Biologické čištění odpadních vod - aerobní procesy Martin Pivokonský, Jana Načeradská 6. přednáška, kurz Znečišťování a ochrana vod Ústav pro životní prostředí PřF UK Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i.
Biologické čištění odpadních vod základní princip - biochemické oxidačně-redukční reakce za účasti mikroorganismů dle konečného akceptoru elektronů a hodnot oxidačně-redukčních (redox) potenciálů: oblast oxická (kyslíkatá, aerobní) konečným akceptorem elektronů je rozpuštěný kyslík redox potenciál nad 50 mv oblast anoxická (bezkyslíkatá) rozpuštěný kyslík není přítomen konečným akceptorem elektronů je dusičnanový a dusitanový dusík redox potenciál od - 50 mv do 50 mv oblast anaerobní nevyskytuje se rozpuštěný kyslík ani dusičnany a dusitany konečným akceptorem elektronů je organická látka redox potenciál pod - 50 mv
Rozložitelnost organických látek biologickou rozložitelnost lze posuzovat dle poměru BSK (biochemická spotřeba kyslíku) : TSK (teoretická spotřeba kyslíku) BSK5 : TSK > 0,4 látky biologicky snadno rozložitelné BSK5 : TSK < 0,4 látky s pomalou rychlostí rozkladu nebo použitá kultura mikroorganismů nebyla dostatečně adaptována kvantitativním ukazatelem biologické rozložitelnosti je maximální specifická rychlost odstraňování dané látky r x max adaptovanou směsnou kulturou r x max nad 50 mg g -1 h -1 látka je velmi snadno a rychle rozložitelná r x max 15-50 mg g -1 h -1 látka je danou kulturou dobře rozložitelná r x max pod 15 mg g -1 h -1 látka je obtížně a pomalu rozložitelná
Mechanismy odstraňování organických látek nerozpuštěné látky se sorbují na shluky mikroorganismů (vločky, nárosty) a v závislosti na svém charakteru mohou být dále enzymaticky štěpeny rozpuštěné látky nízkomolekulární jsou přímo přenášeny do buněk mikroorganismů vysokomolekulární jsou nejprve enzymaticky štěpeny na nízkomolekulární v buňkách mikroorganismů následně dochází k dalšímu štěpení organických látek
počet mikroorganismů (ln) 6. přednáška Biologické čištění odpadních vod aerobní procesy Růstová křivka mikroorganismů to, zda bude docházet k rozmnožování, nebo pouze k růstu mikroorganismů, určuje hmotnostní poměr mezi substrátem a inokulem nízký poměr (např. 0,1) nedochází k výraznému rozmnožení mikroorganismů, mírný nárůst biomasy vysoký poměr (např. 100) výrazné rozmnožení mikroorganismů, vysoký nárůst biomasy vyjádřeno růstovou křivkou mikroorganismů stacionární fáze lagová fáze čas
Aktivovaný kal směsná kultura mikroorganismů, které se vyskytují převážně ve formě zoogleí aktivovaný kal obsahuje: bakterie nejčastěji rody Achrobacter, Acinetobacter, Azotobacter, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Nitrobacter, Nitrosomonas, Nocardia, Pseudomonas houby, plísně, kvasinky přítomny v menším množství vláknité mikroorganismy např. Beggiatoa, Leptomitus, Leucothrix, Microthrix parvicella, Nocardia, Sphaerotilus, Thiothrix převaha vláknitých mikroorganismů negativně ovlivňuje usazovací a zahušťovací vlastnosti kalu a způsobuje technologické potíže ČOV vířníky, hlístice, prvoky např. Voritcella, Opercularia, Epistylis Nitrosomonas Microthrix parvicella Vorticella
Aktivovaný kal aktivovaný kal je na rozdíl od většiny čistých kultur mikroorganismů schopen sedimentace, čímž se separuje od kapalné fáze flokulující aktivovaný kal za optimálních podmínek vločky aktivovaného kalu dobře flokulují a sedimentují odtok je čirý, vratný kal je zahuštěný neflokulující aktivovaný kal odtok je zakalený s vysokými hodnotami BSK a CHSK důvodem mohou být nevhodné technologické parametry (zatížení a stáří kalu) nebo složení a vlastnosti odpadní vody (ph, obsah nutrientů nebo toxických l.) zbytnělý aktivovaný kal kal špatně sedimentuje, nízké usazovací rychlosti bytnění lze dělit na nevláknité (v praxi není časté, příčiny nejsou zcela objasněny) a vláknité (způsobeno nadměrným rozvojem vláknitých mikroorganismů)
