Poprawa skuteczności

usuwania azotu w

Oczyszczalni Ścieków Zürich-

Werdhöelzli po

doprowadzeniu ścieków z

Oczyszczalni Zürich-Glatt

Wstęp

Do 2001 roku miasto Zürich

obsługiwane było przez dwie
oczyszczalnie ścieków:

• Werdhöelzli,

• Glatt.

Budowa zbiorników napowietrzania do

biologicznego oczyszczania

System napowietrzania osadu
czynnego

Widok z góry na Oczyszczalnie

Ścieków Werdhölzli, Zürich,

Szwajcaria

Projekty badawcze:

• dotyczył wprowadzenia osobnej

przeróbki cieczy nadosadowej z
komór fermentacyjnych przez
zastosowanie procesu anammox,

• zastosowanie czujników jonów

amonowych do kontroli procesu
napowietrzania.

Obciążenie:

Q

o

[m

3

/dzień]

(strumień na

wyjściu)

C

ChZT

[kg/dzień]

C

Kj-N,o

[kgN/dzień]

(azot Kjeldahla

na wyjściu)

S

NH,o

[kgN/dzień]

(na wyjściu)

C

P,o

[kgP/dzień]

(na wyjściu)

Zima 1997

Oczyszczalnia

Ścieków
Werdhöelzli

184 000

46 100

5 410

3 935

766

Oczyszczalni

Ścieków Glatt

41 300

7 400

1 000

765

129

Ilość całkowita
(włącznie z

cieczą
nadosadową)

225 300

53 500

6 410

4 700

895

Ciecz

nadosadowa z
komór

fermentacyjnyc
h

1 400

ok. 900

1 050

900

Brak danych

Czerwiec 2001

– Kwiecień
2002

Oczyszczalnia
Ścieków

Werdhöelzli

219 000

45 600

5 640

4 210

760

Ciecz

nadosadowa z
komór

fermentacyjnyc
h

1 400

ok. 900

1 050

900

Brak danych

Tabela 1. Średnie obciążenie pierwotnego wycieku (ścieki mieszane) z Oczyszczalni Ścieków Werdhöelzli i
Glatt w okresie zimy 1997 r. (Siegrist i in., 2000) oraz po doprowadzeniu ścieków z Oczyszczalni Ścieków
Glatt w 2001 r.

Rys. 1

Schemat przepływowy zbiornika z osadem czynnym z 2 przedziałami z warunkami

beztlenowymi (reaktory 2 i 3), w którym przdział napowietrzający działa jako szereg reaktorów
(4-6). Oznaczenia R1 i R7 odpowiadają odpowiednio warstwie osadu ściekowego i wlotowi
osadnika wtórnego. SRT (czas retencji osadu ściekowego; włącznie z R1 i R7) obejmuje ok. 12-
13 dni i zawartość osadu na poziomie 3,5 kg zawiesiny ogólnej/m3.

Ścieki surowe, strumień Q

śr

=17 000

m

3

/dzień

Ścieki
oczyszczone

Osadnik
wtórny

Filtracja
z flokulacją
(brak modyfikacji)

Obieg wtórny osadu Q

R

=25 000 m

3

/dzień

Reaktor

R1

R2

R3

R4

R5

R6

Osadnik

Pojemność [m

3

]

230

715

715

1 430

1 430

700

5 000

S

0

[gO

2

/m

3

]

0,0

0,0

0,0

2,0

2,0

0,0

-

Ceramiczne
urządzenia

napowietrzające

2x420

2x300

K

l

a [dzień

-1

]

0,0

2

2

50-500

35-360

0,0

-

Obróbka cieczy nadosadowej z komory fermentacyjnej za

pomocą procesu anamoks.

