Technologie pro recyklaci vody

Typ procesu

Biologické procesy

Skupina technologií

Aktivace

Název procesu

Membránové bioreaktory (MBR)

Popis technologie

Biologická oxidace především biologicky rozložitelných organických látek a redukovaných forem dusíku (N_amon) prostřednictvím směsné kultury mikroorganismů (bakterie, houby, prvoci atd.) přítomných v suspenzí kultuře tvořící tzv. vločky - aktivovaný kal. Oxidace N_amon probíhá v procesu nitrifikace, tj. biologická oxidace na dusičnany s dusitany jako meziproduktem. 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, tj. heterotrofní redukce dusičnanů (a dusitanů) v anoxickém prostředí (tj. bez přístupu vzduchu). 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.).

Biologické odstraňování fosforu se zajišťuje předřazením anaerobní zóny (typicky menší mechanicky míchaná nádrž), kde se nevyskytuje rozpuštěný kyslík ani oxidované formy dusíku. Fosfor je nejprve masivně uvolňován v anaerobní zóně při procesu akumulace organické hmoty, následně zpětně akumulován do biomasy kalu v aerobní zóně. Akumulovaný fosfor je ze systému odtahován spolu s přebytečným kalem. Proces vyžaduje dostatečnou koncentraci organických látek v anaerobní (An) zóně. U vod s nízkým poměrem BSK/P je třeba zajistit, aby se v An zóně nevyskytovaly dusičnany.

Jako separační stupeň pro zajištění retence aktivovaného kalu je využita membránová separace.

Aktuálnost

stávající high-tech

Vhodné pro srážkové vody

Ne - nízká účinnost vzhledem k nízké koncentraci znečištění v dešťových vodách

Typické reaktory a jejich uspořádání

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

Lze realizovat i v režimu SBR.

Uspořádání jednotlivých zón aktivace podléhá stejným pravidlům jako u běžné aktivace, s ohledem na cílené znečištění (BSK, N, P).

Zásadním aspektem je typ a umístění membránových modulů. Z hlediska porozity jde o mikrofiltraci nebo ultrafiltraci. Membrány mohou být umístěny přímo v reaktoru nebo v separátní nádrži, popř. v externím modulu. Z hlediska geometrie membrán jde o deskové, tubulární nebo dutá vlákna.

Typické schéma

Cílené znečištění

Organické látky (ChSK_Cr, BSK₅)

N_celk

P_celk

NL

Typické koncentrace cílového znečištění

ChSK_Cr: 100 - 1500 mg/l

BSK₅: do 1000 mg/l

N_amon: do 100 mg/l, možné i v g/l

P_celk: jednotky až desítky mg/l

NL: stovky mg/l až jednotky 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:

Anaerobní zóna: 0,5 - 3 h (systém Phostrip - 10 - 12 h)

Anoxická zóna: 1 - 4 h

Aerobní zóna: 1 - 12 h

Kapacita filtračních modulů:

20 - 30 l/m²/h

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

NL₁₀₅: téměř 0 mg/l

<0,5 mg/l P_celk.

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

Ano. Ultrafiltrační membrány odstraní spolehlivě bakterie a v menší míře i viry. Mikrofiltrace je méně účinná i pro bakterie.

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).

Stále ještě je limitující i cena membránových modulů, proto je snaha o dosažení co nejvyššího toku přes membrány (Flux).

Dalšími zásadními položkami je vystrojení aerovaných nádrží a systém měření a řízení.

Prostorová náročnost

Membránové systémy jsou kompaktnější než klasická aktivace, protože lze dosáhnout vyšší koncentrace biomasy (10 - 12 g/l). Prostorová náročnost je tedy dána maximálním dosažitelným zatížením (v extrémních případech 1,6 kg/m³/d jako BSK₅), která vyplývá z omezení aeračních systémů. Membránové moduly jsou podstatně kompaktnější než dosazovací nádrže a jejich velikost je dána maximálním tokem přes membrány (cca 30 l/m²/h).

Hydraulická doba zdržení se pohybuje v jednotkách hodin (do cca 12 h). Zastavěná plocha je pak dána hloubkou nádrží.

Bezpečnostní rizika

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

V případě oxygenace pomocí čistého kyslíku se pracuje se silným oxidačním činidlem pod tlakem.

Pokud se dodává methanol jako externí substrát, jde o manipulace s velmi nebezpečným jedem.

Energetická náročnost

V aktivaci se typicky spotřebuje 0,15 - 0,55 kWh/m³ vstupní vody (pro městskou OV), nebo cca 0,5 - 1,0 kWh/kg odstraněné BSK₅.

Mimořádně náročné může být čerpaní permeátu (0,2 - 0,3 kWh/m³⁾.

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).

Celková spotřeba energie u MBR bývá 0,5 - 1,0 kWh/m³ vyčištěné vody.

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.

Pokud je vyžadováno srážení fosforu, je třeba počítat s náklady na srážecí činidlo (Fe³⁺, Al³⁺).

V některých případech může být zásadní dodávání nutrientů (pokud nejsou obsaženy ve vstupní vodě).

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.

Dalšími chemikáliemi může být organický flokulant pro zlepšení sedimentačních vlastností kalu a Al³⁺ pro potlačení vláknitého bytnění kalu.

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. ASM2).

Další relevantní senzory: pH sonda, zákal.

Plynné

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

Kapalné

Pouze odtok

Pevné

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

Koncentrace přebytečného kalu z dosazovací nádrže typicky cca 10 kg/m³ (NL₁₀₅).

Vyžadovaná předúprava

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

Vyžadované dočištění

Pokud je třeba dosahovat velmi nízkých koncentrací N_celk (jednotky mg/l), je třeba zařadit post-denitrifikaci. Fosfor lze odstranit následným srážením (Fe³⁺, Al³⁺).

Pokud je voda dále recyklována, je nutné další hygienické zabezpečení tak, aby nedocházelo ke zpětnému nárůstu mikroorganismů.

Vždy je třeba dále upravovat přebytečný kal, nejčastěji zahuštění na cca 40 - 60 g NL₁₀₅/l (gravitačně, sítopásové lisy, centrifugy) a následná anaerobní nebo aerobní stabilizace.

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.