Jak modernizować i automatyzować oczyszczalnię ścieków?

• Centralna oczyszczalnia ścieków "Warta" S.A. działa od blisko 45 lat, przy czym ostatnie dwie dekady były czasem licznych modernizacji obiektu, które znacząco zwiększyły wydajność działania zakładu i jakość procesu oczyszczania. Co jest obecnie przebudowywane i jakie były powody dotychczasowych inwestycji w infrastrukturę technologiczną?

Obiekt, na terenie którego znajdujemy się, to oczyszczalnia mechaniczno-biologiczna, która obsługuje praktycznie wszystkich mieszkańców Częstochowy oraz tutejsze zakłady. Jej projekt powstał jeszcze w latach 60. zeszłego wieku i przewidywał stworzenie zakładu o wydajności przetwarzania do 100 tys. m³ ścieków na dobę. Budowę zakończono w latach 70. i był to wtedy jeden z najnowocześniejszych tego typu obiektów w kraju. Od 1995 roku jesteśmy w trakcie ciągłej modernizacji, co z jednej strony wynika ze zmieniających się wymagań formalno-prawnych, w szczególności nowelizacji prawa wodnego, z drugiej zaś z szybkiego rozwoju techniki dającego możliwość polepszania jakości oczyszczania i optymalizacji procesów.

Zaczęliśmy od przebudowy oczyszczalni w celu wdrożenia technologii umożliwiającej usuwanie ze ścieków związków biogennych, czyli azotu i fosforu. Wtedy również, a było to w zeszłej dekadzie, zbudowana została suszarnia termiczna osadów. Obecnie jesteśmy w trakcie drugiego etapu modernizacji, który potrwa do końca 2016 roku. Część z instalacji - głównie w zakresie mechanicznego oczyszczania ścieków, już przebudowano, natomiast ostatni i jednocześnie największy element inwestycji dotyczy przepompowni ścieków przy ulicy Żabiej. Jest ona strategicznym elementem całego systemu, gdyż spływają do niej grawitacyjnie wszystkie ścieki miejskie. W miejscu energochłonnej przepompowni powstaje obecnie praktycznie nowy obiekt, który będzie bezpieczny sanitacyjnie i jednocześnie bardzo nowoczesny pod względem zastosowanych rozwiązań.

Bieżąca modernizacja jest współfinansowana przez WFOŚiGW w Katowicach, zaś całe przedsięwzięcie to jest tak skalkulowane, aby nie powodowało dodatkowych obciążeń dla odbiorców. Cały koszt inwestycji to 61 mln zł, zaś dofinansowanie około 20 mln zł. Duże wydatki nie mają to przełożenia na cenę odbioru ścieków, a to przecież tak naprawdę jest dla mieszkańców Częstochowy najważniejsze.

• Porozmawiajmy o procesie oczyszczania ścieków oraz szczegółach wykonanych modernizacji. Jakie są istotne zagadnienia technologiczne, jeżeli chodzi o początkową, mechaniczną część procesu oczyszczania?

Przetwarzanie ścieków zaczyna się tak naprawdę poza terenem oczyszczalni i ma miejsce we wspomnianej centralnej przepompowni ścieków, która znajduje się dwa kilometry od zakładu. Stamtąd tłoczone ścieki, wraz z dodatkowymi cieczami - m.in. z obiegu wewnętrznego oczyszczalni, trafiają do budynku krat mechanicznych. Tam pozbawiane są one skratek, czyli zanieczyszczeń mechanicznych. Budynek z halą krat zawiera również piaskowniki poziome, które wyposażone są w automatyczne zgarniacze z siłownikami hydraulicznymi i służą do filtracji piasku. Sprasowane skratki oraz odwodniony piasek są następnie gromadzone w kontenerach, dezynfekowane i wywożone.

Warto zaznaczyć, że omawiany obiekt jest wysoce zautomatyzowany. Kraty mechaniczne są w istocie rodzajem ukośnego transportera, na którym zatrzymują się zabrudzenia. Pracują one w cyklu - w przypadku nadmiernego zabrudzenia przesuwają się wraz z zanieczyszczeniami do góry. Tam znajduje się specjalny zraszacz i szczotka oczyszczająca kratę z zanieczyszczeń, które są transportowane przenośnikiem do prasopłuczki, a następnie usuwane. W systemie dokonywany jest pomiar poziomu ścieków przed i za kratą - jeżeli różnica jest większa niż 40 cm, oznacza to, że krata jest silnie przybrudzona. W tym przypadku automatycznie włącza się ona w tryb ciągłego oczyszczania.

