PRINCIPY BČOV INFORMAČNÍ ZDROJE. Ing. Iveta Růžičková, Ph.D. TERMINOLOGIE BIOCHEMICKÝCH PROCESŮ

Transkript

1 INFORMAČNÍ ZDROJE Přednášky PRINCIPY BČOV Ing. Iveta Růžičková, Ph.D. Tyto studijní materiály umístěné na interních webových stránkách VŠCHT Praha jsou určeny k osobní potřebě studentů předmětu N Základy čištění odpadních vod. Jejich kopírování, šíření, distribuce a zveřejňování na veřejně dostupných serverech bez souhlasu autora/ů je porušením autorského zákona č. 121/2000 Sb. Skripta, učební texty Růžičková, I. (2009) Základy úpravy a čištění vod, kap. 4 9, VŠCHT Praha. Růžičková I. (2005) Čistírny odpadních vod, kap. 9 10, 12, ČZU Praha. Wanner J., Růžičková I., Krhůtková O., Beneš O. (2000) Biologická kontrola čištění odpadních vod, AČE ČR, Praha. Knihy, monografie, příručky knihovna ÚTVP, NTK, knihovna VÚV TGM Praha, B108. TERMINOLOGIE BIOCHEMICKÝCH PROCESŮ Sborníky specializovaných konferencí a seminářů (IWA, AČE ČR, CzWA) Firemní literatura Odborné časopisy Water Research Water Science and Technology Vodní hospodářství Internetové stránky International Water Association (IWA) European Water Association (EWA) Water Environment Federation (WEF) Asociace pro vodu ČR (CzWA) Výzkumný ústav vodního hospodářství TGM Praha Ministerstvo zemědělství ČR Ministerstvo životního prostředí ČR Substrát zdroj energie světlo fototrofní organismy anorganické a organické sloučeniny chemotrofní organismy Zdroj uhlíku anorganické látky litotrofní organismy organické látky organotrofní organismy Externí substrát/zdroj uhlíku přítomny v médiu, před využitím nutno transportovat do buněk exogenní metabolismus Interní substrát/zdroj uhlíku využití akumulovaných/uložených látek endogenní metabolismus Nutrienty bakteriální růst makronutrienty (N, P, příp. S) a mikronutrienty (Ca, Mg, K, Mo, Zn, ) technologie odstraňování nutrientů pouze N a P RŮST A MNOŽENÍ MIKROORGANISMŮ Kultivační podmínky oxické/aerobní konečný akceptor elektronů: O 2 ORP H kladný Stratifikace idealizované vločky aktivovaného kalu exponované Růstová křivka anoxické konečný akceptor elektronů: N-NO 3-, N-NO 2 - ORP H cca mv anaerobní transfer elektronů z jedné organické látky na druhou ORP H záporný I II III IV V VI lagová fáze fáze zrychleného růstu exponenciální fáze fáze zpomaleného růstu stacionární fáze fáze poklesu A) do prostředí s vysokou koncentrací substrátu B) do prostředí s nízkou koncentrací substrátu 1

2 Rychlost růstu v exponenciální fázi: Růstovou rychlost lze sledovat pouze v jednorázovém systému. X = X 0 e µt Kontinuální kultivace čisté kultury bez recirkulace mikroorganismů: chemostat XaX 0 jsou koncentrace mikroorganismů [M L -3 ]včasech t a t = 0 µ je specifická rychlost růstu [T -1 ]. Q S 1 Specifická růstová rychlost závisí na koncentraci limitujícího substrátu (S) podle Monodovy rovnice: V S, X S, X Q b je specifická rychlost rozkladu [T -1 ] D=Q/Vjezřeďovací rychlost buněk, tj. převrácená hodnota doby zdržení buněk [T -1 ]. µ max je maximální specifická rychlost růstu [T -1 ] K S je půlrychlostní (saturační) konstanta [M L -3 ] - číselně rovna koncentraci substrátu, při které je specifická růstová rychlost rovna polovině maximální růstové rychlosti. Ustálený stav: SLOŽENÍ AKTIVOVANÉHO KALU PRINCIPY BIOLOGICKÉHO ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD v biologickém reaktoru působením mikroorganismů 1. Destruenti (95 %) biochemický rozklad látek z odpadní vody 95 % baktérie mikroskopické houby, plísně, kvasinky, sinice, Klasifikace biologických reaktorů dle způsobu kultivace biomasy: 1. polykultura ve formě suspenze = aktivovaný kal Aktivační nádrž (aktivační proces) 2. polykultura ve formě nárostu na vhodném nosiči = biofilm Biofilmové reaktory 3. reaktory s kombinovanou kultivací biomasy 2. Konzumenti (5 %) substrát - bakteriální a jiné mikrobiální buňky vyšší osídlení protozoa (jednobuněční), metazoa (mnohobuněční) Vyšší osídlení aktivovaného kalu Nálevníci Protozoa prvoci, jednobuněční Bičíkovci Kořenonožci -kryténky,měňavky bičíkovci lezoucí plovoucí přisedlí kryténky měňavka 2

