Usuwanie odorów z kanalizacji ściekowej

Przedsiębiorstwa wodociągowo-kanalizacyjne (bo one zazwyczaj są właścicielami i operatorami sieci) coraz częściej muszą mierzyć się z problemem złowonności. Wynika to z obowiązków nakładanych na te podmioty przez właścicieli (miasta i gminy) lub jest wymuszane przez naciski społeczne.

Pochodzące z kanalizacji odory nie są jedynie uciążliwością. Mogą być także substancją niebezpieczną dla życia (szczególnie przy inspekcjach studzienek kanalizacyjnych bądź studni rozprężnych), a ponadto zawsze stanowią zagrożenie dla betonu i elementów metalowych, z których zbudowana jest sieć, poprzez powodowanie korozji siarczanowej. Mechanizm jej powstawania (utlenianie H₂S do bardzo agresywnego, rozcieńczonego H₂SO₄ w miejscach, gdzie jest tlen) zilustrowano na rysunku.

 

W ostatnich latach problem ten narasta w związku z oszczędzaniem przez mieszkańców wody – ścieków jest zatem mniej niż projektowano przy budowie sieci, a przepływ jest powolny. Sprawa dodatkowo się komplikuje w systemach kanalizacji ciśnieniowej, skala problemu zwiększa się wraz ze wzrostem długości rurociągu tłocznego, a w efekcie – czasu przebywania w nim ścieku, zwiększeniem się CHZT ścieków, podwyższonym stężeniem jonów siarki, np. pochodzenia przemysłowego, oraz umieszczaniem studni rozprężnych w bezpośrednim sąsiedztwie siedlisk ludzkich.

Główną przyczyną złowonności jest zagniwanie ścieków w wyniku procesów biologicznego ich rozkładu, a to prowadzi do powstania odorów, w tym przede wszystkim zagrażającego życiu ludzi siarkowodoru (H₂S). Jak niebezpieczny jest to gaz, pokazano w tabeli.

 

W artykule ograniczono się do problemu siarkowodoru, bowiem inne substancje złowonne mają w praktyce mniejsze znaczenie. Co zatem można zrobić, żeby pozbyć się tego gazu z sieci?

Należy spowodować, aby w ściekach nie zabrakło tlenu rozpuszczonego lub związanego np. w jonach azotanowych, bowiem obecność tlenu nie pozwala na zagniwanie ścieków. Ale jeśli już zagnicie nastąpiło, należy możliwie szybko i efektywnie usunąć tworzący się siarkowodór. Wybór metody to kompromis między kosztami inwestycyjnymi oraz eksploatacyjnymi, a także pracochłonnością podczas eksploatacji danego rozwiązania.

Jest kilka sposobów na to, aby nie dopuścić do zagniwania. Pierwszy polega na wprowadzeniu do rurociągów rozpuszczonego powietrza zmieszanego z wodą (wymaga to jednak wyposażenia pompowni ścieków w dodatkowy obiekt realizujący dane zadanie). Można też przepłukiwać rurociągi wodą (choć wtłaczanie czystej wody do sieci jest działaniem awaryjnym, wymagającym zaangażowania sprzętu i ludzi). Możliwe jest również dozowanie do ścieków reagentów utleniających (np. NO₃).

Kiedy jednak siarkowodór już się pojawi, należy go z sieci usunąć. Tutaj najczęściej stosowane metody to dozowanie do ścieków jonów żelaza, które trwale wiążą siarkowodór, stosowanie wszelkiego rodzajów biofiltrów montowanych pod pokrywami studni rozprężnych, wykorzystywanie różnego typu mat lub żeli, których opary eliminują związki odorowe (w tym siarkowodór) oraz hermetyzowanie obiektów i przepuszczanie zanieczyszczonego odorami powietrza przez filtry wypełnione odpowiednimi materiałami pochłaniającymi.

 

Wybór danej metody powinien uwzględniać zarówno wielkość obiektu, jak i ilość generowanego H₂S.

