Biologické čištění odpadních vod - anaerobní procesy

Transkript

1 Biologické čištění odpadních vod - anaerobní procesy Martin Pivokonský 7. přednáška, kurz Znečišťování a ochrana vod Ústav pro životní prostředí PřF UK Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i. Tel.: pivo@ih.cas.cz

2 Druhy vod 1) podle původu přírodní odpadní splaškové průmyslové městské (směs splaškových a průmyslových vod) Mezi odpadní vody patří i průsakové vody z odkališť nebo skládek odpadů. 2) podle výskytu atmosférické podzemní povrchové 3) podle použití voda pitná voda provozní voda odpadní Důlní vody všechny podzemní, povrchové a srážkové vody, které vnikly do hlubinných nebo povrchových důlních prostorů, a to až do jejich spojení s jinými stálými podzemními nebo povrchovými vodami.

3 Anaerobní rozklad organických látek soubor na sebe navazujících procesů, na kterých se podílejí různé skupiny anaerobních mikroorganismů mezi anaerobní čistírenské procesy lze řadit: anaerobní čištění odpadních vod anaerobní stabilizaci kalů konečnými produkty anaerobního čištění odpadních vod jsou: nově vzniklá biomasa plyny: CH 4, CO 2, H 2, N 2, H 2 S vyčištěná odpadní voda při anaerobních procesech dochází oproti aerobním procesům k podstatně nižší produkci biomasy na jednotku spotřebovaného substrátu (nižší energetický zisk pro organismy)

4 Anaerobní rozklad organických látek lze rozlišovat čtyři hlavní skupiny biochemických reakcí: 1. Hydrolýza rozklad makromolekulárních látek (polysacharidy, proteiny, lipidy) na látky nízkomolekulární pomocí extracelulárních hydrolytických enzymů 2. Acidogeneze rozklad nízkomolekulárních látek na jednodušší organické látky (kyseliny, alkoholy) vzniká také CO 2, H 2 acidogeneze probíhá uvnitř buněk 3. Acetogeneze oxidace jednoduchých organických látek na CO 2, H 2 a kyselinu octovou 4. Methanogeneze rozklad jednouhlíkatých látek dochází k produkci methanu CH 3 COOH CH 4 + CO 2 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O acetotorofní methanogenní bakterie hydrogenotrofní methanogenní bakterie

5 Anaerobní rozklad organických látek Porovnání s aerobními procesy Aerobní procesy 60 % energie spotřebováno na syntézu nové biomasy 40 % energie se ztrácí ve formě reakčního tepla 50 % uhlíku ze substrátu přeměněno v biomasu 50 % uhlíku přeměněno v CO 2 Anaerobní procesy 90 % energie zachováno ve vzniklém bioplynu 5-7 % energie spotřebováno na růst nové biomasy 3-5 % energie se ztrácí ve formě reakčního tepla 95 % uhlíku ze substrátu přechází do bioplynu 5 % uhlíku přeměněno v biomasu

6 Anaerobní čištění odpadních vod Porovnání s aerobními procesy Výhody: úspora energie vynakládané na aeraci produkce bioplynu nižší produkce biomasy (kalu) nižší náklady na jeho zpracování, navíc není nutné jej dále stabilizovat díky nižší produkci biomasy menší nároky na živiny lze udržovat vysokou koncentraci biomasy v reaktoru není limitace rychlostí přestupu kyslíku Nevýhody: pomalý metabolismus - nízká rychlost, delší doba zdržení dlouhá doba zapracování anaerobních procesů relativně vysoká koncentrace organických látek na odtoku, často je potřebné ještě aerobní dočištění (zejména při vysoké výchozí koncentraci organických látek) citlivost methanogenních bakterií vůči změnám životních podmínek

7 Anaerobní reaktory pro čištění odpadních vod Reaktory s kultivací biomasy v suspenzi a) bez recirkulace biomasy směšovací reaktor s promícháváním kontinuální dávkování odpadní vody jednostupňové uspořádání nebo odděleně předmethanizační a methanizační fáze b) s recirkulací biomasy anaerobní aktivace výhodou je prodloužení doby zdržení biomasy (stáří kalu) vůči době zdržení kapalné fáze nevýhodou je obtížná separovatelnost biomasy (zpravidla nedostatečně sedimentuje) membránový anaerobní reaktor separace biomasy membránovou ultrafiltrací v separačním zařízení mimo reaktor lze udržet vysokou koncentraci biomasy v reaktoru bez ohledu na její schopnost sedimentace

8 Anaerobní reaktory pro čištění odpadních vod Reaktory s imobilizovanou biomasou doba zdržení biomasy je podstatně delší než doba zdržení kapaliny vysoká koncentrace anaerobní biomasy, intenzifikace procesu Dělení reaktorů: a) dle způsobu imobilizace biomasy s biomasou ve formě nárostu s agregovanou (granulovanou) biomasou s vnitřním separátorem plynu a biomasy s externím separátorem biomasy přepážkové reaktory b) dle jejich technologického uspořádání: s pevnou náplní s průtokem zdola nahoru s průtokem shora dolů s pohyblivou náplní s náplní ve vznosu

9 Anaerobní reaktory pro čištění odpadních vod příklady reaktorů s imobilizovanou biomasou: anaerobní rotační diskový reaktor (ARBC Anaerobic Rotating Biological Contactor) biomasa ve formě nárostu UASB reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) agregovaná biomasa EGSB reaktor (Expanded Granular Sludge Bed) agregovaná biomasa

10 Zapracování anaerobních reaktorů důležitá fáze vliv na stabilitu a účinnost provozu! aspekty zapracování anaerobních reaktorů: adaptace mikroorganismů na daný substrát a dané podmínky imobilizace biomasy v biofilmu nebo jejich agregace akumulace dostatečného množství biomasy, aby bylo možné zpracovávat požadované zatížení zvyšování zatížení (dávkování substrátu) musí být pozvolné tak, aby byla udržována požadovaná úroveň čištění měřítky rychlosti zatěžování jsou: a) koncentrace těkavých mastných kyselin v reaktoru b) produkce bioplynu c) účinnost čištění

11 Zapracování anaerobních reaktorů faktory ovlivňující rychlost zapracování: kvalita a množství inokula (přímý vliv na dobu zapracování) charakter odpadní vody biologická rozložitelnost organických látek množství a typ suspendovaných látek přítomnost toxických nebo inhibujících látek rychlost růstu methanogenních mikroorganismů (limitujícím faktorem je zpravidla růstová rychlost acetotrofních methanogenů žádoucí je optimalizace jejich růstových podmínek teplota, ph, obsah nutrientů) míra vyplavování mikroorganismů odtokem důležitá je důkladná separace biomasy nebo její zadržování v reaktoru

12 Bioplyn složení: převážně CH 4 a CO 2, menší množství H 2, N 2, H 2 S vysoký obsah methanu (až 80 %) = vysoká výhřevnost, energetické využití kogenerace využití bioplynu pro produkci elektrické energie a tepla v rámci ČOV využití pro vyhřívání methanizačních nádrží, vytápění budov, produkci teplé vody některé ČOV jsou díky produkci bioplynu a následné kogeneraci téměř soběstačné z hlediska spotřeby tepla i elektrické energie