Separace aktivovaného kalu - webzdarma · 2017. 4. 24. · Separace aktivovaného kalu a vyčištěné odpadní vody Martin Pivokonský 9. přednáška, kurz Znečišťování a

Separace aktivovaného kalu

a vyčištěné odpadní vody Martin Pivokonský

9. přednáška, kurz Znečišťování a ochrana vod

Ústav pro životní prostředí PřF UK Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i. Tel.: 221 951 909 e-mail: [email protected]

Aktivační proces je založen na kontaktu čištěné odpadní vody a směsné kultury organismů aktivovaného kalu.

Aktivovaný kal (AK) a nově vzniklou biomasu je nutné od vyčištěné odpadní vody odseparovat z těchto důvodů:

a) aktivační proces je kontinuální kultivací s recyklem biomasy, takže AK je nutné separovat a vracet do systému jako inokulum – tzv. vratný kal

b) biomasa rozptýlená ve vyčištěné vodě zhoršuje kvalitu odtoku z čistírny

Důvody separace kalu

Pivokonský, PřF UK, 2016/17 9. přednáška – Separace aktivovaného kalu a vyčištěné odpadní vody

Obr. Blokové schéma technologické linky velkých a středních čistíren městských OV

podmínka funkce aktivačního systému = dobrá flokulace mikroorganismů AK

velké, pevné a kompaktní vločky = předpoklad dobrých sedimentačních vlastností kalu

Kvantifikace a charakterizace separačních vlastnosti kalu:

1. Kalový index

specifický objem kalu usazeného po 30 minutách v 1 l odměrném válci vztažený na koncentraci sušiny

Hodnocení separačních vlastností aktivovaného kalu

Pivokonský, PřF UK, 2016/17

Tab. Klasifikace aktivovaného kalu na základě kalového indexu.

KI = V30/X [ml g-1]

Typ kalu Hodnota KI [ml g-1]

Dobře sedimentující < 100

Lehký 100 – 200

Zbytnělý > 200

V30…objem kalu usazeného po 30 minutách z 1 l aktivační směsi [ml l-1] X…koncentrace aktivovaného kalu [g l-1]

9. přednáška – Separace aktivovaného kalu a vyčištěné odpadní vody

2. Zónová sedimentační rychlost

dána rychlostí pohybu rozhraní kal – supernatant při sedimentačním testu

je odečítána z lineární části zahušťovací křivky


Typ kalu Hodnota ZSR [m.h-1]

Dobře sedimentující < 3

Lehký 2 – 3

Zbytnělý > 3

Tab. Klasifikace aktivovaného kalu na základě zónové sedimentační rychlosti

H

Čas

I – fáze reflokulace agregace mikrovloček do

usaditelných útvarů

II – fáze zónové sedimentace AK sedimentuje jako zóna sedimentační rychlost

vyjádřená jako směrnice přímky proložené křivkou v této oblasti je konstantní a maximální a nazývá se zónová sedimentační rychlost

IV – fáze kompresní všechny částice jsou ve

vzájemném kontaktu a vrstva kalu podléhá zahušťování v celé výšce kalového sloupce

vytlačování vodní fáze z kanálků vrstvy zahuštěného kalu

Schematické znázornění

zahušťovací křivky

III – deformační fáze sedimentační rychlost se zpomaluje a koncentrace

kalu v usazené vrstvě se zvyšuje

II I

III IV



Dobře sedimentující kal musí splňovat následující:

1) Kritéria KI a ZSR pro dobře sedimentující kal (viz předchozí dvě tabulky) 2) Po sedimentaci by měl kal zanechat čirý supernatant a neměl by

zaujímat nadměrný objem 3) Odsazený kal by neměl vzplývat po dobu alespoň 1,5 – 2 hod

3. Mikroskopická analýza aktivovaného kalu

vyhodnocení flokulačních a separačních vlastností na základě charakterizace morfologických vlastností vloček (tvar, velikost, struktura)

kvantifikace a identifikace vláknitých mikroorganismů, které jsou nejčastější příčinou špatných separačních vlastností kalu


Vláknité bytnění kalu Nezávadný kal




Tab. Individuální hodnocení četnosti výskytu vláknitých organismů v AK

Dobře sedimentující kal musí splňovat v mikroskopickém rozboru následující: Četnost výskytu vláknitých organismů by neměla překročit stupeň 2 a 3,

avšak vláknité organismy by neměly zcela chybět. Vločky by měly být sférického tvaru s kompaktní strukturou. V prostoru mezi vločkami by nemělo být patrné velké množství malých

bakteriálních shluků či jednotlivých buněk – značí nedokonalou flokulaci.


