopniach układu technologicznego [1, 2]. W związku z powyższym, w pracy przeprowadzono analizę funkcjonowania oczyszczalni ścieków w Żorach w latach 2016–2017.

2. Charakterystyka oczyszczalni ścieków w Żorach

Oczyszczalnia ścieków zlokalizowana jest w Żorach (woj. śląskie), na lewym brzegu rzeki Rudy w km 43 + 450 jej biegu. Oczyszczalnia technologicznie jest podzielona na części ściekową i osadową. Jest to oczyszczania mechaniczno-biologiczna z beztlenową przeróbką osadów.

Część ściekowa podzielona jest na procesy mechanicznego i biologicznego oczyszczania ścieków. Procesy technologiczne wchodzące w skład oczyszczalni ścieków przedstawiono na rys. 1. W skład części mechanicznej oczyszczalni wchodzą następujące obiekty i urządzenia: stacja zlewna ścieków dowożonych i zbiornik ścieków dowożonych (ZBR); komora zbiorcza ścieków dopływających do oczyszczalni (K2); komora rozdzielcza ścieków przed stacją mechanicznego oczyszczania ścieków (KRH); zblokowana stacja mechanicznego oczyszczania ścieków (HUB); komora zbiorcza ścieków za stacją mechanicznego oczyszczania ścieków (KZH); pompownia główna (POG); piaskownik (PIA); osadniki wstępne (OWS).

Stamtąd ścieki trafiają do komór defosfatacji (DEF). Rozpoczyna się biologiczny etap oczyszczania z udziałem bakterii osadu czynnego wypełniającego DEFy. Tu ma miejsce wtórne uwalnianie fosforu przez bakterie do ścieków, celem zintensyfikowania jego poboru na dalszych etapach oczyszczania. Następne procesy – denitryfikacja i nitryfikacja – mają na celu usunięcie związków azotu. Reakcje te zachodzą w osadzie czynnym reaktorów biologicznych (RBL), podzielonych na strefy beztlenową, przejściową i tlenową, zapewniającą odpowiednie warunki dla tych procesów. Główną rolę pełni tutaj stacja dmuchaw (SDM), której intensywność pracy zależy od sond tlenowych i sond mierzących potencjał redox.

Z komór tlenowych RBL ścieki trafiają do osadników wtórnych (OWT), gdzie dochodzi do rozdziału oczyszczonych już ścieków od osadu czynnego. Osad sedymentowany zawracany jest do komór defosfatacji, a jego nadmiar kierowany do części osadowej oczyszczania ścieków. Przeróbka i unieszkodliwianie osadów ściekowych odbywa się w dwóch zamkniętych wydzielonych komorach fermentacyjnych (WKF), z odzyskiem biogazu, do których podawany jest osad z osadników wstępnych oraz osad nadmierny po zagęszczeniu w zagęszczarce mechanicznej. Fermentacja metanowa prowadzona jest w warunkach mezofilowych w temp. 36÷37°C, a uzyskany biogaz po odwodnieniu i odsiarczeniu jest wykorzystany do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach kogeneracyjnych. Istotnym elementem części gazowej jest powłokowy zbiornik biogazu i pochodnia do spalania nadmiaru gazu. Ustabilizowany osad poprzez zbiornik pośredni kierowany jest na prasę taśmową i dalej na zadaszone miejsce tymczasowego gromadzenia osadu, skąd jest wywożony celem dalszego zagospodarowania.

3. Analiza funkcjonowania oczyszczalni ścieków

Badania przeprowadzono w mechaniczno-biologicznej oczyszczalni ścieków w Żorach. Oczyszczanie ścieków odbywa się zgodnie z warunkami zawartymi w pozwoleniu wodnoprawnym znak: IS.6341.3.2013.BP z dnia 1 marca 2013 r., udzielonego przez Prezydenta Miasta Żory. Aktualny średni dobowy dopływ ścieków surowych do oczyszczalni wynosi 8 186 m³/d. Tab. 1 zawiera bilans ładunków dopływających do oczyszczalni zgodnie z wartościami projektowymi oraz wartościami rzeczywistymi z lat 2014–2017.

