Aspekty techniczne i ekonomiczne biologicznej i chemicznej defosfatacji cieków.

Transkrypt

1 Aspekty techniczne i ekonomiczne biologicznej i chemicznej defosfatacji cieków. mgr Tadeusz Rzepecki in. Barbara Szczepaniak Tarnowska Grupowa Oczyszczalnia cieków Sp. z o. o. 1. Wprowadzenie Zaostrzenie w ostatnich latach przepisów w zakresie warunków, jakim powinny odpowiada cieki wprowadzane do wód, jest wymuszone trosk o stan rodowiska naturalnego i standardami obowizujcymi w wysoko rozwinitych krajach. Polskie przepisy obowizujce wczeniej [1] i wprowadzone od roku 2003 [2] oparte o obowizujc dyrektyw europejsk [3] potwierdzaj ten cigły proces. Sporód wielu zanieczyszcze normowanych przepisami szczególn wag przywizuje si do zawartoci zwizków organicznych okrelonych jako BZT 5 lub ChZT, zawiesiny, azotu ogólnego i fosforu ogólnego. W tym zakresie szczególnie widoczne jest sukcesywne zmniejszanie poziomów dopuszczalnych ste, w szczególnoci dla najwikszych oczyszczalni (powyej RLM), co przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Graniczne wartoci zanieczyszcze w ciekach oczyszczonych według rónych aktów prawnych Parametr/ /akt prawny Rozporzdzenie MOZNiL nr 116/91 z (obow. do ) Rozporzdzenie MOZNiL nr 116/91 z (od ) Rozporzdzenie MO nr 1799/2002 z (obow. od ) ChZT [mg O 2 /l] BZT 5 [mg O 2 /l] Zawiesina [mg/l] Azot ogólny [mg N/l] [% redukcji] Fosfor ogólny [mg P/l] [% redukcji] , Dyrektywa 91/271/EEC lub 85% redukcji 10 i 70-80% redukcji 1 lub 90% redukcji 1 i 80% redukcji

2 Przedstawione dane wskazuj jednoznacznie na zaostrzanie wymaga w stosunku do najwikszych oczyszczalni (powyej RLM) oraz w stosunku do substancji biogennych, ze szczególnym uwzgldnieniem azotu ogólnego (trzykrotne zaostrzenie dopuszczalnych ste). Zmiany regulacji prawnych w tym zakresie, szczególnie w zakresie dopuszczalnych ste azotu, wymagaj najczciej gruntownej przebudowy układu technologicznego wielu najwikszych oczyszczalni, o ile nie były dotychczas odpowiednio przygotowane. Poniej przedstawiono niektóre działania i ich efekty przeprowadzone w Tarnowskiej Grupowej Oczyszczalni cieków Sp. z o. o. 2. Zmiany technologiczne w TGO w 2002 r. Zmiany technologiczne w oczyszczalni w Tarnowie przedstawiono na kolejnych seminariach firmy Kemipol (Arłamów 2000 [4], winoujcie Kopenhaga 2002 [5]), a take w innych publikacjach [6]. Generalnie prowadziły one do uzyskania uniwersalnego układu technologicznego, w którym moliwa byłaby efektywna redukcja azotu ogólnego i fosforu ogólnego metod biologiczn ze wspomaganiem w okresach pogorszenia efektywnoci oczyszczania biologicznego defosfatacj chemiczn z zastosowaniem koagulanta PIX-113. Specyfik Tarnowskiej Grupowej Oczyszczalni cieków jest fakt oczyszczania cieków przemysłowych z Zakładów Azotowych w Tarnowie Mocicach S.A. z du i zmienn zawartoci azotu ogólnego w postaci azotanowej. Przykładowy przebieg zmiennoci tego parametru w ciekach przemysłowych w okresie ostatnich 5-ciu miesicy 2002 r. przedstawiono na rysunku 1 widoczna jest zarówno długo-, jak i krótkoterminowa zmienno ste azotu. Poniewa cieki z ZAT S.A. stanowiły do niedawna ok % ogólnej iloci cieków oczyszczanych w oczyszczalni, ładunek azotu naleało uzna za istotny, a obecno azotu azotanowego w ciekach surowych jako znaczcy czynnik przeszkadzajcy w efektywnej defosfatacji biologicznej.

