1
ROZPRAWA DOKTORSKA
mgr inż. Jerzy Ciepliński
ANALIZA WYBRANYCH CZYNNIKÓW DETERMINUJĄCYCH ENERGOCHŁONNOŚĆ ŚREDNICH, SEKWENCYJNYCH
OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW
Promotor:
dr hab. inż. Stanisław M. Rybicki, prof. PK
Kraków, 2020
POLITECHNIKA KRAKOWSKA im. Tadeusza Kościuszki
Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
Katedra Technologii Środowiskowych
2 SPIS TREŚCI
1. Wstęp ... 8
1.1. Wprowadzenie ... 8
1.2. Uzasadnienie podjęcia ... 9
1.3. Cel i zakres pracy ... 9
2. Specyfika oczyszczania ścieków w małych i średnich jednostkach osadniczych ... 11
2.1. Klasyfikacja wielkościowa jednostek osadniczych... 11
2.2. Definicja wielkości oczyszczalni. ... 12
2.3. Charakterystyka małych i średnich oczyszczalni ścieków... 12
2.4. Wymagania formalne oczyszczania ścieków dla małych i średnich jednostek osadniczych ... 13
3. Reaktory sekwencyjne (SBR) ... 16
3.1. Zasada działania ... 16
3.1.1. Historia, podstawowe założenia technologii ... 16
3.1.2. Wysokoefektywne warianty technologii SBR stosowane współcześnie ... 18
3.2. Parametry technologiczne, doświadczenia eksploatacyjne - podsumowanie. ... 20
4. Energetyka w gospodarce wodno-ściekowej ... 21
4.1. Gospodarka wodno-ściekowa na obszarze UE i USA ... 21
4.2. Energetyczne aspekty gospodarki wodno-ściekowej w UE, USA i na świecie... 28
4.3. Energetyczne aspekty gospodarki wodno-ściekowej w Polsce (spojrzenie globalne) ... 29
4.4. Uwarunkowania i perspektywy energetyczne w gospodarce wodno-ściekowej ... 31
5. Energetyczne aspekty oczyszczania ścieków ... 33
5.1. Struktura zużycia energii elektrycznej w obrębie pojedynczej oczyszczalni ścieków ... 33
6. Opis przedmiotu badań ... 43
6.1. Uzasadnienie wyboru lokalizacji ... 43
6.2. Charakterystyka gminy - obszaru badań: ... 43
6.3. Analiza społeczno-gospodarcza obszaru obsługiwanego przez oczyszczalnię na tle regionu ... 44
6.3.1. Dynamika demograficzna ... 44
6.3.2. Aktywność gospodarcza ... 44
6.3.3. Potencjał turystyczny ... 45
6.3.4. Sektor publiczny, zdrowie, kultura ... 45
6.3.5. Walory przyrodnicze ... 46
6.3.6. Potencjał rozwojowy, perspektywy demograficzne ... 46
3
6.3.7. Ochrona zasobów wodnych ... 46
6.4. Charakterystyka obiektu badawczego: ... 47
6.4.1. Opis ogólny ... 47
6.4.2. Założenia projektowe ... 47
6.4.2.1. Jakość ścieków surowych, wymagana pierwotnie efektywność oczyszczania ... 48
6.4.2.2. Układ technologiczny oczyszczalni ... 51
6.4.2.3. Spis urządzeń objętych pomiarami (wraz z mocą zainstalowaną). ... 51
7. Badania ... 51
7.1. Opis badań ... 51
7.1.1. Harmonogram przeprowadzonych badań ... 52
7.1.2. Badania własne ... 53
7.1.3. Badania zewnętrzne ... 53
7.2. Badania jakości ścieków ... 54
7.2.1. Badania akredytowane na zlecenie ZGK... 54
7.2.2. Badania własne ... 54
7.2.3. Zastosowane odczynniki ... 55
7.2.4. Sprzęt pomiarowy (jakość ścieków) ... 55
7.2.5. Przechowywanie odczynników, transport próbek, warunki podczas przeprowadzania oznaczeń 56 7.3. Badania zużycia energii elektrycznej ... 56
7.3.1. Zastosowane liczniki energii elektrycznej ... 56
7.3.2. Konstrukcja sieci pomiarowej ... 56
8. Wyniki pomiarów ... 59
8.1 Seria kontrolna precyzji pomiarów i stabilności pracy urządzeń pomiarowych. ... 59
8.1.1 Stężenia azotu ogólnego i ChZT w ściekach surowych i oczyszczonych: ... 59
8.1.2 Pomiar zużycia energii elektrycznej przez wybrane urządzenia: ... 60
8.2 Przepływ dobowy przez oczyszczalnie: ... 63
8.3 Pomiary stężeń zanieczyszczeń w ściekach surowych: ... 67
8.4 Pomiary stężeń zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych: ... 71
8.5 Cykl pracy reaktorów w okresach pomiarowych: ... 75
8.6 Pomiary zużycia energii elektrycznej ... 77
8.7 Pomiar energii zużytej przez reaktory nr 3 i 4 w trakcie oczyszczania pojedynczych porcji ścieków ... 80
9. Analiza wyników ... 82
4
9.1 Zakres badań i analiz. ... 82
9.2 Ogólna struktura zużycia energii elektrycznej przez obiekt ... 82
9.3 Efektywność energetyczna badanych reaktorów i oczyszczalni w warunkach eksploatacyjnych 83 9.3.1 Zależność pomiędzy całkowitym zużyciem energii elektrycznej, a przepływem dobowym ścieków przez oczyszczalnie. ... 83
9.3.2 Efektywność energetyczna oczyszczalni w 2017r w ujęciu dobowym w eQ [kWh/m3]. ... 84
9.3.3 Zależność pomiędzy dobowym zużyciem energii elektrycznej przez oczyszczalnię, a wielkością usuwanych ładunków zanieczyszczeń. ... 86
9.3.4 Zależność pomiędzy dobowym zużyciem energii elektrycznej reaktora, a wielkością usuwanych ładunków zanieczyszczeń. ... 88
9.3.5 Zależność pomiędzy dobowym zużyciem energii elektrycznej, a temperaturą otoczenia. 91 9.3.6 Zależność pomiędzy dobowym zużyciem energii elektrycznej, a temperaturą ścieków. ... 93
9.4 Efektywność energetyczna procesów oczyszczania w warunkach eksploatacyjnych ... 95
9.4.1 Zależność pomiędzy zużyciem energii elektrycznej w fazie aktywnej, a wielkością porcji ścieków. 96 9.4.2 Efektywność energetyczna procesów oczyszczania ścieków w ujęciu jakościowym ... 99
9.4.3 Zależność pomiędzy zużyciem energii elektrycznej w fazie aktywnej, a wielkością usuniętego ładunku zanieczyszczeń: ChZT ... 101
9.4.4 Zależność pomiędzy zużyciem energii elektrycznej w fazie aktywnej, a wielkością usuniętego ładunku zanieczyszczeń: BZT ... 106
9.4.5 Zależność pomiędzy zużyciem energii elektrycznej w fazie aktywnej, a wielkością usuniętego ładunku zanieczyszczeń: Nog ... 108
