Popularnymi tematami na całym świecie, w związku z trudną sytuacją ekologiczną, a także narastającymi obawami związanymi z globalnym ociepleniem, są woda i energia. Jednym z miejsc, w których oba te surowce występują nierozerwalnie, jest oczyszczalnia ścieków. Podnoszenie jakości ścieków oczyszczonych zwykle odbywa się poprzez zwiększone zużycie energii – np. na podnoszenie stężenia tlenu w reaktorze czy nakłady inwestycyjne – np. na instalację do dawkowania zewnętrznego źródła węgla organicznego. Jednocześnie rutyną na większych obiektach jest produkcja energii ze spalania metanu powstającego w procesie fermentacji osadów. Projekt SNIT, dotyka obu kwestii i zakłada zarówno podniesienie jakości ścieków oczyszczonych, jak i zwiększenie produkcji gazu fermentacyjnego, przy umiarkowanych nakładach inwestycyjnych. Kluczem do tego jest wykorzystanie kwasu azotowego(III) w celu wywołania częściowej nitryfikacji w ciągu głównym, jak również do dezintegracji osadu w celu zwiększenia ładunku związków organicznych, które są substratem dla fermentacji. Dzięki usuwaniu azotu drogą skróconą, zużycie tlenu i związków organicznych w bloku biologicznym zostanie znacznie ograniczone, a skrócona denitryfikacja pozwoli na głębsze usunięcie azotu.
Partnerzy projektu badawczego
Zadania określone w projekcie realizowane będą przez konsorcjum składające się z dwóch dużych przedsiębiorstw, dwóch uczelni wyższych oraz zagranicznego partnera. Projekt realizowany będzie w dwóch obiektach badawczych eksploatowanych w warunkach zbliżonych do panujących w oczyszczalni ścieków. Oba obiekty zlokalizowane są na terenach oczyszczalni należących do przedsiębiorstw.
Partnerem zagranicznym biorącym udział w projekcie jest firma Aquateam COWI AS, mająca swoją siedzibę w Oslo. Aquateam jest firmą badawczą z ponad 30-letnim doświadczeniem w zakresie zużycia wody, ścieków, odpadów, energii i wykorzystania zasobów. Firma ta współpracuje z różnymi gałęziami przemysłu lądowego i morskiego oraz technologami, w celu rozwijania wiedzy i metodologii związanych z innowacjami w branży inżynierii środowiska.
Przedsiębiorstwami biorącymi udział w badaniach są firma Aquanet SA oraz MPWiK S.A. we Wrocławiu. Pierwsza z nich jest spółką wodociągowo-kanalizacyjną zaopatrującą w wodę oraz odbierającą i oczyszczającą ścieki mieszkańców Poznania i okolicznych gmin. Aquanet obsługuje sześć oczyszczalni ścieków, które rocznie przyjmują i oczyszczają 55 mln m3 ścieków. Drugie duże przedsiębiorstwo (MPWiK S.A. we Wrocławiu) zajmuje się zaopatrywaniem w wodę, odprowadzaniem i oczyszczaniem ścieków na obszarze Wrocławia i okolicznych gmin. MPWiK S.A. zarządza trzema zakładami uzdatniania wody i oczyszczalnią ścieków.
Uczelniami wyższymi biorącymi udział w badaniach są Politechnika Wrocławka (Wydział Inżynierii Środowiska) oraz Politechnika Śląska (Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki). Kadra uczelni będzie stanowiła rdzeń badawczy zespołu projektowego.
Redukcja kosztów oczyszczania ścieków i zwiększenie potencjału energetycznego oczyszczalni
Klasyczna nitryfikacja przebiega w dwóch fazach, za które odpowiedzialne są różne grupy bakterii. Pierwsza faza, polegająca na utlenianiu azotu amonowego do azotanów(III), prowadzona jest przez bakterie należące do grupy AOB (Ammonia Oxidizing Bacteria). Natomiast druga faza prowadzona jest przez bakterie z grupy NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria), które utleniają azotany(III) do azotanów(V) [Philips, Laanbroek and Verstraete 2002].
W skróconej nitryfikacji (nitrytacji) wykorzystuje się fakt większej wrażliwości bakterii NOB niż AOB, dzięki czemu, przy odpowiedniej kontroli parametrów panujących w reaktorze, możliwe jest całkowite usunięcie bakterii NOB z układu i zatrzymanie II fazy nitryfikacji. Parametrami, które służą do selektywnej eliminacji bakterii NOB są np.: wiek osadu, stężenie tlenu, sposób napowietrzania, czy obecność inhibitora – np. kwasu azotowego(III) [Sadecka 2010; Anthonisen 1976].
