Technologie pro recyklaci vody

Typ procesu

Biologické procesy

Skupina technologií

Biofilmové reaktory

Název procesu

Aerobní biofilm na plovoucích nosičích (MBBR)

Popis technologie

Biologická oxidace především biologicky rozložitelných organických látek a redukovaných forem dusíku (N_amon ) prostřednictvím směsné kultury mikroorganismů (bakterie, houby, prvoci atd.) narůstajících na povrchu plovoucích plastových nosičů biomasy. Oxidace N_amon  probíhá v procesu nitrifikace. V prostředí aktivace se oxidují i další redukované polutanty. Např. sulfidy se oxidují na sírany.

Proces probíhá za přístupu vzduchu, typické koncentrace rozpuštěného kyslíku se pohybují mezi 0,5 a 2 mg/l. Vyšší koncentrace kyslíku (do 2 mg/l) je nutná, pokud je požadována účinná oxidace N_amon . Pokud je hlavním cílem odstranit N, je proces primárně řízen na základě požadované účinnosti odstranění N.

Odstranění N-NO₃^-  probíhá v procesu denitrifikace. Protože je nutná současná oxidace organických látek na CO₂ (heterotrofní proces), předřazuje se denitrifikace před nitrifikaci (D-N systémy), nebo se dávkuje organický substrát do denitrifikační zóny (postdenitrifikace). U D-N systémů je nutná recirkulace aktivační směsi s dusičnany, které vznikají v následné aerobní zóně (interní recykl). Částečnou recyklaci dusičnanů zajišťuje i proud vratného kalu. U postdenitrifikace se organický substrát dodává rozdělením přívodu vstupní vody mezi jednotlivé zóny nebo se dodává externí substrát (methanol, ethanol ad.). Střídání aerobních (nitrifikace) a anoxických (denitrifikace) podmínek lze dosáhnout i střídavým zapínáním/vypínáním aerace v čase, popř. kontrolovaným řízením koncentrace rozpuštěného kyslíku tak, aby mohly oba procesy probíhat simultánně (t.j. denitrifikace probíhá v anoxických jádrech vloček aktivovaného kalu).

Proces vždy vyžaduje separační stupeň pro zajištění retence aktivovaného kalu, typicky usazovací nádrž.

Aktuálnost

stávající high-tech

Vhodné pro srážkové vody

Ne

Typické reaktory a jejich uspořádání

Nejčastěji směšovací reaktory míchané aerací (nitrifikace) nebo mechanickými míchadly (denitrifikace), ale může být použit i postupný tok realizovaný sérií směšovacích reaktorů.

Lze realizovat i v režimu SBR.

Plovoucí nosiče je třeba míchat mechanickými míchadly nebo hrubobublinnou aerací.

Hlavní systémy uspořádání jsou:

1) D-N systém s interním recyklem

2) Dvoukalový systém, tj. nitrifikační reaktor má vlastní dosazovací nádrž stejně jako post-denitrifikační reaktor. Do post-denitrifikace se dávkuje externí substrát.

3) MBBR Bardenpho, t.j. kaskádový jednokalový proces v uspořádání např. D-N-D-N s interním recyklem z 1. aerobního stupně.

4) Pos-denitrifikační reaktor jako terciální stupeň čištění

Typické schéma

Cílené znečištění

Organické látky (ChSK_Cr, BSK₅)

N_celk. (podle uspořádání reaktorů)

Typické koncentrace cílového znečištění

_ChSKCr: 100 - 1500 mg/l

_BSK5: do 1000 mg/l

N_amon : do 100 mg/l, možné i v g/l

Organické látky i N_amon se mohou vyskytovat i v podstatně vyšších koncentracích, pokud čištění probíhá v ideálně míchaném reaktoru. Limitem pak je především poměr ChSK : RAS , popř. N_amon : RAS. RAS ve vlastním reaktoru nesmějí přesáhnout inhibiční koncentrace (desítky g/l).

