Separace a zpracování kalu Martin Pivokonský, Jana Načeradská 9. přednáška, kurz Znečišťování a ochrana vod Ústav pro životní prostředí PřF UK Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i.
Důvody separace aktivovaného kalu od vyčištěné vody: a) aktivační proces je kontinuální kultivací s recyklací biomasy - AK je nutné separovat a vracet do systému jako inokulum tzv. vratný kal b) biomasa rozptýlená ve vyčištěné vodě zhoršuje kvalitu odtoku z čistírny 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 ] V 30 objem kalu usazeného po 30 minutách z 1 l aktivační směsi [ml l -1 ] X koncentrace aktivovaného kalu [g l -1 ] Klasifikace AK na základě kalového indexu. Typ kalu Hodnota KI [ml g -1 ] Dobře sedimentující < 100 Lehký 100 200 Zbytnělý > 200
2. Zónová sedimentační rychlost dána rychlostí pohybu rozhraní kal supernatant při sedimentačním testu odečítána z lineární části zahušťovací křivky Klasifikace AK 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 sedimentační rychlost = směrnice přímky proložené křivkou je konstantní a maximální = zónová sedimentační rychlost H I III deformační fáze sedimentační rychlost klesá, koncentrace kalu v usazené vrstvě se zvyšuje IV fáze kompresní II zahušťovací křivka vrstva kalu se zahušťuje v celé výšce sloupce, voda je vytlačována z kalu III Čas IV
Dobře sedimentující kal splňuje: 1) Kritéria KI a ZSR pro dobře sedimentující kal (viz předchozí dvě tabulky) 2) Po sedimentaci zbyde čirý supernatant 3) Kal zaujímá nadměrný objem 4) Odsazený kal nevzplývá po dobu alespoň 1,5 2 hod 3. Mikroskopická analýza aktivovaného kalu hodnocení flokulačních a separačních vlastností na základě vlastností vloček (tvar, velikost, struktura) kvantifikace a identifikace vláknitých mikroorganismů, které jsou nejčastější příčinou špatných separačních vlastností kalu Vláknité bytnění kalu Nezávadný kal
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 splňuje: Četnost výskytu vláknitých organismů nepřekročí stupeň 2 a 3, ale neměly by úplně chybět. Sférické vločky s kompaktní strukturou. Mezi vločkami by nemělo být velké množství malých bakteriálních shluků či jednotlivých buněk značí nedokonalou flokulaci.
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 AK 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 b) složení 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 zvýšený zákal na odtoku z dosazovací nádrže rozdělení aktivační směsi při sedimentaci do dvou částí velké vločky dobře sedimentují, malé vločky zůstávající v supernatantu Příčiny: a) příliš vysoké stáří kalu nízký přísun substrátu inhibuje produkci extracelulárních polymerů b) vymizení vláknité populace (tvoří kostru vloček) c) vysoká turbulence vedoucí k mechanickému rozrušování vloček d) působení toxických látek inhibujících syntézu extracelulárních polymerů
3) Viskózní (zoogleální) bytnění způsobeno nadměrnou produkcí extracelulárních biopolymerů (váží vodu a jsou viskózní) rosolovitý AK, špatně se odvodňuje, při provzdušnění pění Příčiny: a) nedostatek živin b) působením některých toxických látek c) velkým koncentračním gradientem v aktivační systému 4) Vláknité bytnění zvýšení výskytu vláknitých organismů: 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
5) Tvorba biologické pěny Tvorba povrchově aktivních látek (např. extracelulární biopolymery, syntetické tenzidy) Vzniká v přítomnosti: a) dispergovaných bublin vzduchu b) povrchově aktivních látek c) hydrofóbního materiálu (pěnotvorné mikroorganismy, tuky ) Problémy: 1. únik pěny mimo AN, zhoršení kvality odtoku z DN 2. zachycení nové biomasy do pěny ovlivnění účinnosti čištění 3. problémy při vyhnívání kalu (horší odvodnitelnost, nižší tvorba bioplynu) Aktivovaný kal Odpovídající vzorek biologické pěny
lehká pěna neakumuluje se, při pohybu hladiny při provzdušňování stabilní pěna hladina bez pohybu hromadění biomasy vláknitých mikroorganismů (aktinomycet) Lehká pěna Stabilní pěna