3 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0, Stenie azotu azotanowego [w mg NNO3/l] Rys. 1. Stenia azotu azotanowego w ciekach przemysłowych z ZAT S.A. w okresie sierpie grudzie 2002 r. Prowadzone od kilku lat zmiany technologiczne polegały w szczególnoci na: wymianie krat na schodkowe kraty gste i wprowadzeniu prasowania skratek z zawrotem odsczu do strumienia cieków, przebudowie piaskowników i wprowadzeniu płukania piasku z zawrotem organicznej zawartoci piaskowników do strumienia cieków, wprowadzeniu procesu symultanicznej defosfatacji chemicznej koagulantem PIX, przebudowie osadników wstpnych (komór wielofunkcyjnych) na klasyczne osadniki wstpne z niewielk redukcj zwizków organicznych (krótki czas zatrzymania) osignito zmniejszenie redukcji BZT 5 z 50% do 25%, zmianie sposobu odbioru osadu z osadników wtórnych zmniejszenie czasu zatrzymania i zminimalizowanie procesu denitryfikacji w osadnikach, wprowadzeniu komory predenitryfikacji cieków doprowadzanych po stopniu mechanicznym oczyszczalni zapobiegło to przedostawaniu si azotanów do komory defosfatacji, jak równie przeciwdziałało przedostawaniu si tlenu rozpuszczonego w ciekach w okresie deszczowym,

4 wprowadzeniu komory zagszczania osadu czynnego i hydrolizy (generacja Lotnych Kwasów Tłuszczowych - LKT), wprowadzeniu komory predenitryfikacji osadu recyrkulowanego pozwalajcego na eliminacj azotanów zawartych w recyrkulowanym osadzie czynnym, wprowadzeniu komory defosfatacji, a właciwie komory uwolnienia fosforu z osadu czynnego. optymalizacji zawartoci tlenu rozpuszczonego w komorach biologicznych na poziomie ok. 1,2 mg O 2 /l celem zwikszenia efektywnoci denitryfikacji (komory tlenowa i beztlenowa nie s fizycznie rozdzielone). Naley przy tym podkreli, e wprowadzenie defosfatacji biologicznej, predenitryfikacji i hydrolizy osadów było w oczyszczalni w Tarnowie bardzo tanie inwestycyjnie ze wzgldu na wykorzystanie istniejcych kubatur i zbiorników. Ponadto oczyszczalnia stoi przed koniecznoci rozwizania problemu gospodarki osadami z docelowym spalaniem osadów ciekowych bez ich fermentacji zatem istniej łatwiejsze warunki do zastosowania defosfatacji biologicznej bez wód odciekowych nioscych due ładunki zanieczyszcze w tym fosforu. Schemat technologiczny oczyszczalni po wszystkich dokonanych zmianach technologicznych przedstawiono na rysunku 2. Ostatnie zmiany miały doprowadzi do zintegrowanego oczyszczania biologicznego cieków z zanieczyszcze biogennych oraz optymalizacji chemicznego strcania fosforu w układzie symultanicznym, stosowanego w okresie stycze 2000 lipiec 2002 r. Rozruch instalacji wykonano w okresie rocznym, sierpie 2002 lipiec 2003 celem sprawdzenia funkcjonowania w okresie zimowym i letnim, co w przypadku zimy 2002/2003 ze wzgldu na jej uciliwo było szczególnie cenne.

