INFORMAČNÍ ZDROJE Přednášky Skripta, učební texty
PRINCIPY BČOV
Růžičková, I. (2009) Základy úpravy a čištění vod, kap. 4 – 9, VŠCHT Praha. Růžičková I. (2005) Čistírny odpadních vod, kap. 9 – 10, 12, ČZU Praha.
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.
• Wanner J., Růžičková I., Krhůtková O., Beneš O. (2000) Biologická kontrola čištění odpadních vod, AČE ČR, Praha. Knihy, monografie, příručky knihovna ÚTVP, NTK, knihovna VÚV TGM Praha, B108….
TERMINOLOGIE BIOCHEMICKÝCH PROCESŮ Sborníky specializovaných konferencí a seminářů (IWA, AČE ČR, CzWA) Firemní literatura Odborné časopisy Water Research Water Science and Technology Vodní hospodářství Internetové stránky International Water Association (IWA) www.iwahq.org European Water Association (EWA) www.ewaonline.de Water Environment Federation (WEF) www.wef.org Asociace pro vodu ČR (CzWA) www.czwa.cz Výzkumný ústav vodního hospodářství TGM Praha www.vuv.cz Ministerstvo zemědělství ČR www.mze.cz Ministerstvo životního prostředí ČR www.mzp.cz
Substrát zdroj energie světlo – fototrofní organismy anorganické a organické sloučeniny – chemotrofní organismy Zdroj uhlíku anorganické látky – litotrofní organismy organické látky – organotrofní organismy Externí substrát/zdroj uhlíku – přítomny v médiu, před využitím nutno transportovat do buněk exogenní metabolismus Interní substrát/zdroj uhlíku – využití akumulovaných/uložených látek endogenní metabolismus Nutrienty bakteriální růst – makronutrienty (N, P, příp. S) a mikronutrienty (Ca, Mg, K, Mo, Zn, …) technologie odstraňování nutrientů – pouze N a P
RŮST A MNOŽENÍ MIKROORGANISMŮ Kultivační podmínky oxické/aerobní konečný akceptor elektronů: O2 ORPH kladný
Stratifikace idealizované vločky aktivovaného kalu exponované
Růstová křivka I II
anoxické konečný akceptor elektronů: N-NO3-, N-NO2ORPH cca 150 – 250 mV
III IV
anaerobní transfer elektronů z jedné organické látky na druhou ORPH záporný
V VI
lagová fáze fáze zrychleného růstu exponenciální fáze fáze zpomaleného růstu stacionární fáze fáze poklesu
A) do prostředí s vysokou koncentrací substrátu B) do prostředí s nízkou koncentrací substrátu
1
Rychlost růstu v exponenciální fázi:
Růstovou rychlost lze sledovat pouze v jednorázovém systému. Kontinuální kultivace čisté kultury bez recirkulace mikroorganismů: chemostat
X = X0 · eµt X a X0 jsou koncentrace mikroorganismů [M·L-3] v časech t a t = 0 µ je specifická rychlost růstu [T-1]. Specifická růstová rychlost závisí na koncentraci substrátu (S) podle Monodovy rovnice:
Q
S1
limitujícího
µmax je maximální specifická rychlost růstu [T-1] KS je půlrychlostní (saturační) konstanta [M·L-3]
V S, X
S, X Q
b je specifická rychlost rozkladu [T-1] D = Q/V je zřeďovací rychlost buněk, tj. převrácená hodnota doby zdržení buněk [T-1].
Ustálený stav:
- číselně rovna koncentraci substrátu, při které je specifická růstová rychlost rovna polovině maximální růstové rychlosti.
SLOŽENÍ AKTIVOVANÉHO KALU
PRINCIPY BIOLOGICKÉHO ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD v biologickém reaktoru působením mikroorganismů
1. Destruenti (95 %) biochemický rozklad látek z odpadní vody 95 % baktérie mikroskopické houby, plísně, kvasinky, sinice,…
Klasifikace biologických reaktorů dle způsobu kultivace biomasy: 1. polykultura ve formě suspenze = aktivovaný kal Aktivační nádrž (aktivační proces) 2. polykultura ve formě nárostu na vhodném nosiči = biofilm Biofilmové reaktory 2. Konzumenti (5 %) substrát - bakteriální a jiné mikrobiální buňky vyšší osídlení – protozoa (jednobuněční), metazoa (mnohobuněční)
3. reaktory s kombinovanou kultivací biomasy
Vyšší osídlení aktivovaného kalu
Nálevníci
Protozoa – prvoci, jednobuněční Bičíkovci Kořenonožci - kryténky, měňavky
bičíkovci
lezoucí
plovoucí
přisedlí kryténky
měňavka
2
Metazoa – mnohobuněční Vířníci Želvušky Hlístice, červi, roztoči
vířníci
ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY KULTIVACE AKTIVOVANÉHO KALU
želvušky
Základní uspořádání z hlediska teorie reaktorů:
červi
hlístice
• • •
jednorázový (vsádkový, diskontinuální, batch) systém semikontinuální systém (SBR – sequencing batch reactor) kontinuální systémy ideální - s pístovým tokem - s ideálním promícháváním reálné - s postupným tokem - směšovací
roztoči
Semikontinuální systém
Jednorázový (vsádkový, diskontinuální, batch) systém Roztok substrátu se smísí s aktivovaným kalem a směs se provzdušňuje. Během provzdušňování: • úbytek substrátu z počáteční hodnoty S0 na hodnotu St závislou na době provzdušňování • přírůstek sušiny biomasy z počáteční hodnoty X0 na hodnotu Xt
Semikontinuální kultivace = časově se opakující jednorázový proces. Po určité době odebereme část biomasy a kultivačního média a obsah nádrže doplníme novým roztokem. Na začátku každého provzdušňovacího cyklu se smíchá substrát o koncentraci S0 se zbylou kapalinou v nádrži, ve které je koncentrace substrátu St. Výsledná směs má proto na začátku provzdušňování koncentraci SS, která je vždy nižší než S0.
