Rozbudowa i modernizacja oczyszczalni ścieków

• 1. Przestarzałe oczyszczalnie ścieków
• 2. Rozbudowa oczyszczalni ścieków
• 3. Rozbudowa oczyszczalni ścieków przy ubojni drobiu produkującej dania gotowe
• 4. Wnioski

1. Przestarzałe oczyszczalnie ścieków

Wiele oczyszczalni ścieków (OŚ) wybudowanych w ostatnich dziesięcioleciach w celu oczyszczania ścieków przemysłowych o wysokim stopniu zanieczyszczenia stało się przestarzałych z powodu różnych czynników:

• Wzrost zdolności produkcyjnych tych gałęzi przemysłu.
• Były one ograniczone przez niedobór wody i okresy suszy.
• Władze wprowadzają bardziej rygorystyczne limity dotyczące ChZT, BZT₅, zawiesiny, azotu całkowitego, fosforu, metali ciężkich i innych parametrów.

Z tych powodów często konieczne jest stosowanie oczyszczania trzeciego stopnia lub rozbudowa oczyszczalni, aby umożliwić bezpieczne odprowadzanie wody lub jej ponowne wykorzystanie.

Planując rozbudowę lub przebudowę oczyszczalni ścieków, należy wziąć pod uwagę:

• Zmniejszenie liczby niezbędnych urządzeń. Przykładem może być ewentualna rezygnacja z urządzeń do zagęszczania osadu, ponieważ systemy DAF wytwarzają osad o większej gęstości.
• Ograniczenie zużycia energii poprzez priorytetowe traktowanie energooszczędnych technologii.
• Zmniejszenie powierzchni potrzebnej do rozbudowy, ponieważ nowe urządzenia są mniejsze. 
• Ograniczenie ilości wytwarzanych osadów poprzez optymalizację warunków obciążenia i czasu leżakowania osadu, a także zwiększenie jego stężenia za pomocą innych procesów mechanicznego suszenia.
• Ponowne wykorzystanie oczyszczonych ścieków w procesach pomocniczych (mycie, wieże chłodnicze), jako wody użytkowej lub do nawadniania, co pozwala ograniczyć zużycie wody z sieci wodociągowej.

2. Rozbudowa oczyszczalni ścieków

Gdy oczyszczalnia ścieków przestaje wystarczać, pojawiają się różne rodzaje problemów:

• Nieprzyjemne zapachy
• Trudności związane z konserwacją wynikające z pracy na granicy możliwości
• Zwiększone wytwarzanie osadu
• Możliwy wzrost opłaty za wywóz śmieci
• Niezgodność z przepisami dotyczącymi składowania odpadów.

Jednym z głównych wyzwań związanych z rozbudową oczyszczalni ścieków jest ograniczona dostępność miejsca. Często konieczne jest wzmocnienie istniejącego systemu oczyszczania ścieków lub dodanie do niego nowych urządzeń, co wiąże się jednocześnie ze znacznym wzrostem ilości wytwarzanych osadów. Ponadto wiele z tych obiektów wykorzystuje technologie, które stały się przestarzałe w porównaniu z obecnie produkowanymi, bardziej wydajnymi i kompaktowymi rozwiązaniami.

W wielu przypadkach całkowita wymiana oczyszczalni ścieków na nową instalację jest niewykonalna, zarówno ze względu na wysokie koszty, jak i brak wystarczającej przestrzeni na budowę nowego obiektu przy jednoczesnym utrzymaniu obecnej instalacji w eksploatacji. Dlatego bardziej realistycznym rozwiązaniem jest stopniowa modernizacja poprzez rozbudowę lub wymianę kluczowych elementów istniejącego systemu, mająca na celu zwiększenie jego wydajności, efektywności oraz dostosowanie do nowych wymogów prawnych i eksploatacyjnych.

W innych przypadkach zdarza się, że stosowane technologie nie są w stanie zapewnić wymaganej jakości uzdatnionej wody, zwłaszcza gdy ma ona zostać odprowadzona do sieci kanalizacyjnej.

