/ARTYKUŁ SPONSOROWANY/
W latach 80. XX w. w Europie Zachodniej wybudowano wiele oczyszczalni w dwustopniowej konfiguracji AB. Stopień A (adsorpcja) – osad wysokoobciążony z dedykowanym osadnikiem pośrednim: stopień B – (bio-oksydacja) reaktor biologiczny. Ze względu na wprowadzone na początku lat 90. regulacje dotyczące usuwania biogenów, proces AB stracił na popularności.
W niniejszym artykule opisano nowy proces filtracji przez kłaczki osadu w istniejących osadnikach wstępnych. Proces AAA zastępuje konwencjonalny osadnik wstępny koncepcją stopnia A (reaktor + osadnik pośredni) w tym samym istniejącym zbiorniku. Proces ten jest procesem sekwencyjnym o stałym poziomie ścieków. Istniejące urządzenia mechaniczne w osadniku wstępnym są usunięte i zastąpione urządzeniami napędzanymi powietrzem, które obejmują: przydenny dopływ, ruszt napowietrzający z dyfuzorami drobnopęcherzykowymi, dekanter z zamkiem powietrznym sterujący fazami reakcji i odpływu ścieków. Proces ten może usunąć około dwóch trzecich (60÷70%) dopływającego ChZT i około jednej trzeciej (30÷35%) azotu i fosforu bez stosowania chemikaliów. W ten sposób można znacznie zmniejszyć ładunki trafiające do procesu osadu czynnego, zachowując jednocześnie rozsądne współczynniki C:N na dopływie do reaktorów biologicznych, a tym samym promując zintensyfikowane i energooszczędne oczyszczanie ścieków. Elementem procesu AAA jest również zagęszczacz grawitacyjny, który zagęszcza odprowadzany osad wstępny do co najmniej 5% suchej masy. Zagęszczacz grawitacyjny jest instalowany w obszarze leja osadowego istniejącego osadnika wstępnego.
1 Wprowadzenie
Zakłady odzyskiwania zasobów wodnych (oczyszczalnie) (z ang. WRRFs) starają się zmodernizować lub rozwinąć instalacje zajmujące się usuwaniem węgla lub nitryfikacją do pełnego biologicznego usuwania związków biogennych (ang. BNR). Do osiągnięcia celu wiodą dwie ścieżki, z których jedna jest błędnym kołem, wymagającym większych objętości zbiorników i większej ilości energii poprzez zwykłe rozszerzenie istniejących koncepcji oczyszczania lub, aby w inny sposób opracować cykl technologii, które zmniejszają ślad węglowy i intensyfikują oczyszczanie, ale także wymagają mniej energii i mądrze wykorzystują dostępny i biodegradowalny węgiel oraz zarządzają przemianami azotu w ściekach, w jak największym stopniu wykorzystując organizmy autotroficzne.
Kluczem do osiągnięcia tego zaawansowanego cyklu jest optymalizacja pierwszego etapu oczyszczania ścieków. Większość konwencjonalnych oczyszczalni stosuje proces oczyszczania wstępnego z osadnikami do usuwania zawiesiny, po którym następuje drugi stopień, którego zadaniem jest redukcja węgla (BZT5 lub ChZT) w celu osiągnięcia limitów zawiesiny i BZT5. Modernizacja w celu usunięcia substancji biogennych zazwyczaj wiąże się z rozbudową reaktorów osadu czynnego niskoobciążonego.
Przekierowanie węgla. Podejście do zmiany koncepcji procesu usuwania wstępnego na osadnikach było różne, proponowano wiele rozwiązań, takich jak chemicznie wzmocniona sedymentacja, wstępne sita mikrofiltracyjne, filtry tkaninowe i flotacja ciśnieniowa w celu zmniejszenia ładunku węgla kierowanego do stopnia biologicznego. Problem z takimi metodami obróbki polega na tym, że koncentrują się one wyłącznie na przekierowaniu węgla, pozostawiając w ten sposób etap biologiczny pozbawiony wystarczającej ilości węgla do usunięcia azotu i fosforu. Typowy minimalny stosunek C:N instalacji BNR wynosi około 6:1. Tak więc zoptymalizowane oczyszczanie wstępne powinno usuwać i przekierowywać nie tylko węgiel, ale także związany z nim azot.