Jeżeli zaś chodzi o ścieki, to po wyeliminowaniu z nich grubszych zanieczyszczeń, przepływają one do odtłuszczacza napowietrzanego, gdzie ma miejsce wydzielenie tłuszczy i innych frakcji pływających. Te pierwsze odprowadzane są do wydzielonych komór fermentacyjnych, zaś ścieki trafiają do osadników wstępnych. W nich wytrącone zostają łatwoopadalne zawiesiny w postaci osadu surowego, które są na dalszym etapie przetwarzane tak jak tłuszcze.

Warto dodać, że piaskownik i odtłuszczacz to obiekty po niedawnej modernizacji. Zostały one wyposażone w nowoczesną armaturę, elementem rozbudowy była też ich hermetyzacja, dzięki czemu znacznie zmniejszono wydostawanie się na zewnątrz zapachów. Jako ciekawostkę dodam, że pod halą krat znajdują się rurociągi z przepompowni, w których zainstalowane są zasuwy z największymi w całej oczyszczalni siłownikami pneumatycznymi firmy Festo.

Budynek z halą krat mechanicznych i piaskownikiem

• Drugim etapem przetwarzania ścieków jest ich oczyszczanie biologiczne. Na czym ono polega i jakie urządzenia stosujecie?

Oczyszczone mechanicznie ścieki rozdzielane są na osiem reaktorów biologicznych. Są one, podobnie jak w przypadku innych tego typu oczyszczalni, wielofunkcyjne i pozwalają na prowadzenia procesu usuwania związków organicznych, nitryfikacji, denitryfikacji i biologicznej defosfatacji. W przypadku części beztlenowej reaktory mają na dnie mieszadła, które wymuszają wewnętrzny obieg ścieków. Z kolei część tlenowa - najistotniejsza dla biologicznego oczyszczania ścieków, bazuje na komorach napowietrzanych, gdzie odbywa się proces bioutleniania zanieczyszczeń organicznych.

Patrząc z perspektywy automatyki i pomiarów, bioreaktory stanowią nagromadzenie różnych urządzeń, w szczególności tych pomiarów fizykochemicznych. Na bieżąco kontrolujemy zawartość różnych substancji - amoniaków, fosforanów, azotanów i innych, oprócz tego mierzona jest mętność, czyli zawartość części stałych. Wykorzystujemy tu m.in. analizatory firmy Hach Lange, sondy potencjału redox, aparaturę obiektową od Endress+Hauser i Pepper+Fuchs, zaś po stronie wykonawczej - m.in. pozycjonery firmy Festo, które służą do kontroli przepływu powietrza do komór.

Reaktory biologiczne

• Do procesów biologicznego oczyszczania ścieków konieczne jest dostarczanie do reaktorów dużych ilości tlenu. W jaki sposób jest to rozwiązane?

Wykorzystujemy tu stację dmuchaw, która, podobnie jak piaskownik i odtłuszczacz, została zmodernizowana w trakcie obecnie trwającej inwestycji. Jest ona wyposażona w 4 dmuchawy o mocy 250 kW każda, które tłoczą ciepłe powietrze do natleniania bioreaktorów. Wprawdzie ciśnienie w instalacji jest niskie i wynosi około 0,5 bara, natomiast przepływ jest bardzo duży. Ponieważ dmuchawy nie wymagają regulacji prędkości silnika, zamiast falowników wykorzystane zostały tutaj softstarty - w tym przypadku są to urządzenia marki Allen-Bradley.

Wydajność pracy dmuchaw jest jednak regulowana, co dzieje się na drodze zmian ustawienia ich łopatek. Każda z dmuchaw ma swój sterownik, do tego jest sterownik nadzorujący pracę całego systemu. Ten ostatni ma za zadanie utrzymywać zadane ciśnienie w rurociągu, co realizowane jest poprzez włączanie odpowiedniej liczby dmuchaw i wspomnianą regulację ustawienie łopatek. System ten dodatkowo zapewnia równomierne zużycie napędów dmuchaw. Ze względu na dużą moc silników stosujemy również baterię kompensacji mocy biernej.

