Intenzifikace ČOV

Datum: 27.4.2012
V budoucnu se předpokládá, že další intenzifikace čistíren odpadních vod ČOV budou muset být řešeny s co nejmenšími prostorovými a energetickými nároky. Na významu nabude jak odstranění nutrientů, tak i otázka energií – co nejvíce ušetřit, případně i co nejvíce energie vyprodukovat. Tento příspěvek se tedy zaměří na některá vybraná technologická zařízení a postupy v tomto směru působící.

Po létech tučných, kdy se rekonstruovaly čistírny odpadních vod spíše extenzivním způsobem, neboť náklady byly hrazeny z veřejných prostředků, se očekává, že další kroky povedou spíše cestou intenzifikce, tj. ve stávajících objemech s co nejúspornějšími technologiemi se budou řešit jak požadavky na zvýšení kapacity, tak i požadavky na přísnější odtokové parametry. Při tom by měly mít přednost technologie spotřebovávající co nejméně energie a technologie, které co nejvíce energie z odpadních vod budou schopny získat.

Zásady navrhování

Pokud chceme zohlednit energetické hledisko, je třeba si v první řadě je třeba si uvědomit, v jaké formě se energie ve vodě nachází:
- jako organické látky, které v aerobním prostředí reagují za vzniku tepelné energie,
- jako tepelná energie (samotná teplota odpadní vody),
- jako hydrostatická a nebo hydrodynamická energie.

Z tohoto pohledu by tedy měly být upřednostněny postupy, kdy se co nejvíce organických látek využije na výrobu tepelné nebo elektrické energie, postupy při nichž je minimální spotřeba elektrické energie a uspořádání, kdy se co nejméně energie spotřebuje na dopravu vody a kalu.

Předčištění

S ohledem na výše uvedené by na významu měly získat technologie umožňující zachycení co nejmenších částic organických látek. Separace organických látek jednak umožní jejich další využití a tím, že se sníží koncentrace znečištění, se pak sníží i potřeba aerace a tedy výdaj elektrické energie na aeraci.

Vhodná strojní zařízení

Je již celá řada zařízení specializujících se na odstranění co nejmenších frakcí nerozpuštěných látek. Na trhu jsou nejrůznější jemné česle, rotační síta nebo dokonce filtrační zařízení.

Vhodná strojní zařízení – česla a síta

Obvykle jsou česle prvním stupněm na ČOV nejčastěji se používají vertikální pruty se štěrbinou 6-12 mm. V některých případech se používají i síta, přičemž jejich funkce je obecně spolehlivá. V Německu se navrhují česle a síta podle DIN 19569, část 2 (DIN 2002). Podle konstrukčních aspektů a podle technického vybavení a velikosti otvorů se síta dělí na česle s otvory do 2 mm a síta s otvory nad 2 mm. Dalším technickým aspektem je konstrukce povrchu síta a geometrie. Dnes se používají štěrbiny, otvory a oka. Podle konstrukčního uspořádání se česle a síta dělí na zařízení s horizontálními a vertikálními průlinami (štěrbinami).  tabulka 1 a obrázek 1 ukazují dnes používané rozdělení česlí a sít. (viz DWA- Merkblattentwurf - Membranbelebungsanlagen) a používané geometrické uspořádání.

Tab. 1 Charakteristika česlí a sít (rozměry v mm)

Česle

Síta

               Štěrbiny vertikální           Otvory

               a horizontální

               Štěrbiny vertikální           Otvory

                   a horizontální                 oka

Hrubé            50- 20                           -

Hrubé         větší než 1               větší než 1

Střední           20-10                            -

Jemné         menší než 1                   0,2 – 1

Jemné            10 – 2                         12-2

Mikro              ------                  menší než 0,2

 
 Geometrie česlí a sít

Obr. 1 Geometrie česlí a sít

Pro navrhování je důležitý podíl otvorů. Zde většinou vycházejí lépe oka než otvory. Důležitý je pak i způsob čištění a potřeba např. vody nebo vzduchu na ostřik a čištění. Z provozních důvodů se síta a česle navrhují se 100% předimenzováním (zejména u menších čistíren). 
Vzhledem k vývoji předčištění je třeba zohlednit množství zachycených nečistot i při projektování. Shrabky činí (při sušině asi 25%) 4-8 l /(EO.den). Zkušenosti ukazují, že při použití jemného síta se štěrbinami se dosahuje obdobných výsledků. Při použití jemného síta s oky a otvory může být zachycené množství až 5x větší. V extrémních situacích (splachy po delší době bezdeštného průtoku) pak ještě významně větší množství viz Tabulka 4.2.