Un ejemplo claro es el cumplimiento de los límites de DQO y Nitrógeno cuando se emplean decantadores secundarios en tratamientos biológicos o reactores SBR, los cuales no alcanzan los rendimientos esperados en la separación de sólidos. Esta falta de rendimiento se puede deber al dimensionamiento insuficiente del elemento, o a las características de los sólidos que no tienen el índice de sedimentación (IVL o índice volumétrico de lodos) adecuado para su separación por decantación (IVL < 100).

Aby przeprowadzić te rozbudowy i ulepszenia, zazwyczaj stosuje się szereg strategii:

W procesie wstępnym (fizykochemicznym)

Coraz częściej zastępuje się systemy separacji grtradycyjne filtry (takie jak płyty koalescencyjne lub separatory gęstościowe) oraz systemy wstępnego osadzania przez urządzenia do flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF) lub przez systemy CAF (Flotacja powietrzna wywołana kawitacją).

Urządzenia te umożliwiają skuteczniejsze oddzielanie cząstek koloidalnych, zawiesin stałych, olejów i smarów oraz części substancji organicznych, zmniejszając w ten sposób ładunek zanieczyszczeń trafiający do dalszego oczyszczania biologicznego. Ich kompaktowa konstrukcja, modułowość, automatyzacja i niezawodność sprawiają, że idealnie nadają się do włączenia w istniejące linie oczyszczania.

System system DAF nadmiernie nasyca powietrzem, które następnie uwalnia się w postaci małych pęcherzyków wewnątrz pływaka; pęcherzyki te przylegają do zawieszonych cząstek stałych, unosząc je na powierzchnię, skąd są usuwane przez system mechanicznego zgarniacza. W przypadku CAF pęcherzyki powstają w wyniku kawitacji, generowanej w turbinie przez obrót.

System DAF może również zastąpić proces wtórnego osadzania, który następuje po procesie biologicznym. Takie połączenie reaktora biologicznego i systemu DAF znane jest jako FBR (Flotation Bioreactor).

W tej sytuacji systemy DAF pozwalają zmniejszyć zajmowaną przez reaktor powierzchnię dzięki pracy przy wyższych obciążeniach, przy stężeniach biomasy (MLSS) w przedziale 5–6 g/l, znacznie wyższych niż 3–4 g/l w reaktorach z dodatkowym osadnikiem.

Ponadto urządzenia DAF wytwarzają osady o wysokim stężeniu suchej masy (od 3 do 4%), podczas gdy w procesie sedymentacji stężenie to wynosi zaledwie 1%. Dzięki systemom DAF nie ma już potrzeby stosowania urządzeń do zagęszczania osadów pośrednich, co pozwala na znaczne oszczędności miejsca oraz ograniczenie liczby urządzeń i pomp.

Główne zalety instalacji flotacyjnych z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza to:

• Wymiana separatorów wstępnych w zakładach przetwórstwa tłuszczów i olejów (rzeźnie, mleczarnie, zakłady produkcji dań gotowych itp.).
• Poprawa wydajności w zakresie usuwania substancji stałych i obniżania wartości ChZT w oczyszczalniach dotkniętych przeciążeniem hydraulicznym lub organicznym.
• Optymalizacja obciążenia w procesie oczyszczania biologicznego (zmniejszenie zawartości ChZT i zawiesin o 40–60%).
• Wysoka skuteczność separacji (>90% SST, >80% ChZT).
• Zmniejszenie objętości osadu biologicznego.
• Prosty montaż i szybkie uruchomienie.

Jeśli od czasu budowy oczyszczalni ścieków wzrosła ilość wytwarzanych osadów, należy wziąć pod uwagę zalety i wady poszczególnych procesów mechanicznego odwadniania (wirówka, filtr taśmowy, prasa filtracyjna itp.). Prasy filtracyjne zapewniają największą stopień wysuszenia osadu (30–40%).