3 Metazoa mnohobuněční Vířníci Želvušky Hlístice, červi, roztoči želvušky vířníci ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY KULTIVACE AKTIVOVANÉHO KALU červi hlístice Základní uspořádání z hlediska teorie reaktorů: jednorázový (vsádkový, diskontinuální, batch) systém semikontinuální systém (SBR sequencing batch reactor) kontinuální systémy ideální -spístovým tokem - s ideálním promícháváním reálné -spostupným tokem -směšovací roztoči Jednorázový (vsádkový, diskontinuální, batch) systém Roztok substrátu se smísí s aktivovaným kalem a směs se provzdušňuje. Během provzdušňování: úbytek substrátu z počáteční hodnoty S 0 na hodnotu S t závislou na době provzdušňování přírůstek sušiny biomasy z počáteční hodnoty X 0 na hodnotu X t Rychlost odstraňování substrátu je největší na začátku procesu >> maximální rychlost spotřeby kyslíku. Mikroorganismy v prostředí s měnící se koncentrací substrátu (koncentrační gradient). S 0 Semikontinuální systém Semikontinuální kultivace = časově se opakující jednorázový proces. Po určité době odebereme část biomasy a kultivačního média a obsah nádrže doplníme novým roztokem. Na začátku každého provzdušňovacího cyklu se smíchá substrát o koncentraci S 0 se zbylou kapalinou v nádrži, ve které je koncentrace substrátu S t. Výsledná směs má proto na začátku provzdušňování koncentraci S S, která je vždy nižší než S 0. S t Po určité době (obvykle po vyčerpání substrátu) se sledování procesu ukončí - pro praktickou aplikaci nevýznamné, pouze laboratorní měřítko. Mikroorganismy jsou v prostředí s měnící se koncentrací substrátu Rychlost spotřeby kyslíku opět největší na začátku cyklu (pokud pouze oxické podmínky). V laboratorních podmínkách se používá k napodobení poměrů, za kterých pracuje kontinuální systém s pístovým tokem, který nelze realizovat. P Kontinuální systémy s postupným tokem AN DN AS O Provozní aplikace SBR reaktorů. ODP. VODA ODTAH VK P přítok, O odtok, AS - aktivační směs, VK - vratný aktivovaný kal, PK - přebytečný AK, AN - aktivační nádrž, DN - dosazovací nádrž PK A B C D E VZDUCH substrát (odpadní voda) se směšuje s vratným kalem před vstupem do aktivace koncentrace substrátu klesá, klesá i rychlost spotřeby kyslíku mikroorganismy aktivovaného kalu jsou vystavovány měnící se koncentraci substrátu existence koncentračního gradientu. 3

4 Kontinuální systémy - směšovací aktivace Hydraulická charakteristika P AN VK AS DN PK O P přítok, O odtok AS - aktivační směs VK - vratný aktivovaný kal PK - přebytečný aktivovaný kal AN - aktivační nádrž DN - dosazovací nádrž substrát (odpadní voda) přichází do nádrže odděleně od vratného kalu nádrž intenzívně provzdušňována a míchána stejné složení, koncentrace substrátu na odtoku je stejná jako v celé nádrži. rychlost odstraňování substrátu i rychlost spotřeby kyslíku jsou konstantní mikroorganismy aktivovaného kalu jsou vystavovány stále stejným (a nízkým) koncentracím všech složek z odpadní vody. Vlastnosti stopovacích látek: ekologicky a zdravotně nezávadné stanovitelné v nízkých koncentracích neovlivňující hydraulickou charakteristiku cenově dostupné Stopovací látky: barviva Rhodamin B anorganické soli méně často i radioizotopy biogenních prvků Ideální systém s pístovým tokem (nedochází k podélnému mísení a směs se pohybuje konstantní rychlostí) Reálný systém s postupným tokem Hydraulická charakteristika systému s ideálním promícháváním v laboratorních podmínkách lze napodobit systém s postupným tokem větším množstvím malých směšovacích nádrží za sebou AKTIVAČNÍ RPOCES nejrozšířenějším způsobem biologického čištění odpadních vod kontinuální kultivaci biomasy s recyklem Vznik a vývoj aktivačního procesu Anglie konec 19. a zač. 20. století -největší koncentrace obyvatelstva a průmyslu» opakované hygienické problémy - požadavky průmyslu (zejm. textilního) na kvalitní vodu» nutnost zabývat se systematicky kvalitou vody v řekách 1914 vynález aktivačního procesu Arden, Lockett, Fowler Pokusy s dlouhodobým provzdušňováním odpadní vody Vznik vločkovité suspenze aktivovaný kal Obecně tvořen biologickou a separační jednotkou. Aktivační směs (AS), vzniklá smísením odpadní vody (přítok P) a vratného aktivovaného kalu (VK), přitéká do vlastní biologické jednotky, tj. aktivační nádrže (AN), kde je provzdušňována. Poté je aktivovaný kal separován od vyčištěné vody v separační jednotce, tj. v dosazovací nádrži (DN). Zahuštěný aktivovaný kal je následně recirkulován zpět jako inokulum (vratný aktivovaný kal VK), nově vytvořená biomasa je ze systému odstraňována jako přebytečný aktivovaný kal PK. Vodůvodněných případech lze přítok odpadní vody přivádět do aktivační nádrže i odděleně od proudu vratného kalu. Mary Gayman, A Glimpse into London s Early Sewers, Cleaner Magazine, 1996, COLE Publishing Inc. Printed cholera notice, LSHTM Library & Archives 4

5 Vznik a vývoj aktivačního procesu Situace u nás: 1906 Praha - uvedení do provozu jedné z nejmodernějších kanalizačních ČOV na kontinentě (princip mechanického čištění s možností intenzifikace chemickým srážením) - Sir William H. Lindley, (Ekotechnické muzeum, Stará kanalizační čistírna v Bubenči) 1910 Jáchymov první zkrápěný biofiltr v rámci Rakouska-Uherska 1912 na pražské ČOV první laboratoř pro chemii a mikrobiologii odpadních vod ve střední Evropě ÚČOV Praha na Císařském ostrově největší aktivační ČOV ve střední Evropě 5