Tab.2  Shrabky (odvodněné na 25% sušiny) v l / (EO.den)

Zařízení

Geometrie

Množství

jemné česle

Štěrbina

Otvor

4-8

4-10

jemné síto

0,2-1 mm

Štěrbina

otvor, oko

4-10

10-20

 

V Německu bylo dále provedeno dlouhodobé sledování na asi 20 ČOV s různými způsoby filtrace na sítech – vliv na odstranění má jak geometrie otvorů (tab. 3), tak i jejich velikost.

Tab. 3 Vliv geometrie otvorů na zachycení NL a snížení CHSK

Vliv geometrie na zachycení NL a snížení CHSK – oko x horizontální štěrbina

Síto

NL

CHSK

Štěrbina (0,75 mm)

15 %

9 %

Oko (0,75 mm)

24 %

23 %

 

Síto s oky vykazuje očekávaně téměř dvojnásobný výkon, co se týká zachycení odfiltrovatelných látek.

Tab. 4  Vliv velikosti otvorů na odstraněních NL a CHSK

Vliv velikosti otvorů – štěrbina 0,5 x štěrbina 1,0 mm

Síto jako druhý stupeň

NL

CHSK

Štěrbina (0,5 mm)

13 %

19 %

Štěrbina (1 mm)

6 %

2 %


Tento pokus proběhl na ČOV Nordkanal/karest. Předčištění před oběma štěrbinami bylo identické (česle s průlinami 5 mm a lapák písku a tuků). Také tento pokus ukazuje, že velikost štěrbiny má podstatný vliv.

Vhodná strojní zařízení – filtrace - SFT FILTR jako jedno z možných řešení

Nařízení EU pro primární usazování jej definuje jako zařízení, jež je schopno odstranit alespoň 50 % přitékajících NL a 20 % organických látek (ve formě BSK5). Jeho význam opět nabývá na významu v souvislosti s použitím membránových technologií, kde je třeba zajistit následnou spolehlivost provozu. Dokonalé předčištění také vede k následné minimalizaci objemů a k lepší energetické bilanci celé ČOV. Např. firma ASIO má ve své nabídce zařízení, které těmto nejmodernějším požadavkům vyhovuje, a to SFT FILTR. Toto zařízení je schopno navíc NL separovat i zahustit a s pomocí integrované odvodňovací jednotky kal odvodnit až na 20-40% sušiny.

SFT FILTR

 

Obr.2   SFT FILTR


Použití SFT FILTRŮ má své opodstatnění tam, kde:

  • chceme minimalizovat prostorové nároky,
  • chceme optimalizovat provoz látkově přetěžované čistírny,
  • chceme zlepšit energetickou bilanci na ČOV,
  • chceme umožnit použití dalších technologií vedoucích ke zvýšení kvality odtokových parametrů (MBR) nebo kvality produkovaného kalu (ATS).

Nesmíme však přitom zapomenout, že je třeba přizpůsobit i technologické schéma ČOV a zohlednit skutečnost, že se v procesu biologického čištění bude pracovat s menším množstvím organických látek. Což má návaznosti na odstraňování dusíku. Což sice zas až tak úplně nové téma není, ale cestičky přeci jen ještě nejsou úplně prošlapané, a tak bude nutno počítat s klasickým odporem proti novinkám.

Biologické procesy

Z pohledu energetické úspornosti by se teoreticky měly upřednostnit anaerobní procesy, což určitě bude v budoucnu jedna z cest, zatím je jejich nevýhodou nižší úroveň čištění. S lepší schopností pracovat více s tepelnou energií, případně dalšími novými procesy význam anaerobie poroste.

