Hlavní fází čištění odpadních vod z domácností a většiny průmyslových odpadních vod je biologické čištění. Biologické čištění odpadních vod je založeno na schopnosti mikroorganismů rozkládat organické sloučeniny, ale i živiny v odpadních vodách pomocí aktivovaného kalu – biocenózy bakterií a prvoků.
Když jsou vytvořeny určité podmínky, aktivovaný kal může jako zdroj energie využívat kontaminanty nalezené v odpadních vodách. Tento proces je založen na intenzifikaci přírodních procesů probíhajících v řekách a jiných vodních plochách pomocí spodního bahna. Při biologickém čištění na čistírnách odpadních vod se odpadní voda dostává do reaktoru, kde se mísí s aktivovaným kalem. Mikroorganismy aktivovaného kalu vnímají kontaminanty v odpadních vodách jako zdroj výživy a energie pro svůj vlastní růst a rozmnožování. V závislosti na technologických podmínkách v reaktoru se aktivují různá společenství mikroorganismů, které jako zdroj potravy využívají různé skupiny kontaminantů.
Aerobní čištění
Při aerobním čištění je do kalové směsi umístěné v bioreaktoru přiváděn vzduch prostřednictvím distribučních provzdušňovacích zařízení. V tomto případě probíhají v reaktoru dva procesy: aerobní oxidace organických látek a nitrifikace.
Při aerobní oxidaci organických látek jsou organické nečistoty vstupující do bioreaktoru spolu s odpadními vodami spotřebovávány především dvěma způsoby: asimilací do biomasy aktivovaného kalu a oxidací organických látek na CO2. Při oxidační reakci organické hmoty se uvolňuje energie, kterou vynakládá aktivovaný kal na zvýšení vlastní biomasy. Stojí však za zmínku, že pro růst mikroorganismů, a tedy normální výskyt oxidačních procesů, je nezbytná přítomnost makroprvků v odpadních vodách, včetně biogenních prvků – dusíku a fosforu. Jak ukázaly studie pro městské odpadní vody, optimální poměr organických látek a živin, které jsou optimální pro průběh procesů, je: BSKcelkem: N: P = 100: 5: 1.
Za zmínku stojí, že proces oxidace provádí různorodá skupina mikroorganismů, jejichž složení závisí nejen na technologických podmínkách v reaktoru, ale také na složení přiváděné odpadní vody. Největší vliv na aerobní oxidační procesy mají následující faktory: teplota odpadní vody, koncentrace rozpuštěného kyslíku v reaktoru, pH a obsah toxických látek (kovy, kyanidy, fenoly).
Nitrifikace je dvoustupňový mikrobiologický proces, který přeměňuje amonium (NH4) na dusitany (NO2) a poté na dusičnany (NO3). Tyto procesy probíhají za pomoci omezené skupiny autotrofních mikroorganismů. Reakce prvního stupně (oxidace amonia na dusitany) probíhá pod vlivem bakterií rodu Nitrosomonas, k reakci druhého stupně (oxidace dusitanů na dusičnany) dochází za účasti bakterií rodu Nitrobacter. Tyto bakterie se vyznačují nízkou rychlostí růstu, což je způsobeno malým množstvím energie uvolněné během oxidačních reakcí amonia a dusitanů. To znamená, že když v bioreaktoru probíhají aerobní procesy, je nutné pečlivě udržovat technologické parametry, které jsou optimální pro aktivní růst nitrifikačního aktivovaného kalu, jako je koncentrace rozpuštěného kyslíku v kalové směsi a stáří kalu. Mezi faktory, které ovlivňují rychlost a účinnost nitrifikačních procesů, patří koncentrace substrátu (tj. samotná koncentrace amonia v reaktoru), teplota odpadní vody, koncentrace rozpuštěného kyslíku a pH. Složení odpadních vod vstupujících do čištění také ovlivňuje účinnost nitrifikace, protože přítomnost určitých kontaminantů může být pro procesy inhibičním faktorem. Inhibitory nitrifikace jsou: měď, nikl, chrom, zinek a kobalt. Jak však ukázaly studie, k zastavení procesu nitrifikace nedochází okamžitě, ale po určitou dobu, to znamená, že není způsobeno 100% inhibicí procesu, ale postupným vymýváním nitrifikačních bakterií z reaktor.