Roztwór
z osadem
ściekowym

roztwór

Reaktor anamoks z obiegiem wewnętrznym
lub reaktor SBR

Legenda

Dostępna objętość
(1 200 m

3

)

Wymagana przegroda

Nadmiar osadu ściekowego

Układ z osadem
czynnym

V

magazynowana

=

V

utl. do azotanów(III)

= 800 m

3

V

wymiany

=135 m

3

/cykl

Rys. 2 Schemat reaktora do procesu częściowego utleniania do azotanów w istniejącym zbiorniku magazynowym

dla roztworu z osadem ściekowym.

Stechiometria równania reakcji opisującego proces anamoks podana przez Strousa:

1NH

4

+

+1.32NO

2

-

+0.066CO

2

+0.064H

+



1.02N

2

+0.26NO

3

-

+0.066CH

2

O

0.5

N

0.15

+1.96H

2

O

Zalety i wady procesu
anammox:

Zalety:

• mikroorganizmy przeprowadzające ten proces nie

wymagają dodawania związku organicznego,

• nie powoduje dużego przyrostu biomasy ,

• usuwa azot bez użycia tlenu rozpuszczonego,

• następuje zmniejszenie zapotrzebowania na energie

potrzebną do napowietrzania (do 30%).

Wady:

• bakterie prowadzące proces beztlenowego utleniania

amoniaku należą do organizmów bardzo

wolnorosnących,

• bardzo długi wiek biomasy,

• czas potrzebny na to, aby na oczyszczalni wykształciły

się i namnożyły bakterie anammox wynosi około 200

dni!

Koszty:

Tabela 3. Szacowany koszt konstrukcji i działania reaktora do przeprowadzania procesu częściowego utleniania do

azotanów(III)(reaktor SBR: 800 m3 HRT = 0,5 dnia lub intensywne działanie UASB) w porównaniu z konwencjonalnym
procesem nitryfikacji/denitryfikacji przeprowadzanym w reaktorze SBR (2000 m3, HRT = 1,2 dnia, w przeliczeniu na
nitryfikację (60% do NO2-). Koszt właściwy obliczono w oparciu o założenie eliminacji NH4 na poziomie 90% z
rocznego ładunku 330 t NH4-N.

Utlenianie do

jonów

azotanowych
(III)/anamok

s

EUR na kg N

elim

Nitryfikacja/

denitryfikacja

EUR na kg N

elim

Uwagi

Inwestycja

0,45±0,05

0,45±0,05

Inwestycja EUR 1,5-2

milionów dla obu zastosowań,
opłata zwrotna: 20 lat; odsetki:

4%, 2 i 3,4 kg

O2

/kg

elimN

i 1,7

kgO

2

/kWh, EUR0,1/kWh.

Utrzymanie: 2% kosztu

inwestycji

Obsługa techniczna: EUR30-

60 000 (0,5-1 stanowisko)

Metanol: EUR0,2/kg; 33%

HCl: EUR0,2/kg

Denitryfikacja

heterotroficzna: 0,4 kg

zawiesiny całk./kgN

elim

,

Usuwanie osadu ściekowego:

EUR600/t

Działanie

(60% NH

4

do NO

2

)

(60% do NO

2

)

Energia

1

0,13

0,22

Utrzymanie

0,12±0,02

0,12±0,02

Sterowanie/obsługa

0,15±0,05

0,15±0,05

Odczynniki chemiczne

0,06 (0,1 kg

HCl/kgN)

0,40 (2

kg

metanolu

/kg

N

)

Usuwanie osadu

ściekowego

-

0,25

Koszt całkowity

0,9±0,1

1,6±0,1

1

Osobna przeróbka cieczy nadosadowej pozwala na redukcję zużycia energii na głównym torze (ok. 3

kWh/kgNH4-N), co odpowiada EUR 0,2/kgN. Koszt całkowity musi być zmniejszony.

Badanie symulacji zużycia energii i jakości

ścieków oczyszczonych.