Četnost výskytu Mikroskopický obraz

0 vlákna nejsou přítomna

1 vlákna jsou příležitostně, pouze ve vločkách

2 vlákna přítomna ve větším množství, ne ve všech vločkách vlákna přítomna ve všech vločkách, nízká četnost

3 nízká četnost vláken, 1 – 5 na vločku

4 střední četnost vláken, 5 – 20 na vločku

5 vysoká četnost vláken, > 20 na vločku

6 vizuálně přítomno více vláken než vloček


Separační problémy aktivovaného kalu: 1. Disperzní růst bakterií 2. Tvorba neusaditelných mikrovloček 3. Viskózní (zoogleální bytnění) 4. Vláknité bytnění 5. Tvorba biologické pěny 6. Vzplývání kalu

1) Disperzní růst bakterií

bakterie aktivovaného kalu nemají schopnost aglomerovat a tvořit usaditelné vločky

vyskytují se ve formě dispergovaných shluků či malých shluků, které následkem své nízké sedimentační rychlosti unikají do odtoku a způsobují zhoršení měřených parametrů a značný zákal

Příčiny:

a) technologické parametry procesu čím menší je stáří AK, tím větší část směsné kultury organismů se nachází v disperzním růstu a netvoří glykokalyx potřebný pro účinnou flokulaci

Separační problémy aktivovaného kalu


b) ložení a charakter odpadní vody změny teploty, pH, obsahu solí (přechodně špatná flokulace) nedostatek živin (N,P), přítomnost toxických látek (trvale nedostatečná flokulace)

2) Tvorba neusaditelných vloček

na odtoku z dosazovací nádrže dochází ke zvýšenému zákalu a ke zhoršení měřených parametrů

rozdělení aktivační směsi při sedimentaci do dvou částí – velké vločky dobře sedimentují, malé vločky zůstávající v supernatantu tvoří jeho zákal

Příčiny:

a) příliš vysoké stáří kalu – nízký přísun substrátu inhibuje produkci extracelulárních polymerů

b) vymizení vláknité populace c) vysoká turbulence vedoucí k mechanickému rozrušování vloček d) působení toxických látek inhibujících syntézu extracelulárních polymerů




3) Viskózní (zoogleální) bytnění

působeno nadměrnou produkcí extracelulárních biopolymerů (váží velké množství vody a jsou viskózní)

AK získává rosolovitý charakter, špatně se odvodňuje a při provzdušnění pění

Příčiny: a) nedostatek živin b) působením některých toxických látek c) velkým koncentračním gradientem v aktivační systému

4) Vláknité bytnění

vláknité mikroorganismy jsou přirozenou složkou aktivovaného kalu a do jisté míry přispívají ke vzniku pevných a velkých vloček (tvoří jejich kostru)

při zvýšení výskytu vláknitých organismů mohou nastat tyto problémy:

1. vysoký kalový index a nízká zónová rychlost 2. zvýšený objem kalu po sedimentaci – spontánní odtok kalu z DN 3. usazený kal je řídký – nelze udržet požadovanou koncentraci biomasy v AN




5) Tvorba biologické pěny

některé pěnotvorné mikroorganismy se vyznačují hydrofobním povrchem a tvorbou povrchově aktivních látek - při aeraci v AN způsobují tvorbu biologické pěny

Podmínky pro vznik biologické pěny je přítomnost: a) dispergovaných bublin vzduchu b) povrchově aktivních látek (např. extracelulární biopolymery, syntetické

tenzidy) c) hydrofóbního materiálu (pěnotvorné mikroorganismy, tuky…)

Vytvoření biologické pěny způsobuje řadu operačních problémů: 1. únik pěny mimo AN 2. zachycení nové biomasy do pěny – ovlivnění účinnosti čištění 3. průnik pěny do DN a následné zhoršení sledovaných parametrů kvality

odtoku 4. problémy při vyhnívání kalu (horší odvodnitelnost kalu, nižší tvorba

bioplynu)




možný pohyb hladiny v provzdušňovacích sekcích – pěna se neakumuluje (lehká pěna)

hladina bez pohybu – hromadění a stabilizace hutné pěny, zvyšování koncentrace biomasy vláknitých mikroorganismů (zejména aktinomycet)