Anaerobní léčba
Při vysokých koncentracích organických látek v průmyslových odpadních vodách je anaerobní biologické čištění optimální metodou k udržení stabilního a účinného procesu.
Maximální přípustné koncentrace kontaminantů ve vyčištěné vodě vstupující do nádrží, které regulují nejen koncentrace organických látek a amonia, ale i koncentrace dusitanů a dusičnanů, které vznikají ve vyčištěné vodě při procesu nitrifikace. Metodou snižování koncentrací těchto znečišťujících látek je biologické čištění za bezkyslíkových (anoxických) podmínek – denitrifikace.
Proces denitrifikace je proces redukce dusičnanů (NO3) na plynný dusík (N2) bakteriemi. Při tomto procesu není oxidačním činidlem volný kyslík jako u aerobních procesů, ale kyslík vázaný – ve složení dusičnan – proto se tento proces nazývá anoxid. Bakterie, které provádějí denitrifikační proces, jsou převážně fakultativní aerobní – to znamená, že v přítomnosti volného kyslíku jej používají raději jako oxidační činidlo. Klíčovým faktorem pro realizaci procesu denitrifikace je tedy kontrola koncentrace rozpuštěného kyslíku v anoxické zóně. Denitrifikace probíhá v několika fázích, přičemž meziprodukty jsou dusitan (NO2), oxid dusnatý (NO) a oxid dusičitý (N2O). Tyto produkty jsou toxické, avšak při dodržení optimálních technologických parametrů procesu denitrifikace nemají jejich výstupní koncentrace škodlivý účinek. Substrátem pro denitrifikační reakce je organická hmota. Při zavádění komplexních schémat „nitridifikace a oxidace organických látek“ v bioreaktorech je proto pro zajištění efektivního procesu denitrifikace nutné vyvarovat se omezení substrátu, případně přidáním externího zdroje organických látek (kyseliny octové nebo methanolu). Klíčovými parametry ovlivňujícími rychlost a účinnost procesu denitrifikace jsou teplota odpadní vody, koncentrace kyslíku (a nezáleží pouze na koncentraci rozpuštěného kyslíku ve vodním sloupci, ale i na jeho koncentraci uvnitř vloček aktivovaného kalu) a pH.
Proces anaerobní přeměny organických látek probíhá za nepřítomnosti volného i vázaného kyslíku. Při tomto procesu se organický substrát pod vlivem mikroorganismů aktivovaného kalu přemění na plynný metan. Tento proces je složitý a probíhá ve 4 fázích: hydrolýza (přeměna organických látek na monomery: bílkoviny na aminokyseliny, sacharidy na cukry, lipidy na mastné kyseliny), acidogeneze (enzymatický rozklad monomerů na organické kyseliny, alkoholy a aldehydy), acetogeneze (oxidace produktů acidogeneze na kyselinu octovou za vzniku vodíku) a methanogeneze (vznik metanu z kyseliny octové a vodíku, vedlejším produktem reakce je vznik oxidu uhličitého).
V závislosti na kvalitativním složení organických látek, tedy na procentu bílkovin, tuků a sacharidů, se mění i kvalitativní složení výsledného bioplynu (obsah metanu v něm). Tento proces provádí poměrně velká skupina mikroorganismů a mnohé z těchto typů bakterií jsou striktní anaeroby, to znamená, že nemohou vykonávat životní aktivity v přítomnosti kyslíku. Anaerobní reakce mají nízký energetický výdej, a proto budou rychlosti procesu nízké. V tomto případě se hydraulická doba zdržení odpadní vody v reaktoru a tím i objem reaktoru značně zvýší. V tomto případě se stává nákladově efektivním provádět proces při zvýšených teplotách v menších reaktorech.
