3.1. Zasada działania
3.1.1. Historia, podstawowe założenia technologii
Technologia reaktorów sekwencyjnych (porcjowych) została opracowana pod koniec XIX w. w Anglii i Francji w trakcie badań nad skuteczną metodą szybkiego oczyszczania dużych ilości ścieków pochodzących z gęsto zaludnionych terenów aglomeracyjnych. Badania te ostatecznie doprowadziły do odkrycia zarówno technologii osadu czynnego jak i skonstruowania w latach 1914-1920 pierwszych reaktorów sekwencyjnych. [17-23] Ówczesny poziom technologii z zakresu automatyki przemysłowej, ochrony maszyn, metalurgii i materiałoznawstwa nie pozwolił jednak na upowszechnienie się reaktorów typu SBR. Jednym z głównych problemów była kolmatacja ówcześnie stosowanych dysz aeratorów osadem oraz sedymentami wytrącającymi się w trakcie procesów oczyszczania ścieków. Brak zaawansowanej automatyki przemysłowej również stanowił dużą przeszkodę dla rozwoju tego typu systemów na początku XX wieku. Powrót do technologii SBR nastąpił w latach 50tych i 60tych XX wieku, by w kolejnych dekadach zyskiwać coraz bardziej na znaczeniu [24]. Rosnąca popularność tego rozwiązania w dużej mierze wynikała nie tylko z szerszej dostępności niezbędnych technologii, ale też ze zmiany podejścia w skali makroskopowej do ochrony zasobów wodnych. W drugiej połowie XX w. rozpoczął się trwający do dziś trend częściowej decentralizacji systemów oczyszczania ścieków, którego efektem jest wyposażanie coraz mniejszych jednostek osadniczych we własne oczyszczalnie ścieków. Od tamtej pory technologia ta rozwija się dynamicznie i z powodzeniem stosowana jest w oczyszczaniu ścieków komunalno-bytowych jak i przemysłowych, a jej efektywność nie ustępuje tej uzyskiwanej przez systemy przepływowe. [25-29]
17 Mechanizm, który jest podstawą procesu oczyszczania ścieków w reaktorze sekwencyjnym jest niemal identyczny z założeniami stojącymi za wielokomorowymi reaktorami przepływowymi. Jedyną istotną różnicą jest sposób realizacji tego mechanizmu. Reaktor typu SBR jest jednokomorową konstrukcją, do której trafia porcja ścieków, a następnie jeden po drugim zgodnie z zaprogramowaną sekwencją przeprowadzane są wszystkie procesy oczyszczania ścieków jakie stosuje się obecnie w poszczególnych komorach reaktorów przepływowych oraz osadnikach wstępnym i wtórnym. [27]. Pomimo istnienia wielu wariantów konstrukcyjnych i technologicznych reaktorów sekwencyjnych, podobnie jak w przypadku reaktorów przepływowych, znaczna część z istniejących obecnie reaktorów sekwencyjnych pracuje w oparciu o jeden z wariantów technologii osadu czynnego. Istotną różnicą pomiędzy reaktorem przepływowym, a sekwencyjnym jest możliwość wymiany gazowej z otoczeniem. SBRy w przeciwieństwie do obiektów przepływowych, zwykle są zbiornikami zamkniętymi co znacząco ogranicza wymianę uciążliwych dla otoczenia gazowych produktów oczyszczania ścieków, czynnik ten choć technologicznie mało istotny, ma istotne znaczenie w przypadku gdy lokalizacja oczyszczalni znajduje się blisko terenów zamieszkanych.
Niezależnie od wariantu technologicznego, działanie wszystkich tego typu instalacji wywodzi się z tego samego bazowego schematu pracy reaktora przedstawionego na Rys.3-1:
Rys. 3-1 Podstawowy cykl pracy reaktora sekwencyjnego [30]
Zwykle za początek cyklu przyjmuje się moment ponownego napełniania reaktora. Zgodnie z pierwotną ideą w trakcie napełniania, ścieki surowe mieszane są z pozostawionym w komorze osadem czynnym.