Należy określić ilość przetłaczanych dobowo ścieków oraz ich rodzaj (ścieki przemysłowe, ścieki dowożone do stacji zlewnych – o dużym ładunku zanieczyszczeń). Obserwacje aplikacji na sieciach kanalizacyjnych wskazują na pewną regułę: im większa skala/stężenie H₂S, tym powszechniejsze jest stosowanie jonów żelaza, a jedynym problemem jest skuteczny i bezpieczny sposób podania środka do ścieków.

Wpływ na wybór określonej metody powinna mieć też liczba obiektów sprawiających problem złowonności. Często jednym środkiem zapobiegawczym można usunąć problem stosunkowo długiego odcinka sieci, bez ingerencji w punkty, w których identyfikowany jest problem. Rysunek ilustruje genezę problemów z siarkowodorem, a właściwości danej metody należy optymalnie dostosować do sytuacji.

 

Trzeba również przewidzieć skutki wtórne, czyli wpływ danej metody na późniejsze procesy oczyszczania ścieków na oczyszczalni. Na przykład wprowadzenie na sieci kanalizacyjnej jonów żelaza nie uchroni przed zagniciem ścieków, ale zredukuje ilość powstającego siarkowodoru, poprzez trwałe związanie jonów do nierozpuszczalnego FeS. Znaczna ilość jonów siarkowych nie zostanie już uwolniona do ścieków. Tym samym zmniejsza się problem odsiarczania podczas obróbki osadów pościekowych i eliminacji siarkowodoru z biogazu. W wyniku reakcji chemicznej powstaje osad chemiczny co jest widoczne w bilansie masy osadów i stanowi on ok. 30 – 50% masy zastosowanych środków chemicznych.Należy zwrócić uwagę, że związek żelaza i siarki jest naturalnym i powszechnie występującym w przyrodzie minerałem o nazwie piryt. Jako efekt wtórny stosowania jonów żelaza na sieci na głównych kolektorach ściekowych stwierdzono zmniejszenie lub całkowitą eliminację obecności tego trującego gazu w halach krat, stanowiących często miejsce, w których zachodzi pierwsze rozprężenie ścieków po dłuższych odcinkach dopływu.

 

Dobór metody jest uzależniony także od jej przeznaczenia/dostosowania do skali problemu. Z uwagi na warunki lokalne każda metoda posiada bowiem określone ograniczenia; np. żelami, matami lub biofiltrami trudno usuwać siarkowodór, którego stężenia w studniach rozprężnych sięgają 1000 ppm. Są to metody raczej do używania w zamkniętych pomieszczeniach budynków pompowni. I przeciwnie – w momentach, gdy chodzi o „wygładzenie” obrazu oraz usunięcie minimalnych, ale odczuwalnych stężeń, filtry i maty mogą pracować długo i efektywnie.

Wśród kryteriów nie może zabraknąć optymalizacji kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Dokładna analiza ekonomiczna jest obecnie głównym narzędziem podejmowania wszystkich decyzji zmieniających istniejące i wprowadzających nowe technologie. W tym przypadku również powinna być ona podstawą decyzji.Typowe koszty inwestycyjne projektu to zakup niezbędnej instalacji dozującej, czujników pomiarowych i przygotowanie miejsca rozładunku. Natomiast kosztami eksploatacyjnymi są konserwacja, regeneracja/przywrócenie sprawności układu, bieżące wymagania co do obsługi, zakup reagentów, filtrów, preparatów itp.

Rozsądne wydaje się łączenie różnych metod w celu optymalizacji wyniku technologicznego.