Na základě teplotního optima se mikroorganismy účastnící se rozkladného procesu dělí do tří skupin – psychrofilní, mezofilní a termofilní.
K odstraňování amoniakálního dusíku z odpadních vod dochází v důsledku procesu nitrifikace, který je prováděn autotrofními bakteriemi, které k výživě využívají anorganický uhlík (oxid uhličitý, uhličitany, hydrogenuhličitany). Přítomnost organických látek ve vodě může bránit rozvoji nitrifikačních bakterií. To je způsobeno skutečností, že nitrifikační bakterie jsou schopny spotřebovat pouze ten dusík, který nevyužívají heterotrofní mikroorganismy, které se vyvíjejí v přítomnosti organické hmoty a spotřebovávají dusík v procesu konstruktivní výměny. Heterotrofní bakterie navíc intenzivně absorbují kyslík, který je pro nitrifikátory nezbytný.
V první fázi procesu oxidují bakterie rodu Nitrosomonas amonný dusík na dusitany. Nitrosomonas mohou jako substrát používat amonný dusík, močovinu, kyselinu močovou a guanin, ale organická část molekuly není spotřebována. Ve druhé fázi oxidují bakterie rodu Nitrobacter dusitany na dusičnany.
Reakce oxidace amonného dusíku:
1) NH4+ + 3O2 → 2 NO2- + 2H2O + 4H+
2) 2 NO2- + O2 → 2 N03-
Bakterie při nitrifikaci využívají jako zdroj kyslíku také uhlovodíky – HCO2, přičemž se zvyšuje koncentrace kyseliny uhličité – H3CO1 a následně se snižuje pH prostředí. Stupeň snížení pH závisí na zásaditosti vody: na 8,7 mg oxidovaného dusíku se spotřebuje 4,6 mg zásaditosti. Pokud se nitrifikace provádí v provzdušňovací nádrži, je nutné počítat s dodatečnou spotřebou kyslíku rychlostí 2 mg O1 na XNUMX mg oxidovaného dusíku.
Nárůst bakteriální organické hmoty při nitrifikaci je přibližně 0,16 mg na 1 mg oxidovaného dusíku, přičemž hlavní podíl tvoří Nitrosomonas. Asi 98 % dusíku je oxidováno na dusičnany, zbytek je součástí buněčné biomasy. Podíl nitrifikačních bakterií na celkové biomase aktivovaného kalu se může pohybovat od 0,5 do 2,5 %, v absolutní hodnotě – od 17
až 55 mg/l. Hlavním požadavkem na proces nitrifikace při provádění v provzdušňovacích nádržích je přítomnost dostatečného množství biomasy nitrifikačních bakterií. Vzhledem k tomu, že rychlost růstu autotrofů je výrazně nižší než u heterotrofů, které vedou proces rozkladu organických kontaminantů, při provádění procesu nitrifikace ve stejném zařízení s oxidací organických kontaminantů, prodloužení doby čištění nebo je zapotřebí snížení organické zátěže. Rychlost růstu nitrifikačních bakterií určuje minimální stáří aktivovaného kalu v provzdušňovací nádrži, pod kterou budou tyto bakterie jednoduše odstraněny z provzdušňovací nádrže s přebytkem aktivovaného kalu.
Obsah různých forem dusíku ve vyčištěné vodě závisí na technologických parametrech čistírny. Za tradičních režimů, které zajišťují kompletní biologické čištění a částečnou nitrifikaci, tzn. při zatížení 400-500 mg BSK na 1 g bezpopelového kalu za den se koncentrace amonného dusíku sníží nejvýše o 40 %. Vyčištěná odpadní voda obsahuje minimálně 10-15 mg/l amoniakálního dusíku a maximálně 3-4 mg/l dusičnanů. V tomto režimu v současnosti funguje většina čistíren odpadních vod.
