Opis badań

Na podstawie zebranych doświadczeń oraz pomiarów wstępnych przeprowadzonych w latach wcześniejszych, opracowałem zasadniczy plan badań do doktoratu, oraz wybrałem rok 2017 jako docelowy okres badawczy, ze szczególnym uwzględnieniem dwóch miesięcy „letnich” oraz dwóch miesięcy

„zimowych”. Zebrane dane można podzielić na dwie główne grupy: dane podstawowe – pomiary własne, wykonane specjalnie na potrzeby niniejszej rozprawy doktorskiej; dane pomocnicze (uzupełniające) – pomiary zewnętrzne, dane generowane przez istniejącą sieć monitoringu oczyszczalni oraz badania jakości ścieków przeprowadzone przez laboratoria zewnętrzne na zlecenie lokalnego operatora wodno-kanalizacyjnego. Badania zaplanowane w ten sposób miały pomóc odpowiedzieć na pytania o występowanie i charakter zależności pomiędzy zużyciem energii, a:

⎯ objętością strumienia ścieków dopływających do oczyszczalni,

⎯ objętością porcji ścieków trafiających do reaktora,

⎯ stężeniem/ładunkiem zanieczyszczeń w ściekach,

⎯ efektywnością procesów oczyszczania ścieków,

⎯ sezonowymi zmianami warunków atmosferycznych i ich wpływem na procesy oczyszczania,

⎯ stosowaniem elektrycznych instalacji grzewczych w budynkach oczyszczalni.

52 Pomimo iż badania były przeprowadzone na pojedynczym obiekcie, to wybór obiektu poprzedzony obszernym rozpoznaniem aktualnego stanu wiedzy pozwala na generalizacje konkluzji uzyskanych w wyniku analiz zebranych danych w zakresie małych i średnich oczyszczalni oczyszczających ścieki z obszarów aglomeracyjnych w Polsce i Europie.

W badaniach skupiono się na części biologicznej oczyszczalni ze względu na jej wiodącą rolę w efektywności procesowej i energetycznej w oczyszczalniach tego typu.

7.1.1. Harmonogram przeprowadzonych badań

Sumaryczne zestawienie przeprowadzonych pomiarów w roku 2017 oraz istotnych zdarzeń mogących wpłynąć na wyniki pomiarów przedstawiono na Rysunku 7-1.

Rys. 7-1 Harmonogram pomiarów 2017

53 7.1.2. Badania własne

Do badań zasadniczych w roku 2017 wybrano dwa okresy: letni (lipiec-sierpień) oraz zimowy (listopad-grudzień) w tych okresach przeprowadzono dodatkowe pomiary jakości ścieków surowych i oczyszczonych. W trakcie serii pomiarowych zmierzono stężenia ChZT i Nog, a także określono wartości BZT5. Nie zdecydowano się na pomiary stężeń: fosforu ogólnego, zawiesin ogólnych oraz substancji ekstrahowanych eterem ze względu na ich znikomy wpływ na pobór energii elektrycznej przez reaktory.

Fosfor usuwany jest przy pomocy procesów strącania chemicznego, których wpływ na zużycie energii elektrycznej jest minimalny. W sezonie zimowym przeprowadzono serię badań kontrolnych wpływu ogrzewania elektrycznego w budynku socjalnym oczyszczalni na bilans energetyczny całego obiektu (pozostałe budynki oczyszczalni nie są ogrzewane).

Oryginalny plan badań zakładał przeprowadzenie dwóch, maksymalnie porównywalnych ze sobą serii badań (letniej i zimowej). W obu seriach w porozumieniu z operatorem obiektu planowano tak sterować napełnianiem reaktorów aby uzyskać niezależne cykle w dniach pomiarowych w celu maksymalizacji precyzji przeprowadzonych badań. Założenie to w dużej mierze udało się spełnić dla serii „letniej”, choć niewielka ilość ścieków trafiających w ciągu doby do oczyszczalni istotnie wpłynęła na ilość porcji przetworzonych przez reaktor nr 4. Po wstępnej analizie wyników uzyskanych w ramach serii „letniej”

w związku z niską efektywnością usuwania azotu ze ścieków oraz niską efektywnością energetyczną reaktorów w ujęciu dobowym, zdecydowano się na wprowadzenie kilku modyfikacji w okresie poprzedzającym zimową serie badawczą. Zmiany te utrzymano w trakcie zimowej serii pomiarowej.

