VYUŽITÍ TLAKOVZDUŠNÉ FLOTACE PRO TERCIÁRNÍ STUPEŇ ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV PROCESNÍHO A EKOLOGICKÉHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PROCESS AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING

VYUŽITÍ TLAKOVZDUŠNÉ FLOTACE PRO TERCIÁRNÍ STUPEŇ ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD THE USE OF A DISSOLVED AIR FLOTATION FOR TERTIARY STAGE OF WASTEWATER TREATMENT

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. MIROSLAVA ČMARADOVÁ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2013

Ing. LUCIE HOUDKOVÁ, Ph.D.

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav procesního a ekologického inženýrství Akademický rok: 2012/2013

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Miroslava Čmaradová který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Procesní inženýrství (3909T003) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: Využití tlakovzdušné flotace pro terciární stupeň čištění odpadních vod v anglickém jazyce: The use of a dissolved air flotation for tertiary stage of wastewater treatment Stručná charakteristika problematiky úkolu: Flotační jednotky se používají na čistírnách odpadních vod k zahuštění kalu před jeho dalším zpracováním. V rámci projektu intenzifikace ČOV Svitavy je uvažováno s využitím flotace na terciární dočištění (odstranění vysráženého fosforu). Tato technologie není zcela běžná, a proto je stěžejní částí diplomové práce odzkoušení technologie na poloprovozní flotační jednotce na ČOV Hranice. Cíle diplomové práce: Popis ČOV Svitavy. Seznámení se s procesem srážení fosforu a tlakovzdušnou flotací (využití v oblasti čištění odpadních vod). Návrh experimentálního zařízení pro ověření využití DAF k odstraňování fosforu na ČOV Svitavy. Poloprovozní zkoušky a vyhodnocení jejich výsledků.

Seznam odborné literatury: Projektová dokomentace ČOV Svitavy (interní materiál) Medek, J., Hydraulické pochody. VUT Brno 2004. ISBN 80-214-2640-3. Wang, L. K., Shammas N. K. Selke, W.A. and Aulenbach, D.B. 2010. Handbook of Environmental Engineering, Volume 12: Flotation Technology. 1nd ed. The Humana Press Inc., USA. ISBN 978-1-58829-494-4. Pytl, V. a kol., Příručka provozovatele čistírny odpadních vod. 1. vydání, Praha, 2004. ISBN 80-239-2528-8

Vedoucí diplomové práce: Ing. Lucie Houdková, Ph.D. Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2012/2013. V Brně, dne 21.11.2012 L.S.

_______________________________ prof. Ing. Petr Stehlík, CSc. Ředitel ústavu

_______________________________ prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Děkan fakulty

Využití tlakovzdušné flotace pro terciární stupeň čišt ní odpadních vod

Diplomová práce

Abstrakt Diplomová práce je zam ena do oblasti čist ní odpadních vod. Je zde ešena možnost využití flotace k odstraňování sraženiny fosforu vznikající p i terciárním čišt ní odpadní vody. První část práce je v nována obecnému popisu čišt ní odpadních vod, dále je zde popsána flotace jako separační technologie a srážení fosforu. Druhá část práce je zam ena prakticky. Popisuje experimentální za ízení použité pro srážení fosforu a následné odstraňování sraženiny flotací, pr b h experiment a získané výsledky.

Klíčová slova Čistírna odpadních vod ĚČOVě, flotace, tlakovzdušná flotace, odstraňování fosforu, srážení síranem železitým.

Abstract The thesis is focused on the area of wastewater treatment. There is a solution possibility of using flotation for the removal of phosphorus precipitates formed during the tertiary treatment of wastewater. The first part is devoted to a general description of wastewater treatment, there is also described as a flotation separation technology and precipitation of phosphorus. The second part is practically oriented. It describes the experimental equipment used for the precipitation of phosphorus and subsequent removal of the precipitate flotation, during the experiment and the results obtained.

Key words Wastewater treatment plant (WWTP), flotation, compressed air flotation, removal of phosphorus, precipitation with ferric sulfate.

3


Diplomová práce

Bibliografická citace ČMůRůDOVÁ, M. Využití tlakovzdušné flotace pro terciární stupeň čištění odpadních vod. Brno: Vysoké učení technické v Brn , Fakulta strojního inženýrství, 2013. 59 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Lucie Houdková, Ph.D.

4


Diplomová práce

Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracovala samostatn pod vedením vedoucí diplomové práce a že všechny použité literární zdroje jsem správn a úpln citovala. …………………………. V Brn dne 22. 5. 2013

Bc Miroslava Čmaradová

5


Diplomová práce

Poděkování Tímto d kuji své vedoucí diplomové práce paní Ing. Lucii Houdkové, Ph.D. za v novaný čas, pomoc a odborné vedení diplomové práce, dále panu Ing. Jaroslavu Boráňovi, PhD. za možnost podílet se na projektu XY. Za pomoc a podklady d kuji panu Petrovi Strnadelovi a firm Kunst, s.r.o. V neposlední ad chci pod kovat svým rodič m a blízkým za jejich trp livost a podporu, kterou mi v novali v pr b hu vypracování této práce.

6


Diplomová práce

Obsah 1

Úvod ............................................................................................................................ 10

2

Čišt ní odpadních vod ................................................................................................. 11

3

2.1

Odpadní voda ........................................................................................................ 11

2.2

Technologická skladba ČOV ................................................................................ 12

2.2.1

Ochranná část a hrubé p edčišt ní ................................................................. 13

2.2.2

Mechanický stupeň čišt ní ............................................................................ 14

2.2.3

Biologický stupeň čišt ní .............................................................................. 14

2.2.4

Chemický stupeň čist ní ................................................................................ 14

2.2.5

Kalové hospodá ství ...................................................................................... 15

Flotace a její využití v čistírenství ............................................................................... 18 3.1

4

3.1.1

Tvorba bublinek ............................................................................................. 18

3.1.2

Kontakt mezi bublinkou a částicí .................................................................. 22

3.1.3

Spojení bublinek a částic ............................................................................... 22

3.1.4

Vzestup aglomerát k hladin ....................................................................... 22

3.1.5

Parametry ovlivňující účinnost FJ ................................................................. 24

Odstraňování fosforu z odpadních vod ........................................................................ 25 4.1

5

Princip flotace ....................................................................................................... 18

Koagulace ............................................................................................................. 26

Záv r ............................................................................................................................ 31

Seznam použité literatury .................................................................................................... 32 Seznam obrázk ................................................................................................................... 34 Seznam tabulek .................................................................................................................... 34 Seznam graf ....................................................................................................................... 34

7


Diplomová práce

Seznam použitých symbolů Symbol

Název

Ač A/S BSK5 C d DN FG FR FVZ g CHSK k M(x) NL p pi Pmax Re sa Sa RL ug Vč Δρ Δp

Plocha nejv tšího p íčného pr ezu částice [m2] Pom r vneseného vzduchu ke hmot [mlĚvzduchuě/mgĚpevné látkyě] P tidenní biochemická spot eba kyslíku [g O2/den] Koncentrace rozpušt ného plynu [mol/m3] Pr m r částice [m] Sv tlost potrubí [mm] Gravitační síla [N] Odporová síla [N] Vztlaková síla [N] Tíhové zrychlení [m.s-2] Chemická spot eba kyslíku [mg/l] Henryho konstanta [mol/(m3.Pa)] Molární hmotnost prvku x [g/mol] Nerozpušt né látky [mg/l] Tlak v sytící nádob [atm],[bar] Parciální tlak plynu i [Pa] Maximální tlak u čerpadla [bar] Reynoldsovo číslo [-] Rozpustnost vzduchu [ml/l] Množství pevné látky kalu ve vod [mg/l] Rozpušt né látky [mg/l] Usazovací rychlost částice [m.s-1] Objem částice [m3] Rozdíl hustot ρk a ρt [kg.m-3] Tlaková ztráta [kPa] Celkový odporový součinitel [-] Hustota kapaliny [kg.m-3] Hustota tuhé látky [kg.m-3]

ρk ρt

Jednotka

8


Diplomová práce

Seznam použitých zkratek Zkratka

Význam

ČOV ČR DAF DN EO EU FJ OV UN

Čistírna odpadních vod Česká republika Dissolved air flotation – flotace rozpušt ným vzduchem Dosazovací nádrž Počet ekvivalentních obyvatel Evropská unie Flotační jednotka Odpadní voda Usazovací nádrž

9


Diplomová práce

1 Úvod Diplomová práce se obsahem adí k pracím o čistírnách odpadních vod. Konkrétn je zam ena na oblast odstraňování fosforu z odpadních vod. Fosfor je prvek, který výrazn p ispívá k eutrofizaci povrchových vod, kam jsou zpravidla vypoušt ny i vody z čistíren odpadních vod ĚČOVě. To je d vodem, proč jsou pro n j stanoveny pom rn p ísné limity Ědané na ízením vlády č. 61/2003 Sb.ě. V současné dob se nejčast ji využívají k odstraňování fosforu biologické procesy, v p ípad pot eby jsou podpo eny nejčast ji simultánním srážením r znými chemickými činidly. V rámci p ípravy projektu XY bylo projektem navrženo pom rn netypické ešení odstraňování fosforu. Tato technologie není v České republice zatím aplikována. Pro ov ení funkčnosti projektovaného ešení bylo navrženo experimentální m ení na poloprovozní jednotce XY. Experimentální činnost probíhala na ČOV XY, kde je poloprovozní jednotka umíst na.

