Vliv vybraných faktorů na biologické čištění odpadních vod

Mechanicko-biologické procesy jsou nejběžnějšími metodami čištění odpadních vod. Biologické čištění odstraňuje z odpadní vody organické látky pomocí nejrůznějších mikroorganismů. Především živé organismy jsou náchylné na velké množství vnějších vlivů. V článku jsou popsány vybrané faktory ovlivňující biologické čištění na čistírnách odpadních vod, jako například teplota a složení odpadní vody, ale i vliv provzdušňovacího zařízení a způsob řízení procesů v aktivační nádrži. V textu jsou vyhodnoceny i hodnoty některých veličin naměřené na reálných čistírnách odpadních vod.

Veronika Singrová, Petr Hluštík

Abstract

The article contains a description of the basic factors that affect the biological treatment of wastewater. Living microorganisms provide biological treatment and they are sensitive to the quality of the environment. The article describes, for example, the temperature and quality of wastewater, aeration equipment and the method of process control in the activation tank. The values measured at real wastewater treatment plants are commented in the text too.

Úvod

V České republice je momentálně okolo 3 000 čistíren odpadních vod. Převážná část z nich spadá do velikostní kategorie do 2 000 EO. Většina z čistíren využívá sekundárního modelu čistění odpadních vod, tedy mechanicko-biologického.

Článek je zaměřen na aerobní biologické čištění odpadních vod, při kterém je využíváno dvou základních dějů – nitrifikace a denitrifikace. Ty nejčastěji probíhají v jedné nebo více aktivačních nádržích. Pomocí těchto procesů dochází k rozkladu organické hmoty v odpadních vodách.

Jelikož je tato část čištění odpadních vod zajišťovaná živými mikroorganismy, pak je zřejmé, že má vliv na jejich činnost spousta faktorů. Níže jsou popsány základní činitelé ovlivňující biologické procesy na čistírnách odpadních vod, včetně několika hodnot z reálných měření a rozborů na ČOV.

Problémy v aktivačních nádržích často odhalí obsluha ČOV. Projevují se například silným zápachem, tvorbou nežádoucí pěny různých barev a vlastností, změnou barvy aktivační směsi nebo třeba špatnou sedimentací kalu.

Kvalita odpadní vody na přítoku na ČOV

Složení odpadních vod včetně jejich množství je kolísající v průběhu dne, týdne i roku. Především u splaškových vod dochází během jejich přesouvání v kanalizaci k chemickým a dalším změnám. Odpadní voda přitékající na ČOV je ovlivněna producenty - tedy původem odpadních vod, stářím a stavem kanalizačního systému, celkovou délkou kanalizace a dalšími objekty na stokové síti (např. čerpací stanice, výtlačná potrubí, úseky tlakové kanalizace atd.).

Běžné složení odpadních vod je uvedeno níže v tab. 1. Pro porovnání jsou v tab. 1 uvedeny hodnoty z literatury, ale i z reálných rozborů na přítoku několika ČOV (kategorii do 2 000 EO, převážně jednotné kanalizace, data za 10 let).

Tab. 1 Rozbory odpadní vody z jednotné kanalizace

Městské odpadní vody jsou často ovlivněny i vodou z průmyslových oblastí. V závislosti na jejich znečištění je pak složení odpadní vody rozdílné a dochází i k navýšení specifické spotřeby vody na obyvatele [1]. Vypouštění odpadních vod z průmyslových podniků musí být v souladu s kanalizačním řádem a v některých případech je tedy nutné jejich předčištění.

Při dlouhé době zdržení odpadní vody v kanalizačním systému může docházet ke vzniku anaerobních podmínek. V odpadní vodě pak nezůstává žádný kyslík a hodnota ORP (oxidačně-redukčního potenciálu) je značně záporná. Důsledkem je výskyt sulfanové koroze cementových materiálů, vznik zápachu a negativní vliv na čistírenské procesy na ČOV.

