Zwiększanie przepustowości i wydajności usuwania substancji biogennych z wykorzystaniem złóż tekstylnych (na przykładzie zmodernizowanej oczyszczalni ścieków)

/ARTYKUŁ SPONSOROWANY/

Biologiczne oczyszczanie ścieków jest powszechnie stosowaną metodą mającą na celu usunięcie związków organicznych oraz biogennych poprzez przemiany biochemiczne z wykorzystaniem odpowiednich grup mikroorganizmów. Klasyczne metody wykorzystują w tym celu osad czynny w formie zawieszonej – rozwiązanie to jest stosowane na większości oczyszczalni ścieków komunalnych, jednakże wiąże się z dużą energochłonnością układu. Dodatkowo, rosnące wymagania dotyczące ilości substancji biogennych odprowadzanych do odbiorników prowadzą do wdrażania nowych, zaawansowanych metod oczyszczania. W tej sytuacji zastosowanie procesu hybrydowego – wykorzystującego zarówno biomasę w formie zawieszonej, jak i osiadłej – może przyczynić się do zmniejszenia zapotrzebowania na energię elektryczną, zwiększenia usunięcia biogenów oraz poprawić opadalność osadu w porównaniu do tradycyjnie prowadzonego procesu jedynie z biomasą zawieszoną [Güneş i in. 2019].

Dotychczasowe badania, zarówno laboratoryjne, jak i w skali technicznej, najczęściej skupiały się na zwiększeniu efektywności usuwania substancji biogennych z wykorzystaniem stałych złóż tkaninowych dla procesu prowadzonego w sposób ciągły [Sriwiriyarat, Randall 2005; Waqas i in. 2020; Tatara i in. 2017] oraz dla reaktorów sekwencyjnych [Shao i in. 2017]. Niniejszy artykuł prezentuje wstępne parametry pracy komór napowietrzania komunalnej oczyszczalni ścieków w Mirkowie po modernizacji wykonanej przez firmę Stalbudom, mającej na celu zwiększenie przepustowości obiektu poprzez zastosowanie złóż tkaninowych.

1 Materiały

Ciąg ściekowy oczyszczalni ścieków w Mirkowie składa się z reaktora biologicznego podzielonego na komorę predynitryfikacji (67 m³), komory defosfatacji (112 m³ + 168 m³), denitryfikacji (343 m³ + 112 m³ + 360 m³) oraz dwóch niezależnych komór napowietrzania o pojemności 1 574 m³ każda. Osadniki wtórne za komorami napowietrzania mają pojemność po 610 m³ i powierzchnię 113 m^2. Oczyszczalnia stosuje strącanie symultaniczne w celu wspomagania biologicznej defosfatacji.

Optymalizacja pracy oczyszczalni ścieków w Mirkowie miała na celu zapewnienie m.in. stabilizacji efektywności i sprawności pracy ciągu ściekowego, zoptymalizowanie energochłonności obiektu, a także umożliwienie zwiększenia przepustowości obiektu z 2 834 m³/d (20 215 RLM) do 4 000 m³/d (27 000 RLM) bez zwiększenia kubatury obiektu.

W związku z powyższym, w ramach prac modernizacyjnych wykonano m.in.: wymianę urządzeń części mechanicznej, montaż złóż tkaninowych (rys. 1) w obu komorach napowietrzania, wymianę systemu napowietrzania oraz dmuchaw.

W wyniku przeprowadzonej modernizacji komory napowietrzania z trybu pracy konwencjonalnego przeszły na formę hybrydową, wykorzystującą zarówno biomasę w formie zawieszonej jak i osiadłej wytworzonej w formie biofilmu na stałych złożach tkaninowych. Rozwiązanie to zwiększa wydajność procesu, zapewniając większą ilość biomasy w reaktorze. Forma i struktura złoża zapewniają dużą powierzchnię właściwą dla wzrostu mikroorganizmów, zaś odległości pomiędzy pasami złoża zapewniają właściwy przepływ. Klatki ze złożami kotwione są do dna komory (rys. 1) – po zainstalowaniu nie są przy nich wymagane prace serwisowe czy konserwacyjne.

2 Wyniki i wnioski

Przeprowadzona modernizacja pozwoliła na zwiększenie ładunku zanieczyszczeń kierowanego na oczyszczalnię oraz na hydrauliczne zwiększenie przepustowości obiektu. Jak przedstawiono na rys. 2 (na niebiesko podświetlono okres modernizacji komory napowietrzania RB1 – listopad/grudzień 2020 – i RB2 – marzec 2021) w wyniku zastosowania procesu hybrydowego, pomimo wzrostu obciążenia oczyszczalni, zarówno opadalność osadu jak i jego indeks zostały zmniejszone odpowiednio o 17,8% i 15,2% w porównaniu do analogicznego okresu przed modernizacją. Wyniki te są tożsame z wcześniejszymi badaniami [Wanner i in. 1988], które wykazały zależność: im większa ilość biomasy w formie osiadłej, tym mniejszy indeks osadowy osadu czynnego w formie zawieszonej. Poprawa struktury osadu, a co za tym idzie jego opadalności, pozwoliła na dodatkowe obciążenie hydrauliczne osadników wtórnych bez zmiany ich geometrii przy zachowaniu prawidłowych parametrów ścieków oczyszczonych na odpływie.

Dodatkowo w wyniku wymiany systemu napowietrzania (dyfuzory + nowe urządzenia w stacji dmuchaw) zmniejszone zostało zapotrzebowanie oczyszczalni ścieków na energię elektryczną, pomimo wzrastającego przepływu przez instalację (rys. 3).

