Zkušenosti z návrhu, realizace a provozu membránové ČOV

7. 6. 2012

Obecně o komunálních ČOV s membránami (MBR)
Tím, že membránová vestavba umožňuje náhradu dosazovací nádrže a zároveň umožňuje pracovat i s vyššími koncentracemi kalu, a to obvykle až kolem 10 g/l, zmenší se podstatně nároky na objem aktivace. Celkem by objem biologické části a dosazovací nádrže mohl být zmenšen až na třetinu. Lze při tom zachovat i klasická schémata s denitrifikací nebo zvýšeným biologickým odstraňováním fosforu.

Hlavní výhody MBR
Hlavní výhodou MBR je podstatná úspora prostoru a separační schopnosti zabezpečující zachycení nerozpuštěných látek a tedy nízké odtokové hodnoty nejen nerozpuštěných látek ale i CHSK a BSK, a co je důležité i hygienické zabezpečení vody. To takovou vodu přímo předurčuje k recyklaci a jejímu dalšímu využití, což znamená, že je k dispozici zdroj užitkové vody, která může nahradit část pitné vody. Další předností je to, že tato voda není vypuštěna do toku, což má pozitivní vliv na imisní hodnoty v toku, zejména obsah nutrientů a následně trofizaci vod.

Nevýhody MBR
Vždy je něco za něco, ale pokud má být nějaká novinka podpořena, tak jde o to, aby výhody převážily nad nevýhodami. Je zjevné, že MBR jsou technologií, která bude klást větší nároky na obsluhu po stránce technické a technologické – membrány jsou separační stupeň a nemohou nahradit nefungující biologický stupeň. Je také nutné počítat s tím, že samotný provoz membrán si vyžádá vyšší spotřebu energie danou kontinuálním čištěním povrchu membrán vzduchem, a také nutností membrány občas chemicky regenerovat. I když i tady je nutno podotknout, že vývoj jde stále kupředu a náklady na provoz jsou stále snižovány – v literatuře je uváděno, že ve srovnání se stavem před deseti roky jsou tyto náklady nižší o více než 80%.

Další možnosti MBR
Další možností, jak lze systém MBR využit, je tzv. hybridní uspořádání, pomocí něhož se dají řešit např. extrémní požadavky na dosažení imisních hodnot v málo vodných tocích. Systém pak pracuje tak, že v bezdeštném období je voda na odtoku filtrována přes membrány a v době deště je pak část vody vedena přes klasickou dosazovací nádrž (DN). V té době je i v toku více vody a tak jsou i přes nižší kvalitu odtoku z ČOV splněny imisní hodnoty.

a) Zkušenosti z realizace membránové ČOV pro 1850 EO

Požadavek na výstavbu čistírny odpadních vod (ČOV) vznikl na základě záměru soukromého investora, který řeší výstavbu jedenácti bytových a dvou polyfunkčních domů v lokalitě na okraji obce Chýně (Hostivice u Prahy). Původní záměr napojení se na stávající obecní čistírnu ztroskotal na její omezené kapacitě. Proto se investor rozhodl k vybudování nové ČOV na „zelené louce“. Bohužel se v okruhu této lokality nenachází dostatečný recipient, kam by bylo možno vyčištěné odpadní vody vypouštět. Nejbližší vodní zdroj, kam je nakonec i budovaná čistírna zaústěna, je vzdálen cca 1 km od samotné stavby. Jedná se o Litovický potok, kde je dle ČHMU návrhový průtok Q355 roven jen 2,5 l/s, z čehož vyplývá i následný logický vývoj požadavků na návrh ČOV.

Původně byla generálním projektantem, firmou ARPOS s.r.o., navržena ve spolupráci s naší společností ASIO, spol. s r.o., klasická komunální čistírna s biologickým systémem D-N, gravitační separací kalu a s terciárním stupněm, který byl zajištěn pomocí mikrosíta. Tato technologie byla zřejmě schopna plnit předepsané limity, avšak na hraně svých možností. V době, kdy byly řešeny garance odtokových parametrů, vznikl ještě další problém, který se týkal požadavku na zmenšení plochy ČOV. Tato potřeba definitivně rozhodla o použití membránové technologie. Proto byla zvolena technologie biologického membránového reaktoru (MBR), jehož prostorové nároky jsou nižší než u klasických technologií založených na aktivačních procesech se separací biomasy v dosazovací nádrž. Tato potřeba definitivně rozhodla o použití membránové technologie. Srovnání obou variant je uvedeno v následujících půdorysech.

Situace Klasické ČOV s gravitační separací kalu a mikrosítem

Situace ČOV s MBR

Jak je vidět z výše vyobrazeného, došlo téměř k 100% úspoře potřebného prostoru. Původní návrh vyžadoval 211 m2 a nově navržená ČOV pouze 112 m2.

