mgr inż. Marek Pieczykolan, mgr inż. Piotr Romańczuk,

1. WSTĘP

Oczyszczalnia Ścieków Tychy - Urbanowice jest oczyszczalnią zarządzaną przez Regionalne Centrum Gospodarki Wodno - Ściekowej S.A. w Tychach. Jest to mechaniczno - biologiczna oczyszczalnia ścieków, współpracująca z siecią kanalizacyjną, do której dopływają ścieki z miasta Tychy, w tym podczyszczone ścieki z browaru. Przepustowość oczyszczalni wynosi 42 000 m³/d, natomiast dopływający na oczyszczalnię ładunek zanieczyszczeń wyrażony jako RLM przekracza 200 000 M.

W czerwcu 2005r. w ramach modernizacji części biologicznej Oczyszczalni Ścieków Tychy - Urbanowice, realizowanej przez RCGW S.A., został uruchomiony nowoczesny ciąg ściekowy    C-TECH według technologii oferowanej przez austriacką firmę SFC UMWELTTECHNIK GmbH. Technologia osadu czynnego C-TECH jest odmianą oczyszczania ścieków w reaktorach sekwencyjnych SBR wspomaganą beztlenowym selektorem. Reaktory C-TECH powstały po wyremontowaniu i zaadoptowaniu na ciąg ściekowy czterech istniejących Otwartych Basenów Fermentacyjnych. Są to pierwsze w Polsce reaktory SBR w technologii C-TECH o pojemności czynnej 4000 m³/reaktor współpracujące z beztlenowym selektorem. Ciąg reaktorów C-TECH przystosowany jest do pogłębionego usuwania związków biogennych w procesie biologicznej defosfatacji, denitryfikacji oraz nitryfikacji. Zastosowana technologia pozwala na uzyskanie wartości stężeń zanieczyszczeń w ściekach oczyszczonych odpowiadających wymogom Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 8 lipca 2004 r.

2. OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW WEDŁUG TECHNOLOGII  C-TECH               

Technologia osadu czynnego C-TECH jest odmianą oczyszczania ścieków w reaktorach sekwencyjnych SBR wspomaganą beztlenowym selektorem. Biologiczny rozkład zanieczyszczeń oraz separacja osadu czynnego od ścieków prowadzone są w następujących po sobie fazach napełniania z napowietrzaniem, sedymentacji oraz dekantacji. Wszystkie fazy przebiegają w jednym reaktorze, a utrzymywanie zmiennego profilu stężenia tlenu w trakcie całego cyklu oczyszczania sprzyja symultanicznej nitryfikacji, denitryfikacji, a także biologicznej defosfatacji.

Praca oczyszczalni z reaktorami C-TECH przedstawia się następująco: ścieki po mechanicznym oczyszczaniu, przed wprowadzeniem do właściwego reaktora, dopływają w ilości nie większej niż 16 500 m³/d i 1000 m³/h do wydzielonego, beztlenowego selektora. Selektor stanowi żelbetowy, dwukomorowy zbiornik o łącznej pojemności 1400 m³. Każda komora selektora współpracuje z jedną parą reaktorów C-TECH. W selektorze dopływające ścieki mieszane są z osadem  recyrkulowanym z reaktora. Przepływ ścieków jest labiryntowy i wymuszony przez odpowiednią konstrukcję ścian oraz przelewów. Ponadto selektor został wyposażony w ruszt napowietrzający, który jest uruchamiany na kilka minut raz na dobę, w celu wzruszenia ewentualnych złogów osadu zalegających na dnie selektora. Zaszczepienie osadem czynnym ścieków mechanicznie oczyszczonych ma na celu obniżenie zawartości łatwo przyswajalnych związków organicznych dopływających wraz ze ściekami surowymi, a także denitryfikację azotanów doprowadzanych wraz z osadem recyrkulowanym. Stężenie osadu czynnego w selektorze jest mniejsze niż w reaktorze i wynika ze stopnia recyrkulacji. Dla maksymalnego przepływu ścieków stopień recyrkulacji został określony na poziomie 45% dopływu. 

Rola selektora polega na zapobieganiu rozwojowi bakterii nitkowatych, które pogarszają właściwości sedymentacyjne osadu, co z kolei może spowodować wynoszenie osadu z reaktora podczas dekantacji ścieków oczyszczonych. Dzięki selektorowi utrzymywany jest zatem w układzie osad o odpowiednich właściwościach sedymentacyjnych. Kolejną funkcją beztlenowego selektora jest zapoczątkowanie procesu biologicznej defosfatacji. W zależności od efektu usunięcia fosforu na drodze biologicznej istnieje możliwość chemicznego strącania fosforu koagulantem żelazowym doprowadzanym do selektora.