Stacja dmuchaw - 4 dmuchawy o mocy 250 kW każda tłoczą ciepłe powietrze do natleniania bioreaktorów.

• Ostatni etap oczyszczania odbywa się w osadnikach wtórnych, które są obiektami prawdopodobnie najczęściej pojawiającymi się na zdjęciach oczyszczalni ścieków...

To prawda - być może dlatego, że są ostatnim elementem zakładu i dopływają tu już ścieki oczyszczone, a także są po prostu fizycznie dużymi obiektami. W oczyszczalni "Warta" jest to sześć radialnych zbiorników, z których największe mają po 48 metrów średnicy. Zanim ścieki trafią do nich z bioreaktorów, są one poddawane procesowi odgazowania w instalacji Biogradex. Następnie w osadnikach ma miejsce proces sedymentacji i zagęszczania zawiesin osadu czynnego, podczas którego oczyszczana jest też powierzchnia cieczy. Również tutaj dokonywane są pomiary - m.in. mętności ścieków. Dodatkowo mierzy się spiętrzenie cieczy na zastawce każdego z osadników - regulując ustawieniem zastawek, można automatycznie utrzymywać zadany poziom cieczy w osadnikach. Oczyszczone biologicznie ścieki są następnie odprowadzane do rzeki Warty.

Osadniki wtórne

Obiektem ściśle powiązanym z osadnikami wtórnymi jest pompownia osadu recyrkulowanego i nadmiernego. Jest to wprawdzie jeden z wielu obiektów pompowych w oczyszczalni, ale pełni rolę kluczową, gdyż zapewnia transport osadu czynnego z końca procesu oczyszczania na wejście reaktorów biologicznych, gdzie jest mieszany ze ściekami oczyszczonymi mechanicznie. Wykorzystujemy dwa zespoły pomp z napędami PowerFlex, którymi steruje redundantny zespół sterowników master-slave, obiekt jest także wyposażony w szereg zaworów pneumatycznych. Kluczowym parametrem jest tu stopień recyrkulacji - dyspozytor ustawia, jaka ma być objętość ścieków wypływających z osadnika do objętości ściąganego osadu.

Przepompownia

• Z przetwarzaniem osadu związanych jest znacznie więcej instalacji technologicznych niż tylko omawiana pompownia. Z czego składa się infrastruktura tej części oczyszczalni?

Osady poddawane są osobnemu, wieloetapowemu procesowi przetwarzania. Pochodzą one z odtłuszczacza i są wstępnie zagęszczane w lejach czterech osadników wstępnych, stanowiących de facto część omawianego wcześniej systemu mechanicznego oczyszczania ścieków. Następnie kierowane są one do zagęszczaczy grawitacyjnych - po tych dwóch etapach ich wilgotność wynosi około 4 do 6% suchej masy. W zagęszczaczach dochodzi również do hydrolizy części organicznych osadu i powstawania lotnych kwasów tłuszczowych, które wraz z wodami nadosadowymi odprowadzane są do reaktorów biologicznych.

W tym miejscu osad jest mieszany z tym powstającym w stopniu biologicznym i pompowany jest do wydzielonych komór fermentacyjnych, czyli w skrócie WKF. W nich poddawany jest fermentacji mezofilowej w temperaturze około 36°C, czego jednym z produktów jest biogaz. Ta część zakładu została zmodernizowana podczas pierwszej dużej inwestycji po roku 2000, której celem zwiększenie efektywności fermentacji i skuteczności higienizacji osadu.

• Następstwem rozbudowy instalacji przetwarzania osadu, w szczególności budowy wydzielonych komór fermentacyjnych, była konieczność zagospodarowania biogazu. Z czego korzystacie?

Biogaz jest oczyszczany w kolumnach odpieniających, czyli tzw. scrubberach, oraz odsiarczalnikach, a następnie wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w zespole prądotwórczym oraz w kotłowni technologicznej do wytworzenia energii cieplnej. Jest on również przechowywany, do czego służy znajdujący się w pobliżu zbiornik. Jest on rodzajem balonu, który zwiększa swoją objętość wraz z rosnącą ilością gromadzonego biogazu, zaś przy zapełnieniu go do 95% automatycznie zapalana jest pochodnia. Taka konstrukcja uniezależnia nas od ilości przetwarzanych ścieków i pozwala na ekonomiczne gospodarowanie zasobami biogazu.

