Dostępne na rynku przydomowe oczyszczalnie ścieków wykorzystują różnego rodzaju technologie m.in. niskoobciążonego osadu czynnego, złoża biologicznego czy też systemy mieszane – hybrydowe. Niestety, nie wszystkie osiągają zakładany efekt ekologiczny. W artykule przedstawię ocenę efektywności pracy oczyszczalni ścieków Actibloc pracujących w technologii niskoobciążonego osadu czynnego w systemie SBR – w warunkach naturalnych.

Indywidualne systemy oczyszczania ścieków, tzw. przydomowe oczyszczalnie ścieków (POŚ), budowane są na terenach, gdzie nie ma zbiorczego systemu kanalizacyjnego oraz gdy budowa zbiorczej kanalizacji sanitarnej jest nieuzasadniona ekonomicznie lub technicznie. Obecnie w Polsce funkcjonuje około 155 tys. indywidualnych instalacji, z czego około 90% instalowanych jest na trenach wiejskich (dla porównania: Niemcy to około 2 mln instalacji, a Francja 5,5 mln instalacji). Liczba ta najprawdopodobniej w najbliższych latach będzie znacząco rosła, ze względu na dofinansowania pochodzące ze środków UE. Potrzeby są bardzo duże, ponieważ obecnie około 70% mieszkańców wsi nie ma dostępu do kanalizacji zbiorczej.

Reaktory porcjowe SBR

1. Fazy reaktora SBR [Envirobud 2005]

W ostatnich latach nastąpił znaczący wzrost instalowanych oczyszczalni tzw. „napowietrzanych”, głównie pracujących w technologii niskoobciążonego osadu czynnego, złoża biologicznego i tzw. systemów mieszanych–hybrydowych. Niestety, według wielu przeprowadzonych badań nie wszystkie indywidualne urządzenia oczyszczania ścieków osiągają zakładany efekt ekologiczny. Duży problem stanowią instalacje tzw. „przepływowe” pracujące w technologii osadu czynnego. Alternatywą dla przepływowych metod osadu czynnego są sekwencyjne reaktory porcjowe SBR. Reaktory SBR to komory osadu czynnego, w których cały proces oczyszczania oraz separacji oczyszczonych ścieków od kłaczków osadu zachodzi cyklicznie w jednej komorze/zbiorniku. Działanie reaktora SBR opiera się na okresowym powtarzaniu następujących kolejno po sobie faz (rys. 1): napełniania (faza I), reakcji napowietrzania/mieszania (faza II), sedymentacji (faza III), dekantacji (faza IV) i recyrkulacji (faza V). Czas pomiędzy końcem dekantacji a początkiem kolejnego napełniania stanowi pełny cykl pracy reaktora porcjowego. Komora reaktora SBR pełni jednocześnie rolę komory napowietrzania oraz osadnika wtórnego.
W zależności od strategii działania, technologię SBR cechuje wiele zalet czyniących z niej rozwiązanie konkurencyjne w odniesieniu do klasycznych systemów osadu czynnego lub układów z biofilmem (złóż biologicznych). Są to przede wszystkim:

• większa elastyczność pracy układu, możliwość dokonania szybkich zmian parametrów w zależności od ilości i składu dopływających ścieków;
• wysoka odporność na nierównomierność dopływu ścieków i zmiany ładunków zanieczyszczeń;
• mniejsza objętość reaktora potrzebna do prowadzenia procesów oczyszczania ścieków;
• możliwość precyzyjnego utrzymania stałego wieku osadu – podstawowy parametr technologiczny oczyszczalni z osadem czynnym;
• brak osadników wtórnych;
• automatyczne sterowanie pracą reaktorów.

W porównaniu do systemów przepływowych zastosowanie reaktorów SBR pozwala w niektórych przypadkach w znaczący sposób zintensyfikować poszczególne procesy oczyszczania ścieków. Celowe jest stosowanie reaktorów SBR wszędzie tam, gdzie występują znaczne wahania ilości ścieków oraz gwałtowne zmiany stężenia zanieczyszczeń w ściekach dopływających. Z uwagi na cykliczność prowadzenia operacji technologicznych oraz porcjowe odprowadzenie ścieków oczyszczalnie porcjowego działania wykazują wysoką odporność na obciążenia hydrauliczne i substratowe.

