AKTIVAČNÍ PROCES • nejrozšířenějším způsobem biologického čištění odpadních vod • kontinuální kultivaci biomasy s recyklem
AKTIVACE ODSTRAŇOVÁNÍ ORGANICKÝCH LÁTEK Ing. Iveta Růžičková, Ph.D.
Tyto studijní materiály umístěné na interních webových stránkách VŠCHT Praha jsou určeny k osobní potřebě studentů předmětu N217006 Základy čištění odpadních vod. Jejich kopírování, šíření, distribuce a zveřejňování na veřejně dostupných serverech bez souhlasu autora/ů je porušením autorského zákona č. 121/2000 Sb.
Obecně tvořen biologickou a separační jednotkou. Aktivační směs (AS), vzniklá smísením odpadní vody (přítok P) a vratného aktivovaného kalu (VK), přitéká do vlastní biologické jednotky, tj. aktivační nádrže (AN), kde je provzdušňována. Poté je aktivovaný kal separován od vyčištěné vody v separační jednotce, tj. v dosazovací nádrži (DN). Zahuštěný aktivovaný kal je následně recirkulován zpět jako inokulum (vratný aktivovaný kal VK), nově vytvořená biomasa je ze systému odstraňována jako přebytečný aktivovaný kal PK. V odůvodněných případech lze přítok odpadní vody přivádět do aktivační nádrže i odděleně od proudu vratného kalu.
METABOLISMUS ORGANICKÝCH LÁTEK
Schéma rozdělení složek odpadní vody v jednotkách CHSK CHSKrozp x CHSKnerozp 0,45 µm
Metabolismus se skládá ze dvou simultánních procesů: • katabolismu – generuje energii ze substrátů pro potřeby buňky • anabolismu – vede k syntéze nové biomasy
Lipidy
Snadno rozložitelné x 15 – 20 % Pomalu rozložitelné cca 75 % hydrolýza
Glycerol + Mastné kyseliny
Rychle hydrolyzovatelné x 15 – 25 % Pomalu hydrolyzovatelné Inerty rozp. x nerozp. 5 – 10 %
Polysacharidy
Proteiny
Monosacharidy
Aminokyseliny
Pyruvát Acetyl CoA
O2 H2O
ETS
H+ + e-
CO2
ATP
Odstraňování organických látek ZÁSOBNÍ LÁTKY
ZÁSOBNÍ LÁTKY
SUBSTRÁT SUBSTRÁT
AKUM.
AKUM.
METABOLISMUS (REGENERACE)
METABOLISMUS (REGENERACE)
AKUM. = AKUMULACE
Vyvážený růst Odstraňování substrátu z kultivačního média (aktivační směs) probíhá souběžně s konverzí tohoto substrátu do nové biomasy, tj. s růstem. Rychlost transportu substrátu je stejná jako rychlost metabolismu a je jím limitována.
Nevyvážený růst Některé mikroorganismy jsou schopny při dostatečné koncentraci substrátu v okolí buňky tento substrát urychleně transportovat do buňky v míře vyšší, než odpovídá okamžitým energetickým a růstovým požadavkům.
BUNĚČNÁ STĚNA
BUNĚČNÁ STĚNA
AKUM. = AKUMULACE
Cyklus trikarboxylových kyselin
Rychlost přijímání substrátu není vázána na metabolismus.
Tento substrát je v buňce buď pouze krátkodobě akumulován či konvertován do organických zásobních látek (glykogen, PHB, PHV). Substrát uložený v buňce může být pro růstové a energetické účely využit až v momentě, kdy je substrát dostupný v okolí buňky vyčerpán (tzv. regenerace akumulační a zásobní kapacity).
1
Základní fyziologická skupina baktérií v aktivovaném kalu: • organotrofní mikroorganismy oxické zdroj energie i uhlíku: organické látky akceptor e–: O2, produkty: CO2 + H2O + biomasa rychle rostoucí
Obecně lze shrnout, že v buňkách organotrofních mikroorganismů jsou organické látky zpracovány následovně: • • • •
krátkodobá akumulace v chemicky nezměněné formě k následnému využití syntéza buněčných zásobních látek typu PHB (poly-ßhydroxymáselná kyselina) či glykogenu pro dlouhodobější uložení v buňkách jako energetická rezerva a zdroj organického uhlíku konverze do nové buněčné hmoty (syntéza biomasy) oxidace na oxid uhličitý a vodu za vzniku energie potřebné ke krytí energetických nároků buňky; podle akceptoru elektronů probíhá buď oxidace oxická s molekulárním kyslíkem nebo anoxická s dusičnanovým dusíkem.
