Usuwanie związków węgla, azotu i fosforu w systemach oczyszczania ścieków

Marcin Dębowski, Marcin Zieliński Usuwanie związków węgla, azotu i fosforu w systemach oczyszczania ścieków Problemy eksploatacyjne i propozycje rozwiązań technologicznych Ochrona środowiska

Copyright 2012 ISBN 978-83-7537-145-1 Wydawnictwo Verlag Dashofer Sp. z o.o. Al. Krakowska 271, 02-133 Warszawa tel.: (22) 559 36 00, faks: (22) 829 27 00, 829 27 27 www.dashofer.pl Opracowanie edytorskie: Anna Skowroƒska Sk ad: Dariusz Ziach Wszelkie prawa zastrze one, prawo do tytu u i licencji jest w asnoêcià Dashöfer Holding Ltd. Kopiowanie, przedrukowywanie i rozpowszechnianie ca oêci lub fragmentów niniejszej publikacji, równie na noênikach magnetycznych i elektronicznych, bez zgody Wydawcy jest zabronione. Ze wzgl du na sta e zmiany w polskim prawie oraz niejednolite interpretacje przepisów Wydawnictwo nie ponosi odpowiedzialnoêci za zamieszczone informacje.

Spis treêci Spis treêci: 1. Wprowadzenie... 4 2. Podstawy procesów usuwania zwiàzków w glowych i biogennych ze Êcieków... 6 3. Usuwanie zwiàzków organicznych... 8 3.1. Identyfikacja trudnoêci eksploatacyjnych... 8 3.2. Propozycje rozwiàzaƒ technologicznych... 8 3.2.1. Wprowadzenie stopnia beztlenowego... 8 3.2.2. Wprowadzenie stopnia chemicznego utleniania... 14 3.2.3. Wspomaganie biopreparatami... 17 3.2.4. Zastosowanie technologii membranowych... 19 4. Usuwanie zwiàzków azotu... 23 4.1. Identyfikacja trudnoêci eksploatacyjnych procesów nitryfikacji i denitryfikacji... 23 4.2. Propozycje rozwiàzaƒ technologicznych... 24 4.2.1. Mikrofalowe stymulowanie warunków termicznych... 24 4.2.2. Proces Anammox... 28 4.2.3. Elektrostymulacja procesu denitryfikacji... 31 4.2.4. Preparaty biotechnologiczne... 33 4.2.5. Zastosowanie zeolitów... 33 4.2.6. Reaktory membranowe... 36 5. Usuwanie zwiàzków fosforu... 38 5.1. Identyfikacja trudnoêci eksploatacyjnych w procesach defosfatacji... 38 5.2. Propozycje rozwiàzaƒ technologicznych... 38 5.2.1. Alternatywne êród a LKT... 38 5.2.2. Wype nienia aktywne... 41 5.2.3. Metoda roztwarzania metali... 47 6. Podsumowanie... 49 7. Skorowidz... 50 www.dashofer.pl 3