Srovnávací vzorky četnosti vláknitých organismů – mikroskopický obraz

Aktivovaný kal Odpovídající vzorek biologické pěny

A)



Lehká pěna

Stabilní pěna

6) Vzplývání kalu

projevy jsou zdánlivě podobné jako u tvorby pěny hladina DN je pokryta vrstvou plovoucí biomasy – může zhoršovat kvalitu odtoku biomasa je k hladině vynesena bublinkami dusíku, který vzniká prostřednictvím

denitrifikačních procesů v kalu u dna na rozdíl od biologické pěny je mikroskopický obraz plovoucí biomasy i aktivační

směsi totožný

Příčiny:

a) vysoká koncentrace dusičnanů na odtoku z aktivace (nedostatečná denitrifikace)

b) dlouhá doba zdržení usazeného kalu v DN


Vzplývající kal v DN



Největší problém = nadměrný výskyt vláknitých mikroorganismů

Dva přístupy k řešení: 1. Preventivní (specifické) metody potlačování růstu založené zejména na

kinetické a metabolické selekci 2. Nápravné (nespecifické) metody omezení důsledku zvýšené

přítomnosti vláken v aktivovaných kalech

Ovlivňování separačních a zahušťovacích

vlastností


Microthrix parvicella


Identifikace vláknitých organismů

Existují metody:

a) konvenční identifikace morfologických, biochemických a fyziologických rysů a

následné porovnání se standardními referencemi

Nevýhody: nedostatek srovnávacích kultur potřeba alespoň 30 stabilních rysů pro rozpoznání nomenklaturního taxonu některé organismy mají nízké růstové rychlosti, tudíž identifikace trvá i

několik týdnů organismy izolované z aktivního kalu mohou vykazovat různé morfologické a

fyziologické a genetické vlastnosti ve srovnání s referenčními kulturami metoda je pracná výsledkem kultury může být ne dominantní organismus, ale organismus s

vyšší rychlostí růstu



vlastností


b) identifikace do typů založeno na mikroskopické analýze morfologických znaků a na výsledku

barvících technik – Gramovo a Neisserovo barvení

Nevýhoda: možná nepřesnost v taxonomickém zařazení

c) metody molekulární biologie

založené na analýze specifických sekvencích nukleových kyselin

Výhody: rychlost a jednoznačnost identifikace organismu probíhá nezávisle na jeho aktuální morfologii



vlastností


Klasifikace vláknitých organismů

4 skupiny:

Skupina S (Sphaerotilus) – preferují snadno rozložitelné substráty (sacharidy, nižší mastné kyseliny, alkoholy), střední nebo vyšší stáří kalu, nízká koncentrace rozpuštěného O2, rostou jen za oxických podmínek

Skupina C (Cyanophyceae) – bezbarvé sinice, preferují snadno rozložitelné substráty, střední nebo vyšší stáří kalu, deficit základních nutrientů (N a P) a zvýšenou koncentraci redukovaných forem síry, rostou jen za oxických podmínek

Skupina A (all zones growers) – rostou za všech podmínek (oxie, anoxie, anaerobie)

Skupina F (foam – forming microorganism) – způsobují vznik biologických pěn



vlastností


Kinetická selekce

založena na různé rychlosti využívání biologicky rozložitelných substrátů vláknitých a vločkovitých mikroorganismů

Faktory ovlivňující kinetickou selekci:

a) složení odpadních vod – růst vláknitých organismů je podporován lehce rozložitelnými substráty

b) stáří kalu – výskyt některých vláken (pomalu rostoucích organismů) se eliminuje snížením stáří AK a jejich vyplavením ze systému

c) aktuální koncentrace substrátu v reaktoru d) aktuální koncentrace kyslíku – některé vláknité mikroorganismy vykazují

větší afinitu k nízkým koncentracím rozpuštěného kyslíku

Metabolická selekce

kompetice mezi různými fyziologickými skupinami založená na ne/schopnosti využívat substrát v daných podmínkách

zejména v systémech biologického odstraňování nutrientů



vlastností – preventivní metody


Nápravné metody neřeší příčinu nadměrného růstu vláknitých mikroorganismů, ale jen důsledky zvýšené přítomnosti vláknitých mikroorganismů

Tyto metody jsou vhodné k likvidaci momentálních problémů, které narušují účinnost čistících procesů

