Podstawowym problemem procesu oczyszczania ścieków komunalnych jest eliminacja związków biogennych, głównie azotu i fosforu. Biogenami nazywamy z jednej strony związki niezbędne do budowy i funkcjonowania organizmów żywych, które wytwarzane są przez organizmy na skutek ich procesów życiowych. Z drugiej jednak strony mówimy o pierwiastkach, które przyczyniają się do wzrostu
biomasy organizmów wodnych, a w konsekwencji do zarastania zbiorników i zjawiska eutrofizacji [Dymaczewski i in. 1997].

Formy azotu w ściekach

W skład ścieków dopływających na oczyszczalnie miejskie (komunalne) wchodzą związki azotu o zróżnicowanym stopniu utlenienia m.in.: organiczne (mocznik, białko) i mineralne – nieorganiczne (azot amonowy, azotynowy i azotanowy) [Heidrich, Witkowski 2015].

Podstawowymi formami azotu występującymi w ściekach komunalnych jest amoniak (NH₄ –N) oraz związki organiczne. Od źródeł powstawania ścieków uzależnione są wzajemne proporcje tych dwóch zasadniczych form. Jednak za dominującą należy uznać postać organiczną, rozumianą przede wszystkim jako mocznik. Na wielkość tych proporcji ma wpływ zarówno czas dopływu ścieków na oczyszczalnie, jak i warunki występujące w kanalizacji sanitarnej, przez co udział azotu amonowego może wzrosnąć kosztem azotu organicznego. Azot nieorganiczny pojawia się w ściekach komunalnych w postaci rozpuszczonej (głównie w formie azotu amonowego), natomiast większość ścieków bytowych nie zawiera azotu nieorganicznego w formie utlenionej (N_NOx- = N_NO2 + N_NO3). Te formy azotu mogą występować w ściekach przemysłowych [Czerwionka, Szyszko 2015].

Efektem ubocznym produkcji przemysłowej są różnego typu odpady ciekłe, które zawierają składniki szkodliwe dla człowieka i środowiska naturalnego. Do najbardziej uciążliwych należą te, w których skład wchodzi azot w formie związków nieorganicznych. Takie związki azotu stosunkowo łatwo ulegają rozpuszczeniu w wodzie, przez co z łatwością rozprzestrzeniają się w środowisku i przyczyniają się do szerzenia zjawiska eutrofizacji oraz innych zagrożeń spowodowanych toksycznym oddziaływaniem niektórych form chemicznych azotu na organizmy żywe [Pawelczyk 2008].

Osiągnięcie wymaganych standardów odnośnie jakości odprowadzanych do wód powierzchniowych ścieków oczyszczonych jest problematyczne w sytuacji wysokich stężeń związków azotu i dużych ilości wód zużytych. Przykładem tego jest produkcja przemysłowa, w tym np.: gałęzie przemysłu wytwarzającego nitrozwiązki i azotany organiczne w fabrykach tworzyw sztucznych oraz w zakładach produkujących materiały wybuchowe. Duża część wykorzystywanego w procesach nitrowania kwasu azotowego przedostaje się do ścieków produkcyjnych, które z kolei bardzo trudno jest i unieszkodliwić, i zagospodarować [Pawelczyk 2008].

Trzecim podstawowym rodzajem ścieków (oprócz ścieków komunalnych i przemysłowych) są wody opadowe. Już w momencie trwania opadu deszczu zachodzą niekorzystne zjawiska dotyczące zmiany jakości wody, głównie poprzez kontakt wody z zanieczyszczeniami powietrza atmosferycznego. W celu zobrazowania skali zjawiska można posłużyć się przykładem. Polska charakteryzuje się średnim zanieczyszczeniem powietrza atmosferycznego. Podając za [Rybicki], na przykładowy zbiornik wodny o powierzchni około 100 ha rocznie opada 13700 kg azotu ogólnego, 472 fosforu ogólnego, 24000 kg siarczanów, 33,8 kg ołowiu i 3,17 kg kadmu. Ponadto do wód zbiornika przedostają się zanieczyszczenia wzdłuż linii brzegowej. Ładunki tych zanieczyszczeń uzależnione są od sposobu wykorzystania powierzchni oraz kąta nachylenia terenu [Rybicki 2001]. Charakterystyka jakościowa ścieków deszczowych jest bardzo trudna do ustalenia, ponieważ jest ona odzwierciedleniem warunków panujących w danej zlewni i jakości powietrza atmosferycznego. Ogólnie można określić, że ładunek zanieczyszczeń niesiony wraz z wodami opadowymi jest porównywalny z ładunkiem zanieczyszczeń pochodzącym ze ścieków komunalnych [Królikowska, Królikowski 2012].

