Proces Nereda® – oczyszczanie ścieków za pomocą

NIEZAWODNA KONTROLA PROCESU DZIĘKI PROGNOSYS
Proces Nereda® – oczyszczanie ścieków
za pomocą granulowanego tlenowego
osadu czynnego
Wprowadzenie
Podstawowym procesem warunkującym uzyskanie wysokiej efektywności oczyszczania w technologii
osadu czynnego jest separacja biomasy osadu czynnego od ścieków oczyszczonych. Wysoką efektywność separacji gwarantuje zastosowanie technik fizycznych (bioreaktory membranowe), ale
ważnym obszarem prowadzonych badań jest poprawienie charakterystyki sedymentacyjnej osadu
czynnego. Podstawową cechą biomasy o dobrych właściwościach sedymentacyjnych jest ziarnista
struktura, tj. wytworzenie dużych, zbitych i gęstych cząstek o dużym ciężarze właściwym.
Technologia oczyszczania ścieków z wykorzystaniem granulowanego tlenowego osadu czynnego
została opracowana w 1995 r. przez Marka van Loosdrechta z Uniwersytetu Technicznego w Delft
(DUT), a następnie przystosowana do zastosowań komercyjnych w skali technicznej przez Royal
HaskoningDHV, holenderską firmę inżynieryjno-konsultingową. Opracowane rozwiązanie jest znane
jako technologia Nereda® .
Technologia Nereda® została wdrożona na wielu obiektach przemysłowych i komunalnych, na których udowodniono jej efektywność i stabilność. Pierwsze instalacje przemysłowe w skali technicznej
powstały w 2005 roku. W tym samym czasie technologia była przystosowywana do wdrożenia na
obiektach komunalnych w skali technicznej. Po zbudowaniu pełnowymiarowych instalacji demonstracyjnych w Republice Południowej Afryki i Portugalii, w 2011 roku wdrożono technologię Nereda® na
oczyszczalni ścieków komunalnych w Epe (59 000 RLM), a w 2013 w Garmerwolde (140 000 RLM).
W obu oczyszczalniach uzyskano znaczącą poprawę stabilności procesu i jakości ścieków oczyszczonych (np. oczyszczalnia w Epe spełnia wymagania Nog <5 mg/L, Pog <0,3 mg/L), a także większą
oszczędność energii (>30 %) w porównaniu do tradycyjnych procesów osadu czynnego. Obecnie
działa lub jest projektowanych 25 instalacji i 8 obiektów testowych Nereda® różnej wielkości
(od 15 000 do 950 000 RLM).
Granulowany tlenowy osad czynny
Sposób prowadzenia procesu w technologii Nereda® bardziej sprzyja powstawaniu granulek niż kłaczków. Granulki
aerobowe definiuje się jako ˝agregaty pochodzenia mikrobiologicznego, które nie ulegają koagulacji w warunkach
zmniejszonego naprężenia ścinającego w płynie, dzięki
czemu ich sedymentacja przebiega znacznie szybciej niż
w przypadku kłaczków osadu czynnego”*. Główne cechy
charakteryzujące granulki aerobowe to minimalna średnica
0,2 mmwartości i 5-minutowego indeksu objętościowego
osadu (IO5) porównywalne do wartości 30-minutowego
indeksu objętościowego (IO30) tradycyjnego osadu czynnego.
* Pierwsze warsztaty nt. granulatu aeorobowego, Monachium 2004
Granulowany tlenowy osad czynny ma szereg zalet w porównaniu do konwencjonalnych kłaczków osadu czynnego,
m.in. odznacza się szybszą sedymentacją prowadzącą do
lepszego zatrzymania biomasy i zwiększenia jej zagęszczenia.
Ponadto wytworzone struktury stanowią uporządkowane
podłoże dla wzrostu biomasy, zawierające strefy o warunkach
anaerobowych, aerobowych i anoksycznych zasiedlone
przez różne mikroorganizmy, w tym organizmy akumulujące fosfor (PAO), nitryfikatory, denitryfikatory i organizmy
akumulujące glikogen (GAO).
Umożliwia to symultaniczny przebieg wszystkich procesów
wymaganych do usuwania biogenów, dzięki czemu proces
się upraszcza i jest możliwa jego realizacja na minimalnej
powierzchni terenu.
NIEZAWODNA KONTROLA PROCESU DZIĘKI PROGNOSYS
Proces Nereda®
Proces Nereda® wykorzystuje zoptymalizowany cykl pracy sekwencyjnego reaktora biologicznego (SBR), w którym 4 etapy
typowego cyklu SBR zostały zastąpione 3 etapami (rysunek 1):
1. Jednoczesne napełnianie/dekantacja. W tej fazie cyklu ścieki surowe są wpompowywane do reaktora i jednocześnie
odprowadzane są ścieki oczyszczone.