1. Poškozování vláknitých mikroorganismů

vláknité mikroorganismy vyčnívají z vloček AK – jsou více vystaveny účinkům chemikálií než vločkotvorné organismy (uvnitř vloček, chráněny difuzí)

činidlo – chlor (případně ozon či peroxid vodíku); dávkuje se do místa s největší turbulencí do vratného kalu nebo přímo do AN na základě hodnot kalového indexu. Je nutné dávkovat od nižších koncentrací, při vyšších je třeba kontrolovat

mikroskopický obraz Koncentrace chloru v místě dávkování musí být < 20 mg l-1 Frekvence kontaktu s chlorem 2,5-3 krát denně Může být narušen proces nitrifikace, avšak po skončení chlorace dochází k rychlému

obnovení



vlastností – nápravné metody


2. Zatěžování vloček aktivovaného kalu

zvyšuje se zónová sedimentační rychlost zvyšováním specifické hmotnosti vloček (dávkováním solí Fe/Al) – kompenzace negativního vlivu vláknitých organismů, které obklopují vločky

lze kombinovat se srážením fosfátů

3. Manipulace s vratným kalem

zvýšením recirkulačního poměru vratného kalu se zkracuje doba zdržení AK (možno jen krátkodobě)

4. Likvidace biologické pěny

biologická pěna (tvořená pěnotvornými vláknitými mikroorganismy) je redukována:

a) použitím vodních sprch (ředění) b) mechanickým stíráním c) chlorem (postřik pěny)



vlastností – nápravné metody



Dosazovací nádrže separace biomasy (AK) od vyčištěné odpadní vody

Dělení podle způsobu protékání aktivační směsi: Kruhové s horizontálním průtokem (radiální) Pravoúhlé s horizontálním průtokem Nádrže s vertikálním průtokem

Kruhová s horizontálním průtokem o průměru max. 55 m hluboká pro dostatečnou sedimentaci,

zahuštění a uskladnění odsazeného kalu: sedimentační zóna až 2,5 m přechodová zóna min. 1 m zahušťovací zóna 0,7-1,3 m

klasická konstrukce – 4 základní části vstupní (vtokový systém) objekt stírání a odtah (vyklízení) zahuštěného kalu odtokový objekt vyčištěné odpadní vody zařízení na odstraňování plovoucích látek


Kruhová nádrž Vstupní (vtokový systém) objekt Funkce: a) disipace energie vstupující aktivační směsi b) rovnoměrné rozdělení přítoku v

horizontálním směru c) redukce důsledků hustotního proudění

a minimalizace rozrušování vrstvy zahuštěného kalu

d) podpora flokulace – rozhodující pro účinnou separaci a zahuštění aktivovaného kalu

Rozpad na mikrovločky

Aktivovaný kal – vstupní

zóna

Spojování mikrovloček

do makrovloček

Sedimentace v dosazovací

nádrži

Flokulace ve flokulační zóně


Stírání a odtah zahuštěného kalu Shrabovací zařízení: různá konstrukce a tvary hrabel (spirální stírací lišty, žaluziové

konstrukce) hrablo by mělo kopírovat vrstvu kalu (jeho výška se od obvodu ke středu

zvyšuje) kalová jímka v středu nádrže (odtah kalu pod hydrostatickým tlakem)

Kruhová nádrž


Odtokový objekt vyčištěné odpadní vody odvod vody bez kontaminace plovoucími nečistotami nebo přisátí

usazeného kalu odtokový žlab na obvodu ochrana odtokového žlábku před únikem plovoucí biomasy –

norné stěny Stamfordské stěny (deflektory) – pod odtokový žlábek, zabránění

odtoku nerozpuštěných látek

Kruhová nádrž

Stamfordské stěny

norné stěny


Odstraňování plovoucích látek mechanické odstraňování biologické

pěny – zvyšuje se zřeďovací rychlost pro pěnotvorné vláknité organismy

Zařízení: standardní stírací zařízení s jímkou po

obvodu jímka na plovoucí biomasu pohybující se

společně s pojezdovým mostem ponorné žlábky systém vodních sprch, pneumatický

systém, ventilátory

Zásady zpracování zachycené pěny: 1. Nevrací se zpět do usazovací nádrže!!! 2. Nestabilizuje se společně s primárním a

přebytečným kalem ve vyhnívací nádrži 3. Optimálně se samostatně odvodňuje

Kruhová nádrž zařízení s jímkou po obvodu

jímka na plovoucí biomasu

systém vodních sprch

pneumatický systém

ventilátor


Dosazovací nádrže Pravoúhlé s horizontálním průtokem délka max. 60 m u podélně protýkaných délka : šířka = 10-20 : 1 klasická konstrukce – 4 základní části

vstupní (vtokový systém) objekt stírání a odtah (vyklízení) zahuštěného kalu odtokový objekt vyčištěné odpadní vody zařízení na odstraňování plovoucích látek

