ZASTOSOWANIE KOAGULANTÓW W PROCESIE OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW W GRUPOWEJ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W ŁODZI Autorzy: Andrzej Czapla, Euzebiusz Zawadzki Grupowa Oczyszczalnia Ścieków w Łodzi Spółka z o.o. 93-469 Łódź, ul. Sanitariuszek 72 tel. (42) 640 47 80, e-mail: gos@gos.lodz.pl Streszczenie: w artykule przedstawiono zastosowanie koagulantów w GOŚ ŁAM z rozszerzeniem informacji o stosowaniu koagulanta glinowego w celu poprawienia sedymentacji osadu czynnego oraz zwalczania bakterii nitkowatych. Proces oczyszczania ścieków w GOŚ wykorzystuje procesy biologiczne, a aktualnie ze względu na przeciążenie hydrauliczne oczyszczalni oraz ładunkiem zanieczyszczeń, również wspomaganie chemicznie procesu biologicznego. Oczyszczalnia posiada do końca 2005 roku pozwolenie wodno-prawne na odprowadzenie ścieków wydane na podstawie rozporządzenia z 1991r. (Dz. U. Nr 116 poz. 503). 1. Wstęp Do Grupowej Oczyszczalni Ścieków w Łodzi dopływają obecnie ścieki z Łodzi, Pabianic, Nowosolnej i Konstantynowa, z terenów zamieszkałych przez ok. 850 tys. mieszkańców. W około 50% są to ścieki z kanalizacji ogólnospławnej niosącej obok ścieków bytowo - gospodarczych i przemysłowych wody opadowe. W 2004 roku średnio na dobę na GOŚ wpłynęło 200,5 tys. m 3 /d ścieków, w tym oszacowano 182,1 tys. m 3 /d pogody suchej. Od 1989 r. obserwuje się stałą tendencję spadku ilości ścieków spowodowaną mniejszym zapotrzebowaniem wody przez przemysł, spadkiem liczby ludności oraz lepszym stanem instalacji wodno - kanalizacyjnej oraz oszczędnym zużyciem wody przez odbiorców i tak w 1989 r. ilość ścieków z Łodzi wyniosła 139,6 mln m 3 /rok, a w 2002 r. 77,6 mln m 3 /rok. Proces oczyszczania ścieków w GOŚ wykorzystuje procesy biologiczne, a aktualnie ze względu na przeciążenie hydrauliczne oczyszczalni oraz ładunkiem zanieczyszczeń, również wspomaganie chemicznie procesu mechanicznego i biologicznego. 65
Uzyskane efekty oczyszczania w 2004 r. Tabela 1. Wyszczególnienie ChZT mgo 2 /dm 3 BZT 5 (mgo 2 /dm 3 ) Fosfor (mg/dm 3 ) Azot ogólny (mg/dm 3 ) Zawiesina (mg/dm 3 ) Ścieki na wlocie 575,1 256,4 7,0 47,2 228,6 Ścieki na wylocie 55,2 9,2 1,0 23,1 17,7 Stopień redukcji (%) 90,4 96,4 85,7 51,1 92,2 2. Przepustowość oczyszczalni GOŚ wyposażona jest w cztery linie biologicznego oczyszczania. Komory osadu czynnego o łącznej pojemności 77.100 m 3 podzielone są na trzy strefy i pracują w układzie UCT bez recyrkulacji wewnętrznej osadu, co ogranicza stopień denitrifikacji do ok. 50%. Zespoloną częścią komór osadu czynnego są osadniki wtórne. Powierzchnia 4 osadników wtórnych wynosi 8.872 m 2. Instalacja do usuwania kożucha z osadników wtórnych poza układ oczyszczania ścieków znajduje się tylko na dwóch osadnikach wtórnych. Grupowa Oczyszczalnia Ścieków pracuje w warunkach przeciążenia hydraulicznego i ładunkiem zanieczyszczeń, ponieważ pojemność komór osadu czynnego jak również wielkość osadników wtórnych jest zbyt mała. Istniejącą część biologiczną odebrano do eksploatacji ze zdolnością oczyszczania =172.000 m 3 /d i napływającym ładunkiem zanieczyszczeń wyrażonym ChZT równym 72.000 kg/d, przy stężeniu ścieków po osadnikach wstępnych śr. 418 g/m 3. Aktualne stężenia ChZT w ściekach dopływających na część biologiczną bez strącania wstępnego są wyższe i równe 451 g/m 3, co oznacza aktualnie mniejszą przepustowość biologiczną oczyszczalni, która po korekcie wynosi w przybliżeniu: Ograniczenie przepustowości oznaczało, że w celu spełnienia warunków dla jakości ścieków na odpływie z oczyszczalni obowiązujących aktualnie GOS, musiały zostać podjęte dodatkowe tymczasowe działania, umożliwiające realizację tego celu przed modernizacją i rozbudową oczyszczalni. 66
