Coraz częściej projektanci oraz operatorzy oczyszczalni stają przed dylematami rozwiązań procesowych związanych z ładunkiem zawracanym. Szczególnie dotyczy to azotu i fosforu zawracanego z procesów przeróbki osadów. W nowoczesnych oczyszczalniach gospodarka osadowa jest obecnie priorytetem i zazwyczaj od tego elementu zaczyna się procesowanie oczyszczalni. Koszty końcowego zagospodarowania osadów kładą szczególną presję na zmniejszanie jednostkowej produkcji osadów. Jest to szczególnie trudne w sytuacji, gdy wymogi dla odpływu rosną. W bilansie masowym skutkuje to tym, że im lepiej oczyszczone ścieki, tym więcej osadu. W dodatku, jest to biologiczny osad nadmierny składający się przede wszystkim z komórek bakterii „napompowanych” również azotem i fosforem, zamkniętych szczelnie błoną komórkową. Jest to bardzo trudny dla operatora oczyszczalni odpad, szczególnie uciążliwy w obróbce biologicznej i mechanicznej. Za coraz większą cenę (m.in. energii lub kubatur) podejmowane są próby rozkładu błony komórkowej w procesach hydrolizy, aby uzyskać lepszy efekt stabilizacji i odwodnienia, a w konsekwencji mniejszą ilość osadu. Jak więc pogodzić efektywne usuwanie fosforu ze ścieków, przy jednoczesnym zmniejszaniu ilości osadu, który jest jedynym wyjściem fosforu poza oczyszczalnię (oczywiście poza wylotem ścieków)?
Technolodzy coraz częściej zastanawiają się, jaką maksymalną zdolność akumulacyjną fosforu ma osad nadmierny, bo wiadomo, że z osadem wstępnym można najwyżej usunąć ekwiwalent 1 mg P /dm3 ze ścieków. Dla średniej zawartości fosforu w dopływie na poziomie 8 -12 mg P /dm3 jest to mało znaczący udział. Natomiast biologicznie zsyntetyzowany w komórce bakteryjnej fosfor łatwo może być uwolniony ponownie. Wystarczy, aby osad nadmierny znalazł się w warunkach beztlenowych z odpowiednią ilością ładunku węgla, a większość fosforu powrotnie może uwolnić się do fazy rozpuszczonej i zasilić dopływ do oczyszczalni. Dlatego, każde beztlenowe zmagazynowanie osadu nadmiernego prowadzące do hydrolizy działać będzie jak swoisty generator fosforu, zawracający w odciekach znaczącą ilość biologicznie związanego fosforu.

Rysunek 2 Bilans fosforu na oczyszczalniach komunalnych o różnych stopniach zaawansowania.

Rysunek 2 pokazuje klasyczny bilans fosforu dla ścieków komunalnych przy średnim stężeniu fosforu w ściekach dopływających = 9 mg P/dm3. Przy tendencjach zmniejszania się jednostkowego zużycia wody oraz uszczelniania systemów kanalizacyjnych realne stężenia w ściekach komunalnych dopływających do oczyszczalni rosną do ok. 12-14 mg P/dm3. Podsumowując podany na rysunku 2 klasyczny przykład obciążenia ładunkiem fosforu oczyszczalni komunalnej widać, że bio-P jest w stanie, przy standardowych rozwiązaniach, usunąć ok. 7 mg P/dm3 ze stężenia w ściekach dopływających. Pozostała ilość musi być zazwyczaj strącona chemicznie. Wydajność bio-P jest tutaj limitowana przede wszystkim możliwościami trwałej akumulacji fosforu w biomasie osadu.
Istotnym jest również ładunek fosforu ze strumienia osadowego. W typowych rozwiązaniach stanowi zazwyczaj 15-20% dopływu, co daje dodatkowe 2 mg P/dm3. Z bilansowego punktu widzenia jest to wartość stała, ciągle krążąca w układzie, a więc niby nie wpływająca na bilans. Należy jednak pamiętać, że zazwyczaj jest to dawka uderzeniowa związana z harmonogramem odwadniania osadu, co może powodować tzw. przebicia chwilowe fosforu do odpływu. Dlatego istotne jest odpowiednie dostosowanie procedur eksploatacyjnych do rozkładu ładunku zanieczyszczeń w dobie. Średnie stężenia z odcieków z wirówki dla osadu po mezofilowej stabilizacji beztlenowej w zamkniętych komorach fermentacyjnych i 1-miesięcznym przetrzymaniu w otwartej komorze fermentacyjnej przedstawia tabela nr. 1

Tabela Nr 1 Stężenia fosforu w odciekach z wirówki na słupskiej oczyszczalni ścieków