Kritické parametry

Aerobní proces je limitován množstvím kyslíku, které je možno dodat do aktivační směsi. Maximální dosažitelné objemové zatížení při použití nejpokročilejších aeračních zařízení dosahuje cca 1,6 kg/m³/d.

Objemové zatížení:

_BSK5: 0,1 - 1 (1,6) kg/m³/d

N_amon : do 0,2 kg/m³/d

hydraulická doba zdržení 

Nízkozatížené systémy: 24 - 72 h

Středně zatížené systémy: 4 - 12 h

Vysoce zatížené systémy: 1 - 2 h

Důležitý je dostatek dobře rozložitelného substrátu pro denitrifikaci, obecně se vyžaduje alespoň 4 g BSK ₅/g N (teoretický poměr je 2,86 g BSK₅/g N-NO₃^-).

Plošné zatížení biofilmu/nosičů:

org. látky (BSK₅): 15 - 20 g/m²/d

nitrifikace : 0,4 - 1,4 g/m²/d

post-denitrifikace: 1 - 2 g/m²/d

Inhibiční vlivy

Obecně toxické látky, např. těžké kovy řádově v desetinách mg/l.

pH je potřeba udržovat v rozmezí 7,0 - 8,0

RAS inhibují proces v koncentracích vyšších než cca 10 g/l.

Další relevantní parametry

Obecně rychlost biologických procesů se snižuje s teplotou. Teplota pod 12 °C je považována za nedostatečnou pro nitrifikaci, oxidace organických látek probíhá běžně do 5 °C.

Teplota nad 25 °C je problematická vzhledem k nízké rozpustnosti kyslíku ve vodě.

Pro růst bakterií aktivovaného kalu je vyžadováno 0,09 - 0,12 g N/g NL_zž a 0,01 - 0,03 g P/g NL_zž . V aktivaci se dá očekávat v rámci inkorporace do biomasy odstranění cca 0,07 - 0,13 g N/g ChSK  a 0,10 - 0,15 g P/g ChSK . Požadavky na nutrienty klesají s rostoucím stářím kalu.

Dosažitelné koncentrace cílového znečištění

_{ChSK Cr}: v desítkách mg/l (u velmi nízko zatížených systémů i jednotky mg/l)

_BSK5: v jednotkách mg/l

N_amon : v jednotkách mg/l

N_celk. : 5 - 10 mg/l (u postdenitrifikace jednotky mg/l N_celk.)

NL₁₀₅ : 5 mg/l

Dosažitelná účinnost odstranění N-NO₃^-  (E) je u D-N systémů dána průtokem interního recyklu, tj. recirkulačním poměrem (R): E = R/(R + 1). U ostatních systémů je limitem množství dostupného organického substrátu.

Hygienizační funkce

Částečná - patogenní organismy většinou v podmínkách aerobního procesu nepřežívají.

Investiční náklady

Investiční náklady se odvíjejí především od velikosti nádrží a konstrukčního materiálu (většinou beton). Vzhledem k limitaci procesu dodávkou vzduchu jde o relativně extenzivní technologie (viz Kritické parametry). Další zásadní položkou jsou nosiče biofilmu.

Prostorová náročnost

Prostorová náročnost je dána maximálním objemovým zatížením, které je vyšší než u běžné aktivace (i přes 1,7 kg/m³/d). Zastavěná plocha je pak dána hloubkou nádrží (u aktivace většinou 4 - 8 m). Odpadají nároky na plochu pro dosazovací nádrže.

Bezpečnostní rizika

Odpadní voda je hygienicky závadný materiál, hygienicky závadné jsou i případné aerosoly, odpady (přebytečný kal) a vyčištěná voda.

Energetická náročnost

Nejvíce energie jde na aeraci, typicky 0,15 - 0,35 kWh/m³ vstupní vody (pro městskou OV), nebo cca 0,5 - 1,0 kWh/kg odstraněné BSK₅.

