Řízení procesu nitrifikace a denitrifikace na čistírnách odpadních vod

Čistírny odpadních vod jsou nezbytnou součástí naší společnosti a mají složitý úkol odstranění znečišťujících látek z odpadních vod. Tento příspěvek byl věnován biologickému čištění odpadních vod, tedy aktivační nádrži. V aktivační nádrži probíhají dva hlavní procesy čištění odpadních vod nitrifikace a denitrifikace. Vhodnou optimalizací a zefektivněním tohoto procesu je možné dosáhnout značného snížení nákladů na elektrickou energii, snížit požadavky na obsluhu a rovněž snížit hodnoty dusíku na odtoku.

Úvod

Čistírny odpadních vod (ČOV) jsou nezbytnou součástí naší společnosti a v dnešním moderním světě jsou v podstatě nutností. Kvalitní čištění odpadních vod je ve vyspělých zemích již považováno za standard. V tomto příspěvku bych se chtěla zaměřit na zefektivnění odstranění dusíku z odpadních vod a to nejen na samotné snížení koncentrací dusíku na odtoku, ale také na snížení nákladů při jejich odstranění. Zefektivním a mechanickým řízením lze snížit náklady nejen na obsluhu, ale především na spotřebu elektrické energie, která představuje často největší podíl nákladů na provoz ČOV.

Nejčastěji využívaným procesem pro odstraňování dusíku na ČOV je aktivační proces. V současnosti existuje několik variant umožňujících odstranění dusíku na ČOV, například oběhová aktivace, SBR systém či předřazená denitrifikace. V České republice jsou nejčastěji realizované oběhové aktivace, proto je i tento článek zaměřen na oběhovou aktivaci. Výhodou systému je vysoká účinnost odstranění dusíku nitrifikací a denitrifikací. Po vstupu kalu do oběhové nádrže dochází k odstranění organických látek pomocí nitrifikace. To se děje za pomoci aerátorů dodávajících vzduch, které jsou instalovány v nádrži. Jak již bylo zmíněno, musí následovat proces denitrifikace, k čemuž dochází v další části nádrže (v tzv. anoxické části).

Procesy probíhající v aktivační nádrži

Biologický stupeň neboli aktivační proces se začal uplatňovat již na přelomu století, od té doby se začal využívat po celém světě jako sekundární stupeň biologického čištění odpadních vod. V tomto stupni čištění je nejdůležitější oxidace amoniakálního dusíku na dusitany a dusičnany (nitrifikace) a následná disimilační redukce denitrifikací dusičnanů na elementární dusík (denitrifikace). Nitrifikace je proces biochemické oxidace amoniaku na dusitany a dále na dusičnany. V oxických podmínkách probíhá bez problémů pomocí nitrifikačních bakterií. Denitrifikace je proces biochemické redukce dusitanů na oxidy dusíku a následně elementární dusík. Denitrifikace by vždy měla následovat za nitrifikací, aby došlo ke konečnému zpracování dusíku, odbouráním dusičnanů. Bez denitrifikace by nedošlo v odpadní vodě k odbourání dusíku, ale jen ke změně formy z amoniakálního na dusičnany.

Proces nitrifikace a denitrifikace ovlivňuje celá řada faktorů (koncentrace oxidu uhličitého, koncentrace rozpuštěného kyslíku, hodnota pH, teplota atd.), proto je nutné zabývat se jeho optimalizací při řízení procesu čištění odpadních vod.

Možnosti řízení procesů nitrifikace a denitrifikace

Jak již bylo v úvodu zmíněno, tento článek je zaměřený na oběhovou aktivaci, která je jednou z nejstarších, ale i nejčastěji realizovaných aktivačních systémů. Ustaluje se jejich podoba jako nízkozatěžovaných systémů s dlouho dobou zdržení a s vysokým stářím kalu. Možností řízení procesu odstraňování dusíku existuje hned několik, například řízení na základě aerace, řízení pomocí koncentrace aktivovaného kalu nebo řízením dávkování externího zdroje substrátu. Nejvýhodnější a zároveň nejefektivnější se v současnosti jeví nastavení řízení přerušované aerace. Přestože regulace aerace patří ke složitějším úlohám při optimalizaci ČOV (vzhledem k nutnosti přesného měření), jedná se z hlediska řízení o největší možnost úspory nákladů. Jak můžeme vidět na následujícím obr. 3.1, aerace tvoří největší dílčí část spotřeby elektrické energie.