Analiza parametrów pracy za rok 2016 wykazała nieznaczny wzrost ładunków zanieczyszczeń w ściekach surowych w porównaniu do poprzednich lat. Zaobserwowano wzrost takich wskaźników, jak BZT₅, ChZT oraz zawiesin ogólnych w zakresie od 4% do 35%. Z kolei ładunek azotu ogólnego w latach 2014–2015 oraz 2017 był wyższy niż w 2016 roku. W tym samym roku stwierdzono również ponad 3-krotny wzrost ładunku fosforu ogólnego w porównaniu do lat 2014–2015. Średniodobowy dopływ ścieków za lata 2014–2016 wynosi ok. 7 999 m³/d i jest niższy o ok. 1 597 m³/d od wartości projektowych. Średnioroczny ładunek BZT₅ ścieków surowych w latach 2014–2017 zawierał się w przedziale od 2 134 do 2 657 kg/d (rys. 2). Najwyższą wartość odnotowano w 2017 roku.

Podobne wnioski wyciągnięto dla parametru określającego chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT) oraz ilość zawiesin ogólnych. Najwyższe stężenie ChZT w latach 2014–2017 wynosiło 768 g O₂/m³. Z kolei maksymalne stężenie zawiesin ogólnych wynosiło 801 g/m³. Rozpiętość dobowych ładunków azotu ogólnego kształtowała się w zakresie od 474 do 1 334 kg/d (rys. 3).

W przedstawionym okresie najniższe i najwyższe stężenie N_og w ściekach surowych wynosiło odpowiednio 57,9 oraz 163 g/m³. Wartości te stwierdzono w lipcu oraz w styczniu. Dobowy rozkład ładunku fosforu ogólnego kształtował się między 24,4 (luty) a 266,5 kg/d (październik).

3.1 Bilans ilościowy ścieków

W okresie od 1 stycznia 2016 r. do 23 lutego 2017 r. oczyszczalnia w Żorach pracowała w warunkach typowych dla miejskich obiektów komunalnych, tj. przy zmiennych warunkach obciążeń hydraulicznych. Ilość ścieków dopływających do oczyszczalni wynosiła od Q_d,min = 5 157 m³/d do Q_d,max = 14 814 m³/d. Średniodobowe natężenie przepływu ścieków w tym okresie wynosiło Q_d,śr = 8 186 m³/d. Średnie obciążenie oczyszczalni stanowiło więc 85% obciążenia projektowego. Najmniej ścieków do oczyszczalni dopływało w styczniu 2016 r. (średnio 7 700 m³/d) i 2017 r. (7 860 m³/d), w maju i czerwcu 2016 r. (średnio 7 486 m³/d). Największy przepływ ścieków odnotowano w lutym i marcu 2016 r. (8 821 m³/d), grudniu 2016 r. (9 049 m³/d) oraz lutym 2017 r. (9 398 m³/d). Okresy o przepływie ścieków zbliżonym do Q_d,śr, to zazwyczaj dni pogodne i bezchmurne. Z kolei powodem przekroczenia średniodobowego dopływu ścieków były duże opady deszczu oraz roztopy (rys. 4).

Rys. 5 obrazuje rozkład prawdopodobieństwa występowania dopływu do oczyszczalni. W trakcie sporządzania bilansu często przyjmuje się jako obciążenie średnie wartość o 60% prawdopodobieństwie występowania, natomiast prawdopodobieństwo 85÷90%, jako obciążenie maksymalne. W tym przypadku Q_d,śr z prawdopodobieństwem 60% ustalono na 8 130 m³/d oraz Q_d,max – 9 130 m³/d.

