Technologie pro recyklaci vody

Typ procesu

Biologické procesy

Skupina technologií

Biofilmové reaktory

Název procesu

Anaerobní biofiltry

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 jejím růstem na povrcho sypaného nebo strukturovaného nosiče z inertního materiálu (písek, čedič, pemza, plast). Volně rostoucí mikroorganismy, popř. biofilm odtržený z nosičů se vyplavují z reaktoru.

Proces dosahuje vysokých výkonů (zatížení), podobně jako reaktory s granulovanou biomasou. Narozdíl od aktivace není limitujícím faktorem schopnost dodání vzduchu do kapalné fáze.

Pokud je využit vznikající bioplyn, proces je energeticky pozitivní.

Proces vyžaduje separační stupeň pro zachycení biomasy vzniklé odlupováním biofilmu, typicky usazovací nádrž.

Aktuálnost

stávající běžná

Vhodné pro srážkové vody

Ne

Typické reaktory a jejich uspořádání

Skrápěné kolony s rovnoměrnou distribucí přítoku na povrchu (většinou Segnerovo kolo).

Nosič biofilmu je přírodní (štěrk) nebo umělý (sypané plastové segmenty, plastové tvárnice atd.).

Typické schéma

Cílené znečištění

Anaerobně rozložitelné organické znečištění ve vysoké koncentraci.

Může být použito i pro odstraňování síranů.

Typické koncentrace cílového znečištění

ChSK_Cr: desítky g/l

Kritické parametry

Objemové zatížení:

ChSK: 5 - 20 kg/m³/d

Hydraulická doba zdržení: 1 - 3 d

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. Naopak při vyšších teplotách (45 - 55 °) se netvoří, popř. rozpadají, granule anaerobní biomasy.

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.

Důležitá je koncentrace nerozpuštěných látek ve vstupující vodě které mohou způsobovat nárůst nekvalitních (malých) granulí, popř. vytlačovat aktivní biomasu z reaktoru. Reaktory s vysokou vzestupnou rychlostí (IC a EGSB) jsou méně účinné z hlediska záchytu koloidních látek než např. UASB reaktor.

Obecně je tento proces ideální pro teplé a koncentrované vody, nicméně EGSB i IC mohou úspěšně pracovat při teplotách do 10 °C (pouze problém z rozpuštěným methanem v odtoku) a při nízkých koncentracích ChSK (okolo 1 g/l). Pro čištění ještě zředěnějších vod (např. splaškové OV) lze použít modifikované UASB reaktory pracující se suspenzní biomasou a delší dobou zdržení.

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. OV 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

100 - 200 mg/l ChSK_Cr

(SO₄^2- prakticky 0 mg/l)

N a P odpovídá celkovému znečištění vody

Hygienizační funkce

Ne

Investiční náklady

Hlavní je cena reaktorů, nosičů biofilmu (náplně kolon nebo prefabrikovaných segmentů) a plynové hospodářství (jedná se o výbušné prostředí).

Prostorová náročnost

Typické Objemové zatížení anaerobních biofiltrů je 5 - 20 kg ChSK/m³/d.

Bezpečnostní rizika

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

Výbuch bioplynu.

Manipulace s koncentrovanou zásadou (alkalizační činidlo).

Energetická náročnost

Typicky 0,06 - 0,09 kWh/m³ vyčištěné vody (především čerpání).

Náročnost na obsluhu

Nízká

Provozní náklady

Nízké co do energie i osobních nákladů.

Chemikálie

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

Měření a regulace

Průtoky.

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

Malé množství anaerobního kalu.

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. Při požadavku na vyšší kvalitu odtoku z hlediska ChSK (pod 100 - 200 mg/l) je opět nutné dočištění (aktivace, laguny, kořenové čistírny).

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.