W związku z powyższym zostało także zmniejszone zapotrzebowanie na energię elektryczną w przeliczeniu na 1 m³ ścieków, której średnia wartość wynosiła odpowiednio

1,51 kWh/m³ w 2019 r., 1,186 kWh/m³ w roku 2020 i 0,912 kWh/m³ w 2021 r. (w okresie styczeń-sierpień). Zmniejszone zapotrzebowanie na energię jest związane nie tylko z nowym systemem napowietrzania, ale także ze zmniejszonym zapotrzebowaniem na powietrze. Jak wykazały badania [Güneş i in. 2019], zapotrzebowanie na powietrze w układach hybrydowych jest mniejsze o 13% w porównaniu do systemów konwencjonalnych.

Po zakończeniu modernizacji komory napowietrzania RB2 w trakcie fazy rozruchowej osiągnięto parametry ścieków oczyszczonych (dla prób średniodobowych) zgodnie z danymi przedstawionymi w tab. 1. Ze względu na modernizację i pracę z wykorzystaniem tylko jednej komory napowietrzania, niezbędny był czas na namnożenie się nitryfikantów. Z tego powodu oraz z uwagi na dostosowywanie parametrów pracy obiektu w fazie rozruchu, w początkowych badaniach odnotowano przekroczenie dla azotu ogólnego. Po osiągnieciu parametrów wymaganych zgodnie z pozwoleniem wodnoprawnym, osiągnięto stopnie redukcji odpowiednio: ChZT – 89,9%, BZT5 – 98,5%, zawiesina ogólna – 95,9%, azot ogólny – 83,4%, fosfor ogólny – 96,8%.

Zgodnie ze stanem wiedzy technicznej, zastosowanie procesu hybrydowego zwiększa wydajność procesu nitryfikacji [Onnis-Hayden i in. 2011; Tatara i in. 2017]. W przypadku niepełnej denitryfikacji rozwiązanie to umożliwia zwiększenie strefy anoksycznej, np. poprzez wyłączenie początkowych rusztów napowietrzających. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na symultaniczne procesy denitryfikacji zachodzące w głębszych warstwach powstającego biofilmu, mające wpływ na końcowy stopień usunięcia azotu [Metcalf & Eddy 2004].

3 Podsumowanie

Stosowanie zaawansowanych metod oczyszczania ścieków jest wymagane nie tylko ze względu na potrzebę usunięcia zanieczyszczeń i osiągnięcie wymaganego stopnia oczyszczenia, ale także w celu zmniejszenia śladu ekologicznego związanego z procesem oczyszczania i energii w tym celu wymaganej. Jak przedstawiono w niniejszym artykule, zastosowanie metody osadu czynnego w układzie hybrydowym pozwala na zwiększenie przepływu oraz ładunku zanieczyszczeń kierowanych na oczyszczalnię, zaś wykonanie modernizacji uwzględniającej system napowietrzania pozwala także na znaczące obniżenie zapotrzebowania na energię elektryczną. Wyniki osiągnięte poprzez wykonaną przez firmę Stalbudom modernizację znajdują potwierdzenie w pracach badawczych innych autorów, wskazujących na szereg zalet związanych z wykorzystaniem układów hybrydowych, tj. poprawę procesu nitryfikacji, zmniejszenie zapotrzebowania na powietrze, możliwość utrzymania wyższego wieku osadu, czy też poprawę jego opadalności.

4 Literatura

Güneş, G., Hallaç, E., Özgan, M. (2019). Enhancement of nutrient removal performance of activated sludge with a novel hybrid biofilm process. Bioprocess Biosyst Eng 42, 379–390, https://doi.org/10.1007/s00449-018-2042-9.
Metcalf & Eddy, Inc. (2004) Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, wydanie czwarte.
Onnis-Hayden A., Majed N., Schramm A., Gu A.Z. (2011) Process optimization by decoupled control of key microbial populations: distribution of activity and abundance of polyphosphate-accumulating organisms and nitrifying populations in a full-scale IFAS-EBPR plant, Water Res., 45 pp. 3845-3854, https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.04.039.
Shao Y., Shi Y., Mohammed A., Liu Y. (2017), Wastewater ammonia removal using an integrated fixed-film activated sludge-sequencing batch biofilm reactor (IFAS-SBR): Comparison of suspended flocs and attached biofilm, International Biodeterioration and Biodegradation, 116 , pp. 38-47, https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2016.09.026.
Sriwiriyarat, T. and Randall, C. (2005) Performance of IFAS wastewater treatment processes for biological phosphorus removal. Water Research, 39(16), 3873– 3884. https://doi.org/10.1016/j.watres.2005.07.025.
Tatara M., Ishikawa S., Ueno Y., (2017), Continuous nitrogen removal by a single-stage reactor packed with ring-laced string medium J. Biosci. Bioeng., 124 pp. 660-667, https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2017.06.013.
Wanner J, Kucman K, Grau P (1988) Activated sludge process combined with biofilm cultivation. Water Res 22(2):207–215, https://doi.org/10.1016/0043-1354(88)90080-2.
Waqas S., Bilad M.R., Man Z., Wibisono Y., Jaafar J., Meurah T., Mahlia I., Khan A.L., Aslam M. (2020) Recent progress in integrated fixed-film activated sludge process for wastewater treatment: a review J. Environ. Manag., 268,p. 110718 https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110718.

mgr inż. Agnieszka Żak

technolog
Stalbudom Sp. z o.o.

Źródło: Forum Eksploatatora 6/21