3.2. Efektywność pracy oczyszczalni ścieków

Oczyszczalnia ścieków w Żorach została zaprojektowana tak, aby spełniać warunki pozwolenia wodnoprawnego, udzielonego 1 marca 2013 r. przez Prezydenta Miasta Żory. Dopuszczalne stężenia zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych wg pozwolenia wodnoprawnego [5] oraz wg Rozporządzenia Ministra Środowiska [6] zestawiono w tab. 2.

Analiza danych odnośnie wskaźników zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych wykazała, że przedmiotowa oczyszczalnia charakteryzuje się wysoką efektywnością oczyszczania ścieków ze związków organicznych (rys. 6). Ładunek zanieczyszczeń organicznych wyrażony jako ChZT jest redukowany o około 92%, BZT₅ o ponad 98%, natomiast zawiesin o około 96%. Podobnie wysoką efektywność oczyszczania obserwuje się dla związków fosforu, które redukowane są niemal w 99%.

Oczyszczalnia charakteryzuje się też dość dobrą efektywnością usuwania związków azotu. W tym przypadku efektywność usuwania wynosi 83%. Zaobserwowano bardzo niskie zawartości fosforu ogólnego w ściekach oczyszczonych, które wahały się od 0 do 0,2 mg P/dm³. Dopuszczalna wartość tego wskaźnika według pozwolenia wodnoprawnego oraz Rozporządzenia Ministra Środowiska wynosi 2 mg P/dm³.

Minimalną wartość zawiesin ogólnych oraz ChZT w ściekach oczyszczonych odnotowano w 2015 roku. Stwierdzono, że okresowo następuje pogorszenie efektywności usuwania związków azotu w oczyszczalni. Wynika to najprawdopodobniej z niskiego obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń organicznych dopływających do oczyszczalni. Niski stosunek BZT₅/N_og powoduje inhibicję wzrostu populacji mikroorganizmów denitryfikujących, przez co efektywność usuwania związków azotu obniża się, a na odpływie obserwuje się zwiększone stężenia azotu azotanowego.

Stwierdzenie stężenia azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych, notowane na poziomie zbliżonym do wartości określonych w pozwoleniu wodnoprawnym powoduje konieczność podjęcia działań mających na celu utrzymanie wskazanego parametru poniżej określonych progów (np. optymalizacja pracy komór biologicznych, dozowanie zewnętrznego źródła węgla organicznego itp.).

Podstawowym warunkiem prawidłowego procesu rozkładu związków biogennych przez mikroorganizmy jest optymalny stosunek składników odżywczych. W praktyce eksploatacyjnej zależności pomiędzy wartościami podstawowych wskaźników jakości ścieków (BZT₅, ChZT, OWO, P_og, N_og) pozwalają na ocenę podatności ścieków na rozkład biologiczny. Stopień usunięcia pierwiastków biogennych w głównej mierze zależy od jakości ścieków surowych dopływających do oczyszczalni ścieków (ChZT/BZT₅, BZT₅/OWO, ChZT/OWO, ChZT/P_og, ChZT/ N_og, BZT₅/P_og, BZT₅/P_og, LKT/P_og).

Miarą biologicznego rozkładu zanieczyszczeń są proporcje ChZT/BZT₅. Dobrą efektywność rozkładu obserwuje się zwykle, jeżeli stosunek tych parametrów jest mniejszy od 2. Wyższe wartości stosunku ChZT/BZT₅ zmniejszają skuteczność procesu rozkładu biologicznego. Skutkiem obecności substancji opornych na biodegradację (ChZT/BZT₅ >> 2) może być niewystarczająca denitryfikacja, a zatem podwyższone wartości azotanów, a także ChZT na odpływie. W praktyce eksploatacyjnej korzysta się także z zależności BZT₅/OWO – ścieki biodegradowalne przy wartości parametrów od 1,8 do 2,5 oraz ChZT/OWO – ścieki biodegradowalne przy wartości parametrów od 2,5 do 4,0.