Po napełnieniu reaktora, mieszanie jest kontynuowane tak aby maksymalnie ujednolicić zawartość reaktora i wymieszać ścieki surowe z osadem czynnym. Następnie przeprowadzana jest właściwa faza oczyszczania ścieków czyli napowietrzanie, podczas której usuwane są zanieczyszczenia określane zbiorczo
18 wskaźnikiem BZT. Po zakończeniu napowietrzania rozpoczyna się faza sedymentacji podczas której, osad czynny oraz pozostałe zawiesiny swobodnie gromadzą się na dnie zbiornika. Cykl zamyka faza dekantacji ścieków oczyszczonych znad warstwy sedymentów oraz finalnie usunięcie osadu nadmiernego z reaktora.
Reaktory pracujące w ten sposób projektowane były przede wszystkim do usuwania ze ścieków węgla organicznego i zawiesin. Jest to następstwem ówczesnego poziomu wiedzy naukowej, podobnie jak fakt, że wraz z rozwojem wiedzy w zakresie technologii ścieków i ochrony środowiska tego typu instalacje okazały się niewystarczające. Stanowiły natomiast doskonałą bazę wyjściową do opracowania stosowanych współcześnie wysokoefektywnych instalacji oczyszczania ścieków.
Rozwój wiedzy na temat szkodliwości nadmiaru związków biogennych w środowisku wodnym przyczynił się do wdrożenia odpowiednich wymogów prawnych określających wymaganą efektywność i zakres usuwanych ze ścieków zanieczyszczeń. W efekcie opracowano wiele wariantów technologii osadu czynnego nakierowanej na maksymalizacje usuwania azotu i fosforu ze ścieków przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności usuwania BZT i zawiesin. W przypadku reaktorów przepływowych oznaczało to zwiększenie liczby komór składających się na pojedynczy reaktor, tak aby każda komora odpowiadała jednemu z kilku procesów oczyszczania. Oznaczało to tworzenie osobnych komór z warunkami beztlenowymi, niedotlenionymi czy napowietrzanymi, gdzie ze względu na określone warunki dominującą grupą bakterii stawała się ta pożądana w danym procesie. Komory te były łączone systemami wewnętrznej i zewnętrznej recyrkulacji ścieków wraz z osadem co zwiększa koszty inwestycji i późniejszej eksploatacji. W przypadku SBRów również podejmowano próby rozbudowania instalacji o dodatkowe komory defosfatacji, czy predenitryfikacji [17,27,31,32], lecz poniekąd jest to odejście od pierwotnej idei reaktora sekwencyjnego, czyli instalacji jednokomorowej. Dlatego, aby zachować zalety wynikające ze zwartości instalacji jednokomorowych, część badaczy skupiła się na próbach uzyskania porównywalnej efektywności usuwania związków biogennych jak w przypadku reaktorów przepływowych, poprzez odpowiednie rozłożenie procesów w czasie (analogicznie do rozłożenia procesów w przestrzeni mającego miejsce w reaktorach przepływowych). Dążenia te realizowane były poprzez testowanie efektywności usuwania zanieczyszczeń w zależności od kompozycji mikrobiologicznej osadu czynnego, sterowanie sekwencją i czasem trwania procesów zachodzących wewnątrz reaktora. Badania te miały na celu uzyskanie składu osadu czynnego pozwalającej na przeprowadzenie wszystkich niezbędnych procesów w pojedynczej komorze. Rozwój technologiczny, szczególnie w zakresie materiałoznawstwa pozwolił na przełomie XX i XXI w. na rozpoczęcie na szerszą skalę eksperymentów z instalacjami wykorzystującymi nowoczesne membrany filtracyjne lub złoża z tworzyw sztucznych, których kształt i wykorzystane materiały mają za zadanie promować rozwój określonych grup mikroorganizmów oraz wybrane procesy oczyszczania ścieków. Technologie te próbuje się wprowadzać zarówno do systemów przepływowych jak i sekwencyjnych [33,34]. Podsumowując, przez ponad 100 lat rozwijania systemów przepływowych i porcjowych oczyszczania ścieków, uzyskano dwie komplementarne technologie o identycznej efektywności oczyszczania ścieków i bardzo zbliżonym zestawie stosowanych metod i technologii oraz podobnych kierunkach dalszego rozwoju. Współcześnie różnica pomiędzy reaktorem przepływowym, a sekwencyjnym sprowadza się do czasu i miejsca trwania poszczególnych procesów: w przypadku reaktorów przepływowych wszystkie procesy prowadzone są symultanicznie w różnych komorach, natomiast w reaktorach SBR każda porcja ścieków poddawana jest sekwencji procesów następujących jeden po drugim w jednej i tej samej komorze/zbiorniku (reaktorze).
