Separace aktivovaného kalu a vyčištěné odpadní vody

Transkript

1 Separace aktivovaného kalu a vyčištěné odpadní vody Martin Pivokonský 9. 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 Důvody separace kalu Aktivační proces je založen na kontaktu čištěné odpadní vody a směsné kultury organismů aktivovaného kalu. Aktivovaný kal (AK) a nově vzniklou biomasu je nutné od vyčištěné odpadní vody odseparovat z těchto důvodů: a) aktivační proces je kontinuální kultivací s recyklem biomasy, takže AK je nutné separovat a vracet do systému jako inokulum tzv. vratný kal b) biomasa rozptýlená ve vyčištěné vodě zhoršuje kvalitu odtoku z čistírny Obr. Blokové schéma technologické linky velkých a středních čistíren městských OV

3 Hodnocení separačních vlastností aktivovaného kalu podmínka funkce aktivačního systému = dobrá flokulace mikroorganismů AK velké, pevné a kompaktní vločky = předpoklad dobrých sedimentačních vlastností kalu Kvantifikace a charakterizace separačních vlastnosti kalu: 1. Kalový index specifický objem kalu usazeného po 30 minutách v 1 l odměrném válci vztažený na koncentraci sušiny KI = V 30 /X [ml g -1 ] Tab. Klasifikace aktivovaného kalu na základě kalového indexu. V 30 objem kalu usazeného po 30 minutách z 1 l aktivační směsi [ml l -1 ] X koncentrace aktivovaného kalu [g l -1 ] Typ kalu Hodnota KI [ml g -1 ] Dobře sedimentující < 100 Lehký Zbytnělý > 200

4 Hodnocení separačních vlastností aktivovaného kalu 2. Zónová sedimentační rychlost dána rychlostí pohybu rozhraní kal supernatant při sedimentačním testu je odečítána z lineární části zahušťovací křivky Tab. Klasifikace aktivovaného kalu na základě zónové sedimentační rychlosti Typ kalu Hodnota ZSR [m.h -1 ] Dobře sedimentující < 3 Lehký 2 3 Zbytnělý > 3 I fáze reflokulace agregace mikrovloček do usaditelných útvarů II fáze zónové sedimentace AK sedimentuje jako zóna H sedimentační rychlost vyjádřená jako směrnice přímky proložené křivkou v této oblasti je konstantní a maximální a nazývá se zónová sedimentační rychlost III deformační fáze sedimentační rychlost se zpomaluje a koncentrace I kalu v usazené vrstvě se zvyšuje II Schematické znázornění zahušťovací křivky III Čas IV IV fáze kompresní všechny částice jsou ve vzájemném kontaktu a vrstva kalu podléhá zahušťování v celé výšce kalového sloupce vytlačování vodní fáze z kanálků vrstvy zahuštěného kalu

5 Hodnocení separačních vlastností aktivovaného kalu Dobře sedimentující kal musí splňovat následující: 1) Kritéria KI a ZSR pro dobře sedimentující kal (viz předchozí dvě tabulky) 2) Po sedimentaci by měl kal zanechat čirý supernatant a neměl by zaujímat nadměrný objem 3) Odsazený kal by neměl vzplývat po dobu alespoň 1,5 2 hod 3. Mikroskopická analýza aktivovaného kalu vyhodnocení flokulačních a separačních vlastností na základě charakterizace morfologických vlastností vloček (tvar, velikost, struktura) kvantifikace a identifikace vláknitých mikroorganismů, které jsou nejčastější příčinou špatných separačních vlastností kalu Vláknité bytnění kalu Nezávadný kal

6 Hodnocení separačních vlastností aktivovaného kalu Tab. Individuální hodnocení četnosti výskytu vláknitých organismů v AK Četnost výskytu Mikroskopický obraz 0 vlákna nejsou přítomna 1 vlákna jsou příležitostně, pouze ve vločkách 2 vlákna přítomna ve větším množství, ne ve všech vločkách vlákna přítomna ve všech vločkách, nízká četnost 3 nízká četnost vláken, 1 5 na vločku 4 střední četnost vláken, 5 20 na vločku 5 vysoká četnost vláken, > 20 na vločku 6 vizuálně přítomno více vláken než vloček Dobře sedimentující kal musí splňovat v mikroskopickém rozboru následující: Četnost výskytu vláknitých organismů by neměla překročit stupeň 2 a 3, avšak vláknité organismy by neměly zcela chybět. Vločky by měly být sférického tvaru s kompaktní strukturou. V prostoru mezi vločkami by nemělo být patrné velké množství malých bakteriálních shluků či jednotlivých buněk značí nedokonalou flokulaci.