10


Diplomová práce

2 Čištění odpadních vod 2.1 Odpadní voda D ležitý krokem je up esn ní co odpadní voda (OV) je, z jakého d vodu je nevyhnutné ji čistit a jakých sm rnic a zákon se t eba p i práci s odpadní vodou držet. Odpadní voda je voda použitá mimo vodní zdroj, jejíž vlastnosti byly zm n ny lidskou činností a voda z atmosférických srážek. [1] Sm rnice Rady ř1/271/EHS ze dne 21. kv tna 1řř1 o čišt ní m stských odpadních vod se týká odvád ní, čišt ní a vypoušt ní m stských odpadních vod a čišt ní a vypoušt ní odpadních vod z určitých pr myslových odv tví. Cílem této sm rnice je ochrana životního prost edí p ed nep íznivými účinky vypoušt ní výše uvedených odpadních vod. [2] Sm rnice rozd luje m stské odpadní vody na:  splašky Ěsm s splašk ě,  pr myslové odpadní vody,  svedené dešťové vody. Splašky jsou odpadní vody ze sídel a služeb, které vznikají p evážn jako produkt lidského metabolizmu a činností v domácnosti. Jakékoli odpadní vody vypoušt né z objekt používaných pro obchodní nebo pr myslovou činnost, které jsou jiné povahy než splašky a svád né dešťové vody, jsou pr myslové odpadní vody. [1], [2] V praktické části se bude pracovat s odpadní vodou, ze které bude pot eba dodatečn odstranit speciální znečišt ní a to fosfor. Proto je nutné definovat typy znečišt ní. Znečišt ní odpadních vod rozd lujeme na [1] :  nerozpušt né látky - jedná se v tšinou o pevné látky, ale i o látky kapalné Ěemulze, povlaky na hladin ě. Nerozpušt né látky tvo í jeden z nejzávažn jších druh znečišt ní odpadních vod; p i vypoušt ní s odpadní vodou do odtoku se jich část usazuje a tvo í kalové lavice. V tší nečistoty Ězbytky potravin, ovoce, zeleniny apod.ě zp sobují estetické a hygienické závady a vzhledem k objemu se pomalu rozkládají a znečišťují dlouhé úseky tok . Syntetické hmoty Ěfólie, vlákna, textilie apod.ě se prakticky nerozkládají, ukládají se v kalech, zachycují se na vodních rostlinách, b ezích a krom estetických závad usnadňují zachytávání dalších nečistot a nep ízniv ovlivňují vodní živočichy. Velkou část nerozpušt ných látek je možno z odpadní vody odstranit pom rn jednoduše; jejich zachycení je proto první podmínkou p i čišt ní odpadních vod. 

rozpušt né látky - tvo í rozsáhlou skupinu nečistot, které nelze z vody odstranit usazením. Podle složení zp sobují v povrchových vodách r zné závady. Ovlivňují pach vody, látky kyselé nebo zásadité povahy m ní kyselost vody, čímž nep ízniv p sobí na biologický život ve vod a zvyšují korozní p sobení na stavby. Rozpušt né toxické látky pat í k nejvážn jším ohrožením biologického života ve vodách; jejich úniky do vodního toku zp sobují velmi vážné havárie.

11




Diplomová práce

speciální znečišt ní - tvo í rozsáhlá skupina látek nacházejících se pouze v n kterých odpadních vodách Ězejména z pr myslu a n kterých služebě, pop . v m stských odpadních vodách. Jejich koncentrace je tak nízká, že prakticky neovlivňují b žný proces čišt ní.

Podrobnou skladnou ČOV se bude práce zabývat v následující kapitole, proto se zde orientačn uvádí stručn popsané možné zp soby čišt ní odpadních vod podle [3] : M stské odpadní vody se čistí ve dvou technologických stupních a to mechanické a biologické čišt ní. První stupeň Ěmechanické čišt níě slouží pro zachycení hrubých nečistot a pevných součástí pomocí česlí, lapač písku a tuku a usazovací nádrže. Druhý stupeň Ěbiologické čišt níě odbourává a rozkládá nerozpušt né, koloidní a rozpušt né organické látky činností mikroorganism Ěbakterie, prvoci, houbyě. Biologické čišt ní je zintenzivňování a urychlování p irozených rozkladných pochod a proces samočišt ní probíhající v p dním a vodním prost edí. Používají se závlahy, stabilizační nádrže, biofiltry, aktivace nebo ko enové čistírny. ČOV se d lí na základ počtu ekvivalentních obyvatel. Podle Sm rnice rady ř1/271/EHS je počet ekvivalentních obyvatel Ě1 EOě zatížení vyjád ené jako produkce organického biologicky odbouratelného znečišt ní, která odpovídá p tidenní biochemické spot eb kyslíku (BSK5) 60 g O2/den. [2] Rozd lení ČOV podle EO a nejlepší dostupná technologie podle Na ízení vlády 61/2003 Sb. se zm nami, p íloha 7:  < 500 EO – nízko až st edn zat žovaná aktivace nebo biofilmové reaktory,  500 – 2000 EO – nízko zat žovaná aktivace se stabilní nitrifikací,  2001 – 10 000 EO – nízko zat žovaná aktivace se stabilní nitrifikací a se simultánním srážením fosforu + mikrosíta či jiná filtrace,  10 001 – 100 000 EO – nízko zat žovaná aktivace s odstraňováním nutrient + terciární stupeň včetn srážení fosforu eventuáln dávkování externího substrátu,  > 100 000 EO – nízko zat žovaná aktivace s odstraňováním nutrient + terciární stupeň včetn srážení fosforu, dávkování externího substrátu.

2.2 Technologická skladba ČOV B žná technologická skladba čistírenské linky podle [3]:  ochranná část čistírny a hrubé p edčišt ní,  mechanický stupeň čišt ní,  biologický stupeň čišt ní,  kalové hospodá ství.