Charakterystyka badanych urządzeń

Obiektami badań, którym poświęcam artykuł, były cztery indywidualne oczyszczalnie ścieków Actibloc firmy Sotralentz pracujące w technologii osadu czynnego w systemie SBR o przepustowości od 0,6 do 1,8 m³/d. Instalacje znajdują się na terenie województwa dolnośląskiego i wielkopolskiego w powiatach głogowskim, polkowickim i kościańskim (rys. 2). Zostały zbudowane i oddane do eksploatacji w latach 2013-2014. Trzy badane oczyszczalnie funkcjonują przy budynkach mieszkalnych, natomiast jedna to instalacja przy zakładzie pracy (tylko dla ścieków bytowo-gospodarczych). Ścieki dopływające charakteryzują się typowymi parametrami dla ścieków bytowo-gospodarczych. Dopływ ścieków do oczyszczalni w ciągu tygodnia jest nierównomierny. Następuje głównie w godzinach porannych (toaleta poranna przed wyjściem do pracy/szkoły) oraz późno popołudniowych i wieczornych (toaleta wieczorna).

2. Lokalizacja badanych oczyszczalni ścieków [3]		3. Instalacja oczyszczalni SBR – „Kłębanowice-1” [3]
4. Realizacja oczyszczalni SBR – „Kłębanowice -2” [3]		5. Realizacja oczyszczalni SBR – „Kościan” [3]

Badania trwały od sierpnia 2014 r. do maja 2015 r. Próbki ścieków surowych i oczyszczonych we wszystkich obiektach pobierane były w takich samych okresach: sierpień i listopad 2014 oraz styczeń i maj 2015 r. W pobieranych próbkach oznaczono: biologiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT₅), chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT), zawiesinę ogólną, azot ogólny oraz fosfor ogólny.
Każda z badanych oczyszczalni składa się z dwóch zbiorników (rys. 6). Pierwszy pełni funkcję osadnika wstępnego, w którym ścieki surowe podlegają wstępnemu podczyszczeniu polegającemu na mechanicznym oddzieleniu zanieczyszczeń w procesach sedymentacji, flotacji i fermentacji. Natomiast drugi jest reaktorem biologicznym, w którym realizowane są tlenowe procesy biologicznego oczyszczania ścieków. Praca systemu odbywa się w czterech sześciogodzinnych cyklach na dobę. Pełen cykl oczyszczania został podzielony na pięć następujących po sobie faz (czas trwania każdej z nich przedstawiony dla najmniejszego urządzenia 0,6 m³/d):

• faza I – napełnianie – około 10 min.;
• faza II – napowietrzanie – około 240 min.;
• faza III – sedymentacja – około 90 min.;
• faza IV – dekantacja (odpompowanie oczyszczonych ścieków) – 10 min.;
• faza V – odpompowanie osadu (recyrkulacja) – 1 min.

Po ostatniej fazie następuje krótka przerwa, po której rozpoczyna się kolejny sześciogodzinny cykl oczyszczania.
Oczyszczalnie pracują w pełni automatycznie. Całością steruje specjalny układ automatyki oparty o sterownik PLC. Automatyka za pomocą zespołu elektrozaworów podaje ze sprężarki membranowej strumień powietrza, który poprzez elementy wykonawcze (pompy mamutowe, dyfuzor napowietrzający) realizuje proces oczyszczania. Na wyświetlaczu sterownika znajduje się informacja o aktualnej fazie oczyszczania. Na bieżąco kontrolowane są wszystkie elementy systemu, takie jak: sprężarka, automatyka, elektrozawory, czujnik ciśnienia. O wykryciu błędu/uszkodzenia użytkownik jest informowany sygnałem dźwiękowym i wizualnym, a informacja zostaje zapisana w pamięci sterownika.

6. Schemat oczyszczalni SBR Actibloc [2]

Analiza wyników

Zawiesina ogólna. W badanych obiektach zawartość zawiesiny ogólnej w ściekach surowych zawierała się w przedziale od 430 do 560 mg/dm³, natomiast w ściekach oczyszczonych od 17 do 55 mg/dm³. Efektywność usuwania zawiesiny w rozpatrywanym okresie wynosiła od 90,2 do 97% (rys. 7). Według rozporządzenia Ministra Środowiska z 18 listopada 2014 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego [1] zawartość zawiesiny ogólnej w oczyszczalniach poniżej 2000 RLM nie powinna przekraczać 50 mg/dm³. Przekroczenie tej wartości wystąpiło w sierpniu 2014 r. w oczyszczalni „Kłębanowice- 1”, osiągając 55 mg/dm³. Podczas poboru próbek w sierpniu 2014 r. oczyszczalnia znajdowała się w okresie rozruchu. Pozostałe systemy pracowały stabilnie, a ilość zawiesiny ogólnej w oczyszczonych ściekach mieściła się w zakresie wymaganym rozporządzeniem. Wysoki poziom usuwania zawiesiny wynika z odpowiedniego zwymiarowania osadnika wstępnego, prawidłowo prowadzonych procesów biochemicznych i stabilnej fazy sedymentacji. W żadnym z badanych obiektów nie zauważono problemów związanych z nieprawidłową pracą osadu czynnego – bakterie nitkowate, pęcznienie osadu itp. – dlatego też oczyszczone ścieki były klarowne i nie zawierały dużych ilości zawiesin.