7 Separační problémy aktivovaného kalu Separační problémy aktivovaného kalu: 1. Disperzní růst bakterií 2. Tvorba neusaditelných mikrovloček 3. Viskózní (zoogleální bytnění) 4. Vláknité bytnění 5. Tvorba biologické pěny 6. Vzplývání kalu 1) Disperzní růst bakterií bakterie aktivovaného kalu nemají schopnost aglomerovat a tvořit usaditelné vločky vyskytují se ve formě dispergovaných shluků či malých shluků, které následkem své nízké sedimentační rychlosti unikají do odtoku a způsobují zhoršení měřených parametrů a značný zákal Příčiny: a) technologické parametry procesu čím menší je stáří AK, tím větší část směsné kultury organismů se nachází v disperzním růstu a netvoří glykokalyx potřebný pro účinnou flokulaci

8 Separační problémy aktivovaného kalu b) ložení a charakter odpadní vody změny teploty, ph, obsahu solí (přechodně špatná flokulace) nedostatek živin (N,P), přítomnost toxických látek (trvale nedostatečná flokulace) 2) Tvorba neusaditelných vloček na odtoku z dosazovací nádrže dochází ke zvýšenému zákalu a ke zhoršení měřených parametrů rozdělení aktivační směsi při sedimentaci do dvou částí velké vločky dobře sedimentují, malé vločky zůstávající v supernatantu tvoří jeho zákal Příčiny: a) příliš vysoké stáří kalu nízký přísun substrátu inhibuje produkci extracelulárních polymerů b) vymizení vláknité populace c) vysoká turbulence vedoucí k mechanickému rozrušování vloček d) působení toxických látek inhibujících syntézu extracelulárních polymerů

9 Separační problémy aktivovaného kalu 3) Viskózní (zoogleální) bytnění působeno nadměrnou produkcí extracelulárních biopolymerů (váží velké množství vody a jsou viskózní) AK získává rosolovitý charakter, špatně se odvodňuje a při provzdušnění pění Příčiny: a) nedostatek živin b) působením některých toxických látek c) velkým koncentračním gradientem v aktivační systému 4) Vláknité bytnění vláknité mikroorganismy jsou přirozenou složkou aktivovaného kalu a do jisté míry přispívají ke vzniku pevných a velkých vloček (tvoří jejich kostru) při zvýšení výskytu vláknitých organismů mohou nastat tyto problémy: 1. vysoký kalový index a nízká zónová rychlost 2. zvýšený objem kalu po sedimentaci spontánní odtok kalu z DN 3. usazený kal je řídký nelze udržet požadovanou koncentraci biomasy v AN

10 Separační problémy aktivovaného kalu 5) Tvorba biologické pěny některé pěnotvorné mikroorganismy se vyznačují hydrofobním povrchem a tvorbou povrchově aktivních látek - při aeraci v AN způsobují tvorbu biologické pěny Podmínky pro vznik biologické pěny je přítomnost: a) dispergovaných bublin vzduchu b) povrchově aktivních látek (např. extracelulární biopolymery, syntetické tenzidy) c) hydrofóbního materiálu (pěnotvorné mikroorganismy, tuky ) Vytvoření biologické pěny způsobuje řadu operačních problémů: 1. únik pěny mimo AN 2. zachycení nové biomasy do pěny ovlivnění účinnosti čištění 3. průnik pěny do DN a následné zhoršení sledovaných parametrů kvality odtoku 4. problémy při vyhnívání kalu (horší odvodnitelnost kalu, nižší tvorba bioplynu)

11 Separační problémy aktivovaného kalu možný pohyb hladiny v provzdušňovacích sekcích pěna se neakumuluje (lehká pěna) hladina bez pohybu hromadění a stabilizace hutné pěny, zvyšování koncentrace biomasy vláknitých mikroorganismů (zejména aktinomycet) Stabilní pěna Lehká pěna Srovnávací vzorky četnosti vláknitých organismů mikroskopický obraz A) Aktivovaný kal Odpovídající vzorek biologické pěny