Zdecydowanie ważniejszą informacją pod kątem bilansowym wynikającą z analizy ładunku zawracanego jest możliwość trwałej akumulacji fosforu w osadzie. Im większe stężenia jednostkowe w odciekach, tym zazwyczaj mniejszy poziom fosforu w osadzie, a tym samym mniejsza zdolność wyprowadzenia fosforu z układu oczyszczania ścieków.
Jeżeli przyjąć, że teoretyczna górna granica syntezy biologicznej fosforu wynosi 5% s.m. (w osadzie nadmiernym), to teoretyczna zawartość fosforu w osadzie wychodzącym z oczyszczalni po procesach stabilizacyjnych (redukujących masę organiczną) powinna wynosić 3,5 do 4% s.m. Oznacza to, że biologiczny proces usuwania fosforu [bio-P] dla klasycznych rozwiązań jest zazwyczaj wystarczający, lecz dla oczyszczalni z zaawansowanymi metodami przeróbki może okazać się niewydolny, gdyż trwałe utrzymanie tak dużej koncentracji fosforu w komórce bakteryjnej jest mało prawdopodobne.
Dlatego, dla technologów wykonujących bilanse fosforu, tak niezwykle istotna jest informacja, do jakiej wartości można „napompować” fosforem osad, i to w rozbiciu na osad wstępny i nadmierny oraz na ile trwałe będą to wiązania. Zazwyczaj wartością typową dla osadu zmieszanego po fermentacji mezofilowej w instalacjach, gdzie nie były stosowane koagulanty chemiczne, jest przedział 3-3,5% P w suchej masie. Dla instalacji termofilowych możliwości akumulacji fosforu to poziom 2,5-3% s.m. Potwierdzają to zarówno bilanse teoretyczne, jak i sami operatorzy oczyszczalni.
Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy bilans zarówno dla konwencjonalnej stabilizacji mezofilowej (redukcja ok. 40% s.m.org.), jak i dla głębokiej stabilizacji wykorzystującej procesy dezintegracyjne (redukcja ok. 55% s.m.org.). Bilans masowy przyjęto dla typowego ścieku komunalnego, z produkcją osadu w części ściekowej na poziomie 0,5 kg/m3 (0,25 kg s.m. osadu wstępnego i tyle samo osadu nadmiernego). Z projekcji bilansowej wynika, że przy stałym ładunku fosforu związanego w osadzie wstępnym, ładunek fosforu związanego biologiczne wymaga koncentracji w pozostałym osadzie nadmiernym na poziomie 7%. W przypadku procesu suszenia i spalanie cała masa fosforu musi zostać w części mineralnej osadu. Oznacza to, że zawartość fosforu w popiele to poziom ok. 9%. Wydaje się to mało prawdopodobne, aby same wiązania biologiczne były wystarczające do utrzymania tak wysokiej koncentracji fosforu, choć praktyka w tym względzie rozkłada wiele bilansów masowych fosforu. Poznanie mechanizmów wiązania fosforu w różnych warunkach jest tu kluczem.

Rysunek 3 Przykładowy bilans fosforu dla klasycznej stabilizacji beztlenowej i głębokiej stabilizacji nastawionej na maksymalna redukcje masy organicznej z osadu nadmiernego

Nowoczesne technologie osadowe, w tym wykorzystujące procesy głębokiej stabilizacji oraz wdrażające systemy suszenia i spalania wymagają przewartościowania procesu biologicznej defosfatacji, zarówno z punktu widzenia gospodarki osadowej, jak i dużej konkurencyjności bio-P z denitryfikacją. W konwencjonalnych rozwiązaniach procesowych defosfatacja zazwyczaj jest przed denitryfikacją. Procesy te konkurują ze sobą o źródło węgla. Dobrze funkcjonujący proces defosfatacji biologicznej może powodować deficyty węgla w denitryfikacji. Jako, że zasadniczo azot usuwa się jedynie w procesach biologicznych, a fosfor może być usuwany chemicznie, operatorzy oczyszczalni z wymogami dla azotu w odpływie < 10 mg N/dm3 często celowo inhibitują proces biologicznej defosfatacji, aby uzyskać wymogi dla azotu bez dodawania zewnętrznego źródła węgla.
Można powiedzieć o pewnej weryfikacji znaczenia defosfatacji biologicznej na wysokosprawnych oczyszczalniach i przewartościowaniu jej znaczenia pod katem funkcjonowania całej oczyszczalni, jako jednego spójnego organizmu. Najczęściej oznacza to konieczność włączenia do praktyki eksploatacyjnej chemicznej defosfatacji.
Nie jest to oczywiście w żadnym stopniu odkrywcze stwierdzenie, do momentu, kiedy nie zaczniemy bliżej przyglądać się bilansom masowym fosforu, przy dwóch funkcjonujących procesach - biologicznym i chemicznym - jednocześnie. Nieumiejętne sterowanie tymi procesami będzie powodowało nieefektywny i nieprzewidywalny proces usuwania fosforu.
Okazuje się bowiem, że w praktyce powinny być uwzględnione istotne elementy zakłócające poprawne bilansowanie, takie jak m.in:

• Inhibicja bio-P przez chemiczna koagulację;
• Immobilizacja fosforu przez naturalne koagulanty znajdujące się w części mineralnej osadu.

