Kontrola stężenia siarkowodoru w kanalizacji tłocznej w systemie Bezemisyjnego Transportu Ścieków BTS

1. Wprowadzenie

Występujące w ściekach surowych substancje organiczne stanowią podstawowe źródło generowanego w sieciach kanalizacyjnych siarkowodoru. Jest on najbardziej uciążliwym i dominującym zapachowo produktem beztlenowych biologicznych przemian ścieków, pojawiającym się obok amoniaku czy siarkowych związków organicznych, jak tiofen czy merkaptan. Siarkowodór jest potencjalnym zagrożeniem dla zdrowia i życia człowieka, a także powoduje problemy przy eksploatacji urządzeń i instalacji kanalizacyjnych w wyniku korozyjnych właściwości w stosunku do betonu i innych materiałów wykorzystywanych w systemach transportu ścieków (Dębowski i in. 2008, Podraza 2014).

Siarkowodór łatwo wchłania się do organizmu przez płuca, atakując ośrodkowy układ nerwowy i płuca. Zapach siarkowodoru staje się wykrywalny przy niskich stężeniach (0,0005 ppm), ale przy 2–15 minutach ekspozycji w stężeniu 100 ppm następuje utrata węchu. Dlatego wyższe stężenie, niewyczuwalne już przez człowieka może spowodować utratę przytomności oraz śmiertelne porażenie układu oddechowego (>500 ppm). Stężenie siarkowodoru w zakresie 50-100 ppm powoduje dolegliwości, takie jak zapalenie spojówek, podrażnienie nosa i gardła oraz poważne powikłania chorobowe płuc. (Schneider i in.1998; Wasch i in. 1989, Malone Rubright i in.2017)

Najczęściej do uwolnienia siarkowodoru z ciśnieniowej sieci kanalizacyjnej dochodzi w studni rozprężnej lub przepompowni, gdzie jako gaz cięższy od powietrza zalega on w przewodach do momentu pompowania ścieków, które najczęściej odbywa się cyklicznie po osiągnięciu zadanego poziomu w studni. Uciążliwość dla pracowników zakładów kanalizacyjnych, a przede wszystkim okolicznych mieszkańców skłania coraz więcej eksploatatorów do poszukiwań skutecznych rozwiązań kontroli emisji siarkowodoru.

Aktualnie stosowane są dwa główne kierunki postępowania: zapobieganie oraz eliminowanie. Pierwszy kierunek orientuje się na utrzymanie w sieci warunków tlenowych metodami chemicznymi np. nadtlenek magnezu (MgO₂) i nadtlenek wapnia (CaO) oraz fizycznymi (napowietrzanie lub natlenianie), jak również poprzez blokowanie rozwoju i aktywności bakterii redukujących siarczki (czyszczenie rurociągów z osadów, podwyższanie pH ścieków, czy też kontrowersyjne stosowanie środków bakteriobójczych). Natomiast do eliminowania powstałych już odorów stosowane mogą być w szerokim zakresie metody fizykochemiczne, jak adsorpcja na węglu aktywnym lub chemiczne utlenianie i strącanie solami NaNO₃; Ca(NO₃)₂,  silnymi utleniaczami: H₂O₂;  Cl₂; NaClO; KMnO₄; NaMnO₄ czy też związkami żelaza: FeCl₃, Fe(Cl)₂; Fe(NO₃)₃; Fe₂(SO₄)₃. W zależności od wielkości stężenia siarkowodoru można również stosować metody biologiczne, jak np. biofiltry czy bioskrubery (Brandt i in. 2017, Talaiekhozani i in. 2016). Istotnym warunkiem zastosowania danej metody jest nie tylko jej efektywność, ale również przewidywane skutki wtórne, jak wpływ na późniejsze procesy oczyszczania ścieków.

Wprowadzanie nowych metod w rozwiązywaniu tych problemów wymaga weryfikacji w warunkach rzeczywistych, co często nie jest łatwym zadaniem. Odpowiedni wybór obiektu, zgoda eksploatatora, dostosowanie do pomiarów oraz wszelkie niespodziewane sytuacje, które nie występują w stabilnych warunkach badań laboratoryjnych stanowią o trudności, ale też o wartości tak uzyskanych wyników. W niniejszym artykule przedstawiono fragment badań terenowych nowej technologii napowietrzania i płukania przewodu tłocznego sprężonym powietrzem o nazwie BTS – Bezemisyjny Transport Ścieków, dotyczący zakresu kontroli emisji siarkowodoru w kanalizacji tłocznej.

