DOŚWIADCZENIA Z PROWADZENIA PROCESU DENITRYFIKACJI KOŃCOWEJ NA REAKTORACH Z RUCHOMYMI ZŁOŻAMI BIOLOGICZNYMI (MBBR) NA OCZYSZCZALNI KLAGSHAMN

Transkrypt

1 DOŚWIADCZENIA Z PROWADZENIA PROCESU DENITRYFIKACJI KOŃCOWEJ NA REAKTORACH Z RUCHOMYMI ZŁOŻAMI BIOLOGICZNYMI (MBBR) NA OCZYSZCZALNI KLAGSHAMN Autor: Henrik Aspergen, Bengt Andersson i Gunbritt Dittmer Malmö Water, S Malmö, Sweden Streszczenie Ładunek napływający do oczyszczalni ścieków Klagshamn w Malmö w ostatnich latach ulega ciągłemu wzrostowi. Aby zwiększyć przepustowość obiektu w roku 1998 roku wyposażono go w trzeci stopień oczyszczania obejmujący denitryfikację i filtrację. Proces denitryfikacji oparty został na procesie prowadzonym w reaktorze z ruchomymi złożami biologicznymi (MBBR). Proces MBBR został w pełni wdrożony do eksploatacji latem 2000 roku. W tym to czasie rozpoczęto kompleksowy test w celu oceny zdolności denitryfikacyjnej procesu. Niektóre wybrane wyniki otrzymane w wyniku tego testu zostały zaprezentowane w niniejszym artykule. Wprowadzenie Już w końcówce lat 80-tych stało się oczywistym, że proces oczyszczania ścieków na miejskiej oczyszczalni ścieków Klagshamn w Malmö w Szwecji musi zostać poszerzony o usuwanie substancji biogennych. Począwszy od roku 2000 oczyszczalnia musi sprostać nowym normom na: BZT 7-10mg/l i Pog mg/l określone jako średnie kwartalne, oraz Nog-12mg/l liczoną jako średnia roczna. Kompleksowe badania (Nyberg et al, 1996) wykazały, że dotychczasowy sposób oczyszczania zapewnia osiągnięcie stężenia Nog w ściekach oczyszczonych na poziomie 10-12mg/l bez konieczności rozbudowy oczyszczalni, przy obecnym ładunku odpowiadającym mieszkańców równoważnych. Osiągnięcie tych wyników zapewniała oczyszczalni stosowana technologia obejmująca strącanie wstępne, stopień biologiczny z osadem czynnym, gdzie zachodziły procesy nitryfikacji i denitryfikacji końcowej - z dodaniem metanolu lub etanolu jako zewnętrznego źródła węgla (Rys1). Jednak ze względu na bardzo ostre wymogi związane z usuwaniem fosforu - Pog<0.3mg/l - uznano za niezbędne powiększenie oczyszczalni o III stopień. 165

2 PIX ferric chloride PIX ferric chloride metanol methanol metanol methanol Czêœæ dobudowana Upgrading PIX lub PAX ferric chloride or PAX Rys. 1. Oczyszczalnia ścieków Klagshamn, Malmö. Na zmianę podejścia do oszacowania wydolności oczyszczalni wywarł wpływ bardzo istotny fakt: oddanie do użytku mostu łączącego Malmö i Kopenhagę. To wydarzenie spowodowało już i jeszcze spowoduje znaczny wzrost ładunku dopływającego do oczyszczalni już w najbliższej przyszłości. Prognozy demograficzne przewidują, że w ciągu najbliższych 15 lat ładunek trafiający na oczyszczalnie ze stale powiększającej się zlewni może przekroczyć wartość mieszkańców równoważnych. Wiąże się to z koniecznością przygotowania obiektu do oczyszczania ścieków na pożądanym poziomie przy uwzględnieniu zwiększonej przepustowości. W tym celu gruntownie zbadano możliwość zintegrowania stopnia denitryfikacji z nowo oddaną stacją filtrów. Analiza kosztów wykazała, że wprowadzenie w obrębie stacji filtrów nowego procesu dla denitryfikacji w oparciu o reaktor z ruchomym złożem biologicznym (tzw. MBBR o specjalnym wypełnieniu firmy Kaldnes Miljøteknologi AS-KMT) jest interesujące finansowo, nawet przy obecnych ładunkach. Na rys.2 pokazane zostały kształtki KMT wypełniające omawiane złoże. Pierścienie te posiadają specyficzne zdolności tworzenia wysoce efektywnej błony biologicznej o pow. 530 m 2 /m 3 złoża przy stopniu wypełnienia wynoszącym 100%. Każdy pierścień ma średnicę około 10 mm i wysokość około 7 mm. 166