Kluczowym elementem instalacji biogazowej jest gazogenerator GE Jenbacher, który pozwala na uzyskanie 828 kW mocy elektrycznej i blisko 900 kW mocy cieplnej. Jeżeli chodzi o energię cieplną, to jesteśmy samowystarczalni, a w lecie ciepła mamy jej wręcz za dużo. Dzieje się tak, gdyż oprócz gazogeneratora mamy też suszarnię, gdzie w końcowym procesie suszenia granulat musi być schłodzony, co oznacza odebranie od niego ciepła.

W przypadku energii elektrycznej, gazogenerator to oczywiście nie nasze jedyne źródło zasilania. Pracuje on zazwyczaj w trybie sterowania ręcznego, gdzie dyspozytor w zależności od ilości gazu i zapotrzebowania reguluje wydajność pracy, zaś brakującą energię pobieramy z sieci zasilającej. Jesteśmy podłączeni do sieci średniego napięcia 6 kV, dodatkowo oczyszczalnia ma rezerwową linię zasilającą z EC Andrychów. Zabezpieczenie bezprzerwowego zasilania jest dla nas kluczowe, gdyż awaria oczyszczalni mogłaby wiązać się z podtopieniem miasta, a nawet katastrofą ekologiczną.

• Ważnym elementem infrastruktury do przetwarzania osadów jest ich suszarnia, która, podobnie jak wydzielone komory fermentacyjne, jest nowym obiektem...

Zgadza się. Dekadę temu, wraz z jak rozbudową oczyszczalni o instalacje do usuwania azotu i fosforu, znacząco zmodernizowano również suszarnię osadów. Miało to dla nas znaczenie strategiczne, gdyż pozwoliło na redukcję ilości osadów powstających w procesie oczyszczania. Z ostatnim z problemów borykają się właściwie wszystkie oczyszczanie ścieków, stąd też zdecydowaliśmy, że konieczna jest taka rozbudowa naszego zakładu, aby w zmaksymalizować stopień przetwarzania i neutralizacji osadów.

Wydzielone komory fermentacyjne

Obecnie działa w ten sposób, że osady przefermentowane w komorach WKF są pompowane do tzw. otwartych komór fermentacyjnych, gdzie następuje ich odgazowanie oraz dodatkowe zagęszczenie przed odwadnianiem mechanicznym. Później kierowane są one do stacji odwadniania wyposażonej w trzy prasy taśmowe o wydajności około 15 m³/h każda. Odwodniony osad o zawartości około 22% części stałych trafia ostatecznie do suszarni. Wykorzystujemy dwie suszarko-granularki, które mają niezależne systemy sterowania i nadzoru pracy, a ich nadzorem zajmują się wydzieleni dyspozytorzy. W ich instalacji wykorzystana jest dosyć rozbudowana automatyka i napędy, m.in. marki Danfoss. W suszarni osady są prasowane i suszone do około 90-95% sm, następnie powstaje z nich granulat, który jest gromadzony w zbiorniku, w kontenerach oraz przekazywany odbiorcom. Korzystamy z wózków kontenerowych na szynach, przy czym jedna pracująca suszarnia zapełnia w ciągu doby średnio trzy kontenery po 4,5 tony każdy.

Suszarnia

• W suszarni osadu oraz w niedalekim budynku krat wykorzystano rozwiązania firmy igus, które są w przypadku obiektu takiego jak oczyszczalnia pewną nowością. Co zostało wdrożone?

Wózki, z których korzystamy do przewożenia granulatu, to rozwiązanie specyficzne i rzeczywiście nowatorskie. Przy budynku suszarni jest sześć wózków, w tym dwa z silnikami, które wymagały nietypowego podłączenia zasilania. Ponieważ wymagana była możliwość odjechania wózkami, tak aby pod zsyp suszarni mógł podjechać samochód ciężarowy, nie można było ułożyć prowadnika kablowego na ziemi. Stąd też podłączenie energii musiało się odbyć od góry - wykorzystujemy zawieszony na wysokości kilku metrów prowadnik z szyną ślizgową dla uchwytu z wózka.

