Produkce organického substrátu fermentací čistírenských kalů s možností minimalizace N amon pomocí zeolitů Jana Vondrysová 1, Pavel Jeníček 1, Eva Pokorná 1, Emilie Lacaze 2 1 Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav technologie vody a prostředí 2 University of Limoges, National Engineering School of Limoges, Department Water and Environment, France Keywords: Fermentace čistírenských kalů, CHSK, amoniakální dusík, zeolit, denitrifikace, odstraňování nutrientů Abstrakt Organický substrát limituje účinnost denitrifikace na většině městských čistíren odpadních vod, což je nepříjemné zvláště v tzv. citlivých oblastech. Řešením může být dávkování externího substrátu, které však s sebou nese výrazné zvýšení provozních nákladů. Alternativní řešením může být produkce substrátu z interních zdrojů z kalů vznikajících pří čištění odpadních vod. V naší práci se zabýváme hodnocením fermentace z hlediska druhu použitého čistírenského kalu, doby a teploty fermentace a možností odstranit uvolňovaný amoniakální dusík sorpcí na zeolit. Průběh fermentace je hodnocen podle nárůstu rozpuštěných organických látek (CHSK) a koncentrace amoniakálního dusíku ve fugátu. Jsou porovnávány hodnoty z fermentace primárního, surového, zahuštěného přebytečného aktivovaného kalu z pražské ÚČOV. Úvod Dusík se nejčastěji odstraňuje z odpadních vod biologickou oxidací amoniakálního dusíku na dusitany a dusičnany (nitrifikace) a posléze v anoxických podmínkách biologickou redukcí na plynný dusík (denitrifikace). Odstraňování dusíkatého znečištění je v současnosti závažným problémem na mnoha ČOV. Jedná se zejména o problémy s nedostatečnou účinností nitrifikace a/nebo denitrifikace. Zatímco v případě nitrifikace bývá příčinou nízká růstová rychlost nitrifikantů, účinnost denitrifikace je limitována především přítomností dostatečného množství snadno rozložitelného organického substrátu. Fermentace Nižší mastné kyseliny (NMK), případně jiné nízkouhlíkaté snadno rozložitelné látky jsou hlavním substrátem jak pro denitrifikanty tak pro poly-p bakterie, které spotřebovávají NMK během anaerobní fáze. Bylo zjištěno, že přidání NMK obsažených ve fermentovaném primárním kalu nebo surovém primárního kalu do anaerobního nebo anoxického stupně aktivace může mít užitečný efekt na odstraňování nutrientů (Lie a Welander, 1997, Battistoni a Fava, 1995). Pokud má odpadní voda přitékající na ČOV nízký poměr mezi CHSK a nutrienty pro jejich efektivní odstranění biologickým způsobem, může být zvýšen přídavkem externího substrátu např. methanol, acetát, nebo může být produkován přímo na ČOV fermentací primárního kalu. Navíc, při použití produktů fermentace se dosahuje vyšší denitrifikační rychlosti než se syntetickými substráty (Moser-Engeler a kol., 1998). Při hydrolýze jsou pomocí extracelulárních hydrolytických enzymů rozkládány makromolekulární rozpuštěné i nerozpuštěné organické látky (polysacharidy, lipidy, proteiny) na nízkomolekulární látky rozpustné ve vodě. Produkty hydrolýzy jsou během acidogeneze dále rozkládány na jednoduché organické látky, hlavně kyseliny, alkoholy, CO 2 a H 2 (Chudoba a kol., 1991). Typická biologická fermentační reakce dusíkaté látky je např. rozklad alaninu (rovnice 1) (Randall a kol., 1992): CH 3 -CHNH 2 -COOH CH 3 -CO-COOH + NH 3 CH 3 -COOH + CO 2 + NH 3 (1)
Tabulka 9: Závislost množství amoniakálního dusíku zachyceného na zeolitu v procentech na čase v termofilních podmínkách (AKp - zahuštěný přebytečný aktivovaný kal, Sur - surový kal, Prim - primární kal, 25% - přídavek zeolitu na odstranění 25 % uvolněného N amon, 50% - přídavek zeolitu na odstranění 50 % uvolněného N amon ) čas (dny) AKp25% AKp50% Prim25% Prim50% Sur25% Sur50% 0 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0,97 60% 78% 49% 72% 68% 83% 1,98 58% 78% 48% 71% 67% 85% 3,03 60% 78% 53% 76% 69% 86% 4,01 60% 83% 51% 53% 67% 85% 6,97 55% 88% 45% 69% 67% 86% Závěr Kvalitu produkovaného substrátu lze ovlivnit výběrem použitého kalu, dobou fermentace, teplotou fermentace, rovněž lze kvalitu substrátu ovlivnit přídavkem zeolitu. Jako optimální z hlediska kvality produkce substrátu se jeví fermentace v mezofilních podmínkách. Bylo zjištěno, že k nejvyššímu navázání N amon došlo při fermentaci v mezofilních podmínkách, a to u přebytečného zahuštěného aktivovaného kalu, kdy dávce 25 %, resp. 50 % zeolitu došlo k navázání 95 %, resp. 98 % uvolněného N amon oproti fermentaci bez zeolitu. Rovněž nejvyšší poměr CHSK/N amon byl zaznamenán v mezofilních podmínkách u přebytečného zahuštěného aktivovaného kalu. Lze říci, že přídavek zeolitu na počátku fermentace zlepšuje poměr CHSK/N amon. Obvyklé množství uvolněného organického dusíku 0,02 0,10 g/g (N amon, CHSK) lze použitím zeolitu snížit na 0,01 0,05 g/g (N amon, CHSK) při přídavku 25 % zeolitu resp. na 0,01 0,02 g/g (N amon, CHSK) při použití 50 % přídavku zeolitu v mezofilních podmínkách. Acknowledgment This study was supported by EU project FP6-018525 - REMOVALS and by The Czech Ministry of Education, Youth and Sports, project MSM60461373 Seznam literatury Battistoni P., Fava G. (1995): Fish processing wastewater: production of internal carbon source for enhanced biological nitrogen removal, Wat. Sci. Techol., 32, 9-10, 293-302 Brinch P.P., Rindel K., Kalb K. (1994): Upgrading to nutrientremoval by means of internal carbon from sludge hydrolysis, Wat. Sci. Tech., 29, 12,31-40 Chanona J., Ribes J., Seco A., Ferrer J. (2006): Optimum design and operation of primary sludge fermentation schemes for volatile fatty acids prodction, Wat. Res., 40, 1, 53-60 Lie E., Welander T. (1997): A method for determination of readily fermentable organic fraction in municipal wastewater, Wat. Res., 31, 6, 1269-1274 Moser-Engeler R., Udert K. M., Wild D., Siegrist H. (1998): Products from primary sludge fermentation and their suitability for nutrient removal, Wat. Sci. Techol., 38, 1, 265-273 Pokorná E., Jeníček P., Torró M.T.(2006): Vliv technologických parametrů na mechanismus a účinnost odstranění nutrientů z kalové vody ve filtru se zeolitovou náplní, Sborník Kaly a odpady 2006, 19.-21.6. 2006, Brno Zamarský V., Kudělásková M., Slivka V. (1990): Mineralogie a petrografie. Vysoká škola báňská, Ostrava Zhou C.F., Zhu J.H. (2005): Adsorption of nitrosamines in acidic solution by zeolites, Chemosphere, 58, 109-114.