Petr Hlavínek
OBSAH PREZENTACE ÚVOD MEMBRÁNOVÉ BIOREAKTORY POLOPROVOZNÍ TESTOVÁNÍ NIZKOZATÍŽENÉ AKTIVACE S MEMBRÁNOVOU FILTRACÍ MOŽNOSTI PRO INTENZIFIKACE ČOV S MBR ZÁSADY DIMENZOVÁNÍ MBR KONSTRUKČNÍ PŘEDPOKLADY PŘI VÝSTAVBĚ MBR PŘÍPADOVÉ STUDIE ZÁVĚRY A DOPORUČENÍ
2
ÚVOD Rozvoj MBR v Evropě byl podpořen 4 výzkumnými projekty VI. Rámcového programu EU
AMEDEUS EUROMBRA MBR-TRAIN PURATEAT
Do projektů bylo zapojeno 50 evropských společností a institucí, které koordinovaly své činnost přes cluster MBR-NETWORK. Celková částka na řešení projektů přesáhla 16 mil EUR.
www.mbr-network.eu 3
ÚVOD Aktivační čistírny odpadních vod se separací kalu ponořeným membránovým modulem (dále MBR) ?
MBR kombinují aerobní biologické čištění s membránovou separací a tudíž:
Čistý desinfikovaný produkt Malá zastavěná plocha Problémy s bytněním kalu jsou méně relevantní Hydraulická doba zdržení je menší a stáří kalu vyšší Proces čištění je velmi intenzivní, zejména nitrifikace
To je proč MBR jsou:
Schopny dosahovat velmi přísné parametry na odtoku KLÍČOVÝM KANDIDÁTEM PRO „ZNOVUUŽITÍ“ VODY 4
ÚVOD Průmyslové užití Úpravna vody
Indirektes Čistírna odpadních vod Recycling Užití v urbanizovaném území
Golfové hřiště Doplnění podzemní vody
Direktes Ekologické užití Recycling Zemědělské užití
5
ÚVOD NeWater Singapore 75 700 m3/d 6 % pitné účely
6
VÝVOJ EVROPSKÉHO TRHU S MBR 600
2005: ~ 400 MBR 330,000 m² 1.2 millionů EO. €57 millionů ročně > 10% růst
Počet instalací
500 400
300
> 50 za rok > 20 za rok
200 100 0 rok
7
Projekt
Technologie
Shending River, Čína
BOW
Wenyu River, Čína
ASAHI
Johns Creek, GA, USA
Datum uvedení do provozu
Průtok (m3/d)
2010
120.000
2007
100.000
GE Zenon
2009
94.000
Beixaothe, Čína
Siemens
2008
78.000
Al Ansab, Muscat, Oman
Kubota
2010
78.000
Peoria, AZ, USA
GE Zenon
2008
76.000
Cleveland bay, Austrálie
GE Zenon
2007
75.000
Sabadell, Španělsko
Kubota
2009
55.000
San Pedro del Pinatar, Španělsko
GE Zenon
2007
48.000
Syndial, Itálie
GE Zenon
2005
47.000
Broad Run WRF, VA, USA
GE Zenon
2008
47.000
Peking Miyun, Čína
MRE
2006
45.000
NordKanal, Německo
GE Zenon
2004
45.000
Tempe Kyrene, AZ, USA
GE Zenon
2006
44.000
Brescia, Itálie
GE Zenon
2002
42.000
Traverse City, MI, USA
GE Zenon
2004
39.000
Linwoog, GA, USA
GE Zenon
2007
38.000
North Kent Sewer Authority, MI, USA
GE Zenon
2008
35.000
Jinqiao Power, Čína
GE Zenon
2006
31.000 8
Dubai Sports City, SAE
GE Zenon
2009
30.000
K/BOW
MEMBRÁNOVÉ BIOREAKTORY MBR Konvenční aktivační proces česle
Influent
Lapák Primární písku Usazovací nádrž
Aktivační nádrž
Dosazovací nádrž
Třetí stupeň
odtok
Konvenční aktivační proces s třetím stupněm pomocí membránové filtrace
Integrace membránového stupně do aktivační čistírny odpadních vod
9
KONFIGURACE MBR MEMBRÁN
10
TECHNOLOGICKÉ MODIFIKACE MBR
BIOFILMOVÉ MEMBRÁNOVÉ REAKTORY Kombinace membránové separace s biofilmovými reaktory Má mnohem nižší koncentrace suspendovaných látek, nižší viskozitu a nižší tendenci k ucpávání. Využití nosičů biomasy v aktivační nádrži vede k nižší spotřebě energie pro aeraci díky nižší viskozitě, menším problémům s depozicí kalu na membránové moduly. ANAEROBNÍ MEMBRÁNOVÉ PROCESY Kombinace membránové separace s anaerobními reaktory. Využitelná pro čištění odpadních vod z malých zdrojů znečištění, kde limity na dusík nejsou problém. Hygienizovaný odtok lze z výhodou použít pro závlahy.
