Inokulum pre anaeróbne čistenie odpadových vôd pri psychrofilných podmienkach

Anaeróbny membránový bioreaktor (An-MBR) patrí k perspektívnym technológiam, ktoré majú potenciál pre energeticky efektívnejšie čistenie odpadových vôd oproti súčasným konvenčným technológiam čistenia. Jedná sa o kombináciu anaeróbneho bioreaktoru s membránovou mikro alebo ultrafiltráciou, kde membrána zabezpečuje dokonalé zachytenie pomaly rastúcej biomasy, čím zabraňuje jej vypláchnutiu a zároveň zvyšuje jej regulovateľnosť v reaktore.

Úvod

Anaeróbny membránový bioreaktor (An-MBR) patrí k perspektívnym technológiam, ktoré majú potenciál pre energeticky efektívnejšie čistenie odpadových vôd oproti súčasným konvenčným technológiam čistenia. Jedná sa o kombináciu anaeróbneho bioreaktoru s membránovou mikro alebo ultrafiltráciou, kde membrána zabezpečuje dokonalé zachytenie pomaly rastúcej biomasy, čím zabraňuje jej vypláchnutiu a zároveň zvyšuje jej regulovateľnosť v reaktore. Týmto je možné dosiahnuť vysoký vek a koncentráciu kalu v reaktore aj pri krátkom hydraulickom zdržaní odpadovej vody, čo sú základné parametre anaeróbneho čistenia. Prakticky absolútna regulovateľnosť biomasy v systéme dáva predpoklady na možnosti čistenia odpadových vôd pri teplotách nižších ako mezofilných a pre čistenie nízkozaťažených (komunálnych) odpadových vôd. Pre efektívne čistenie pri týchto podmienkach je nutné naočkovať reaktor vhodnou násadou (inokulom) mikroorganizmov, pre ktoré budú dané podmienky vyhovujúce pre činnosť ich metabolizmu.

Možné zdroje inokula podľa teplotných skupín

Rýchlosť rastu mikroorganizmov a rýchlosti reakcií vo vnútri a v ich okolí je ovplyvňovaná mnohými faktormi, z ktorých medzi najvýznamnejšie patrí teplota. Závislosti týchto reakcií sú pre rôzne druhy organizmov odlišné. Teplota tak má rozhodujúcu úlohu na zloženie zmesi biokultúr, v ktorých bude za danej teploty a chemického zloženia prevládať ten druh, ktorý využíva energiu najrýchlejšie a s najvyššou účinnosťou [1].

Pre každý druh mikroorganizmov je charakteristická optimálna teplota (teplota pri ktorej dosahuje mikroorganizmus maximálneho rastu) a jej teplotné rozmedzia, v ktorých je organizmus schopný rásť. Podľa [2] je rozdelenie mikroorganizmov do teplotných skupín uvedené v tab.1

Anaeróbny rozklad sa skladá z viacero na seba nadväzujúcich stupňov (hydolýza, acidogenéza, acetogenéza, metanogenéza). Obecne možno tvrdiť, že s vyššou teplotou rastie reakčná rýchlosť. Tento nárast však nie je u každej reakcií rovnaký a každá môže mať inú teplotnú závislosť.

Z tab.1. vyplýva, že pre čistenie komunálnych odpadových vôd pri psychrofilných podmienkach (teplota odpadových vôd je cca 14-20°C) sú použiteľné teplotné skupiny mikroorganizmov: psychrofilné, termotolerantné mezofily a mezofilné.

Ako zdroje vhodného inokula pre čistenie odpadových vôd sa javia psychrofilné mikroorganizmy a termotolerantné mezofily, ktoré majú teplotné optimum v blízkosti 15°C. Takéto mikroorganizmy sa vyskytujú v močiaroch, bažinách, jazerných sedimentoch ako aj v anaeróbnych priekopoch a lagúnach. Mezofilné mikroorganizmy sú dlhodobo využívané na čistenie vysoko zaťažovaných odpadových vôd a vyhnívanie kalu v kalovom hospodárstve ČOV. Ich tepelné optimum je výrazne vyššie ako sú priemerné teploty odpadovej vody, avšak ich teplotné rozmedzie pokrýva aj tieto teploty. Takéto organizmy môžeme nájsť v konvenčných anaeróbnych reaktoroch a kalových vyhnívacích nádržiach.

Inokulum v pilotných projektoch An-MBR

An-MBR patrí k tzv. emerging technologies, čo je súbor nových perspektívnych technológií v oblasti čistenia odpadových vôd vyhlasované americkou agentúrou pre životné prostredie (U.S. EPA). Momentálne je táto technológia pilotne skúmaná pre jej potenciál energeticky sebestačného procesu čistenia komunálnych odpadových vôd pri psychrofilných podmienkach. Pri testovaní týchto pilotných jednotiek boli použité rôzne druhy násad mikroorganizmov.

Ako základný predpoklad pre zaradenie An-MBR do zoznamu emerging technologies bol výskum [3]. Prototyp bol testovaný pri 15°C na syntetickej odpadovej vode po dobu 351 dní a následne na reálnych odpadových vodách po ďalších 225 dní.

Ako inokulum bola použitá zmes z troch zdrojov: 1) z mezofilného UASB reaktoru, 2) z mezofilného vyhnívania kalu z komunálnej čistiarne 3) z psychrofilnej anaeróbnej lagúny v celkovej koncentrácií 6000 mg/l v pomere 2,5 : 2,5 : 1.