1.1 Obiekty badań

W celu zweryfikowania efektywności systemu BTS w warunkach rzeczywistych wyznaczono dwa odcinki różnych systemów kanalizacji tłocznej obsługujących niezależne zlewnie. Obiekty różniły się wielkością przepływu, charakterystyką ścieków oraz średnicą rurociągu. W obu przypadkach badania prowadzono na odcinkach Pompownia – Studnia rozprężna o zbliżonej długości. Podstawową charakterystykę obu obiektów zamieszczono w tab.1.

Tabela 1. Podstawowa charakterystyka badanych odcinków rurociągu tłocznego

Obiekt-1 stanowił fragment systemu obsługującego miejscowość wiejską z niewielkim napływem ścieków (Giezkowo, województwo zachodniopomorskie, Polska). Pomiary ścieków dopływających do pompowni wykazały, że ścieki nie są zagniłe, a średnia wartość potencjału redoks ścieków wynosiła 35 mV i w większości mierzonych próbek była dodatnia. Średni czas retencji ścieków w odcinku rurociągu wybranym do badań wynosił 14.4 h.

Obiekt-2 był częścią rozgałęzionego systemu sieci kanalizacyjnej tłocznej obsługującej rozległy teren zlewni (Konikowo, województwo zachodniopomorskie, Polska) charakteryzującym się dużym przepływem i krótkim czasem przebywania ścieków w przewodzie tłocznym (średnio 2.1h). Ścieki dopływające do przepompowni charakteryzowały się jednakże ujemnym potencjałem redox (od -185mV do -360 mV), stanowiąc dużą uciążliwość zapachową.

Przebieg obu rurociągów był zróżnicowany wysokościowo pomiędzy poszczególnymi studniami, których na badanym odcinku Obiektu-1 było 8, natomiast w przypadku Obiektu-2 było ich 12. Badania prowadzono w okresie wiosenno-letnim, w temperaturze powietrza w studni pomiarowej 15-21^oC.

1.2 BTS – Bezemisyjny transport ścieków

Technologia BTS została opracowana i przebadana w szerokim zakresie w skali laboratoryjnej przez polską firmę EkoWodrol. Jest to system do napowietrzania i płukania przewodu tłocznego sprężonym powietrzem, opartym na wypracowanym w licznych symulacjach innowacyjnym algorytmie pracy, modelującym przepływ i napowietrzanie ścieków w rurociągu oraz optymalizującym pracę przepompowni. Samo urządzenie zawierające m.in. odpowiednio dobraną sprężarkę mieści się w specjalnej zabudowie kontenerowej, która sytuowana jest w bliskim otoczeniu przepompowni. W przeprowadzonych badaniach dozowanie powietrza do rurociągu odbywało się bezpośrednio za pompownią obu obiektów, w sposób punktowy i czasowy. Parametry pracy systemu BTS podano w tab.2. Podczas przedmuchu rurociągu tłocznego praca pompowni była wstrzymana, istniejące zawory odpowietrzające były zamknięte, co jest również cechą charakterystyczną tej technologii.

Tabela 2. Dane wyjściowe do badań terenowych

1.3 Pomiary stężenia siarkowodoru

Pomiary stężenia siarkowodoru przeprowadzono w studni rozprężnej wybranego odcinka kanalizacji tłocznej zarówno w okresach normalnej eksploatacji sieci, co posłużyło za poziom odniesienia, jak i w okresie pracy systemu BTS. Pomiary były przeprowadzone automatycznie z wykorzystaniem sensora typu H₂S BE o zakresie podstawowym 0-2000 ppm i wartości szczytowej 3900 ppm oraz czujnika BLE Gateway 300640. Wyniki z częstotliwością 1 min. były przesyłane on-line i archiwizowane na platformie internetowej.