Przekierowanie węgla i azotu. Jedynym rozsądnym podejściem do usuwania azotu wraz z węglem jest hodowanie heterotroficznych organizmów, które przekształcają węglowodany i amoniak w białko (związek azotowy) zarówno w komórkach, jak i w zewnątrzkomórkowych substancjach polimerowych (EPS). Ładunek cząstek stałych w dopływie może zawierać od 4 do 6% azotu w zawiesinie organicznej (VSS), podczas gdy organizmy heterotroficzne zawierają 12% azotu w przeliczeniu na zawiesinę organiczną (współczynnik 2÷3 razy wyższy w stosunku do dopływającej zawiesiny). Celem jest zatem przekształcenie dopływającego rozpuszczonego ChZT i amoniaku za pomocą asymilacji przez organizmy heterotroficzne w bardzo kompaktowym rozwiązaniu (0,5 dnia wieku osadu i dwugodzinnego czasu retencji hydraulicznej), aby osiągnąć przekierowanie zarówno węgla, jak i azotu. Te przekierowane heterotrofy są następnie degradowane endogennie w beztlenowej komorze fermentacyjnej (WKF) w celu wytworzenia większej ilości gazu i uwolnienia związanego azotu. Wyższy ładunek azotu w zawracanym odcieku jest następnie oczyszczany w kompaktowym i efektywnym energetycznie autotroficznym procesie deamonifikacji DEMON®. Wynikowy stosunek C:N dla procesu osadu czynnego będzie w przybliżeniu wynosił 7, co jest wystarczające do usuwania biogenów. Słynne studium przypadku „Strass” w Austrii, dotyczące oczyszczalni z usuwaniem biogenów (BNR) o dodatnim bilansie energetycznym, jest przykładem tego pozytywnego cyklu wywołanego przez proces etapu A, usuwanie azotu ze skrótem metabolicznym [Miller i in. 2015] oraz proces etapu A w połączeniu z deamonifikacją [Wett 2007].
Problemem dla większości procesów fazy A jest to, że są one ograniczone „bioflokulacją” [Jimenez et al. 2015] i nie są w stanie prawidłowo wyłapać za pomocą organizmów heterotroficznych azotu w stanie koloidalnym. Wiele z ostatnich badań fazy A skupiało się na modelowaniu tego etapu bioflokulacji i poprawie jego wydajności. Na przykład Nogaj i in. [2015] przewidzieli, że ograniczenie wieku osadu dla zoptymalizowanej bioflokulacji było lepsze niż wiek osadu dla maksymalnej wydajności heterotrofów. Proces, który mógłby poprawić wychwytywanie koloidów przy tym samym wieku osadu co dla uzyskania maksymalnej wydajności heterotrofów, przewyższyłby stopień A pod względem wydajności i zapewniłby oszczędności dzięki intensyfikacji, napowietrzaniu i większej produkcji metanu.
Cele. Celem tego badania jest opracowanie nowej technologii, która przewyższałaby wydajność przekierowywania węgla i azotu w konwencjonalnym procesie wstępnym i w stopniu A, eksploatując go jako proces biologiczny wysokoobciążony przy wieku osadu wynoszącym 0,5 d i z flokulacją koloidów oraz z założeniem wykorzystania istniejącej infrastruktury lub budową nowych obiektów, które są dostosowane do profili hydraulicznych typowej infrastruktury oczyszczania ścieków.
To badanie demonstracyjne w pełnej skali jest nowym procesem AAA filtracji na kłaczkach w stopniu A (zwanym AAA – ang. Alternating Activated Adsorption od naprzemiennej aktywowanej adsorpcji), który wykorzystuje istniejące osadniki wstępne (z dwugodzinnym czasem retencji hydraulicznej) i przekształca je w reaktory o stałym poziomie z procesem sekwencyjnym bez urządzeń mechanicznych. Dodatkowe zalety systemu, to zintegrowany zagęszczacz grawitacyjny, który może osiągnąć minimum 5% suchej masy.
2 Metodologia
Proces AAA wykorzystuje filtr kłaczkowy z przepływem w górę przez warstwę osadu, aby poprawić wychwytywanie koloidów poprzez podawanie ścieku od dołu, jednocześnie odprowadzając podczyszczone ścieki w górnej części osadnika wstępnego przekształconego w reaktor o stałym poziomie z naprzemiennym cyklem zasilania/odpływu, który obejmuje połowę czasu, a cykl reakcji/sedymentacji/ odprowadzania osadu obejmuje drugą połowę całego cyklu (patrz rys. 1). Proces AAA będzie wymagał co najmniej dwóch osadników równoległych, które zostaną zmienione na system sekwencyjny. Do modernizacji mogą być wykorzystane osadniki wstępne okrągłe lub prostokątne.
