Biologické čištění odpadních vod - anaerobní procesy

Transkript

1 Biologické čištění odpadních vod - anaerobní procesy Martin Pivokonský, Jana Načeradská 7. přednáška, kurz Znečišťování a ochrana vod Ústav pro životní prostředí PřF UK Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i.

2 Anaerobní rozklad organických látek anaerobní čištění odpadních vod anaerobní stabilizaci kalů konečnými produkty anaerobního čištění odpadních vod jsou: nově vzniklá biomasa bioplyn: CH 4 (60%), CO 2 (40%), 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)

3 4 hlavní skupiny biochemických reakcí: 1. Hydrolýza Polymery (polysacharidy, proteiny, lipidy) na monomery pomocí extracelulárních hydrolytických enzymů 2. Acidogeneze rozklad monomerů na jednodušší organické látky (kyseliny, alkoholy) uvnitř buněk vzniká také CO 2, H 2 3. Acetogeneze oxidace na CO 2, H 2 a kyselinu octovou 4. Methanogeneze rozklad kyseliny octové na methan a CO 2 tvorba methanu z CO 2 a H 2 CH 3 COOH CH 4 + CO 2 acetotorofní methanogenní bakterie 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O hydrogenotrofní methanogenní bakterie

4 metanogenní mikroorganismy - striktně anaerobní prostředí, optimum ph 7-7,5 acidogenní mikroorganismy optimum ph 6-6,5

5 dělení anaerobních organismů dle reakčních teplot psychrofilní (5-30 C) mezofilní (30-40 C) termofilní (45-60 C) extrémně termofilní (nad 60 C). nejběžnější jsou procesy mezofilní při teplotě cca 38 C výhoda vyšších teplot - vyšší účinnost hygienizace materiálu

6 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

7 Anaerobními vs aerobní 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 schopnost rozložit látky toxické a látky, které se aerobně nerozkládají 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 citlivost methanogenních bakterií vůči změnám životních podmínek

8 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

9 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 b) dle jejich technologického uspořádání: s pevnou náplní s pohyblivou náplní s náplní ve vznosu

10 anaerobní rotační diskový reaktor (ARBC Anaerobic Rotating Biological Contactor) biomasa ve formě nárostu

11 UASB reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) agregovaná biomasa

12 EGSB reaktor (Expanded Granular Sludge Bed) agregovaná biomasa, obdoba UASB reaktoru (rychlejší tok vody)

13 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 dávkování OV musí být pozvolné, aby byla udržována požadovaná úroveň čištění měřítky rychlosti zatěžování jsou: a) koncentrace těkavých mastných kyselin v reaktoru b) produkce bioplynu c) účinnost čištění

14 Bioplyn CH 4 (60%), CO 2 (40%), méně H 2, N 2, H 2 S Energetické využití bioplynu Výroba tepla v parních kotlích - vyhřívání methanizačních nádrží, vytápění budov, produkci teplé vody Kogenerace - kombinovaná výroba elektřiny a tepla Čištění BP a jeho prodej do plynárenské sítě Čištění a jeho využití pro pohon dopravní techniky a automobilů, apod.