FUNKČNÍ VZOREK SEPARÁTORU NA ODDĚLENÍ BIOKATALYZÁTORU LENTIKATS OD KAPALNÉ FÁZE V RÁMCI KONTEJNEROVÉ TECHNOLOGIE ČIŠTĚNÍ PRŮMYSLOVÝCH ODPADNÍCH VOD AUTOŘI: Radek Stloukal, Jan Mrákota, Josef Smrčka, Jarmila Watzková LentiKat s a.s. Pod Vinicí 83, 471 27 Stráž pod Ralskem (CZ) Tel.: +420 255 710 680, Fax: +420 255 710 699 E-mail: info@lentikats.eu, Web: www.lentikats.eu Tento funkční vzorek vznikl za finanční podpory projektu Kontejnerová technologie pro čištění průmyslových odpadních vod (č. projektu FR-TI4/254) z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky v rámci programu TIP.
Číslo výsledku: Kontejner-2016-01 Garant výsledku: Ing. Radek Stloukal, Ph.D. Jazyk výsledku: CZE čeština Hlavní obor: EI Biovědy / Biotechnologie a bionika Rok uplatnění výsledku: 2016 Abstrakt výsledku česky: Předmětem prezentovaného funkčního vzorku je separátor na oddělení částice Biokatalyzátoru lentikats od kapalné fáze v rámci kontejnerové technologie využívající imobilizované nitritační a deamonifikační bakterie k čištění průmyslových odpadních vod. Klíčová slova výsledku česky: Biokatalyzátor lentikats, imobilizace, separace, kontejnerová technologie, odpadní voda Název výsledku anglicky: Separator of Lentikats Biocatalysts particles from liquids in design of container technology for industrial wastewater treatment Abstrakt výsledku anglicky: Subject of the presented functional sample is separator of Lentikats Biocatalyst from liquids in design of container technology for treatment of waste water, namely using immobilized nitritation and deamonification bacteria. Klíčová slova výsledku anglicky: Lentikats Biocatalyst, immobilization, separator, container technology, wastewater 2
Vlastník výsledku: LentiKat s a.s. Pod Vinicí 83, 471 27 Stráž pod Ralskem Tel.: +420 255 710 680 Fax: +420 255 710 699 E-mail: info@lentikats.eu Web: www.lentikats.eu IČ vlastníka výsledku: 27447618 DIČ vlastníka výsledku: CZ27447618 Lokalizace: LentiKat s a.s. Středisko výzkumu a vývoje INBIT LentiKat s (laboratoře), Kamenice 34, 625 00 Brno Stát: CZ Česká republika Využití výsledku jiným subjektem: Licenční poplatky: N: využití výsledku jiným subjektem je možné bez nabytí licence N: poskytovatel licence na výsledek nepožaduje licenční poplatek Technické parametry: Ekonomické parametry: Optimalizovaný tvar a velikost sítového separátoru, vč. optimalizované velikosti, tvaru a náklonu uklidňovací stěny, určeného k separaci pevných částic (Biokatalyzátoru lentikats s imobilizovanými bakteriemi) od kapalného média, resp. čištěné odpadní vody, v rámci kontejnerové technologie čištění průmyslových odpadních vod. Optimalizovaný tvar sítového separátoru obsahující uklidňovací element/stěnu nebo trubku přináší výrazné snížení provozních i investičních nákladů, spojených s kontinuální technologií čištění odpadních vod, zejména pak menší nutnou filtrační plochu sítového separátoru a menší nároky na mechanicko-vodní čištění síta sítového separátoru. Předpokládaná úspora se pohybuje v řádu několika jednotek až desítek tisíc korun v závislosti na velikosti a kapacitě jednotky, resp. průtoku odpadní vody. Kategorie výsledku podle nákladů na jeho dosažení: A (do 5 mil. Kč) 3
PODSTATA TECHNICKÉHO ŘEŠENÍ Technické řešení designu sítového separátoru a jeho umístění v hranaté či kulaté nádrži v rámci kontejnerové technologie slouží na snížení nutné filtrační plochy sítového separátoru, přičemž zároveň dochází ke snížení provozních nákladů spojených s mechanicko-vodním čištěním síta separátoru. Zařízení slouží na separaci Biokatalyzátoru lentikats s imobilizovanými nitritačními a deamonifikačními bakteriemi od kapalné fáze, resp. odpadní vody. Pro každý geometrický tvar nádrže lze na základě klíčových geometrických parametrů navrhnout sítový separátor obsahující uklidňovací element ve tvaru stěny či trubky. Optimalizovaný funkční vzorek sítového separátoru tedy obsahuje vlastní rotační sítový separátor, který je mechanicky zvenčí stírán kartáči a zevnitř je instalován systém ostřiku vodním paprskem pomocí