Wcześniej podobne rozwiązanie wdrożone zostało w budynku krat, gdzie mamy dwa wózki, które codziennie wyjeżdżają po kilka razy w celu przeładunku odpadów na samochód. Wcześniej ich ruch odbywał się to z wykorzystaniem wyciągarki linowej, co jednak stwarzało niebezpieczeństwo dla obsługi, do tego instalacja podatna była na korozję. Wózki wyposażono w silniki elektryczne i przemieszczają się one na zasadzie kolejki. W tym przypadku przewody prowadzone są po ziemi, przy czym w korytku kablowym umieszczony jest również przewód grzewczy. Dodam, że w obydwu przypadkach wykorzystano prowadniki igus z serii 2500 wraz z rynnami i przewodami pozwalającymi na ruch wózków na odległość do około 20 metrów. Instalacja całego systemu została wykonana w ramach usług instalacyjnych firmy igus.

Rozwiązania firmy igus

• Nie rozmawialiśmy jeszcze o dyspozytorni, która stanowi ona tak naprawdę centralne miejsce, jeżeli chodzi o kontrolę pracy obiektów technologicznych. Czy wszystkich?

Zasadniczo tak - z dyspozytorni, która pracuje w trybie ciągłym 24/365, nadzorowane są procesy zarówno w obiektach na terenie oczyszczalni, jak też w centralnej przepompowni ścieków. Pewnym wyjątkiem jest suszarnia, która ma własną sterownię, aczkolwiek i tak dostęp do wszystkich sygnałów do niej dochodzących ma też dyspozytornia główna.

Sygnały z obiektu przesyłane są do dwóch stacji przetwarzających w dyspozytorni, a następnie wizualizowane na stacjach operatorskich. Korzystamy z systemu system SCADA/HMI firmy MicroB, obsługa ma także do dyspozycji dużą tablicę synoptyczną. Pozwala ona na monitorowanie kluczowych miejsc procesu technologicznego - od centralnej przepompowni ścieków, poprzez instalacje oczyszczania ścieków i przetwarzania osadów, po infrastrukturę zasilającą. Wszystkie dane są archiwizowane, co pozwala na sięgnięcie wstecz w celu np. sprawdzenia efektywności energetycznej po wykonanej modernizacji.

W oczyszczalni korzystamy przede wszystkim z sieci Profibus PA i DP oraz Ethernetu. Do dyspozytorni przychodzi kilkanaście światłowodów, dodatkowo mamy zapewnioną redundancję dzięki łączności radiomodemowej. Infrastruktura ta jednak się zmienia, co wynika głównie z modernizacji. Sieci rozszerzane są na nowe obiekty, z drugiej następuje ich upraszczanie - przykładowo zamiast transmisji w standardzie 4-20 mA stosujemy komunikację w sieciach wysokiego poziomu. Dodatkowo w zakładzie korzystamy z rozbudowanego systemu telewizji dozorowej.

Dyspozytornia

• Podsumowując - jakie są najważniejsze cele rozwoju technologicznego zakładu, jakim jest oczyszczalnia? Jakie są korzyści z automatyzacji?

Przepływ ścieków znacząco może zmieniać się podczas doby - występuje szczyt poranny i popołudniowy, do tego zależnie od opadów deszczu ilości ścieków mogą się bardzo różnić. Stąd też praktycznie każde z urządzeń pracuje w trybie automatycznym, według określonego programu. Duży stopień zautomatyzowania oczyszczalni pozwala również na minimalizację liczby osób koniecznych do codziennej obsługi obiektu. Personel pracujący w trybie zmianowym składa się typowo z pięciu osób - dyspozytora, dwóch osób obsługujących suszarnię oraz dwóch-trzech pracowników zajmujących się eksploatacją obiektu. Do tego naturalnie dochodzą pracownicy biurowi, w tym z posiadanego przez nas laboratorium, oraz ochrona. Wysoki poziom automatyzacji to również gwarancja odpowiedniego oczyszczania ścieków oraz bezpieczeństwa pracy instalacji.

Nadrzędnym celem prowadzonych przez nas prac jest zapewnienie pełnej kompatybilności poszczególnych elementów systemów oraz możliwości kontrolowania rozproszonego obiektu, jakim jest oczyszczalnia. Ze względu na wymogi prawne i kwestie środowiskowe musimy utrzymać wysoką jakość oczyszczania, zaś mieszkańcom Częstochowy zapewnić stałą cenę odbioru ścieków. Modernizacje, choć kosztowne, są jedynym sposobem na spełnienie tych warunków teraz i w przyszłości.

• Dziękujemy za rozmowę.