12 Separační problémy aktivovaného kalu 6) Vzplývání kalu projevy jsou zdánlivě podobné jako u tvorby pěny hladina DN je pokryta vrstvou plovoucí biomasy může zhoršovat kvalitu odtoku biomasa je k hladině vynesena bublinkami dusíku, který vzniká prostřednictvím denitrifikačních procesů v kalu u dna na rozdíl od biologické pěny je mikroskopický obraz plovoucí biomasy i aktivační směsi totožný Příčiny: a) vysoká koncentrace dusičnanů na odtoku z aktivace (nedostatečná denitrifikace) b) dlouhá doba zdržení usazeného kalu v DN Vzplývající kal v DN

13 Ovlivňování separačních a zahušťovacích vlastností Největší problém = nadměrný výskyt vláknitých mikroorganismů Dva přístupy k řešení: 1. Preventivní (specifické) metody potlačování růstu založené zejména na kinetické a metabolické selekci 2. Nápravné (nespecifické) metody omezení důsledku zvýšené přítomnosti vláken v aktivovaných kalech Microthrix parvicella

14 Ovlivňování separačních a zahušťovacích vlastností Identifikace vláknitých organismů Existují metody: a) konvenční identifikace morfologických, biochemických a fyziologických rysů a následné porovnání se standardními referencemi Nevýhody: nedostatek srovnávacích kultur potřeba alespoň 30 stabilních rysů pro rozpoznání nomenklaturního taxonu některé organismy mají nízké růstové rychlosti, tudíž identifikace trvá i několik týdnů organismy izolované z aktivního kalu mohou vykazovat různé morfologické a fyziologické a genetické vlastnosti ve srovnání s referenčními kulturami metoda je pracná výsledkem kultury může být ne dominantní organismus, ale organismus s vyšší rychlostí růstu

15 Ovlivňování separačních a zahušťovacích vlastností b) identifikace do typů založeno na mikroskopické analýze morfologických znaků a na výsledku barvících technik Gramovo a Neisserovo barvení Nevýhoda: možná nepřesnost v taxonomickém zařazení c) metody molekulární biologie založené na analýze specifických sekvencích nukleových kyselin Výhody: rychlost a jednoznačnost identifikace organismu probíhá nezávisle na jeho aktuální morfologii

16 Ovlivňování separačních a zahušťovacích vlastností Klasifikace vláknitých organismů 4 skupiny: Skupina S (Sphaerotilus) preferují snadno rozložitelné substráty (sacharidy, nižší mastné kyseliny, alkoholy), střední nebo vyšší stáří kalu, nízká koncentrace rozpuštěného O 2, rostou jen za oxických podmínek Skupina C (Cyanophyceae) bezbarvé sinice, preferují snadno rozložitelné substráty, střední nebo vyšší stáří kalu, deficit základních nutrientů (N a P) a zvýšenou koncentraci redukovaných forem síry, rostou jen za oxických podmínek Skupina A (all zones growers) rostou za všech podmínek (oxie, anoxie, anaerobie) Skupina F (foam forming microorganism) způsobují vznik biologických pěn

17 Ovlivňování separačních a zahušťovacích vlastností preventivní metody Kinetická selekce založena na různé rychlosti využívání biologicky rozložitelných substrátů vláknitých a vločkovitých mikroorganismů Faktory ovlivňující kinetickou selekci: a) složení odpadních vod růst vláknitých organismů je podporován lehce rozložitelnými substráty b) stáří kalu výskyt některých vláken (pomalu rostoucích organismů) se eliminuje snížením stáří AK a jejich vyplavením ze systému c) aktuální koncentrace substrátu v reaktoru d) aktuální koncentrace kyslíku některé vláknité mikroorganismy vykazují větší afinitu k nízkým koncentracím rozpuštěného kyslíku Metabolická selekce kompetice mezi různými fyziologickými skupinami založená na ne/schopnosti využívat substrát v daných podmínkách zejména v systémech biologického odstraňování nutrientů