na rozvodné trubce umístěných trysek. Velikost, hrubost kartáčů a vzdálenost trysek od stěny sítového separátoru je volitelná dle typu odpadní vody a požadovaného jmenovitého průtoku odpadní vody skrz separátor. Hlavní výhodou technického řešení je však umístění, tvar a sklon uklidňovací stěny, která tak vytváří tzv. štěrbinovou nornou stěnu, za kterou je umístěn vlastní rotační sítový separátor. Sítový separátor je ponořen v provozním médiu (odpadní voda). Dále pak byla také provedena optimalizace výkonu separátoru a optimalizována jeho velikost. Uvedenými kroky bylo docíleno zvýšení bezpečnosti technického řešení separace Biokatalyzátoru lentikats od provozního média a současně zajištěn bezobslužný a spolehlivý provoz při současném snížení potřebné filtrační plochy ve srovnání se systémem separace bez uklidňovacího systému. Pro aplikace Biokatalyzátoru lentikats v průmyslovém měřítku byly doposud využívány zejména otevřené válcové separátory s pláštěm z děrovaného nerezového plechu s děrami o Ø 1 mm, z vnější strany stírané mechanicky kartáči a z vnitřní strany ostřikované vodou systémem trysek. Pro nově navrhované řešení však mohou být využity separátory s děrami o Ø 1,5 mm, stírané z vnější i vnitřní strany. Toto řešení představuje značné zjednodušení separátoru a současně snížení provozních nákladů. POPIS FUNKČNÍHO VZORKU Předkládaný funkční vzorek separátoru Biokatalyzátoru lentikats je určen zejména pro nekruhové nádrže kontejnerového typu. Jako optimální pro umístění systému využívajícího uklidňovací systém předřazený síťovému separátoru byl zvolen roh nádrže ve tvaru krychle. Separační systém se stává ze síťového separátoru, určeného k separaci Biokatalyzátoru 4
lentikats od provozního média, štěrbinové norné stěny, určené k odstínění síťového separátoru, deflektoru, určený k ochraně separační zóny a rohové výplně, která umocní dokonalé promíchávání v celém objemu nádrže (Obr. 1). Obr. 1: Řešení separace Biokatalyzátoru lentikats v kontejnerovém uspořádání: vlevo pohled na umístění síťového separátoru za štěrbinovou nornou stěnou, vpravo pohled na umístění deflektoru a rohové výplně Optimalizace uklidňovacího systému předřazeného síťovému separátoru byla provedena na modelové nádrži o rozměrech 400 400 400 mm, ve kterém byl tento systém instalován v podobě štěrbiny umístěné v rohu (Obr. 2). V rámci optimalizace byla testována různá hydraulická zatížení separátoru s uklidňovacím systémem volbou různých průtoků vody systémem. Bylo sledováno, při jaké hodnotě průtoku, hydraulickém zatížení reaktorů, se Biokatalyzátor lentikats nedostává k sítovému separátoru. Zároveň bylo provedeno ověření intenzity míchání a způsobu aerace ve čtvercové nádrži tak, aby byl Biokatalyzátor lentikats všechen ve vznosu. Pro míchání bylo použito hyperboloidní míchadlo INVENT (Centroprojekt a.s., CZ). 5
Obr. 2: Aerovaná, míchaná nádrž ve tvaru krychle s uklidňovací částí a síťovým separátorem: A/ bez Biokatalyzátoru lentikats, B/ s Biokatalyzátorem lentikats Modelové podmínky na hydraulické zatížení separátoru, v rámci ověřování testovacího modelu byly voleny mnohem náročnější, než jaké lze očekávat ve skutečné realizaci (v reaktorech o objemu v řádu několika desítek litrů). V reálných podmínkách lze očekávat mnohem menší objemová plnění Biokatalyzátorem lentikats, menší intensity míchání průmyslovými typy diskových míchadel INVENT a také mírnější podmínky aerace a tím eliminaci vlivu bublin, v porovnání s testováním v malém modelu. Štěrbinová norná stěna by měla být volena tak, aby odpovídala rychlosti ve štěrbině (10 mm/sec.), oproti sedimentační rychlosti (15 mm/sec.). Pod separátor je pak nutno umístit rohovou výplň, která vymezí prostor bez aerace. Horní štěrbinu, tj. prostor mezi separátorem a štěrbinovou nornou stěnou, volíme ve velikosti, která odpovídá rychlosti kolem separátoru (5 mm/sec.). Takto zvolená rychlost nám zabezpečí to, že Biokatalyzátor lentikats se k separátoru nedostane. Tímto krokem současně zajistíme také to, že nedojde k sedimentaci případného volného kalu a suspendovaných látek obsažených v reálné odpadní vodě kalu kolem separátoru, ale naopak k jeho volnému průchodu sítem separátoru. Optimalizovaný uklidňovací systém předřazený síťovému separátoru byl ověřen, na modelové nádrži o rozměrech 400 400 400 mm, za použití Biokatalyzátoru lentikats s imobilizovanými nitritačními bakteriemi (Obr. 3). Počáteční množství Biokatalyzátoru lentikats v nitritačním reaktoru o objemu 64 litrů bylo 6 kg (cca 10% plnění). Do modelu bylo po celou dobu přiváděno kultivační médium s přídavkem amoniakálního dusíku ve 6