3.1.2. Wysokoefektywne warianty technologii SBR stosowane współcześnie
W Unii Europejskiej większość obecnie działających obiektów oczyszczających ścieki bytowo-gospodarcze to oczyszczalnie wysokoefektywne z których większość funkcjonuje w oparciu o technologię osadu czynnego w formie płynnej, gdzie procesy usuwania azotu i fosforu realizowane są w oparciu o klasyczny już układ/sekwencje warunków beztlenowo-tlenowych i niedotlenionych. Pozostałe warianty jak m. in.
rozwijane obecnie reaktory membranowe, ciągi technologiczne wykorzystujące mikroorganizmy typu annamox, bądź denitryfikujące bakterie defosfatacyjne, lub wykorzystujące różne rodzaje złóż
19 biologicznych (od pływających kształtek o średnicy rzędu milimetrów lub centymetrów po wielkogabarytowe złoża wypełniające cały reaktor) nie są aż tak rozpowszechnione jak klasyczne układy usuwania związków biogennych ze ścieków. Instalacje tego typu mają najczęściej charakter eksperymentalny lub budowane są dla specyficznych przypadków, często z pogranicza lub wprost z obszaru ścieków przemysłowych, dlatego też te szczególne przypadki nie będą szerzej omawiane w niniejszym opracowaniu. [35-45]
Dostosowanie reaktorów typu SBR, tak aby spełniały wymogi dotyczące standardów jakości ścieków oczyszczonych określane przez aktualne unijne dyrektywy wymagało zwiększenia wydajności procesów naturalnie zachodzących reaktorach porcjowych. Należy zwrócić uwagę, że procesy związane z metaboliczną aktywnością bakterii w warunkach niedotlenionych i beztlenowych były raportowane przez badaczy już w latach 1940-1950, jednak bez próby ich praktycznego wdrożenia[46]. Dopiero w drugiej połowie XX w. opracowano i zaczęto wdrażać sposoby wykorzystania zaobserwowanych wcześniej naturalnie występujących procesów. W trakcie faz nr 1 i 2 ścieki są ubogie w tlen, lecz bogate w węgiel organiczny co sprzyja procesom denitryfikacji i biologicznego usuwania fosforu. Należy pamiętać, że klasyczne procesy biologicznego usuwania fosforu, oraz denitryfikacji realizowane są przez bakterie, które rywalizują ze sobą o substrat, zatem procesy te mogą wzajemnie się inhibitować. W warunkach konkurencji pomiędzy procesami denitryfikacji i defosfatacji, najczęściej dochodzi do znacznego zmniejszenia efektywności usuwania fosforu [29,32]. Gdy zakończy się faza napełniania reaktora i porcja ścieków jest już odpowiednio dobrze wymieszana, następuje faza nr 3 czyli tlenowy rozkład zanieczyszczeń organicznych wspólnie określanych znacznikiem BZTx (oraz możliwa jest nitryfikacja). Faza czwarta czyli sedymentacja stwarza ograniczone warunki rozwoju i działania bakterii denitryfikacyjnych, ale też ryzyko ponownego uwolnienia fosforu do otoczenia przez bakterie defosfatacyjne. Faza dekantacji i ewentualnego przestoju reaktora ma znaczenie pomijalne dla procesów oczyszczania ścieków, jedynym problemem eksploatacyjnym są zbyt długie okresy przestoju, mogące negatywnie wpływać na kompozycje bakteriologiczną osadu czynnego. Istotnym elementem natomiast jest