3 Konsekwencją w/wym. badań było rozpoczęcie pracy 3. stopnia oczyszczania obejmującego denitryfikację i filtrację. Nowe filtry zostały oddane do eksploatacji na początku 1998 roku, natomiast proces denitryfikacji na złożach KMT rozpoczął się latem 1998 roku. Niniejszy artykuł opisuje wdrażanie procesu KMT na oczyszczalni Klagshamn. Rys. 2. Wypełnienie złoża typu KMT (Kaldnes Miljøteknologi AS, 1998) Oczyszczalnia Klagshamn Ogólny widok oczyszczalni Klagshamn po rozbudowie przedstawia rys. nr 3. Oczyszczalnia posiada 3 stopnie oczyszczania ścieków oraz węzeł obróbki osadów. Na pierwszym stopniu oczyszczania usuwana jest większość substancji organicznej w postaci zawiesiny, jak również większość fosforu. Dawka PIX-u jest stała i wynosi mg Fe/l ścieków. Punkt dawkowania znajduje się na piaskowniku. Można przyjąć, że średnio udaje się zredukować Pog i BZT o 65%, natomiast Nog ulega redukcji o 10%. Drugi stopień oczyszczania oparty jest na procesie z osadem czynnym z nitryfikacją i denitryfikacją końcową, z możliwością dodawania etanolu jako zewnętrznego źródła węgla. Dawka etanolu jest stała i odpowiada ładunkowi węgla wyrażonemu w ChZT o stężeniu 55mg/l. Czas zatrzymania w reaktorze biologicznym wynosi 6 godzin, a czas retencji osadu wynosi 20 dni. Aby uniknąć porywania osadu z osadników wtórnych w czasie obfitych opadów istniejący by-pass umożliwia skierowanie ścieków po osadnikach wstępnych bezpośrednio na filtrację z pominięciem części biologicznej. Trzeci stopień obejmuje denitryfikację na ruchomych złożach biologicznych o wypełnieniu z pierścieni KMT (proces KMT) oraz filtrację. Do złóż podawany jest etanol w stałej dawce odpowiadającej stężeniu ChZT około 30 mg/l. Dodatkowo na tym stopniu może być prowadzone również strącanie chemiczne w celu ewentualnego doczyszczenia ścieków. Jak dotąd ze względu na dobre parametry ścieków nie było potrzeby prowadzenia tego procesu. 167

4 Obróbka osadów na obiekcie realizowana jest za pomocą zagęszczenia osadu surowego, fermentacji i odwadniania z użyciem wirówek. Odcieki z węzła osadowego kierowane są do pompowni głównej na wlocie do oczyszczalni. Komora fermentacji Digester Komora Activated osadu czynnego Sludge Osadnik Primary Clarifier wstępny Odwadnianie Dewatering KMT Złoże and Filter KMT i filtr piaskowy Grit Piaskownik Chamber Bar Kraty Screens 168 Rys. 3. Oczyszczalnia Klagshamn - widok ogólny Projektowanie procesu KMT służącego nitryfikacji końcowej Jeszcze kilka lat temu występowanie instalacji ze złożami KMT do denitryfikacji końcowej w skali technicznej było sporadyczne. W związku z tym przed wprowadzeniem procesu w pełnej skali technicznej na oczyszczalni pojawiła się potrzeba przeprowadzenia testu pilotowego (Aspegren et al. 1998). Test taki został przeprowadzony na drugiej oczyszczalni miejskiej w Malmö- Sjölunda-na specjalnej stacji pilotowej, gdzie ścieki poddawano analizie po przejściu przez nitryfikacyjne złoże zraszane. Test wykazał, że proces KMT może być wykorzystany do denitryfikacji końcowej, o ile będzie towarzyszył mu proces filtracji na filtrach piaskowych. Maksymalną szybkość denitryfikacji otrzymano dla temp. 16 C, przy dozowaniu etanolu w dawce około 2.5gN/m 2 db, a metanolu w dawce około 2.0gN/ m 2 db. Aby zapewnić pełną denitryfikację wymagany był stosunek ChZT do azotanów (stosunek C/N) wynoszący około 4-5 g ChZT/gNO 3 -N. Badania wykazały, że na szybkość denitryfikacji miało też wpływ niskie stężenie fosforanów.

