Technologie pro recyklaci vody

Typ procesu

Biologické procesy

Skupina technologií

Anaerobní procesy v suspenzi

Název procesu

Anaerobní membránové bioreaktory (AnMBR)

Popis technologie

Anaerobní rozklad organické hmoty, kde hlavními produkty jsou methan a CO₂. Jiné než organické znečištění se odstraňuje minimálně, pouze inkorporací do vznikající biomasy (N, P, S), která narůstá podstatně méně než u aerobních procesů (5 - 10 % ChSK přechází do biomasy). Veškerý dusík, který není použit k růstu biomasy, je redukován na N_amon a uvolněn do roztoku. Fosfor se uvolňuje do roztoku ve formě PO₄^3-. Všechny formy síry se redukují na sulfidy a částečně odcházejí do bioplynu jako sulfan. Kovy se mohou srážet např. jako sulfidy.

Retence biomasy v reaktoru je docílena její membránovou separací z odtoku. Používají se mikrofiltrační nebo (častěji) ultrafitrační membrány s porozitou 0,1 - 1,0 resp. 0,01 – 0,1 µm. Je možné použít membrány typu dutá vlákna, tubulární i deskové. Materiál je nejčastěji polymer (např. PVDF).

Proces dosahuje vysokých výkonů (zatížení), podobně jako reaktory s granulovanou biomasou, ale dosahuje výrazně vyšší kvality odtoku z hlediska koncentrace ChSK. Hlavním limitujícím faktorem je maximální dosažitelný tok přes membránu, který je o něco nižší než u aerobních MBR, typicky 5 - 10 l/m²/h, pouze výjimečně až 20 l/m²/h.

Důvodem použití AnMBR bývá buď nemožnost tvorby granulované biomasy (termofilní procesy, vysoká koncentrace NL, inhibitory granulace) nebo vysoké požadavky na kvalitu odtoku.

Aktuálnost

stávající high-tech

Vhodné pro srážkové vody

Ne, pouze ve výjimečných případech dosahuje potřebných odtokových koncentrací.

Typické reaktory a jejich uspořádání

Anaerobní membránové reaktory (AnMBR) se dělí podle konfigurace membrán - ponořené (v postranní nádrži nebo přímo v anaerobním reaktoru) a externí (cross-flow). Míchání probíhá vlivem tvorby bioplynu nebo mechanickými míchadly, cirkulace kolem membrán u externích modulů je zajištěna buď vlivem bublin bioplynu (gas-lift) nebo čerpadly. Rozdíl tlaků na membráně je zajištěn většinou podtlakem na straně permeátu.

Typické schéma

Cílené znečištění

Anaerobně rozložitelné organické znečištění ve vysoké koncentraci. Typicky rozpuštěné nebo dobře rozložitelné suspendované organické látky (např. syrovátka). Nejčastější použití v potravinářském průmyslu.

Typické koncentrace cílového znečištění

ChSK_Cr: jednotky až desítky g/l

Kritické parametry

Objemové zatížení:

5 - 15 kg ChSK/m³/d

Hydraulická doba zdržení:

Velmi záleží na teplotě procesu, rozpětí je cca 4 - 14 h. Typicky cca 8 h.

Dalším důležitým faktorem je přítomnost nerozpuštěných organických látek. Obtížněji rozložitelné suspenze (např. mikrobiální biomasa), vyžadují podstatně delší doby zdržení (i desítky dnů).

Kapacita filtračních modulů:

5 - 30 l/m²/h

Inhibiční vlivy

Těžké kovy (Cu, Cr, Ni, Zn) inhibují řádově v koncentracích nad 1 µmol/l (tj. cca v setinách až desetinách mg/l) pokud se vyskytují v rozpuštěné formě. Toxicita je zásadním způsobem ovlivněna i formami výskytu (biologickou dostupností), např. přítomnost komplexotvorných látek (EDTA, fosforečnany, sulfidy ad.) ji výrazně snižuje. Pokud se kovy v reaktoru srážejí (typicky jako sulfidy), může se jejich toxicita snížit i o několik řádů.

Koncentrace RAS nad 20 g/l je rovněž inhibiční. Typické inhibiční koncentrace jednotlivých iontů: Na⁺ 8 g/l, K⁺ 12 g/l, Ca²⁺ 8 g/l, Mg²⁺ 3 g/l).

Zásadním problémem mohou být některé produkty a meziprodukty anaerobního rozkladu. N_amon nad 3 g/l, sulfidy nad 200 mg/l (oba v závislosti na pH).

Existuje mnoho specifických toxických organických látek (např. formaldehyd, propanol akrolein, nitrobenzen). Jejich toxické koncentrace (IC50) se typicky pohybují v desetinách až desítkách mmol/l. Toxicitu konkrétních látek lze nalézt např. v Parkin a Owen (1986).

Je třeba nepřekračovat maximální zatížení (vždy stanovené pro konkrétní vstupní vodu a reaktor), protože se mohou akumulovat nižší mastné kyseliny (NMK - octová, propionová, máselná atd.), které zvláště při nízkém pH působí velmi inhibičně (často nevratně). Jde o o proces, kdy se spontánně násobí efekt akumulace toxických kyselin a poklesu pH. Toxicita jednotlivých NMK se liší, velmi problematická je kyselina propionová, která je toxická již v desítkách mg/l a zároveň se velmi pomalu odbourává. Např. kys. octová může být bez problémů přítomna i ve stovkách mg/l (při pH nad 7).

Inhibičně působí rovněž plynný vodík, opět významný meziprodukt anaerobní fermentace.

