AKTIVAČNÍ PROCES nejrozšířenějším způsobem biologického čištění odpadních vod kontinuální kultivaci biomasy s recyklem AKTIVACE ODSTRAŇOVÁNÍ ORGANICKÝCH LÁTEK Ing. Iveta Růžičková, Ph.D. Tyto studijní materiály umístěné na interních webových stránkách VŠCHT Praha jsou určeny k osobní potřebě studentů předmětu N217006 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. 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. METABOLISMUS ORGANICKÝCH LÁTEK Schéma rozdělení složek odpadní vody v jednotkách CHSK CHSKrozp x CHSKnerozp 0,45 µm Snadno rozložitelné x 15 20 % Pomalu rozložitelné cca 75 % hydrolýza Metabolismus se skládá ze dvou simultánních procesů: katabolismu generuje energii ze substrátů pro potřeby buňky anabolismu vede k syntéze nové biomasy Lipidy Polysacharidy Proteiny Glycerol + Mastné kyseliny Monosacharidy Aminokyseliny Rychle hydrolyzovatelné x 15 25 % Pomalu hydrolyzovatelné Inerty rozp. x nerozp. 5 10 % H 2 O O 2 ATP ETS Pyruvát Acetyl CoA H + + e - Cyklus trikarboxylových kyselin CO 2 Odstraňování organických látek ZÁSOBNÍ LÁTKY SUBSTRÁT AKUM. METABOLISMUS (REGENERACE) SUBSTRÁT AKUM. BUNĚČNÁ STĚNA ZÁSOBNÍ LÁTKY METABOLISMUS (REGENERACE) Nevyvážený růst Některé mikroorganismy jsou schopny při dostatečné koncentraci substrátu v okolí buňky tento substrát urychleně transportovat do buňky v míře vyšší, než odpovídá okamžitým energetickým a růstovým požadavkům. BUNĚČNÁ STĚNA AKUM. = AKUMULACE AKUM. = AKUMULACE Rychlost přijímání substrátu není vázána na metabolismus. Vyvážený růst Odstraňování substrátu z kultivačního média (aktivační směs) probíhá souběžně s konverzí tohoto substrátu do nové biomasy, tj. s růstem. Rychlost transportu substrátu je stejná jako rychlost metabolismu a je jím limitována. Tento substrát je v buňce buď pouze krátkodobě akumulován či konvertován do organických zásobních látek (glykogen, PHB, PHV). Substrát uložený v buňce může být pro růstové a energetické účely využit až v momentě, kdy je substrát dostupný v okolí buňky vyčerpán (tzv. regenerace akumulační a zásobní kapacity). 1
Základní fyziologická skupina baktérií v aktivovaném kalu: organotrofní mikroorganismy oxické zdroj energie i uhlíku: organické látky akceptor e : O 2, produkty: CO 2 + H 2 O + biomasa rychle rostoucí Obecně lze shrnout, že v buňkách organotrofních mikroorganismů jsou organické látky zpracovány následovně: krátkodobá akumulace v chemicky nezměněné formě k následnému využití syntéza buněčných zásobních látek typu PHB (poly-ßhydroxymáselná kyselina) či glykogenu pro dlouhodobější uložení v buňkách jako energetická rezerva a zdroj organického uhlíku konverze do nové buněčné hmoty (syntéza biomasy) oxidace na oxid uhličitý a vodu za vzniku energie potřebné ke krytí energetických nároků buňky; podle akceptoru elektronů probíhá buď oxidace oxická s molekulárním kyslíkem nebo anoxická sdusičnanovým dusíkem. Potřeba: příslušného akceptoru elektronů (O 2, N-NO 3 ) nutrientů BSK 5 : N : P = 100 : 5 : 1 Koeficient produkce biomasy: Y = ΔX/ΔBSK 5 [kg/kg] ZÁKLADNÍ TECHNOLOGICKÉ PARAMETRY AKTIVAČNÍHO PROCESU Doba zdržení odpadní vody Θ = V / Q 1 [h] Doba zdržení směsi (doba kontaktu) definována pro směs odpadní vody a vratného kalu Q S = Q 1 + Qr Θ S = Θ / (1 + R) [h] kde R je recirkulační poměr Qr / Q 1 Objemové látkové zatížení B V B V = (Q 1. S 1 ) / V = S 1 / Θ [kg/(m 3.d)] kde S 1 je koncentrace organických látek v odpadní vodě vyjádřená nejčastěji hodnotou BSK 5 nebo CHSK Zatížení kalu B X B X = (Q 1. S 1 ) / (V. X) = S 1 / (Θ. X) = B V / X [kg/(kg.d)] kde X je koncentrace celkové sušiny kalu v aktivační nádrži v kg/m 3 Odstraněné objemové zatížení ΔB V (výkonnost aktivační nádrže) ΔB V = Q 1. (S 1 S 2 ) / V Odstraněné látkové zatížení ΔB X (výkonnost kalu) ΔB X = Q 1. (S 1 S 2 ) / (V. X) = ΔB V / X Účinnost procesu E E = (ΔB V / B V )x 100 [%] Stáří aktivovaného kalu (doba zdržení biomasy) X. V Θ X = [d] X W. Q W + X 2. (Q 1 -Q W ) kde X W je koncentrace přebytečného odtahovaného aktivovaného kalu Q W je průtok přebytečného odtahovaného aktivovaného kalu X 2 je koncentrace biomasy na odtoku z dosazovací nádrže Dělení aktivačních procesů podle zatížení TECHNOLOGICKÉ MODIFIKACE KONVENČNÍCH AKTIVAČNÍCH SYSTÉMŮ TYP AKTIVACE Θ X [d] Θ [hod] Nízkozatěžovaná saerobní stabilizací Nízkozatěžovaná s nitrifikací Bx [kg BSK 5 /(kg.d)] Bv [kg BSK 5 /(m 3.d)] E [%] > 25 48 0,05 0,2 90 12-15 12-24 < 0,15 0,6 95-98 Klasická aktivace 4-8 2-6 0,3 1-1,2 95 Vysokozatěžovaná < 2 1-2 1 1-1,5 60-80 menší ČOV zpravidla princip směšovací aktivace větší ČOV snaha o postupný tok Požadavky na malé ČOV: jednoduché a spolehlivé strojní zařízení (minimalizace obsluhy a údržby) odolnost vůči hydraulickému přetížení (zvládání nerovnoměrných a přerušovaných nátoků odpadní vody) nízkozatěžovaná aktivace (snížení produkce kalu a nutnosti odkalování) nízká cena a provozní náklady garantovaná kvalita vyčištěné odpadní vody. 2
Domovní ČOV 1 4 D 3 N 2 1 přítok odpadní vody přes lapač hrubých nečistot (koš) 2 odtok 3 vratný kal 4 plovoucí materiál AN aktivace DN dosazovací nádrž AN Např. ČOV pro 4 EO nejmenší, individuální zdroje (4 15 EO) plast, příp. betonová jímka s technologickou vestavbou nad i pod terénem náhrada septiku Objem nátokové zóny 0,50 m 3 Objem aktivace 1,10 m 3 Objem dosazovací nádrže 0,19 m 3 Plocha dosazovací nádrže 0,28 m 2 Výška hladiny 1,15 m Hmotnost 150 kg Balené/kontejnerové ČOV malé (izolované) zdroje znečištění (nejběžněji 20 500 EO, i větší) samonosné plastové kontejnery, betonové vodotěsné jímky lokální ČOV v decentralizovaných systémech mobilní typy ČOV nízkozatěžovaná aktivace vestavěná dosazovací nádrž ne vždy membránové ČOV Aktivace SBR ODP. VODA ODTAH A B C D E VZDUCH menší i větší zdroje znečištění časové oddělení procesů bez dosazovací nádrže, oddělená fáze sedimentace ve vlastní nádrži paralelní provoz několika nádrží 3
Oxidační příkop AR AS AR DN O VK P PK AR - aerátory nízká výška vodního sloupce velký záběr plochy pouze mechanická aerace Karuselová/oběhová aktivace i větší zdroje znečištění (X 000 X0 000 EO) vyšší výška vodního sloupce (3 5 m) lze i jiný typ aerace než mechanický Klasická (konvenční) aktivace Aktivace s regenerací P přítok, O odtok, AS - aktivační směs, VK - vratný aktivovaný kal, PK - přebytečný AK, AN - aktivační nádrž, DN - dosazovací nádrž R regenerace příklady aktivačních nádrží příklady regeneračních nádrží 4
Aktivace se selektorem/kontaktní zónou Dvoustupňová aktivace (AB Proces) P A DN1 O1 B DN2 O2 kompartmenty kontaktní zóna VK1 VK2 PK1 PK2 pro vyšší obsah organického znečištění vysoce zatížený 1. stupeň, dostatečná oxygenační kapacita Šachtová aktivace trubka v trubce vnější trubka Ø 2 10 m, h = 60 120 m, vnitřní trubka Ø 1 1,2 m cirkulace aktivační směsi dle schématu (1 2 m/s) hnací síla: rozdíl spec. hmotností ve vnitřní a vnější sekci nad přívodem provozního vzduchu (18 40 m) odplyňovací prostor (doba zdržení cca 20 30 min.) Výhody: malý prostor vysoké využití kyslíku ze vzduchu (85 90 %) Nevýhody: příp. rozrušování vloček tvorba pěny průnik vzduchu i do dosazovací nádrže 5