Wprowadzenie 1. Wprowadzenie Poprawienie efektywnoêci usuwania zwiàzków biogennych i organicznych ze Êcieków jest wcià w centrum zainteresowania badaczy, administratorów oraz eksploatatorów systemów degradacji zanieczyszczeƒ. Rosnàca wiedza spo eczeƒstwa, ÊwiadomoÊç ekologiczna oêrodków decyzyjnych oraz odpowiedzialnoêç podmiotów bezpoêrednio zwiàzanych z funkcjonowaniem systemów oczyszczania skutkuje zaostrzaniem norm jakoêciowych Êcieków oczyszczonych oraz dba oêcià o stosowanie skutecznych i sprawnych rozwiàzaƒ technologicznych. Obowiàzujàce regulacje prawne wymuszajà na eksploatatorach miejskich oraz przemys owych oczyszczalni Êcieków stosowanie technik uniwersalnych, które zapewniajà usuni cie ze Êcieków nie tylko z substancji organicznych, ale tak e zwiàzków azotu i fosforu. Zanieczyszczenia te stanowià bowiem bezpoêrednie zagro enie dla ekosystemów wodnych, wp ywajàc na ich eutrofizacj, a w dalszej konsekwencji: degradacj. Zgodnie z krajowym Programem Oczyszczania Âcieków Komunalnych do 2015 r. przewidywano modernizacj i rozbudow ponad 1200 miejskich oczyszczalni Êcieków, w których zadaniem nadrz dnym jest skuteczne usuwanie zwiàzków biogennych. Uzyskanie zak adanego celu wià e si z koniecznoêcià aplikacji innowacyjnych technologii oczyszczania Êcieków. W wielu przypadkach osiàgni cie wydajnej redukcji st enia zwiàzków biogennych i w glowych jest zadaniem bardzo trudnym lub wr cz niemo liwym bez przeprowadzenia odpowiednich zabiegów technologicznych i prac modernizacyjnych. Biochemiczne procesy kompleksowego usuwania zanieczyszczeƒ wymagajà bowiem zmiennych parametrów technologicznych zwiàzanych z koncentracjà tlenu, zawartoêcià lotnych kwasów t uszczowych czy st eniem biomasy osadu czynnego. Rozwiàzanie trudnoêci eksploatacyjnych dotyczàcych efektywnoêci pracy biologicznych systemów oczyszczania jest obecnie sprawà priorytetowà dla wielu miejskich i przemys owych oczyszczalni Êcieków, które nie spe niajà wymogów zwiàzanych z jakoêcià Êcieków oczyszczonych. Wybór w aêciwego, z punktu widzenia ekonomicznego i technologicznego, sposobu modernizacji systemu oczyszczania Êcieków jest powa nym wyzwaniem dla projektantów, technologów oraz wykonawców instalacji. Zastosowanie typowego uk adu technologicznego opartego na wykorzystaniu zmiennych warunków beztlenowo-tlenowych w celu sprawnego przeprowadzenia procesów rozk adu zwiàzków organicznych, wiàzania ortofosforanów, amonifikacji, nitryfikacji i denitryfikacji w wielu przypadkach musi zostaç uzupe nione o inne elementy decydujàce o zwi kszeniu sprawnoêci oczyszczania. Obecnie na rynku istnieje wiele mo liwoêci, których implementacja wp ywa pozytywnie na efekty procesu. www.dashofer.pl 4

Wprowadzenie W niniejszej publikacji zaprezentowano nowe, niestosowane powszechnie metody pozwalajàce na zwi kszenie stopnia oczyszczania Êcieków, które mogà zostaç wprowadzone do istniejàcych i funkcjonujàcych obiektów. Poznanie potencjalnych mo liwoêci aplikacyjnych zaprezentowanych urzàdzeƒ oraz technologii pozwoli na realnà ocen ich wprowadzenia i zastosowania na konkretnych oczyszczalniach Êcieków, umo liwi równie dotarcie do producentów i dystrybutorów opisywanych technologii. www.dashofer.pl 5

Podstawy procesów usuwania zwiàzków w glowych i biogennych ze Êcieków 2. Podstawy procesów usuwania zwiàzków w glowych i biogennych ze Êcieków Procesy oczyszczania Êcieków, które pozwalajà na uzyskanie odpowiedniego stopnia redukcji wskaêników zanieczyszczeƒ i odprowadzenie ich do odbiorników, opierajà si g ównie na procesach biologicznych prowadzonych przez bakterie osadu czynnego. Tego rodzaju technologia pozwala na jednoczesne usuni cie ze Êcieków substancji organicznych oraz zwiàzków biogennych. Prawie wszystkie procesy biologicznego oczyszczania Êcieków sà procesami aerobowymi, w których Êcieki muszà byç bezwarunkowo napowietrzane i zawierajà okreêlonà koncentracj tlenu, który wykorzystywany jest przez mikroorganizmy osadu czynnego, tzn. bakterie i pierwotniaki, w ich procesach yciowych. Aeracja Odpowiednio stymulowane parametry technologiczne warunkujà w aêciwe funkcjonowanie biomasy osadu czynnego i pozwalajà na zintensyfikowanie procesów biochemicznego rozk adu zanieczyszczeƒ. Intensyfikacj procesów biologicznego utleniania na odpowiednim poziomie osiàga si dzi ki utrzymaniu w uk adzie technologicznym odpowiedniej iloêci aktywnej biomasy osadu czynnego, w aêciwego obcià enia hydraulicznego adunkiem zanieczyszczeƒ, sposobu mieszania czy temperatury procesu. Jednym z najwa niejszych czynników jest sposób i efektywnoêç procesu napowietrzania. Aeracja polega na wprowadzeniu tlenu do Êcieków. W przypadku z ó biologicznych jest to proces naturalny zwiàzany z poborem tlenu z otaczajàcego powietrza. Przy oczyszczaniu Êcieków metodà osadu czynnego tlen jest wt aczany do komory aeracji (podawanie powietrza lub czystego tlenu). Do rozdzia u gazu w Êciekach stosuje si materia y porowate (filtrosy, dyfuzory), urzàdzenia mechaniczne (aeratory) lub urzàdzenia strumienicowe. W tlenowych systemach biochemicznego usuwania zanieczyszczeƒ zwiàzki organiczne rozk adane sà w wyniku dzia ania enzymów, a ich komponenty sà wykorzystywane do syntezy nowych komórek mikroorganizmów oraz utleniania do prostych zwiàzków nieorganicznych, takich jak: dwutlenek w gla, woda, azotany, siarczany i fosforany. Charakterystycznà cechà tlenowego rozk adu substancji w glowych jest wydzielanie du ej energii, co pozwala na przyrost biomasy i szybki przebieg rozk adu. Usuwanie substancji biogennych Denitryfikacja definicja Oprócz usuwania ze Êcieków zanieczyszczeƒ organicznych istnieje koniecznoêç usuwania substancji biogennych, tj. zwiàzków azotu i fosforu. Wp ywa to bezpoêrednio na koniecznoêç prowadzenia procesów nitryfikacji, denitryfikacji oraz defosfatacji. Nitryfikacja jest wynikiem dzia ania autotroficznych bakterii Nitrosomonas i Nitrobacter i przebiega dwustopniowo. IloÊç tlenu niezb dna do utleniania 1 g azotu amonowego do azotanów (V) wynosi oko o 4,6 g O 2. W podanych równaniach nie uwzgl dnia si asymilacji. Przyrost masy komórkowej wynosi 0,15 g s.m.o./g NH 4. Denitryfikacja to desymilacja azotu w wyniku dzia ania bakterii heterotroficznych, takich jak Achromobacter, Aerobacter, Bacillus. W procesie tym substancje www.dashofer.pl 6