18 Ovlivňování separačních a zahušťovacích vlastností nápravné metody Nápravné metody neřeší příčinu nadměrného růstu vláknitých mikroorganismů, ale jen důsledky zvýšené přítomnosti vláknitých mikroorganismů Tyto metody jsou vhodné k likvidaci momentálních problémů, které narušují účinnost čistících procesů 1. Poškozování vláknitých mikroorganismů vláknité mikroorganismy vyčnívají z vloček AK jsou více vystaveny účinkům chemikálií než vločkotvorné organismy (uvnitř vloček, chráněny difuzí) činidlo chlor (případně ozon či peroxid vodíku); dávkuje se do místa s největší turbulencí do vratného kalu nebo přímo do AN na základě hodnot kalového indexu. Je nutné dávkovat od nižších koncentrací, při vyšších je třeba kontrolovat mikroskopický obraz Koncentrace chloru v místě dávkování musí být < 20 mg l -1 Frekvence kontaktu s chlorem 2,5-3 krát denně Může být narušen proces nitrifikace, avšak po skončení chlorace dochází k rychlému obnovení

19 Ovlivňování separačních a zahušťovacích vlastností nápravné metody 2. Zatěžování vloček aktivovaného kalu zvyšuje se zónová sedimentační rychlost zvyšováním specifické hmotnosti vloček (dávkováním solí Fe/Al) kompenzace negativního vlivu vláknitých organismů, které obklopují vločky lze kombinovat se srážením fosfátů 3. Manipulace s vratným kalem zvýšením recirkulačního poměru vratného kalu se zkracuje doba zdržení AK (možno jen krátkodobě) 4. Likvidace biologické pěny biologická pěna (tvořená pěnotvornými vláknitými mikroorganismy) je redukována: a) použitím vodních sprch (ředění) b) mechanickým stíráním c) chlorem (postřik pěny)

20 Dosazovací nádrže separace biomasy (AK) od vyčištěné odpadní vody Dělení podle způsobu protékání aktivační směsi: Kruhové s horizontálním průtokem (radiální) Pravoúhlé s horizontálním průtokem Nádrže s vertikálním průtokem Kruhová s horizontálním průtokem o průměru max. 55 m hluboká pro dostatečnou sedimentaci, zahuštění a uskladnění odsazeného kalu: sedimentační zóna až 2,5 m přechodová zóna min. 1 m zahušťovací zóna 0,7-1,3 m klasická konstrukce 4 základní části vstupní (vtokový systém) objekt stírání a odtah (vyklízení) zahuštěného kalu odtokový objekt vyčištěné odpadní vody zařízení na odstraňování plovoucích látek

21 Kruhová nádrž Vstupní (vtokový systém) objekt Funkce: a) disipace energie vstupující aktivační směsi b) rovnoměrné rozdělení přítoku v horizontálním směru c) redukce důsledků hustotního proudění a minimalizace rozrušování vrstvy zahuštěného kalu d) podpora flokulace rozhodující pro účinnou separaci a zahuštění aktivovaného kalu Aktivovaný kal vstupní zóna Rozpad na mikrovločky Spojování mikrovloček do makrovloček Sedimentace v dosazovací nádrži Flokulace ve flokulační zóně

22 Kruhová nádrž Stírání a odtah zahuštěného kalu Shrabovací zařízení: různá konstrukce a tvary hrabel (spirální stírací lišty, žaluziové konstrukce) hrablo by mělo kopírovat vrstvu kalu (jeho výška se od obvodu ke středu zvyšuje) kalová jímka v středu nádrže (odtah kalu pod hydrostatickým tlakem)

23 Kruhová nádrž Odtokový objekt vyčištěné odpadní vody odvod vody bez kontaminace plovoucími nečistotami nebo přisátí usazeného kalu odtokový žlab na obvodu ochrana odtokového žlábku před únikem plovoucí biomasy norné stěny Stamfordské stěny (deflektory) pod odtokový žlábek, zabránění odtoku nerozpuštěných látek Stamfordské stěny norné stěny

24 Kruhová nádrž Odstraňování plovoucích látek mechanické odstraňování biologické pěny zvyšuje se zřeďovací rychlost pro pěnotvorné vláknité organismy Zařízení: standardní stírací zařízení s jímkou po obvodu jímka na plovoucí biomasu pohybující se společně s pojezdovým mostem ponorné žlábky systém vodních sprch, pneumatický systém, ventilátory Zásady zpracování zachycené pěny: 1. Nevrací se zpět do usazovací nádrže!!! 2. Nestabilizuje se společně s primárním a přebytečným kalem ve vyhnívací nádrži 3. Optimálně se samostatně odvodňuje zařízení s jímkou po obvodu jímka na plovoucí biomasu pneumatický systém systém vodních sprch ventilátor

