Vliv účinnosti mechanického předčištění na aktivační proces

31. 7. 2014

Zpravidla bývá odstraněno okolo 50 % nerozpuštěných látek (NL) a okolo 25 % organického znečištění (vyjádřeno ve formě parametru BSK ₅ ), nicméně vše je závislé na řadě dalších faktorů, např. správný návrh usazováků, pH, teplota, toxické přítoky [1]. Výhodou usazovacích nádrží je hydrolýza partikulovaného substrátu, kdy vzniká snadno rozložitelný substrát nutný pro denitrifikaci a u větších čistíren pro zvýšené biologické odstraňování fosforu.

Odpadní vody přitékající na čistírny jsou povětšinou nedostatečně koncentrované na to, aby byly schopny po primární sedimentaci zabezpečit dostatečnou funkci biologických procesů a proto už několik desítek let je zde trend primární usazování při návrzích čistíren vynechávat. Nedostatečně koncentrovaná voda je zapříčiněna např. rušením výroby některých podniků, nadměrnou délkou přívodní kanalizace, kdy dojde k redukci snadno odbouratelného znečištění před přítokem na čistírnu, infiltrací balastních vod do přitékající odpadní vody, nepřipojením se ekvivalentních obyvatel dle plánovaného výhledu, atd. Protože jalové vody mohou vést k selhání biologického procesu je nutné situaci řešit např. dávkováním externího substrátu do denitrifikace nebo do anaerobní zóny a i výzkum potvrdil, že denitrifikaci je možno efektivně zabezpečit externě dodávaným substrátem [2].

Ve vyspělých zemích je trend maximální kontroly a regulace provozu čistíren vedoucí k jejich bezproblémovému chodu. Proto se snaží problém jak jalových vod tak čistíren látkově přetěžovaných řešit technologicky pomocí vhodných zařízení, jako je např. SFT Filtr. Tato technologie supluje funkci usazovací nádrže s minimálními prostorovými nároky a navíc umožňuje efektivně provádět řízení a kontrolu celého systému k co nejekonomičtější variantě provozování čistíren odpadních vod.

Srovnání čistíren odpadních vod s a bez odstranění NL pomocí SFT filtru (nebo jemu podobných zařízení)

a) ČOV bez odstranění NL před biologickým stupněm

Výhody
- není usazovací nádrž a technologické vybavení je tedy jednodušší
- předpoklad dosažení nižších koncentrací dusíku na odtoku (dostatek substrátu pro denitrifikaci)

Nevýhody
- vyšší prostorové nároky (zejména na aktivaci)
- vyšší provozní náklady (zejména spotřeba el. energie na míchání a aeraci)
- využitelnost kalu je nižší díky nižšímu obsahu organických látek (menší energetický potenciál ve srovnání s primárním kalem)
- vyšší produkce sekundárního kalu

b) ČOV s účinným odstraněním NL před biologickým stupněm

Výhody
- menší objemy biologického stupně
- nižší energetické nároky na biologický stupeň
- primární kal obsahuje větší množství organických látek a má tedy vyšší energetický potenciál využitelný v kalovém hospodářství

Nevýhody
- možné vyšší odtokové hodnoty parametru N v důsledku limitace denitrifikace možným nedostatkem substrátu
- nižší stabilita celého procesu díky menším objemům a nižší zásobě kalu

Možná řešení technologické linky

Výzkum prokázal, že denitrifikaci je možno efektivněji zabezpečit externě dodávaným substrátem nebo fermentovaným zachyceným primárním kalem, přičemž se ukazuje, že s ohledem na energetickou bilanci je dodávání externího substrátu levnější, než cena energie, kterou je možné vyrobit ze zachyceného primárního kalu [2].

Dosažení požadované účinnosti nitrifikace lze zabezpečit ponejvíce technologiemi, jež zvýší zastoupení nitrifikantů v aktivovaném kalu, např. bioaugmentací [3,4], hybridními aktivacemi s nosiči biomasy, externím způsobem (např. technologie Lentikats) [5] nebo vícestupňovýmí aktivacemi, kde už není kompetice mezi nitrifikanty a heterotrofy natolik významná.