Skąd problem nadmiaru azotu w wodach zużytych?

Azot stanowi główny składnik powietrza atmosferycznego – 78% jego objętości (pozostałe 21% – tlen). Jako pierwiastek azot krąży w przyrodzie w sposób ciągły. Pod wpływem czynników chemicznych oraz biochemicznych związki azotowe zmieniają swoją postać, biorąc udział w wielu procesach, m.in.: dezaminacji, amonifikacji, nitryfikacji czy denitryfikacji. Te same zjawiska zachodzą w wodach naturalnych. Azot, przechodząc z jednej postaci w drugą, przyjmuje formy zarówno organiczne, jak i nieorganiczne. Podczas oceny stopnia zanieczyszczenia wód związkami azotowymi bierzemy pod uwagę ich jakościowe oraz ilościowe występowanie. Amoniak występujący w wodach powierzchniowych (przy jednoczesnym braku azotynów) sugeruje świeże zanieczyszczenie wody ściekami gospodarczymi, czy też związkami organicznymi z zawartością azotu. W sytuacji jednoczesnego występowania i amoniaku, i azotynów, możemy mówić o „starym” zanieczyszczeniu. Natomiast, jeżeli zauważalna jest obecność azotanów, przy braku związków amonowych i azotynowych, najprawdopodobniej zostały zapoczątkowane procesy samooczyszczania się wody [Materiały 2001].

Oprócz azotu występującego naturalnie w środowisku i „napływającego” wraz ze ściekami (komunalne, przemysłowe, opadowe), kolejnym źródłem azotu jest rolnictwo. Przede wszystkim nawozy azotowe i ścieki rolnicze (odchody z ferm zwierzęcych bogate m.in. w azot). Nawozy azotowe cieszą się dużą popularnością zarówno w rolnictwie, jak i leśnictwie czy ogrodnictwie. Problemem jest jednak zjawisko przenawożenia gleb, czyli stosowania nadmiernej ilości tego „wspomagacza”. Zbyt duże ilości wprowadzanego do gleby azotu zamiast poprawy powodują utratę zdolności przyswajania przez rośliny składników odżywczych, a skutek nawozów może być odwrotny od zakładanego [Springall i in. 1992]. Nieprzyswojony przez rośliny azot oraz inne nawozy mineralne spływają do wód powierzchniowych i podziemnych, wzbogacając je w substancje odżywcze i tym samym zwiększają ich potencjał troficzny, czyli kształtują procesy eutrofizacji w ekosystemach wodnych.

Oczyszczalnia Ścieków w Tarnobrzegu

Miejska Oczyszczalnia Ścieków w Tarnobrzegu, wchodząca w skład Tarnobrzeskich Wodociągów Sp. z o.o., swoją działalność rozpoczęła w 1998 r. [Suchy i in. 2003]. Na oczyszczalnie doprowadzane są przede wszystkim ścieki bytowo-gospodarcze z niewielką domieszką ścieków przemysłowych (ok 5%), a także wody opadowe i infiltracyjne – 13,8% (wody podziemne pochodzące bezpośrednio z opadów lub powierzchniowych zbiorników wodnych) [Suchy i in. 2003].