Podstawy procesów usuwania zwiàzków w glowych i biogennych ze Êcieków organiczne s u à jako donor elektronów, a azotany (V) i azotany (III) pe nià takà funkcj jak tlen, tzn. sà akceptorami elektronów. Do denitryfikacji konieczna jest obecnoêç azotanów (V) w mieszaninie Êcieków i osadów, warunki niedotlenienia, odpowiednia masa bakteryjna i êród o energii w postaci substancji organicznych. W czasie denitryfikacji, oprócz redukcji zwiàzków azotu, ulegajà rozk adowi równie zwiàzki w gla. Wyra a si to obni eniem wartoêci ChZT o 4,76 g O 2 /g NO 3us. Defosfatacja to zjawisko usuwania zwiàzków fosforu ze Êcieków. Proces ten mo e byç zrealizowany poprzez wykorzystane chemicznego stràcania (defosfatacja chemiczna) solami glinu lub elaza oraz wapnem lub podwy szonà biologicznà defosfatacja w wyniku wzrostu stopnia asymilacji fosforu przez biomas bioràcà udzia w procesie oczyszczania. Stràcanie solami metali ( elaza lub glinu) powoduje wchodzenie ich w reakcje z fosforanami, tworzàc nierozpuszczalne, wytràcane zwiàzki. Zwi kszone usuwanie fosforu metodà biologicznà mo na osiàgnàç, utrzymujàc w uk adzie oczyszczania przemiennie warunki beztlenowe. Pewne grupy bakterii (Acinetobacter, Arthrobacter Globiformis) sà zdolne do gromadzenia znacznych iloêci polifosforanów (nawet do 25% suchej masy komórkowej). ZdolnoÊç ta stanowi mechanizm zwi kszonego usuwania fosforu pod warunkiem zachowania odpowiedniego stosunku iloêci substancji w glowych do fosforu w Êciekach poddawanych oczyszczaniu. Defosfatacja definicja www.dashofer.pl 7