5 Przy planowaniu wprowadzenia procesu KMT na oczyszczalni Klagshamn założono szybkość denitryfikacji wynoszącą 2.0 g N/m 2 db. Ta wielkość odpowiada zdolności denitryfikacyjnej układu wynoszącej ponad 440 kg NO 3 -N/db przy temp. 12 C. Wstępnym założeniem było utrzymanie stosunku C/N na odpowiednio wysokim poziomie, tj. około 4-5, tak aby stężenie fosforanów nie było czynnikiem limitującym i stężenie NO 3 -N w odpływie wynosiło więcej niż 1-2 mg/l. Stopień wypełnienia złoża przyjęto na poziomie 36% (maksymalny stopień wypełnienia wynosi 50%). Daje to dla temp. ścieków 10 C zdolność denitryfikacyjną przekraczającą 360 kg NO 3 -N/db. W oparciu o w/wym. założone wartości obliczono objętość reaktora V=1150 m 3 i objętość złoża KMT V=400 m 3. Cała obliczeniowa objętość reaktora została podzielona na dwa równoległe ciągi po dwa reaktory w każdym: pierwszy o objętości 354 m 3, drugi m 3. Niezbędne okazało się zapewnienie odpowiedniego mieszania złoża celem utrzymania jego elementów w zawieszeniu. Zainstalowano też specjalne sita, które rozdzielają reaktory i utrzymują elementy złoża w odpowiednim położeniu. Zewnętrzne źródło węgla podawane jest bezpośrednio przed wlotem ścieków do pierwszego reaktora. Na stacji filtrów zastosowano filtry o przepływie pionowym (z góry do dołu) z wypełnieniem antracytowo-piaskowym. Pracuje tu pięć równoległych zespołów filtrów o łącznej powierzchni 220 m 2. Do filtrów doprowadzona jest instalacja dozująca koagulant. Reaktory ze złożami KMT i filtry zlokalizowane są na otwartej przestrzeni, natomiast wszystkie urządzenia, zbiorniki na PIX i na źródło węgla umieszczone są w specjalnie wybudowanym, przylegającym budynku. Rys. 4. Budynek na osprzęt, zbiorniki PIX-u i zewnętrzne źródło węgla 169