Znalezienie odpowiedniego miejsca dozowania związków chemicznych w stopniu biologicznym, nie powodujące wzajemnego negatywnego oddziaływanie jest trudne. Dlatego, instalacje dozujące koagulanty przenoszą się często poza część biologiczną uzupełniając część mechaniczną i osadową, gdzie skuteczność i efektywność zatrzymania fosforu jest większa. Zdarza się również, że chemiczne strącanie przejmuje funkcję wiodącą w usuwaniu fosforu, marginalizując bio-P. Tak jest m.in. w Szwecji.
Innym zagadnieniem jest trudna do wyjaśnienia immobilizacja fosforu w procesach przeróbki osadów. Zgodnie z teorią, fosfor związany wewnątrz komórki osadu nadmiernego, po jej zhydrolizowaniu powinien przejść do formy rozpuszczonej i zasilić strumień recyrkulatu wracającego na część ściekową oczyszczalni. Okazuje się, że w praktyce ładunki fosforu są znacznie mniejsze i nie pokrywają się z teoretycznymi bilansami. Prowadzi to do wniosku, że w procesach mineralizacji (stabilizacji) osadu zachodzą mechanizmy blokujące przejście fosforu do formy rozpuszczonej. Najprawdopodobniej są to naturalne koagulanty, jak np. wapń, lecz brak jest jakichkolwiek wytycznych do bilansowania. W przypadku popiołu ze spalania osadu fosfor m.in. występuje w trwałym związku jako fosforan wapniowo żelazowy - Ca9Fe(PO4)7.
W konsekwencji okazuje się, że dozowanie koagulantów w części osadowej jest bardziej efektywne, niż wynikałoby to z równania stechiometrycznego, a więc odwrotnie, niż w części ściekowej oczyszczalni. Nie mniej, brak mineralnego czynnika strącającego w osadzie będzie powodowało coraz mniejsza możliwość trwałej akumulacji fosforu, a tym samym wystąpienie problemów z bilansem fosforu na wylocie z oczyszczalni. Dlatego wprowadzenie koagulantów do części osadowych oczyszczalni, np. w kierunku kondycjonowania osadu przed zagęszczeniem może okazać się bardziej efektywnym działaniem niż np. strącanie symultaniczne. Oczywiście, w warunkach kiedy koagulant dodatkowo pełni funkcję poprawiającą właściwości osadu czynnego, jak np. eliminacja zjawisk puchnięcia i pienienia, dozowanie koagulantów w części biologicznej jest niezbędne i bardziej zasadne. Ale, w warunkach eksploatacji oczyszczalni bez takich problemów, szczególnie nastawionych na minimalizacje osadów, aplikacja koagulantów do kondycjonowania osadów będzie miała, poza wysoka efektywnością trwałej akumulacji fosforu w biomasie jeszcze tzw. wartość dodaną. Jest to m.in.:

• Poprawa jakości odcieków, brak dawek uderzeniowych fosforu i zawiesiny koloidalnej;
• Lepsza kontrola nad struwitem;
• Zmniejszenie zawartości siarkowodoru w biogazie;
• Poprawa efektów zagęszczania, a tym samym lepsze wykorzystanie kubatur stabilizacyjnych lub mniejsze zapotrzebowanie na energię;
• Zmniejszenie zużycia polielektrolitów.

Uwzględnienie wszystkich aspektów da technologom zdecydowanie większe instrumentarium do poszukiwania najbardziej efektywnych rozwiązań, dodatkowo wykorzystujących efekty synergiczne.
Usuwanie fosforu ze ścieków pomimo bardzo przejrzystego i prostego bilansu stawia jeszcze wiele zagadek technologom. Nowe technologie osadowe nastawione na minimalizację osadu wymagają bardziej trwałych form wiązania fosforu. Rośnie rola chemicznego usuwania, kosztem bio-P, który dodatkowo jest "pazernym" procesem konkurującym o węgiel z bakteriami denitryfikacyjnymi. Dodatkowo, inhibitujące oddziaływanie procesu chemicznego na proces biologiczny powoduje dalsze zmarginalizowanie procesu biologicznego w usuwaniu fosforu ze ścieków. Alternatywą dla tego konfliktu jest uzupełnienie instalacji dozujących środki chemiczne blokujące fosfor do części mechanicznej i osadowej, gdzie ich skuteczność jest często dużo większa. Potwierdzają to konfiguracje technologiczne na coraz większej liczbie obiektów, również w Polsce. Specjalne traktowanie odcieków z gospodarki osadowej oraz kondycjonowanie osadów w procesach przeróbki są coraz częstszym zjawiskiem na oczyszczalniach. Technologom natomiast potrzeba poznania bardziej zaawansowanych mechanizmów usuwania fosforu, aby efektywnie i przewidywalnie prowadzić proces.