Řízení s pevně nastavenou dobou nitrifikace a denitrifikace

V současnosti v České republice stále často využívaný systém zcela nezávislý na aktuální kvalitě odpadní vody. V tomto případě se jedná o pevně nastavenou dobu nitrifikace a denitrifikace na základě předchozích zkušeností při řízení čistírny odpadních vod s uvážením kvality odpadních vod na daném místě. Toto řízení vyžaduje jisté zkušenosti a zároveň nutnost ověření účinnosti na každé ČOV samostatně. Například u ČOV Mikulov je v roce 2015 nastavena doba nitrifikace na dobu 60 min., následuje 10 min. ustálení a poslední nezbytnou fází je 80 min. denitrifikace, jeden cyklus tedy trvá 150 minut. Přesto, že jsou zde splňovány požadavky na kvalitu vypouštěné odpadní vody, nejeví se tento systém jako zcela ekonomický. A to především z důvodu neumožnění reagovat na aktuální znečištění odpadních vod, kdy dochází k neefektivnímu provzdušňování v dobách s malým znečištěním a zároveň k nedostatečnému provzdušňování v době se zvýšeným nárazovým zatížením (např. vypouštění fekálních vozidel).

Řízení v závislosti na koncentraci rozpuštěného kyslíku a pH

V České republice jeden z nejčastěji využívaných systémů manuálního pevného nastavení koncentrace rozpuštěného kyslíku a rozmezí pH. Výzkum dokázal, že optimální koncentrace pro maximální odstranění dusitanů rozpuštěného kyslíku (DO) je 2,7-5,7 mg/l a optimální pH 6,45 až 7,85. [3] Ne vždy je však takové to nastavení dostatečně efektivní a to především v kombinaci s jednobodovým měřením koncentrací v nádrži. Při tomto použití obdobně jako v předchozím případě často dochází k plýtvání elektrické energie na aeraci.

Z výše zmíněného vyplývá, že se nejedná o zcela efektivní a ekonomický způsob řízení procesu nitrifikace a denitrifikace, proto se v současné době začínají využívat efektivnější způsoby řízení, které budou popsány v následujících kapitolách.

Řízení pomocí matematického vztahu v závislosti na koncentraci amoniakálního dusíku

Pro tento systém je typická kaskáda regulátorů, kdy je jedním regulátorem stanovena hodnota koncentrace rozpuštěného kyslíku, zatímco druhý regulátor stanovuje veličinu nutnou k dosažení žádané hodnoty, kterou jsou otáčky dmychadla, případně otevření regulační klapky. Je možné využití PID regulátoru pro stanovení hodnoty koncentrace rozp. kyslíku, tato aplikace byla využita například na ČOV v Uppsale. Regulátor byl nastaven na žádanou hodnotu koncentrace amoniakálního dusíku na odtoku 1 mg/l. Po zapnutí regulátoru došlo ke snížení průměrné koncentrace rozp. kyslíku z 2 mg/l na 1 mg/l s reakcí na zatížení amoniakem, kdy v případě velkého zatížení byla koncentrace rozp. kyslíku zvýšena automaticky až na 3 mg/l.Tato úprava měla pozitivní vliv i na denitrifikaci, neboť nízká koncentrace rozp. kyslíku umožnila simultánní nitrifikaci a denitrifikaci. Při konstantním nastavení při modelovém porovnání požadovaných hodnot koncentrací rozp. kyslíku 3,5 mg/l a Namon 5 mg/l bylo prokázáno snížení nákladů na elektrickou energii i snížení odstranění amoniakálního dusíku. [4]