usuwanie osadu nadmiernego czyli eliminacja ze ścieków oczyszczonych istotnych ilości azotu i fosforu wbudowanego lub przechowywanego w komórkach bakteryjnych. [28,32]. Reaktor pracujący w ten sposób pozwala przede wszystkim na efektywne usuwanie organicznych związków węgla oznaczanych wskaźnikiem BZTx oraz azotu ogólnego, tym samym jest to ekwiwalent przepływowego reaktora typu Ludzack – Ettingera [46]. Oba typy układów, nie charakteryzują się w praktyce efektywnym przeprowadzaniem procesów biologicznego usuwania fosforu, dlatego też w raz z rozwojem technologii oczyszczania wprowadzane były kolejne modyfikacje zwiększające efektywność i zakres usuwanych zanieczyszczeń. W przypadku reaktorów sekwencyjnych prace nad zwiększeniem efektywności skupiły się przede wszystkim na doskonaleniu technologii sterowania pracą reaktora, tworzeniu nowych lub udoskonalaniu już istniejących instalacji napowietrzających, zwiększaniu sprawności instalacji mieszających. Należy zaznaczyć, że podczas dążenia do maksymalizacji efektywności usuwania związków biogennych ze ścieków jednocześnie uzyskuje się wzrost efektywności usuwania związków węgla organicznego ze ścieków, współcześnie są to wartości rzędu 99% dla BZT5 i ponad 85% dla ChZT. W związku ze specyfiką procesów usuwania związków biogennych może zaistnieć nawet konieczność tzw. zewnętrznego dodawania węgla organicznego do reaktora w celu zachowania odpowiedniego bilansu C:N:P [29] Najczęściej stosowanym obecnie sposobem zwiększenia efektywności usuwania N i P ze ścieków przy pomocy osadu czynnego w SBRach jest sterowanie cyklem pracy reaktora poprzez rozbudowanie sekwencji o dodatkowe fazy napowietrzania, niedotlenione i beztlenowe występujące naprzemiennie. Pożądana łączna długość cyklu, czas trwania poszczególnych faz oraz ich liczba ściśle zależy od aktualnych warunków pracy oczyszczalni (ilości i jakości ścieków surowych oraz nierównomierności dopływu) i może ulegać znacznym wahaniom w ciągu roku nawet w obrębie pojedynczego obiektu. [47,48]. W ciągu ostatnich lat badania nad optymalizacją cyklu pracy reaktora i najlepszymi czasami trwania faz tlenowych i beztlenowych doprowadziły do powstania koncepcji napowietrzania „dynamicznego” lub „pulsacyjnego”. W tego typu układzie napowietrzania w regularnych, krótkich (poniżej sekundy do maksymalnie kilku sekund) odstępach czasu z układu dyfuzorów na dnie zbiornika wypuszczane są bardzo drobne pęcherzyki ciśnienia pod dużym ciśnieniem.
20 W ten sposób w osadzie czynnym powstają naprzemienne warstwy tlenowe i niedotlenione/beztlenowe przemieszczające się przez całą objętość ścieków w reaktorze. [49,50]
W przypadku gdy niemożliwe jest uzyskanie oczekiwanej efektywności usuwania związków N i P na drodze biologicznej, podejmuje się decyzje o faworyzowaniu jednego procesu kosztem drugiego. Najczęściej faworyzuje się proces biologicznego usuwania azotu, natomiast wymagane wartości usuwania fosforu uzyskuje się poprzez wspomaganie procesów biologicznych, chemicznym strącaniem.