12


Diplomová práce

Vnit ní recirkulace

P ítok

Vícestupňové mechanické p edčišt ní

Usazovací nádrž

Denitrifikace

Nitrifikace

Dosazovací nádrž

Vyčišt ná voda

Kalové hospodá ství

Stabilizovaný a zahušt ný kal

Vratný kal Hrubé nečistoty Ěshrabky, št rk, písekě

Odpadová voda

Obr. 1 Schéma ČOV 2.2.1 Ochranná část a hrubé předčištění Nejd íve musí být odpadní voda p ičerpána na ČOV. Splaškové, pr myslové a odpadní vody jsou p ivád né do odlehčovací a vypínací komory, kde v p ípad pr toku p esahujícího kapacitu ČOV dojde k odd lení zvýšeného dešťového pr toku. Odpadní voda z odlehčovací komory p itéká na hrubé česle, kde se odstraní nejhrubší nečistoty a p edm ty, které by mohly poškodit strojní za ízení. V závislosti na možnostech terénu voda protéká čistírnou gravitačn nebo je pohán na čerpadly. [3], [4] Oleje a tuky v odpadních vodách p sobí potíže nejen ve stokách, ale i na čistírnách. Zachycují se na st nách potrubí, zalepují čerpadla, v aktivačních nádržích brání pronikání kyslíku do vody atd. Nep íznivý vliv tuk p sobí na čistící procesy ve všech čistících jednotkách. K zachycování tuk a olej z odpadních vod se používají lapáky tuk a olej r zných konstrukcí. Tato za ízení se mají umístit p ímo u jednotlivých zdroj Ěprovozy závod , restaurace, garáže apod.ě tak, aby se tuky a oleje zachytily ješt p ed vtokem do stokové sít . [3] Ochranná část a hrubé p edčišt ní slouží k odstran ní hrubých nečistot Ěshrabk a pískuě z p itékající vody, dále k ochran strojního za ízení čistírny p ed mechanickým poškozením a v p ípad jednotné kanalizace se m že využít i jako ochrana p ed hydraulickým p etížením srážkovými vodami. Používají se česle a lapáky písku. Hrubší pevné částice se odstraňují pr tokem odpadní vody česlemi Ěrošty a sítaě, které m žou být stírány ručn nebo strojn . Podle účelu rozeznáváme česle hrubé, jemné a velmi jemné. Hrubé česle se používají ve velkých čistírnách p i jednotné kanalizaci. Zachycují se na nich hrubé plovoucí splaveniny, jako kusy d ev, chuchvalce hadr , cihly nebo v tší kameny. Hrubé česle mají pr liny 6 i více cm široké. Jemné česle se osazují za hrubými česlemi, zachycují hadry, vlasy, zbytky zeleniny a ovoce a mají pr liny až 4 cm široké. Velmi jemné česle mají velikost pr lin 3-6 mm a zásadn se konstruují jako strojn stírané. U menších čistíren se osazují pouze jedny česle. T žší částice Ězrnka písku a št rkě se usazují v lapácích št rku a písku. Lapáky se často doplňují aerací, která udržuje aerobní prost edí a zároveň usnadní separaci tuk . Zbývající usaditelné látky se odstraní v usazovacích nádržích (UN). Použitím česlí a lapák písku pro odd lení hrubších materiál lze obsah organických látek v m stských odpadních vodách snížit asi o 30%. [3], [4] 13


Diplomová práce

2.2.2 Mechanický stupeň čištění Mechanický stupeň čišt ní zajišťuje separaci jemn jších podíl nerozpušt ného znečišt ní odpadní vody usazením ve form kal . Mechanické čišt ní probíhá v usazovacích nádržích a je označováno jako primární sedimentace. V usazovací nádrži, kde p itéká hrub p edčišt ná splašková voda, dochází ke gravitačnímu usazování nečistot. Usazovací nádrž m že být kruhová nebo obdélníková a na dn je instalováno stírací za ízení, které stírá usazený kal do kalových prohlubní. Stírací za ízení m že sloužit i k odstraňování plovoucích látek z hladiny. Mechanicky p edčišt ná voda odtéká na biologický stupeň čišt ní. V závislosti na zvolené technologii čišt ní odpadních vod nemusí být primární sedimentace do čistírenské linky za azena. [3], [4] 2.2.3 Biologický stupeň čištění Biologický stupeň čišt ní zajišťuje odstran ní p evážn rozpušt ného organického znečišt ní, pop ípad i nutrient biologickou cestou Ětedy p sobením mikroorganizm , zejména bakteriíě s následným odd lením biomasy od vyčišt né vody. Technologické návrhy biologického stupn čišt ní odpadních vod d íve vycházely pouze z požadavku odstran ní organického znečišt ní. Zm na nastala až zavád ním biologických proces na odstran ní nutrient , dusíku a fosforu. Zavedením procesu nitrifikace a denitrifikace se zvýšily požadavky na aerační systém a zvýšila se složitost aktivačního systému. Dnes je linka biologického čišt ní b žn rozd lena na aktivační nádrže, nádrže regenerace kalu a dosazovací nádrže (DN). Mechanicky p edčišt ná voda se p ivádí do denitrifikačního selektoru, kde je voda mechanicky míchaná. Míchadla v biologickém stupni se používají k homogenizaci obsahu anaerobních a anoxických zón. Zde se uplatňují ponorná horizontální míchadla ukotvená na vhodné konstrukci, která umožňuje nastavení jejich optimální polohy. Ze selektoru odtéká aktivační sm s na aktivační linku. Zde je znečišt ní z odpadní vody odstraňováno pomocí mikroorganism a tento kal je nazýván aktivovaný kal. Z odpadní vody je odstran no značné množství organického znečišt ní a sloučenin dusíku a fosforu. Nádrže regenerace kalu jsou využívány jako oxická zásoba aktivovaného kalu a minimalizují reakční objem. Do dosazovacích nádrží p itéká aktivační sm s spolu s biologicky vyčišt nou odpadní vodou z linky regenerace. V d sledku sedimentace dochází v dosazovacích nádržích k odd lení vyčišt né vody od aktivovaného kalu. Pomocí stíracího za ízení je usazený kal mechanicky stírán do kalových prohlubní. Četn jší jsou kruhové dosazovací nádrže, ale m žeme se setkat i s hranatými. Část aktivovaného kalu se vrací zp t do linky biologického čišt ní a část je odvád na ke zpracování do kalového hospodá ství. [3], [4] 2.2.4 Chemický stupeň čistění Chemické čišt ní odpadních vod je čišt ní odpadních vod chemickou koagulací/chemickým srážením solemi kov Ěvčetn vápnaě nebo organickými polymery za účelem odstraňování anorganických a organických sloučenin fosforu, suspendovaných látek a koloid . Proces probíhá ve dvou fázích: reakční a separační. P i reakční fázi dochází ke srážení rozpušt ných fosforečnan , k destabilizaci Ěrozpušt níě koloid a k flokulaci. V separační fázi dochází k separaci vloček z vody. Reaktory a odlučovače vloček Ěusazovací nádrže nebo flotační za ízeníě mohou být spojeny s jinou částí čistírny Ěnap . s p edsráženímě nebo mohou být

14


Diplomová práce

odd leným stupn m čistírny. [5] Tento stupeň čišt ní se vyskytuje jen na čistírnách, kde je ve vod vyšší množství fosforu. 2.2.5 Kalové hospodářství Do kalového hospodá ství p ichází kal primární Ěz usazovacích nádržíě, biologický (z aktivačního systémuě a pop ípad chemický Ěchemické srážení fosforuě. Primární kal je odtahován z kalových prohlubní usazovací nádrže do jímky zahušt ného sm sného kalu. Tam je odtahován i p ebytečný aktivovaný kal z aktivačního systému. Tento kal je čerpán na zahušťovací za ízení. Zahušťování kalu má mimo ádnou d ležitost. Limituje totiž investiční a provozní náklady na zpracování kalu i náklady na jeho likvidaci. Kal m že být zahušťován gravitačn nebo strojn . [3] U čistíren s primární sedimentací se kal gravitačn zahušťuje v kalových prohlubních usazovacích nádrží. Konečné zahušt ní kalu je ovlivn no hydraulickými pom ry, základními fyzikálními vlastnostmi kalu a adou provozních faktor Ěmomentální pom r sušin primárního a p ebytečného aktivovaného kalu, časovým režimem odkalení, hydrostatickým p etlakem p i odkalování apod.ě. ůutomatické systémy se používají ojedin le, protože nezajistí nejvyšší sušinu odkalovaného kalu. Dob e nastavený a provozn ov ený časový režim je dob e nahradí. Gravitační zahušt ní kalu v usazovácích m že výrazn ovlivnit sám provozovatel. Zahušt ní p ebytečného aktivovaného kalu probíhá rozdíln podle zvoleného zp sobu stabilizace. P i anaerobní stabilizaci je nezbytné kal p edzahustit v zahušťovacích jímkách s odb rem odsazené vody. P i aerobní stabilizaci probíhá uskladn ní v zahušťovacích nádržích soub žn v časovém pr b hu stabilizace. [3], [4] Strojní zahušťování kalu je vhodné p ed anaerobním uskladn ním kalu. Gravitačn zahušt ný kal se následn zahušťuje na strojním za ízení pomocí p ídavku polymerního flokulantu. Vyvločkovaný aktivovaný kal se p ivádí buď na horizontální síto s posuvem, nebo do st edu naklon ného rotujícího válce opat eného sítem. Filtrát protéká sítem a odvádí se do čistícího procesu. Zahušt ný kal se odebírá na konci za ízení a dopravuje se do uskladňovací nádrže. Uskladňovací nádrž je vybavena účinným mechanickým míchadlem pro homogenizaci kalu. [3] Následn musí být provedena stabilizace kalu. Stabilizovaný kal je kal, který nezp sobuje škody na životním prost edí a nevyvolává obtíže p i manipulaci s ním. V praxi se stabilizace kalu provádí s ohledem na další nakládání s kalem. P i anaerobní stabilizaci kalu v čistírnách do 10 000 EO se v tšinou používá nevyh ívaná anaerobní stabilizace. V závislosti zda se stabilizuje surový sm sný kal nebo p ebytečný aktivovaný kal se volí technologické parametry procesu. P i stabilizaci surového sm sného kalu se kal odkaluje z primární sedimentace do uskladňovacích nádrží o co nejvyšší koncentraci. Doba zdržení je 100 dní. P i anaerobní stabilizaci aktivovaného kalu se kal odebírá z aktivačních systém . Část organických látek v kalu byla odstran na již v aerobních podmínkách a p i anaerobní stabilizaci se proces odstraňování organických látek dokončuje a jejich koncentrace klesá. Doba zdržení je 150 dní. V souvislosti s používáním pneumatické aerace se rozší ila stabilizace kalu uskladňováním v aerobních podmínkách. P ebytečný aktivovaný kal se čerpá z recyklu vratného kalu p ímo do uskladňovací nádrže. Ta má zahušťovací i uskladňovací funkci. Doba zdržení je obvykle 25 - 30 dní. [3], [4] 15