Tabela 4. Modelowane wersje sterowania przy 15°C z ustawieniami parametrów (Rieger i Siegrist, 2002)

Nr

Wersja kontroli

Parametr

V0

Aktualna wersja kontroli

Ustalony poziom O

2

=2 mg/l, osad

zawracany=25 000m

3

/dzień (1 tor)

Zawór dla ostatnich dwóch urządzeń rejestrujących w

procesie napowietrzania, otwarty min. w 70%

V1

Kontrola ustalonego poziomu O

2

w oparciu o zaw. NH

4

na wyjściu w końcowej części zbiornika do
napowietrzania (kontrola zaw. NH

4

ze

sprzężeniem zwrotnym)

NH

4efektywne

>1,8 mg/l=>Ustalony poziom O

2

=2 mg/l

NH

4efektywne

<1,6 mg/l=>Min. przepływ powietrza=0,7

m

3

/(h urządzenie napowietrzające), zawór

reaktora R6 otwarty minimum w 70% (Rys. 1)

V1a

V1+kontrola zaworu napowietrzania w R6 (Rys. 1) w

oparciu o poziom O

2

w R6

Zgodnie z V1+możliwa redukcja otwarcia zaworu do

minimum 10% w celu osiągnięcia minimalnego
przepływu powietrza

V2

Kontrola ustalonej wartości poziomu O

2

na bazie

połączenia sprzężenia zwrotnego w oparciu o
zaw. NH

4

i sterowania ze sprzężeniem do przodu

Zgodnie z V1a+sterowanie ze sprzężeniem do przodu

w oparciu o czujnik NH

4

w pierwotnych ściekach

oczyszczonych

V3

Kontrola ze sprzężeniem do przodu dozy cieczy

nadosadowej

Zgodnie z V1a+kontrola dozy DS (ang. Dissolved

Solids, Rozpuszczone Ciała Stałe) w oparciu o

ładunek jonów amonowych w pierwotnych
ściekach oczyszczonych

V3a

Osobna przeróbka cieczy nadosadowej

Zgodnie z V1a+osobna przeróbka cieczy nadosadowej

Zmierzone obciążenie
OŚ
Werdhöelzli
2001/2002

Roczne obciążenie jonami amonowymi i azotanami(V)
[kg N/rok]

Podatek od obciążenia ścieków oczyszcz.,
wytrącanie P i koszt energii [CHF/rok]

V0: aktualna
modyfikacja
kontroli

V1: kontrola przy zadanej wartości
poziomu O

2

w oparciu o zawartość

NH

4

na wyjściu

V1a: V1+kontrola otwierania
zaworu >10%

V2:V1a+sterowanie ze sprzężeniem do
przodu w oparciu o zawartość NH

4

na

wejściu

V3:V1a+kontrola dozy cieczy
nadosadowej

V3a:V1a+osobna obróbka cieczy
nadosadowej

Jony amonowe
Azotany(V)

Podatek od
obciążenia ścieków:

NH

4

NO

3

P

całk

Koszt wytrącania P
Koszt energii

Rys. 3 Modelowane obciążenie NH4 i NO3 (strona lewa) i koszt roczny (strona prawa) dla badanych modyfikacji kontroli.

Energia
Wytrącanie P
Podatek od
obciążenia
ścieków oczyszcz.

V1: kontrola zadanego
poziomu
O

2

w oparciu o zawartość

NH

4

na wyjściu

V1a: V1+kontrola
otwierania
zaworu >10%

V2:V1a+sterowanie ze
sprzężeniem
do przodu w oparciu o zawartość
NH

4

na wejściu

V3: V1a+kontrola
dozy
cieczy nadosadowej

V3a: V1a+osobna
przeróbka
cieczy nadosadowej

Oszczędności energii, wytrącanie P i podatek od obciążenia ścieków oczyszczonych
[CHF/rok]

Rys. 4 Całkowite oszczędności netto w porównaniu z V0 z uwzględnieniem kosztów związanych ze zużyciem energii,
podatku od obciążenia ścieków oczyszczonych i wytrącania P.