V provzdušňovacích nádržích úplné oxidace (prodloužené provzdušňování) probíhá nitrifikace zcela úplně, protože stáří kalu v těchto strukturách dosahuje 30 dnů nebo více. Zde je vysoký obsah dusičnanů v čištěné vodě (až 8-10 mg/l) a tomu odpovídající nižší koncentrace amonných solí (1-2 mg/l). Hlubší nitrifikaci (NH4 až 0,5 mg/l) lze provádět v provzdušňovacích nádržích s připojenou mikroflórou, vybavených různým zatížením. Použití kompletních oxidačních provzdušňovacích nádrží na velkokapacitních stanicích nebylo dříve z důvodu technicko-ekonomických ukazatelů (zvětšení objemu aeračních nádrží a množství do nich přiváděného vzduchu) využíváno. Má se však za to, že tato metoda je nejslibnější, zejména s přihlédnutím k moderním požadavkům na stupeň odstranění sloučenin dusíku z vody (při použití běžných provzdušňovacích nádrží je stále nutné zajistit další zařízení pro nitrifikaci).
Výhodou kompletních oxidačních aeračních nádrží, zejména při použití zaplavené zátěže, je také to, že v nich současně probíhá proces denitrifikace, jehož účinnost může dosahovat 60-80 %.
Rychlost procesu nitrifikace závisí na pH prostředí a teplotě. Při pH nižším než 6 a teplotě nižší než 10 °C je tedy intenzita nitrifikace výrazně snížena, přítomnost volného amoniaku a solí těžkých kovů proces brzdí. Optimální teplota je 20-25°C a pH více než 8,4. K odstranění oxidovaných forem dusíku z vody – dusitanů a dusičnanů vzniklých v důsledku nitrifikace se provádí proces denitrifikace, jehož podstatou je, že heterotrofní bakterie – denitrifikátory (Tluoresccus, Denitrificans, Pyacvaneum) v procesu jejich života používat vázaný kyslík k oxidaci dusičnanů a dusitanů organické hmoty a jejich redukci na molekulární dusík.
Proces biologické denitrifikace probíhá za anaerobních podmínek za přítomnosti organických látek nezbytných pro život bakterií. Organické látky jsou oxidovány kyslíkem, který byl extrahován z dusitanů a dusičnanů. Oxidují se většinou snadno oxidovatelné látky: sacharidy, organické kyseliny, alkoholy. Denitrifikační bakterie nemohou používat vysokomolekulární polymerní sloučeniny. Maximální intenzity procesu je dosaženo při pH 7.0 – 8.2. Při hodnotách pH pod 6,1 a nad 9,6 je proces zcela inhibován. Zvýšením teploty se proces zintenzivňuje.
Denitrifikace probíhá podle následujícího schématu:
Je třeba poznamenat, že v procesu vzniká málo amoniaku a oxidů dusíku. Specifická rychlost redukce dusičnanů se pohybuje od 5 do 10 mg/(g.h.).
Pro efektivní denitrifikaci je nezbytná přítomnost snadno oxidovatelných organických látek (alkoholy, nízkomolekulární organické kyseliny) jako zdroj uhlíkaté výživy. K tomuto účelu lze využít nečištěné odpadní vody, jejichž množství se stanoví z požadovaného poměru obsahu organické hmoty dle BSK a dusičnanového dusíku, rovnající se (3-6): 1, fermentovaný kal (kal z vyhnívacích nádrží fáze kyselé fermentace) nebo přebytek aktivovaného kalu. Procesy nitrifikace a denitrifikace probíhají v provzdušňovací nádrži současně, neboť v aktivovaném kalu jsou vždy provzdušňované zóny a zóny s nedostatkem kyslíku, kde se obnovují dusitany a dusičnany vzniklé při procesu nitrifikace Oddělení procesů nitrifikace denitrifikace umožňuje zlepšit podmínky pro každou z nich a zajistit tak hluboké odstranění dusíku.