Ścieki następnie kierowane są do reaktorów C-TECH poprzez automatyczne zasuwy wylotowe w selektorze. Rozpoczyna się faza napełniania i napowietrzania  reaktora. Mieszanie zawartości reaktorów odbywa się tylko za pomocą sprężonego powietrza, reaktory nie są wyposażone w mieszadła. W trakcie fazy napowietrzania i napełniania utrzymywane jest stężenie tlenu na poziomie 2 mg/dm³. Do napowietrzania ścieków służą dyfuzory drobnopęcherzykowe zasilane z hali dmuchaw. W warunkach aerobowych zachodzi zatem nitryfikacja oraz biologiczna defosfatacja. Stężenie tlenu rozpuszczonego w każdym reaktorze jest mierzone za pomocą sondy tlenowej w sposób ciągły w celu utrzymania zalecanego profilu stężenia tlenu. Możliwe jest prowadzenie procesu napowietrzania w 3 trybach: w trybie profilowym, w trybie z kontrolerem OUR  (z ang. Oxygen Uptake Rate - szybkość zużycia tlenu) oraz w trybie napowietrzania cyklicznego (tryb pulsacyjny). W trybie profilowym stężenie tlenu w reaktorze porównywane jest przez centralne urządzenie sterujące z zadaną wartością. Urządzenie to zwiększa lub zmniejsza wydajność dmuchaw tak, aby stężenie tlenu rozpuszczonego w reaktorze odpowiadało zadanej wartości. Istnieje możliwość podziału fazy napowietrzania na okresy o różnej, określonej wartości tlenu rozpuszczonego. W trybie pracy z kontrolerem OUR mierzona jest szybkość zużycia tlenu, a centralne urządzenie sterujące ustala odpowiedni czas i intensywność napowietrzania. Dzięki takiemu rozwiązaniu, do reaktora dostarczana jest minimalna, wymagana ilość powietrza, zależna od składu dopływających ścieków. Napowietrzanie w trybie pulsacyjnym polega na cyklicznym załączaniu i wyłączaniu dmuchaw, przez co faza napowietrzania zostaje podzielona na wiele podcykli napowietrzania i braku napowietrzania. Napowietrzanie może być zatem tak regulowane, aby maksymalizować proces nitryfikacji i denitryfikacji.

Po zakończeniu fazy napełniania/napowietrzania reaktora następuje sedymentacja osadu czynnego. Jednocześnie następuje automatyczne wyłączenie pompy recyrkulacji osadu. Stężenie tlenu w reaktorze spada poniżej 0,1 mg/dm³, dzięki czemu możliwy jest proces denitryfikacji.

            Ostatnią fazą pracy reaktora C-TECH jest dekantacja oczyszczonych ścieków. Odpływ ścieków z reaktora odbywa się za pomocą ruchomego ramienia dekantera. Podczas fazy napełniania napowietrzania i oraz sedymentacji dekantery pozostają w pozycji nieruchomej ponad powierzchnią ścieków, ich praca rozpoczyna się pod koniec fazy sedymentacji. Silnik napędzający dekanter pracuje z dwoma prędkościami. Opuszczanie dekantera rozpoczyna się z większą prędkością do momentu osiągnięcia przez czujnik poziomu powierzchni ścieków. Od tego momentu rozpoczyna się faza dekantacji, a dekanter porusza się z ustaloną prędkością, zależną od wyznaczonego tempa przepływu na przelewie dekantera oraz objętości ścieków przeznaczonych do dekantacji. Wielkość rynien dekantacyjnych jest tak obliczona, aby w okolicy przelewu występował przepływ laminarny, a ilość dekantowanych ścieków była utrzymywana na stałym poziomie. Czas dekantacji definiuje się jako czas obniżania poziomu napełnienia reaktora z górnego poziomu operacyjnego do wyznaczonego dolnego poziomu operacyjnego. Po skończonej dekantacji dekanter wraca z większą prędkością do pozycji wyjściowej i zatrzymuje się. Niewątpliwą zaletą dekantera jest jego konstrukcja. Jest on wyposażony w osłonę, dzięki czemu do odpływu nie przedostają się części pływające pozostające na powierzchni ścieków.