Diplomová práce

Po stabilizaci se kal odvodňuje. Vlivem p ísn jších podmínek nakládání s kalem se rozší ilo používání strojního odvodňování kalu i na menších čistírnách. Produkovaný filtrát Ěfugátě se vrací zp t do čistícího procesu. P ed odvodňováním je kaly nutné p edupravit. V současnosti se používá p edúprava s použitím polymerních flokulant . [3] Z legislativních d vod se kal hygienizuje, tedy omezují se jeho nebezpečné vlastnosti. Hygienizace se provádí vápn ním nebo termofilní aerobní stabilizací. Vápn ní je provozn nejdostupn jší, technicky relativn jednoduchá a ekonomicky výhodná metoda hygienizace kalu na menších čistírnách. Výhodou jsou p edevším nízké náklady, zvýšení sušiny a jednoduchá dodatečná aplikace ve stávajících provozech. V tšinou se dávkuje pálené vápno do odvodn ného kalu. V závislosti na jakosti kalu a vápna se počítá s dávkou 10 – 30 % p ídavku vápna v p epočtu na sušinu kalu. Dochází k exotermické reakci a vzniku amoniaku, proto je nezbytné výkonné v trání. [3], [4] Další použitelnou metodou pro hygienizaci kalu je termofilní aerobní stabilizace p i teplotách 50 °C a více. Proces je založen na tom, že p i biologické oxidaci uhlíku se uvolňuje tepelná energie. K oxidaci se používá p evážn vzduch. Doba zdržení je 5 až Ř dní. Výhodou metody je výrazné odstran ní zápachu a malé reakční objemy. Nevýhodou jsou vyšší provozní náklady a zvýšené nároky na ízení provozu. [3], [4] Zatím stále nejrozší en jší zp sob následného využití, resp. odstran ní, kalu z čistíren je jeho ízená aplikace na zem d lské pozemky. Vyhláška Ministerstva životního prost edí č. 3Ř2/2001 Sb., Ěk zákonu č. 1Ř5/2001 Sb., o odpadechě o podmínkách využití upravených kal z čistíren na zem d lské p d , stanovuje relativn p ísná kritéria pro aplikaci kal Ěmezní hodnoty koncentrací vybraných rizikových látek v p d Ět žké kovy apod.), mezní hodnoty koncentrací vybraných rizikových látek v kalu, mezní hodnoty dávek t žkých kov , které mohou být p idány do zem d lské p dy za 10 let, mikrobiologická kritéria pro použití kal , povinnost producenta kalu zpracovat program použití kal , podmínky minimálního obsahu sušiny v tekutém i odvodn ném kalu). Dodržení všech podmínek je pro malé čistírenské lokality obtížné. [3], [4] Kal je pro účely vyhlášky rozd len:  kal kategorie I – kal, který je možné obecn aplikovat na zem d lské p dy p i dodržení zásad uvedených ve vyhlášce,  kal kategorie II – kal, který je možné aplikovat na zem d lské p dy určené k p stování technických plodin, na p dy na kterých se nebude minimáln 3 roky po aplikaci kal p stovat zelenina a intenzivn plodící ovocná výsadba, p i dodržení zásad ochrany zdraví p i práci a ostatních ustanoveních vyhlášky. Pokud kal nesplní limity alespoň pro kal II. kategorie, je nezbytná jeho dodatečná hygienizace, nap . vápnem. Tam, kde jsou k tomu podmínky, lze kaly výhodn využívat pro komposty. V n kterých regionech existuje specifická možnost využití kalu na rekultivace. Skládkování kalu je v EU metodou zcela neperspektivní a podmínky pro uložení kalu na skládku jsou p ísné. Možnosti nakládání s kalem a jejich využití v roce 2011 je patrné z grafu 1. [3]

16


Diplomová práce

Zp soby zneškodňování kalu v ČR za rok 2011 38%

p ímá aplikace a rekultivace kompostování 28%

26% 2%

6%

skládkování spalování jinak

Graf 1 Zp soby zneškodňování kalu v ČR za rok 2011[6]

17


Diplomová práce

3 Flotace a její využití v čistírenství Flotace je fyzikáln -chemický zp sob odstraňování lehkých pevných částic a oleje z kapaliny, nejčast ji z vody. P vodn byla flotace využívána p i úprav a zpracování kovových rud. P ibližn od poloviny 20. století se flotace využívá na čišt ní odpadních vod a úpravu pitné vody. Separace částic flotací se ídí stejným zákonem jako sedimentace, ale v reverzním sm ru. Principem flotace je, že suspendované látky Ěvločky, částice, organismyě se vznášejí tím, že mají menší m rnou hmotnost než kapalina, v které jsou rozptýlené nebo se v kontaktní zón spojují s mikrobublinkami vzduchu a jsou pak v separační zón vynášeny k hladin , kde vytvo í plovoucí vrstvu kalové p ny, která je odstraňována hydraulicky nebo mechanicky. Vzestupné rychlosti takto vzniklých agregát jsou o jeden až dva ády vyšší než byly p vodní sedimentační rychlosti t chto vloček, což umožňuje pracovat p i vysokém povrchovém zatížení flotace ve srovnání se sedimentací. Flotace rozpušt ným vzduchem ĚDůF - Dissolved Air Flotationě je separační proces, který se za azuje jako první stupeň p i úprav pitné vody, p i čišt ní r zných typ odpadních vod anebo zahušťování. [7], [8], [9]

3.1 Princip flotace Proces flotace probíhá ve čty ech základních krocích [8]: 1. tvorba bublinek v odpadní vod , 2. kontakt mezi plynnou bublinkou a rozptýlenými částicemi nebo olejovými kapkami suspendovaných v kapalin , 3. p ipojení částic nebo olejových kapiček k plynným bublinkám Ěvznik aglomerát ě, 4. vzestup aglomerát k hladin , odkud je vznášející se materiál odebírán. 3.1.1 Tvorba bublinek Velikost bublin je velmi d ležitým parametrem. Množství a velkost bublinek vytvo ených v daném objemu jsou funkcemi geometrického tvaru a pracovních podmínek dekompresní trysky, chemického složení odpadní vody a tlaku. Flotace plynem využívá vzlínavosti plynu ke zvednutí tuhé fáze v kapalin k povrchu. Použít se m že kterýkoliv plyn, který není vysoce rozpustný v kapalin , nejčast ji se uplatňuje vzduch. Plyn se z kapaliny uvolní jako proud malých bublinek. Bublinky mají flotační efekt pouze v rozsahu, ve kterém jsou schopny držet částečky nebo kapky oleje. Tato podmínka znamená, že rozm r bublinek je menší než rozm r rozptýlených částiček nebo vloček v suspenzi. [8], [9] Podle metody produkce bublin flotaci rozd lujeme [5], [9]: 

  

aeroflotace Ěplynová flotaceě, o flotace dispergovaným plynem, o tlaková flotace rozpušt ným plynem, o vakuová flotace rozpušt ným plynem, elektroflotace, biologická flotace, chemická flotace.