Dyfuzory drobnopęcherzykowe zostały zainstalowane na dnie zbiornika, aby zapewnić powietrze zarówno do reakcji biologicznych, jak i do mieszania. Strumień dopływowy jest wprowadzany od dołu (rys. 2) za pomocą systemu dystrybucji ścieków podczyszczonych mechanicznie, a odciek jest odprowadzany za pomocą półrury (dekantera) z poduszką powietrzną (rys. 3). Nie jest potrzebny żaden sprzęt mechaniczny, a istniejący i często kłopotliwy sprzęt do zgarniania osadu jest usuwany. Wysokoefektywny ssący kolektor do usuwania osadu, wykorzystujący system podnoszenia powietrznego (pompa mamutowa), służy do usuwania zsedymentowanego osadu i odprowadzenia go do sąsiedniego zagęszczacza grawitacyjnego. W ten sposób, dekanter zrzutowy ścieków podczyszczonych (rys. 3), reakcje procesowe i usuwanie osadu są zarządzane przy użyciu tego samego systemu dmuchawy/ powietrza, co znacznie upraszcza eksploatację.
Zagęszczacz grawitacyjny (rys. 4) został tak zaprojektowany, aby zapewnić powolny ruch wirowy, który sprzyja zagęszczaniu bez konieczności stosowania sprzętu mechanicznego. Ten zagęszczacz grawitacyjny jest instalowany w wewnętrznej części stożkowej okrągłego osadnika lub w rejonie leja osadowego osadnika prostokątnego. Tak więc, w istniejącym osadniku wstępnym można osiągnąć reakcje biologiczne promujące przekierowanie węgla i azotu, a także zagęszczanie osadu do 5% suchej masy lub wyższe, bez dodawania jakiegokolwiek środka chemicznego.
3 Wyniki
Rys. 6 pokazuje wydajność procesu A AA w oczyszczalni w Rottenburgu w Niemczech z ChZT oraz azotem (lewa oś y) na dopływie i odpływie z 67% redukcją ChZT i 30÷35% redukcją azotu. Tak wysoką redukcję uzyskiwaną bez jakichkolwiek chemikaliów przypisuje się zjawisku flokulacji, w którym koloidy, w których skład wchodzą głównie organizmy heterotroficzne zawierające białka bogate w azot i zwykle odpływające ze ściekami są teraz uwięzione w złożu osadowym procesu AAA. To ulepszone usuwanie, zarówno węgla, jak i azotu jest kluczową cechą procesu AAA.
Większość instalacji ze stopniem A charakteryzuje się redukcją azotu na poziomie 20÷25% oraz ChZT na poziomie 50÷60%. Tab. 1 przedstawia stężenia na odpływie z konwencjonalnego stopnia A oraz instalacji pilotowej stopnia A z procesem filtracji na kłaczkach pracujących na zbliżonym wieku osadu. Rys. 7 opisuje szerzej ten fenomen, poprzez porównanie stopnia redukcji zawiesiny w stopniu A z osadnikiem ze złożem osadowym (analogiczny do procesu filtracji na kłaczkach), pokazując znacząco większą redukcję zawiesiny w osadniku ze złożem osadu.
Efekt ten uniezależnia wiek osadu dla flokulacji od jakości ścieków na odpływie, co skutkuje wyższą redukcją ChZT i N w porównaniu z konwencjonalnym stopniem A. Jak widać na rysunku, złoże osadu (niższa względna zawiesina w odpływie) może tworzyć efekt filtracji na kłaczkach i wyłapywać materiał, w tym koloidy, które normalnie wypływałyby z procesu w stopniu A.
Rys. 8 pokazuje diagram Sankey’a porównujący: 1) tradycyjny osadnik wstępny + reaktor biologiczny z usuwaniem biogenów, 2) stopień A + reaktor biologiczny z usuwaniem biogenów i 3) proces AAA + reaktor biologiczny z usuwaniem biogenów i kontrolą napowietrzania AvN.
Rysunek pokazuje redukcję ChZT w stopniu A na poziomie 54% oraz 22% azotu, co skutkuje stosunkiem ChZT:N na odpływie z osadnika na poziomie 6,7 (należy pamiętać o odcieku z odwadniania, który pogarsza ten stosunek). Stopień AAA usuwa 61% ChZT i 30% N, co skutkuje stosunkiem ChZT:N = 6,1. Ostatnie badania sugerują, że wprowadzenie kontroli napowietrzania opartego na stosunku amoniaku do azotanów AvN umożliwia 90% redukcji azotu także przy niskim stosunku ChZT/N, na poziomie 5:1 (dane nie pokazane w tym artykule).