2. Wyniki badań i dyskusja

2.2 Poziom stężenia siarkowodoru przed zastosowaniem systemu BTS

Analizy zmienności stężenia siarkowodoru w studni rozprężnej obu obiektów prowadzone były w różnych okresach czasowych. Uzyskane dane wykazały dużą zmienność wartości mierzonego parametru, od wartości bliskich jedności do 700 ppm. W przypadku Obiektu-1 pomimo dopływu do pompowni ścieków świeżych, małe przepływy oraz długi czas retencji sprzyjały beztlenowym przemianom w ściekach, a także tworzeniu błony biologicznej i osadów generujących warunki do szybkiego odtleniania przepływających ścieków. Efektem była znacząca produkcja siarkowodoru (rys.1) o dużo wyższych stężeniach, niż notowanych w Obiekcie-2, w którym dopływ ścieków do pompowni już charakteryzował się wysokim stopniem rozkładu – tym samym mniejszym potencjałem generowania gazu. Analiza poszczególnych danych wykazała występowanie w obu przypadkach nagłych wzrostów stężenia siarkowodoru w studni rozprężnej głównie podczas pompowania ścieków.

Rys.1. Dobowy rozkład stężenia siarkowodoru w studni rozprężnej dla przykładowego okresu funkcjonowania rurociągu tłocznego Obiektu-1 bez przedmuchów BTS (28-30 lipiec 2019r.)

Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy dobowy rozkład stężenia siarkowodoru podczas kilku wybranych cykli pracy pompowni. Pokazuje to, że w rurociągu tłocznym pomiędzy każdym kolejnym tłoczeniem ścieków w przewodzie gromadził się siarkowodór, który podczas pompowania został przetransportowany do studni rozprężnej, gdzie miał możliwość ucieczki do atmosfery. Dynamiczny wzrost stężenia gazu nie zawsze też kończył się bezpośrednio z chwilą zakończenia pompowania ścieków, gdyż był on wypadkową ilości siarkowodoru w rurociągu oraz czasu pracy pomp. W niektórych cyklach jeszcze podczas pracy pompowni obserwowano powolny spadek stężenia gazu. Dlatego też w przeprowadzonych analizach skupiono się głównie na wynikach pomiarów siarkowodoru uzyskanych tylko podczas cyklu pompowania ścieków.

Rys.2. Przykład wyrzutu siarkowodoru w studni rozprężnej podczas pompowania ścieków (5 załączeń pompowni, 19.08.2019r.) dla Obiektu-2 przed zastosowaniem BTS

Wartość średnia stężenia siarkowodoru wydzielanego w studni rozprężnej dla Obiektu-1 wyniosła 310 ppm (przy zakresie 58 – 691 ppm), natomiast dla Obiektu-2 był to poziom 163 ppm (zakres 44-338 ppm).  W tabeli 1 zamieszczono analizę częstości występowania określonych zakresów stężenia H₂S dla obu obiektów i tylko podczas pompowania ścieków. Analiza ta obejmuje odczyty pomiaru stężenia siarkowodoru jako największą wartość z pomiarów w zakresie czasowym obejmującym cykl pompowania ścieków oraz kilka minut po jego zakończeniu.

Ponieważ sama wartość stężenia siarkowodoru nie oddaje do końca faktycznej uciążliwości obiektów, przyjęto uproszczone założenie, że do stężenia maksymalnego w danym pompowaniu z rurociągu został wypchnięty cały obecny siarkowodór, a w dalszym czasie następuje już jego uwalnianie do atmosfery.

Tabela 3. Analiza częstości występowania stężenia H₂S w studni rozprężnej tylko podczas pompowania ścieków. (Obiekt-1 – 48 cykli pracy pompy, Obiekt-2 – 54 cykli)

W ten sposób można było określić chwilowy ładunek siarkowodoru dla danego cyklu pompowania wyznaczony z iloczynu stężenia maksymalnego gazu oraz ilości pompowanych ścieków. Wyniki takiej analizy zostały przestawione w tab.2. Wartość średnia ładunku chwilowego siarkowodoru dla Obiektu-1 wyniosła 758 mgH₂S/cykl pompowy, natomiast dla Obiektu-2 była to wartość 3 914 mgH₂S. Uzyskane wartości wskazują na dużo większą uciążliwość Obiektu-2, który generuje wielokrotnie większe ładunku siarkowodoru podczas cyklu pracy pompy (większe ilości ścieków, dłuższy czas pracy pompy i większa średnica rurociągu), pomimo mniejszych stężeń siarkowodoru uwalnianych w studni rozprężnej.  Jednocześnie częstotliwość pracy pompy w ciągu doby dla Obiektu-2 wynosiła około 30 załączeń, potęgując efekt zagrożenia, podczas gdy dla Obiektu-1 była to dwukrotnie mniejsza liczba (15 cyklów/d).