Usuwanie zwiàzków organicznych 3. Usuwanie zwiàzków organicznych 3.1. Identyfikacja trudnoêci eksploatacyjnych Obecnie wiele przedsi biorstw posiadajàcych konwencjonalne oczyszczalnie Êcieków ma problemy z dostosowaniem si do wymogów obowiàzujàcych na mocy wydanych im zezwoleƒ na odprowadzanie Êcieków. Spowodowane jest to stosowaniem przestarza ych, niskoefektywnych systemów oczyszczania, niedostatecznà kontrolà eksploatacyjnà, zamarzaniem urzàdzeƒ i niskà efektywnoêcià oczyszczania biologicznego w miesiàcach zimowych. W technologii oczyszczania Êcieków poszukuje si zatem nowych rozwiàzaƒ, które przy jednoczesnym rozwiàzywaniu problemu ekologicznego, jakim jest zagospodarowanie Êcieków, pozwoli yby osiàgnàç korzyêci ekonomiczne. Problemy eksploatacyjne zwiàzane z usuwaniem zwiàzków organicznych dotyczà przede wszystkim zbyt wysokiego obcià enia komór osadu czynnego adunkiem zwiàzków w glowych, nierównomiernoêcià przep ywu i co za tym idzie: du à zmiennoêcià obcià enia hydraulicznego systemów oczyszczania Êcieków oraz niejednorodnoêcià w sk adzie jakoêciowym Êcieków dop ywajàcych. Bardzo cz stà przyczynà zbyt niskiej efektywnoêci technologicznej jest wadliwe lub zbyt ma o wydajne funkcjonowanie systemów napowietrzania. Przyczyn tego zjawiska mo e byç wiele, poczàwszy od stosowania starej i wyeksploatowanej instalacji, przez z à eksploatacj, do zarastania i kolmatacji aeratorów wg bnych. Inne przyczyny ograniczenia sprawnego usuwania zwiàzków organicznych ze Êcieków to: wyst powanie substancji toksycznych i metali ci kich; obecnoêç zwiàzków niepodatnych na rozk ad biochemiczny; zbyt krótki czas hydraulicznego zatrzymania w uk adzie; niskowydajny system mieszania prowadzàcy do powstawania martwych stref; obecnoêç bakterii nitkowatych czy niewystarczajàca koncentracja osadu czynnego w bioreaktorach. 3.2. Propozycje rozwiàzaƒ technologicznych 3.2.1. Wprowadzenie stopnia beztlenowego Potencjalne zyski energetyczne spowodowa y, e ciàgu ostatnich kilkunastu lat wzros o zainteresowanie procesami fermentacji metanowej jako technologii, która pozwala na skuteczne usuni cie zwiàzków organicznych ze Êcieków. Metoda ta daje szerokie mo liwoêci zastosowania w oczyszczaniu wysoko obcià onych Êcieków przemys owych i komunalnych. Systemy anaerobowe sà preferowane przede wszystkim ze wzgl du na niskà energoch onnoêç, pi ciokrotnie mniejszy w stosunku do systemów tlenowych przyrost biomasy osadu, ograniczenie rozprzestrzeniania si aerozoli i odorów oraz szybki rozruch nawet po d ugiej przerwie w eksploatacji. Jednak podstawowà korzyêcià przemawiajàcà za upowszechnianiem metod beztlenowych w technologii oczyszczania Êcieków jest produkcja www.dashofer.pl 8

Usuwanie zwiàzków organicznych wysokoenergetycznego biogazu, który mo e byç wykorzystywany do celów grzewczych lub s u yç do generowania energii elektrycznej. Znaczàcy post p w technologii beztlenowego oczyszczania Êcieków spowodowany lepszym zrozumieniem podstaw biochemicznych i technologicznych procesu doprowadzi do zaprojektowania reaktorów beztlenowych nowej generacji oraz coraz powszechniejszego stosowania systemów anaerobowych do oczyszczania Êcieków przemys owych, z g ównie z bran y gorzelnianej, cukrowniczej, mleczarskiej, owocowo-warzywnej, ziemniaczanej, mi snej. G ówne rodzaje reaktorów, w których odbywa si przyrost biomasy bakteryjnej, to reaktory kontaktowe, filtry beztlenowe, reaktory fluidalne, reaktory wst pujàce typu UASB lub EGSB. Dodatkowo stosuje si równie modyfikacje tych urzàdzeƒ i ich ró norodne kombinacje. Beztlenowy proces kontaktowy przypomina metod osadu czynnego. Czas retencji biomasy mikroorganizmów jest wi kszy ni czas retencji Êcieków, co uzyskuje si przez recyrkulacj du ej cz Êci odp ywu do komory reakcji reaktora. Separacja biomasy osadu odbywa si najcz Êciej w osadnikach usytuowanych poza reaktorem. Oprócz wzrostu st enia mikroflory w reaktorze proces recyrkulacji sprzyja równie mieszaniu zawartoêci komory. Zaletà instalacji tego typu sà przede wszystkim niskie koszty inwestycyjne, prostota eksploatacji i ma a wra liwoêç na zak ócenia procesu. Jednak brak mo liwoêci uzyskiwania wysokich koncentracji biomasy beztlenowego osadu czynnego w komorze reakcji powoduje, e pracuje on przy stosunkowo niskich obcià eniach adunkiem zanieczyszczeƒ, w zakresie od 2,0 do 6,0 kg ChZT/m 3 d. Na Êwiecie beztlenowa metoda osadu czynnego stosowana jest do oczyszczania Êcieków z sektora spo ywczego, tj. przede wszystkim z przemys u cukrowniczego, destylarni, produkcji kwasu cytrynowego, skrobi, dro d owni, przetwórni owocowo-warzywnych, przemys u mi snego oraz Êcieków z zak adów chemicznych i farmaceutycznych. Âcieki z cukrowni przy wykorzystaniu beztlenowej instalacji kontaktowej oczyszcza si w Skandynawii. Reaktory typu UASB lub EGSB Beztlenowy proces kontaktowy Rysunek 1. Reaktor kontaktowy rysunek schematyczny (1 komora z beztlenowym osadem zawieszonym, 2 osadnik, ss Êcieki surowe, so Êcieki oczyszczone, BG biogaz, RCO recyrkulacja osadu). Rysunek 2. Beztlenowy reaktor kontaktowy firmy Koastal Eco Industries Co., Ltd. èród o: www.koastal-eco.com.vn www.dashofer.pl 9