25 Dosazovací nádrže Pravoúhlé s horizontálním průtokem délka max. 60 m u podélně protýkaných délka : šířka = : 1 klasická konstrukce 4 základní části vstupní (vtokový systém) objekt stírání a odtah (vyklízení) zahuštěného kalu odtokový objekt vyčištěné odpadní vody zařízení na odstraňování plovoucích látek Aktivovaný kal vstupní zóna Flokulační zóna (pádlová míchadla) Usazovací zóna s pojezdovým mostem Stírání usazeného kalu do kalové jímky

26 Dosazovací nádrže Pravoúhlé s vertikálním průtokem čtvercový půdorys o straně 3-6 m Aktivovaný kal vtokový válec AK stoupá k hladině AK přepadá pilovým přepadem do odtokového žlabu AK odtéká potrubím Hydrostatický odvod usazeného kalu

27 Dosazovací nádrže dominance separace a zahušťování v gravitačních dosazovacích nádržích ALE! spojeno s mnoha problémy a nevýhodami: extenzivní proces, záběr rozsáhlé stavební plochy koncentrace nerozpuštěných látek na odtoku až mg l -1 (možnost patogenních organismů) účinnost ovlivňována vlastnostmi kalu poměr mezi vločkotvornými a vláknitými organismy složitý provoz odtok není vlastnostmi vhodný ke zpětnému využití Nová technologie = MEMBRÁNOVÁ SEPARACE kombinace konvenčního aktivačního procesu a účinné separace pevné (aktivovaný kal) a tekuté (vyčištěná odpadní voda) fáze filtrace na přepážce s prvky filtrace objemové nejčastěji mikrofiltrace (póry 0,1-0,5 µm, tlak 0,5 MPa) zachytí se jemný písek, částice hlíny, uhelný prach, většina bakterií; projdou viry

28 Membránová separace Konstrukční řešení Membrány s definovanou velikostí pórů uspořádány: a) do desek sestavovaných do filtračních modulů b) z membrán tvořena dutá vlákna sestavovaná do filtračních modulů Z prostoru za membránou odsáván permeát (část pro praní membrán) Podle výrobního materiálu: a) membrány polymerní tenká membránová vrstva z plastu nanesená na nosič (ploché membrány) nebo přímo extrudované (dutá vlákna) b) membrány anorganické keramické, uhlíkové Umístění modulů: a) do samostatné kontejnerové jednotky (externí moduly) aktivační směs se přečerpává z aktivační nádrže a zpět se vrací zakoncentrovaný kal b) přímo do aktivační nádrže (reaktor s membránovým separátorem kalu) kal se nepřečerpává, značná energetická úspora, přebytečný kal se odebírá přímo z nádrže

29 Membránová separace moduly

30 Membránová separace Výhody: malá zastavěná plocha možnost využití stávajících nádrží na existujících ČOV vysoká kvalita permeátu možnost zpětného využití (závlahy, mytí, technologie) eliminace vlivu kvality kalu na účinnost separace provoz při vysoké koncentraci biomasy (možnost snižování objemu nádrží, snížení produkce přebytečného kalu) Nevýhody: vyšší investiční náklady komplikované strojní vybavení + vyšší provozní náklady vyšší nároky na kvalitu obsluhy a údržby problémy s aerací nebo s tvorbou biologické pěny při vyšších koncentracích AK nutnost kvalitního předčištění a zajištění rovnoměrného průtoku nutnost pravidelného čištění a regenerace membrán

31 Membránová separace Využití: pro hustě obydlené a průmyslové zóny v oblastech zdrojů vod při ekonomicky výhodném využití permeátu při využití permeátu při ke krajinotvorným účelům nebo pro dotaci deficitního zvodnělého podloží při výstavbě ČOV v oblastech s extrémně vysokými cenami pozemků v případě, že je výstavba ČOV limitována velikostí stavební parcely pro ČOV ve specifických podmínkách (např. infekční provozy nemocnic)