Polegały one na modyfikacji cyklu pracy w fazie „aktywnej” reaktorów, a także zmianie podejścia do sekwencji napełniania reaktorów - dokonano maksymalizacji liczby cyklów pracy wykonanych przez reaktory objęte monitoringiem. Efektem podjętych działań był zauważalny wzrost efektywności usuwania azotu ze ścieków oraz efektywności energetycznej reaktorów w ujęciu dobowym. Kwestie te zostały szerzej omówione w rozdziale 9.

W ciągu całego roku 2017 prowadzono szczegółowe pomiary zużycia energii elektrycznej (z krokiem minutowym) przez reaktory nr 3 i 4 składające się na ciąg technologiczny nr 2. Wyjątkiem jest tu większa część lutego 2017, gdzie ze względu na awarię jednej z dmuchaw (D5) i związane z tym prace konserwatorskie doszło również do awarii systemu pomiarowego Lumel odpowiedzialnego za monitoring zużycia energii elektrycznej przez CT2. System monitoringu został przywrócony do pełnej funkcjonalności pod koniec lutego 2017 r. Ścisłym monitoringiem zużycia energii elektrycznej (czynnej) zostały objęte:

dmuchawy D4, D5, D6, turbiny mieszająco-napowietrzające Tr3, Tr4, a także P11 - pompa osadu nadmiernego w reaktorze nr 4.

Biorąc pod uwagę specyfikę prowadzonych badań, oraz zakres wielkości mierzonych wartości (kWh, mg/dm³, m³/d, kg/d) przyjęto założenie o traktowaniu wyników pomiarów jako wystarczająco precyzyjnych. Niemniej jednak mając na uwadze dobre praktyki badawcze, założenie to zostało poprzedzone ogólną analizą statystyczną precyzji wykonywanych oznaczeń i pomiarów, która potwierdziła wystarczającą dokładność uzyskanych wyników i uprawniła przyjęte uproszczenie. (Szczegóły w rozdziale 8)

7.1.3. Badania zewnętrzne

W grudniu 2016 r. do systemu monitoringu pracy oczyszczalni podłączono system automatycznej archiwizacji danych generowanych przez poszczególne elementy sieci nadzorującej pracę obiektu.

Ze względu na problemy techniczne w okresie styczeń-maj 2017 r. prowadzono kalibrację i testy poprawności funkcjonowania systemu automatycznej archiwizacji danych generowanych przez monitoring oczyszczalni.

54 System z krokiem minutowym archiwizował następujące dane:

⎯ poziom ścieków w reaktorach 3, 4

⎯ poziom ścieków w zbiorniku retencyjnym

⎯ temperaturę ścieków w reaktorach 3, 4

⎯ czas pracy pomp osadowych (P10, P11) w reaktorach 3, 4

⎯ czas pracy dmuchaw D4, D5, D6 obsługujących ciąg technologiczny 2

⎯ czas pracy (TR3, TR4) turbin mieszająco napowietrzających w reaktorach 3, 4

⎯ wartość pH ścieków/osadu czynnego w reaktorach 3, 4

⎯ wskazania sond tlenowych w reaktorach 3, 4*

*analiza zebranych w okresie letnim danych ujawniła awarię obu sond tlenowych

W ciągu roku 2017 na zlecenie lokalnego Zakładu Gospodarki Komunalnej (właściciela/operatora obiektu) wykonywane były pomiary jakości ścieków surowych i oczyszczonych, były to pomiary incydentalne nie częstsze niż jeden pomiar na miesiąc. Pomiary te zostały wykonane przez laboratorium akredytowane.

W oparciu o archiwa IMiGW stworzono zestawienie zarejestrowanych średnich dobowych temperatur w roku 2017.

Z wyłączeniem badań jakości ścieków przez laboratorium akredytowane, wszystkie pozyskane dane zewnętrzne podawane były bez informacji o precyzji pomiarów.