18


Diplomová práce

U flotace dispergovaným vzduchem jsou bubliny tvo eny intenzivním mechanickým mícháním, difuzorem nebo probubláváním vzduchu porézním médiem za atmosférického tlaku. Dochází k tvorb pom rn velkých vzduchových bublin o pr m ru p ibližn 1 mm. ůerace trvá pouze krátkou dobu a není účinná na vynášení pevných částic. [4], [9] Na tvorbu menších bublin je vhodn jší flotace rozpušt ným vzduchem. Bubliny vznikají v d sledku uvoln ní vzduchu z vody p esycené vzduchem. Pr m rná velikost bublin je v rozmezí 7-9 µm. Sycení vody vzduchem probíhá vakuov nebo tlakov . [9] P i tlakovzdušné flotaci je vzduch rozpušt ný v odpadní vod pod tlakem n kolika atmosfér (2,8 – 5,5 atm). Proud kapaliny a vzduchu je držený n kolik minut pod tlakem v tlakové nádrži, aby m l vzduch čas rozpustit se ve vod . Prost ednictvím redukčního ventilu je proud pod tlakem vpušt ný do flotační nádrže. Tlak se uvolní na jednu atmosféru Ětlak okolíě a v celém objemu kapaliny vznikají mikrobublinky. Podle zp sobu sycení vody vzduchem rozeznáváme tlakovou flotaci s úplným sycením, částečným sycením a s recirkulací (viz obr. 2). B žn se využívá tlaková flotace s úplným sycením. Tento typ je však energeticky náročný. Když není pot eba sytit celý objem natékající odpadní vody, sytí se pouze část nátoku na flotační jednotku – tlaková flotace s částečným sycením. V p ípad , že natékající odpadní voda je p íliš znečišt ná a ucpávala by sytící trysky, používá se tlaková flotace s recirkulací, kdy je sycena vyčišt ná voda z odtoku flotační jednotky. [4], [10] P i vakuové flotaci se vzduch rozpušt ný ve vod pod atmosférickým tlakem uvolňuje p i zmenšeném vn jším tlaku. Částečné vakuum zp sobí, že rozpušt ný vzduch vytvo í nepatrné bublinky. Vakuová flotace se hlavn využívá v pr myslu papíru a celulózy pro zachycování vláken. [4], [10] Elektroflotace využívá na tvorbu bublin elektrolýzu. Za ízení se skládá ze systému elektrod a napájení elektrod stejnosm rným proudem o nízkém nap tí. Produkované bubliny jsou velmi jemné, o velikosti 0,5-0,7 µm a tvo í je molekuly vodíku a kyslíku Ěelektrolýza vodyě. [9] Biologická flotace využívá k separaci plyn vznikající činností mikroorganizm . Využívá se pro zahušťování kalu z primárních usazovacích nádrží. Kal se parou oh ívá po dobu n kolika dní na teplotu 35 – 55 °C a činností mikroorganism vznikají bublinky plynu, které vynášejí částice kalu na hladinu. Biologická flotace má malý rozsah použitelnosti. [10] Chemická flotace je fyzikáln chemický proces separace látek, ve kterém vynášení zp sobují bublinky plynu, vznikající reakcí p idaných chemikálií nebo jiných látek. Tato flotace je vhodná jen pro n které druhy pr myslových odpadních vod. P ed vlastní flotační nádrž je nutné za adit reaktor s minimální dobou zdržení 3 – 5 minut. [10]

19


Diplomová práce

a)

b) Obr. 2 Tlakovzdušná flotace aě s recyklací, bě bez recyklace [11] D ležitým faktorem ovlivňující flotaci je rozpustnost plynu. Principem je rozpušt ní plynu pod tlakem a následné snížení tlaku za vzniku bublinek. Množství rozpušt ného plynu se ídí Henryho zákonem [12]: , kde:

(1)

pi je parciální tlak plynu i [Pa], C je koncentrace rozpušt ného plynu [mol/m3], k je Henryho konstanta [mol/(m3.Pa)] – hodnoty pro vybrané plyny jsou uvedeny v tabulce 2.

20


Diplomová práce

k [mol/(m3.Pa)] T [°C] 0 10 20 30 40

CO2

CO

C2H6

C2H4

He

H2

H2S

CH4

N2

O2

0,0728 0,104 0,142 0,186 0,233

3,52 4,42 5,36 6,20 6,96

1,26 1,89 2,63 3,42 4,23

0,552 0,768 1,02 1,27 -

12,9 12,6 12,5 12,4 12,1

5,79 6,36 6,83 7,29 7,51

0,0268 0,0367 0,0483 0,0609 0,0745

2,24 2,97 3,76 4,49 5,20

5,29 6,68 8,04 9,24 10,4

2,55 3,27 4,01 4,75 5,35

Tab. 1 Vybrané hodnoty Henryho konstant [12] Henryho zákon je použitelný do koncentrace C ≤ 0,05. Množství plynu, které se rozpustí v kapalin , je funkcí počátečního tlaku. Rozpustnost plynu je taky závislá na teplot a koncentraci rozpušt ných pevných látek. Se zvyšující se teplotou klesá hodnota Henryho konstanty, tedy klesá množství rozpušt ného plynu. Nasycená voda jde do nádrže, kde probíhá nukleace Ěvznik zárodk ě bublin na všech nízkoenergetických místech na pevných částicích Ěživotaschopné zárodky vznikají v centru volných kapalných vír ě. Pokud nejsou taková místa dostupná, bubliny nukleují homogenn v kapalné fázi. Po nukleaci bubliny rostou, až je jejich r st difuzn omezen. Velikost bubliny závisí na sytícím tlaku a pr toku nasycené kapaliny tryskou. [8] Výkon systému tlakovzdušné flotace závisí primárn na pom ru objemu vneseného vzduchu na množství pevné látky Ěů/Sě pot ebného k dosažení daného stupn vyčišt ní. Tento pom r se liší s každým typem suspenze a musí být experimentáln určen pomocí laboratorních zkoušek. Typický ů/S pom r doporučovaný p i zahušťování kal na ČOV se m ní od 0,005 do 0,060. [8] Vztah mezi ů/S pom rem a rozpustností vzduchu, pracovním tlakem a koncentrací pevných látek v kalu, p i sycení celého nátoku je [4]: ,

(2)

kde: A/S je pom r vneseného vzduchu ke hmot [ml(vzduchu)/mg(pevné látky)], sa je rozpustnost vzduchu [ml/l] – hodnoty pro r zné teploty uvedeny v tabulce 2, f je frakce rozpušt ného vzduchu p i tlaku P [-], p je tlak [atm], Sa je množství pevné látky kalu ve vod [mg/l]. Odpovídající rovnice pro systém se sycením recyklu je [4]: ,

(3)

kde: R je sycený recykl [m3/d], Q je nátok čišt né vody [m3/d]. Teplota [°C] sa [ml/l]

0 29,2

10 22,8

20 18,7

30 15,7

Tab. 2 Hodnoty rozpustnosti vzduchu p i r zných teplotách [4] 21


Diplomová práce

V obou rovnicích čitatel representuje množství vneseného vzduchu a jmenovatel množství pevné látky. Koeficient 1,3 je hmotnost v miligramech na mililitr vzduchu. Číslo -1 v závorce uvádí skutečnost, že systém je provozován za atmosférického tlaku. 3.1.2 Kontakt mezi bublinkou a částicí V kontaktní zón se musí bubliny vzduchu potkat s vločkami. Čím vyšší koncentrace bublin, tím v tší pravd podobnost srážky. Je však t eba brát v úvahu, že ne všechny bubliny, které se s vločkou potkají, se na ni naváží, obzvlášť když jsou na vločce již p ichycené bubliny. Bubliny se kv li svému zápornému náboji odpuzují, pokud se tedy sloučí ve v tší bubliny, musí p ekonat odpudivou sílu. V tší bublinky jsou rychlejší p i vzestupu, proto nedochází k tak častým kontakt m mezi bublinkami a částicemi, jako u menších bublinek [8]. Z tohoto d vodu jsou lepší menší bublinky. 3.1.3 Spojení bublinek a částic Dispergované částice nebo olejové kapičky se adsorpcí spojí s bublinkou. Materiál je selektivn adsorbován na povrch bublinek, vytvo í se aglomerát bublinky + částice, který pak stoupá k hladin . Efektivita separačního procesu závisí částečn na povrchové aktivit a hlavn na množství a velikosti vzduchových bublinek. [8] Spojení částic s bublinkami se d je na základ r zné smáčivosti povrchu částic (viz obr. 3). Pevné částice se smáčitelným povrchem jsou označovány jako hydrofilní a částice s nesmáčitelným povrchem jako hydrofobní. V p ípad , že kontaktní úhel mezi bublinkou a částicí je menší než ř0°, částice je nazývána hydrofilní. Neutrální částice má kontaktní úhel ř0° a hydrofobní v tší než ř0°. Kontaktním úhlem rozumíme úhel, který je svírán tečnou k povrchu kapky na povrchu pevné plochy, vedenou v bod styku kapky s pevnou plochou. Když je povrch částice hydrofobní, tak je p irozen vzduchofilní. V tomto p ípad vzduchová bublinka p ilne k povrchu částice.