2. Napowietrzanie. W fazie napowietrzania zachodzą procesy biochemiczne oczyszczania ścieków. Zewnętrzna warstwa
granulek jest aerobowa i gromadzą się na niej bakterie nitryfikujące. Powstałe azotany są denitryfikowane w anoksycznym
rdzeniu granulek. Następuje również wiązanie fosforu.
3. Sedymentacja. Po fazie reakcji wymagany jest etap sedymentacji w celu oddzielenia ścieków oczyszczonych od mikroorganizmów osadu granulowanego. Etap ten jest krótki dzięki doskonałym właściwościom sedymentacyjnym osadu.
Następnie układ jest gotowy do rozpoczęcia nowego cyklu pracy.
Kluczowe zalety technologii Nereda®:
Niskie koszty
• Zwarta i nieskomplikowana konstrukcja zbiornika
• Mniejsza ilość urządzeń mechanicznych
• Brak potrzeby stosowania wydzielonych osadników
wtórnych
Prosta eksploatacja
• Wysoka efektywność i stabilność procesu
• Możliwość pełnej automatyzacji pracy instalacji
Zrównoważenie procesu
• Wysoka klarownośc ścieków oczyszczonych i skuteczne
usuwanie substancji biogennych
• Minimalne zużycie lub brak zużycia środków
chemicznych
Rysunek 1: Przebieg cyklu w technologii Nereda®:
1. jednoczesne napełnianie/dekantacja, 2. napowietrzanie,
3. sedymentacja
• Niskie zużycie energii elektrycznej
NIEZAWODNA KONTROLA PROCESU DZIĘKI PROGNOSYS
Sterowanie procesem Nereda®
7
0
W zależności od wymaganej jakości ścieków oczyszczonych i efektywności energetycznej sterowanie procesem
Nereda® jest prowadzone na podstawie pomiarów on-line
stężeń azotu amonowego, ortofosforanów i tlenu rozpuszczonego oraz potencjału oksydacyjno-redukcyjnego (ORP).
W przypadku mniej surowych wymagań dotyczących jakości ścieków oczyszczonych głównymi parametrami kontrolnymi procesu są zwykle stężenie tlenu rozpuszczonego i
ORP. Jak w przypadku wszystkich zaawansowanych systemówsterowania, tak i w tym przypadku pożądana jest wysoka wiarygodność wartości pomiarów.
6
5
5
0
0
4
5
Stężenia azotu amonowego i ortofosforanów są mierzone
za pomocą analizatorów Amtax sc (NH4 +) i Phosphax sc
(PO43-) w wersjach odpornych na warunki atmosferyczne.
Pomiar za pomocą analizatorów odbywa się w następujący
sposób: próbka do analizy jest pobierana z reaktora Nereda,
wstępnie filtrowana (filtr o średnicy porów <0,45 mikrometrów) przez samoczyszczący się moduł i transportowana do
analizatora. Czas analizy w w przypadku obu analizatorów
wynosi około 5 minut. Czujniki tlenu (LDO sc) i pH/ORP
(pHD-S sc) umieszcza się bezpośrednio w reaktorze, dzięki
czemu wartości pomiarowe są uzyskiwane w czasie rzeczywistym.
Na rysunku 2 przedstawiono linie ilustrujące zmienność
poszczególnych wartości pomiarowych z czujników i analizatorów w fazie napowietrzania. Podczas tej fazy utrzymywana jest stała wartość stężenia tlenu rozpuszczonego
jednocześnie można zaobserwować spadek stężenia azotu
amonowego i ortofosforanów. Wzrost wartości potencjału
oksydacyjno-redukcyjnego (ORP) wynika ze zwiększania
się proporcji form utlenionych do zredukowanych.
W oczyszczalniach w Epe i Garmerwolde ważnym parametrem kontroli procesu Nereda® w fazie napowietrzania jest
wartość stężenia NH4 + podawana przez analizator Amtax sc.
Wiarygodność pomiaru NH4 + i innych pomiarów jest stale
0
3
0
0
5
0
0
0
1
2
1
2
1
0
W oczyszczalni ścieków w Epe wiarygodność pomiarów
stężeń azotu amonowego, azotanowego i ortofosforanów
jest gwarantowana przez predykcyjny system diagnostyczny
Prognosys, który monitoruje i interpretuje wewnętrzne sygnały przyrządów pomiarowych oraz na tej podstawie informuje użytkownika o stanie urządzeń pomiarowych.
Informacja dla użytkownika wyświetlana jest jako wartość
procentowa oraz podpowiedź o koniecznych czynnościach
eksploatacyjnych, dzięki czemu możliwe jest podjęcie odpowiednich działań przed utratą wiarygodności pomiarów
mających istotny wpływ na sterowanie procesem.