W trakcie fazy dekantacji następuje dalsza sedymentacja osadu. Przy dnie reaktora tworzy się warstwa osadu o stężeniu ok. 8-10 kg/m³. Pod koniec każdej fazy dekantacji odprowadzany jest z reaktora osad nadmierny. Czas zagęszczania osadu jest więc maksymalnie wydłużony. Łączny czas trwania fazy sedymentacji i dekantacji jest krótszy od czasu koniecznego do ponownego uwolnienia fosforu z osadu.

3. KONTROLA PROCESU OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW          

Praca w każdym z wymienionych cykli jest uwarunkowana zastosowaniem określonych parametrów kontrolnych. Kontrola procesu polega na utrzymywaniu właściwego stężenia osadu w reaktorach oraz regulacji poziomu tlenu rozpuszczonego, koniecznego do utrzymania właściwej aktywności biologicznej w danym cyklu operacyjnym. System pozwala na elastyczne dostosowanie czasu napowietrzania w całkowitym czasie cyklu. Przykładowo, przy niższym dopływającym ładunku zanieczyszczeń, nie zachodzi potrzeba utrzymywania w reaktorach stałego stężenia tlenu podczas fazy napełniania i napowietrzania.

 Reaktory typu C-TECH mogą pracować w różnych sekwencjach czasowych, w zależności od wymagań jakościowych stawianych ściekom oczyszczonym, jak również w zależności od ilości i jakości ścieków dopływających. W przypadku utrzymującego się zwiększonego dopływu ścieków spowodowanego występowaniem opadów atmosferycznych lub infiltracją wód gruntowych, standardowy czas pracy reaktorów może ulec skróceniu.

Cykliczna technologia osadu czynnego C-TECH charakteryzuje się tym, że cały proces oczyszczania przebiega w jednym reaktorze, przez co eliminuje się konieczność zastosowania osadnika wtórnego. Taki sposób pracy sprawia, że zbyteczna staje się recyrkulacja dużych ilości ścieków, jak ma to miejsce w układach oczyszczania z predenitryfikacją. Nie ma również potrzeby tworzenia odrębnych stref anoksycznych. Uzyskuje się dzięki temu zmniejszenie potrzebnej powierzchni pod budowę reaktorów. Ponadto w technologii C-TECH możliwe jest dostosowanie czasu trwania poszczególnych faz pracy w zależności od jakości i ilości ścieków dopływających do reaktora, a także od jakości ścieków oczyszczonych. Zastosowanie selektora umożliwia zapoczątkowanie procesu biologicznej defosfatacji jak również zapobiega rozwojowi bakterii nitkowatych, niepożądanych w nadmiernych ilościach w układach oczyszczania. Istotną zaletą technologii C-TECH jest oszczędność energii, którą uzyskuje się przez doprowadzanie do reaktorów minimalnej, wymaganej ilości powietrza potrzebnej do efektywnego oczyszczania ścieków. 

Do najważniejszych zalet technologii C-Tech w stosunku do technologii konwencjonalnych można zaliczyć:

- brak osadnika wtórnego i tym samym bardzo zwartą, estetyczną zabudowę,

- niskie koszty inwestycyjne,

- brak potrzeby stosowania dodatkowych mieszadeł,

- brak możliwości rozwoju bakterii nitkowatych powodujących zjawiska pęcznienia i puchnięcia osadu,

- elastyczność technologii i odporność na ładunkowe oraz hydrauliczne nierównomierności w dopływie,

- występowanie jedynie wewnętrznej recyrkulacji osadu,

- sterowanie procesem napowietrzania, umożliwiające doprowadzanie potrzebnej minimalnej ilości powietrza do reaktorów, co wpływa na obniżenie kosztów eksploatacyjnych.

4. PARAMETRY TECHNOLOGICZNE OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW W TECHNOLOGII C-TECH NA OŚ TYCHY- URBANOWICE

Omawiany układ technologiczny C-TECH na Oczyszczalni Tychy – Urbanowice pracuje przy następujących parametrach:

- ilość selektorów: 2 szt.,

- 2 dmuchawy zasilające selektor (1 + 1 rez.): wydajność Q= 990 Nm³/h,

- ilość bioreaktorów: 4 szt.,

- średnica 1 reaktora: 35 m,

- 5 dmuchaw zasilające reaktory C-TECH (po 2 na każdy reaktor + 1 rez.):
wydajność Q= 3300 Nm³/h,   

- standartowy czasy trwania poszczególnych faz w jednym bioreaktorze:

- napełnianie z napowietrzaniem: 126 min,

- sedymentacja: 63 min,

- dekantacja: 63 min,

- stężenie osadu w reaktorze: 4,0- 5,5 kg SM/m³,

- stężenie osadu nadmiernego: 8-10 kg SM/m³,

- obciążenie osadu: 0,05- 0,12 kg BZT₅/kg SM*d,

- wiek osadu: 12-19 d.