Obr. 3 Hydrofobní a hydrofilní částice [13] Zabudování koloid do vloček pomocí chemikálií pomáhá k jejich odstran ní. N které nerozpustné látky mohou být taktéž navázané na chemikálie a tak odstran ny. [8] 3.1.4 Vzestup aglomerátů k hladině Každá částice nebo olejová kapička pot ebuje určitý počet bublinek, aby aglomerát m l nižší m rnou hmotnost než kapalina. Když částice nemá dostatek bublinek, klesá ke dnu. Proto, jak už bylo zmín no, je d ležitým faktorem počet vytvo ených bublinek na vstupu do flotační nádrže. 22


Diplomová práce

Síly p sobící na částici (viz obr. 4):

kde

-

gravitační:

-

vztlaková:

-

odporová:

, , ,

d je pr m r kulové částice [m], Vč je objem částice [m3],

),

g je tíhové zrychlení [m.s-2], (g = 9,80665 m.s-2 ), ρt je hustota tuhé látky Ěhustota částiceě [kg.m-3], ρk je hustota kapaliny Ěhustota okolíě [kg.m-3], je celkový odporový součinitel [-], (

),

Ač je plocha nejv tšího p íčného pr ezu částice [m2],

,

ug je usazovací rychlost částice [m.s-1].

FVZ

FG

FR

Obr. 4 Síly p sobící na sedimentující částici [14] Rovnice rychlosti usazování kulové částice:

kde: Δρ = ρt - ρk .

√

,

(4)

Celkový odporový součinitel je závislý na Reynoldsovém čísle. Pro r zné rozsahy Re jsou v tab. 3 uvedeny doporučené rovnice. Oblast

Rozsah Re

I – laminární (Stokesova)

Re < 0,5

II – p echodová

Re <0,5 ; 500>

III – turbulentní (Newtonova)

Re < 500 ; 3∙105>

Doporučená rovnice

23


Diplomová práce

Tab. 3 Doporučené rovnice pro výpočet odporového součinitele pro r zné oblasti proud ní [14] M že nastat dvojí pohyb částice [14]:  

ve sm ru gravitační síly, když ρt > ρk – p ípad usazování, proti sm ru gravitační síly, když ρt < ρk – p ípad flotace.

3.1.5 Parametry ovlivňující účinnost FJ Hlavní prom nné v systému kontroly účinnosti flotační jednotky [8]:           

vstupní plyn a objem nerozpušt ného plynu na jednotku objemu kapaliny, velkost bublin a stupeň rozptýlení, povrchové vlastnosti suspendovaných Ěnerozpušt nýchě částic, hydraulický návrh flotační komory, koncentrace a typ rozpušt ných látek, koncentrace a typ nerozpušt ných částic a olejových kapiček, p idané chemikálie, teplota, doba zdržení, recyklační pom r, pH.

Mnoho t chto parametr je neznámých, proto je doporučeno provád t laboratorní zkoušky Ěvhodné za ízení je znázorn no na obr. 5ě a poté testy na poloprovozní jednotce.

Obr. 5 Za ízení pro laboratorní flotaci [15]

24


Diplomová práce

4 Odstraňování fosforu z odpadních vod Celkový fosfor ve vod je součet rozpušt ného a nerozpušt ného fosforu. Rozpušt ný a nerozpušt ný fosfor se dále d lí na anorganicky a organicky vázaný. Rozpušt ný anorganicky vázaný fosfor se dále d lí na ortofosforečnanový a polyfosforečnanový. Fytoplankton a bakterie jsou schopné využívat rozpušt ný ortofosforečnanový fosfor, ortofosforečnany adsorbované na povrchu nerozpušt ných látek i n které málo rozpustné fosforečnany, které označujeme jako biologicky dostupný fosfor. Z hlediska čišt ní odpadních vod je však rozhodující koncentrace celkového fosforu, který se stanovuje ve vodách po rozkladu. [3] Fosfor se do odpadních vod dostává močí, výkaly a z pracích a čisticích prost edk . Podle zákona č. 254/2001 Sb. § 3Ř, p íloha 1 jsou organofosforové sloučeniny považovány za zvlášť nebezpečné látky. Hygienický význam sloučenin fosforu je malý, avšak mají klíčový význam p i eutrofizaci vod. Eutrofizace vod je obohacování vod o živiny zejména dusíku a fosforu. Vlivem eutrofizace dochází k p emnožení sinic a bakterií, které uvolňují ze svého t la toxiny zp sobující podrážd ní k že nebo kvetení rybník , proto je nevyhnutné snižovat jejich množství pod požadovanou hodnotu. Množství fosforu lze snížit používáním pracích a čisticích prost edk bez fosforu. Bohužel tento zp sob je t žko ovlivnitelný. Proto se p i modernizaci ČOV p idává proces na zvýšené odstran ní fosforu. [3], [16] Fosfor m že být z odpadní vody odstraňován [3], [16]: 





biologické odstran ní Ěaktivační část ČOVě, mechanické odstran ní Ěmembránové separační technologieě, fyzikáln chemické odstran ní Ěkoagulace a následná flotaceě.

Metody spočívají v navázání fosforu do pevných látek a následném odstran ní t chto látek. Fosfor m že být navázán biologickými nebo chemickými látkami a odstranit lze pouze fosforečnanové formy fosforu. Biologické odstraňování je založeno na buzení mikroorganizm , tak aby byli schopni navázat více fosforu než je normáln pot ebné pro jejich r st. Vhodným uspo ádáním aktivačního procesu lze dosáhnout zvýšenou akumulaci fosforu v produkovaném aktivovaném kalu a tím snížit jeho koncentraci v odtoku z ČOV. Bakterie schopné zvýšené akumulace fosforu do bun k aktivovaného kalu jsou označovány jako poly-P Ěpolyfosfát akumulující nebo polyfosforečnéě a pocházejí p evážn z rodu ůcinobakter. Zvýšená akumulace fosforu p edstavuje pro tyto mikroorganismy selektivní výhodu p i st ídání anaerobních a oxických kultivačních podmínek, které jsou základním p edpokladem pro zvýšenou akumulaci fosforu v buňkách aktivovaného kalu. Fosfor ale není vázán p íliš pevn a snadno se uvolňuje p i vystavení anaerobním podmínkám. Z tohoto d vodu musíme zabránit p íliš dlouhému pobytu zahušt ného kalu v dosazovací nádrži, kde by mohlo dojít k uvoln ní fosforečnan do odvodu do recipientu. Taktéž se nedoporučuje vystavení kalu anaerobním podmínkám v d sledku nežádoucího návratu fosforu kalovou vodou do hlavní technologické linky. [3], [4]

25


Diplomová práce

Membránové separační procesy zahrnují rozsáhlou skupinu proces a produktem jsou dva kvalitativn odlišné proudy. Vstupní proud je pod tlakem veden na separační membrány, p es kterou projdou pouze částice menší než je velikost pór membrány. [16] Chemické srážení využívá soli železa a hliníku nebo vápno. Filtrace je používána v kombinaci s biologickým nebo chemickým odstraňováním, když je z statkový fosfor mén než 1 mg/l. Ostatní fyzikální metody, jako ultrafiltrace nebo reverzní osmóza, jsou v odstraňování fosforu efektivní a jsou primárn používány na snížení celkového množství rozpušt ných látek. [4] U v tšiny odpadních vod je p ibližn 10 % fosforu v nerozpustné form a toto množství je odstran no v primárním usazováku. Protože po primární sedimentaci se v odpadní vod nachází krom fosforu navázaného v bun čné tkáni, pouze fosfor rozpušt ný, je další odstraňování konvenčním biologickým zp sobem málo účinné. [4] Účinnost r zných zp sob odstraňování fosforu je v Tab. 4. Zp sob odstraňování Konvenční odstraňování: -primární sedimentace -aktivovaný kal -skráp né filtry -rotační biologický filtr Biologické odstraňování: -odstraňování v hlavním proudu -odstraňování ve vedlejším proudu Kombinované biologické odstraňování N a P Chemické odstraňování: -srážení solemi kov -srážení vápnem Fyzikální odstraňování: -filtrace -reverzní osmóza -adsorpce aktivním uhlím

Odstran ný fosfor [%] 10-20 10-25 8-12 8-12 70-90 70-90 70-90 70-90 70-90 20-50 90-100 10-30

Tab. 4 Efektivnost r zných zp sob odstraňování fosforu [4] Z d vodu využití chemické metody na ČOV Svitavy se práce nebude podrobn ji zabývat zbývajícími metodami. Proces srážení fosforu solemi železa je podrobn vysv tlený v následující kapitole.

