Zkušenosti z provozování postdenitrifikace založené na Biotechnologii lentikats na ČOV 4000 EO Mgr. Jan Mrákota, Ing. Alžběta Boušková Ph.D., Dr. Radek Stloukal Ph.D LentiKat s a.s., Budova ARGO, Evropská 846/176a, 160 00 Praha 6 ABSTRAKT Tématem článku je shrnutí poznatků z dlouhodobého provozu koncové denitrifikace založené na Biotechnologii lentikats, která je provozována na ČOV Baxter Bioscience s.r.o. Biotechnologie lentikats přináší v oblasti čištění odpadních vod nový přístup k intenzifikaci procesu nitrifikace a denitrifikace, a to pomocí čistých kultur nitrifikačních a denitrifikačních mikroorganismů zaimobilizovaných do pórovitého nosiče, tzv. Biokatalyzátoru lentikats. Článek shrnuje též provedené změny a technické úpravy zařízení pro proces separace biokatalyzátoru od vyčištěné odpadní vody, optimalizace poměrů pro dávkování substrátu v závislosti na vstupní koncentraci, dosahované výsledky z odstraňování dusíkatého znečištění i návrh nového samočistícího separačního zařízení, které bylo v tomto roce instalováno, uvedeno do provozu a optimalizováno. V další části článku jsou představeny snímky struktury matrice biokatalyzátoru a distribuce biomasy po ročním provozu biokatalyzátoru z téže aplikace, které byly pořízeny metodou konfokální mikroskopie. Navržené koncové dočištění přináší přidanou hodnotu ke klasické technologii čištění odpadních vod svými minimálními nároky na prostorové řešení, nízkými požadavky na vstupní energii pro provoz zařízení a hlavně dosažitelnost dlouhodobých odtokových koncentrací pod 5 mg/l N-NO3 s možností regulace výkonu biokatalyzátoru. KLÍČOVÁ SLOVA biokatalyzátor, denitrifikace, imobilizace, intenzifikace, průmyslové odpadní vody ÚVOD Jedním z hlavních problémů provozovatelů stávajících komunálních a průmyslových čistíren odpadních vod je stále se zpřísňující legislativa v oblasti emisních limitů tzv. nutrientů, tedy dusíku a fosforu. Oba prvky přispívají v povrchových vodách k rozvoji nepřirozené eutrofizace, která má za následek masové odumírání vodních organismů a ohrožení lidského zdraví. Bylo prokázáno, že předčištěné odpadní vody mohou tvořit až 32 % celkového zatížení povrchových vod dusíkem (Randall, 2003). Česká Republika následuje trend většiny vyspělých zemí a s vývojem nových účinných čistírenských technologií úměrně zvyšuje požadavky na kvalitu vypouštěné odpadní vody. Schopnost dosáhnout nízkých odtokových koncentrací dusíku je u komunálních čistíren limitována především nepříznivým poměrem jednotlivých nutrientů, který snižuje účinnost biologických metod čištění (Henze et al., 2002). U průmyslových odpadních vod k tomu navíc přispívají koncentrační i průtokové fluktuace v důsledku cyklických procesů ve výrobě, při kterých se vyprodukuje v krátké době vyšší množství vody, kterou je nutno čistit. Na tyto nárazové výkyvy v zatížení nedokáží běžně dostupné biologické systémy založené na suspenzní biomase pružně zareagovat dostatečně rychlým nárůstem potřebné biomasy, což způsobuje momentální překročení koncentračních limitů na odtoku z čistírny.