9.4.6 Efektywność energetyczna w ujęciu ilościowym (wskaźnik eQ) ... 113
9.4.7 Efektywność energetyczna w ujęciu jakościowym: ChZT, BZT5, Nog ... 115
9.5 Rozbieżność pomiędzy efektywnością energetyczną reaktorów, a efektywnością energetyczną procesów usuwania zanieczyszczeń. ... 119
10. Podsumowanie ... 123
10.1 Kompendium ... 123
10.2 Zużycie energii, efektywność energetyczna procesów oczyszczania w ujęciu naukowym. ... 123
10.3 Zużycie energii, efektywność energetyczna obiektu w ujęciu techniczno-eksploatacyjnym. ... 126
10.4 Analiza najważniejszych z zarejestrowanych anomalii i ich wpływu na wyniki eksperymentów oraz pracę obiektu. ... 127
10.5 Zalecenia badawcze ... 128
10.6 Zalecenia eksploatacyjne dla operatorów małych i średnich oczyszczalni. ... 128
11. Wnioski ... 129
5 SPIS WAŻNIEJSZYCH SKRÓTÓW
Skrót Znaczenie Jednostka
VFD Variable Frequency Drive, Przemiennik Częśtotliwości, Falownik - SBR Sequencing Batch Reactor, Sekwencyjny Reaktor Porcjowy -
GUS Główny Urząd Statystyczny (Polska) -
RLM Równoważna Liczba Mieszkańców -
BZTx
Biologiczne Zapotrzebowanie Tlenu
x – liczba dni po jakim robione jest oznaczenie mgO2/l
ChZT Chemiczne Zapotrzebowanie Tlenu mgO2/l
Bilans
C:N:P Stosunek sumarycznych zawartości węgla, azotu i fosforu w ściekach -
OZE Odnawialne Źródła Energii -
MR Mieszkaniec Równoważny 60 g O2/d
Gmina Pisana z dużej litery stanowi synonim/skrót zwrotu „badana gmina”, dotyczy gminy w której jest zlokalizowana badana oczyszczalnia ścieków
-
CT1, CT2 Ciąg Technologiczny nr 1, nr 2 -
Dx Dmuchawa nr x (D1, D2, D3…), numeracja wg schematu technologicznego oczyszczalni
-
Trx Turbina napowietrzająco-mieszająca nr x, (Tr1, Tr2, Tr3…), numeracja wg schematu technologicznego oczyszczalni
-
Px Pompa nr x, (P1, P2, P3…), numeracja wg schematu technologicznego oczyszczalni
-
EPA, US EPA
The Environmental Protection Agency (EPA lub USEPA), Agencja
Ochrony Środowiska – agencja federalna Stanów Zjednoczonych -
IMiGW Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (Polska) -
ZGK Zakład Gospodarki Komunalnej w badanej gminie, operator badanej OŚ -
OŚ Oczyszczalnia Ścieków -
6
STRESZCZENIE W JĘZYKU POLSKIM
Konieczność minimalizacji skutków zmian klimatycznych wpływa i nadal niewątpliwie będzie istotnie wpływać na kształtowanie krajowej polityki środowiskowej i energetycznej. Konieczność ograniczenia emisji CO2 będzie dotyczyć wszystkich gałęzi gospodarki, w tym również infrastruktury miejskiej, a co z tym związane także gospodarki wodno-ściekowej. Cel ten można realizować na dwa sposoby:
zwiększając udział w polskim miksie energetycznym nieemisyjnych źródeł energii (OZE, energia atomowa), lub poprzez zwiększanie efektywności energetycznej. Większość prac badawczych i wdrożeniowych koncentruje się na oczyszczalniach dużych (powyżej 100 tys. RLM), natomiast niewiele jest prac koncentrujących się na tym problemie w odniesieniu do oczyszczalni małych i średnich. Specyfikę stanowi tu fakt, że obiekty te mają ograniczone możliwości produkcji energii elektrycznej i cieplnej, zatem preferowanym modelem działania dla obiektów tej kategorii powinna być racjonalizacja, w mniejszym natomiast stopniu optymalizacja zużycia energii elektrycznej. Znaczna część dotychczasowych badań skupiała się na potencjale generacyjnym energii elektrycznej i cieplnej przez oczyszczalnie, przy czym badania te skupiały się na obiektach dużych. Dlatego w pracy doktorskiej zdecydowano się na przeprowadzenie badań określających możliwość racjonalizacji i potencjał do dalszej optymalizacji zużycia energii przez małe i średnie oczyszczalnie ścieków. Do badań wytypowano obiekt spełniający współczesne standardy, oddany do użytku w 2014r. reprezentatywny dla dużej liczby gminnych oczyszczalni powstałych w ramach dostosowywania polskiego sektora wodno-kanalizacyjnego do standardów Unii Europejskiej.
Badania prowadzono dwutorowo: na oczyszczalni traktowanej jako całość, a także osobno skupiono się na części biologicznej obiektu – ciągu technologicznym nr 2 (CT2) składającym się z dwóch reaktorów typu SBR wraz z urządzeniami towarzyszącymi. W trakcie badań sprawdzono wpływ poszczególnych czynników (dobowy przepływ przez oczyszczalnię, wielkość porcji ścieków trafiających do reaktora;
usunięty ładunek zanieczyszczeń z grupy ChZT, BZT5, azotu ogólnego w kg/porcję_ścieków lub kg/d;
temperatury ścieków i otoczenia; trybu pracy reaktorów) na zużycie energii i efektywność energetyczną oczyszczalni oraz procesów usuwania zanieczyszczeń. Do badań zasadniczych wytypowano dwa okresy – letni i zimowy w trakcie, których podjęto prace badawcze aby określić wpływ lokalnych warunków klimatycznych na zużycie energii i efektywność energetyczną przez oczyszczalnie, a także CT2. Przed rozpoczęciem pomiarów uzgodniono z operatorem obiektu unifikację trybu pracy obu reaktorów wchodzących w skład CT2, tak aby można było traktować CT2 jako jedno urządzenie. Operator obiektu nie wywiązał się z poczynionych uzgodnień co wymusiło wprowadzenie zmian w planie badawczym, ale też umożliwiło dokonanie kilku odkryć. Przeprowadzone badania potwierdziły istnienie proporcjonalnej zależności pomiędzy wielkością porcji, ładunkiem usuniętych zanieczyszczeń, wydajnością procesów oczyszczania ścieków, a zużyciem energii przez reaktory typu SBR oraz efektywnością energetyczną procesów oczyszczania ścieków.