formě (NH 4 ) 2 SO 4. Pravidelně 1-2krát denně byly měřeny koncentrace N-NH + 4, N-NO - 2, průtok a odečítány hodnoty ph, rozpuštěného kyslíku a teploty. Pro kontrolu nitritace/nitrifikace byly také nepravidelně analyzovány koncentrace N-NO - 3. Hodnota ph byla upravována pomocí sond spuštěných do reaktoru shora na hodnotu cca 7,5-7,8. Teplota v reaktoru byla udržována na 30 C. Průměrná rychlost odstraňování N-NH + 4 byla téměř 74 mg N-NH + 4 /kg BL h a účinnost 78 %. S využitím uklidňovacího systému předřazenému síťovému separátoru, instalovaného v rohu nádrže ve tvaru krychle, byl zajištěn stabilní kontinuální provoz modelu, stejně tak i stabilní aktivita imobilizovaných nitritačních bakterií i za podmínek vyššího zatížení systému a vyšších provozních koncentrací N-NO - 2. Obr. 3: Aerovaný, míchananý model v kontinuálním uspořádání v nádrži ve tvaru krychle: A/ uspořádání modelu, B/ uklidňovací část a síťový separátor V rámci reálné aplikace je nutné vždy zvážit veškeré související faktory, jako je např.: tvar (velikost) nádrže, umístění separace v nádrži, vyřešení tvaru štěrbinové norné stěny vzhledem k řešení míchání nádrže, případné fluktuace průtoku a jeho maximální možné hodnoty, kolísavost výšky hladiny v nádrži a její účinná regulace, míru čistoty odpadní vody (nebezpečí zarůstání děr separátoru), provozní podmínky, možnosti obsluhy a údržby zařízení atd. 7
PŘÍKLAD EKONOMICKÉHO PŘÍNOSU Přínos aplikace uklidňovacího systému předřazenému síťovému separátoru v reaktoru je dán především zvýšenou bezpečností technického řešení separace Biokatalyzátoru lentikats od provozního média a současně zajištěním bezobslužného a spolehlivého provozu. Pro aplikace Biokatalyzátoru lentikats v průmyslovém měřítku byly doposud využívány otevřené válcové separátory s děrovaným pláštěm s děrami o Ø 1 mm, z vnější strany stírané a z vnitřní strany ostřikované. Pro nově navrhované řešení však mohou být využity separátory s děrami o Ø 1,5 mm, stírané z vnější i vnitřní strany. Toto řešení představuje značné zjednodušení separátoru a současně výrazné snížení provozních nákladů. POPIS NOVOSTI FUNKČNÍHO VZORKU Klasické sítové separátory použité na čistírnách odpadních vod na separaci pevných částic, velikosti a tvaru Biokatalyzátoru lentikats (průměr 3-8 mm, tloušťka 0,25-0,4 mm) či jiných sférických částic, používá děrovaný plech se světlostí k 1 mm. Design separace, separátoru je navrhován buď ve statickém uspořádání (pevně uchycený separátor válcového, krychlového nebo kvádrového tvaru s potřebnou filtrační plochou, bez jakéhokoli automatického čištění) nebo jako rotační válec s mechanickým automatickým otěrem kartáči venkovního povrhu a s vodním ostřikem z vnitřní strany systémem trysek. Design separátoru ve statickém uspořádání má propustnost pro odpadní vodu okolo 17 m 3 na 1m 2, přičemž rotační design s automatickým stíráním povrch a ostřikem zevnitř má propustnost okolo 37 m 3 na 1m 2. Instalací uklidňovací (deflektorové) stěny a v případě aerobních/oxických procesů také vymezovací výplně (dle Obr. 1) dojde ke zvýšení propustnosti separátoru na hodnotu okolo 57 m 3 na 1m 2 filtrační plochy, což je 3,3-krát násobně více ve srovnání se statickým designem separátoru a 1,5 násobek propustnosti designu rotačního. Z optimalizovaných hodnot propustností je zcela zřejmá úspora investičních nákladů na separaci. Instalace uklidňovací stěny přináší i úsporu provozních nákladů spojených s nutností čištění separátorů. 8