11
POLOPROVOZNÍ TESTOVÁNÍ MBR
Poloprovoznímu testování předcházely laboratorní zkoušky zkoumány různé provozní stavy ověřen MBR proces s biomasou ve vznosu ověřen MBR proces s biomasou ve vznosu kombinovanou s biomasou přisedlou technologie regenerace deskových modulů technologie regenerace modulů z dutých vláken testován AnMBR
12
POLOPROVOZNÍ TESTOVÁNÍ MBR
13
TESTOVÁNÍ MBR CHSK prítok
CHSK permeát
CHSK supernatant
2100 1. ETAPA
3. ETAPA
2. ETAPA
1800
1200
CHSK ~ 50 mg.l-1
900 600
BSK5 0,5 až 8 mg.l-1
300
.2008 16. 12
.2008 21. 11
.2008 27. 10
2008 2.10.
008 7.9.2
2008 13. 8.
2008 19. 7.
2008 24. 6.
2008 30. 5.
008 5.5.2
2008 10. 4.
2008 16. 3.
2008 20. 2.
2008 26. 1.
008 1.1.2
2007
0
7.12.
CHSK
(mg l -1)
1500
Hodnoty CHSK během celého sledovaného období 14
16. 12
21. 11
27. 10
.2008
.2008
.2008
2008
Ncelk prítok
2.10.
008
2008
7.9.2
13. 8.
2008
2008
2008
2. ETAPA
19. 7.
24. 6.
30. 5.
008
2008
5.5.2
10. 4.
2008
2008
2008
1. ETAPA
16. 3.
20. 2.
26. 1.
008
2007
1.1.2
7.12.
N celk, NH4-N (mg l -1)
TESTOVÁNÍ MBR 400 NH4-N perm eát
350 3. ETAPA
300
250
200
150
N-NH4+ 0,3–2 mg.l-1
100
50
0
Průběh koncentrací Ncelk na přítoku a N-NH4+ na odtoku 15
ČIŠTĚNÍ MEMBRÁN Fyzikální
Chemické
Zpětný proplach • se vzduchem • bez vzduchu RELAXACE
Kombinace Chemicky podpořený
Základní • chlornan sodný Kyseliny • citrónová • šťavelová Okysličovadla • Peroxid vodíku
CIP, CIA
Proplach (CEB) 16
Možnosti pro intenzifikace ČOV s MBR Náhrada dosazovacích nádrží (100% MBR) Hybridní paralerní MBR (Dual 1)
4 – 12 g/l
4 g/l
10 g/l 15 g/l
Hybridní sériový MBR (Dual 2) 4-6 g/l
Dvoustupňový systém ? 4 g/l
Source: AMEDEUS, Lesjean 2008
15 g/l
Specifické náklady, EUR na EO
INVESTIČNÍ NÁKLADY Investiční náklady pro nové ČOV
1989 - 2006 2000 1800
Aktivační ČOV
1600
Aktivační ČOV s 3 st.