5 Oczyszczanie wstpne (mechaniczne) Defosfatacja biologiczna I zagszczanie grawitacyjne Oczyszczanie biologiczne I defosfatacja chemiczna P-3 P-44 Krata schodkowa Osadnik wstpny Predenitryfikacja cieków Defosfatacja (komora uwolnienia fosforu) Denitryfikacja Nitryfikacja Osadnik Piaskownik PIX E-2 Hydroliza i zagszczanie osadu wstpnego Denitryfikacja osadu recyrkolowanego i zagszczanie osadu Osad nadmierny do odwodnienia mechanicznego Osad wstepny do odwadniania mechanicznego Rys. 2. Schemat technologiczny TGO po sierpniu 2002 poniej. Wyniki bada i wnioski z funkcjonowania oczyszczalni w tym okresie przedstawiono

6 3. Efekty pracy instalacji w warunkach zimowych Wyjtkowo uciliwa zima 2002/2003 pozwoliła na zweryfikowanie wielu technologii oczyszczania cieków pod ktem moliwoci uzyskania parametrów wymaganych prawem w okresie istnienia niskich temperatur cieków. Na skutek znacznego zmniejszenia iloci cieków z Zakładów Azotowych oraz obnienia ich temperatury oczyszczalnia w Tarnowie po raz pierwszy w zimie pracowała w warunkach bardzo niskich temperatur w komorach biologicznych sigajcych w ekstremalnych momentach 7-8ºC. Spowodowało to wyrane zmiany w funkcjonowaniu stopnia biologicznego oczyszczalni ujawniajcego si obnieniem redukcji azotu ogólnego w ciekach oczyszczonych, w szczególnoci pogorszeniem denitryfikacji i pojawieniu si w znacznie wikszych ni w okresie letnim ste azotanów w ciekach na wylocie oczyszczalni, w recyrkulacie, a przez to take w komorze biologicznej defosfatacji. Wtórnym efektem stało si zatem pogorszenie efektywnoci defosfatacji biologicznej graniczce z jej zanikiem (pozostało jedynie naturalne wbudowywanie fosforu w biomas osadu czynnego). Wyniki redniomiesicznych ste fosforu ogólnego i azotu ogólnego przedstawiaj rysunki 3 i P og (mg/l) czerwiec 98 wrzesie 98 grudzie 98 marzec 99 czerwiec 99 wrzesie 99 grudzie 99 marzec 00 czerwiec 00 wrzesie 00 grudzie 00 marzec 01 czerwiec 01 wrzesie 01 grudzie 01 marzec 02 czerwiec 02 wrzesie 02 grudzie 02 marzec 03 czerwiec 03 Norma polska: Rozporzdzenie Dz. U. Nr 91 poz. 116 Norma europejska: Dy rekty wa 91/271/EEC Fosfor ogólny Trend f osforu ogólnego Rys. 3. redniomiesiczne stenie fosforu ogólnego na wylocie oczyszczalni w latach

7 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 czerwiec 98 wrzesie 98 grudzie 98 marzec 99 czerwiec 99 N og (mg N/l) wrzesie 99 grudzie 99 marzec 00 czerwiec 00 wrzesie 00 grudzie 00 marzec 01 czerwiec 01 wrzesie 01 grudzie 01 marzec 02 czerwiec 02 wrzesie 02 grudzie 02 marzec 03 czerwiec 03 Azot ogólny Norma polska: Rozporzdzenie Dz. U. Nr 91 poz. 116 Norma europejska: Dyrektywa 91/271/EEC Trend azotu ogólnego Rys. 4. redniomiesiczne stenie azotu ogólnego na wylocie oczyszczalni w latach O ile fakt pogorszenia denitryfikacji został dostrzeony i uwzgldniony w przepisach dyrektywy europejskiej i nowego polskiego rozporzdzenia (dopuszczenie przekrocze poziomu azotu ogólnego w ciekach oczyszczonych w warunkach, gdy temperatura cieków w komorach biologicznych jest nisza ni 12ºC), o tyle nie ma zwolnienia w zakresie parametru fosfor ogólny. Oznacza to, i poziom fosforu 1 mg P/l jest obowizujcy w kadej temperaturze oczyszczanych cieków. W praktyce oznacza to, i w okresie zimowym w warunkach pogarszajcej si efektywnoci defosfatacji biologicznej niezbdne staje si wspomaganie procesów biologicznych metodami chemicznymi, w oczyszczalni w Tarnowie oznacza to konieczno stosowania PIX-u. Obserwowane w okresie sierpie 2002 czerwiec 2003 stenia azotu ogólnego oraz fosforu ogólnego w pełni skorelowane ze zmianami temperatury zostały zamieszczone na rysunkach 5 i 6. Naley zaznaczy, i dla pełnego poznania zachowania si procesu defosfatacji biologicznej w warunkach niskich temperatur nie stosowano strcania chemicznego nawet w okresie, gdy wystpowały stenia fosforu przekraczajce dopuszczalne. Stwierdzone w tarnowskiej oczyszczalni pogorszenie warunków defosfatacji biologicznej i denitryfikacji wystpowało w praktyce przy temperaturach cieków w