Tyto změny a nové poznatky pak spíše hrají ve prospěch čistíren s mechanickým předčištěním a zesilují tradiční výhody mechanického předčištění, jako jsou úspory elektrické energie na provzdušňování a míchání a navíc větší produkci energie v případě, že je kal (an)aerobně zpracováván.

Namísto klasických usazovacích nádrží by mohla být proto používána zařízení schopná funkci usazovací nádrže nahradit např. tzv. SFT filtr [6,7]. Jeho použití v kombinaci s dalšími technologiemi pak vede k minimalizaci potřebných objemů. Tj. spojí se výhoda maximálního odstranění nerozpuštěných látek a minimálních požadavků na prostor. A co je důležité, všechny tyto výhody nejsou na úkor účinnosti ČOV, ale naopak se její účinnost ještě zvýší.

Separace NL: srovnání a interakce s procesy probíhající na čistírnách odpadních vod

a) SFT Filtr × usazovací nádrž

Dle studie [8] lze ušetřit zařazením SFT filtru namísto usazovací nádrže 95 % prostoru, 40 % investičních a 30 % provozních nákladů. V tabulce lze vidět, že i účinnosti odstranění nerozpuštěných a organických látek lze dosáhnout vyšší, pokud jsou vyžadovány.

Tabulka 1: Očekávané parametry dosahované na primárním předčištění a SFT filtru

b) vliv odstranění NL na termofilní stabilizaci kalu

• aerobní termofilní stabilizace

Odstraníme-li nerozpuštěné látky před biologickou částí čistírny např. na SFT filtru, zahustíme kal na 4 – 6 %, což je hodnota sušiny kalu na mezi jeho čerpatelnosti. Primární kal má organickou sušinu okolo 90 %. Takto zahuštěný kal přivádíme smíchaný se zahuštěným přebytečným kalem (ca. 4 – 6 %, při stáří kalu 20 -25 dní lze očekávat organický podíl okolo 60 %) do reaktorů aerobní termofilní stabilizace, kde se vlivem vyšší koncentrace organických látek rozběhne proces aerobní termofilní stabilizace samovolně. Výrobce ATS udává, že potřebný organický podíl pro samovolné rozběhnutí stabilizace by měl dosahovat 75 %.

Další technologickou možností, jak vytvořit ca. 4 – 6 % kal s vysokým obsahem organických látek je primární kal např. na SFT filtru odvodnit na ca. 25 – 40 % sušiny bez přídavku chemikálií a míchat jej přímo s přebytečným kalem (1 %). Technologické řešení směšování těchto dvou typů kalů je o poznání složitější než v prvním uvedeném případě.

• anaerobní stabilizace

Řízeným odstraněním nerozpuštěných látek na mechanickém předčištění velkých komunálních čistíren odpadních vod získáme kal bohatý na organické látky, jež lze poté využít při anaerobní stabilizaci kalu. Díky produkci bioplynu se výrazně zlepšuje i energetická bilance čistíren.

SFT filtr byl testován na komunální ČOV pro 2600 EO, kde byla testována jednotka SFT-1000 se sítem o okatosti 350 mikronů při různých nastaveních zařízení. Voda byla čerpána rychlostí 4.5 l/s a sušina vznikajícího kalu se pohybovala mezi 4.8 – 6.7 % o organickém podílu 88 – 92 %.

c) vliv odstranění NL na denitrifikační potenciál ČOV

Při zařazení SFT filtru umožňujícího regulovatelné odstraňování nerozpuštěných látek z přítoku, můžeme aplikovat několik strategií:

• Snaha o co nejúčinnější odstranění látkového zatížení a tudíž podpora energetické bilance čistírny ve spojení s anaerobní nebo aerobní termofilní stabilizací. Při tomto řešení se ve většině případů odstraní organický substrát, který bude nutný následně do denitrifikační zóny dávkovat (metanol, etanol, G-fáze[9])

• Snaha o vyvážené odstranění látkového zatížení, kdy zároveň produkujeme na organické látky bohatý surový kal a zároveň do anoxické zóny přichází dostatek organického substrátu zabezpečující účinnou denitrifikaci – v podstatě plnohodnotná náhrada za usazovací nádrže.