Średniodobowy przepływ ścieków, na jaki została zaprojektowana oczyszczalnia wynosi Q =12 000 m3/d, tj 1,4 m3/s, co stanowi ok. 1,6 przepływu SNQ (przepływ średni niski) wynoszącego 84 m3/s w rzece. Ilość ścieków dopływająca do oczyszczalni w okresie bezdeszczowym wynosi Q_śr.d.= 5 900 m3/d, natomiast Q_max.d. = 7 100 m3/d. Pod względem hydraulicznym średnie obciążenie oczyszczalni wynosi mniej niż 50% jej projektowanych możliwości, natomiast obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń stanowi ok. 60% [Żmuda 2011]. 

Komunalna oczyszczalnia ścieków w Tarnobrzegu jest oczyszczalnią mechaniczno-biologiczną, opartą o system osadu czynnego, składającą się z trzech części: ciągu mechanicznego, części biologicznej oraz linii przeróbki osadu ściekowego. Odbiornikiem ścieków oczyszczonych oczyszczalni jest rzeka Wisła.

Teoria a praktyka

Oznaczenia wartości poszczególnych form azotu (N_og= N_NO2 + N_NO3 + N_Kj) w ściekach surowych i oczyszczonych wykonano w akredytowanym Laboratorium Wody i Ścieków Miejskiej Oczyszczalni Ścieków w Tarnobrzegu. Próbki pobierano w okresie od listopada 2017 r. do kwietnia 2018 r., dwa razy w miesiącu w odstępie około dwutygodniowym, każdorazowo o godzinie 7.30, zgodnie z Polską Normą PN – ISO 5667 – 10, „Jakość wody; Pobieranie próbek”.

Na podstawie przeprowadzonych 12 analiz w okresie jesienno-wiosennym 2017/2018 możemy stwierdzić, że w żadnym przypadku nie doszło do przekroczenia wartości wskazanych w rozporządzeniu (Dz. U. 2014 poz. 1800) i pozwoleniu wodnoprawnym oraz uzyskano wymagany, procentowy stopień redukcji (tab. 1).

Na podstawie przeprowadzonych badań stężeń azotu w ściekach surowych i oczyszczonych, pochodzących z Miejskiej Oczyszczalni Ścieków w Tarnobrzegu, w okresie od 8.11.2017 do 18.04.2018, stwierdzono, że ścieki oczyszczone odpływające do odbiornika, jakim jest rzeka Wisła, spełniają wymagania, zarówno w stosunku do pozwolenia wodnoprawnego (15,0 mg N/dm3 i poniżej), jak i rozporządzenia (15 mg N/ dm3) (Dz. U. 2014 poz. 1800). Stopień redukcji azotu ogólnego wyniósł średnio 83%, co spełnia wymagania poziomu redukcji uregulowanego przez obowiązujące w Polsce prawo – 70-80% redukcji (rozporządzenie Dz. U. 2014 poz. 1800). Ponadto, dzięki przeprowadzonym analizom, które były wykonywane bez względu na panujące warunki atmosferyczne, potwierdzono, że na osiągnięty poziom redukcji związków azotu nie mają wpływu warunki pogodowe związane z występowaniem lub też niewystępowaniem opadów atmosferycznych [Młyńska i in. 2017]. Zauważono natomiast pewną tendencję, uzależniającą stopień redukcji związków azotu od temperatury. Mianowicie, im wyższa jest temperatura ścieków, tym ładunek azotu w ściekach oczyszczonych jest niższy. Dzieje się tak dlatego, iż wraz ze wzrostem temperatury ścieków dopływających w miesiącach letnich, spada ilość tlenu w komorze nitryfikacji (wewnątrz kłaczków panują warunki niemalże beztlenowe), czego konsekwencją może być symultaniczna denitryfikacja, a następnie niższe stężenia azotanów w ściekach odpływających. Odmiennie sytuacja wygląda zimą, kiedy temperatura ścieków jest niska (w okresie chłodniejszym odnotowano wyższe stężenia azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych). Wraz ze spadkiem temperatury obniżeniu ulega skuteczność usuwania azotu. Temperatura odgrywa kluczową rolę w prawidłowym rozwoju bakterii żyjących w osadzie czynnym (głównie są to bakterie mezofilne), ponieważ spadki temperatur znacząco wpływają na obniżenie aktywności tych wrażliwych organizmów. Obniżenie temperatury do 11°C może skutkować zahamowaniem drugiej fazy nitryfikacji, czego konsekwencją jest wzrost ilości azotynów na odpływie. Spadek temperatury do około 5°C może powodować śmierć organizmów odpowiedzialnych za proces oczyszczania, a tym samym zanik samego procesu oczyszczania ścieków. Ponadto okres zimowy (w tym roztopy) wiąże się z dodatkową wodą spływającą wraz ze ściekami na teren oczyszczalni, co również może być przyczyną zakłóceń w prawidłowym funkcjonowaniu procesu biologicznego oczyszczania ścieków [Smyk 2014].