Przeprowadzone badania potwierdziły istnienie istotnego potencjału racjonalizacji zużycia energii elektrycznej przez małe i średnie oczyszczalnie z możliwością dalszej optymalizacji. Odkryto istotną dysproporcję pomiędzy ilością energii zużywanej na potrzeby oczyszczania ścieków, a całkowitym zużyciem energii przez oczyszczalnie. W trakcie badań nie stwierdzono mierzalnego wpływu warunków klimatycznych na pracę obiektu.
7
SUMMARY
The need to stop climate change affects and will undoubtedly have a significant impact on shaping national environmental and energy policies. The need to reduce CO2 emissions will apply to all branches of the economy, including urban infrastructure, and thus also water and wastewater management. This goal can be achieved in two ways: by increasing the share of non-carbon energy sources in the Polish energy mix (RES, nuclear energy), or by increasing energy efficiency. Most research and implementation work focuses on large treatment plants (over 100,000 RLM), while there are few works focusing on this problem in relation to small and medium-sized facilities The specificity here is the fact that these facilities have limited energy production capabilities, so the preferred model of operation for facilities in this category should be rationalization, and to a lesser extent optimization of electricity consumption. Much of the research to date has focused mainly on the generation potential of electricity and heat by the wastewater treatment plants.
These studies however were focused on large facilities. Therefore, in the doctoral dissertation it was decided to conduct research determining the possibility of rationalization and the potential for further optimization of energy consumption by small and medium wastewater treatment plants. A modern facility was commissioned for use in 2014. The facility is representative of a large number of municipal wastewater treatment plants created as part of adapting the Polish water and sewage sector to the European Union standards.
The research was carried out in two ways, for the treatment plant treated as a whole, and also separately focused on the biological part of the facility - technological line No. 2 (CT2) consisting of two SBR reactors with associated devices. During the tests, the influence of individual factors (WWTP’s daily flow, SBR’s daily flow; the amount of removed pollutants: BOD5, COD, total nitrogen in kg/portion or in kg/d; sewage and ambient temperature; reactor operation mode) on the energy consumption and the energy efficiency of the WWTP and the treatment processes were checked. Two periods were selected for the main research - summer and winter, during which research was undertaken to determine the impact of local climate conditions on energy consumption and energy efficiency by treatment plants, as well as CT2. Before starting the measurements, the unification of the operating mode of both reactors included in CT2 was agreed with the facility operator, so that CT2 could be treated as one device. The facility operator did not comply with the arrangements made, which forced changes in the research plan, but also made several discoveries possible. The tests confirmed the existence of a proportional relationship between the size of the portion, the amount of removed pollutants, the efficiency of wastewater treatment processes, and the energy consumption of SBR reactors and the energy efficiency of wastewater treatment processes.
The study confirmed the existence of significant potential for rationalization of electricity consumption by small and medium-sized wastewater treatment plants with the possibility of further optimization.
A significant discrepancy was found between the amount of energy used for wastewater treatment and the total energy consumption of wastewater treatment plants. During the tests, no measurable impact of climatic conditions on the object's operation was found.
8
1. Wstęp
1.1. Wprowadzenie
Rozwój cywilizacyjny wiąże się nierozerwalnie z coraz większym uzależnieniem wszystkich dziedzin życia od dostępu do energii elektrycznej. Kolejne obszary życia codziennego i gospodarki w coraz większym stopniu funkcjonują w oparciu o urządzenia elektryczne, lub przedmioty wytworzone przy pomocy maszyn napędzanych energią elektryczną albo sterowanych przez systemy automatyki przemysłowej, które nie mogą funkcjonować bez dostępu do elektryczności. Trend ten jest nieodwracalny (nie licząc scenariuszy apokaliptycznych), zużycie energii elektrycznej na Świecie, a zatem i w Polsce będzie rosnąć. W kwietniu 2019 r. ukazał się raport „Założenia do strategii rozwoju energetyki w Polsce” [1] w którym przeanalizowano obecną sytuację polskiego sektora energetycznego oraz potencjalne kierunki rozwoju.
W raporcie tym podkreślono zły stan istniejącej infrastruktury zarówno przesyłowej jak i wytwórczej, zwraca się uwagę na problem nieefektywnej pracy starzejących się bloków węglowych, a także niedostateczne tempo budowy nowych źródeł energii elektrycznej (zarówno konwencjonalnych jak i z grupy źródeł tzw. „zielonej energii”). Uwagi i zalecenia zawarte w raporcie zdają się być celne i jeśli uwzględnione przy podejmowaniu decyzji przez rząd centralny i/lub samorządy powinny wpłynąć pozytywnie na stan polskiej gospodarki w perspektywie długookresowej. Problemem jednakże jest fakt, że wspomniane wieloletnie zaniechania w tym zakresie już w chwili obecnej stawiają polską gospodarkę energetyczną na krawędzi systemowej zapaści. Co roku, szczególnie w okresach letnich padają kolejne rekordy importu energii elektrycznej z zagranicy wynikające z niewydolności polskiego systemu.
Ostatnie rekordy padły w czerwcu 2019 [2], gdy polscy operatorzy energetyczni byli zmuszeni zakupić, aż 2,7 GW mocy elektrycznej w trybie awaryjnym, jednocześnie skokowo podnosząc cenę prądu na rynku do niemal 1000 PLN/MWh. Wysokie ceny interwencyjnego skupu energii elektrycznej z zagranicy to zaledwie niedogodność w porównaniu do strat jakie miałyby miejsce w wyniku tzw. „blackoutu” (nagłego przerwania dostaw prądu) w przypadku powstania sytuacji stałego, niezbilansowanego niedoboru energii elektrycznej. Należy zwrócić uwagę, że interwencyjny zakup energii poza krajem nie stanowi remedium na problemy energetyczne kraju i nie zawsze może być dostępny, szczególnie w sytuacji gdy Niemcy, kraj z którego najczęściej polscy operatorzy energetyczni czerpali energię w sytuacjach awaryjnych również balansuje na krawędzi załamania energetycznego (w związku z trwającą w tym kraju transformacją energetyczną)[3]. Bezpośrednie zagrożenie dla polskiej gospodarki wynikające z ryzyka „blackoutu” nie jest jedynym problemem wymagającym szybkich działań, drugim równie ważnym jest ogromna zależność polskiej energetyki od jednego źródła energii – węgla[2]. W przewidywalnej perspektywie czasowej należy spodziewać się intensyfikacji działań na poziomie międzynarodowym zmierzających do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych w tym CO2 przez wszystkie gospodarki świata. Pionierem i liderem dążenia do neutralności klimatycznej gospodarek na świecie jest Unia Europejska i należy spodziewać się utrzymania tej polityki w nadchodzących latach. Podstawowym narzędziem mającym motywować kraje członkowskie do zmniejszania emisyjności gospodarki są opłaty emisyjne. Opłaty te systematycznie rosną, a pula „ulgowych bonów” zezwalająca na większe emisje CO2 jest systematycznie zmniejszana.