• Možnost na základě on-line měření a řídicího systému dynamicky měnit účinnost separace NL a tím i množství organických látek potřebných v aktivaci pro denitrifikaci. Tohoto lze dosahovat dvojím způsobem a to změnou rychlosti posunu filtračního pásu nebo částečným obtokováním zařízení – případně jejich kombinací. Tímto pak dosahovat maximálního možného zisku primárního kalu pro energetické využití, zabezpečení dostatku substrátu pro denitrifikaci a zároveň snižování energetické náročnosti aerace potřebné pro odbourání přebytečného organického substrátu.

Z hlediska studie provázanosti separace NL a organického znečištění byla provedena měření na reálné odpadní vodě s použitím test kitu s výměnnými síty – výsledky těchto měření jsou shrnuty v Tabulce 2. Pro frakcionaci organického znečištění byly použity respirační testy s potlačením nitrifikace.

Tabulka 2: Účinnost separace nerozpuštěných látek na test-kitu na ČOV pro 5000 EO

Z tabulky 2 a obrázku 1 je patrné, že separace nerozpuštěných látek se pohybovala mezi 65 – 80 % a separace CHSK mezi 30 – 45 %. Vhodnou volbou síta lze proto zajistit optimální stupeň odstranění. Výsledky pro S  _S  se pohybují v úzkém rozmezí a potvrzují předpoklad, že snadno rozložitelný substrát (částice menší než 0.45 µm) by neměl být na sítu zachycen. Hodnoty parametru X _S  se pohybovaly pro nejběžněji používaná síta (500 – 200 µm) bez zřetelnějšího trendu oproti předpokladu, že síto s menší okatostí propustí méně partikulovaného substrátu. Nicméně tyto výsledky jsou vzhledem k použité metodě zatíženy nezanedbatelnou chybou a pro správné vyhodnocení by bylo potřeba statistického souboru dat, tedy několikeré zopakování, což prozatím nebylo provedeno.

O  brázek 1: Odstranění CHSK a NL při různé okatosti síta

d) technologické řešení s využitím membrán

Membránové technologie (MBR) vyžadují z hlediska ochrany membrán použít důkladnější předčištění, než jsou současné česle a lapáky, tzv. AMP (advanced mechanical pretreatment). Pokud použijeme např. SFT filtr, pak důkladnějšího mechanického předčištění dosáhneme volbou okatosti síta. Kombinace těchto dvou technologií v sobě zahrnuje velice moderně řešenou linku viz obrázek 2, kde SFT filtr provádí navíc účinné předčištění pro membrány. Při samotném biologickém čištění v MBR se pak pracuje s vyššími koncentracemi aktivovaného kalu, a to v průměru kolem 10 g/L, což umožní další snížení objemu aktivace až na méně než 50 %.

Obrázek 2: Příklad řešení komunální ČOV s membránovými reaktory a s aerobní termofilní stabilizací

e ) vliv odstranění NL při intenzifikaci velkých ČOV

Zařazením zařízení na řízené odstranění nerozpuštěných látek např. SFT filtru před biologickou částí můžeme zvýšit účinnost odstranění N a P na čistírnách tam, kde je nedostatek snadno rozložitelného substrátu. Zahuštěný primární kal čerpáme do fermentoru s dobou zdržení ca. 2 – 3 dny, kde dojde k hydrolýze pomalu rozložitelného partikulovaného substrátu na snadno rozložitelný substrát, který posléze můžeme řízeně dávkovat do technologické linky. Je-li čistírna vybavena anaerobní zónou na biologické odstraňování fosforu, které funguje neuspokojivým způsobem, lze substrát dávkovat právě tam, poněvadž se očekává vysoký podíl VFA nutných pro spuštění/uspokojivý průběh reakce. Je-li nedostatek substrátu pro účinnou denitrifikaci, lze takto rozložený substrát dávkovat právě do anoxické zóny. Schématicky je využití separovaného substrátu naznačeno na obrázku 3.