Dělení aktivace podle technologického uspořádání a) diskontinuální systém (jednorázový, vsádkový) odpadní voda se smísí s aktivovaným kalem směs je provzdušňována dochází k úbytku substrátu a nárůstu biomasy mikroorganismů po určité době dojde k vyčerpání substrátu a tedy ukončení procesu v praxi se pro čištění odpadních vod tento systém nevyužívá, vhodný pouze pro výzkumné účely b) semikontinuální systém opakující se diskontinuální systém po určité době se odebere část biomasy a doplní se roztok substrátu
Dělení aktivace podle technologického uspořádání c) kontinuální systém 1. s postupným tokem odpadní voda se smísí s aktivovaným kalem a směs je vedena do aktivační nádrže, kde je provzdušňována aktivační nádrž má tvar dlouhého koryta (desítky metrů) s malým průtočným profilem s průběhem nádrže dochází k úbytku substrátu 2. s ideálním promícháváním (směšovací aktivace) odpadní voda a aktivovaný kal se smísí až v aktivační nádrži, kde dochází k intenzivnímu promíchávání a provzdušňování koncentrace substrátu je v celé nádrži stejná
Aktivační proces kontinuální kultivace mikroorganismů s recirkulací kalu systém obsahuje: biologickou jednotku aktivační nádrž separační jednotku dosazovací nádrž
Aktivační proces odpadní voda přitéká do aktivační nádrže, kde se mísí s recirkulovaným (vratným) aktivovaným kalem směs je intenzivně provzdušňována (tlakový vzduch, mechanické aerátory) v dosazovací nádrži se separuje aktivovaný kal a voda zahuštěný aktivovaný kal se vrací zpět na začátek do aktivační nádrže část je tzv. přebytečný aktivovaný kal, který je třeba periodicky odstraňovat (díky organickým látkám z odpadní vody se stále tvoří nová biomasa) přítok aktivační nádrž dosazovací nádrž odtok regenerace vratný kal přebytečný kal
Aktivační proces Dvoustupňová aktivace samostatná aktivační a dosazovací nádrž prvního a druhého stupně pro odpadní vody s vysokým obsahem organického znečištění (BSK 5 nad 300 mg l -1 ) odstraní-li se v prvním stupni většina znečištění, mikroorganismy ve druhém stupni mohou mít nedostatek potravy Odstupňovaná aerace z důvodu zvýšené spotřeby kyslíku na začátku nádrže je v daném místě intenzivnější provzdušňování Postupně zatěžovaná aktivace odpadní voda je přiváděna na několika místech nebo podél celé nádrže cílem je vyrovnat rychlost spotřeby kyslíku podél celé nádrže
Technologické parametry aktivace doba zdržení je dána jako poměr objemu nádrže ku objemu přitékající odpadní vody za daný čas θ doba zdržení V objem nádrže Q1 přítok odpadní vody při zahrnutí recirkulace kalu pak platí: Q r přítok vraceného kalu θ = V / Q 1 θ s = V / Q S Q S = Q r + Q 1 poměr mezi přítokem vraceného kalu a přítokem odpadní vody se pak nazývá recirkulační poměr
Technologické parametry aktivace objemové zatížení definováno jako hmotnostní množství organických látek na 1 m 3 nádrže za jeden den B v objemové zatížení Q 1 přítok odpadní vody v m 3. h -1 S 1 koncentrace organických látek (zpravidla vyjadřována jako BSK 5 nebo CHSK) platí tedy vztah: B v = (24. Q 1. S 1 ) / V B v = (24. S 1 ) / θ výkonnost aktivační nádrže hmotností množství organických látek odstraněné na 1 m 3 aktivační nádrže za jeden den ΔB v = (24. Δ S) / θ Δ S = S 1 S 2 ΔB v výkonnost aktivační nádrže S 2 odtoková koncentrace organických látek (zpravidla vyjadřována jako BSK 5 nebo CHSK)