 

Stężenie siarkowodoru w powietrzu (ppm)	Reakcje człowieka
0,2	Próg wyczuwalności
3-5	Silny zapach
10	Najwyższe dopuszczalne stężenie dla ośmiogodzinnego czasu pracy
10-50	Odczuwalne podrażnienie oczu
50-100	Odczuwalne podrażnienie układu oddechowego
100-200	Kaszel, ból oczu i głowy
300-500	Stałe zagrożenie życia
500-700	Silne podrażnienie systemu nerwowego
>700	Natychmiastowe zasłabnięcie z paraliżem oddychania – śmierć

Problem złowonności sieci kanalizacyjnej w Słupsku jest znany od dawna, dlatego podczas planowania budowy kanalizacji w miejscowościach przyległych do miasta zdecydowano o konieczności wyposażenia projektowanych przepompowni w instalacje do dozowania związków chemicznych zapobiegających powstawaniu substancji złowonnych.

Wprowadzając do ścieków jony azotanowe lub/i żelazowe (główne chemikalia dostępne na rynku do usuwania odorów bazują na działaniu utleniającym azotanów lub wiążącym siarkowodór jonów żelaza), „zatrzymuje się problem w obrębie ścieków”, inaczej mówiąc, nie wypuszcza się siarkowodoru do atmosfery/otoczenia. Należy w tym miejscu zwrócić uwagę, że odór powodowany przez siarkowodór jest odczuwalny przez człowieka już przy koncentracji tego gazu w powietrzu na poziomie 1-2 ppm. Z kolei hermetyzacja powoduje nadmierną koncentrację trującego siarkowodoru wewnątrz zamykanego obiektu. To z kolei wpływa na warunki panujące w danych elemencie sieci kanalizacyjnej, która jest zawsze obsługiwana przez ludzi (pracowników wodociągów). Ponadto korozyjne właściwości siarkowodoru, niszczące urządzenia i samą sieć, są argumentem, aby nie dopuszczać do jego powstawania albo pozbywać się go jak najprędzej.

 

Stosowanie chemikaliów można ograniczyć do tych okresów w roku, kiedy istnieje największe zagrożenie powstawania siarkowodoru – w tym celu należy mierzyć jego poziom i uzależniać dawkę reagentów od bieżącego wyniku pomiaru. Zadanie to może być częściowo lub w pełni zautomatyzowane.

Najbardziej powszechną aplikacją związaną z usuwaniem odorów, realizowaną również przez Wodociągi w Słupsku, jest zapobieganie powstawaniu oraz pozbywanie się siarkowodoru na odcinkach kanalizacji doprowadzających ścieki z obszarów przyległych do miasta. Nowo budowane przepompownie są wyposażane w instalacje dozujące reagenty do tłoczonych ścieków. Wysokie, sięgające kilkuset ppm stężenia siarkowodoru wymuszają stosowanie odpowiedniej do skali problemu metody. Wybór reagenta oraz optymalizacja procesu następuje w trakcie eksploatacji.

W przypadku, gdy do przepompowni dopływają ścieki jedynie z kanalizacji grawitacyjnej, to tuż za tym obiektem do rurociągu tłocznego wprowadzane są reagenty z przewagą jonów azotanowych, których zadaniem jest zapewnienie odpowiedniej ilości tlenu w ściekach, a tym samym zapobieżenie ich zagniwaniu.

Istnieją również obiekty, do których ścieki dopływają rurociągami ciśnieniowymi z przepompowni przydomowych (w eksploatowanym przez Wodociągi Słupsk systemie ciśnieniowym występuje ich ponad 1000). Ścieki z tego systemu są w znacznym stopniu zagnite, a poziom siarkowodoru przekracza czasem 700 ppm. Przed studnią rozprężną z takiego układu do ścieków wprowadza się środki z przewagą jonów żelazowych, które redukują ilość złowonnego siarkowodoru do akceptowalnego poziomu.

 

Rozważając rodzaj wprowadzanego reagenta, należy wziąć pod uwagę również mieszaninę wymienionych składników. Taki wybór może okazać się optymalny z uwagi na zalety oraz wady każdego składnika z osobna, np. zbyt duża ilość azotanów w rurociągu tłocznym może powodować zapowietrzenie sieci (powstanie efektu „korka powietrznego” wskutek występujących reakcji) i utrudniać pracę pomp. Wśród ograniczeń w stosowaniu określonych środków nie można nie wspomnieć o kłopotach w eksploatacji podczas silnych mrozów. Czynnik niskich temperatur zewnętrznych ma negatywny wpływ na stosowanie wybranych metod, ale z drugiej strony może ograniczyć tempo zagniwania ścieków i powodować, że w tym czasie możliwa będzie rezygnacja z dozowania środków chemicznych.