Istotną kwestią jest fakt, że w procesie denitryfikacji, tzn. przemiany azotu azotynowego w azot cząsteczkowy przez bakterie denitryfikacyjne, nie są niezbędne azotany(V) i denitryfikacja oparta o azotany(III) skutkuje mniejszym zużyciem związków organicznych i pozwala na skuteczniejszą denitryfikację. Prowadzenie nitryfikacji i denitryfikacji drogą skróconą skutkuje więc wymiernymi korzyściami dla oczyszczalni, co graficznie przedstawiono na rys. 1. Do najbardziej znaczących należą: ograniczenie wydatków związanych z napowietrzaniem komory nitryfikacji, redukcja zużycia związków organicznych oraz zmniejszenie produkcji osadu nadmiernego [Mavinic 1986].
W przypadku projektu SNIT skrócona nitryfikacja zostanie wywołana poprzez zastosowanie specyficznej strategii napowietrzania na bloku głównym oraz zaszczepianie bloków biologicznych nitryfikantami I fazy, hodowanymi na odciekach pofermentacyjnych.
Dodatkowo osad recyrkulowany poddawany będzie działaniu kwasu azotowego(III). Połączenie tych rozwiązań zapewni stopniowe ograniczenie udziału bakterii NOB w osadzie czynnym i wywołanie skróconej nitryfikacji. Dodatkowo, odpadowy kwas azotowy(III) zostanie użyty do dezintegracji osadu nadmiernego. To z kolei pozwoli uwolnić związki organiczne zawarte w osadzie, dzięki czemu zwiększy się produkcja gazu fermentacyjnego.
Projekt SNIT składa się z czterech etapów, z których trzy będą realizowane na terenie Polski, natomiast jeden na terenie Norwegii. W pierwszym etapie prowadzone będą badania dotyczące przeprowadzenia procesu hodowli nitryfikantów I fazy na odciekach z odwadniania osadów po procesie fermentacji. W drugim etapie badane będą metody usuwania NOB z osadu czynnego w ciągu głównym. Eliminacja tych bakterii powinna doprowadzić do zmniejszenia zużycia związków organicznych oraz tlenu.
Zaproponowane działania przyczynią się do pozostania azotanów(III) w ściekach oczyszczonych, dlatego niezbędna będzie eliminacja tych związków ze ścieków (etap 3 projektu). Jednym z rozwiązań będzie hodowla bakterii nitryfikacyjnych II fazy (NOB) na nośnikach zanurzonych w komorze nitryfikacji (IFAS – ang.: integrated fixed film activated sludge), a drugim zastosowanie denitryfikującego filtra piaskowego po osadnikach wtórnych. Celem ostatniego etapu, realizowanego przez zagranicznego partnera, jest ocena nowej metody dezintegracji osadów ściekowych oraz zwiększenie potencjału biogazu poprzez dodanie do osadów poddawanych fermentacji osadów rybnych pochodzących z hodowli ryb.
Efekty technologiczne, ekologiczne i finansowe
Potencjalne efekty technologiczne i finansowe wdrożenia technologii zostały zasymulowane na skalibrowanym modelu Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków. Wdrożenie rozwiązania spowodowało zmniejszenie niezbędnej ilości tlenu o 1/3, co przekłada się na 1 mln złotych rocznie oszczędności na zakupie energii elektrycznej. Spadek ilości tlenu jest związany ze spadkiem zużycia tlenu na nitryfikację, mniejszym zużyciem tlenu na utlenianie związków organicznych oraz poprawą transferu tlenu wskutek spadku obciążenia dyfuzorów.
Ograniczona ilość zużywanych związków organicznych w procesie denitryfikacji pozwala na intensyfikację sedymentacji wstępnej i zwiększenie produkcji gazu fermentacyjnego o kilkanaście procent. Ograniczenie nitryfikacji do I fazy zwiększy przepustowość oczyszczalni o około 20% bez konieczności jej rozbudowy. Dodatkowo, dzięki skróconej nitryfikacji/denitryfikacji, stężenie azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych spadło o 3÷5 g N/m3.
Finansowanie
Projekt jest dofinansowany przez NCBR w ramach konkursu POLNOR 2019.
Literatura
[1] Anthonisen, A C. 1976. Inhibition of Nitrification and Nitrous Acid Compounds, 48 (5): 835–52.
[2] Mavinic, D S. 1986. Preliminary Assessment of a Shortcut in Nitrogen Removal from Wastewater’ 0.” 5 (3).
[3] Philips, Sarah, Hendrikus J. Laanbroek and Willy Verstraete. 2002. Origin, Causes and Effects of Increased Nitrite Concentrations in Aquatic Environments nr 2: 115–41.
[4] Sadecka Z., 2010. Podstawy Biologicznego Oczyszczania Ścieków, Warszawa, Wydawnictwo Seidel-Przywecki.
Krzysztof Ratkiewicz, Dominika Kołbuc, Mateusz Muszyński-Huhajło, Stanisław Miodoński, Bartosz Zięba
Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska
Kamil Janiak – Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska,
Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji we Wrocławiu
Źródło: Forum Eksploatatora 5/2020