W dłuższej perspektywie czasowej oznacza to systematyczny i stały wzrost cen prądu wytwarzanego w oparciu o spalanie paliw kopalnych. Należy również dodać, że nawet pomimo istotnego wzrostu efektywności produkcji prądu w oparciu o spalanie węgla, nie jest to najefektywniejsze źródło energii.
Zatem zarówno w trosce o klimat, jak i poziom życia w interesie społecznym niezbędna jest jak najszybsza transformacja polskiego sektora energetycznego. W przypadku projektu tej skali termin „jak najszybsza”
wciąż oznacza czas liczony w dziesięcioleciach. Mimo rosnącej efektywności energetycznej współczesnych systemów gospodarczych trzeba uwzględnić fakt, że wraz z rozwojem gospodarczym wzrastać będzie również zapotrzebowanie na energię elektryczną. Dlatego tak ważne jest aby równolegle do działań modernizacyjnych sektora energetycznego jednocześnie wdrażać technologie energooszczędne i racjonalizować zużycie energii przez poszczególne gałęzie gospodarki, a także prywatne gospodarstwa domowe. Tylko symultaniczne prowadzenie działań na obu tych polach umożliwi stabilny rozwój gospodarki i wzrost poziomu życia przy jednoczesnej dbałości o klimat i środowisko naturalne.
Zmiana ta winna się dokonać poprzez zmniejszenie polskiego śladu węglowego i równoczesne obniżenie
9 pośredniego negatywnego wpływu na środowisko wynikającego ze specyfiki energetyki opartej o paliwa kopalne, a w szczególności energetykę węglową. Jedną z niezwykle energochłonnych gałęzi gospodarki większości krajów jest gospodarka wodno-ściekowa. Zależnie od źródeł, ten sektor gospodarki generuje od 1-5% krajowego zapotrzebowania na energię elektryczną, przy czym w ujęciu lokalnym dział wodno- ściekowy może odpowiadać nawet za kilkanaście do kilkudziesięciu procent zużycia energii elektrycznej sektora publicznego w danej jednostce administracyjnej (gminie, gminie miejskiej, powiecie, etc., szerzej rozdział 4). Sektor ten, jest jednakże sektorem specyficznym, o istotnym znaczeniu dla zdrowia i bezpieczeństwa publicznego, gdzie zawsze priorytetem jest uzyskanie odpowiedniego efektu technologicznego, niezależnie czy mowa o uzdatnianiu wody, czy oczyszczaniu ścieków.
Kwestia efektywności energetycznej uzdatniania wody i oczyszczania ścieków nie była dotychczas kwestią priorytetową, przy czym rozpatrywane były możliwości generacji energii cieplnej i elektrycznej przez obiekty wodno-ściekowe ale nie ich faktyczna efektywność energetyczna. Obecnie ze względu na upowszechnienie się technologii wysokoefektywnych, a więc ogólny wysoki poziom efektywności usuwania zanieczyszczeń ze ścieków, oraz ze względu na kryzys klimatyczny i energetyczny kwestia efektywności energetycznej obiektów wodno-ściekowych jest poruszana coraz częściej. Obszar ten jednakże wciąż pozostaje relatywnie słabo zbadany, szczególnie w przypadku obiektów małej i średniej wielkości.
1.2. Uzasadnienie podjęcia
Efektywność energetyczna w oczyszczaniu ścieków wciąż jest obszarem nie dość dobrze zbadanym.
Pomimo większej liczby badań na świecie z tego zakresu tematycznego w ostatnich latach, istnieje silna potrzeba uzupełnienia „białych plam” jakie wciąż istnieją. Zarówno badacze polscy jak i zagraniczni skupiali się przede wszystkim na obiektach dużych, gdzie koszty i zużycie energii są najwyższe, a zatem najłatwiej uzyskać wyraźne rezultaty i widoczną poprawę. Obiekty małe, których jest jednakże najwięcej pozostały słabo rozpoznane w tym zakresie. Przegląd literatury wskazuje na niedobór badań i publikacji dotyczących energetycznych aspektów oczyszczania ścieków, które brałyby również pod uwagę temperaturę ścieków, a przecież aktywność metaboliczna mikroorganizmów, czy też rozpuszczalność i efektywność transferu tlenu (powietrza) w wodzie czy ściekach zależy również od tego parametru.
Dotychczasowe badania traktowały efektywność energetyczną oczyszczania ścieków w ujęciu globalnym sprawdzając efektywność energetyczną całej oczyszczalni czy poszczególnych jej elementów.
W przypadku oczyszczalni opartych o technologię SBR nie rozróżniano faz pracy reaktorów – oprócz fazy aktywnej gdzie realizowana jest zaprogramowana sekwencja oczyszczania ścieków reaktory zużywają również energię w fazie pasywnej – okresach pomiędzy kolejnymi porcjami ścieków. Zarówno zużycie energii elektrycznej jak i efektywność energetyczna procesów usuwania zanieczyszczeń obliczane było na podstawie danych łącznych z obu faz, co jak wykazały badania przeprowadzone w ramach niniejszej dysertacji nie jest odpowiednim podejściem. Istotnym czynnikiem decydującym o realizacji badań w tym obszarze była również bardzo skromna baza literatury fachowej i naukowej traktującej o efektywności energetycznej nowoczesnych obiektów powstałych w trakcie modernizacji polskiej gospodarki ściekowej, wynikającej z dostosowywania polskich standardów środowiskowych do wymogów jakościowych UE.
1.3. Cel i zakres pracy
Niniejsza rozprawa miała na celu wieloaspektowe poszerzenie wiedzy z zakresu energetyki w gospodarce wodno-ściekowej, ze szczególnym uwzględnieniem efektywności energetycznej nowoczesnych reaktorów typu SBR, używanych w małych i średnich oczyszczalniach ścieków. Do badań wybrano nowoczesny obiekt, zaprojektowany również z uwzględnieniem technologii podnoszących efektywność energetyczną (VFD zespolone z dmuchawami). Drugim kryterium przyjętym podczas wyboru obiektu badawczego była uniwersalność zarówno obiektu jak i jednostki osadniczej obsługiwanej przez wytypowaną oczyszczalnie.