6) Vzplývání kalu hladina DN je pokryta vrstvou plovoucí biomasy zhoršená 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
Ovlivňování separačních a zahušťovacích vlastností kalu 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
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
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
Nápravné metody 1. Poškozování vláknitých mikroorganismů vláknité mikroorganismy vyčnívají z vloček AK jsou více vystaveny účinkům chemikálií než vločkotvorné organismy (uvnitř vloček, chráněny difuzí) dávkování činidla chlor (případně ozon či peroxid vodíku) 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
2. Zatěžování vloček aktivovaného kalu zvyšuje se zónová sedimentační rychlost zvyšováním hmotnosti vloček (dávkováním solí Fe/Al) 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 redukována: a) použitím vodních sprch (ředění) b) mechanickým stíráním c) chlorem (postřik pěny)
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
Aktivovaný kal vstupní zóna Rozpad na mikrovločky Spojování mikrovloček do makrovloček Sedimentace v dosazovací nádrži Flokulace ve flokulační zóně
Stírání a odtah zahuštěného kalu hrabla - kopírují vrstvu kalu kalová jímka v středu nádrže - odtah kalu pod hydrostatickým tlakem)
Odtokový objekt vyčištěné odpadní vody odtokový žlab na obvodu ochrana odtokového žlábku před únikem plovoucí biomasy norné stěny, stamfordské stěny
Odstraňování plovoucích látek mechanické odstraňování biologické pěny systém vodních sprch zařízení s jímkou po obvodu
Pravoúhlé s horizontálním průtokem 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
Pravoúhlé s vertikálním průtokem Aktivovaný kal vtokový válec AK stoupá k hladině AK přepadá pilovým přepadem do odtokového žlabu AK odtéká potrubím Hydrostatický odvod usazeného kalu
Gravitační dosazovací nádrže - nevýhody záběr rozsáhlé plochy koncentrace nerozpuštěných látek na odtoku až 10-15 mg l -1 (možnost patogenních organismů) účinnost ovlivňována vlastnostmi kalu 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
Membránová separace 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 spotřebována na praní membrán) Dle materiálu: a) polymerní vrstva z plastu nanesená na nosič (ploché membrány) nebo přímo extrudované (dutá vlákna) b) anorganické keramické, uhlíkové Umístění modulů: a) samostatné kontejnerové jednotky (externí moduly) aktivační směs se přečerpává z aktivační nádrže a zpět se vrací zakoncentrovaný kal b) v aktivační nádrži (reaktor s membránovým separátorem kalu) kal se nepřečerpává, značná energetická úspora, přebytečný kal se odebírá přímo z nádrže
Výhody: malá zastavěná plocha možnost využití stávajících nádrží na existujících ČOV vysoká kvalita permeátu možnost zpětného využití (závlahy, mytí, technologie) kvalita kalu nemá vliv 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
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)
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Primární kal nerozpuštěné látky z mechanického stupně čistírny (zachycené v usazovací nádrži), zpravidla zrnitá struktura Sekundární kal z biologického stupně čistírny (přebytečný aktivovaný kal z dosazovacích nádrží), vločkovitá struktura Surový kal nezpracovaný, nestabilizovaný kal
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Složení kalu závisí na původu kalu (složení odpadních vod, poměr mezi primárním a sekundárním kalem) surový kal - poměr organických látek v sušině k anorganickým 2:1 (stabilizací se tento poměr snižuje) Nežádoucí příměsi: ALE! a) patogenní mikroorganismy b) toxické chemické látky např. PCB, NL, těžké kovy apod. Kaly jsou bohatým zdrojem organické hmoty, základních živin (zejména N a P) stopových prvků a mohou zlepšovat fyzikálně-chemické i biologické vlastnosti půd. i
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Zpracování kalu zahušťování stabilizace, hygienizace odvodňování, vysoušení Přebytečný aktivovaný kal Zahušťování Míchání s primárním kalem Stabilizace Odvodnění Stabilizovaný hygienizovaný kal, kalová voda Hygienizace