Řízení v závislosti na koncentraci amoniakálního dusíku

Jednou z metod, které mohou zlepšit odstranění dusíku a také ušetřit náklady na energie oproti předchozím možnostem může být také nastavení nitrifikace a denitrifikace na základě měření koncentrace amoniakálního dusíku (NH4+). Řízení je prováděno nastavením frekvence motorů dmychadel na základě koncentrace amoniakálního dusíku a to nejlépe na konci aerované zóny. Řízení je zpravidla na základě PID regulátoru s nastavenou koncentrací NH4+ na hodnotu 8,5 mg/l s tím, že v létě je možné zvýšení na 9,5 mg/l (na ČOV Praha). Při tomto způsobu řízení je nutné nastavit regulátor tak, aby měl delší odezvu, která odpovídá reakční době nitrifikantů, tedy cca 1-1,5 hodiny.[5]Je nutné mít na paměti, že výše zmíněná hodnota je závislá na mnoha parametrech, proto není možné ji použít na všech ČOV, ale je nutné tuto hodnotu upravit (stanovit) na konkrétní ČOV individuálně.

Využití tohoto systému se osvědčilo v případě snížení spotřeby elektrické energie oproti řízení pomocí koncentrace rozpuštěného kyslíku. Rovněž se systém ukázal jako účinný při nátoku toxické chemikálie, kdy došlo k automatickému navýšení množství dodávaného vzduchu. [5]

Řízení v závislosti na amoniakálním dusíku a dusičnanech

Dá se předpokládat, že nejpřesnější a nejefektivnější je řízení procesů nitrifikace a denitrifikace v závislosti na koncentraci amoniakálního (N-NH4) a dusičnanového dusíku (N-NO3) s jejich vzájemnou vazbou. Pro možnost využití tohoto systému je nutné v aktivační nádrži instalovat dvě, lépe však tři sondy indikující aktuální koncentraci N-NH4 a N-NO3, optimálně i rozpuštěného kyslíku, jako pojistku pro případ poruchy.

Tento způsob řízení předpokládá využití on-line monitorování s možností nastavení požadovaných hodnot. První etapou aktivačního procesu je proces nitrifikace, který je zahájen sepnutím aeračního zařízení v závislosti na koncentraci dusičnanového dusíku N-NO3 a zároveň při dodržení podmínky maximální koncentrace amoniakálního dusíku N-NH4. Proces nitrifikace je pak ukončen na základě dosažení dané koncentrace amoniakálního dusíku N-NH4 = 0,5 mg/l. Následuje druhá fáze a to denitrifikace, která nastane po vypnutí aeračního zařízení, přičemž v této fázi je hodnota N-NO3 pouze hodnotou informativní. Řízení systému podle koncentrace amoniakálního dusíku je nadřazeno řízení dle dusičnanového dusíku. Využití měření koncentrace rozpuštěného kyslíku je možné využít jako pojistku pro případ poruchy systému.

Tento systém řízení se velice osvědčil při aplikacích na ČOV v České republice. Oproti předchozím systémům dokáže značně snížit spotřebu elektrické energie, optimalizuje plně automatizovaný systém řízení s možností plné kontroly nad hlavními procesy probíhajícími v aktivační nádrži, ale i snižuje hodnoty dusíku na odtoku.

Závěr

Příspěvek byl zaměřen na jednu část čistíren odpadních vod a to konkrétně aktivační nádrž, kde dochází k biologickému čištění odpadních vod. Tento proces na čistírně odpadních vod představuje největší spotřebu elektrické energie, proto je zcela logické zabývat se jeho zefektivněním, které přispěje ke snížení spotřeby energie, čímž se sníží náklady na čištění odpadních vod. Prozatím je nejefektivnější využívanou metodou řízení procesu v aktivační nádrži pomocí měření koncentrace rozpuštěného kyslíku současně s amnoniakálním a dusičnanovým dusíkem. Tento systém za předpokladu použití on-line sond s přenosem parametrů umožní rychle a účinně reagovat na míru natékaného znečištění. Do budoucna je stále nutná optimalizace algoritmu řízení, přičemž nové algoritmy řízení budou vznikat tak, že se systém bude učit a bude schopen samostatně reagovat na různé modelové situace.