Dzięki starannej selekcji obiektu, przeprowadzone wnioski oparte o badania mogą być uogólniane w obszarze małych i średnich oczyszczalni opartych o technologię SBR, obsługujących typowe polskie gminy aglomeracyjne. W ramach prac przygotowawczych przeprowadzono szeroko zakrojone studia literaturowe, których celem było stworzenie kompleksowej i przejrzystej oceny obecnego stanu wiedzy.
10 Zaplanowane badania miały pomóc zweryfikować istnienie i skalę zależności pomiędzy zużyciem energii elektrycznej wyrażonej w kWh, a: przepływem średnim dobowym mierzonym w m3/d (dla całej oczyszczalni); wielkością porcji w m3/porcja (dla reaktorów); redukcją stężenia zanieczyszczeń związkami węgla organicznego (oznaczanym wskaźnikami BZT5, i/lub ChZT wyrażanymi poprzez zapotrzebowanie na tlen niezbędny do ich tlenowego rozkładu) oraz związkami azotu mierzonymi w mg/l; wielkością ładunku usuniętego wyżej wymienionych zanieczyszczeń wyrażoną w kg_O2/d lub kg_Nog_us/d (dla całej oczyszczalni); lub w kg_O2/ porcję oraz kg_Nog_us/porcję (dla poszczególnych reaktorów); temperaturą ścieków i otoczenia mierzoną w oC; wydajnością procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków wyrażaną odpowiednimi wskaźnikami efektywności energetycznej. Dla tych samych czynników zweryfikowano ich wpływ na efektywność energetyczną procesów usuwania zanieczyszczeń, a także całościową efektywność energetyczną reaktorów i obiektu w warunkach rzeczywistych.
W trakcie planowania i realizacji badań przeprowadzono analizę metod i wytypowano najbardziej uniwersalne i kompleksowe wskaźniki efektywności energetycznej. Przyjęcie zaproponowanych wskaźników powinno pozwolić w przyszłości na przeprowadzanie badań skutkujących lepszym materiałem porównawczym niż dane obecnie dostępne.
Dodatkowym celem badań było zweryfikowanie rzeczywistej efektywności energetycznej współczesnych obiektów małej i średniej wielkości z uwzględnieniem wpływu praktyki eksploatacyjnej na końcową efektywność energetyczną obiektu.
Do badań zdecydowano się wykorzystać dane tzw. mieszane – częściowo pochodzące od operatora oczyszczalni, częściowo zebrane w trakcie zaplanowanych serii pomiarowych. Do pomiarów zużycia energii przez dwa wytypowane reaktory wykorzystano specjalnie skonstruowaną w tym celu sieć pomiarową, monitorującą w czasie rzeczywistym zużycie energii przez urządzenia elektryczne bezpośrednio związane z pracą reaktorów. Dodatkowo zaplanowano i zrealizowano dwie serie nadprogramowych pomiarów jakości ścieków surowych i oczyszczonych: letnią i zimową. Zaplanowane serie pomiarowe miały pomóc określić czy i jeśli tak w jakim stopniu warunki klimatyczne wpływają na zużycie energii i efektywność energetyczną obiektu.
11
2. Specyfika oczyszczania ścieków w małych i średnich jednostkach osadniczych
2.1. Klasyfikacja wielkościowa jednostek osadniczych.
W dostępnej literaturze, w tym nawet w dokumentach oficjalnych oraz wydawnictwach specjalistycznych istnieje istotna rozbieżność w przyjmowanych wartościach granicznych definiujących wielkość jednostki osadniczej [4-13]. W opracowaniach urbanistycznych można spotkać się z określaniem jednostek osadniczych o zbliżonej liczbie ludności (1000-6000 Mk) raz jako „małych miast” innym jako „dużych wsi”, przy czym w opracowaniach specjalistycznych można spotkać podział jednostek osadniczych o zbliżonej liczbie ludności nawet na ponad dwadzieścia różnych podtypów [5]. Ta liczebność powoduję, że podziały te w pełni zasadne z punktu widzenia urbanistycznego mają ograniczone zastosowanie w przypadku gospodarki wodno-ściekowej. Dokumenty państwowe również nie definiują jednoznacznie co należy rozumieć przez jakościowe określenia „mała-, średnia-, duża-, jednostka osadnicza”. GUS różnicuje miasta ze względu na liczbę mieszkańców na: małe do 20 tys. (z subkategorią do 5 tys.), średnie 20-100 tys., duże powyżej 100 tys. dodatkowo wydzielając kategorię miast dużych powyżej 200 tys. mieszkańców[12].
W dokumencie tym jednakże, nie uwzględnia się w ogóle wsi, a rozbicie kategorii małych i dużych miast na subkategorie zwiększa niejednoznaczność stosowanej terminologii. Z punktu widzenia gospodarki ściekowej najistotniejsze informacje w tym zakresie wydaje się zawierać Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego.
Różnicuje ono wymogi co do jakości ścieków oczyszczonych odprowadzanych do środowiska na podstawie wielkości oczyszczalni wyrażonej w RLM, wiążąc szczegółowe wymogi z określonymi przedziałami liczbowymi RLM. W tym dokumencie nie użyto mało precyzyjnych kwantyfikatorów: „małe, średnie, duże” etc. , natomiast jedynym rozróżnieniem jest podzielenie obszarów obsługiwanych przez oczyszczalnie ścieków na obszary aglomeracyjne i nie-aglomeracyjne. Należy pamiętać, że wartość RLM nie jest tożsama z rzeczywistą liczbą mieszkańców, a zatem nie można bezpośrednio powiązać ze sobą podziałów stosowanych przez GUS i Ministerstwo Środowiska.
W związku z brakiem jednoznaczności stosowanej terminologii na potrzeby tego doktoratu zdecydowano się przyjąć następujące definicje wielkości jednostek osadniczych istniejących w Polsce:
⎯ mała: do 5 tys. mieszkańców
⎯ średnia 5-50 tys. mieszkańców
⎯ duża: pow. 50 tys. mieszkańców
Autor zdaje sobie sprawę z arbitralności takiego podziału, jednak konieczne było usystematyzowanie wiedzy w tym obszarze. W stosowanych w polskim prawodawstwie zakresach wielkości oczyszczalni określanych wskaźnikiem RLM ze względu na jego specyfikę, nie opierano się w ogóle na ładunkach zanieczyszczeń wytwarzanych w jednostce osadniczej o danej wielkości. Jest to szczególnie widoczne w przypadku oczyszczalni o projektowej RLM < 100 tys. Im mniejsze projektowe RLM tym większa niepewność co do rzeczywistej liczby mieszkańców danej jednostki osadniczej, gdyż znacząco rośnie wpływ lokalnych zakładów przemysłowych na wielkość RLM całej jednostki osadniczej. Należy tu zwrócić uwagę, iż przy wartościach poniżej 50 tys. RLM udział szeroko pojętego przemysłu może wynosić ponad połowę tej wartości. Przykładowo: w gminie zamieszkanej przez 5 tys. mieszkańców zlokalizowane są zakłady przemysłu spożywczego odprowadzające ścieki do publicznej kanalizacji o łącznym RLM = 40 tys., co po uwzględnieniu pozostałych czynników może generować projektowy RLM przekraczający 50 tys. Przykład ten obrazuje również specyfikę małych i średnich jednostek osadniczych z punktu widzenia gospodarki ściekowej, o ile w przypadku dużych miast czy aglomeracji o wspólnym systemie kanalizacyjnym obsługiwanym przez jedną lub kilka dużych (patrz rozdział 2.2) oczyszczalni zarówno skład ścieków jak i nierównomierność dobowa ścieków dopływających do oczyszczalni są zbliżone do siebie niezależnie od lokalizacji takiej jednostki osadniczej, o tyle im mniejsza jest jednostka
12 osadnicza tym istotniejszą rolę odgrywa lokalna specyfika i tym większa będzie nierównomierność dopływu.