Potřeba: • příslušného akceptoru elektronů (O2, N-NO3) • nutrientů – BSK5 : N : P = 100 : 5 : 1 Koeficient produkce biomasy: Y = ΔX/ΔBSK5 [kg/kg]
ZÁKLADNÍ TECHNOLOGICKÉ PARAMETRY AKTIVAČNÍHO PROCESU Doba zdržení odpadní vody Θ = V / Q1 [h]
Odstraněné objemové zatížení ΔBV (výkonnost aktivační nádrže) ΔBV = Q1 . (S1 – S2) / V Odstraněné látkové zatížení ΔBX (výkonnost kalu) ΔBX = Q1 . (S1 – S2) / (V . X) = ΔBV / X
Doba zdržení směsi (doba kontaktu) definována pro směs odpadní vody a vratného kalu QS = Q1 + Qr ΘS = Θ / (1 + R) [h] kde R je recirkulační poměr Qr / Q1
Účinnost procesu E E = (ΔBV / BV) x 100
Objemové látkové zatížení BV [kg/(m3.d)] BV = (Q1 . S1) / V = S1 / Θ kde S1 je koncentrace organických látek v odpadní vodě vyjádřená nejčastěji hodnotou BSK5 nebo CHSK Zatížení kalu BX BX = (Q1 . S1) / (V . X) = S1 / (Θ . X) = BV / X [kg/(kg.d)] kde X je koncentrace celkové sušiny kalu v aktivační nádrži v kg/m3
[%]
Stáří aktivovaného kalu (doba zdržení biomasy) X.V [d] ΘX = XW . QW + X2 . (Q1 - QW) kde XW je koncentrace přebytečného odtahovaného aktivovaného kalu QW je průtok přebytečného odtahovaného aktivovaného kalu X2 je koncentrace biomasy na odtoku z dosazovací nádrže
TECHNOLOGICKÉ MODIFIKACE KONVENČNÍCH AKTIVAČNÍCH SYSTÉMŮ
Dělení aktivačních procesů podle zatížení
TYP AKTIVACE
ΘX [d]
Θ [hod]
Bx [kg BSK5 /(kg.d)]
Nízkozatěžovaná s aerobní stabilizací
> 25
48
0,05
0,2
90
Nízkozatěžovaná s nitrifikací
12 - 15
12 - 24
< 0,15
0,6
95 - 98
Klasická aktivace
4-8
2-6
0,3
1 - 1,2
95
Vysokozatěžovaná
<2
1-2
1
1 - 1,5
60 - 80
Bv [kg BSK5 /(m3.d)]
E [%]
• menší ČOV – zpravidla princip směšovací aktivace • větší ČOV – snaha o postupný tok Požadavky na malé ČOV: • jednoduché a spolehlivé strojní zařízení (minimalizace obsluhy a údržby) • odolnost vůči hydraulickému přetížení (zvládání nerovnoměrných a přerušovaných nátoků odpadní vody) • nízkozatěžovaná aktivace (snížení produkce kalu a nutnosti odkalování) • nízká cena a provozní náklady • garantovaná kvalita vyčištěné odpadní vody.
2
Domovní ČOV
www.envi-pur.cz
4
1
2
D 3
N
1 přítok odpadní vody přes lapač hrubých nečistot (koš) 2 odtok 3 vratný kal 4 plovoucí materiál AN aktivace DN dosazovací nádrž
AN www.envi-pur.cz
Např. ČOV pro 4 EO
• nejmenší, individuální zdroje (4 – 15 EO) • plast, příp. betonová jímka s technologickou vestavbou • nad i pod terénem • náhrada septiku
Objem nátokové zóny
0,50 m3
Objem aktivace
1,10 m3
Objem dosazovací nádrže
0,19 m3
Plocha dosazovací nádrže
0,28 m2
Výška hladiny
1,15 m
Hmotnost
150 kg
www.asio.cz
Balené/kontejnerové ČOV • • • •
malé (izolované) zdroje znečištění (nejběžněji 20 – 500 EO, i větší) samonosné plastové kontejnery, betonové vodotěsné jímky lokální ČOV v decentralizovaných systémech mobilní typy ČOV
www.asio.cz
www.envi-pur.cz
• nízkozatěžovaná aktivace • vestavěná dosazovací nádrž – ne vždy www.envi-pur.cz
• membránové ČOV
Aktivace SBR ODP. VODA
A
ODTAH
B
C
D
E
VZDUCH
www.asio.cz
• menší i větší zdroje znečištění • časové oddělení procesů • bez dosazovací nádrže, oddělená fáze sedimentace ve vlastní nádrži • paralelní provoz několika nádrží
3
Oxidační příkop AR
AR
DN
O
AS VK P
PK
AR - aerátory
• nízká výška vodního sloupce • velký záběr plochy • pouze mechanická aerace
Karuselová/oběhová aktivace
• i větší zdroje znečištění (X 000 – X0 000 EO) • vyšší výška vodního sloupce (3 – 5 m) • lze i jiný typ aerace než mechanický
Klasická (konvenční) aktivace
Aktivace s regenerací
P – přítok, O – odtok, AS - aktivační směs, VK - vratný aktivovaný kal, PK - přebytečný AK, AN - aktivační nádrž, DN - dosazovací nádrž
příklady aktivačních nádrží
R – regenerace
příklady regeneračních nádrží
4
Aktivace se selektorem/kontaktní zónou
Dvoustupňová aktivace (AB Proces)
A P
kompartmenty
kontaktní zóna
B
DN2
DN1
O2
O1
VK1
VK2 PK1
PK2
• pro vyšší obsah organického znečištění • vysoce zatížený 1. stupeň, dostatečná oxygenační kapacita
Šachtová aktivace
• „trubka v trubce“ vnější trubka Ø 2 – 10 m, h = 60 – 120 m, vnitřní trubka Ø 1 – 1,2 m
• cirkulace aktivační směsi dle schématu (1 – 2 m/s) • hnací síla: rozdíl spec. hmotností ve vnitřní a vnější sekci nad přívodem provozního vzduchu (18 – 40 m) • odplyňovací prostor (doba zdržení cca 20 – 30 min.)
Výhody: • malý prostor • vysoké využití kyslíku ze vzduchu (85 – 90 %) Nevýhody: • příp. rozrušování vloček • tvorba pěny • průnik vzduchu i do dosazovací nádrže
5