2.1. Rozbudowa oczyszczalni W 2005r. rozpoczęła się rozbudowa i modernizacja mająca na celu zwiększenie przepustowości oczyszczalni do 275 tys. m 3 /d. dla pogody suchej. Ponadto modernizowana jest hala krat, powstaną dwa zagęszczacze-fermentery osadu, następnie drugi zbiornik biogazu i odsiarczalnik, system monitoringu i sterowania. 3. Niezbędne działania jakie wykonano w celu zwiększenia przepustowości i efektywności oczyszczalni: 1/. Zmniejszenie ładunku zanieczyszczeń dopływających na część biologiczną oczyszczalni 2/. Zwiększenie zdolności sedymentacyjnych osadu (obniżenie indeksu osadu) umożliwiających przepływ ścieków przez osadniki wtórne bez wynoszenia osadu oraz zwalczania kożucha na powierzchni osadników - kożuch powstający na powierzchni stanowi źródło odoru, a w okresie niskich temperatur zamarza i wyłącza z pracy osadniki wtórne. Dlaczego wielkość indeksu osadu czynnego (zdolność opadania osadu) jest tak ważna? - dlatego, że przekłada się to bezpośrednio na wymaganą (niezbędną) wielkość osadników wtórnych; przykładowo dla indeksu = 150 cm 3 /g, wielkość osadników wtórnych musi być większa o 50% niż dla indeksu = 100 cm 3 /g. 3/. Poprawienie zdolności napowietrzania wyeksploatowanego rusztu napowietrzającego /oddzielna informacja/ Ad.1/. Redukcję ładunku zanieczyszczeń osiągnięto, poprzez wprowadzenie strącanie wstępne w osadnikach wstępnych. W tym celu, w ramach przetargu wybrano koagulant żelazowy (PIX 112) Przy bardzo niskiej dawce koagulanta wynoszącej 40 g/m 3, osiągnięto zwiększenie redukcji ChZT z około 18% do ok. 40%. Pozwoliło to na zwiększenie ilości osadu (wieku osadu) i zwiększenie zdolności nitryfikacyjnych osadu czynnego. Przeprowadzone przez Dostawcę jesienią 2004 roku próby zwiększenia stopnia redukcji między innymi przez dodanie flokulanta anoniowego (A 1883 RS), nie dały zadawalających rezultatów, mimo widocznego w dużym stopniu zwiększenia efektu kłaczkowania na wlocie osadnika wstępnego w stosunku do osadnika, gdzie był tylko dawkowany PIX 112. Przyczyną może być wysoki udziału frakcji ChZT rozpuszczonego w ściekach surowych wynoszący ok. 50%. Świadczy o tym wynik uzyskany w warunkach laboratoryjnych, gdzie uzyskano stopień redukcji tylko 55%, podczas, gdy dla ścieków komunalnych 67
można uzyskać do 90% redukcji ChZT. Poprawę natomiast przyniosła zmiana punktu dozowania koagulanta z przed osadników wstępnych na dozowanie do komory wlotowej oczyszczalni (zwiększenie redukcji o 6%). Ad.2/. W celu zwiększenia zdolności sedymentacyjnych osadu zastosowano glin, w wybranej po przetargu postaci handlowej jako polichlorek glinu (PAX 18). Glin jest stosowany na wielu oczyszczalniach w Polsce w celu poprawy indeksu osadu oraz zwalczania bakterii nitkowatych (kożucha). Jest to bezpieczny, a jednocześnie skuteczny środek do tego celu. Przed zastosowaniem glinu na oczyszczalni próbowano innych metod dla poprawy indeksu osadu oraz zwalczania kożucha: wiosną 2001 r. wykonawca części biologicznej firma PURAC przeprowadziła próby z odpowiednimi kulturami bakterii, ale próba nie została przeprowadzona do końca i brak było jednoznacznych wniosków. Uzyskany efekt zbiegł się z okresem, kiedy w sposób naturalny indeks osadu spada do wielkości <100g/cm 3 (maj, wrzesień) z powodu obniżenia wieku osadu i wzrostu temperatury ścieków. Należy dodać, że metody biologiczne są trudne do prowadzenia, a czasem nieprzewidywalne. podczas eksploatacji, gdy groziło zatrzymanie pracy osadników wtórnych, a tym samym części biologicznej oczyszczalni przez zamarznięty kożuch, w grudniu 2002 roku zastosowano chlorowanie osadu czynnego. Uzyskano zredukowanie warstwy kożucha umożliwiające pracę osadników. Niestety, mimo zastosowania bezpiecznej wg literatury dawki chloru