^*) obliczenia dla 20,6^oC wg formuły: stężenie [mgH₂S/l] = stężenie H₂S[ppm] x 414.96/273 + temp.^oC
Tabela 4. Zestawienie wyników pomiarów siarkowodoru z okresu pomiarowego obejmującego tylko cykle pracy pompy w okresie bez pracy systemu BTS (tło)

2.2 Pomiary stężenia siarkowodoru po zastosowaniu systemu BTS

Wykonywanie przedmuchów sprężonym powietrzem rurociągu tłocznego Obiektu-1 w systemie BTS w cyklu raz na dobę pozwoliło na uzyskanie stężenia siarkowodoru w studni rozprężnej < 25 ppm już dla 89% wyników z 78 pomiarów zmierzonych podczas cyklu pracy pompowni. Podwojenie liczby przedmuchów do dwóch na dobę (rano i wieczorem), zwiększyło skuteczność do 93% w tym zakresie (57 pomiarów), a pozostałych 7% wyników mieściło się w granicach 25-50 ppm. Jedynie podczas przeprowadzania samego przedmuchu następował krótkotrwały wzrost stężenia siarkowodoru wydmuchiwanego z rurociągu do atmosfery, czyli 1-2 razy na dobę (rys.3). Należy jednak zauważyć, że bez zastosowania systemu BTS takich wyrzutów w ciągu doby było kilkanaście, z każdym pompowaniem ścieków.

Rys.3. Dobowy rozkład stężenia siarkowodoru dla przykładowego okresu przeprowadzanych przedmuchów systemem BTS (15-18.07.2019r.) dla Obiektu-1 (w systemie dwa przedmuchy na dobę)

Podczas badań pojawiały się również sporadyczne sytuacje widoczne na rys.3 (w18 dniu) niewielkiego wzrostu stężenia siarkowodoru w okresie między przedmuchami. Był to efekt możliwego zasilania studzienki rozprężnej siarkowodorem z dalszego odcinka sieci kanalizacyjnej, czemu sprzyjało niepełne wypełnienie rurociągu ściekami. Pokazało to jednak, że w warunkach rzeczywistej pracy rurociągu można mieć do czynienia z różnymi trudnościami, wynikającymi ze specyfiki danej sieci kanalizacyjnej. Stąd też ważne jest indywidulne zoptymalizowanie pracy systemu, elastycznie dostosowując go do zastanych, ale też zmiennych warunków.

Zestawienie wartości średnich z analizy danych stężenia siarkowodoru wydzielanego podczas cyklu pompowego zestawiono w tab.2. Po zastosowaniu systemu BTS średnia wartość stężenia siarkowodoru mierzonego podczas pracy pomp zmniejszyła się z 310 do 13.5 ppm przy jednych przedmuchu na dobę, tym samym chwilowy ładunek gazu uwalniany w studni rozprężnej podczas pompowania ścieków uległ zmniejszeniu o 95.4%. Zwiększenie liczby przedmuchów w rurociągu tłocznym pozwoliło na uzyskanie stężenia równego 6.1 ppm oraz 98% redukcji ładunku siarkowodoru.

Tabela 5. Zestawienie analizy wyników pomiarów siarkowodoru dla wybranego okresu badań bez i z zastosowaniem systemu BTS (z 5 dni następujących po sobie dla 1 przedmuchu na dobę i z 4 dni dla 2 przedmuchów na dobę) uzyskanych tylko podczas pompowania ścieków dla Obiektu-1 (ok 15 załączeń pomp w ciągu doby) 

Zastosowanie systemu BTS w Obiekcie-2 wymagało w większym stopniu optymalizowania częstości napowietrzania do sytuacji panującej w systemie kanalizacji, niż w Obiekcie-1. Początek okresu pomiarowego określono momentem zakończenia przedmuchu, natomiast koniec – ustaniem efektu przedmuchu mierzonego wzrostem stężenia siarkowodoru powyżej 50 ppm. Przyjęto zasadę, że granicą kolejnego przedmuchu jest stężenie 50 ppm. Zebrane dane z różnych okresów pomiarowych (2 192 pomiary z 4 dni badań) wykazały, że po zastosowaniu przedmuchu 76,5% wyników stężenia siarkowodoru w studni rozprężnej podczas pompowania ścieków mieściło się w przedziale 0-10 ppm.