Utrzymanie w/w parametrów technologicznych i odpowiedni skład dopływających ścieków gwarantuje uzyskanie ścieków oczyszczonych o wymaganej jakości, określonej w pozwoleniu wodnoprawnym.  W tabelach 1 i 2 przedstawiono jakość ścieków mechanicznie oczyszczonych i odpływających z ciągu C-TECH, natomiast rys. 1 przedstawia stopień usunięcia zanieczyszczeń w okresie III-V 2006.

Tabela nr 1

Tabela nr 2

Rys. 1. Stopień usunięcia zanieczyszczeń w technologii C-TECH za okres III-V.2006r.

Technologia C-TECH zapewnia bardzo wysoki stopień usunięcia zanieczyszczeń (rys. 1). Średnie stopnie redukcji ChZT, BZT₅, i zawiesiny ogólnej przekraczają 90%, dla azotu ogólnego i fosforu redukcja wynosi odpowiednio 81% i 89%. Zakładany stopień redukcji fosforu na drodze biologicznej w technologii C-TECH wynosi 80%, co przy ilości dopływającego na oczyszczalnię fosforu pozwala uzyskać  2-3 mgP /dm³ w odpływie z C-TECH. Pozostała cześć fosforu strącana jest chemicznie.

Uzyskana zawartość fosforu w odpływie z C-TECH po połączeniu ze ściekami w drugim ciągu technologicznym na OŚ Tychy- Urbanowice daje wartość fosforu poniżej 1 mgP/dm³. W komorach osadu czynnego (KOCZ) fosfor jest usuwany tylko na drodze biologicznej w bardzo wysokim stopniu. Oczyszczone ścieki z obu ciągów odpływają wspólnym kanałem, zatem stężenie fosforu ogólnego w odpływie z C-TECH (ilość dodawanego do selektora środka strącającego) uzależnione jest od efektów biologicznej defosfatacji w reaktorach KOCZ.

Na uwagę zasługuje wysoki stopień usunięcia azotu ogólnego w reaktorach w tej C-TECH.

Średni indeks Mohlmana osadu w reaktorach C-TECH od początku okresu eksploatacji wynosi 143 cm³/g. Jest to wartość większa w stosunku do zakładanej 120 cm³/g, jednakże nie powoduje pogorszenia odpływu wskutek wynoszenia zawiesin z reaktorów. Utrzymywanie niskiej zawartości zawiesiny ogólnej w odpływie z reaktorów C-TECH  możliwe jest również dzięki konstrukcji dekantera.

Proces oczyszczania ścieków w technologii C-TECH cechuje ponadto niski współczynnik energochłonności, wynoszący w badanym okresie 0,49 kWh/ kg usuniętego ChZT.

5. PODSUMOWANIE

Technologia C-TECH to przykład nowoczesnego rozwiązania oczyszczania ścieków w reaktorach SBR. W ciągu rocznej eksploatacji na Oczyszczalni Tychy - Urbanowice uzyskano bardzo wysoki stopień oczyszczania ścieków, przy dopływie ścieków przemysłowych (BZT₅/ChZT dopływających ścieków wynosi 0,50). Przedstawione powyżej wyniki dotyczą okresu zimowo - wiosennego, szczególnie trudnego w eksploatacji systemów oczyszczania ścieków. Poprzedzenie reaktorów okresowych SBR beztlenowym selektorem pozwala na uzyskanie bardzo dobrych efektów oczyszczania. Obecność beztlenowego selektora umożliwia utrzymywanie w układzie osadu o odpowiednich własnościach sedymentacyjnych oraz prowadzenie biologicznej defosfatacji. Ze względu na krótki okres eksploatacji wszystkie funkcje selektora nie zostały jeszcze poznane i zdefiniowane. Rola selektora w oczyszczaniu ścieków w technologii C-TECH będzie przedmiotem dalszych obserwacji i badań. W perspektywie kolejnych lat eksploatacji ciągu reaktorów C-TECH przewiduje się dalszą optymalizację procesu oczyszczania.

Artykuł opublikowano w czasopiśmie „Gaz, woda i technika sanitarna” nr 7-8’2006