Wnioski:

• obecnie oczyszczalnia działa z 28% strefą warunków

beztlenowych i osiąga poziom usuwania N 60%

dzięki zastosowaniu środków optymalizujących,

• osobna przeróbka cieczy nadosadowej z komory

fermentacyjnej przy użyciu procesu anammox

zwiększyłaby poziom usuwania azotu do ok. 75%,

• w połączeniu z kontrolą procesu napowietrzania w

oparciu o czujniki jonów amonowych, poziom

usuwania azotu może ulec poprawie do więcej niż

85%,

• następuje również zmniejszenie zapotrzebowania na

energie potrzebną do napowietrzania (do 30%),

• wytworzenia osadu ściekowego występuje w

niewielkich ilościach.

Literatura:

•

Alex, J., To, T.B. i Hartwig, P. (2002). Dynamiczna symulacja ulepszonego projektu i optymalizacja kontroli procesu
napowietrzania dla oczyszczalni ścieków. Wat. Sci. Tech., 45(4–5), 365–372.

•

Fux, C., Böhler, M., Brunner, I. i Siegrist, H. (2002). Biologiczna przeróbka ścieków bogatych w jony amonowe przez
częściowe utlenianie do azotanów(III) i następnie beztlenowe utlenianie jonów amonowych (proces anamoks) w
oczyszczalni pilotowej. J.

•

Biotechnology, 99(3), 295–306.

•

Fux, C. (2003) Biologiczne usuwanie azotu z bogatych w jony amonowe cieczy nadosadowych z komór
fermentacyjnych – rozprawa doktorska, ETH Zürich, w przygotowaniu.

•

Mulder, A., van de Graaf, A.A., Robertson, L.A. i Kuenen, J.G. (1995) Beztlenowe utlenianie jonów amonowych odkryte
w denitryfikującym reaktorze ze złożem fluidalnym. FEMS Microbiol. Ecol., 16, 177–184.

•

Rieger, L. i Siegrist, H. (2002). Energie-Feinanalyse der ARA Werdhöelzli mit Hilfe der dynamischen Simulation,
EAWAG report. [po niemiecku].

•

Rieger, L., Koch, G., Kühni, M., Gujer, W. i Siegrist, H. (2001). Moduł EAWAG Bio-P dla modelu osadu czynnego nr 3.
Wat. Res., 35(16), 3887–3903.

•

Siegrist, H., Brack, T., Koch, G. i Gujer, W. (2000). Optymalizacja usuwania substancji pożywkowych w Oczyszczalni
Ścieków Zürich-Werdhöelzli. Wat. Sci. Tech., 41(9), 63–71.

•

Siegrist, H., Binswanger, S., Koch, G. i Lais, P. (1998). Strata osadu w nitryfikującym rotującym kontraktorze (aparat
umożliwiający zetknięcie się dwóch faz na dużej powierzchni) pozwalającym na przeróbkę ścieków bogatych w jony
amonowe bez dodatku węgla organicznego. Wat. Sci. Tech., 38(8–9), 241–248.

•

Strous, M., Heijnen, J.J., Kuenen, J.G. i Jetten, M.S.M. (1998). Reaktor SBR jako dobre narzędzie w badaniach wolno
wzrastających beztlenowych mikroorganizmów utleniających jony amonowe. Appl. Microbiol. Biotechnol., 50, 589–
596.

•

Strous, M., Fuerst, J.A., Kramer, E.H.M., Logemann, S., Muyzer, G., van de Pas-Schoonen, K.T., Webb, R., Kuenen, J.G. i
Jetten, M.S.M. (1999). Nieznany litotrof (siarkowa bakteria purpurowa, która jako donor elektronów wykorzystuje
siarkę w postaci tiosiarczanów), zidentyfikowany jako nowy przedstawiciel typu Planctomycetes. Nature, 400, 446–
449.

•

van Dongen, U., Jetten, M.S.M i van Loosdrecht, M.C.M. (2001). Proces SHARON®–Anammox® do przeróbki ścieków
bogatych w jony amonowe. Wat. Sci. Tech., 44 (1), 153–160.

Oczyszczanie ścieków

Dziękuje za uwagę 