7. Efektywność usuwania zawiesiny ogólnej w badanych oczyszczalniach		8. Efektywność usuwania BZT5 w badanych oczyszczalniach
9. Efektywność usuwania ChZT w badanych oczyszczalniach		10. Efektywność usuwania azotu ogólnego w badanych oczyszczalniach

BZT₅. W rozpatrywanym okresie badawczym wartości BZT₅ w ściekach surowych zawierały się w przedziale od 399 do 876 mgO₂/dm³ oraz od 12 do 86 mgO₂/dm³ w ściekach oczyszczonych. Efektywność usuwania zanieczyszczeń organicznych wyrażonych przez BZT5 wynosiła od 90,2 do 97,2% (rys. 8). Wartość BZT₅ w ściekach oczyszczonych we wszystkich instalacjach jest niższa od wymaganej rozporządzeniem [1] – 40 mgO₂/dm³. Tylko w oczyszczalni „Kłębanowice-1” odnotowano jednorazowe przekroczenie tej wartości (w sierpniu 2014 r.). W pozostałych próbkach ścieków oczyszczonych wartości BZT₅ były dużo niższe, poniżej 25 mgO₂/dm³. Przez cały okres, w którym prowadzono badania, najbardziej stabilnie pracowała oczyszczalnia „Stara Rzeka”.

ChZT. Wartość ChZT w ściekach surowych zawierała się w przedziale od 810 do 1200 mgO₂/dm³, a w ściekach oczyszczonych od 85 do 188 mgO₂/dm³. Efektywność usuwania zanieczyszczeń organicznych wyrażonych ChZT wynosiła od 84,3 do 89,9% (rys. 9). Według rozporządzenia [1] wartość ChZT w ściekach oczyszczonych powinna być niższa od 150 mgO₂/dm³. W oczyszczalni w „Kłębanowice- 1” wartość ta została przekroczona w sierpniu 2014 r. i wyniosła 188 mgO₂/dm³. Zawartość zanieczyszczeń organicznych wyrażonych przez ChZT w pozostałych próbkach ścieków oczyszczonych była poniżej wartości dopuszczalnej.

Tab. 1. Stosunek ChZT/BZT5 w ściekach surowych i oczyszczonych w badanych oczyszczalniach

Tab. 2. Zestawienie ładunków zanieczyszczeń w badanych próbkach ścieków surowych i oczyszczonych dla badanych oczyszczalni

ChZT/BZT₅. Na podstawie analizy korelacji ChZT/BZT₅ można oszacować podatność ścieków na rozkład biochemiczny. Według danych literaturowych ścieki są podatne na rozkład zanieczyszczeń na drodze biologicznej, jeśli iloraz ChZT/BZT5 w ściekach surowych zawiera się przedziale 1,5 < ChZT/BZT₅ < 2,5. W badanych oczyszczalniach ścieków stosunek ChZT/BZT₅ w ściekach surowych zawierał się w przedziale od 1,36 do 2,29 (tab. 1). Można więc uznać, że ścieki dopływające do badanych oczyszczalni są łatwo biodegradowalne i podatne na rozkład biochemiczny. Uzyskane wartości ChZT/BZT₅ były porównywalne z wartościami podawanymi w literaturze, według których wartość ilorazu dla ścieków jest w przybliżeniu stała i wynosi od 2,0 do 2,2 w ściekach surowych oraz od 1,8 do 2,0 w ściekach wstępnie oczyszczonych. W ściekach oczyszczonych zawartość ilorazu związków łatwo rozkładalnych maleje, podczas gdy ilość związków trudno rozkładalnych pozostaje w przybliżeniu stała. Powoduje to zwiększenie wartości ilorazu ChZT/BZT₅ do około 4-6, a nawet powyżej 10-12. Wyznaczony iloraz ChZT/BZT₅ dla ścieków oczyszczonych przyjmował wartości 2,54-9,91. Wartości ilorazu powyżej 6, mogą świadczyć o zawartości w ściekach dużych ilości związków trudno rozkładalnych. Na podstawie uzyskanych stężeń zanieczyszczeń w ściekach surowych i oczyszczonych oraz natężenia przepływu ścieków, obliczono ładunki zanieczyszczeń doprowadzanych i odprowadzanych z badanych obiektów (tab. 2). Przeprowadzone badania wykazały bardzo wysoką sprawność usuwania ładunku zanieczyszczeń BZT₅, ChZT oraz zawiesiny ogólnej ze ścieków.