Výskum priniesol pozitívne výsledky, keď pri čistení syntetickej OV bolo priemerné odbúranie CHSK na úrovni odtoku 36 ± 21 mg CHSK/l s výsledným BSK₅ 18mg BSK₅/l. V prípade čistenia reálnej odpadovej vody bolo odbúranie CHSK 69±10%  a výsledné BSK₅ 25±3 mg/l.

Po 275-tich dňoch bol urobený rozbor biomasy a biofilmu v reaktore a ich porovnanie s naočkovanými typmi násady. Rozbor porovnával príbuznosť bakteriálnych a archeónnych spoločenstiev v suspenzií a v biofilme membrány po 275-tich dňoch prevádzkovania so spoločenstvami jednotlivých násad pri naočkovaní bioreaktoru.

Výsledky porovnania sú znázornené na obr. 1a, 1b v stromovom diagrame UniFrac.

K obrázkům 1a a 1b. Northfield – biomasa z mezofilného vyhnívania kalu, Maybee Lagoon – biomasa z psychrofilnej anaeróbnej lagúny, UASB – biomasa z UASB reaktoru [3].

Z výsledkov vyplýva, že v spoločenstve baktérií malo inokulum z anaeróbneho vyhnívania kalov najväčšiu príbuznosť s biomasou v reaktore. Z hľadiska príbuznosti s archeónmi  sa najviac podobala biomasa UASB reaktoru.

Analýza biomasy An-MBR tak odhalila, že najväčšie zastúpenie v biomase An-MBR majú mesofilné psychrotolerantné organizmy, ktoré majú blízke príbuzenstvo so vzorkami z mezofilného inokula (UASB, vyhnívacie nádrže). Takáto skutočnosť indikuje, že naočkovanie An-MBR oboma vzorkami, môže byť rozhodujúcim faktorom na proces čistenia. Naopak psychrofilné inokulum sa ukázalo ako nevýznamné pre nastolenie čistiaceho procesu v systéme. Z dôvodu dominantného postavenia mezofilných psychrofilných mikroorganizmov, je predpoklad zvýšenej biologickej aktivity pri vyšších teplotách. Takáto vlastnosť by mala pozitívny efekt počas sezónnych zmien (vysoké teploty počas leta), kedy nie je nutné meniť spoločenstvo mikroorganizmov v reaktore.

Na tieto zistenia naviazali dve štúdie [4],[5], ktoré si ako inokulum vybrali mezofilné mikroorganizmy

Pilotná jednotka An-MBR vo výskume [4] (upravený UASB reaktor) bola zameraná na čistenie reálnych komunálnych odpadových vôd z mesta Valladolid, ktorých teplota sa pohybovala na 18±2°C počas troch rokov. Ako násada bola zvolená biomasa z mezofilnej (35°C) anaeróbnej vyhnívacej nádrže bez predošlej aklimatizácie na psychrofilné podmienky.  Počas prevádzky bolo zistené 87±1 % odstránenie celkového CHSK pri hydraulickej dobre zdržania 7 hodín, pri látkovom zaťažení 2-2,5 kg CHSK/m³/deň. Absolútne hodnoty na odtoku dosiahli 100 – 120 mg/l celkového CHSK (prítok 892 ± 271 mg/l celkového CHSK)  a 35-50 mg/l BSK₅ (prítok 573 ± 233 mg/l celkového BSK₅).

Pilotná jednotka v štúdií [5] sa zaoberala anaeróbnym čistením syntetickej odpadovej vody simulujúcej komunálnu odpadovú vodu pomocou anaeróbneho reaktoru s dynamickou membránou (mriežka o veľkosti oka 200 µm) pri teplote okolia (teplota laboratória 20-24°C). Ako inokulum bola použitá biomasa z mezofilného vyhnívania prebytočného kalu na komunálnej ČOV.  Výsledky preukázali priemerné odstránenie viac ako 80% CHSK už pri hydraulickej dobe zdržania 12 hod a odstránenie 50-60% CHSK pri hydraulickej dobe zdržania 6 hod.

Záver

Na základe pilotného výskumu An-MBR [3] a spomenutých výskumov [4],[5] je možné tvrdiť, že optimálne inokulum pre anaeróbne čistenie komunálnych odpadových vôd pri psychrofilných podmienkach (v rozmedzí 15-24°C) je zmes mezofilnej biomasy z anaeróbneho vyhnívania čistiarenských kalov a z anaeróbnych reaktorov pre čistenie odpadových vôd. Naopak psychrofilné mikroorganizmy nepreukázali svoju schopnosť rastu v svojich optimálnych teplotných podmienkach a tak sa pre proces anaeróbneho čistenia pri nízkych teplotách stávajú nevýznamné. Je však nutné podotknúť, že uvedené pilotné projekty boli realizované v kontrolovaných laboratórnych podmienkach, kde nedochádzalo k extrémnym výkyvom teploty vonkajšieho okolia. Je možné, že v prípade poloprevádzkového a prevádzkového testovania pri vplyve vonkajšej teploty v období zimy (teploty prostredia hlboko pod 0°C), bude dochádzať k inhibícií mezofilných mikroorganizmov a prevahe psychrofilných mikroorganizmov.

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I".