3.2. Parametry technologiczne, doświadczenia eksploatacyjne - podsumowanie.
Oczyszczalnie ścieków oparte o technologię SBR zwykle posiadają co najmniej dwa bliźniacze reaktory wraz z infrastrukturą towarzyszącą [51]. Pozwala to na przemienną pracę reaktorów – niezależnie od liczby reaktorów będących w fazie aktywnego usuwania zanieczyszczeń ze ścieków, przynajmniej jeden reaktor znajduje się w fazie pasywnej (napełniania) i przyjmuje ścieki surowe docierające do oczyszczalni. Istnieją również wyjątki od tej reguły – niekiedy z różnych przyczyn (najczęściej ekonomicznych) oczyszczalnie budowane są w układzie dwa lub więcej reaktorów plus zbiornik wyrównawczy. Taki układ technologiczny daje większą swobodę sterowania procesami oczyszczania ścieków w reaktorach dzięki możliwości odsunięcia w czasie momentu napełniania reaktora(ów).
Współcześnie reaktory sekwencyjne projektowane są z wykorzystaniem różnych form geometrycznych i materiałów, od klasycznych prostokątnych lub cylindrycznych konstrukcji betonowych lub stalowych po zbiorniki z tworzyw sztucznych o niestandardowych kształtach wynikających ze specyficznych ograniczeń występujących w danym regionie lub zakładzie przemysłowym. Prostota i elastyczność konstrukcji pozwala na tworzenie SBRów o niemalże dowolnej pojemności od modeli laboratoryjnych, których pojemność mierzy się w litrach po duże zbiorniki o objętościach liczonych w tysiącach metrów sześciennych. Górna granica wielkości reaktora nie jest sztywno ustalona i w każdym przypadku wynika ona z sumy czynników lokalnych. Jedynymi ściśle określonymi parametrami rzutującymi na ostateczny kształt reaktora są wymagania dotyczące minimalnych stężeń zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych odprowadzanych do odbiornika określane rozporządzeniem Ministra Środowiska. Pozostałe czynniki, które rzutują na wymiary i inne parametry reaktora to kwestia dobowej nierównomierności dopływu, dobowa objętość ścieków dopływających oraz stężeń zanieczyszczeń w nich zawartych. Do istotnych czynników ograniczających pojemność pojedynczego zbiornika typu SBR zalicza się również możliwość skutecznego wymieszania i napowietrzenia całej objętości ścieków poddawanych procesom oczyszczania, a także czas sedymentacji osadu nadmiernego po zakończonym cyklu oczyszczania. Im większy reaktor tym trudniejsze jest odpowiednie wymieszanie i napowietrzenie ścieków, a także wydłuża się czas potrzebny na sedymentacje. Wymienione czynniki techniczne, technologiczne oraz ekonomiczne oraz pozostałe uwarunkowania lokalne (geografia, demografia, budżet projektu, etc.) wpływają na ostateczny kształt obiektu. Przykładowo: przyjmując założenie, że niezależnie od wybranego wariantu obiekt spełnieni formalne wymagania dotyczące jakości ścieków oczyszczonych, istnieją sytuacje (najczęściej są to powody geograficzne, demograficzne lub ekonomiczne), które usprawiedliwiają zastosowanie wariantu oczyszczalni składającej się z dwóch większych reaktorów o mniejszym stopniu wymieszania i gorszych parametrach napowietrzania, zamiast budowy 3 lub 4 mniejszych reaktorów o tej samej łącznej pojemności (zatem z czysto obliczeniowego punktu widzenia: idealnych parametrach), która zajęłaby powierzchnie większą niż działka przeznaczona pod budowę danej oczyszczalni. SBRy stosuje się najczęściej do oczyszczania ścieków z małych lub średnich jednostek osadniczych, o relatywnie małej (w porównaniu do dużych miast) dobowej ilości ścieków oraz wysokiej nierównomierności dopływu. Nie oznacza to jednak, że nie istnieją duże oczyszczalnie ścieków oparte o technologię SBR, przykładowo oczyszczalnie miejskie w Bangkoku (Qdśr = 200 tys. m3/d) czy Dublinie (Qdśr =200 tys. m3/d Qdmax =500 tys. m3/d).