Poměry ukazatelů znečištění

U odpadní vody se běžně určuje 5 základních ukazatelů znečištění - CHSK_CR (chemická spotřeba kyslíku), BSK₅ (biochemická spotřeba kyslíku), NL (nerozpuštěné látky), N-NH₄⁺ (amoniakální dusík), P_celk. (celkový fosfor). Někdy se při rozboru určují samozřejmě i další ukazatelé. Udávají se především v jednotkách mg·l^-1. Pro čistírenské procesy by bylo vhodné, aby přitékající odpadní voda na ČOV měla určité poměry mezi některými z těchto ukazatelů. To ale samozřejmě někdy nenastává.

Z poměru CHSK_Cr : BSK₅ vyplývá zastoupení látek ve vodě, které jsou za aerobních podmínek biologicky rozložitelné. Ideální poměr odpovídá poměru 2:1 a souvisí s biologickou čistitelností odpadních vod [6] [2]. Existuje i ideální poměr ukazatelů BSK₅ : N : P, který odpovídá hodnotám 100 : 5 : 1 a je důležitý pro syntézu biomasy. Kritická hodnota CHSK_Cr : P odpovídá poměru 40 - 30 : 1. V takovém případě by se už mělo uvažovat o chemickém srážení fosforu [2].

Důležitou roli také může hrát vratný kal. V závislosti na jeho kvalitě, složení a objemu může mít větší či menší vliv na procesy v aktivačních nádržích, protože je smícháván přímo s předčištěnou přitékající odpadní vodou, jejíž poměry ukazatelů může zlepšovat pro čistící procesy. To samozřejmě nebude platit při dlouhodobě špatném nátoku. Dále je potřeba dohlédnout na kalovou vodu z kalojemů a fugát z odvodňovacích zařízení. Tyto vody jsou obvykle přečerpávány zpět před aktivační nádrže. Jejich objem je vždy nutné regulovat dle aktuálních podmínek a kvality nátoku na ČOV tak, aby aktivační nádrže nebyly příliš zatížené.

Reálný příklad

Tab. 2 obsahuje poměry ukazatelů z pěti reálných čistíren odpadních vod (kategorie do 2000 EO, převážně jednotné kanalizace, data za 10 let). V tab. 2 jsou uvedeny rozptyly poměrů na přítoku konkrétních ČOV. Každé uvedené číslo je vyjádřením podílu daných ukazatelů.

Vyšší hodnoty koncentrací ukazatele BSK₅ a nižší hodnoty ukazatele CHSK_Cr na přítoku by přiblížily reálné poměry k poměrům ideálním. Tím by došlo k zajištění lepší biologické čistitelnosti odpadních vod. Při nižších poměrech totiž dochází i k horšímu odstranění dusíku.

Tab. 2 Ukázka reálných poměrů základních ukazatelů v přitékající odpadní vodě na několika ČOV

Účinnost čištění byla i při těchto hodnotách základních poměrů dostatečná pro snížení množství znečištění u sledovaných ukazatelů na odtoku. Z toho vyplývá, že ideální poměr těchto ukazatelů sice představuje nejlepší podmínky pro odstraňování znečištění, ale nejedná se o dogma, bez jehož dodržení by nemohly dostatečně probíhat čistící procesy.

Teplota aktivační směsi

Nařízení vlády č. 401/2015 Sb. obsahuje tabulku s emisními standardy, kde je pro velikostní kategorie ČOV 500 - 2 000 EO a 2 001 – 10 000 EO limitován ukazatel N-NH₄⁺ na odtoku z ČOV. Uváděné maximální koncentrace tohoto ukazatele platí pouze pro období, ve kterém je teplota odpadní vody na odtoku z biologického stupně vyšší než 12 °C [7].

Nitrifikační procesy jsou na teplotě odpadní vody velmi závislé, denitrifikační procesy pak méně [4]. Při nízkých nebo vysokých teplotách odpadní vody a aktivovaného kalu mohou nastávat problémy s čistícími procesy, a to především s odbouráváním dusíku. Nízké teploty mohou kvůli působení na mikroorganismy nitrifikaci přímo zastavit. Problém nastává i s teplotami vysokými. Dosahuje-li teplota v aktivační nádrži 25 °C a více, pak začíná docházet ke zvýšené spotřebě a horší rozpustnosti kyslíku, což vede i k vyšší energetické náročnosti. Negativně jsou ovlivněny i sedimentační vlastnosti kalu [5].