0
1
7
3
2
1
2
1
6
:
0
0
:
0
0
7
3
1
2
1
6
:
3
0
:
0
0
7
3
N
1
H
2
1
4
7
:
N
0
0
:
0
0
7
P
3
O
1
2
4
1
7
P
:
3
0
:
0
0
7
O
3
2
1
2
1
8
:
0
0
:
0
0
7
O
R
3
1
2
1
8
:
3
0
:
0
0
7
3
1
2
1
9
:
0
0
5
:
0
0
0
P
Rysunek 2: Zmiany wartości pomiarów on-line w fazie napowietrzania w procesie Nereda®
monitorowana przez system Prognosys oraz klasyfikowana
za pomocą wartości procentowych i wizualizowana w postaci
paska pomiarowego. Gdy wartość wskaźnika pomiarowego
zaczyna spadać poniżej 100 % jest wystarczająco dużo
czasu na podjęcie działań, zanim wyniki staną się niewiarygodne. Po spadku wartości poniżej 50 % uruchamiana jest
alternatywna strategia sterowania napowietrzaniem wykorzystująca wartość potencjału oksydacyjno-redukcyjnego
w mV podawaną przez czujnik ORP jako sygnał rezerwowy.
Przesyłanie danych i komunikacja
Wszystkie sygnały pomiarowe z jednego reaktora są zbierane przez jeden przetwornik SC1000. Do komunikacji
między przetwornikiem a sterownikiem PLC AquaSuite®
Nereda® używany jest protokół TCP/IP. Przetwornik i połączone z nim przyrządy można monitorować zdalnie za pośrednictwem sieci. Oznacza to, że można odbierać zarówno
wartości pomiarów, jak i stany przyrządów dostarczane
przez system Prognosys, a ponadto zdalnie uruchamiać
działania konserwacyjne, np. kalibrację.
NIEZAWODNA KONTROLA PROCESU DZIĘKI PROGNOSYS
Wyniki z oczyszczalni ścieków w Epe, Holandia
Oczyszczalnia ścieków w Epe to instalacja Nereda® zaprojektowana i wybudowana w pełnej skali technicznej przez firmę
Royal HaskoningDHV w latach 2010–2011 i eksploatowana od września 2011 roku. W układzie technologicznym oczyszczalni ścieków uwzględniono następujące procesy: w części mechanicznej następuje cedzenie na kratach i usuwanie piasku,
następnie ścieki są oczyszczane w trzech reaktorach Nereda®, a na koniec ścieki oczyszczone są wybłyszczane za pomocą
grawitacyjnych filtrów piaskowych. Reaktory Nereda® zaprojektowano na przepływ średni dobowy 8000 m3/d i przepływ
36 000 m3/d. Osad nadmierny jest zagęszczany za pomocą grawitacyjnego zagęszczacza taśmowego i transportowany
poza teren zakładu. Porównanie jakości ścieków surowych i oczyszczonych z oczyszczalni przedstawiono w tab. 1.
Tabela 1: Oczyszczalnia ścieków w Epe — wyniki pomiarów jakości ścieków podczas weryfikacji procesu w okresie marzec–maj 2012 roku
Parametr
Dopływ [mg/L]
Odpływ — średnia [mg/L]
(95 percentyl) [mg/L]
ChZT
879
27
32
BZT
333
<2,0
<2,0
Azot Kjeldahla
77
1,4
1,8
NH4-N
54
0,1
0,1
<4,0
5,1
Azot ogólny
Fosfor ogólny
9,3
0,3
0,34
Zawiesina ogólna
341
<5,0
<6,0
Jedną z kluczowych zalet technologii Nereda® jest zmniejszenie zużycia energii elektrycznej. W Epe pierwotne zużycie
energii przez oczyszczalnię było równe 3500 kWh/d. Po wdrożeniu technologii Nereda® średnie dobowe zużycie energii
wynosi 2000–2500 kWh. Jest to około 35 % mniej niż we wszystkich typach konwencjonalnych oczyszczalni o podobnej
wielkości w Holandii.
Wnioski
Wyniki uzyskiwane z istniejących instalacji Nereda® dowodzą, żę poprzez zastosowanie tej technologii możliwe jest uzyskanie
ścieków oczyszczonych o wymaganej obecnie jakości (z uwzględnieniem usuwania związków biogennych), a nawet o
wyższej jakości, która może być w przyszłości wymagana zgodnie z europejską ramową dyrektywą wodną. Technologia ta
pozwala osiągnąć wymagany efekt oczyszczania ścieków przy niższych nakładach inwestycyjnych (kubatura, powierzchnia) i operacyjnych (energia, środki chemiczne) niż w przypadku dostępnych na rynku technologii konwencjonalnych.
Andreas Schroers
Hach, Willstaetterstrasse 11, 40549 Duesseldorf, Niemcy
Spis literatury:
Giesen A. and Thompson A., (2013) Aerobic granular biomass for cost-effective, energy efficient
and sustainable wastewater treatment, 7th European Waste Water Management Conference
DOC043.60.30252.Jun15
Autorzy:
Andreas Giesen
Royal HaskoningDHV, PO Box 1132, 3800 BC Amersfoort, Holandia
Więcej informacji: [email protected]