nitritace anammox s využitím imobilizovaných mikrobiálních kultur v kontejnerovém uspořádání

Transkript

1 Ověřená technologie: nitritace anammox s využitím imobilizovaných mikrobiálních kultur v kontejnerovém uspořádání Ondřej Škorvan (ASIO, spol. s r.o.) František Můčka (SATTURN HOLEŠOV spol. s r.o.) Jan Mrákota (LentiKat s a.s.) Prosinec 215

2 Obsah Předmět ověřené technologie... 1 Popis testovacího zařízení... 1 Akumulace... 2 Nitritace... 3 Anammox... 3 Testování a diskuse výsledků... 4 Závěr... 9

3 Předmět ověřené technologie Předkládaná ověřená technologie popisuje způsob odstraňování dusíkatého znečištění z odpadních vod s vysokou koncentrací amoniakálního dusíku (N amon ) pomocí procesu postupné nitritace a anammox s využitím imobilizovaných kultur mikroorganismů a v kontejnerovém uspořádání. Technologie byla vyvinuta v rámci projektu FR-TI4/254 Kontejnerová technologie pro čištění průmyslových odpadních vod. Pro ověření její funkce byl konsorciem řešitelů (ASIO, SATTURN a LentiKat s) sestaven funkční poloprovoz s automatickým řízením a telemetrií. Tento byl umístěn na ČOV Modřice, kde jako zdroj odpadní vody posloužila kalová voda z odvodňování anaerobně stabilizovaného kalu. Tato lokalita byla zvolena pro ověření technologie, protože nabízí relativně konstantní zdroj odpadní kalové vody z hlediska kvality, kontinuální produkci a skvělou dostupnost pro provádění servisních úkonů a odběry vzorků. Popis testovacího zařízení Schematicky je poloprovozní jednotka znázorněna na obrázku 1, 3D vizualizace návrhu na obrázku 2 a skutečné provedení na obrázku 3. Obrázek 1:Schéma poloprovozního zařízení nitritace anammox, kde 1. nádrž zleva představuje akumulaci, prostřední nitritační reaktor a nádrž vpravo anammox raktor čerpadlo Čerpadlo s frekvenčním měničem Hladinová sonda Teplotní čidlo Stránka 1

4 dmychadlo Motor s frekvenčním měničem Topná spirála In-line filtr ORP sonda ph sonda Vodivostní sonda Kyslíková sonda Obrázek 2: 3D vizualizace návrhu poloprovozního zařízení Obrázek 3: Skutečné provedení poloprovozu na ČOV Modřice Akumulace Akumulace je tvořena zakrytou, dvouplášťovou, tepelně zaizolovanou nádrží z polypropylenu. V nádrži je instalována teplotní sonda a ohřev kalové vody pomocí topného tělesa, kontinuální Stránka 2

5 kapacitní snímač hladiny a bezpečnostní plovák. Z bezpečnostních důvodů je nátok vyveden nad hladinu v reaktoru a je tak omezeno riziko nechtěného vypuštění při rozpojení, nebo poškození, nátokového potrubí. Akumulace má za úkol zabezpečit dostatečnou zásobu pro případ krátkodobé nedostupnosti odpadní vody (např. odstávka systému, porucha nátokového čerpadla apod.) Nitritace Nitritační reaktor představuje nádrž, která je z hlediska vnějšího provedení shodná s akumulační. Vystrojení nádrže tvoří aerační element s membránovým dmychadlem, jehož spínání a regulace jsou řízeny podle měřené koncentrace rozpuštěného kyslíku, míchání je zajištěno hřídelovým míchadlem hyperboloidního tvaru s frekvenčním měničem pro nastavení otáček, požadovaná teplota reakční směsi je udržována termostatem a topným tělesem, nátokové potrubí ústí nad hladinou a odtok je veden skrze separátor imobilizované biomasy. ph v reaktoru je na základě odezvy ph sondy upravováno pomocí automatického dávkování roztoku hydroxidu sodného. Do nitritačního reaktoru byly přidány imobilizované nitritační kultury mikroorganismů cca 1 % hm. plnění. Na obrázku 4 je pohled do nitritačního reaktoru před spuštění a po půl roce testování. Obrázek 4: nitritační reaktor Anammox Anammox reaktor je opět tvořen stejnou dvouplášťovou nádrží. V nádrži je zajištěno intenzívní míchání hyperboloidním hřídelovým míchadlem, jehož otáčky lze regulovat pomocí frekvenčního měniče. Nátokové potrubí je zaústěno nad hladinu a výška hladiny je dána umístěním separátoru na odtokovém potrubí, přes který voda odtéká gravitačně. V nádrži jsou monitorovány hodnoty ph, ORP a teplota. Teplota je udržována na 3±2 C pomocí topného tělesa. Čerpání do akumulace zabezpečuje vřetenové čerpadlo, čerpání mezi nádržemi zajišťují membránové dávkovací pumpy s frekvenčními měniči v závislosti na výškách hladin. Odtok z anammox reaktoru je gravitační. Do anammox reaktoru byla přidána aktivní imobilizovaná kultura mikroorganismů anammox, která se v provozních podmínkách dále kultivuje a koexistuje s volně rostlou biomasou (anammox i heterotrofní). Na obrázku 5 jsou zachyceny nárosty anammox biomasy na stěnách raktoru v počátcích testování. Stránka 3