4.1 Koagulace Koagulace je fyzikáln chemický proces pro odstran ní koloidních a jemn suspendovaných částic z vody. Principem je shlukování částic do v tších celk . Tyto látky jsou proti samovolné koagulaci chrán ny stabilizujícími mechanizmy, proto cílem koagulace je destabilizace koloidních částic a následné shlukování. P idáním činidel Ěkoagulant ě, které mají koloidní charakter a shlukují se s koloidními částicemi v odpadních vodách, vzniká 26


Diplomová práce

hrubá disperze. S koloidními částicemi se shlukují p ímo koagulanty nebo produkty jejich reakce s vodou. Na destabilizaci se používá p ídavek koloidu s opačným povrchovým nábojem Ědestabilizace molekulárními koloidy a adsorpce iont na povrchu sraženinyě nebo zm na pH vody. [16], [17] Proces koagulace probíhá ve 4 krocích [17]: 1. nadávkování chemikálií, 2. fáze rychlého míchání, – trvá max. n kolik minut, – rozmíchání činidel ve vod , – destabilizace koloid , – tvorba mikrovloček, 3. fáze pomalého míchání, – trvá desítky minut Ě10 – 30), – agregace mikrovloček na makrovločky, – míchání mén intenzivní – brání rozbití vloček, 4. odd lení vloček (sedimentace, flotace). Vhodný koagulant se volí podle typu znečišt ní. Nejmenší vhodná dávka je úm rná mí e znečišt ní. Optimální dávka a pH se určí koagulačním pokusem. P idáním určitého množství chemikálií do odpadní vody se v kombinaci s fosforem vytvo í nerozpustné nebo málo rozpustné soli. Nejvíce používané chemikálie pro tento účel jsou sulfát hliníku, hlinitan sodný, chlorid železitý a s l kyseliny sírové nebo vápno. Používaný je i síran železnatý a chlorid železitý, jako vedlejší produkty výroby ocele. Polymery jsou využívány efektivn v spojení se sulfátem hliníku a vápnem jako pomocník pro flokulaci. Vápno je však využíváno mén často, protože dochází k podstatnému zvýšení množství kalu v porovnání se solemi kov a vyskytující se problémy so zásobováním, manipulací a skladováním. [4] Nejpoužívan jší srážedla [5]: 

Soli hliníku

Vhodný pro chemické srážení fosforu je síran hlinitý ůl2(SO4)3∙14 až 1ŘH2O a polyaluminiumchlorid Aln(OH)mCl3n-m. Síran hlinitý je granulovaný, korozivní a optimální hodnota pH je od 5,7 do 6,5. Polyaluminiumchlorid je v kapalné form , je kyselý, korozivní a optimální hodnota pH je od 5,7 do Ř v závislosti na zásaditosti chemikálie a tvrdosti vody. 

Soli železa (železnaté a železité soliě

Ze železnatých solí je používán monohydrát nebo heptahydrát síranu železnatého. Monohydrát síranu železnatého je ve form granulátu, není korozivní a heptahydrát síranu železnatého má strukturu sn hových krystal sv tle zelené barvy a je kyselý a korozivní. Pro oba je optimální pH v tší než 6,5. Používanou železitou solí je chlorid železitý jako roztok FeCl3. Je kyselý, korozivní a optimální hodnota pH je od 4,5 do 6,5 nebo v tší než Ř,5. 27




Diplomová práce

Soli vápníku

P ímé nebo následné chemické srážení lze provád t oxidem vápenatým CaO nebo hydroxidem vápenatým CaĚOH)2. Oxid vápenatý se používá obvykle granulovaný a je velmi agresivní. P i smíchání s vodou vzniká alkalický hydroxid vápenatý a uvolňuje se teplo. Hydroxid vápenatý se vyrábí z oxidu vápenatého p idáním vody podle stechiometrického výpočtu. Je to jemný prášek a je agresivní. Srážedlo m žeme p idávat v r zných místech procesu čišt ní odpadních vod [4]: a) P idání srážedla p ed primární sedimentaci Ěusazovací nádržě. Odstran ní fosforu v primárním čišt ní. Tento zp sob je též označován jako p ímé srážení a používá se v čistírnách bez biologického stupn . Srážedlo se p idává po p edčišt ní Ěčesle, lapáky pískuě, jak je patrné z obr. 6, tak aby bylo zajišt no jeho rychlé a úplné promíchaní. Vločky vznikají ve flokulační nádrži a následn se chemické vločky separují v usazovací nádrži nebo jiném za ízení pro separaci vloček. [5] Další variantou je p idání srážedla p ed biologický stupeň, často i p ed provzdušňovaným lapákem písku, p ed primárními provzdušňovacími nádržemi nebo p ed flokulačními nádržemi. Tento zp sob se označuje chemické p edsrážení a používá se na čistírnách s mechanickým i biologickým čišt ním odpadních vod. Chemické vločky se separují společn s primárním kalem a ty, které nejsou odstran ny v primární usazovací nádrži, se dostávají s odpadními vodami do dosazovací nádrže, kde se separují s biologickým kalem. [5] Chemické činidlo

Usazovací nádrž

Biologické čist ní

Dosazovací nádrž

Likvidace nebo op tovné využití

Nerozpustný fosfor

Obr. 6 P idání srážedla p ed usazovací nádrž [4] b) P idání srážedla p ed a/nebo za biologické čišt ní. Odstran ní fosforu v sekundárním čišt ní. Simultánní chemické srážení se používá v čistírnách s biologickým stupn m v závislosti na použitém aktivačním procesu. Srážedlo se p idává u výtoku z aktivační nádrže nebo společn s vraceným aktivovaným kalem Ěobr. 7ě, takže probíhá chemický i biologický proces čišt ní. Smíšený chemický a biologický kal se sedimentací odd luje v dosazovací nádrži nebo ve flotačním stupni. [5]

28


Chemické činidlo

Usazovací nádrž

Diplomová práce

Chemické činidlo


Dosazovací nádrž

Likvidace nebo op tovné využití

Nerozpustný fosfor

Obr. 7 P idání srážedla p ed a/nebo za biologické čišt ní [4] c) P idání srážedla za sekundární sedimentaci Ědosazovací nádržě. Odstran ní fosforu v p ídavném, terciárním čišt ní. V čistírnách s biologickým stupn m Ěčišt ní aktivovaným kalem, čišt ní s využitím p isedlé kultury, apod.ě se používá následné chemické srážení. Srážedlo se p idává do sm šovací reakční nádrže za dosazovací nádrží Ěobr. 8). Tvorba vloček probíhá ve flokulační nádrži, za kterou je za azena poslední dosazovací nádrž kde se sedimentací odlučuje chemický kal. [5] Chemické činidlo

Usazovací nádrž


Dosazovací nádrž

Dosazovací nádrž

Další zpracování

Nerozpustný fosfor

Obr. 8 P idání srážedla za dosazovací nádrž [4] d) P idání srážedla na víc místech v procesu. Chemické srážení na dvou nebo t ech r zných místech čistícího procesu (viz obr. 9) se používá pro zvýšení účinnosti srážení. Nap íklad se srážedlo p idává v lapáku písku, aktivační nádrži a posledním pískovém filtru. [5] Chemické činidlo

Chemické činidlo

Usazovací nádrž

Nerozpustný fosfor


Chemické činidlo

Dosazovací nádrž

Dosazovací nádrž

Nerozpustný fosfor

Nerozpustný fosfor

Další zpracování

Obr. 9 P idání srážedla na víc místech v procesu [4] Chemické srážení na filtrech se obvykle používá pro dopln ní biologického odstraňování fosforu, chemického p edsrážení nebo simultánního srážení. Srážedlo se p idává do p ítokového potrubí nebo p ítokového žlabu k filtru a musí být zajišt no účinné promíchání. [5] 29