W terapii uzupełniającej (biologicznej)

W zależności od składu ścieków konieczne może być wzmocnienie procesu nitryfikacji i denitryfikacji. W tym celu można powiększyć strefy beztlenowe i strefy przedłużonego napowietrzania lub zastosować specjalistyczne technologie, takie jak reaktory MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor). Systemy te łączą wiele etapów oczyszczania biologicznego poprzez wykorzystanie ruchomych nośników („carriers”), które sprzyjają rozwojowi przylegającej biomasy. Taka konfiguracja optymalizuje usuwanie azotu i pozwala na przeprowadzenie utleniania biologicznego w mniejszej objętości, zwiększając w ten sposób wydajność procesu i zmniejszając wymaganą przestrzeń.

W niektórych przypadkach wysokie obciążenia organiczne mogą skłaniać do zainstalowania systemu beztlenowego przed systemem tlenowym, co pozwala poprawić wydajność biologiczną, wytwarzać biogaz oraz radykalnie ograniczyć wytwarzanie osadu.

Istnieją również zanieczyszczenia odporne lub niepodatne na biodegradację, jak ma to miejsce w przypadku niektórych związków organicznych w przemyśle tekstylnym, papierniczym, chemicznym, farmaceutycznym czy kosmetycznym. W takich przypadkach można zainstalować systemy zaawansowanego utleniania chemicznego (OAP), które umożliwiają rozbicie łańcuchów związków organicznych na inne, bardziej biodegradowalne. Najczęściej stosowane technologie wykorzystują energetyczne odczynniki utleniające, takie jak ozon (O₃) czy nadtlenki (H₂O₂), chlor w postaci dwutlenku (ClO₂)₂O₃), katalizatory UV. Po tym procesie następuje filtracja przez filtr wielowarstwowy (MMF) oraz granulowany węgiel aktywny (GAC).

Bioreaktory membranowe stanowią doskonałe rozwiązanie pozwalające wzmocnić i udoskonalić konwencjonalne oczyszczanie biologiczne. System MBR łączy oczyszczanie biologiczne z filtracją membranową (mikrofiltracją lub ultrafiltracją), umożliwiając usuwanie zawiesin, substancji organicznych, azotu i fosforu. Bioreaktory membranowe zapewniają wodę oczyszczoną o najwyższej jakości, którą w wielu przypadkach można ponownie wykorzystać. Ponadto ich niewielkie rozmiary pozwalają zaoszczędzić miejsce w zakładzie.

Las zalety główne elementy systemów MBR są :

• Zastąpienie lub rozszerzenie konwencjonalnych procesów biologicznych bez konieczności stosowania osadników ani zagęszczaczy.
• Wytwarzanie wody wysokiej jakości do ponownego wykorzystania (nawadnianie, wieże chłodnicze, procesy przemysłowe).
• Wyższe stężenie biomasy (MLSS 8–12 g/l), co pozwala zmniejszyć objętość reaktora.
• Calidad de efluente excelente (SS <1 mg/l, turbidez <0,2 NTU).
• Większa zdolność do pochłaniania szczytowych obciążeń zanieczyszczeniami, co jest częstym zjawiskiem w zakładach przemysłowych.
• Solidne i kompaktne urządzenia, które zapewniają niezawodną i ciągłą obróbkę.
• Mniejsze wytwarzanie nadmiarowego osadu w procesie biologicznym.
• Zmniejszenie śladu węglowego.
• Zautomatyzowana i stabilna praca.

Opcjonalnie systemy MBR można zintegrować z systemami trzeciego stopnia dezynfekcji lub odwróconej osmozy w celu bezpośredniego ponownego wykorzystania uzdatnionej wody.

3. Rozbudowa oczyszczalni ścieków przy ubojni drobiu, w której występują pewne obawy

Rzeźnie drobiowe wyposażone w linie do produkcji półproduktów wytwarzają ścieki o wysokim obciążeniu organicznym, zawierające znaczne ilości tłuszczów, białek, olejów, krwi, przypraw i dodatków.

Tradycyjne instalacje często okazują się niewystarczające, by spełnić wymagane normy zrzutu, zwłaszcza w zakresie ChZT, całkowitej zawartości zawiesin i tłuszczów.