1400
MBR Cena kompletní ČOV)
1200 1000 800 600 400 200 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Kapacita, MLD 18
INVESTIČNÍ NÁKLADY Rozložení investičních nákladů pro MBR 34%
15% 39%
12%
Stavba
Technologie
Elekto
Membrány
19
SPOTŘEBA ELEKTRICKÉ ENERGIE Průměrná spotřeba elektrické energie 2,50 Aktivační systém Aktivační systém s 3. st. čištění
2,00
MBR
E, kWh/m³
Průměr 1,50
Průměr aktivace s 3 st. čištění
1,00
0,50
0,00 0
1.000.000
2.000.000 3.000.000
4.000.000
5.000.000 6.000.000
7.000.000 8.000.000
Roční množství čištěných odpadních vod, m³/rok
20
ZÁSADY DIMENZOVÁNÍ MBR
množství přebytečného kalu se nijak zásadně neliší od klasických biologických čistíren, rychlosti kinetických reakcí odpovídají rychlostem při běžných aktivačních procesech, stáří kalu se obvykle pohybuje ve stejném rozsahu jako u klasických biologických aktivačních čistíren, kaly z MBR neovlivňují negativně zpracování kalů, všechny použitelné membránové moduly s velikostí pórů do 0.5 μm se propírají vzduchem a jejich účinnost odstraňování choroboplodných zárodků se podstatně neliší, pro MBR je vody nutno vždy řádně mechanicky předčistit, aby se předešlo ucpávání membrán a akumulaci kalu, a tudíž ke zhoršení hydraulické účinnosti membrán, aplikace MBR neomezuje účinnost základních čistírenských procesů (snížení CHSK, nitrifikace, denitrifikace, biologické nebo chemické odstranění fosforu nebo aerobní stabilizaci).
21
KONSTRUKČNÍ PŘEDPOKLADY PŘI VÝSTAVBĚ MBR
filtrační nádrž nebo aktivace s membránovou vestavbou mohou být plněny samospádem nebo čerpáním, podle něhož se pak navrhuje i recirkulace kalu, aktivace s membránami nebo samostatná filtrační nádrž jsou zároveň vyrovnávací nádrží, neboť nedisponují volným přepadem, to znamená že je nutno brát v úvahu změnu výšky hladiny. Nad filtrační jednotkou je třeba počítat minimálně s 30 – 50 cm vody a také výška membrán nade dnem by měla být alespoň 30 cm, při hloubkách větších než 2.5 m je třeba uvažovat s míchacím zařízením k zamezení vzniku zkratových proudů, přívodní a odtokové žlaby po stranách se osvědčily pro minimalizování vlivu nárazového hydraulického přetížení a zkratového proudění. Vertikálního proudění lze dosáhnout děrovaným potrubím, apod,
verze 2010
22
KONSTRUKČNÍ PŘEDPOKLADY PŘI VÝSTAVBĚ MBR
je třeba zajistit rovnoměrný přívod na jednotlivé jednotky tak, aby se zabránilo nerovnoměrnému zanášení membrán. Velikost sestav modulů je tím i limitována, vzhledem ke kolísání v přítoku na ČOV je třeba monitorovat výšku hladiny především v membránové komoře, přičemž je třeba počítat i s případnou tvorbou pěny, je třeba zajistit, aby permeát používaný v systémech se zpětným proplachem neobsahoval nerozpuštěné látky a zároveň se doporučuje jeho kontinuální sledování, chemické čištění (regenerace) membrán se provádí přímo v samotné nádrži (oddělený reaktor) nebo v oddělené komoře (integrovaný reaktor). Šachty na regeneraci musí rozměrově odpovídat použitým filtračním jednotkám a je nutné, aby byly vybaveny odpovídající technikou. Velikost a počet komor vyplívá z předpokládaného provozování, nádrže, ve kterých probíhá regenerace membrán, musí být vybaveny odolným povrchem, 23