Diplomová práce

Protože polyfosforečnany a organický fosfor se odstraňují h než ortofosforečnany, k dosažení nejlepšího výsledku se soli hliníku nebo železa p idávají po sekundárním čišt ní, kde jsou polyfosforečnany a organický fosfor p etransformovaný na ortofosforečnany. V d sledku p idávaní chemikálií m žeme ve vyčišt né vod očekávat zvýšené množství rozpušt ných látek. [4] Po nadávkování nebo vytvo ení koloid s opačným povrchovým nábojem dojde k vyrovnání náboj a začnou vznikat malé elektroneutrální agregáty, které se nadále spojují až do separovatelné velikosti. Shlukující se koloidní částice tvo í vločky, tedy flokulují. Flokulaci lze urychlit pomocí flokulant . Pro tento zp sob koagulace je d ležité sledovat pH vody. I pouhá zm na pH m že vyvolat koagulaci koloid . Na pH je závislá rozpustnost sraženiny Fe nebo ůl koagulantu a její složení. [4] Podle koagulantu a jeho funkčního rozmezí pH lze koagulaci rozd lit na koagulaci v kyselém a v zásaditém prost edí. Typickými koagulanty pro kyselé prost edí jsou soli kov Fe3+ a Al3+. Pro odstran ní t žkých kov je účinn jší koagulace v zásaditém prost edí, avšak odstran ní organických látek je mén účinné než koagulace v kyselém prost edí. [4] P i koagulaci solemi železa vznikají vločky fosfátu železa Ěreakce hydroxidu železa a fosforuě. Na doporučení pana Ing. Pavla Novotného se soli železa dávkují s p ebytkem cca 1,5, proto ve vod z stávají i částice hydroxidu železa. Vyčišt ná voda z usazovacích nádrží sebou strhává i malinké množství kalu. Ve flotační jednotce pak musíme počítat se t emi druhy částic, každá s jinou velikostí. Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.

30

5 Závěr Diplomová práce se zabývala problematikou terciárního čist ní odpadní vody se zam ením na snížení koncentrace fosforu srážením a následným odstran ním vznikající sraženiny flotací. Hlavním cílem diplomové práce bylo ov it, zda je tato technologie vhodn naprojektována pro projekt XY, který realizuje firma Kunst, s.r.o. Jak bylo výše zmín no, jedná se o technologii, která v ČR není instalováno, a proto nejsou k dispozici vhodné provozní poznatky. Navíc je obecn známo, že koagulace a flotace jsou pom rn složité fyzikáln -chemické procesy, které je vždy lepší nejlépe poloprovozn odzkoušet. Časový harmonogram výše zmín ného projektu neumožnil dlouhodobé zkoušky, nicmén z nam ených údaj vyplývá, že navržená technologie bude plnit sv j účel. Výsledky diplomové práce byly již b hem pr b hu zkoušek p edávány jako podklady pro úpravy projektu XY, resp. jako potvrzení funkčnosti navrženého projektu, projektantovi firmy Kunst, s.r.o.

Seznam použité literatury [1] Zp soby likvidace odpadních vod. In: [online]. [cit. 2012-11-0Ř]. Dostupné z: http://www.vscht.cz/uchop/velebudice/voda/COV/zpusoby_likvidace_odpad_vod_vse. pdf [2] ČR. Sm rnice rady ř1/271/EHS: o čišt ní m stských odpadních vod. In: 1řř1. Dostupné z: http://www.mzp.cz/C1257458002F0DC7/cz/smernice_odpadni_vody/$FILE/OOV91_271_EHS-19910530.pdf [3] PYTL, Vladimír. Příručka provozovatele čistírny odpadních vod. 2. vyd. Líbeznice: Medim pro SOVůK ČR, c2012, x, 20ř s. ISBN ř7Ř-80-87140-26-0. [4] Wastewater engineering: treatment, disposal, and reuse. 3rd ed. New York: McGrawHill, c1991, xvi, 1334 s. Series in water resources and environmental engineering (McGraw-Hill). ISBN 00-704-1690-7. [5] ČSN EN 12255-13. Čistírny odpadních vod - Část 13: Čištění odpadních vod chemickým srážením. Praha: Český normalizační institut, 2003. [6] Vodovody, kanalizace a vodní toky 2011: Kaly. Český statistický úřad [online]. 2012, [cit. 2013-04-27]. Dostupné z: http://www.czso.cz/csu/2012edicniplan.nsf/p/2003-12 [7] Úprava vody: Flotace ĚDůFě. In: Envi-pur [online]. 2012 [cit. 2012-12-10]. Dostupné z: http://www.envi-pur.cz/?page=flotace-rozpustenym-vzduchem [8] Flotation technology. New York: Humana, c2010, xxi, 680 s. Handbook of

environmental engineering. ISBN 978-1-58829-494-4. [9] BIELů, Renata. Vodárenská flotace a její použití p i úprav pitné vody v ČR. In: TZB info [online]. 2012 [cit. 2013-01-12]. Dostupné z: http://voda.tzb-info.cz/likvidace-

odpadnich-vod/8900-vodarenska-flotace-a-jeji-pouziti-pri-uprave-pitne-vody-v-cr [10] HUBÁČKOVÁ, Jana a Vladimír ERBEN. VÝZKUMNÝ ÚSTůV VODOHOSPODÁ SKÝ. Využití flotace při procesu úpravy vody. Praha: Státní zem d lské nakladatelství, 1řŘř. [11] INTEGROVůNÁ PREVENCE ů OMEZOVÁNÍ ZNEČIŠT NÍ. Běžné čistění odpadních vod a odpadních plynů. Informační portál Ministerstva pr myslu a obchodu, 2003. Dostupné z: http://www.ippc.cz/obsah/CF0196 [12] GEANKOPLIS, Christie J. Transport processes and unit operations. 3 ed. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1993, 921 s. ISBN 01-393-0439-8. [13] LYČKOVÁ, Barbora, Peter FEČKO a Radmila KUČEROVÁ. Technologické postupy pro zpracování odpadních kal . Zpracování kalů: Multimediální učební texty zaměřené

na problematiku zpracování kalů [online]. 2008 [cit. 2013-02-12]. Dostupné z: Technologické postupy pro zpracování odpadních kal [14] MEDEK, Jaroslav. Hydraulické pochody. Vyd. 4., V ůkademickém nakl. CERM 1. Brno: CERM, 2004, 339 s. ISBN 80-214-2640-3. [15] Sanin, F.D., Clarkson, W.W. and Vesilind, P.A. 2011. Sludge Engineering : The Treatment and Disposal of Wastewater Sludges. Destech Pubns Inc., USA. ISBN 9781932078879 [16] VURM, Radek. ODSTRůN NÍ KONTůMINůNT Z ODTOKU ČISTÍRNY ODPůDNÍCH VOD. Ekomonitor . 200?, Dostupné z: http://www.ekomonitor.eu/sites/default/files/soubory/2011/29_vurm_ft.pdf. [17] Základy čišt ní odpadních vod. Ústav technologie vody a prostředí [online]. 2009 [cit. 2012-11-10]. Dostupné z: http://www.vscht.cz/homepage/tvp/index/studenti/bc_tech_zp/zaklady_cisteni_ov

Seznam obrázků Obr. 1 Schéma ČOV................................................................................................................. 13 Obr. 2 Tlakovzdušná flotace aě s recyklací, bě bez recyklace [11] .......................................... 20 Obr. 3 Hydrofobní a hydrofilní částice [13] ............................................................................. 22 Obr. 4 Síly p sobící na sedimentující částici [14] ................................................................... 23 Obr. 5 Za ízení pro laboratorní flotaci [15].............................................................................. 24 Obr. 6 P idání srážedla p ed usazovací nádrž [4]..................................................................... 28 Obr. 7 P idání srážedla p ed a/nebo za biologické čišt ní [4] .................................................. 29 Obr. Ř P idání srážedla za dosazovací nádrž [4] ...................................................................... 29 Obr. ř P idání srážedla na víc místech v procesu [4] ............................................................... 29

Seznam tabulek Tab. 1 Vybrané hodnoty Henryho konstant [12]...................................................................... 21 Tab. 2 Hodnoty rozpustnosti vzduchu p i r zných teplotách [4] ............................................. 21 Tab. 3 Doporučené rovnice pro výpočet odporového součinitele pro r zné oblasti proud ní [14] ........................................................................................................................................... 24 Tab. 4 Efektivnost r zných zp sob odstraňování fosforu [4] ................................................ 26

Seznam grafů Graf 1 Zp soby zneškodňování kalu v ČR za rok 2011[6] ...................................................... 17

VYUŽITÍ TLAKOVZDUŠNÉ FLOTACE PRO TERCIÁRNÍ STUPEŇ ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD

Recommend Documents