Azot i fosfor ogólny.

11. Efektywność usuwania fosforu ogólnego w badanych oczyszczalniach

W oczyszczalniach ścieków poniżej 2000 RLM stężenie azotu i fosforu ogólnego jest normowane tylko wtedy, gdy oczyszczone ścieki są odprowadzane do jezior i ich dopływów oraz bezpośrednio do sztucznych zbiorników wodnych. Ilość azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych nie powinna przekraczać 30 mgN/dm³, natomiast fosforu ogólnego 5 mgP/dm³. Odnosząc się do poziomu wymaganego rozporządzeniem [1], tylko w oczyszczalni „Kłębanowice- ” w sierpniu 2014 r. odnotowano wyższe stężenie azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych. W pozostałych próbkach ścieków oczyszczonych ilość azotu ogólnego była w zakresie od 12 do 21 mgN/dm³, a efektywność jego usuwania wynosiła od 50,8 do 83% (rys. 10). Zawartość fosforu ogólnego w ściekach surowych zawierała się w przedziale od 8,2 do 14 mgP/dm³, natomiast w ściekach oczyszczonych od 2,9 do 6,4 mgP/dm³. Efektywność usuwania fosforu ogólnego wynosiła od 46,5 do 73,6% (rys. 11). Małe oczyszczalnie słabiej radzą sobie z biologicznym usuwaniem fosforu, dlatego też w badanych oczyszczalniach tylko kilkukrotnie udało się osiągnąć wartość poniżej 5 mgP/dm³, głównie w obiektach, w których ilość fosforu ogólnego w ściekach surowych była na niższym poziomie. Problemem może być zbyt mała ilość związków węgla potrzebnego do prowadzenia procesu defosfatacji. Rozwiązaniem mogłoby być zastosowanie pompy z układem dozowania koagulantu lub modyfikacja algorytmu, poprzez wprowadzenie naprzemiennego napowietrzania w fazie tlenowej. W najbliższych latach należy jednak poszukiwać nowych rozwiązań techniczno-technologicznych, które pozwolą zwiększyć efektywność usuwania fosforu w systemach indywidualnych, np. synergiczne usuwanie azotu i fosforu.

Ocena pracy oczyszczalni

Uzyskane w całym okresie badań wyniki świadczą o bardzo wysokiej skuteczności usuwania zanieczyszczeń ze ścieków przez oczyszczalnie Actibloc. W ściekach oczyszczonych nie stwierdzono przekroczenia dopuszczalnych wartości BZT₅, ChZT oraz zawiesiny ogólnej podanych w rozporządzeniu Ministra Środowiska. Przekroczenie dopuszczalnych wartości odnotowano tylko w oczyszczalni „Kłębanowice-1” w sierpniu 2014 r., gdy znajdowała się ona w okresie rozruchu. Ścieki oczyszczone charakteryzowały się również niskimi wartościami azotu ogólnego. Natomiast skuteczność usuwania fosforu ogólnego była zdecydowanie niższa. Dokonując ogólnej oceny wyników badań, można stwierdzić, że instalacje indywidualne Actibloc pracujące w systemie SBR są bardzo dobrym i skutecznym rozwiązaniem, jednakże w najbliższych latach należy szukać rozwiązań optymalizujących pracę systemów indywidualnych, które w zdecydowanym stopniu poprawią efektywność usuwania fosforu ogólnego na drodze biologicznej. Na koniec dodam, że prawidłowe funkcjonowanie systemów indywidualnych w dużym stopniu zależy od odpowiedniej eksploatacji i serwisowania instalacji. Jeśli eksploatacja oczyszczalni jest prowadzona prawidłowo oraz wykonywane są czynności serwisowe zgodnie z zaleceniami producenta, to okres funkcjonowania tego typu obiektów znacznie się wydłuża.

Autor: Artur Stadnik