6 Doświadczenia oczyszczalni Klagshamn Trzeci stopień oczyszczania został uruchomiony w maju 1998 roku. Na rys.5 przedstawiono wartość stężeń BZT 7, azotu i fosforu w ściekach oczyszczonych na przestrzeni roku Można zauważyć, że oczyszczalnia będzie w stanie spełniać w przyszłości założone normy. Zwiększenie stężenia fosforu latem spowodowane było wzrostem temperatury oraz faktem, że produkcja osadu w procesie z osadem czynnym jest w tym okresie niższa. Podwyższenie dawki PIX-u na strącaniu wstępnym może to niekorzystne zjawisko praktycznie zniwelować, przy czym zwiększenie dawki PIX-u przed osadnikami wstępnymi jest zwykle bardziej opłacalne niż rozpoczęcie strącania na filtrach. Pomimo, że oczyszczalnia osiągała dobre wyniki, do lata 2000 proces KMT nie został uruchomiony w pełni. Powodem tego była wadliwa praca mieszadeł. Natychmiast po uruchomieniu zaczęły one ulegać korozji i nie były w stanie utrzymać takich parametrów mieszania, które zapewniłyby przemieszczanie się elementów złoża zgodnie z założeniami. Gęstość materiału złoża KMT jest nieznacznie mniejsza od gęstości wody i przy słabym mieszaniu elementy złoża zbyt długo przebywają na powierzchni. Konsekwencją tego stanu było utrzymanie dawkowania etanolu do komór z osadem czynnym. Nie zrezygnowano też z dodawania etanolu na złoża, lecz głównie po to, by zapewnić życie biologiczne na elementach złoża. W międzyczasie zaczęto przeprowadzać liczne testy mające na celu rozwiązanie problemu mieszadeł. Wiosną 2000 opracowano nowy typ mieszadła, które lepiej wytrzymywało trudne warunki pracy i jednocześnie zapewniało odpowiedni stopień mieszania. Nowe mieszadła zostały zamontowane w czerwcu 2000 roku. Jednym z najlepszych sposobów oceny pracy mieszadła jest ocena wzrokowa. Rys.6. pokazuje powierzchnię jednego z reaktorów KMT po zainstalowaniu nowych mieszadeł. Chociaż pewna ilość elementów złoża widoczna jest na powierzchni, pozostała część ulega właściwemu mieszaniu dzięki dobrej pracy mieszadeł. Zużycie energii elektrycznej niezbędnej do mieszania wynosi około 24W/m 3. Oczyszczalnia Klagshamn spełnia wszystkie warunki niezbędne do prowadzenia denitryfikacji w oparciu o proces KMT. Aby oszacować efektywność procesu w czerwcu 2000 rozpoczęto kompleksowy test. Ponieważ ładunek wpływający na oczyszczalnie był wówczas niższy od projektowanego, w pracy oczyszczalni należało wprowadzić kilka modyfikacji. W komorach z osadem czynnym skupiono się głównie na procesie nitryfikacji. Ponadto, aby zasymulować projektowany ładunek wprowadzono taki reżim podawania ścieków na jeden ciąg reaktorów, aby wpływający ładunek był zawsze na poziomie 220 kg NO 3 -N/l. Osiągnięto to poprzez stały i kontrolowany przepływ ścieków przez ten ciąg. Do procesu dodawano etanol (jedyne jak dotąd testowane źródło 170

7 Rys. 5. Stężenie BZT 7, Nog. i Pog. w ściekach odpływających z oczyszczalni Klagshamn przed oddaniem mostu do eksploatacji. 171

8 Rys. 6. Powierzchnia jednego z reaktorów KMT po instalacji nowych mieszadeł. węgla). Dawka etanolu utrzymywana była na stałym poziomie a dla jej wyliczenia oparto się na stosunku: C/N równym 4-5. Temperatura ścieków wynosiła 14 C, to znaczy była trochę wyższa niż zakładano (12 C), a stężenie fosforanów w odpływie stale przekraczało 0.1 mg/l. Niektóre wyniki tego testu pokazane są na rys. 7, 8 i 9. Zaprezentowane wartości zostały otrzymane w wyniku analiz laboratoryjnych prób średniodobowych (24h). Na podstawie rys. 7 można wywnioskować, że dla całkowitej denitryfikacji wymagany stosunek C/N wynosić powinien 4-5. Zauważalna jest również tendencja do formowania się niewielkiej ilości azotynów przy niższych stosunkach C/N. Ponadto, gdy stosunek C/N spada poniżej 5 okazuje się, że wpływ dodatkowego źródła węgla na zwiększenie się wartości ChZT na odpływie może być pominięty (rys.8.). Natomiast rys.9. ilustruje zmiany ładunku i otrzymanych szybkości denitryfikacji wyrażonych jako funkcja stosunku C/N. Zauważyć można, że szybkości przekraczające 2.0 gn/m 3 db występują dla stosunku C/N około 4-5. Pomimo faktu, że temperatura ścieków była wyższa od temperatury zakładanej wydaje się wysoce prawdopodobne, że zdolność procesu do denitryfikacji rzeczywiście przekracza 440 kgn/db. Zadania na przyszłość i perspektywy Proces KMT stanowi integralną część kompleksowego procesu oczyszczania, w którym proces denitryfikacji wstępnej prowadzony jest w komorach z osadem czynnym. Natomiast proces KMT i filtracja stanowią końcowy stopień doczyszczania ścieków. Opierając się na wyliczeniach teoretycznych ten typ procesu wydaje się oferować dużo większe możliwości oszczędzania etanolu w porównaniu ze z lat 90-tych. Zastosowano intensywny monitoring poprzez instalację analizatorów biogenów typu "on-line". Analizatory "on-line" są w użyciu na oczyszczalni Klagshamn już od ponad 10 lat. Jednak te starsze analizatory dostarczały danych, które mogły być używane do ogólnego moni- 172