8 komorach biologicznych na poziomie 9-10ºC, co pozwala na przetrwanie krótszych lub mniej intensywnych okresów niskich temperatur w zimie. W skrajnych warunkach, przy temperaturach poniej -10ºC w okresie ponad 2 tygodni oraz w okresach braku ładunku wgla w okresie letnim konieczne bdzie wspomaganie procesu metod chemiczn. Temperatura w oc Zawarto azotu azotanowego na wylocie oczyszczalni w mg/l Data Rys 5. Zmiany stenia azotu azotanowego w ciekach oczyszczonych w korelacji z temperatur cieków w komorach biologicznych.

9 stenie o-fosforanów mg P/l Norma - 1,5 mgp/l 7 okr. r. ruch. (w ylot) 7 okr. r. ruch. (po KWF) Rys. 6. Przebieg zmian stenia ortofosforanów w mg P/l (urednionych w okresie jednego tygodnia) po oczyszczaniu mechanicznym i na wylocie oczyszczalni. 4. Analiza techniczno ekonomiczna zastosowanych rozwiza. Zastosowanie biologicznego oczyszczania zanieczyszcze biogennych ze wspomaganiem redukcji fosforu strcaniem chemicznym z zastosowaniem PIX-u w TGO Sp. z o. o. umoliwi spełnienie wymaga dyrektywy 91/271/EEC i najnowszego Rozporzdzenia Ministra rodowiska. Nie zanotowano znaczcego zmniejszenia ani zwikszenia zanieczyszcze emitowanych do wód w kontekcie opłat za szczególne korzystanie z wód rednie stenie ChZT w ciekach oczyszczonych w okresie roku stosowania defosfatacji chemicznej wynosiło 40,9 mg O 2 /l, w roku stosowania defosfatacji biologicznej 39,3 mg O 2 /l odpowiednio BZT 5 na poziomie 7,9 mg O 2 /l w okresie defosfatacji chemicznej do 6,3 mg O 2 /l w okresie defosfatacji biologicznej. Rozruch technologiczny potwierdził wszystkie znane z dowiadcze innych oczyszczalni i z literatury wady i zalety defosfatacji biologicznej i chemicznej. W okresie pierwszego roku po wprowadzeniu defosfatacji biologicznej wiadomie nie stosowano metody mieszanej mimo koniecznoci jej stosowania badania zmierzały w kierunku oceny skutków ekonomicznych stosowania obu metod i stopnia ich współdziałania niezbdnego w