Obrázek 3: Ukázka intenzifikace čistírny s nedostatečným odstraňováním nutrientů

Závěr

Řízená separace nerozpuštěných látek na mechanickém stupni vede především ke zlepšení energetické bilance čistírny. Tato separace pomocí např. SFT filtru nám otevírá nové možnosti nejen při navrhování nových technologických linek čistíren odpadních vod , ale i při intenzifikaci stávajících (ideálním příkladem mohou být látkově přetěžované provozy nebo naopak čistírny s nedostatkem snadno rozložitelného substrátu). S využitím poznatků a vlastností o zařízení lze pak provozovat čistírny na menší ploše a s nižšími provozními náklady. Ideální je použít také tam, kde chceme umožnit použití dalších technologií vedoucích ke zvýšení kvality odtokových parametrů (MBR) nebo kvality produkovaného kalu (stabilizace kalu). Naměřené výsledky a prezentované hypotézy budou ověřeny a kvantifikovány matematickými simulacemi a poté se stanou součástí vyvíjeného optimalizačního protokolu.

Ing. Ondřej Škorvan, Ing. Marek Holba, Ph.D., Ing. Karel Plotěný

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k semináři v Moravské Třebové " Nové metody a postupy při provozování ČOV " v dubnu 2014.

Poděkování

Projekt TA03021160 „Využití modelovacího protokolu pro optimalizaci procesů čistíren odpadních vod a energetických úspor na nich“ je řešen s finanční podporou TA ČR.

Seznam použité literatury

1 – Tillman G. M.: Primary treatment at wastewater treatment plants, ISBN 0-87371-428-8, Lewis Publishers, Inc., Chelsea 1992
2 – Drtil M., Hutňan M.: Reálne účinnosti a vybrané prevádzkové náklady pri odstraňovaní nutrientov, Sb. Nové technologie na ČOV – Podzim 2007, pp.17 – 22, (2007).
3 – Wanner J., Novák L.: Metody bioaugmentace nitrifikace na aktivačních ČOV – porovnání české metody bioaugmentace in-situ se zahraničními technologiemi, Sb. Nové metody a postupy při provozování čistíren odpadních vod XII., pp. 61 – 72, (2007).
4 – Stensel H.D., Grey G.M., Kehrberger G.J.: Evaluation of alternative technologies for upgrading wastewater treatment plants in Minnesota for new phosphorus limits , 11th Annual Education Seminar Central States Water Environment Association, (2006).
5 – Čechovská L., Stloukal R., Janečková L., Trčka J.: Biotechnologie Lentikats – cesta k efektivnímu odstranění dusíku a intenzifikaci stávajících čistíren, Sb. Nové technologie na ČOV – Podzim 2007, pp. 29 – 32, (2007).
6 – Holba M., Plotěný K.: Problematika odloučení NL před biologickým stupněm (SFT filtr), Sb. Nové technologie na ČOV – Podzim 2007, pp. 23 – 29, (2007).
7 – Rusten B., Ødegaard H.: Evaluation and testing of fine mesh sieve technologies for primary treatment of municipal wastewater, IWA World Water Congress, Beijing, (2006).
8 – Rusten B., Paulsrud B.: Feasibility study of Salsnes Filter fine mesh sieves used for primary treatment at municipal wastewater treatment plants, Report No. 00-054, (2000).
9 - Bodík I., Kollár M., Vozár J., Ruttkay J., Blšťáková A.: §Dávkovanie externého substrátu pre denitrifikáciu - skúsenosti z riadenia prevádzky ČOV Martin – Vrútky, Seminář Hach-Lange, Praha, (2008).