Provozními zkouškami bylo ověřeno, že na koncentrační fluktuace dusíkatého znečištění dokáží flexibilně reagovat nitrifikační a denitrifikační bakterie, které jsou do pevného nosiče imobilizovány ve formě čistých kultur, tzv. Biotechnologie lentikats. Tato biotechnologie je založena na unikátním způsobu uzavření čistých bakteriálních kultur do pórovitého nosiče z polyvinylalkoholu (PVA), vyznačujícího se vysokou fyzikálně-mechanickou stabilitou, ideálním tvarem pro difúzi dovnitř nosiče a snadnou oddělitelností od reakčního média (Vorlop and Jekel, 1998). Vysoké koncentrace čisté nitrifikační či denitrifikační biomasy uvnitř nosiče umožňují dosáhnout vysokých reakčních rychlostí s více jak 98% účinností odstranění amoniakálního nebo dusičnanového znečištění. V systému založeném na Biotechnologii lentikats se nachází minimum jiných mikroorganismů běžně se vyskytujících u klasických systémů se suspenzní či nárůstovou biomasou a nedochází tak u Biotechnologie lentikats ke zvýšeným nárokům na aeraci či dodávku organického substrátu. Biokatalyzátor lentikats je v systému zadržován pomocí samočistícího sítového separátoru, čímž je zajištěna stálá přítomnost biokatalyzátoru v systému a to bez ohledu na kolísavé zatížení. Hydrogelový nosič zároveň chrání imobilizovanou biomasu před negativními vlivy prostředí, čímž zvyšuje odolnost a stabilitu celého systému (Boušková et al., 2009; Trögl et al., 2011; Vacková et al., 2011). Tento progresivní způsob odstraňování dusíku z odpadní vody se vyznačuje výrazně menšími reakčními objemy, minimální produkcí kalu a snadným řízením a obsluhou. To vše přispívá k ekonomickým i ekologickým výhodám Biotechnologie lentikats v porovnání s ostatními dostupnými technologiemi na odstranění dusíku z odpadních vod (Čechovská et al., 2009). Příčinou kolísání dusičnanového zatížení na čistírně, kde je Biotechnologie lentikats provozována je pravidelná sterilizace výrobních zařízení kyselinou dusičnou. Původní opatření provedené na ČOV, za účelem eliminace fluktuací dusičnanů na odtoku v podobě dávkování externího organického substrátu nevedlo k požadovaným výsledkům. Cílem publikace je podrobné seznámení s řešením intenzifikace čistírny odpadních vod Baxter Bioscience s.r.o. pomocí Biotechnologie lentikats a s prvními celoprovozními zkušenostmi s aplikací této technologie v čistírenství. POPIS ŘEŠENÍ Čistírna odpadních vod (ČOV) Odpadní vody přiváděné na ČOV jsou z 15 % tvořeny splaškovými vodami a z 85 % vodami průmyslovými. Průmyslový proud nejdříve prochází neutralizační stanicí situovanou před ČOV a poté se spojuje se splaškovými vodami. Samotná ČOV je tvořena mechanickým předčištěním, biologickým stupněm čištění v uspořádání denitrifikace-nitrifikace s recirkulací vratného kalu a dosazovací nádrží. Po vyčištění na ČOV je odpadní voda vedena přes rybník do recipientu. Koncové dočištění Pro zvýšení celkové efektivity odstranění dusičnanového znečištění byla navržena instalace samostatného postdenitrifikačního bioreaktoru s náplní denitrifikačního Biokatalyzátoru lentikats a pískového filtru INTERFILT SK 18 k odstranění pevných nečistot dle obrázku 1. Jako denitrifikační nádrže bylo využito stávající