Wymagane objętości reaktorów do usuwania biogenów są z grubsza proporcjonalne (100% osadnik wstępny; 60% stopień A; 52% proces AAA), co przekłada się na bardzo kompaktową zabudowę całej oczyszczalni, zwłaszcza wtedy, kiedy wykorzystamy sterowanie AvN, umożliwiające pracę reaktorów biologicznych przy niższej dostępności węgla. Do oczyszczenia odcieku zawierającego duży ładunek azotu (5÷10% wymaganej pojemności stopnia biologicznego) potrzebny będzie proces deamonifikacji DEMON® na strumieniu bocznym. Ogólna oszczędność kubatury oczyszczalni wyniesie ok. 40%, przy jednoczesnej samowystarczalności energetycznej oczyszczalni.
Jak to przedstawiono na diagramie, ładunek trafiający do reaktorów biologicznych może być zredukowany z 67% do 33%, ale ciągle przy zachowaniu rozsądnego stosunku ChZT:N dla wydajnego procesu denitryfikacji. Ta redukcja ładunku znacząco zmniejsza rozmiar reaktorów biologicznych oraz równocześnie zmniejsza zapotrzebowanie na energię elektryczną do napowietrzania. Stwarza to pozytywny cykl zarówno zintensyfikowanego oczyszczania, jak i mniejszego zużycia energii i węgla, ułatwiając tym samym korzystne energetycznie oczyszczanie ścieków. Takie podejście systemowe wykorzystuje kombinację procesów: proces AAA do przekierowania węgla i azotu, AvN do wydajnego pod względem węgla usuwania azotu oraz DEMON® do autotroficznego usuwania azotu z odcieku z odwadniania osadów przefermentowanych. Ta kombinacja niewielkich modernizacji może znacznie zwiększyć wydajność przy mniejszym zużyciu energii.
Dodatkową zaletą zastosowania procesu AAA jest zmniejszenie ilości osadu wywożonego z oczyszczalni (zarówno pod kątem suchej masy jak i poprawy stopnia odwodnienia o ok. 3%, ze względu na wyższy udział osadu wstępnego do nadmiernego), większy uzysk biogazu niż w tradycyjnej konfiguracji.
[Dodatkowym elementem zmniejszającym zapotrzebowanie na energię elektryczną jest modernizacja stopnia tlenowego pod kątem wprowadzenia konfiguracji tzw. step feed (zasilanie kaskadowe). Dzięki temu możliwa jest rezygnacja z recyrkulacji wewnętrznej – przyp. tłumacza.]
4 Wnioski
Opracowano nową technologię, proces AAA, który jest procesem filtrowania na kłaczkach zamiast typowego stopnia A. Proces prowadzony jest przy stałym poziomie, w którym wykorzystuje się istniejący osadnik wstępny o tym samym czasie zatrzymania i o tym samym profilu hydraulicznym. Zapotrzebowanie na powietrze w całym procesie AAA + reaktor biologiczny z usuwaniem biogenów i dodatkową kontrolą napowietrzania AvN jest mniejsze niż w przypadku osadnika wstępnego i typowego reaktora biologicznego z usuwaniem biogenów. Proces przekierowuje węgiel i azot w celu wytworzenia większej ilości gazu/energii elektrycznej w beztlenowej komorze fermentacyjnej. Proces należy rozważyć w przypadku obiektów planujących modernizacje lub budowanych od podstaw. Proces w połączeniu z deamonifikacją DEMON® zapewnia samowystarczalność energetyczną oczyszczalni komunalnych.
5 Bibliografia
[1] Miller M.W., Regmi P., Murthy S. et al. (2015), Combining high–rate activated sludge and shortcut nitrogen removal for efficient carbon and energy utilization. Proc Water Environ Fed, Water
Energy. https://doi.org/10.2175/193864715819559045.
[2] Nogaj T. M., Randall A. A., Jimenez J. A., Takács I., Bott C. B., Miller M. W., Murthy S. & Wett, B. (2015), Modeling of organic substrate transformation in the high-rate activated sludge process.
Water Science and Technology 71 (7), 971–979.
[3] Wett B. (2007) Development and implementation of a robust deammonification process, Water Sci. Technol. 56, pp. 81-88.
Bernhard Wett
ARA Consult, Austria
NEWhub Corp., Herndon, Wirginia
Peter Aichinger
ARA Consult, Austria
Jose A. Jimenez
Brown and Caldwell, Orlando, Floryda
Sudhir Murthy
NEWhub Corp., Herndon, Wirginia
Tłumaczenie:
Jacek Stanisz
WaWaTech – WAsteWAter TECHnology Spółka z o.o.
Źródło: Forum Eksploatatora 6/21