Návrh membránové ČOV

Přítokové množství a parametry znečištění

Tab. 1 Návrhové vstupní hodnoty

Ekvivalentní počet obyvatel	EO	1	1850
Specifické množství odpadních vod	l / ob./ den	135	135
Průměrný denní přítok OV (Q 24 )	m 3 / d	250
Balastní vody (10% z Q 24 )	25
Průměrný bezdeštný denní přítok (Q 24 + QB)	275
Maximální bezdeštný denní přítok (Q 24 ,m . kD + QB)	375
Maximální bezdeštný hodinový přítok (Q 24 ,m . kD . kH + QB)	m 3 / hod	33,1
Množství znečištění (dle ČSN 75 6401)	kg BSK 5 / d	0,06	111,0
kg CHSK Cr/ d	0,12	222,0
Kg NL/ d	0,055	101,7
Kg N-NH4/ d	0,011	20,3
Kg P celk / d	0,0025	4,6

Popis návrhu ČOV
Odpadní voda převážně splaškového charakteru z oddílného systému kanalizace přitéká do vstupní čerpací stanice (ČS). ČS je vybavena hrubým česlicovým košem a dvěma čerpadly. Odpadní voda bude čerpána přes jemné strojní česle o velikosti ok 1 mm do denitrifikační sekce. Denitrifikace je vybavena míchadlem pro homogenizaci objemu. Z denitrifikační části odtéká odpadní voda gravitačně do nitrifikační části, která je vybavena jemnobublinnými provzdušňovacími elementy. Z této části je odpadní voda čerpána do membránové sekce, kde dochází k separaci aktivovaného kalu a vyčištěné vody. Vyčištěná voda je čerpána do Litovického potoku přes čerpací stanicí, Přebytečný aktivovaný kal je čerpán na „spirálový dehydrátor“ (strojní odvodňovací zařízení), který odvodněný kal ukládá do přistaveného kontejneru.

Z důvodů etapovitosti výstavby bytových domů se počítá s přibližně stejnou etapovitostí
i u náběhu ČOV. V první etapě byly vybudovány kompletní stavební objekty včetně zámečnických výrobků, trubní rozvody, rozvody silno- i slaboproudu, řídicí systém, zařízení na čištění vzduchu, ČS na přítoku i odtoku, jemného předčištění, dmychadla a jednoho membránového modulu postačujícího pro uvažovaných 300 EO. První etapa počítá s využitím jedné denitrifikační části a jedné nitrifikační části, ve které spolu s jemnobublinnými aeračními elementy bude umístěn i jeden membránový modul. Přebytečný kal bude uskladněn v denitrifikační části druhé linky.

V druhé etapě se uvažuje s doplněním druhého membránového modulu a zvýšením koncentrace aktivovaného kalu na 11,6 g/ l. Celková kapacita ČOV pro druhou etapu je navržena pro 600 EO.

Třetí etapa uvažuje se zprovozněním kompletní jedné linky ČOV tj. doplnění třetího membránového modulu a přesunutím všech modulů do membránové sekce. Zahuštění přebytečného kalu je navrženo pouze jako gravitační, tak jak v první a druhé etapě. Celková kapacita třetí etapy je 900 EO.

Čtvrtá etapa uvažuje s kompletním zprovozněním celé ČOV tj. celé druhé linky, včetně kalového hospodářství. Celková kapacita je 1850 EO.

Typ použitého systému MBR a očekávané parametry na odtoku

Vzhledem k  dlouholetým zkušenostem a na základě ověření byly pro tuto první větší dodávku zvoleny deskové membrány siClaro® od firmy MARTIN Systems AG.
Ekonomické srovnání původně navržené varianty klasické ČOV a realizované varianty s membránami (MBR)
Ekonomický rozbor jednotlivých variant
Z hlediska investičních nákladů lze říci, že vyšší investice do technologie MBR jsou v celku úspěšně kompenzovány rapidním snížením objemů nádrží, které je dosažitelné díky možnosti až čtyřnásobného zvýšení koncentrace aktivovaného kalu. Celkové navýšení investičních nákladů pro navrhovanou čistírnu bylo cca 1,5 mil. Kč, což je v přepočtu 810 Kč/EO. Nutno ovšem říci, že biologická část pro konvenční variantu byla počítána s vyšším zatížením kalu. Při srovnání MBR a aktivace se zatížením kalu 0,07 kg/(kg.d) by se navýšení pohybovalo okolo 500 tis. Kč.
Nevýhodou MBR je navýšení provozních nákladů, které se ovšem od konvenční čistírny liší pouze spotřebou elektrické energie k zajištění vzduchu potřebného pro kontinuální čištění membrán. U této velikosti se jedná o navýšení cca o 140 kWh/den. Dále je nutné uvažovat náklady na chemické čištění, které se pro danou velikost odhadují na 20 – 30 tisíc korun v závislosti na skutečné době mezi regeneracemi, a náklady na výměnu membrán po skončení jejich životnosti. Porovnání dvou návrhů z hlediska provozních nákladů muže být velmi zavádějící. Skutečné hodnoty budou známé až ze zkušebního provozu. Z teoretického odhadu provozní doby jednotlivých strojů lze prozatím počítat s celkovým navýšením o 300 tis. Kč/rok, tj. cca o 3 Kč/m3. Významným posunem v posouzení ekonomiky by bylo to, kdyby se našlo uplatnění vyčištěné vody, což by okamžitě navýšení změnilo v úsporu, která by se při dnešních cenách pohybovala kolem 25 Kč/m3.
Závěrečné porovnání investičních a provozních nákladů.
Co se týká investičních nákladů, uvedená ČOV pro cca 2000 EO byla postavena za stejné investiční náklady jako by byla postavena klasická méně účinná technologie, tj. cca za 9000 Kč/EO. Co se týká provozních nákladů, ty byly vypočteny ve srovnání s klasickou aktivací o 3 Kč/m3 vyšší. Pokud by však mělo být dosaženo stejné kvality vody, pak by provozní náklady obou technologií byly srovnatelné.