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Zahušťování snížení objemu kalu (úspora prostor, financí) v zahušťovacích nádržích (obdoba usazovacích nádrží) nebo strojově sedimentace filtrace (sítopásové lisy) odstřeďování (odstředivky) flotace Schéma sítopásového lisu
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Stabilizace biologické či fyzikálně-chemické zpracování, které zajišťuje hygienickou nezávadnost a stabilitu kalu vzhledem k jeho dalšímu použití Spočívá v redukci: a) přítomnosti patogenních organismů b) rozložitelného organického podílu sušiny kalu Stabilizovaný kal nepodléhá samovolnému rozkladu! Kritéria stability: a) přímá (toxicita, infekčnost, zápach) b) nepřímá (obsah org. látek, produkce bioplynu) c) doplňující (odvodnitelnost, viskozita)
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Metody měření míry stability kalu Základní kritéria Intenzita zápachu Metoda měření zřeďovací metoda, plynová chromatografie Ztráta žíháním Podíl org. látek v celkové sušině kalu vyjádřený v % Podíl rozložených org. látek jako % celkového obsahu org. látek Zbytkové snadno rozložitelné organické látky Chemické složení Biologická aktivita Mikrobiologická analýza BSK 5 filtrátu (kapalné fáze) Rychlost přírůstku CHSK kap. fáze Rychlost spotřeby O 2 Rychlost produkce CH 4 v průběhu anaerob. kultivace Koncentrace mastných kyselin v kap. fázi ph a jeho změny v průběhu skladování Měření tvorby H 2 S během skládkování Koncentrace NO 3 Koncentrace ATP Rychlost produkce bioplynu Dehydrogenázová aktivita Stanovení obsahu patogenních organismů Stanovení jednotlivých skupin mikroorganismů
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů STABILIZACE - metody Anaerobní stabilizace Aerobní stabilizace Chemická stabilizace
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Anaerobní stabilizace Mikroorganismy rozkládají za anaerobních podmínek biologicky rozložitelnou organickou hmotu produkty: bioplyn 60-70 % CH 4, 30-40 % CO 2, H 2 S, N 2 a H 2 vyhnilý kal kalová voda probíhá v metanizačních nádržích výtěžnost bioplynu závisí na poměru primárního a přebytečného aktivovaného kalu vyšší množství přebytečného aktivovaného kalu = nižší výtěžnosti bioplynu (špatná rozložitelnost buněk mikroorganismů přebytečného aktivovaného kalu) mezofilní a termofilní stabilizace Parametr [jednotky] Mezofilní stabilizace Termofilní stabilizace teplota C 35 40 55 doba zdržení dny 20 30 15 20 zatížení kg.m. -3 d -1 0,5 1,5 1 2,5
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Hydrolýza anaerobní bakterie přeměňují makromolekuly (bílkoviny, polysacharidy, tuk, celulózu) pomocí extracelulárních hydrolytických enzymů na nízkomolekulární látky (monosacharidy, aminokyseliny, mastné kyseliny, voda) rozpustné ve vodě Acidogeneze rozklad produktů hydrolýzy na jednodušší organické látky (kyseliny, alkoholy, CO 2, H 2 ), závisí na charakteru původního substrátu a podmínkách prostředí nízký parciální tlak H 2 kyselina octová, CO 2 a H 2 vyšším parciální tlak H 2 vyšší organické kyseliny, kys. mléčná, ethanol apod. Acetogeneze oxidace produktů acidogeneze na CO 2, H 2 a kyselinu octovou Methanogeneze methanogenní organismy rozklad kyseliny octové na methan a CO 2 tvorba methanu z CO 2 a H 2
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Komplex organických komponentů Sacharidy, tuky, bílkoviny Hydrolytické bakterie Hydrolýza Jednoduché organické komponenty Cukry, mastné kyseliny, aminokyseliny Acidogenní bakterie Acidogeneze (tvorba kyselin) Organické kyseliny a alkoholy Acetogenní bakterie Metanogenní bakterie H 2, CO 2 Kyselina octová Acetogeneze (tvorba kyseliny octové Metanogeneze CH 4, CO 2 Bioplyn