czynnego w wysokości 1,5 g/kg sm.os. zredukowano jednocześnie zdolności nitryfikacyjne osadu. Mniejsza z kolei dawka chloru była nieskuteczna wobec bakterii nitkowatych. w sytuacji kiedy indeks osadu wzrastał do 130-150 cm 3 /g, uniemożliwiając przepuszczanie przez część biologiczną przepływu pogody suchej, doraźnie stosowano flokulant średnio kationowy w postaci emulsji w dawce 1g/1kg s.m.o, zmniejszając indeks osadu do wartości około 100 cm 3 /g. Pozwalało to oczyszczać biologicznie ścieki suchej pogody. Miało to miejsce między innymi w styczniu, marcu, kwietniu 2003r., kiedy już dopływały ścieki z Pabianic i wzrosło obciążenie oczyszczalni ładunkiem zanieczyszczeń o ok.12% PAX18 zaczęto stosować od drugiej połowy maja 2003r. z dawką 3g/kg. s.m.o. Koagulant dawkowano w pompowniach do osadu recyrkulowanego. Jak widać z wykresu nr 1 indeksu osadu, po zastosowaniu glinu, indeks zredukowano do wartości między 80 100 cm 3 /g. Próby zastosowania dawek podtrzymujących w wielkości 1,5-2g/1kg s.m.o. nie powiodły się i podczas ich aplikacji indeks się podnosił. 68
Przeprowadzono również próby z zastosowaniem PAX-u 25, który nie okazał się środkiem skuteczniejszym od PAX-u 18. Dawkowanie glinu w sposób planowany wstrzymano w maju 2004r. od kiedy indeks dzięki zmniejszeniu ilości osadu w komorach osadu czynnego i osadnikach wtórnych obniża się. Na zmniejszenie ilości osadu pozwala wzrost temperatury przyśpieszający procesy nitrifikacji i denitrifikacji. W tym okresie wiek tlenowy osadu wynosi ok. 3-4 dni, gdy natomiast w zimie podnoszony jest do 7-8 dni. W końcu czerwca i w lipcu 2004r. na skutek wyłączeń i opróżnienia komór osadu dla wymiany membran na dyfuzorach, indeks osadu wrósł do ok.120 cm 3 /g. Po zastosowaniu przez 10 dni koagulantu glinowego w dawce 4g/g s.m.o. indeks osadu obniżono do ok. 90 cm 3 /g (wykres nr 2) Wykres nr 1 Grupowa Oczyszczalnia Ścieków w Łodzi - 2003 r. 140 Indeks osadu [ml/g] 120 100 80 60 40 20 0 I.2003 II.2003 III.2003 IV.2003 V.2003 VI.2003 VII.2003 VIII.2003 IX.2003 X.2003 XI.2003 XII.2003 Wykres nr 2 Grupowa Oczyszczalnia Ścieków w Łodzi - 2004 r. 120 Indeks osadu [ml/g] 100 80 60 40 20 0 I.2004 II.2004 III.2004 IV.2004 V.2004 VI.2004 VII.2004 VIII.2004 IX.2004 X.2004 XI.2004 XII.2004 69
W październiku 2004 roku przed rozpoczęciem dawkowania PAX-u, dostawca koagulanta w ramach prowadzonego doradztwa zaproponował zmianę punktu dozowania z pompowni osadu recyrkulowanego na dozowanie do kanału rozdzielczego między komorami nitrifikacyjnymi bezpośrednio na kożuch, co miało na celu zwiększenie bezpośredniego kontaktu glinu z kożuchem. Test prowadzono od 19.10.04 do 12.01.05 Należy dodać, że w tym okresie wiek osadu zwiększył się z 5 do 6,5 dób, co dodatkowo sprzyjało rozwojowi bakterii nitkowatych, a co za tym idzie powodowało zwiększony wzrost kożucha i indeksu osadu. Mimo tego uzyskano zmniejszenie - stabilizację indeksu osadu oraz większe zmniejszenie ilości kożucha na powierzchni osadników niż w sytuacji dawkowania do recyrkulatu. W tabeli poniżej zestawiono wyniki indentyfikacji organizmów nitkowatych w osadzie i kożuchu pobranym w trakcie testu. 70 5. Dodatkowe korzyści ze stosowania koagulantów 5.1. Zmniejszenie ilości siarkowodoru w biogazie i osadzie Mimo nieciągłego stosowania PIX-112 uzyskano zmniejszenie ilości siarkowodoru w biogazie nieoczyszczonym z śr. 1000 mg/dm 3 do śr. 150 mg/dm 3. Jednocześnie zawartość siarkowodoru w biogazie oczyszczonym spadła z śr. 100 mg/dm 3 do 10mg/dm 3. Daje to również oszczędności w zużyciu złoża dla odsiarczalnika kolumnowego w wysokości ok. 80 tys. zł/rok (65% kosztu bez stosowania koagulanta). Nastąpiło również zmniejszenie poziomu odorów w rejonie osadników wstępnych i pompowni osadów.