10 dalszej eksploatacji oczyszczalni. Z pewnoci celem oczyszczalni bdzie optymalizacja stosowania defosfatacji chemicznej ze wzgldu na konieczno utrzymania wysokiego ładunku wgla potrzebnego dla efektywnej denitryfikacji w osadzie recyrkulowanym. Stosowanie chemicznej defosfatacji bdzie konieczne w okresie niskich temperatur i okresów obnienia ładunków lub ste wgla w ciekach dopływajcych do oczyszczalni w okresach poza zimowych (długotrwałe deszcze, długie weekendy z zanikiem ładunku zanieczyszcze pochodzcych ze cieków przemysłowych) oraz we wszystkich przypadkach nieprzewidywalnych, kiedy nagle poziom fosforu lub innych parametrów okrelajcych właciwoci cieków na wyjciu osiga niepodany pozioma dozowanie koagulanta moe zmniejszy przyczyny lub skutki zaburze. Zaobserwowane wady obu systemów defosfatacji przedstawiono poniej w tabeli nr 2. Zastosowanie mieszanego układu defosfatacji biologicznej wspomaganej chemicznie w okresie utraty ładunku umoliwiajcego prac biologii lub w okresie niskich temperatur pozwala na optymalizacj kosztów prowadzenia defosfatacji w oczyszczalniach. Oszacowana w Tarnowie skala zmian kosztów oczyszczania cieków przedstawia si nastpujco: wprowadzenie biologicznej defosfatacji wspomaganej chemicznie spowodowało zmniejszenie zapotrzebowania na PIX z ok. 900 ton PIX-u na rok (warto ok zł) do ok. 190 ton/rok (wartoci szacowane na podstawie wczeniejszych dowiadcze eksploatacyjnych) co daje oszczdnoci ok zł rocznie, niewtpliwym skutkiem zastosowania w miejsce czystego chemicznego strcania fosforu biologicznej defosfatacji wspomaganej chemicznie jest spadek iloci osadów ciekowych (w Tarnowie ok %); powoduje to nisze koszty ich utylizacji (złoenia na składowisku) o ok zł rocznie (wysoki koszt składowania na poziomie ok. 500 zł/mg s.m.o.), obnieniu ulegnie take ilo flokulantów niezbdnych do odwadniania zmniejszonej iloci osadów, skorygowana poprzez fakt lepszego odwadniania osadów po defosfatacji chemicznej efekt oszacowany na ok zł rocznie, zaobserwowano znaczne zwikszenie zuycia energii elektrycznej w okresie stosowania defosfatacji biologicznej, szacowane wraz z wydatkiem energetycznym niezbdnym na mieszanie cieków w komorach defosfatacji biologicznej na ok zł rocznie,

11 wiksza ilo obiektów i urzdze mechanicznych wymagajcych remontów w warunkach defosfatacji biologicznej powoduje zwikszenie kosztów w tej pozycji, szacowanych na ok zł rocznie, koszt amortyzacji obiektów kubaturowych przyjty do kalkulacji oczyszczanych cieków oszacowano w Tarnowie na ok zł rocznie (jest to koszt wynikajcy jedynie z modernizacji istniejcych komór biologicznych, przy nowej inwestycji koszt wynikajcy z amortyzacji obiektów słucych defosfatacji biologicznej byłby wielokrotnie wyszy) - koszt amortyzacji urzdze słucych defosfatacji chemicznej jest pomijalnie mały w skali przedstawianych powyej składników kosztowych. Podsumowujc przedstawione powyej koszty naley uzna, i wprowadzenie biologicznej defosfatacji ze wspomaganiem chemicznym w oczyszczalni w Tarnowie spowodowało obnienie kosztów oczyszczania cieków o ok zł rocznie ( zł zł zł = zł zmniejszenia kosztów, zł zł zł = zł kosztów dodatkowych), co w przełoeniu na cen jednostkow powoduje ograniczenie o ok. 3% corocznego wzrostu cen w wyniku powszechnie znanych czynników cenotwórczych w oczyszczalniach. Naley zauway, i przedstawiona powyej analiza odnosi si do szczególnego przypadku oczyszczalni w Tarnowie, gdzie koszty inwestycyjne wprowadzenia defosfatacji biologicznej ze wspomaganiem chemicznym były małe take ze wzgldu na uycie własnej myli technicznej. Pokazuje to konieczno indywidualnego traktowania kadego obiektu i dostosowania rozwizania jako optymalnego w zalenoci od moliwoci, które mamy do dyspozycji. Tabela 2. Stwierdzone wady obu systemów defosfatacji. Wady defosfatacji biologicznej Sterowanie procesem zalene od wielu czynników, w szczególnoci od ładunku zanieczyszcze Znaczna zaleno efektywnoci od pory roku Wady symultanicznej defosfatacji chemicznej Koszty zwizane z zakupem PIX-u Utrata ładunku wgla na drodze chemicznej w strumieniu recyrkulatu poddanego denitryfikacji