b) Zkušenosti z provozu membránové komunální čistírny odpadních vod

Vzhledem k tomu, že z provozování výše uvedené ČOV 1850 EO není dostatek dat, tak část věnovaná provozu MBR je převzata ze sledování další, v té době, největší čistírny komunálních odpadních vod (ČOV) s membránovou separací a to o kapacitě 400 EO. Technologické schéma této čistírny sestává z denitrifikace (DEN), nitrifikace (NIT), nitrifikace s membránovou separací (NMS) a bezpečnostního dosazováku SST

Z nitrifikace osazené membránou je permeát filtrován do odtokového žlábku, z kterého odtéká dále do recipientu. Separační část technologie je zajištěna dvěma membránovými moduly deskového typu o ploše 2 x 50 m ² (siClaro, FM 642, velikost pórů: 0,03 μm tj- stejné jako u větší ČOV

Metodika měření

Složení přítoku a odtoku do respektive z ČOV z hlediska obsahu oxidovatelných organických látek (CHSK), amoniakálního dusíku (N-NH ₄ ), dusičnanů (N-NO ₃ ), dusitanů (N-NO ₂ ) a fosforečnanů (P-PO ₄ ) bylo měřeno na základě spektrofotometrických metod uvedených v následující literatuře [1].

Celkové množství nerozpuštěných látek bylo pak stanoveno gravimetricky. Koncentrace silně vázaných extracelulárních polymer (ECP) byla stanovena po termální extrakci a zahrnovala analýzu čtyř skupin ECP: huminové látky (HL), proteiny (P), DNA a sacharidy (S). Tyto složky byly dále sledovány v supernatantu a permeátu. [2]. Pro stanovení jednotlivých skupin ECP byly použity následující metody: Fenol-kyselino sírová metoda [3] pro sacharidy, Folin-Ciocalteu metoda [4] pro proteiny a huminové látky a difenylaminové činidlo [5] pro DNA.

Výsledky a diskuze

Vlivy působící na zanášení membrány

Po celou dobu bylo sledováno množství extracelulárních polymerů (ECP) a rozpuštěných ECP (SMP). ECP jsou produkty metabolismu organismů, tvořící slizovitou matrici aktivovaného kalu, v níž jsou mimo jiné zadržovány vláknité mikroorganismy. Tyto látky mají různé úlohy a mají vliv na zanášení membrán.

Tab. 2 Procentuální zachycení jednotlivých skupin ECP na povrchu membrány.

S [%]	HL [%]	P [%]	DNA [%]
42,32 (22,27 - 67,49)	19,89 (0 - 63,31)	39,52 (0 - 92,91)	38,78 (0 - 74,86)

Srážení fosforu bylo realizováno pouze v první polovině období provozu čistírny, a jelikož po jeho ukončení nebyl pozorován žádný znatelný nárust či pokles průtoku permeátu membránou lze říci, že produkty tohoto srážení v tomto případě neměly žádný znatelný vliv na zanášení membrány.

Tab. 3 Přehled přítokových a odtokových koncentrací P-PO ₄ ^3- a účinnosti jeho odstranění.

P-PO 4 3- [mg/l]
Datum	25.5.2009	15.6.2009	14.7.2009	3.8.2009	31.8.2009	21.9.2009	22.10.2009
přítok do ČOV	5,34	6,11	13,8	11,3	8,59	8,3	7,6
odtok z ČOV	1,44	3,32	6,5	5,31	8,15	3,7	5,1
účin. odstr. [%]	73,03	45,66	52,90	53,01	5,12	55,42	32,89

Provoz ČOV

Značné výkyvy v zatížení čistírny prověřily a poznamenávaly chod v celém průběhu jejího provozu. A jejich negativní následky byly patrné nejen v kvalitě a koncentraci přítomného aktivovaného kalu, ale v konečném důsledku i na odtokových parametrech z čistírny.