5.2. Zmniejszenie ilości powstającego struvitu oraz zmiana jego struktury Wprowadzenie procesu biologicznej defosfatacji zwiększyło znacznie zawartość fosforanów w przerabianych osadach, a tym stworzyło warunki dla krystalizacji struvitu. Jakie problemy może stworzyć ten produkt przekonało się już boleśnie wiele oczyszczalni. W GOŚ przed stosowaniem koagulanta żelazowego rurociągi osadu przefermentowanego czyszczone były hydraulicznie pod ciśnieniem do 40 Mpa dwa razy w roku. Podczas stosowaniu koagulanta nastąpiło zmniejszenie ilości powstającego struwitu oraz zmiękczenie jego struktury. Pozwoliło to na ograniczenie częstotliwości czyszczenia do raz w roku i znacznie łatwiejszy jego przebieg. 5.3. Wspomaganie procesu defosfatacji Symultaniczne stosowanie soli metali pozwala na bezpieczne zbilansowanie ładunku odprowadzanego fosforu i utrzymanie wymaganego średniego stężenia rocznego dla foforu ogólnego na wylocie z oczyszczalni, a przy stosowaniu soli glinu dodatkowo na kontrolę ilości bakterii nitkowatych i indeksu osadu. W przypadku stosowania soli metali do strącania wstępnego utrzymanie bezpiecznego poziomu fosforu na wylocie z oczyszczalni jest oczywiste, ale należy pamiętać, że proces ten przy wymaganej na odpływie wartości azotu ogólnego równej 10 mg/dm 3 znajduje ograniczone zastosowanie ze względu na powstający deficyt węgla organicznego do procesu denitrifikacji. Decydując się w tym przypadku na zewnętrzne źródło węgla otrzymujemy bardzo stabilny układ oczyszczania ścieków ze zmniejszoną kubaturą części biologicznej w stosunku do wymaganej kubatury przy procesie tylko biologicznym. 6. Podsumowanie: uzyskano satysfakcjonującą stabilizację indeksu osadu na poziomie < 100cm 3 /g, pomimo zwiększenia wieku osadu oraz zmniejszenie ilości kożucha na powierzchni osadników wtórnych i komór osadu czynnego, efekty stosowania glinu ograniczone są brakiem instalacji do usuwania kożucha na dwóch liniach biologicznego oczyszczania, co w praktyce oznacza hodowlę bakterii nitkowatych znajdujących się w kożuchu. Stwarza to paradoksalną sytuację, że nawet przy bardzo niskim indeksie osadu, kożuch utrzymuje się, 71
zwalczanie organizmów nitkowatych powoduje ogólne zmniejszenie poziomu ich liczebności powodując jednocześnie zmiany ilościowe poszczególnych gatunków, na wzrost organizmów nitkowatych ma wpływ wysoki poziom osadu w osadnikach wtórnych utrzymujący się mimo niskiego indeksu i wysokiego stopnia recyrkulacji osadu wynoszącego średnio 110%, stosowanie koagulantów daje szersze korzyści niż tylko poprawę sedymentacji osadów oraz zwalczanie bakterii nitkowatych, uważamy, że w świetle dochodzących sygnałów o deficycie węgla do procesu denitrifikacji w pracujących układach biologicznego usuwania biogenów, należy wykonać analizę porównawczą kosztów budowy i eksploatacji oczyszczalni biologicznej i ze wspomaganiem chemicznym z uwzględnieniem bezpieczeństwa procesu. 72
73