Technologie pro recyklaci vody

Typ procesu

Biologické procesy

Skupina technologií

Biofilmové reaktory

Název procesu

Anaerobní high-rate systémy s granulovanou biomasou

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. 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.

Biomasa spontánně narůstá ve formě granulovaného kalu. Pokud se do reaktoru dostanou inertní nerozpuštěné látky (např. křemelina v pivovarských vodách), mohou být použity jako nukleační jádro a v takových případech vznikají menší a četnější granule. Volně rostoucí mikroorganismy se vyplavují z reaktoru.

Proces dosahuje vysokých výkonů (objemové zatížení), zejména díky excelentním sedimentačním rychlostem granulovaného kalu (2 - 100 m/h, typicky 30 - 75 m/h) a vysoké koncentraci biomasy. Na rozdíl od aktivace není limitujícím faktorem schopnost dodání vzduchu do kapalné fáze.

Pokud je využit vznikající bioplyn, proces je energeticky pozitivní.

Aktuálnost

stávající high-tech

Vhodné pro srážkové vody

ne, zdaleka nedosahuje potřebných odtokových koncentrací

Typické reaktory a jejich uspořádání

Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB (Zdola protékaný reaktor s granulovaným kalem)

Internal Circulation reactor - IC (Reaktor s interní cirkulací)

Expanded Granular Sludge Bed - EGSB (Reaktor s expandovaným granulovaným kalem)

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:

UASB - 5 - 20 kg ChSK/m³/d

IC - 15 - 25 kg ChSK/m³/d

EGSB - 15 - 25 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).

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. 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

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 (většinou nerezové prefabrikáty) s výrazným podílem duševního vlastnictví (konstrukce třífázových separátorů, hydraulické uspořádání). Dalšími položkami je granulovaná biomasa, sofistikované systémy 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 UASB 5 - 20 kg/m³/d, u ICP nebo EGSB až 35 kg/m³/d.

U granulovaného kalu navíc vstupá prostorově náročná separace biomasy z odtoku.

Výsledná zastavěná plocha je dána navrženým průtokem vstupní vody, dobou zdržení, výškou reaktoru a u UASB minimální požadovanou vzestupnou rychlostí (1,0 - 1,5 m/h). UASB reaktory jsou nižší (aktivní prostor obvykle do 8, maximálně 10 m). IC a EGSB reaktory mohou dosahovat až 25 m, což nároky na prostor snižuje.

Bezpečnostní rizika

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

Výbuch bioplynu.

Manipulace s koncentrovanou zásadou (alkalizační činidlo).

Energetická náročnost

U všech těchto reaktorů je hlavním energetickým nákladem čerpání vstupní vody a u UASB a EGSB recirkulace odtoku (pokud je požadována). Recirkulace u IC je (kromě iniciačního impulzu) zajišťována efektem mamutky uvnitř reaktoru (interní cirkulace). Míchání je u všech reaktorů zajištěné tvorbou bublin bioplynu a vzestupným prouděním vstupní 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.

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

Kromě obsluhy a specializovaných analýz je hlavním nákladem energie na čerpání (cca 0,03 - 0,05 kWh/m³, vyšší u vyšších reaktorů) a dodávka neutralizačního činidla (nejčastěji NaOH).

Chemikálie

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

Měření a regulace

Hlavními sledovanými parametry jsou množství a složení bioplynu (CH₄, CO₂, H₂S), pH v reaktoru (popř. v acidifikaci), výšky hladin, průtok vody, T.

Většinou nenastávají zásadní problémy s řízením, proces je stabilní.

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. Tato biomasa většinou lze výhodně prodat.

Vyžadovaná předúprava

Je vyžadováno odstranění NL a pro zvýšení výkonu je výhodný předstupeň acidifikace (doba zdržení cca 4 h), kde se vytvoří NMK a další snadno rozložitelné substráty (u IC se projektuje vždy). Většinou je nutná alkalizace.

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.