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Faktory ovlivňující průběh methanizace: teplota vytápění nádrží ph ideálně 6,5 7,5 živiny CHSK : N : P (300 : 6,7 : 1) přítomnost toxických a inhibujících látek nejčastěji vyskytující se látky, které mohou ovlivnit nebo zcela zastavit proces, jsou amoniak a mastné kyseliny Obr. Příklad methanizační nádrže
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Produkty 1. Stabilizovaný kal nepáchnoucí, dobře odvodnitelný vhodný k použití jako hnojivo přímo anebo po kompostování (nesmí obsahovat patogenní mikroorganismy, POPs, těžké kovy) kaly nevhodné k použití v zemědělství se skládkují nebo spalují 2. Kalová voda produkt zahuštění a odvodnění kalu vrací do procesu čištění před aktivační nádrž vzhledem k vysokému obsahu dusíku (komplikace při odstraňování kalu, způsobuje bytnění kalu) je vhodné její samostatné čištění 3. Bioplyn produkce tepla, energie nutné odsíření (např. sorpce na Fe sorbenty či reakce s alkalickými substancemi)
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Aerobní stabilizace prodloužená aeraci kalu oxidace většiny biologicky rozložitelných organických látek na CO 2 a H 2 O a) přímo v aktivaci prodloužením stáří kalu cca na 20 30 dní b) odděleně ve stabilizační nádrži provzdušňováním přebytečného aktivovaného kalu autotermní aerobní stabilizace vlivem intenzivního provzdušňování a rychlé oxidaci organických látek dochází ke zvýšení teploty nad 50 C Podmínky dosažení této teploty: a) dostatečné zahuštění kalu b) vysoký podíl organické sušiny c) dobrá izolace systému d) dostatečné provzdušnění (někdy je třeba použít přímo O 2 namísto vzduchu) vhodné zejména na malých ČOV
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Chemická stabilizace přídavek CaO (pálené vápno), které reaguje s vodou v kalu: CaO + H 2 O -> Ca(OH) 2 + teplo + dosažení ph > 12 po dobu alespoň 2 hodin inaktivace většiny mikroorganismů zvýšením ph a teploty = stabilizace a hygienizace dávka CaO se pohybuje mezi 10 30% sušiny kalu Výhody: jednoduchost hygienizační účinek Nevýhody: zvýšení celkové sušiny kalu uvolňování NH 3 v důsledku zvýšení ph
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Odvodnění kalu zmenšení objemu stabilizovaného kalu lepší transport, další zpracování, snížení dávek CaO při hygienizaci kalu základní podmínka pro jeho spalování Kalové pole a) kalová pole plocha s drenážovaným dnem kombinace filtrace a odpařování velké nároky na plochu závislost na klimatických podmínkách b) mechanické nutný přídavek flokulantu pro zlepšení odvodňovacích vlastností dříve soli Al/Fe s vápnem, dnes polymerní organické flokulanty (nižší dávky, vysoká účinnost) následné použití kalolisů, odstředivek, vakuových filtrů apod.
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Hygienizace kalů hygienizovaný kal = kal, který prošel takovou úpravou, že počty indikátorových organismů jsou sníženy na požadovanou hodnotu Hygienizace kalu nemusí znamenat jeho stabilizaci a naopak stabilizovaný kal nemusí být hygienizovaný! Metody: Chemické vápno, minerální kyseliny,cl 2, O 3 Fyzikální působení teploty, tlaku, radiace, ultrazvuku apod. Hygienizace může být zařazena: a) před stabilizací (ultrazvuk) b) po stabilizaci (sušení, pasterizace, dávkování CaO) c) hygienizačně působí stabilizace kalu (termofilní aerobní stabilizace, mezofilní a termofilní anaerobní stabilizace)
9. přednáška Zpracování čistírenských kalů Klasifikace kalů podle obsahu patogenních organismů Počet termotolerantních koliformních bakterií Třída A Třída B < 1000.g -1 < 1000.g -1 Počet enterokoků < 1000.g -1 < 1000.g -1 Počet bakterií Salmonella < 3/4.g -1 - Kal třídy A je aplikovatelný bez omezení! Kal třídy B je aplikovatelný do půdy pouze za vymezených podmínek! Metody hygienizace kalů zabezpečující třídu A: alkalizace vápnem (ph > 12; 55 C; 3h) sušení (80 C, sušina nad 90%) aerobní stabilizace termofilní (10 dní, 55 60 c) Metody hygienizace kalů zabezpečující třídu B: anaerobní stabilizace (60 dní při 20 C, do 15-20 dní 35 55 C) aerobní stabilizace (60 dní při 40 C nebo 40 dní při 20 C) kalová pole (3 měsíce)