nevyužívané kalové jímky o celkovém objemu 36m 3, která byla osazena hyperboloidním míchadlem INVENT a sítovým separátorem dle návrhu firmy LentiKats a.s.. Tím došlo k výraznému snížení rozsahu stavebních prácí a investičních nákladů. Stavební úpravy a instalaci pískového filtru provedla společnost Centroprojekt a.s., dodavatel původní ČOV. Do upravené nádrže bylo vloženo 5,4 tuny plně funkčního nakultivovaného Biokatalyzátoru lentikats s imobilizovaným denitrifikačním organismem Paracoccus denitrificans. Jako externí organický substrát je
využíván průmyslový přípravek Brenntaplus VP1 od společnosti Brenntag, který se vyznačuje vysokým obsahem biologicky snadno rozložitelných látek (1g CHSK ml -1 substrátu) a nemá zvláštní nároky na skladování a manipulaci. Do přítokové trubky před denitrifikační reaktor byl umístěn průtokoměr a dusičnanová sonda. Signál z obou zařízení je vyhodnocen řídicí jednotkou, na kterou je napojeno čerpadlo organického substrátu. Substrát je tak řízeně dávkován v množství přesně odpovídajícím aktuální potřebě. Vzhledem k rozsahu fluktuací dusičnanového zatížení lze takto výrazně ušetřit provozní náklady, související s nákupem substrátu a zároveň je zajištěno, že systém není substrátem předávkován a nedochází ke zhoršení v ukazatelích CHSK (BSK5) na odtoku z ČOV. Za denitrifikačním reaktorem je umístěna druhá dusičnanová sonda pro sledování účinnosti odstranění dusičnanového znečištění. Obrázek 1: Schématické znázornění řešení intenzifikace ČOV VÝSLEDKY Průběh zapracování a náběh systému S náběhem Biokatalyzátoru lentikats na požadované parametry bylo započato v lednu 2010. Byl proveden počáteční vsádkový test s reálnou odpadní vodou obohacenou o dusičnany s počáteční koncentraci 500 mg N-NO 3- l -1. Při průměrné teplotě 17 C došlo ke snížení koncentrace dusičnanů pod limitních 10 mg N-NO 3- l -1 během cca 50 hodin a Biokatalyzátor dosáhl potřebné aktivity po 1,5 týdnu provozu. Přechodem do kontinuálního režimu však došlo ke zjištění několika technologických nedostatků, které by mohly představovat riziko při dlouhodobém provozu. Byla proto provedena dodatečná opatření jak v samotném reaktoru Biotechnologie lentikats, tak v původní lince ČOV. Do reaktoru bylo umístěno ultrazvukové hladinové čidlo a bylo instalováno bezpečnostní přepadové potrubí před denitrifikační nádrží Lentikats pro případ poruchy na hladinovém čidle. Dále byly provedeny povrchové úpravy na separačním zařízení a úpravy v řídicím systému. V červenci 2010 byl systém znovu uveden do kontinuálního režimu a proveden 42hodinový zátěžový test, jehož průběh je znázorněn na Grafu 1. V průběhu testu byl do odpadní vody dávkován NaNO 3 pro simulaci koncentrační vlny v rozsahu cca 15 60 mg N- NO 3- l -1. Průměrná teplota odpadní vody dosahovala hodnoty cca 18 C a aktuální průtok reaktorem byl 3,1 l s -1. Jak je z grafu patrné, na odtoku z reaktoru Biotechnologie lentikats bylo po celou dobu testu dosahováno koncentrace < 2 mg N-NO 3- l -1. I přes značné kolísání v nátokové koncentraci dusičnanů, Biotechnologie lentikats stabilně dosahuje odtokové koncentrace < 5 mg N-NO 3- l -1 a čistírna tak splňuje podmínky vodoprávního rozhodnutí.