12 Dua bezwładno w reakcji na zmiany zawartoci fosforu Pogorszenie sedymentacji na osadnikach wtórnych Zwikszenie zuycia energii elektrycznej w procesie napowietrzania komór biologicznych i mieszania w komorach defosfatacji Wysoki koszt inwestycyjny Pogorszenie warunków denitryfikacji biologicznej recyrkulatu Potencjalne zagroenie oddziaływaniem PIX-u na obsług Niewielkie zwikszenie zawartoci siarczanów w oczyszczanych ciekach Zwikszenie iloci osadów ciekowych 5. Wnioski Uycie systemu mieszanego defosfatacji biologiczno chemicznej w oczyszczalni w Tarnowie spowodowało: moliwo spełnienia najsurowszych norm w zakresie jakoci cieków oczyszczonych okrelonych w nowych polskich przepisach i w dyrektywie UE, w szczególnoci w zakresie azotu ogólnego w warunkach znacznego dopływu azotanów z przemysłowego ródła cieków, optymalizacj zuycia PIX-u poprzez jego wykorzystanie prawie wyłcznie w okresie zimowym przy zwolnieniu od obowizku utrzymania stenia azotu ogólnego na poziomie 10 mg N/l, moliwo szybkiej reakcji obsługi na pogorszenie biologicznej redukcji fosforu poprzez wprowadzenie defosfatacji chemicznej PIX-em, zwikszenie zuycia energii elektrycznej w procesie biologicznym, zmniejszenie produkcji osadów ciekowych, moliwoci elastycznego dopasowania stopnia chemicznego defosfatacji do zapotrzebowania oczyszczalni w przypadku rozbudowy oczyszczalni o gospodark osadow.

13 6. Literatura [1] Rozporzdzenie Ministra Ochrony rodowiska, Zasobów Naturalnych i Lenictwa z dnia 5 listopada 1991 r., w sprawie klasyfikacji wód oraz warunków, jakim powinny odpowiada cieki wprowadzane do wód lub do ziemi. (Dz. U. Nr 116, poz. 503). [2] Rozporzdzenie Ministra rodowiska z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie warunków, jakie naley spełni przy wprowadzaniu cieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla rodowiska wodnego (Dz. U. Nr 212, poz. 1799). [3] The Council Directive of 21 May 1991 concerning urban waste-water treatment 91/227/EEC. [4] T. Rzepecki, Dowiadczenia w stosowaniu koagulantów w Tarnowskiej Grupowej Oczyszczalni cieków Sp. z o. o. w Tarnowie, Materiały z konferencji na temat chemicznych metod oczyszczania wody i cieków, Kemipol, Arłamów, wrzesie [5] T. Rzepecki. B. Szczepaniak, Rola koagulanta elazowego PIX w warunkach oczyszczania cieków przemysłowych o znacznej zawartoci arsenu. Nowe rozwizania problemów technologicznych na oczyszczalniach cieków - materiały na konferencj naukowo - techniczn w winoujciu i Kopenhadze. Kemipol Sp. z o. o., Kemira Dania, Avedore Wastewater Services Company, winoujcie i Kopenhaga, [6] T. Rzepecki, M. Jodko, Z. Wzorek, K. Gorazda, Implementation of the method of the chemical precipitation of phosphorus compounds in Tarnów sewage plant, Materiały konferencyjne: 6 th Conference on Enviromental and Mineral Processing, VSBTU Ostrava, Czech Republic, , s