Další relevantní parametry

Zásadním parametrem je teplota procesu. Teplotní optima methanogenních organismů se pohybují od 25 do 60 °C a většina reaktorů je provozována při teplotách mezi 20 a 35 °C. Rozhodující je však teplota dané vstupní vody, protože ve většině případů není možné vyhřívat reaktor - při objemových průtocích v těchto reaktorech není ekonomické dodávat teplo ze spalování bioplynu.

Dalším klíčovým parametrem je pH, které by se mělo pohybovat mezi 6,8 - 7,8. Nižší pH je zvláště nebezpečné, protože zvyšuje toxicitu NMK a sulfidů. V anaerobních reaktorech kontinuálně vzniká oxid uhličitý, který může zásadně snižovat pH. Proto se často dodává alkalizační činidlo, typicky je potřeba dodat alkalinitu ekvivalentní 2 - 4 g/l CaCO₃. Jako alkalizační činidlo může sloužit i amoniakální dusík, alkalitu lze tedy dodat např. i formou substrátu bohatého na organický dusík.

Obecně je tento proces ideální pro teplé a koncentrované vody, nicméně lze čistit i zředěné (např. splaškové) vody. Snadno rozložitelné nerozpuštěné látky nejsou problém, hůře rozložitelné také ne, protože jsou v reaktoru účinně zadrženy a zvyšuje se tak jejich doba zdržení. Inertní NL se v reaktoru akumulují, což přináší určité riziko vytěsnění anaerobního kalu.

Optimální hmotnostní poměr ChSK:N:P je 600:5:1 při zapracování a 300:5:1 při dlouhodobém provozu reaktoru. V případě vod chudých na kovy (např. vody z destilačních procesů) je nutné dodávat i hlavní mikronutrienty (Co, Ni, Fe, Zn atd.), typicky v řádu jednotek až desítek µmol/g přidané ChSK.

Dosažitelné koncentrace cílového znečištění

30 - 50 mg/l ChSK_Cr

(SO₄^2- prakticky 0 mg/l)

N a P odpovídá celkovému znečištění vody

Hygienizační funkce

Částečná, patogenní bakterie by neměly procházet membránou. Odstranění virů je pouze částečné.

Investiční náklady

Kromě stavební části (menší reaktory než u aerobních procesů) je hlavní položkou cena membránových modulů.

Dále systém měření a řízení a plynové hospodářství (jedná se o výbušné prostředí).

Prostorová náročnost

Anaerobní technologie mohou být podstatně kompaktnější než aerobní, protože nejsou limitovány dodávkou vzduchu a maximální zatížení ChSK je podstatně větší - u AnMBR cca 5 - 15 kg/m³/d.

Velikost membránových modulů je větší než u aerobních procesů, protože se většinou dosahuje o něco nižších toků přes membránu.

Bezpečnostní rizika

Otrava sulfanem v bioplynu - Velmi nebezpečné všichni pracovníci musí být dostatečně proškoleni.

Výbuch bioplynu.

Manipulace s koncentrovanou zásadou (alkalizační činidlo).

Energetická náročnost

Anaerobní procesy jsou typicky energeticky pozitivní (podle obsahu organických látek v OV), nicméně membránová filtrace výrazně zhoršuje energetickou bilanci (často je záporná). Obecná spotřeba energie na mikro- a ultrafiltraci se uvádí 0,2 - 0,3 kWh/m³ permeátu.

Důležitá je možnost pracovat při teplotě vstupní vody - zahřívání vody na např. mezofilní teplotu je většinou nereálné.

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.

Reaktory vyžadují dohled odborníka (technologa), který je schopen řešit případné poruchy biologického procesu. Tuto činnost lze sjednat externě. Proces je možno automatizovat a řídit jej pomocí on-line senzorů (teplota, množství a složení bioplynu, pH), navíc jsou potřeba off-line analýzy - NMK, ChSK atd. Práce obsluhy je nenahraditelná.

Doporučené vzdělání:

• Pracovník obsluhy – většinou středoškolské 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 čerpání (popř. vytápění) a osobní náklady na obsluhu.

Může být vyžadováno alkalizační činidlo.

Chemikálie

Jedinou externě dodávanou chemikálií je alkalizační činidlo (NaOH, popř. Ca(OH)₂)

Měření a regulace

Proces je dobře řiditelný, vyžaduje minimálně on-line sledování přetlaku na membránách a výšky hladin.

Plynné

Emise methanu: rozpuštěný v odtoku (roste s klesající teplotou a koncentrací vody) a vlivem netěsností systémů (může dosahovat 2 - 4 % celkové produkce).

Spaliny bioplynu: CO2 (nezvyšuje uhlíkovou stopu), nespálený CH₄, NO_x, SO_x.

Kapalné

Pouze odtok

Pevné

vzniká přebytečná biomasa (granulovaný kal) v množství max 100 g NL₁₀₅/kg odstraněné ChSK.

Vyžadovaná předúprava

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

Vyžadované dočištění

Kapalný odtok: Anaerobní fermentace odstraňuje pouze (rozložitelné) organické látky, takže je vždy potřeba následné odstranění nutrientů (N, P), např. pomocí D-N, An-D-N, srážení P. Odtokové koncentrace organických látek jsou u AnMBR zpravidla nižší než u jiných anaerobních technologií. Při požadavku na ještě vyšší kvalitu odtoku z hlediska ChSK (pod 50 mg/l) je však nutné dočištění (např. koagulace, sorpce na aktivním uhlí nebo RO).

Čištění a zpracování bioplynu:

často je nutné odstraňování sulfanu (ThioPaq, sorpce na aktivním uhlí) a siloxanů (sorpce). Téměř vždy je nutné sušení.

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.