Jako przykład podajemy rzeźnię drobiu, która dodatkowo zajmuje się produkcją dań gotowych i posiada oczyszczalnię ścieków odprowadzającą ścieki do sieci kanalizacyjnej. Instalacja ta posiada następujący proces oczyszczania:

• Oczyszczanie wstępne z sedymentacją wstępną
• Tradycyjne oczyszczanie biologiczne z wykorzystaniem osadu czynnego.
• Mechaniczne suszenie osadów za pomocą wirówki.

W poniższej tabeli przedstawiono podstawowy skład ścieków powstających w tej branży:

PARAMETR	JEDNOSTKA	ZBIÓR
pH	–	6,5–8
ChZT	mg/l	4 000–10 000
BHP	mg/l	2 000–4 000
Oleje i smary	mg/l	500–1 500
Azot całkowity	mg/l	80–150

Ścieki te składają się z odpadów pochodzących z uboju (krew, wnętrzności), parzenia i oskubywania, mycia tac, gotowania, nadziewania oraz czyszczenia sprzętu.

Instalacja składa się z następujących etapów oczyszczania:

W tym przypadku, który można uznać za bardzo częsty, proponuje się następujące działanie:

W procesie fizykochemicznym pierwotny osadnik zastępuje się instalacją do flotacji powietrzem rozpuszczonym. Celem jest usunięcie większości cząstek stałych, tłuszczów oraz części ChZT, aby zmniejszyć obciążenie, które trafi do oczyszczania biologicznego.

Konfiguracja systemu DAF składa się z:

• Urządzenia do dozowania koagulantów i flokulantów, które są wprowadzane do wężownicy flokulacyjnej w celu zapewnienia prawidłowej reakcji.
• Urządzenie DAF z systemem rozprowadzania powietrza, powierzchniowym usuwaniem osadu za pomocą zamiatarki mechanicznej oraz automatycznym opróżnianiem dna.
• System utrzymywania ciśnienia z pompą recyrkulacyjną wody, nasycaniem powietrzem pod ciśnieniem oraz napowietrzaniem z redukcją ciśnienia i rozprowadzaniem pęcherzyków powietrza w zbiorniku pływakowym.

Wyniki osiągnięte przez oczyszczalnię ścieków po tej modyfikacji są następujące:

• SST: redukcja >90%
• ChZT: zmniejszenie o 40–60%
• Tłuszcze: usunięcie >90%

W ramach oczyszczania wtórnego proponuje się przebudowę konwencjonalnego reaktora biologicznego z osadem czynnym w celu przekształcenia go w system MBR z membranami zanurzonymi w przyległym zbiorniku.

Celem jest utlenienie substancji organicznych, które przedostają się z filtra DAF, oraz usunięcie azotu, co pozwala uzyskać klarowny ściek, wolny od cząstek stałych i nadający się do ponownego wykorzystania.

Proponowana konfiguracja bioreaktora membranowego jest następująca:

Układ dodatkowego zbiornika zawierającego płaskie, zanurzone membrany mikrofiltracyjne wraz z osprzętem do recyrkulacji, czyszczenia powietrzem, płukania chemicznego i usuwania osadu.

Po tej modernizacji podstawowe parametry uzdatnionej wody są następujące:

PARAMETR	JEDNOSTKA	LIMIT ZRZUTÓW (*)	ŚCIEKY PRZETWORZONE
ChZT	mg/l	125–150	≤ 50
BHP	mg/l	35–60	≤ 5
Oleje i smary	mg/l	10–25	≤ 10
N – NH₄⁺	mg/l	15–35	≤ 10

(*) Limity zrzutu do drenażu publicznego zależą od zlewni oraz od konkretnego zezwolenia na zrzut.