6 koncentrace Namon, CHSK [mg/l] koncentrace NL15 [mg/l] Obrázek 5: nárosty anammox kultur na stěnách reaktoru Testování a diskuse výsledků Testování a ověřování technologie probíhalo na ČOV Modřice v období červen - prosinec 215 na kalové vod z odvodňování anaerobně stabilizovaného kalu (mezofilní stabilizace). Reaktor byl pravidelně servisován a byly prováděny jak strojní tak konstrukční úpravy. Vzorky byly odebírány bodově cca 3x týdně a podle výsledků byl nastavován provoz jednotlivých reaktorů. Výsledky analýz bodových vzorků odebíraných na odtoku z akumulace, nitritačního a anammox reaktoru jsou graficky znázorněny na obrázcích 6, 7, 8, 1 a Přítok Namon CHSK NL15 Obrázek 6: koncentrace polutantů v přítoku (kalové vodě) Nátokové koncentrace N amon se u kalové vody pohybovaly v rozmezí 6 12 mg/l s tím, že, jak na ČOV probíhaly postupné rekonstrukce, tak se koncentrace amoniaku postupně zvyšovala. Současně se ale také zvyšovaly koncentrace NL15 a CHSK, což ukazuje na problematické odvodňování vyhnilého kalu. Tyto NL způsobovaly na poloprovozní jednotce nemalé problémy s ucpáváním filtru, hadiček a přívodního potrubí a postupně došlo také ke zničení čerpacích ústrojí zubových čerpadel, které byly nahrazeny výkonnými membránovými dávkovacími čerpadly. Stránka 4

7 koncentrace CHSK a NL15 [mg/l] koncentrace forem N [mg/l] 12 Odtok z nitritace Namon N-NO2 N-NO3 Obrázek 7: koncentrace forem N v odtoku z nitritačního reaktoru V nitritačním reaktoru docházelo k transformaci N amon na N-NO 2. Poklesy účinností nitritace (snížení koncentrací N-NO 2 ) téměř na nulu v období září prosinec byly způsobeny hlavní měrou vlivem kratších i delších odstávek na ČOV a menší měrou poruchami a ucpáním instalovaných čerpadel Odtok z nitritace Obrázek 8: Koncentrace CHSK a NL15 v odtoku z nitritace Z grafu je patrné, postupné zvyšování NL15 v reaktoru. Tyto jsou částečně přinášeny s nátokem odpadní vody a druhak se jedná o vykultivovanou volnou biomasu. Tato biomasa se chová jako klasická heterotrofní biomasa a při nízkých koncentracích kyslíku udržovaných v nitritačním reaktoru simultánně denitrifikuje část vznikajících dusitanů. Tento jev ovšem může nastat pouze vysoké koncentraci CHSK v odpadní vodě. U průmyslových vod bez obsahu rozložitelné organiky bude tento jev minimální. Následující obrázek 9 ilustruje online záznam dat v nitritačním reaktoru, které jsou využívány pro řízení poloprovozu a detekci závad. Stránka 5

8 Obrázek 9: Záznam stěžejních on-line sledovaných parametrů v nitritačním reaktoru, Kde 1 ukazuje na výpadek jističe s topnou patronou 2 ukazuje typické kolísání hladin v nitritačním reaktoru 3 signalizuje ucpané čerpadlo; znázorněné souvisí s načerpáním fugátu s vysokou koncentrací kalu 4 ukazuje na výkon dmychadla Stránka 6