c (N-NO3 - ) přítok na BL, mg/l c (N-NO3 - ) odtok z BL, mg/l 70 60 c (N-NO3-) přítok na BL c (N-NO3-) odtok z BL 7 6 50 5 40 4 30 3 20 2 10 1 0 0 14:30 18:00 21:00 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 čas, hod 20:00 0:00 4:00 8:00 9:00 Graf 1: Průběh zátěžového testu Separace Původní návrh separátoru zadržujícího Biokatalyzátor lentikats uvnitř reaktoru byl formou vyjímatelných rámů se sítem z nerezového plechu s průměrem děr 1mm. Z důvodu snazší obsluhy a čištění byla tato varianta vyměněna za rámy s ponornými koši z děrovaného nerezového plechu tloušťky 1mm s průměrem děr 1mm a relativní volnou plochou otvorů 32,7 %. Po uvedení systému do kontinuálního režimu byla po cca 4 týdnech provozování zaznamenána snížená propustnost tohoto separátoru. Docházelo k pokrývání separační plochy vrstvou slizovitého biofilmu, tvořenou zřejmě extracelulárními biopolymery (ECP), které vznikají v důsledku mikrobiálního metabolismu. Proto bylo přistoupeno k pokrytí separační plochy vrstvou teflonu typu 1010. Toto opatření sice tvorbu filmu zpomalilo, nicméně průchodnost separátorů vyžadovala průběžnou kontrolu a provádění pravidelného čištění přibližně jedenkrát za týden. Byla též diskutována souvislost produkce ECP s typem používaného substrátu. Testování jiného substrátu však nepřineslo požadované snížení tvorby ECP. Přistoupilo se tedy k vývoji nového separačního řešení, které pracuje automaticky, je samočistitelné, nevyžaduje častou údržbu a spotřebovává minimum energií na provoz. Zhotovení separátoru zajistila společnost Progress Moravia s.r.o. (Obr. 2). Separátor se skládá z nepohyblivého válce o rozměrech 100cm výšky a průměrem 550 cm a průměru děr 1mm. Vnější strana pláště perforovaného válce je stírána trojicí rotujících mechanických kartáčů v úhlu 120. Kartáče jsou poháněny motorem o výkonu 0,18 kw. Současně s kartáči se otáčí také lišta osazená tryskami, které z vnitřní strany očišťují separační plochu tlakovou vodou dodávanou kalovým čerpadlem z jímky vyčištěné vody za pískovým filtrem. Čištění separátoru neprobíhá stále, ale je sepnuto pouze v případě, když je snížena hydraulická propustnost do té míry, že začne stoupat hladina v postdenitrifikační nádrži. Zvýšení hladiny je detekováno hladinovým čidlem. Na základě signálu z hladinového čidla řídicí systém sepne spínač pro zahájení čištění separační plochy. Čištění probíhá, dokud nedojde k poklesu hladiny, kdy je automaticky vypnuto. K čištění dochází cca jedenkrát za hodinu a trvá přibližně 5 min. Separátor je dimenzován na hydraulickou zátěž 9 l s -1.
Obrázek 2: Řešení separačního zařízení DISTRIBUCE BIOMASY V MATRICI BIOKATALYZÁTORU V případě buněk imobilizovaných dovnitř pevných či gelových nosičů je difúze substrátu a živin určujícím faktorem pro distribuci buněk v nosiči. Způsobu růstu a množení imobilizovaných buněk se věnuje mnoho publikací, (např. Saucedo et al., Walsh et al., Wolfberg et al.) Dle jejich závěrů dochází v důsledku omezené difúze k nerovnoměrnému růstu kolonií a jejich rozmístění po objemu nosiče. Kolonie narostlé ve svrchních částech dosahují větších rozměrů v důsledku vyšší koncentrace substrátu než buňky a kolonie uvnitř. S rozvojem kolonií ve svrchních částech nosiče může docházet k dalšímu omezení difúze až úplnému zastavení růstu a množení uvnitř nosiče. Analýza Biokatalyzátoru lentikats pomocí konfokální mikroskopie (Olympus Fluoview 500, Japonsko, 40násobné zvětšení) dokázala, že díky specifickému tvaru nosiče a vhodné velikosti pórů není transport živin či kyslíku do středních částí pelety omezen a bakterie tvoří rovnoměrné kolonie po celém prostoru nosiče. Matrice denitrifikačního biokatalyzátoru s koloniemi Paraccocus denitrificans byla snímána v jednotlivých řezech o