2.2. Definicja wielkości oczyszczalni.
Zwykle do klasyfikacji pod uwagę brana jest projektowa wielkość RLM lub dobowego przepływu przez oczyszczalnie. Podobnie jak w przypadku wielkości jednostki osadniczej, niezależnie czy brać pod uwagę nomenklaturę stosowaną tylko w Polsce, czy też w innych krajach również w nazewnictwie używanym do określania wielkości oczyszczalni istnieją rozbieżności. [14,15] Przykładowo w Austrii [14] obiekty o RLM < 50 nazwano „małymi” oczyszczalniami, podczas gdy w Polsce obiekty o wielkości poniżej 50 RLM raczej zostałyby określone terminem „mikro”. Termin „małe” najczęściej używany jest dla obiektów o projektowym RLM w zakresie 50-2000 RLM, choć może to być również 50-15 000. Część specjalistów w Polsce uważa obiekty o projektowym RLM 15 000-100 000 za „średnie”, lecz są badacze, którzy dzielą obiekty tylko na „małe” i „duże”. Jedyną wspólna dla wielu źródeł definicją dotyczącą jakościowego określenia wielkości oczyszczalni jest definicja oczyszczalni „dużej” czyli wszystkich obiektów powyżej 100 tys. RLM. W tej pracy zdecydowano się na następujące definicje wielkości oczyszczalni:
⎯ mikro: do 50 RLM (do ~6 m3/d)
⎯ małe: 50-15 000 RLM (~6-1 800 m3/d)
⎯ średnie: 15 000-100 000 RLM (~1 800-12 000 m3/d)
⎯ duże: powyżej 100 000 RLM (pow. ~12 000 m3/d)
2.3. Charakterystyka małych i średnich oczyszczalni ścieków
W oparciu o przyjęte w podrozdziale 2.2 definicje i dane GUS [16] (Tab. 4-1 i 4-2, rozdział 4.1), liczbę oczyszczalni małych i średnich w Polsce można szacować na ponad 3 000. Podanie dokładnej liczby nie jest możliwe, ze względu na rozbieżność w przyjętych przedziałach w tej pracy i przez GUS, co omówiono powyżej. Choć wykorzystujące te same technologie co obiekty duże, małe i średnie oczyszczalnie ścieków są przeważnie obiektami unikatowymi, nieseryjnymi, dostosowanymi do lokalnych warunków i potrzeb.
Podstawową cechą charakterystyczną małych i średnich oczyszczalni jest ich tzw. kompaktowość – mniejsza liczba modułów wynikająca z dwóch przyczyn, łączenia kilku modułów w jeden lub całkowitej rezygnacji z niektórych modułów oczyszczania. Dość często obiekty tej wielkości nie posiadają dedykowanego separatora tłuszczów, ze względu na ich niewielką dobową ilość (ładunek) trafiającą do oczyszczalni. Kolejną cechą charakterystyczną jest częsta rezygnacja z osadników wstępnych i wielostopniowego oczyszczania mechanicznego. Zależnie od lokalnych uwarunkowań może to oznaczać zastosowanie sitopiaskownika zamiast 2 zestawów krat i piaskownika, sita pionowego, ukośnego lub innego współpracującego z wydzielonym piaskownikiem[199]. Możliwych kombinacji jest bardzo dużo, ostateczna kompozycja danej oczyszczalni zależy przede wszystkim od lokalnej specyfiki i nie jest możliwe szczegółowe opisanie wszystkich możliwych konfiguracji w ramach tej pracy.
Im mniejsza oczyszczalnia tym większej nierównomierności dobowej dopływu należy się spodziewać, między innymi z tego względu często w obiektach małych stosowane są reaktory sekwencyjne i/lub zbiorniki retencyjne. Oprócz nierównomiernego dopływu, częstą niedogodnością eksploatacyjną z którą muszą się zmierzyć operatorzy oczyszczalni małych i średnich, jest niepełne (niższe od przyjętego w projekcie oczyszczalni) objęcie siecią kanalizacyjną obszaru obsługiwanego przez dany obiekt. Oznacza to, że istotna część ścieków oczyszczanych przez oczyszczalnie jest dowożona wozami asenizacyjnymi ze zbiorników bezodpływowych. Ścieki te są zwykle bardziej stężone i w trakcie retencjonowania w zbiornikach bezodpływowych, wstępnie przetworzone przez mikroorganizmy naturalnie występujące w ściekach co oznacza mniejsze stężenia BZT5 i większe stężenia ChZT w ściekach dowożonych niż w ściekach dopływających. Konieczność oczyszczania ścieków o takiej charakterystyce jest istotnym wyzwaniem eksploatacyjnym dla wielu obiektów z grupy małych i średnich oczyszczalni – gwałtowne
13 zmiany stężeń zanieczyszczeń w ściekach trafiających do oczyszczalni utrudniają utrzymanie stabilności procesów oczyszczania. Jest to szczególnie istotne w przypadku związków biogennych, dla których utrzymanie odpowiedniego bilansu C:N:P oraz kompozycji mikrobiologicznej osadu czynnego jest warunkiem koniecznym ich efektywnego usuwania ze ścieków. Pozostałe parametry jakościowe ścieków dopływających zależą ściśle od specyfiki lokalnej, inny będzie skład ścieków odprowadzanych z samodzielnego osiedla mieszkaniowego, inny z małego miasteczka posiadającego kilka mniejszych zakładów przemysłowych, a jeszcze inny z obszarów rolniczych, intensywnie nawożonych.