Usuwanie zwiàzków organicznych Anamet Degremont Filtry beztlenowe Obecnie jedna z firm sprzedaje t technologi pod nazwà Anamet. Uk ad sk ada si z mechanicznie mieszanej komory reakcji wyposa onej w separator biomasy i osadnika. Innym popularnym systemem jest francuski Degremont, w którym recyrkulacja Êcieków sprzyja mieszaniu zawartoêci komory. Instalacja zbudowana jest z konwencjonalnego osadnika do separacji biomasy osadu i jednostki odgazowujàcej. Trzecim popularnym systemem kontaktowym jest instalacja oferowana przez jednà ze szwajcarskich firm, z o ona z bioreaktora kontaktowego mieszanego mechanicznie, po àczonego z systemem separacji biomasy umieszczonym w górnej cz Êci urzàdzenia. Filtry beztlenowe sà podobne w dzia aniu do filtrów u ywanych w uzdatnianiu wody czy tlenowym oczyszczaniu Êcieków niskost onych, z ma à zawartoêcià zawiesin. Komora reakcji wype niona jest porowatym materia em, najcz Êciej kszta tkami ceramicznymi lub z tworzyw sztucznych. Zanieczyszczenia zatrzymywane w procesie filtracji sà rozk adane przez bakterie tworzàce wokó wype nienia b on biologicznà lub rozwijajàce si w przestrzeniach filtracyjnych w postaci k aczków. Materia filtracyjny zwi ksza koncentracj mikroorganizmów w systemie, rozwiàzuje problem zwiàzany z retencjonowaniem osadu i zwi ksza czas retencji mikroorganizmów, pozwalajàc na szybszà degradacj zanieczyszczeƒ w Êciekach przy stosunkowo krótkim czasie retencji rz du kilku godzin. Rodzaj stosowanego wype nienia ma znaczàcy wp yw na uzyskiwane efekty oczyszczania Êcieków. SpoÊród wszystkich anaerobowych technologii, filtry beztlenowe wymagajà najd u szego okresu rozruchu od 2 do nawet 9 miesi cy. Urzàdzenia filtracyjne stosowane sà do oczyszczania Êcieków mleczarskich, z przemys u mi snego i tekstylnego. Najwi kszy na Êwiecie beztlenowy reaktor filtracyjny funkcjonowa przez wiele lat w fabryce Bacardi, oczyszczajàc Êcieki z destylarni. Obj toêç komory reakcji wynosi a 13 250 m 3, z czego 1/10 obj toêci stanowi o wype nienie plastikowe. Urzàdzenie to redukowa o adunek zanieczyszczeƒ rz du 136 t ChZT/d. Filtry o przep ywie zst pujàcym z wype nieniem PCV wykorzystywano na Êwiecie do oczyszczania Êcieków z destylarni, cukrowni, mleczarni oraz zak adów chemicznych. Zanotowano, e filtry wype nione ceramicznym materia em filtracyjnym u ywane w zak adach mleczarskich zapycha y zwiàzkami t uszczowymi si po dwóch latach eksploatacji. Rysunek 3. Filtr beztlenowy rysunek schematyczny (1 warstwa ograniczajàca, 2 warstwa filtracyjna, 3 warstwa podtrzymujàca, ss Êcieki surowe, so Êcieki oczyszczone, BG biogaz). Rysunek 4. Filtr beztlenowy firmy Dai Ichi Waste Treatment Co. Ltd pracujàcy w skali technicznej. èród o: www.daiichiwaste.com www.dashofer.pl 10