Zachowanie właściwego stopnia skuteczności procesów usuwania związków azotu na drodze nitryfikacji i denitryfikacji, jak to ma miejsce w tarnobrzeskiej oczyszczalni, zostaje osiągnięte, ponieważ w kolejnych obiektach technologicznych wchodzących w skład oczyszczalni zapewnione zostają odpowiednie warunki, związane przede wszystkim z dostarczaniem wystarczającej ilości materii organicznej, odpowiedniej ilości tlenu, utrzymywaniem optymalnego zakresu pH i temperatury ścieków [Młyńska i in. 2017].

Uwzględniając powyższe dane, należy stwierdzić, że pomimo wysokiego stopnia redukcji zanieczyszczeń efektem końcowym procesu oczyszczania ścieków są w dalszym ciągu ścieki, tyle że w wysokim stopniu oczyszczone pod względem zawartości związków azotu. Wody zużyte wprowadzane do wód rzeki Wisły przez tarnobrzeską oczyszczalnię odznaczają się niskimi stężeniami poszczególnych parametrów, spełniających wszystkie wymogi prawne, jednakże w dalszym ciągu obecnymi. Systematyczne dostarczanie nawet najmniejszych ilości związków biogennych, znajdujących się w ściekach oczyszczonych, przyczynia się do procesu dożyźniania wód, czego długotrwałe konsekwencje powodują degradację ekosystemów wodnych.

***

Podstawowym zadaniem każdej oczyszczalni ścieków jest odprowadzanie do odbiornika ścieków oczyszczonych w jak najwyższym stopniu. Dodatkowym, równie istotnym zagadnieniem jest gospodarka osadowa. Usuwanie związków azotu ze ścieków uzależnione jest od wielu parametrów: temperatury, pH, stężenia tlenu rozpuszczonego, wieku osadu czy obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń i in., i uzależnione jest przede wszystkim od wiedzy i doświadczenia osoby odpowiedzialnej za prawidłowe funkcjonowanie części biologicznej oczyszczalni. Prawidłowe zagospodarowanie osadów ściekowych uzależnione jest natomiast od chęci i troski przedsię
biorstwa o środowisko. Tarnobrzeskie Wodociągi Sp. z o.o., realizując projekt „Gospodarka wodno-ściekowa w Tarnobrzegu etap II” współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Programu Operacyjnego Infrastruktura i Środowisko, przewidzianego na realizację w latach 2017-2020, wchodzi na nową drogę dbałości o środowisko jako nasze wspólne dobro. Celem technicznym projektu jest budowa instalacji suszarni osadów ściekowych w powiązaniu technologicznym Oczyszczalni Ścieków. Modernizacją zostaną objęte niemal wszystkie elementy procesu oczyszczania. Przyczyni się to do zwiększenia jakości pracy poszczególnych części technologicznych, a co za tym idzie – do zachowania tożsamości ekologicznej lokalnych terenów.

Artykuł został również opublikowany w nr 1/2019 magazynu Kierunek Wod-Kan.