Na podstawie tych wyników można zaobserwować następujące ulepszenia po modernizacji oczyszczalni ścieków:

• Ogólna redukcja ChZT > 95%, SST > 98%.
• Ścieki nadające się do ponownego wykorzystania w usługach i nawadnianiu.
• Zmniejszenie rzędu  40% objętości osadu.
• Przestrzeganie przepisów dotyczących składowania odpadów i oszczędności w opłatach za składowanie.
• Brak nieprzyjemnych zapachów.
• Zmniejszenie powierzchni w porównaniu z systemami konwencjonalnymi.
• Praca stabilna, z możliwością automatyzacji i mniej wrażliwa na zmienne obciążenia

Poniżej przedstawiono inne potencjalne ulepszenia dla analizowanej oczyszczalni ścieków:

• Zainstalowanie systemu dezynfekcji promieniami UV lub chlorowania w celu ponownego wykorzystania wody do czyszczenia.
• Beztlenowy rozkład osadu, jeśli celem jest uzyskanie biogazu do wykorzystania energetycznego.
• Monitorowanie online ChZT, TOC, przepływu, ciśnienia membran oraz tlenu rozpuszczonego.
• Zastąpienie wirówki do osadu prasą filtracyjną, co pozwoli zwiększyć zawartość substancji stałych (suchość) w osadzie do 25–30%.

Po wprowadzeniu tych zmian sekwencja operacji wyglądałaby następująco:

Odparowywanie próżniowe jest bardziej odpowiednie, gdy chce się wykorzystać pozostałości lub gdy wymagane jest uzyskanie wysokiego stężenia pozostałości ze względu na ich niebezpieczeństwo lub złożoność. W takich przypadkach można zrekompensować początkową inwestycję i wysokie zużycie energii.

Filtry taśmowe i odśrodkowe najlepiej sprawdzają się w przypadku dużych przepływów prostych osadów, takich jak te pochodzące z miejskich oczyszczalni ścieków. Zapewniają one odpowiednią koncentrację osadu, dostosowaną do standardowych składowisk, przy stosunkowo niskich kosztach instalacji i eksploatacji.

4. Wnioski

Rozwój przemysłowy i dywersyfikacja produktów zazwyczaj wiążą się ze wzrostem zarówno przepływów, jak i ilości zanieczyszczeń, które muszą być oczyszczane przez oczyszczalnie ścieków. Takie przeciążenie może doprowadzić do przeciążenia istniejących oczyszczalni ścieków, co zagraża skuteczności oczyszczania i przestrzeganiu limitów zrzutu.

Rosnące wymagania prawne oraz zobowiązania w zakresie zrównoważonego rozwoju napędzają modernizację wielu oczyszczalni ścieków przemysłowych. W tym kontekście wdrożenie zaawansowanych technologii, takich jak systemy flotacji rozpuszczonym powietrzem (DAF) i bioreaktory membranowe (MBR), pozwala nie tylko znacznie poprawić jakość końcowego ścieku, ale także zoptymalizować działanie, zmniejszyć powierzchnię zajmowaną przez instalację oraz ułatwić ponowne wykorzystanie oczyszczonej wody.

Konwencjonalne systemy oczyszczania, oparte na osadnikach wstępnych, tradycyjnych reaktorach biologicznych i osadnikach wtórnych, w wielu przypadkach okazują się niewystarczające lub nieefektywne w obliczu nowych wymagań. Modernizacja przemysłowych oczyszczalni ścieków, obejmująca technologie takie jak systemy DAF i MBR, pozwala sprostać obecnym wyzwaniom związanym z oczyszczaniem ścieków:

• Obniżenie kosztów operacyjnych.
• Zwiększenie mocy przerobowych.
• Zwiększa wydajność zakładu.

Bibliografia i źródła

• Metcalf & Eddy (2020), Inżynieria ściekowa: oczyszczanie i odzysk surowców.
• Judd, S. (2011), Książka o MBR: Zasady i zastosowania bioreaktorów membranowych w uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków.
• Capodaglio, A. G. (2019), Zaawansowane oczyszczanie ścieków
• Wydajne i trwałe urządzenia do flotacji powietrzem rozpuszczonym
• System flotacji z wykorzystaniem kawitowanego powietrza (CAF) do oczyszczania ścieków
• Bioflotacja FBR: Reaktor biologiczny + osadzanie DAF
• Filtry prasowe z bocznym przesuwem do odwadniania osadów
• System MBR – bioreaktory membranowe do oczyszczania ścieków 
• Flokulator PFL do koagulacji i flokulacji – SIGMADAF