Stosunek ChZT/OWO pozwala na analizę właściwości chemicznych zanieczyszczeń. Wartość tego stosunku w ściekach maleje po procesach oczyszczania biologicznego. Ocenę skuteczności defosfatacji biologicznej można oszacować na podstawie stosunku zawartości łatwo rozkładalnych substancji organicznych do zawartości fosforu, tj. na podstawie stosunku BZT₅/P_og. Przyjmuje się, że wartość ilorazu powinna wynosić co najmniej 20, a w przypadku ścieków niskoobciążonych powinna być większa lub równa 25.

W ściekach obecna jest odpowiednia ilość substancji łatwo rozkładalnych w stosunku do fosforu, jeżeli proporcja ChZT/P_og wynosi powyżej 40. Z kolei proces denitryfikacji przebiega najsprawniej, gdy stosunek BZT₅/N_og jest wyższy od 4. Niekorzystny dla procesu denitryfikacji stosunek BZT₅/N_og może powodować hamowanie procesu, a więc proces będzie częściowy, co z kolei spowoduje wzrost azotanów na odpływie. Skutkiem pośrednim może być także intensywny rozwój bakterii nitkowatych oraz wysokie wartości ChZT/OWO na odpływie oczyszczalni. Denitryfikacja zachodzi bez zakłóceń, jeżeli stosunek ChZT/N_og wynosi od 5 do 10. Niskie wartości powodują zakłócenia w procesie i konieczność dozowania zewnętrznego źródła węgla organicznego [1, 7-9].

Na podstawie danych wyjściowych obliczono stosunek ChZT/BZT₅, BZT₅/N_og, BZT/P_og, ChZT/N_og, ChZT/P_og w ściekach dopływających do oczyszczalni oraz w ściekach mechanicznie oczyszczonych po osadniku wstępnym (tab. 3). W analizowanej oczyszczalni w ściekach przed osadnikiem wstępnym stosunek ChZT/BZT₅ wynosił od 2,25 do 2,46, a po osadniku wstępnym od 2,25 do 2,48.

Analiza tego parametru pozwoliła na stwierdzenie, że efektywność procesu oczyszczania ścieków może zostać zakłócona na skutek obecności substancji trudno podatnych na rozkład biologiczny. Jedną z przyczyn może być np. szybki rozkład BZT₅ w sieci kanalizacyjnej. Dla przykładu, w roku 2016 proporcja BZT₅/N_og wzrosła z 2,90 do 3,20, natomiast proporcja ChZT/N_og wzrosła z 6,53 do 7,21. Stwierdzono, ponadto, wysoką skuteczność procesu defosfatacji biologicznej. Wartość stosunku BZT₅/P_og była wyższa od 25 w ściekach mechanicznie oczyszczonych, a wartość ChZT/P_og od 40 zarówno w ściekach surowych jak i wstępnie oczyszczonych. Jedynie w 2016 roku proporcja ta wynosiła około 20. Świadczyć to może o braku wystarczającej ilości substancji łatwo rozkładalnych niezbędnych w procesie defosfatacji biologicznej (lotnych kwasów tłuszczowych).