Pro nejbližší období je tak úkolem minimalizace nákladů při použití aerobních technologií. Z hlediska technologického je vhodné využit denitrifikace k minimalizaci nákladů na oxidaci organických látek. Další cesty vedou přes volbu vhodných dmychadel – pomalu se prosazují šroubová na úkor rootsových - nebo hledání nových aeračních systémů s vyšším využitím vkládané energie, a přes optimalizaci řízení procesu čištění – nejčastěji aerace v závislosti na kontinuálním měření obsahu rozpuštěného kyslíku.

K podstatnému snížení energetických nároků ČOV můžou vést nové způsoby odstranění dusíku (deamonifikace) nebo způsoby intenzifikující nitrifikaci – bioaugumentace, které se většinou zaměřují na problematiku kalové vody, která je v bilancování dusíku dost podstatnou součástí.

Schéma ČOV s denitrifikací je všeobecně známé a využívané v různých uspořádáních. Principem je recirkulace aerobně předčištěné vody obsahující dusičnany a využití dusičnanů k oxidaci amoniakálního dusíku, čímž se uspoří energie na aeraci.

Příklad ČOV s denitrifikací

Obr.4   Příklad ČOV s denitrifikací

Deamonifikace

je vlastně přímá oxidace amoniaku na dusík bez potřeby organických látek. Postup je dvoufázový. V prvním stupni se zoxiduje jen asi 50% amoniaku na dusičnany. V druhém jsou v anoxických podmínkách amoniak a dusičnany redukovány na dusík N2. Velká výhoda tohoto postupu je to, že prakticky není potřeba uhlík. Také se tímto způsobem ušetří až 60% spotřeby kyslíku oproti klasickému postupu nitrifikace x denitrifikace. Jen 10% amoniaku se změní na dusičnany, tak že pak není možné odstranění dusíku na 100%, což ale při 85-90% odstranění dusíku není problém.

Praktické provedení deamonifikace

Pro tento proces jsou potřebné speciální mikroorganismy, které byly objeveny až v roce 1999. Tyto bakterie rostou extrémně pomalu (zdvojnásobení počtu za 11 dnů), jsou i citlivé na zvýšený obsahu dusitanů, což doposud zabraňovalo většímu technickému použití v praxi.

Největší vliv měla instalace zařízení DEMON na spotřebu el. energie. Pokles specifických hodnot vztažených na 1kg N byl za 2-3 kWh/kgN na asi 1 kWh/kgN.  Tento pokles byl očekáván a dá se zdůvodnit mimo jiné vyšší koeficientem α neboť v aktivaci byly nižší koncentrace a zmenšením podílu heterotrofních organismů. Také tím, že nebyly dávkovány přídavné organické látky, se zmenšila potřeba kyslíku. Zvýšil se i potenciál pro tvorbu bioplynu.

Vedle ČOV zaměřujících se na snížení potřeby elektrické energie se budou objevovat požadavky na zvýšení účinnosti a snížení nároků na objemy. Typickým představitelem tohoto směru jsou membránové technologie.

Dalším způsobem jak šetřit objem a intenzifikovat procesy ke snížení nutrientů jsou nárůstové technologie – kdy se využívá činnosti mikroorganismů přisedlých na povrch nějakého nosiče. Přičemž nosiče mohou být různého tvaru – v poslední době se rozšiřují nosiče jako vznášená vrstva v aktivaci (MBBR). Dociluje se tím jednak vyšší koncentrace sušiny kalu v aktivaci a druhak zvýšení procenta nitrifikačních bakterií a tím i lepšího čistícího efektu při odstraňování dusíku. Tímto způsobem lze zmenšit objem aktivačních nádrží až na polovinu.