Rodzaj stosowanego preparatu (a więc koszty z nim związane) można uzależnić od skali problemu. Są miejsca, gdzie wykorzystanie tańszych środków w zupełności wystarcza. Przy doborze preparatu można również uwzględniać stężenie siarkowodoru w miejscu pomiaru. W ten sposób optymalizacja kosztów będzie realizowana w sposób ciągły. Zebrane dotychczas dane o kosztach eksploatacyjnych całkowitej eliminacji siarkowodoru na odcinkach kanalizacji ściekowej dla metody wykorzystującej reagenty zawierające w swoim składzie jony żelaza i/lub jony azotanowe mówią o koszcie od 0,05 do 0,28 zł/m³ ścieków.

 

Jako przykłady i być może punkt odniesienia dla przyszłych aplikacji mogą służyć dane uzyskane w wyniku doświadczeń Wodociągów w Słupsku oraz udostępnione przez dostawcę chemikaliów. W pierwszym przypadku mamy do czynienia ze ściekami o dużym stężeniu siarkowodoru (w zakresie 200-350 ppm). Występuje zatem konieczność utleniania środowiska i usuwania powstającego H₂S przed potencjalnym miejscem wydostania się do atmosfery. Środek należało stosować przy wysokich temperaturach (czerwiec-sierpień). Skorzystano zatem z roztworu wodnego mieszaniny jonów azotanowych o zawartości NO₃ ok. 16% oraz jonów żelaza o zawartości Fe ok. 5%. Zastosowana dawka (ok. 300 g/m³) była uzależniona od stężeń siarkowodoru. Cena produktu to 850 zł/t (wartość powiązana z kosztami dostawy), zaś koszt jednostkowy dla 1 m³ tłoczonych ścieków wyniósł 0,28 zł.

 

Inny przypadek to taki, gdzie stęzenie wydzielanego ze ścieków siarkowodoru oscylowało w zakresie 80-150 ppm. Zdecydowano się na jego usuwanie przed potencjalnym miejscem wydostania się do atmosfery, niemal przez cały rok. Zastosowano zatem roztwór wodny jonów żelaza o zawartości Fe ok. 10%, dozując ok. 100 g środka na 1 m³ ścieków. Cena produktu wyniosła 500 zł/t, natomiast koszt jednostkowy dla 1 m³ tłoczonych ścieków to 0,05 zł.

W efekcie w obu opisanych przykładach obniżono stężenie siarkowodoru do wartości równych lub bliskich zeru.

W sytuacjach, kiedy optymalizacja poprzez monitoring rzeczywiście ma miejsce, zapotrzebowanie na różnego rodzaju środki jest określane na bieżąco, a uzyskanie efektu eliminacji uciążliwości uzyskuje się nawet przy usuwaniu siarkowodoru do wartości minimalnych, bez konieczności przedozowania w celu całkowitego osiągnięcia stężeń zerowych.

 

Na rynku istnieje szereg metod usuwania złowonności. Każda z nich znajduje swoją niszę zastosowań (biofiltry przy stężeniach siarkowodoru do 50 ppm oraz w małych przydomowych oczyszczalniach, hermetyzacja obiektów na oczyszczalniach ścieków, stosowanie żeli sublimujących na odcinkach kanalizacji grawitacyjnej tuż za studnią rozprężną itp.). Wydaje się, że usuwanie siarkowodoru na rozległych sieciach kanalizacyjnych połączonych z systemem ciśnieniowym, za pomocą różnego rodzaju chemikaliów oraz odpowiednie monitorowanie wyników jest rozwiązaniem optymalnym ze względu na aspekty technologiczno-ekonomiczne.

 

Wodociągi Słupsk