Oczyszczalnie małe i średnie mają ograniczony potencjał generacyjny energii elektrycznej. Zwykle są to obiekty zlokalizowane na obszarach o powierzchni rzędu setek metrów kwadratowych, podczas gdy oczyszczalnie duże zajmują powierzchnie liczoną w hektarach. Mała powierzchnia działki oznacza, że w większości przypadków nie będzie możliwe przeznaczenie dostatecznie dużej powierzchni pod instalację infrastruktury generującej energię elektryczną w dostatecznej ilości w oparciu o technologie z grupy OZE. Potencjał produkcji biogazu na potrzeby kogeneracji przez obiekty tej wielkości również jest znikomy gdyż ilość oczyszczanych ścieków nie wytwarza dostatecznie dużej ilości osadu nadmiernego, który można poddać procesom fermentacji metanowej. Z punktu widzenia tej pracy istotne jest, że pomimo dużej różnorodności pod względem konstrukcyjnym i technicznym, małe i średnie oczyszczalnie realizują procesy technologiczne w oparciu o relatywnie nieduży zbiór urządzeń elektrycznych i rozwiązań technicznych, czego rezultatem jest zbliżona moc zainstalowana urządzeń i porównywalne zużycie energii elektrycznej na obiektach o podobnej wielkości.
2.4. Wymagania formalne oczyszczania ścieków dla małych i średnich jednostek osadniczych
Wymagania formalne stawiane ściekom oczyszczonym w Polsce reguluje Rozporządzenie Ministra Środowiska z 2014r. dostosowujące przepisy krajowe do wymagań UE. Rozporządzenie to w stawianych oczyszczalniom wymaganiach łączy ugruntowaną wiedzę na temat specyfiki oczyszczania ścieków w obiektach o różnej wielkości z koniecznością utrzymania odpowiednio wysokiego stopnia usuwania zanieczyszczeń ze ścieków, niezbędnego do ochrony krajowych zasobów wodnych i środowiska wodnego.
W dokumencie tym oczyszczalnie komunalne zostały podzielone na dwie główne grupy – obiekty obsługujące samodzielne jednostki osadnicze, oraz obiekty obsługujące jednostki osadnicze zlokalizowane na terenach aglomeracyjnych. Dalszy podział oczyszczalni został dokonany w oparciu o projektową wielkość RLM obiektu. Kolejnym istotnym kryterium uwzględnionym w rozporządzeniu jest rodzaj odbiornika, do którego będą odprowadzane ścieki oczyszczone. Zakres kryteriów uwzględnionych w rozporządzeniu pozwala na dopasowanie z dużą precyzją wymagań stawianych poszczególnym oczyszczalniom w ramach pozwoleń wodnoprawnych. Szczegółowy zakres kryteriów na określających wymagania formalne jakości ścieków oczyszczonych przedstawiono w tabelach 2-1 oraz 2-2.
14
Tab. 2-1 Najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń albo minimalny procent redukcji zanieczyszczeń dla ścieków bytowych lub komunalnych wprowadzanych do wód lub do ziemi1)[13]
Objaśnienia:
1) Określone w załączniku najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń albo minimalny procent redukcji zanieczyszczeń:
– pięciodobowego biochemicznego zapotrzebowania tlenu (BZT5), chemicznego zapotrzebowania tlenu oznaczanego metodą dwuchromianową (ChZTCr) oraz zawiesin ogólnych – dotyczą wartości tych wskaźników w próbkach średnich dobowych, z tym że w przypadku oczyszczalni ścieków komunalnych o okresowym w ciągu doby odprowadzaniu ścieków dopuszcza się uproszczony sposób pobierania próbek ścieków, jeżeli można wykazać, że wyniki oznaczeń będą reprezentatywne dla ilości odprowadzanych zanieczyszczeń, – azotu ogólnego – dotyczą średniej rocznej wartości tego wskaźnika w ściekach, obliczonej dla próbek średnich dobowych pobranych w danym roku. Dopuszcza się określanie wymogów dotyczących usuwania związków azotu na podstawie prób średnich dobowych, jeżeli można wykazać, że osiągnięty został ten sam poziom ochrony. W takim przypadku stężenie azotu ogólnego w żadnej ze średnich dobowych próbek ścieków pobranych z odpływu z reaktora biologicznego, gdy temperatura tych ścieków jest równa lub wyższa od 12°C, nie może przekroczyć 20 mg N/l. Kryterium oparte na określeniu temperatury granicznej może być zastąpione odpowiednim limitem czasowym, uwzględniającym lokalne warunki klimatyczne,
– fosforu ogólnego – dotyczą średniej rocznej wartości tego wskaźnika w ściekach,
– minimalny procent redukcji zanieczyszczeń określany jest w stosunku do ładunku zanieczyszczeń w ściekach dopływających do oczyszczalni w aglomeracji. Najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń albo minimalny procent redukcji zanieczyszczeń stosuje się od dnia 1 stycznia 2016 r.
2) W czasie rozruchu oczyszczalni nowo wybudowanych, rozbudowanych lub przebudowanych oraz w przypadku awarii urządzeń istotnych dla realizacji pozwolenia wodnoprawnego najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń podwyższa się maksymalnie do 50%, a wymaganą redukcję zanieczyszczeń obniża się nie więcej niż do 50% w stosunku do wartości podanych w załączniku.
3) Analiz dokonuje się z próbek homogenizowanych, niezdekantowanych i nieprzefiltrowanych, z wyjątkiem odpływów ze stawów biologicznych, w których oznaczenia BZT5, ChZTCr, azotu ogólnego oraz fosforu ogólnego należy wykonać z próbek przefiltrowanych. Próbki pobrane z odpływu ze stawów biologicznych należy uprzednio przefiltrować, jednakże zawartość zawiesiny ogólnej w próbkach niefiltrowanych nie powinna przekraczać 150 mg/l niezależnie od wielkości oczyszczalni.
4) Wartości wymagane wyłącznie w ściekach wprowadzanych do jezior i ich dopływów oraz bezpośrednio do sztucznych zbiorników wodnych usytuowanych na wodach płynących.
5) Minimalny procent redukcji nie ma zastosowania do ścieków wprowadzanych do jezior i ich dopływów, bezpośrednio do sztucznych zbiorników wodnych usytuowanych na wodach płynących oraz do ziemi.
6) Najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń albo minimalny procent redukcji zanieczyszczeń stosuje się do dnia 31 grudnia 2015 r.
7) Najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń albo minimalny procent redukcji zanieczyszczeń stosuje się od dnia 1 stycznia 2016 r
15 Tab. 2-2 Najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń albo minimalny procent redukcji zanieczyszczeń dla ścieków wprowadzanych do wód lub do ziemi z oczyszczalni ścieków w aglomeracji1) [13]
Objaśnienia:
1) Określone w załączniku najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń albo minimalny procent redukcji zanieczyszczeń:
– pięciodobowego biochemicznego zapotrzebowania tlenu (BZT5), chemicznego zapotrzebowania tlenu oznaczanego metodą dwuchromianową (ChZTCr) oraz zawiesin ogólnych – dotyczą wartości tych wskaźników w próbkach średnich dobowych, z tym że w przypadku oczyszczalni ścieków komunalnych o okresowym w ciągu doby odprowadzaniu ścieków dopuszcza się uproszczony sposób pobierania próbek ścieków, jeżeli można wykazać, że wyniki oznaczeń będą reprezentatywne dla ilości odprowadzanych zanieczyszczeń, – azotu ogólnego – dotyczą średniej rocznej wartości tego wskaźnika w ściekach, obliczonej dla próbek średnich dobowych pobranych w danym roku. Dopuszcza się określanie wymogów dotyczących usuwania związków azotu na podstawie prób średnich dobowych, jeżeli można wykazać, że osiągnięty został ten sam poziom ochrony. W takim przypadku stężenie azotu ogólnego w żadnej ze średnich dobowych próbek ścieków pobranych z odpływu z reaktora biologicznego, gdy temperatura tych ścieków jest równa lub wyższa od 12°C, nie może przekroczyć 20 mg N/l. Kryterium oparte na określeniu temperatury granicznej może być zastąpione odpowiednim limitem czasowym, uwzględniającym lokalne warunki klimatyczne,
– fosforu ogólnego – dotyczą średniej rocznej wartości tego wskaźnika w ściekach,
– minimalny procent redukcji zanieczyszczeń określany jest w stosunku do ładunku zanieczyszczeń w ściekach dopływających do oczyszczalni w aglomeracji. Najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń albo minimalny procent redukcji zanieczyszczeń stosuje się od dnia 1 stycznia 2016 r.
2) W czasie rozruchu oczyszczalni nowo wybudowanych, rozbudowanych lub przebudowanych oraz w przypadku awarii urządzeń istotnych dla realizacji pozwolenia wodnoprawnego najwyższe dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń podwyższa się maksymalnie do 50%, a wymaganą redukcję zanieczyszczeń obniża się nie więcej niż do 50% w stosunku do wartości podanych w załączniku.
3) Analiz dokonuje się z próbek homogenizowanych, niezdekantowanych i nieprzefiltrowanych, z wyjątkiem odpływów ze stawów biologicznych, w których oznaczenia BZT5, ChZTCr, azotu ogólnego oraz fosforu ogólnego należy wykonać z próbek przefiltrowanych. Próbki pobrane z odpływu ze stawów biologicznych należy uprzednio przefiltrować, jednakże zawartość zawiesiny ogólnej w próbkach niefiltrowanych nie powinna przekraczać 150 mg/l niezależnie od wielkości oczyszczalni.
4) Wartości wymagane wyłącznie w ściekach wprowadzanych do jezior i ich dopływów oraz bezpośrednio do sztucznych zbiorników wodnych usytuowanych na wodach płynących.
5) Minimalny procent redukcji nie ma zastosowania do ścieków wprowadzanych do jezior i ich dopływów, bezpośrednio do sztucznych zbiorników wodnych usytuowanych na wodach płynących oraz do ziemi.
Podstawową różnicą pomiędzy wymaganiami stawianymi oczyszczalniom zwykłym i aglomeracyjnym jest zawarta w tabeli 2-1 dodatkowa kategoria obiektów o projektowym RLM nieprzekraczającym 2000 MR.
Wymagania co do wartości liczbowych wskaźników zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych dla obiektów tej wielkości są zdecydowanie łagodniejsze niż dla pozostałych, jednakże w przeciwieństwie do obiektów większych ustawodawca nie przewidział tutaj możliwości złagodzenia wymagań poprzez
16 dopuszczenie wymiennego stosowania wymagań względnych wyrażanych jako procent redukcji ładunku zanieczyszczeń dopływających do oczyszczalni w ściekach surowych. Oczyszczalnie w przedziale 2000- 9999 RLM są drugą kategorią obiektów w przypadku, których istnieje wymóg przestrzegania maksymalnych limitów stężeń zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych, limity te są jednak bardziej rygorystyczne. Obiekty w przedziale 2 000-99 999 RLM muszą spełniać te same wymagania w przypadku dopuszczalnych limitów stężeń zanieczyszczeń wyrażanych w mg/l, ustawodawca przewidział jednak szereg wyjątków pozwalających dostosować wymagania do warunków lokalnych. Szczególnie istotna jest tutaj możliwość dostosowania wymagań stawianych oczyszczalni ze względu na rodzaj odbiornika do którego będą trafiać ścieki oczyszczone. Dla obiektów powyżej 10 000 RLM (niezależnie czy zlokalizowanych w obszarze aglomeracyjnym czy poza tymi obszarami) Ustawodawca przewidział możliwość stosowania limitów opartych o wartości stężeń w mg/l lub wartości względne (procent redukcji zanieczyszczeń dopływających) istotnym czynnikiem jest tu rodzaj odbiornika, gdzie szczególnie chronione są zbiorniki wodne, lub obszary podlegające szczególnej ochronie przyrodniczej. Dla obiektów powyżej 100 000 RLM Ustawodawca przewidział najostrzejsze wartości graniczne stężeń zanieczyszczeń w mg/l w ściekach oczyszczonych, lecz identyczny wymagany względny stopień oczyszczenia ścieków – jest to decyzja uzasadniona, przy tej skali oczyszczalni usunięcie minimum 80% dopływającego ładunku zanieczyszczeń oznacza istotnie większą ilość usuniętego ładunku zanieczyszczeń niż w przypadku obiektów mniejszych. Dokładne wymagania stawiane pojedynczym oczyszczalniom ustalane są dla każdego przypadku indywidualnie podczas tworzenia pozwolenia wodnoprawnego dla danego obiektu.
Podczas tworzenia tego typu dokumentu lokalna administracja w oparciu o odpowiednie rozporządzenia i przepisy wykonawcze, ze szczególnym uwzględnieniem Rozporządzenia z 2014r. ustala dokładne warunki jakie będzie musiała spełnić dana placówka w trakcie obowiązywania pozwolenia. Wymagania te są tym ostrzejsze im cenniejszy z punktu widzenia przyrodniczego jest obszar w jakim będzie funkcjonować obiekt, kolejnym czynnikiem decydującym o zastosowaniu ostrzejszych wymogów jest przyjęta zdolność do samooczyszczania się odbiornika ścieków oczyszczonych, dlatego w przypadku zbiorników bezodpływowych (stawy, mokradła) stosuje się ostrzejsze normy niż w przypadku wód płynących (rzeki, jeziora o dużym przepływie etc.)
3. Reaktory sekwencyjne (SBR)
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