S0
Rychlost odstraňování substrátu je největší na začátku procesu >> maximální rychlost spotřeby kyslíku. Mikroorganismy v prostředí s měnící se koncentrací substrátu (koncentrační gradient). St
Po určité době (obvykle po vyčerpání substrátu) se sledování procesu ukončí - pro praktickou aplikaci nevýznamné, pouze laboratorní měřítko.
Mikroorganismy jsou v prostředí s měnící se koncentrací substrátu Rychlost spotřeby kyslíku opět největší na začátku cyklu (pokud pouze oxické podmínky). V laboratorních podmínkách se používá k napodobení poměrů, za kterých pracuje kontinuální systém s pístovým tokem, který nelze realizovat. Provozní aplikace SBR reaktorů.
Kontinuální systémy – s postupným tokem AN
O
P AS
VK
ODP. VODA
DN
PK
ODTAH P – přítok, O – odtok, AS - aktivační směs, VK - vratný aktivovaný kal, PK - přebytečný AK, AN - aktivační nádrž, DN - dosazovací nádrž
A
B
C VZDUCH
D
E
• substrát (odpadní voda) se směšuje s vratným kalem před vstupem do aktivace • koncentrace substrátu klesá, klesá i rychlost spotřeby kyslíku • mikroorganismy aktivovaného kalu jsou vystavovány měnící se koncentraci substrátu – existence koncentračního gradientu.
3
Kontinuální systémy - směšovací aktivace
Hydraulická charakteristika
AN DN AS
P
VK
O
P – přítok, O – odtok AS - aktivační směs VK - vratný aktivovaný kal PK - přebytečný aktivovaný kal AN - aktivační nádrž DN - dosazovací nádrž
PK
• substrát (odpadní voda) přichází do nádrže odděleně od vratného kalu • nádrž intenzívně provzdušňována a míchána • stejné složení, koncentrace substrátu na odtoku je stejná jako v celé nádrži. • rychlost odstraňování substrátu i rychlost spotřeby kyslíku jsou konstantní • mikroorganismy aktivovaného kalu jsou vystavovány stále stejným (a nízkým) koncentracím všech složek z odpadní vody.
Vlastnosti stopovacích látek: • ekologicky a zdravotně nezávadné • stanovitelné v nízkých koncentracích • neovlivňující hydraulickou charakteristiku • cenově dostupné Stopovací látky: • barviva – Rhodamin B • anorganické soli • méně často i radioizotopy biogenních prvků
Ideální systém – s pístovým tokem (nedochází k podélnému mísení a směs se pohybuje konstantní rychlostí)
Reálný systém – s postupným tokem
Hydraulická charakteristika systému s ideálním promícháváním
• v laboratorních podmínkách lze napodobit systém s postupným tokem větším množstvím malých směšovacích nádrží za sebou
AKTIVAČNÍ RPOCES • nejrozšířenějším způsobem biologického čištění odpadních vod • kontinuální kultivaci biomasy s recyklem
Vznik a vývoj aktivačního procesu Anglie – konec 19. a zač. 20. století - největší koncentrace obyvatelstva a průmyslu » opakované hygienické problémy - požadavky průmyslu (zejm. textilního) na kvalitní vodu » nutnost zabývat se systematicky kvalitou vody v řekách 1914 – vynález aktivačního procesu – Arden, Lockett, Fowler Pokusy s dlouhodobým provzdušňováním odpadní vody Vznik vločkovité suspenze – aktivovaný kal
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.
Mary Gayman, A Glimpse into London´s Early Sewers, Cleaner Magazine, © 1996, COLE Publishing Inc.
Printed cholera notice, 1866. LSHTM Library & Archives
4
Vznik a vývoj aktivačního procesu Situace u nás: 1906 – Praha - uvedení do provozu jedné z nejmodernějších kanalizačních ČOV na kontinentě (princip mechanického čištění s možností intenzifikace chemickým srážením) - Sir William H. Lindley, (Ekotechnické muzeum, Stará kanalizační čistírna v Bubenči)
1910 – Jáchymov – první zkrápěný biofiltr v rámci Rakouska-Uherska 1912 – na pražské ČOV první laboratoř pro chemii a mikrobiologii odpadních vod ve střední Evropě 1965 – 1967 – ÚČOV Praha na Císařském ostrově – největší aktivační ČOV ve střední Evropě
http://www.staracistirna.cz
5