Przy porównywalnej efektywności oczyszczania decydującym kryterium wyboru technologii jest sumaryczny koszt budowy obiektu. Zwykle dla dużych oczyszczalni jest on niższy w przypadku technologii przepływowej, lecz w sytuacjach takich jak w Dublinie, gdzie w związku z ograniczoną dostępną powierzchnią pod budowę obiektu tańszym rozwiązaniem okazało się zbudowanie kilkupiętrowej
21 oczyszczalni opartej o technologię SBR niż wykup dodatkowych gruntów pod wysokoefektywną oczyszczalnie przepływową. [46].
W Polsce w okresie 1980-2005 przetestowano w warunkach rzeczywistych liczne rozwiązania techniczne oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych. Zależnie od dostępnej w danym okresie wiedzy i technologii jednostki osadnicze o różnej wielkości zostały wyposażone w oczyszczalnie typu SBR lub przepływowego.
Doświadczenia zebrane w tamtym okresie pozwoliły na lepsze dopasowanie oczyszczalni do jednostek osadniczych w trakcie dostosowywania polskich obiektów do standardów unijnych po roku 2005. Na podstawie doświadczeń krajowych w przypadku technologii SBR optymalną liczbę mieszkańców można określić na poziomie do 10 tysięcy (przy RLM do 30 tys.). Powyżej tej granicy przeważnie, lepiej sprawdzają się oczyszczalnie przepływowe.
Wieloletnie doświadczenia z usuwaniem związków biogennych przy pomocy wysokoefektywnych procesów oczyszczania ścieków bezsprzecznie potwierdziły możliwość wzajemnej inhibicji przez procesy biologicznego usuwania fosforu i azotu. W przypadku jednokomorowych reaktorów przekłada się to na istotny problem eksploatacyjny – jak zachować odpowiedni skład osadu czynnego zdolny efektywnie usuwać równocześnie związki azotu i fosforu? Można rozbudować reaktor typu SBR o dodatkową komorę defosfatacji, lecz jest to odejście od idei komory wielofunkcyjnej „all in one” i krok w kierunku wielokomorowych instalacji przepływowych – to rozwiązanie jest rzadko spotykane. Rozwiązaniem najczęściej stosowanym w Polsce przez operatorów oczyszczalni jest promowanie (przez utrzymywanie odpowiednich warunków tlenowo-niedotleniono-beztlenowych) rozwoju grup bakterii odpowiedzialnych za biologiczne usuwanie azotu kosztem bakterii defosfatacyjnych. W takich warunkach w osadzie czynnym wciąż zachodzą procesy biologicznego usuwania fosforu, lecz ich efektywność jest niewielka. Fosfor, który nie został usunięty biologicznie jest usuwany ze ścieków przy pomocy procesów chemicznego strącania.
Przyjęcie takiej strategii działania wynika z braku realnych, alternatywnych możliwości usuwania azotu ze ścieków. Chemiczne strącanie fosforu, choć nieznacznie droższe niż w ramach procesów biologicznych jest możliwe i wysoce efektywne. Dostępne metody chemicznego usuwania związków azotu ze ścieków, są dużo trudniejsze i kosztowniejsze we wdrożeniu i eksploatacji w porównaniu do procesów chemicznego strącania fosforu [200][201].
W związku z wymienionymi wyżej niedogodnościami, takimi jak: ograniczony zakres stosowalności, utrudnione usuwanie fosforu oraz zaletami: dużo mniejsza powierzchnia oczyszczalni, ograniczona wymiana gazowa z otoczeniem, niewrażliwość na dużą nierównomierność dobową dopływu ścieków, reaktory tego typu są szczególnie często stosowane w przypadku obiektów niewymagających rozbudowanych instalacji, najczęściej w małych miasteczkach lub gminach wiejskich.