Flokulační zóna (pádlová

míchadla)

Aktivovaný kal – vstupní

zóna

Usazovací zóna s

pojezdovým mostem

Stírání usazeného

kalu do kalové jímky


Dosazovací nádrže Pravoúhlé s vertikálním průtokem čtvercový půdorys o straně 3-6 m

AK stoupá k hladině

Aktivovaný kal – vtokový

válec

AK přepadá pilovým

přepadem do odtokového

žlabu

AK odtéká potrubím

Hydrostatický odvod

usazeného kalu


Dosazovací nádrže dominance separace a zahušťování v gravitačních dosazovacích

nádržích ALE! spojeno s mnoha problémy a nevýhodami: extenzivní proces, záběr rozsáhlé stavební plochy koncentrace nerozpuštěných látek na odtoku až 10-15 mg l-1 (možnost

patogenních organismů)

účinnost ovlivňována vlastnostmi kalu – poměr mezi vločkotvornými a vláknitými organismy

složitý provoz odtok není vlastnostmi vhodný ke zpětnému využití

Nová technologie = MEMBRÁNOVÁ SEPARACE kombinace konvenčního aktivačního procesu a účinné separace pevné

(aktivovaný kal) a tekuté (vyčištěná odpadní voda) fáze filtrace na přepážce s prvky filtrace objemové nejčastěji mikrofiltrace (póry 0,1-0,5 µm, tlak 0,5 MPa) – zachytí se jemný

písek, částice hlíny, uhelný prach, většina bakterií; projdou viry


Membránová separace Konstrukční řešení Membrány s definovanou velikostí pórů uspořádány: a) do desek sestavovaných do filtračních modulů b) z membrán tvořena dutá vlákna sestavovaná do filtračních modulů Z prostoru za membránou odsáván permeát (část pro praní membrán)

Podle výrobního materiálu: a) membrány polymerní – tenká membránová vrstva z plastu nanesená na

nosič (ploché membrány) nebo přímo extrudované (dutá vlákna) b) membrány anorganické – keramické, uhlíkové

Umístění modulů: a) do samostatné kontejnerové jednotky (externí moduly) – aktivační

směs se přečerpává z aktivační nádrže a zpět se vrací zakoncentrovaný kal

b) přímo do aktivační nádrže (reaktor s membránovým separátorem kalu) – kal se nepřečerpává, značná energetická úspora, přebytečný kal se odebírá přímo z nádrže

Membránová separace

– moduly



Membránová separace Výhody: malá zastavěná plocha možnost využití stávajících nádrží na existujících ČOV vysoká kvalita permeátu – možnost zpětného využití (závlahy, mytí,

technologie) eliminace vlivu kvality kalu na účinnost separace provoz při vysoké koncentraci biomasy (možnost snižování objemu

nádrží, snížení produkce přebytečného kalu)

Nevýhody: vyšší investiční náklady komplikované strojní vybavení + vyšší provozní náklady vyšší nároky na kvalitu obsluhy a údržby problémy s aerací nebo s tvorbou biologické pěny při vyšších

koncentracích AK nutnost kvalitního předčištění a zajištění rovnoměrného průtoku nutnost pravidelného čištění a regenerace membrán


Membránová separace Využití: pro hustě obydlené a průmyslové zóny v oblastech zdrojů vod při ekonomicky výhodném využití permeátu při využití permeátu při ke krajinotvorným účelům nebo pro dotaci

deficitního zvodnělého podloží při výstavbě ČOV v oblastech s extrémně vysokými cenami pozemků v případě, že je výstavba ČOV limitována velikostí stavební parcely pro ČOV ve specifických podmínkách (např. infekční provozy nemocnic)

Documents

Separace aktivovaného kalu - webzdarma · 2017. 4. 24. · Separace aktivovaného kalu a vyčištěné odpadní vody Martin Pivokonský 9. přednáška, kurz Znečišťování a