9 koncentrace CHSK a NL15 [mg/l] koncentrace forem N [mg/l] 12 Odtok z anammox Namon N-NO2 N-NO3 Obrázek 1: koncentrace forem dusíku v odtoku z anammox reaktoru Anammox biomasa přidaná v červnu 215 zpočátku nevykazovala vysokou aktivitu cca 2 mg N celk /kg h a bylo potřeba biomasu v reaktoru dokultivovat. Postupným zvyšováním průtoků se biomasa zapracovala na řádově vyšší aktivitu cca 12 mg N celk /kg h. V srpnu došlo bohužel z ne zcela vysvětleného důvodu ke skokovému poklesu aktivity a předávkování anammox biomasy N-NO 2, což mělo za následek inhibici biomasy a ta musela být postupně znovu kultivována. Od září do současnosti je reaktor provozován s bypassem, kterým jsou řízeny koncentrace N amon (čerpání z akumulace) v reaktoru a N-NO 2 (čerpání z nitritačního reaktoru a případně přídavkem dusitanu sodného). Náhlé zvýšení koncentrací N amon v závěru roku bylo způsobeno automatickým načerpáním odpadní vody po havárii na ČOV při náběhu odstředivky tedy prakticky neodvodněného kalu v období, kdy byl filtr odstaven. Vysoká koncentrace CHSK způsobila vlivem kyslíkové kompetice kolaps nitritačního procesu. Tento je v současnosti restartován s kalovou vodou s běžnou koncentrací NL15. 6 Odtok z anammox Obrázek 11: koncentrace CHSK a NL15 v odtoku z anammox reaktoru Stránka 7

10 V anammox reaktoru je pozorován nárůst NL15, což představuje směsnou kulturu heterotrofů a volně rostoucích anammox bakterií. Následující obrázek 11 ilustruje online záznam dat v anammox reaktoru, které jsou využívány pro řízení poloprovozu a detekci závad Obrázek 12: Záznam stěžejních on-line sledovaných parametrů v anammox reaktoru, Kde: 1 ukazuje na výměnu topné patrony v reaktoru 2 problémy s ucpávání separátoru biomasy směsí imobilizátů a kalu, posléze instalován jiný separátor s automatickým čištěním tlakovým vzduchem. 3 pokles rychlosti růstu ph, který ukazuje na vyčerpání jedné z forem N, v tomto případě vlivem pozastavené funkce čerpání nitridované odpadní vody; skokové změny směrem dolů jsou způsobeny automatickým přídavkem kyseliny sírové po dosažení hraniční hodnoty ph 7,7. Následující obrázek 13 ilustruje postupný nárůst aktivit mikroorganismů v poloprovozní jednotce. Aktivity mikrobiálních kultur v systému není lehké objektivně vyhodnotit, protože se stále mění jak průtoky, vnější podmínky, tak i koncentrace na vstupu i výstupu. Je tedy vhodné brát pro odhad průměrné hodnoty zde vyjádřené proložením přímky. Nitritační reaktor dosahoval v průběhu testování maximální specifické rychlosti přeměny amoniakálního dusíku na dusitanový cca 2 mg/kg h, anammoxová biomasa potom cca 12 mg/kg h. Stránka 8

11 r(n-no2) v nitritaci [mg/kg h] r(ncelk) v anammox [mg/kg h] rychlosti biochemických přeměn forem dusíku v poloprovozu r(n-no2) nitritace Lineární (r(n-no2) nitritace) r(ncelk) anammox Lineární (r(ncelk) anammox) Obrázek 13: odhad specifických rychlostí přeměn N v poloprovozu na základě naměřených dat Závěr Ačkoli během testování nebylo dosaženo ustáleného stavu s maximálními rychlostmi (potažmo objemovým zatížením), byla prokázána a ověřena funkce technologie pro odstraňování dusíkatého znečištění procesem nitritace a anammox. V obdobích, bez výpadků, vykazovala technologie anammox od 7 do 96 % účinnosti odstranění N celk. Takto vysoké účinnosti bylo dosahováno kombinací anaerobní autotrofní denitritace a heterotrofní denitritace s využitím organického substrátu v testované vodě obsaženém. Ustáleného stavu nebylo dosaženo hlavně díky opakovaným odstávkám a haváriím na odvodňovacím zařízení ČOV, kde je technologie ověřována. I přes tyto podmínky prokázala technologie svou robustnost a v momentě spuštění se během několika hodindnů obnovila aktivita biomasy a postupně se rychlosti dějů zvyšovaly. Otázkou tedy není, zda tato technologie funguje, nýbrž jaké jsou její reálné horní limity rychlostí reakcí. U nitritace lze odhadnout specifickou rychlost produkce N-NO 2 na 2 mg/kg h, což je v dobré korelaci s výsledky laboratorního modelu, nicméně část aktivity je nutno také připsat volně rostlé biomase. Během testování bylo dosaženo maximální objemové rychlosti odstraňování N celk v anammox reaktoru cca 12 mg/kg h, ale vzhledem k laboratorním výsledkům očekáváme výrazně vyšší cílové hodnoty až na úrovni 3 mg/kg h. Stránka 9