4. Podsumowanie

Analizę technologiczną pracy oczyszczalni ścieków w Żorach dokonano w oparciu o dane własne Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji Żory Sp. z o.o. oraz dane autorów literatury przedmiotowej. Technologia oczyszczania ścieków oparta jest na systemie procesów mechaniczno-biologicznych wraz z beztlenową przeróbką osadów. Procesy biologicznego oczyszczania realizowane są w 3-stopniowym układzie Bardenpho, natomiast powstający osad poddawany jest stabilizacji beztlenowej w wydzielonych komorach fermentacyjnych. Średniodobowy dopływ ścieków w latach 2014–2017 kształtował się na poziomie 8 128 m³/d i był niższy o ok. 1 468 m³/d od wartości projektowych. W analizowanych latach stwierdzono tendencję wzrostową ilości ścieków dopływających do oczyszczalni. Obecnie (dane z 2018 r.) obserwuje się zmniejszenie dopływających ścieków, głównie wód przypadkowych, spowodowanych m.in. suszą, obniżeniem poziomu wód gruntowych oraz uszczelnianiem eksploatowanej sieci kanalizacyjnej. Na przełomie lat 2014–2017 zaobserwowano wzrost takich parametrów jak BZT₅, ChZT oraz zawiesin ogólnych w zakresie od 4% do 35%. Pomimo wzrostu stężeń zanieczyszczeń oraz ilości oczyszczanych ścieków, oczyszczalnia spełnia wymagania dotyczące jakości ścieków odprowadzanych do odbiornika wymagane przez Rozporządzenie Ministra Środowiska oraz warunki pozwolenia wodnoprawnego. Ładunek ChZT, BZT₅, zawiesin oraz fosforu ogólnego redukowane są w zakresie od 92 do 99%. W przypadku efektywności usuwania azotu ogólnego, redukcja początkowego stężenia wynosi 83%.

Przeprowadzona ocena wskaźników zanieczyszczeń oraz skuteczności ich redukcji miała na celu przygotowanie programu badawczego optymalizacji pracy części biologicznej oczyszczalni, ukierunkowanego na uzyskanie stężenia azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych podczas wprowadzania strumieni ścieków:

• dowożonych z przemysłu chemicznego (znaczące stężenia związków organicznych oznaczonych jako ChZT);
• pochodzących z instalacji przetwarzania organki kuchennej;
• dopływających z instalacji odwadniania osadu przefermentowanego.

Planowane badania określą możliwość przyjęcia przez część biologiczną ww. strumieni oraz ocenią pracę komór biologicznych (np. rozkład stężenia wybranych wskaźników zanieczyszczeń) i kondycję osadu czynnego (obserwacje mikroskopowe, struktura osadu, ocena wskaźnikowa). Dodatkowo, w czasie realizacji ww. programu badawczego prowadzone będą zadania związane z optymalizacją systemu sterowania pracą komór biologicznych przy wykorzystaniu pomiarów on-line. Oceniony zostanie także wpływ substratów na proces biologicznego oczyszczania ścieków, proces przeróbki osadów oraz zmiany w bilansie energii energetycznej kupowanej i wytwarzanej.

5. Literatura

[1] Łomotowski J., Szpindor A. 2002: Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków. Wyd. Arkady, Warszawa.

[2] Heidrich Z., Witkowski A., 2015: Urządzenia do oczyszczania ścieków – projektowanie, przykłady obliczeń. Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa.

[3] Dymaczewski Z., 2011: Poradnik eksploatatora oczyszczalni ścieków. Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych. Oddział Wielkopolski, Poznań.

[4] Materiały własne Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji Żory Sp. z o.o.

[5] Decyzja Prezydenta Miasta Żory IS.6341.3.2013.BP z dnia 1 marca 2013 r.

[6] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. 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).

[7] Smyk J., Ignatowicz K., Piekarski J., 2017: Analiza zmian udziału frakcji ChZT w procesie denitryfikacji z zewnętrznym źródłem węgla. Rocznik Ochrona Środowiska, Vol. 19:760-776.

[8] Kowalski T., 1989: Analiza chemicznych i biochemicznych właściwości zanieczyszczeń występujących w ściekach. Ochrona Środowiska. Vol. 1(38):13-16.

[9] Miksch K., Sikora J., 2018: Biotechnologia ścieków, Wyd. PWN, Warszawa.

[10] Consulting Inżynieria Technologia (2006), Projekt budowlano-wykonawczy. Technologia cz. 1. Kompleksowe uporządkowanie gospodarki wodno-ściekowej w Żorach. Rozbudowa i przebudowa oczyszczalni ścieków w Żorach.      

Dariusz Zdebik, Piotr Zawadzki
Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, Zakład Ochrony Wód

Michał Pieczonka
Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Żorach Sp. z o.o.

źródło: Forum Eksploatatora 6/2018