9 NO 2 -N i NO 3 -N (mg/l) NO3-N NO2-N stosunek C/N Rys. 7. Stężenie NO 3 -N i NO 2 -N w odpływie jako funkcja stosunku C/N. 12 Rys. 8. ChZT wylot - ChZT wlot (mg/l) stosunek C/N Wzrost ChZT w ściekach odpływających po procesie KMT (w próbkach filtrowanych) jako funkcja stosunku C/N g N/m 2 *d 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Rate Load stosunek C/N Rys. 9. Prędkość nitryfikacji i ładunek azotanów jako funkcja stosunku C/N 173

10 toringu w trybie "off-line". Jakość tych analizatorów nie zapewniała wystarczającej dokładności w przypadku bardziej zaawansowanych zastosowań, takich jak kontrola procesu w czasie rzeczywistym. Przy użyciu analizatora nowej generacji jest to możliwe. Jest to przedstawione na rys. 10., gdzie możemy prześledzić w funkcji czasu zmiany stężenia azotanów w ściekach dopływających i odpływających z procesu KMT na oczyszczalni Sjölunda w czasie 10. kolejnych dni (240 godzin). Zaprezentowane wyniki przytoczone są bezpośrednio i nie podlegały żadnej obróbce. Jest raczej pewne, że jakość danych generowanych przez instrumenty pomiarowe nowej generacji pozwoli na wprowadzenie kontroli procesu w czasie rzeczywistym NO 3 -N (mg/l) czas (h) Rys. 10. Zmiany stężenia azotanów w ściekach dopływających i odpływających z procesu KMT na oczyszczalni Sjölunda w Malmö w czasie 10 kolejnych dni. 174

11 Wnioski Proces w reaktorze z ruchomym złożem biologicznym (MBBR) z wypełnieniem KMT służący denitryfikacji końcowej musi być traktowany jako technologia nowatorska, stąd też należy wziąć pod uwagę, że wiele istotnych założeń projektowych do tego procesu nie zostało jeszcze w pełni opracowanych. Doświadczenia z oczyszczalni Klagshamn pokazały na przykład, że osiągnięcie odpowiedniego stopnia mieszania dla tego typu procesu nie jest sprawa łatwą i oczywistą. Wyniki testów wskazują, że zdolność denitryfikacyjna procesu jest zależna od podstawowych kryteriów projektowych. Przy stosunku C/N wynoszącym około 4-5 można osiągnąć szybkość denitryfikacji przekraczającą 2,0 gn/m 2 db, przy jednoczesnej możliwości pominięcia wpływu źródła węgla na pogorszenie wynik ów oczyszczania (ChZT). Nowa generacja analizatorów azotanów typu "on-line" stwarza możliwość wprowadzenia kontroli procesu w czasie rzeczywistym. Użycie tych przyrządów będzie bardzo pomocne, gdy proces MBBR służący denitryfikacji końcowej zostanie na dobre wprzęgnięty do całego ciągu technologicznego oczyszczalni Klagshamn. Referencje Aspegren, H.,Nyberg,U. Andersson, B.,Gotthardsson, S., i Jansen, J.la Cour, (1998). Post Denitrification in a Moving Bed Biofilm Reactor. Wat.Sci.Tech.,38 (1),31-38 Henze M.,Harremoës P.,Jansen J., J. la Cour i Arvin, E. (1997). Wastewater Treatment: Biological and Chemical Processes.2nd ed.,springer, Heidelberg. Kaldnes Mijløteknologi AS. (1998). Welcome to KMT's homepage!, Nyberg, U. Andersson, B. i Aspergen, H. (1996). Long Term Experiences with External Carbon Sources for Nitrogen Removal, Wat.Sci.Tech,33(12),