Technologické parametry aktivace zatížení kalu hmotnostní množství organických látek přivedených na 1 kg sušiny kalu (organické nebo celkové) za jeden den B x zatížení kalu B x = (24. Q 1. S 1 ) / V. θ kalový index objem (v ml), který zaujímá 1 g sušiny kalu po 30 minutách sedimentace KI = V 30 / X KI kalový index V 30 objem kalu po 30 min sedimentace ve válci o objemu 1 l X počáteční koncentrace sušiny kalu v g. L -1 stáří kalu určováno podílem hmotnosti sušiny kalu v aktivační nádrži a hmotnosti sušiny kalu, který je za jeden den odebírán jako přebytečný kal, včetně nerozpuštěných látek unikajících odtokem
Faktory ovlivňující aktivaci hodnota ph optimum pro většinu bakterií: ph 6,0-7,5 optimum pro kvasinky: ph 4-5,8 optimum pro plísně: ph 3,8-6,0 obsah nutrientů městské odpadní vody zpravidla obsahují nadbytek makronutrientů (N, P), zatímco některé průmyslové odpadní vody jich mohou mít nedostatek optimální poměr mezi obsahem rozložitelných organických látek a obsahem živin je: BSK 5 : N : P = 100 : 5 : 1 přísun kyslíku rychlost přísunu kyslíku musí být stejná nebo vyšší než rychlost spotřeby kyslíku
Mechanická aerace založena na rozrušení vodní hladiny mechanické aerátory lze dělit na: aerátory s horizontální osou aerační válce aerátory s vertikální osou aerační turbíny
Pneumatická aerace vzduch je do aktivační nádrže vháněn pomocí kompresorů, turbodmychadel nebo ventilátorů velikost bublin vzduchu lze regulovat pomocí aeračních elementů s rozdílnou velikostí pórů (např. membrány, porézní materiály, děrované trubky ) - aerace jemnobublinná, středobublinná, hrubobublinná
Hydropneumatická aerace funguje na principu přisátí vzduchu proudící vodou ve směšovači voda je hnána ponorným čerpadlem, za kterým vzniká podtlak, vzduch je přiváděn speciálním potrubím přívod vzduchu přítok kapaliny výstupní hrdlo tryska směšovač difuzor
Biofilmové reaktory mikroorganismy jsou kultivovány imobilizované na vhodném nosiči ve formě nárostu (biofilmu), nikoli ve vznosu jako v případě aktivačních nádrží složení mikroorganismů se může lišit jak podél reaktoru (zonace), tak v průřezu biofilmu (stratifikace) využití zejména u menších ČOV nebo pro předčištění průmyslových odpadních vod
Skrápěné biologické kolony (biofiltry) zpravidla kruhový půdorys vlastní náplň je umístěna na roštu, který umožňuje odtok vyčištěné vody do dosazovací nádrže a proudění vzduchu přítok je zajišťován skrápěcím zařízením, které rozstřikuje vodu na povrch biofiltru proudění vzduchu je ovlivněno rozdíly teplot uvnitř a vně filtračního lože
Pivokonský, PřF UK, 2016/17 Skrápěné biologické kolony (biofiltry) otáčivé skrápěcí zařízení náplň biofiltru větrací otvor rošt větrací průduch přítok odtok
Způsoby skrápění pevné skrápěče (sprchy, trysky) podélně kývající trubkovité skrápěče rotační skrápěče s reaktivním pohonem Segnerovo kolo volně otočná sestava jedné nebo více dvojic ramen na středovém sloupu, proud vytékající vody vyvolává otáčení skrápěče rotační skrápěče s nuceným pohybem Náplně biofilmových reaktorů důležitými faktory jsou specifický povrch a mezerovitost náplně dříve např. kamenný štěrk, vápenec, čedič, struska nyní spíše plastové náplně sypané nebo blokově uspořádané
Rotační biofilmové reaktory hlavně pro malé domovní čistírny Rotační diskové reaktory nosičem biomasy jsou kotouče pomalu rotující v odpadní vodě pro zajištění aerace jsou ponořené pouze částečně a dochází tak ke střídavému kontaktu s vodou i vzduchem Rotační klecové reaktory obdobný princip, ale nosič biomasy je upevněn v rotující konstrukci