Tab. 4 Přehled přítokových a odtokových koncentrací N _amon a účinnosti jeho odstranění.

N amon. [mg/l]
Datum	25.5.2009	15.6.2009	14.7.2009	3.8.2009	31.8.2009	21.9.2009	22.10.2009
přítok do ČOV	115	128	133	40	64	121,2	137
odtok z ČOV	2,7	2,5	23	18	28,2	13,1	5,8
účin. odstr. [%]	97,65	98,05	82,71	54,80	55,94	89,19	95,77

Tab. 5 Přehled přítokových a odtokových parametrů CHSK _Cr. a účinnosti jeho odstranění.

CHSK Cr [mg/l]
Datum	25.5.2009	15.6.2009	14.7.2009	3.8.2009	31.8.2009	21.9.2009	22.10.2009
přítok do ČOV	1010	1070	2470	710	990	1000	720
odtok z ČOV	34	44	22	40	28	<10	102
účin. odstr. [%]	96,63	95,89	99,11	94,37	97,17	>99,00	85,83

Závěr z hlediska provozu

Sledování potvrdilo, že ČOV s membránami lze provozovat bez problémů a bez regenerace po celou sezónu tj. déle než 6 měsíců, dále to že je možné aplikovat srážení fosforu in-situ , a to že vznik produktů srážení nemá žádný znatelný vliv na zanášení membrány.

Dále se potvrdilo, že MBR dokáže odstranit všechny nerozpuštěné látky a podstatně snížit hodnoty CHSK, to, jaký vliv mají membrány na výsledný efekt, se ukázalo v období, kdy netěsností část vody odtékala mimo membrány (viz hodnoty v závěru sezóny). Na druhou stranu se také ukázalo ( to v případě sledování hodnot amoniaku), že když biologie nepracuje stoprocentně, nebo přítok má velké koncentrační výkyvy, že se to projeví i na výsledcích za membránami – membrány jsou opravdu jen mechanickým stupněm.

Co se týká sledování mikrobiálního znečištění vyjádřeného jako KTJ/100 ml, tak termotolerantní koliformní bakterie byli do 200, enterokoky také do 200, Escherichia coli do 30. Což jsou hodnoty umožňující použití takto předčištěné vody např. na závlahu trávníků (viz např. britská norma BS 8525) nebo mytí automobilu.

Tato část práce zaměřená na sledování provozu MBR vznikla za finanční podpory výzkumného záměru MSM6046137308 financovaného MŠMT ČR a A1_FTOP_2010_021 Chemické a biologické procesy v technologii vody.

Iveta Růžičková ¹ , Milan Uher ² , Karel Plotěný ² , Marek Holba ^2,3
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Technická 5, 166 28 Praha 6 – Dejvice, iveta.ruzickova@vscht.cz ;
² - ASIO, spol. s r.o., Tuřanka 1, POB 56, 627 00 Brno-Slatina, uher@asio.cz , ploteny@asio.cz ;
³ - Botanický ústav Akademie věd, Lidická 25/27, 657 20 Brno, holba@asio.cz .

LITERATURA

[1] Standard methods of the analyses of the samples (apha, 1989)
[2] MORGAN J. W., FOSTER C. F., EVISON L. (1990). A comparative study of the nature of biopolymers extracted from anaerobic and activated sludges, Water Research, Vol. 24, 743 – 750
[3] Dubois M. J., Gilles K. A., Hamilton J. K., Reber P. A. and Smith F. (1956) Colorimetric method for determination of sugars and related substances, Analyt. Chem., 28 , 350-356.
[4] Lowry O. H., Rosebrough N. J., Farr A. L. and Randall R. J. (1951) Protein measurement with Folin phenol reagent, J. Biol. Chem., 193 , 265-275.
[5] Burton K. (1956) A study of the conditions and mechanisms of diphenylamine reaction for the colorimetric estimation of deoxyribonucleic acid, Biochem. J., 62 , 315-323.
[6] Judd S., Judd C. (2006) The MBR book: principles and applications of membrane bioreactors in water and wastewater treatment, Elsevier, UK
[7]Holba M., Plotěný K., Dvořák L, Gómez M., Růžičková I., , Full-scale Aplikation of Membrane filtration in Municipal Wastewater Treatrment Plants, Clean- Soil, Air, Water 2012
[8] Holba M., Polesňák M., Dvořák L, Gómez M., Růžičková I., Zkušenosti z provozu doposud největší membránové ČOV v České republice, Sborník konference AČE SK Tatry 2010.