Kalové hospodářství

Oblast, která spolu s předčištěním a aerací nejvíce ovlivní energetické hodnocení. Snahou by měla být výroba bioplynu a jeho energetické využití na výrobu el. energie a tepelné energie, která se využije např. na sušení kalu. Nové směry vývoje pak preferují výrobu vodíku z bioplynu a použití palivových článků.
Snahy v této oblasti se tak logicky ubírají několika cestami:

- snaha o co nejvyšší produkci bioplynu – což lze dosáhnout vyššími teplotami při zpracování kalu nebo dezintegrací kalu, zde zase existuje několik možností jak dezintegrovat. Asi nejnadějnější je tepelná desintegrace, ale vyzkoušená je celá řady dalších metod např. ultrazvukem. Další metody využívají biologických metod – volba vhodných bakterií a vytváření optimálních podmínek pro ně,
- snaha o co nejmenší provozní náklady a spotřebu energie při zpracování kalů,
- snaha o minimalizaci množství kalů a snížení nákladů na jejich likvidaci. Jednou z cest ověřovaných např. ve Švýcarsku je využití tepla z výroby elektrické energie na sušení kalu a jeho následné využití v cementárně nebo ve spalovně.

Vhodná strojní zařízení – příklady - AS-DEHYDRÁTOR

V současnosti menší čistírny odpadních vod většinou nemají vlastní kalovou koncovku, a tak se kal většinou stabilizuje v objemných kalových nádržích, aby byla zajištěna alespoň základní stabilizace. Zahuštění kalu se většinou děje gravitačně, což znamená, že výsledná koncentrace kalu je kolem 2-3 % objemu sušiny. To znamená, že v konečném důsledku se odváží 98 % vody a to za dosti značnou cenu (cca 200 Kč/m3). Výhodnou variantou, jak tomuto zamezit, je zařízení nazývající se AS-DEHYDRÁTOR. To je navrženo tak, aby bylo malé, lehké se snadnou údržbou a plně automatickým chodem. Konečným produktem je kal, jehož zahuštění by mělo být větší než 18 % sušiny. Zařízení by díky svým nízkým investičním i provozním nákladům mělo být vhodné na menší čistírny do 5 000 EO. Významnou předností tohoto zařízení je schopnost zahušťovat sekundární kal přímo z aktivace, takže u návrhu nové ČOV mohou odpadnout náklady na výstavbu uskladňovacích nádrží.

Nová technologická schémata

Výše uvedená zařízení a postupy je možné využít samostatně nebo v kombinacích. Na následujících obrázcích je pro srovnání uvedeno klasické, dnes nejčastěji používané technologické schéma a pak schémata s minimálními nároky na objemy, která využívají  MBR a nebo MBBR technologií s novým typem předčištění. U jednotlivých obrázků jsou pak uvedeny i objemy nádrží, které jsou nutné pro jednotlivá uspořádání.

Obr.5   Příklad klasického schématu s usazovací nádrží a biologickým čištěním.


Obr.6 
Schémata s MBR a MBBR technologiemi

Závěr

Je zřejmé, že některé dnešní požadavky budou a jsou protichůdné a v tom je právě výzva dnešní doby – dokázat minimalizovat náklady a zároveň maximalizovat výnosy a zvyšovat kvalitu produktů. Ze zkušeností a minulosti se ví, že když je potřeba (poptávka), tak se řešení najde. Také realizované výzkumy ukazují, že se objevují nové možnosti – ať už v oblasti recyklací nutrientů (což je jedna z priorit), recyklací energií (ve vodě odchází takové množství energie, že by se tím dala pokrýt z velké části současná potřeba) a recyklaci vody samotné.

Ing. Milan Uher, Ing. Karel Plotěný


Literatura

1. UHER MILAN: Realizace membránové ČOV pro 1850 EO (2011), ASIO, spol. s r.o., Brno, Sborník seminářů – Las Tapas, str. 45-52
2. PLOTĚNÝ KAREL: Předčištění na komunálních čistírnách (2009), ASIO, spol. s r.o., Brno, Sborník seminářů – Membrány po lopatě, str. 35-36


Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k semináři ASIO, spol. s r.o. „Vodohospodářské jednohubky aneb přijďte ochutnat novinky“ (únor 2012).

 

Kontakty

ASIO, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: 9nwzka6

ASIO NEW, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: z9g8vaw

tel.: 548 428 111
e-mail: asio@asio.cz
 


Chcete dostávat informace z oboru, pozvánky na akce, novinky a důležité informace? Přihlašte se!

required

required