tloušťce 23μm a analyzována v různých hloubkách pod povrchem biokatalyzátoru. Analýza potvrdila předpoklad nárůstu kolonií ve vnitřní struktuře matrice a limitovaný výskyt kolonií zanořených do povrchu biokatalyzátoru, které by potenciálně zabraňovaly difúzi látek do vnitřních částí pelety. Biokatalyzátor byl analyzován jak u geometrického okraje (Obr 3a), tak u geometrického středu matrice (Obr.3b). Dále byl porovnáván čerstvě vyrobený denitrifikační Biokatalyzátor (Obr.3b) s peletami z dlouhodobě (~ 1 rok) běžící celoprovozní aplikace na čistírně Baxter Bioscience s.r.o. (Obr.3c). Snímky ukazují, že v průběhu času nedochází k zásadním změnám distribuce biomasy v matrici, pouze se mění velikost kolonií v závislosti na látkovém zatížení biokatalyzátoru. Obrázek 3a Obrázek 3b Obrázek 3c
ZÁVĚRY Zátěžový test provedený dle požadavků zákazníka prokázal plnění odtokových limitů i při vysokém vstupním zatížení. Během provozu bylo zapotřebí provést konstrukční změny v separačním zařízení, aby byl eliminován negativní vliv ECP na snižování hydraulické propustnosti separátoru. Pokrytí separační plochy teflonovou vrstvou se dlouhodobě neosvědčilo. Bylo navrženo nové, samočistitelné separační zařízení, čímž se podařilo zajistit dlouhodobou hydraulickou propustnost a provozovatelnost denitrifikačního reaktoru s minimálními nároky na údržbu zařízení. Biokatalyzátor z této aplikace byl analyzován metodou konfokální mikroskopie a srovnáván se vzorkem vyrobeného biokatalyzátoru po kultivaci. Analýza potvrdila rovnoměrnou distribuci kolonií narostlých uvnitř matrice před i po zatížení v reálném provoze. Předmětem dalšího výzkumu jsou testování možností nitritace a selektivních biodegradací látek v odpadních vodách. Literatura Boušková, A., Mrákota, J., Stloukal, R., Trögl, T., Lederer, T. (2009) Application of Lentikats Biotechnology in industrial wastewater treatment. Sborník konference IWA Water & Industry 2009, 30.11. 2.12.2009, Palmerston North, New Zealand Čechovská, L.; Boušková A.; Norek M.; Stloukal R.; Mrákota J.; Batěk J.(2009). Intenzifikace klasických biologických čistíren odpadních vod Biotechnologií lentikats. Vodní hospodářství, 7, str. Henze, M., Harremoës, P., la Cour Jansen, J., Arvin, E. (2002). Wastewater Treatment Biological and Chemical Processes. Third edition. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York. Nava Saucedo, J., Audras, B., Jan, S., Bazinet, C.-E. and Barbotin, J.-N. (1994). Factors affecting densities, distribution and growth patterns of cells inside immobilization supports. FEMS Microbiology Reviews, Vol. 14: 93 98. Randall, C. W. (2003). Potential societal and economic impacts of wastewater nutrient removal and recycling.wat. Sci. Tech., 48 (1), str. 11-17 Trögl, J., Mrákota, J., Boušková, A., Kříženecká, S., Pilařová, V., Krudencová, J., Měchurová, J., Stloukal, R. (2011). Removal of Nitrates from Simulated Ion-Exchange Brines with Paracoccus denitrificans encapsulated in Lentikats. Desalination. Accepted for publication. Vacková, L., Srb, M., Stloukal, R., Wanner, J. (2011). Comparison of denitrification at low temperature using encapsulated Paracoccus denitrificans, Pseudomonas fluorescens and mixed culture. Biores. Tech., 102 (7), str. 4661-4666. Vorlop, K.-D., Jekel, M. (1998). Process for preparing a biocatalyst with a polyvinyl alcohol gel and biocatalyst produced by this process. Německý patent DE 198 27 552 C1 Walsh P. K., Malone D. M. (1995). Cell growth patterns in immobilization matrices, Biotech adv., Vol. 13: 13-43. Wolfberg, A., Sheintuch, M. (1993). Density distribution of growing immobilized cells. Chem. Eng. Sci., Vol. 48(23): 3937-3944. Poděkování Baxter Bioscience s.r.o., Centroprojekt a.s., Progress Moravia s.r.o.