Przed zastosowaniem BTS ponad 96% wyników pomiarów stężenia gazu wydzielanego podczas cyklu pompowego przekraczało wartość 50 ppm, a średnie stężenie siarkowodoru wynosiło 163 ppm. Przedmuchy powietrzem umożliwiły uzyskanie średniej wartości stężenia gazu na poziomie 11,6 ppm (tab.6).

Rys.4. Zmiany stężenia siarkowodoru dla przykładowego przedmuchu w systemie BTS (19.08.2019r.) dla Obiektu-2

Rys.5. Dobowe zmiany stężenia siarkowodoru dla przykładowych dwóch przedmuchów w systemie BTS w ciągu doby (23.08.2019r.) dla Obiektu-2

Badania wykazały, że przeprowadzony przedmuch w Obiekcie-2 był wystarczający do utrzymania stężenia siarkowodoru w studni rozprężnej poniżej 50 ppm na czas trwania 8-10 cykli pracy pompy (czyli od 8 do 12 godzin). Zaobserwowano, że wzrost stężenia siarkowodoru >50 ppm następował dopiero przy 2,5 – 3 krotnym wypełnieniu analizowanego odcinka rurociągu ściekami. Po tym czasie wymagany był kolejny przedmuch, co pokazują przykładowe przebiegi stężenia gazu na rys.4-5. Wielkość średniego ładunku H₂S w studni rozprężnej wytwarzanego podczas pompowania ścieków uległa zmniejszeniu o 92% (tab.6).

Tabela 6. Zestawienie analizy wyników pomiarów siarkowodoru dla wybranego okresu badań bez i z zastosowaniem systemu BTS (z 4 kolejnych dni, przy 1-2 przedmuchów na dobę) uzyskanych tylko podczas pompowania ścieków dla Obiektu-2 (ok. 30 załączeń pomp w ciągu doby)

3. Podsumowanie i wnioski

Przeprowadzone badania terenowe, które były ważnym uzupełnieniem wykonanych wcześniej w szerokim zakresie badań laboratoryjnych systemu BTS wykazały możliwość skutecznej kontrolni generowania oraz emisji siarkowodoru w systemie kanalizacji ciśnieniowej, będącej dobrą alternatywą dla dostępnych metod ograniczenia uciążliwości odorowej kanalizacji ściekowej. Przedstawione wyniki pomiarów dla dwóch różnych obiektów pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:

– największe stężenie siarkowodoru w studni rozprężnej obu obiektów występowało skokowo podczas cyklicznej pracy przepompowni w zakresie od 44 do 691 ppm w wyniku wypychania gazu przez pompowanie ścieki.

– zastosowanie napowietrzania i płukania rurociągu w systemie BTS umożliwiło zmniejszenie stężenia siarkowodoru w studni rozprężnej do poziomu poniżej 50 ppm i utrzymania go w kolejnych cyklach pompowania ścieków

– wykonywane przedmuchy rurociągów w systemie BTS w cyklu od 1 do 2 na dobę pozwoliły na redukcję chwilowych ładunków siarkowodoru powstających w studni rozprężnej o 92-98%.

– krótkotrwały wzrost stężenia siarkowodoru obserwowano tylko podczas wykonywania przedmuchu powietrzem, podczas gdy pierwotnie występował on w zależności od ilości cykli pompowań od kilkunastu do blisko 30 razy w ciągu doby.

– cykliczne stosowanie napowietrzania w systemie BTS umożliwia utrzymanie rurociągu tłocznego bez uciążliwych osadów generujących powstawanie siarkowodoru, tworzenie czasowych warunków tlenowych wskutek stopniowego wypłukiwania stref aeracyjnych tworzących się w górnych częściach rurociągu, tym samym również w dłuższej perspektywie zmniejszenie częstotliwości wykonywanych przedmuchów.

– wysoka skuteczność systemu BTS w ograniczaniu występowania siarkowodoru w studni rozprężnej oraz brak skutków ubocznych, umożliwia wyeliminowanie stosowania związków chemicznych dozowanych w sytuacji wysokiej uciążliwości powstających w kanalizacji odorów.

 Rafał Wojciechowski
Krzysztof Piaskowski