Další energie je nutná na míchání denitrifikační zóny a čerpání aktivační směsi a závisí na volbě uspořádání reaktoru, především na velikosti interního recyklu (0,03 - 0,05 kWh/m³).

Náročnost na obsluhu

Obsluhu může vykonávat pracovník schopný samostatné práce. Zaškolení dodavatelem či odborníkem je obvykle dostatečné. Časová náročnost závisí na velikosti zařízení, ale obvykle je denní, cca 4 hod denně. Běžná práce obsluhy spočívá v kontrole provozu, měření koncentrace kalu sedimentační zkouškou (30 minut), kontrola chodu zařízení a strojů, odkalování systému zahušťování kalu, údržba měřicích zařízení (kyslíková sonda), udržování čistoty provozu, odběr vzorků a případně obsluha strojního odvodnění.

Dále je potřebný pravidelný i mimořádný servis strojních zařízení, prováděný servisním technikem vlastním, nebo externím.

Aktivační ČOV vyžaduje dohled odborníka (technologa), který je schopen řešit případné poruchy biologického procesu. Tuto činnost lze sjednat externě. Proces je možno automatizovat a řídit jej pomocí sond (kyslík, N_amon, dusičnany, turbidita), práce obsluhy je ale nenahraditelná.

Doporučené vzdělání:

• Pracovník obsluhy – bez nároku na vzdělání, potřebná je zodpovědnost a schopnost samostatně pracovat.
• Servisní technik – vzdělán v oblasti údržby a oprav strojních zařízení, zejména dmychadel a čerpadel.
• Technolog - vysokoškolské vzdělání (technologie vody, ochrana životního prostředí, biotechnologie) a alespoň 3 roky praxe v oboru technologie čištění odpadních vod.

Provozní náklady

Hlavním provozním nákladem je energie na aeraci a osobní náklady na obsluhu.

Pokud je nutné dodávat externí organický substrát, jedná se rovněž o důležitou položku.

Chemikálie

Hlavní externě dodávanou chemikálií je kyslík, většinou dodávaný ve vzduchu dmychadly. Je možné použít i čistý kyslík.

Ekonomicky zásadní může být dodávání externího organického substrátu pro denitrifikaci (pokud je nutný). Teoreticky minimální poměr dobře rozložitelné ChSK ku N-NO₃^- potřebný pro úplnou denitrifikaci je 2,86 kg/kg. V praxi je však nutné zjistit poměr alespoň 4,5 kg/kg. Nejčastěji se dodává metanol, je však možné použít etanol, kyselinu octovou nebo jiné snadno rozložitelné organické látky.

Měření a regulace

Proces je relativně dobře řiditelný, nejčastěji na základě měření koncentrace kyslíku (DO sonda), N_amon a N-NO₃^-. Typicky se reguluje koncentrace DO na základě vstupní nebo výstupní hodnoty N_amon nebo výstupní hodnoty N-NO₃^-. Nejčastěji se používá PID regulace, je však možné použít matematický model (např. ASM3).

Další relevantní senzory: pH sonda, zákal.

Plynné

Skleníkové plyny: CO₂ cca 0,5 kg/kg ChSK (vzhledem k původu nezvyšuje uhlíkovou stopu), N₂O.

Kapalné

Pouze odtok

Pevné

Přebytečný aktivovaný kal: Typicky 0,45 kg NL₁₀₅/kg ChSK.

Vyžadovaná předúprava

Odstranění hrubých nečistot: Hrubé a jemné česle, lapák písku.

Typická průmyslová odvětví

Potravinářský průmysl Chemický průmysl Farmaceutický průmysl Městské odpadní vody Skládkové výluhy Papírenský průmysl

Tchobanoglous, G., et al. (2014). Wastewater engineering: treatment and resource recovery. New York, NY, McGraw-Hill Education.

Cheremisinoff, N. P. (2002). Handbook of water and wastewater treatment technologies. Boston, Butterworth-Heinemann.