KONSTRUKČNÍ PŘEDPOKLADY PŘI VÝSTAVBĚ MBR
musí být zabráněno přístupu listí, větví a dalších nečistot z okolí, jež by mohly způsobit ucpání nebo poškození membrán i za cenu zakrytí nádrží, výpadek jedné nebo více filtračních jednotek by mohl způsobit kolaps celé čistírny. Proto musí být v návrhu zohledněn a zpracován plán opatření pro případ výpadku části technologie, je třeba zohlednit hmotnost suché filtrační jednotky při montáži a použité při demontáži. Výhodou je, pokud je možné jednotku zbavit aktivační směsi. Je třeba zajistit odvětrání všech sacích potrubí a potrubí, jimiž jsou přiváděny chemikálie, životnost přepínacích ventilů se předpokládá na 100 000 změn polohy. Životnost je možné prodloužit neúplným uzavíráním klapek. - Dmychadla musí být regulovatelná s možnou rezervou na připojení dalších filtračních jednotek, pro zakrytá zařízení s membránovými reaktory je třeba zajistit klimatizaci nebo alespoň dostatečnou výměnu vzduchu. Mimoto je třeba pro sklady chemikálií a jejich dávkování při regeneraci zajistit ochranu zdraví obsluhy. 24
PŘÍPADOVÉ STUDIE Poznatky z laboratorního a poloprovozního testování membránových ČOV jsou průběžně přenášeny do praxe. V současnosti je v České republice v provozu přes 100 MBR, převážně do kapacity 500 EO. Největší realizovanou MBR je ČOV Benecko (1900 EO). Největší MBR v projekční přípravě je v současnosti ČOV Pasohlávky (13.300 EO). ČOV Podomí (600 EO) je uvedena vzhledem ke zvýšenému požadavku na jakost vyčištěných odpadních vod (krasová oblast).
25
PŘÍPADOVÉ STUDIE Základní návrhové parametry Parametr
Jednotka
Benecko Pasohlávky
Podomí
Průměrný Flux
l.m-2.h-1
10,4
8,0
12,0
Maximální Flux
l.m-2.h-1
23,4
15,0
25,0
kg. m-3
10
10
12
kg BSK5.kg suš.d-1
0,075
0,05
0,05
Koncentrace kalu Zatížení kalu
26
PŘÍPADOVÉ STUDIE ČOV Benecko
27
PŘÍPADOVÉ STUDIE ČOV Pasohlávky
28
INTENZIFIKACE PŘEDČIŠTĚNÍ Síta, 1-3 mm
1 stávající česle, 6 mm Lapák písku
Duté vlákno – 1 mm Deskové moduly - 3 mm
29
PRŮTOKOVÉ SCHÉMA MBR Aktivační nádrž S jemnobublinnou aerací
4 filtrační nádrže
Přebytečný kal
30
Koncentrace v aktivační nádrži/filtraci 8 / 12 g/L Stávající dosazovací nádrže jako rezerva
PŘÍPADOVÉ STUDIE
31
ZÁVĚRY A DOPORUČENÍ
Membránová separace aktivovaného kalu se zdá být v současné době nejlepší technologií, která zaručuje značné výhody jak pro biologické a separační procesy, tak i pro zajištění stabilně nízkých koncentrací znečištění na odtoku z ČOV. Těmito výhodami jsou nízké nároky na prostor oproti dosud používaným dosazovací nádržím, možnost vysoké koncentrace aktivní biomasy, vyšší stáří a koncentrace kalu, což umožňuje odstraňování biologicky těžce rozložitelných látek a především pak kvalita odtoku, což je předpokladem pro jeho zpětné využívání. Vzhledem k velikosti pórů dochází k zadržení všech bakterií a částečně i virů, které nelze odstranit sedimentací v dosazovacích nádržích.
32
DĚKUJI ZA POZORNOST
33