Reálný příklad

Součásti tohoto článku je i vyhodnocení celkem šedesáti vzorků odpadní vody na přítoku a odtoku z deseti vybraných reálných ČOV (kategorii do 2 000 EO, převážně jednotné kanalizace). Všechny tyto vzorky byly odebrány při teplotě aktivační směsi nižší než 12 °C, což nastávalo především v zimních měsících. Z celkového počtu těchto šedesáti vzorků jich bylo nevyhovujících (tedy překročujících maximální povolené znečištění dle příslušných povolení k nakládání s vodami) pro ukazatel N-NH₄⁺ celkem čtrnáct. Dalších sedm vzorků mělo vyšší než přípustnou míru koncentrace znečištění na odtoku pro ukazatel N-NH₄⁺. Tento ukazatel se ovšem posuzuje jako průměrná hodnota za celý rok, tudíž se jedná o vzorky, respektive jejich hodnoty, které by průměr pouze negativně ovlivňovaly (navyšovaly).

Zajímavé bylo, že v ostatních případech, kdy teplota aktivační směsi nedosáhla 12 °C, byl i tak zajištěn čistící proces. Mnohdy dokonce s takovou účinností, že se ukazatel N-NH₄⁺ na odtoku pohyboval pod hodnotou stanovitelnosti. Tohle se objevilo celkem u jednadvaceti vzorků a míra odstranění amoniakálního dusíku tak odpovídala 99 %. Vzorky odpadní vody s touto dopočítanou účinností čištění byly odebrány při teplotách aktivační směsi v rozsahu 5,4 °C – 11,5 °C.

U tří vzorků z celkového počtu byly dokonce na odtoku naměřeny vyšší hodnoty ukazatele N-NH₄⁺ (oproti přítoku). Což znamená, že se kvalita odpadní vody v tomto ukazateli po průchodu ČOV zhoršila. Výsledky mohou být ovšem zkreslené, z důvodu časového zdržení odpadní vody na ČOV.

pH aktivační směsi

Optimální pH pro aktivační procesy je 7, běžně ale fungují v rozmezí pH 5 – 9 [6]. Souvisí to především s vhodným prostředím pro mikroorganismy. Během chemických procesů se hodnota pH neustále mění. Nitrifikační děje jsou na hodnoty pH nejvíce citlivé a hodnota pH při nich klesá, u denitrifikačních procesů pH odpadní vody naopak roste [4]. Sledování hodnot pH je také důležité z důvodu možnosti vzniku koroze kovových částí nádrží při nízkém pH. Nízké pH může souviset i s nežádoucím bytněním kalu (viz kapitola „mikroorganismy“) [6].

Příliš vysoké nebo nízké pH může být způsobeno organickými nebo anorganickými sloučeninami. U organických sloučenin může posun do neutrální oblasti proběhnout samovolně, tedy pomocí jejich rozkladu. U sloučenin anorganických je potřeba vnějšího zásahu [5]. V praxi se většinou pro záchranu mikroorganismů využívá maximální míra provzdušňování aktivační nádrže nebo se musí přistoupit k odklonu nátoku do jiné nádrže (většinou dešťové). Následně se vyčkává na přitékající odpadní vody běžného složení (již s vyhovující hodnotou pH) a poté dochází k postupnému ředění těchto odpadních vod.

Reálný příklad

V následující tab. 3 je uveden roční průměr hodnot pH na přítoku a odtoku z několika ČOV (kategorie do 2 000 EO, převážně jednotné kanalizace, data za rok). Průměr pro každou ČOV byl stanoven z dvanácti hodnot, které byly odebírány v průběhu roku vždy jednou měsíčně. Z tab. 3 vyplývá, že voda odtékající z čistíren odpadních vod má vždy o něco nižší pH než na přítoku na ČOV.

Tab. 3 Ukázka reálných hodnot pH u odpadní vody na několika ČOV

Další ovlivňující faktory

Tato kapitola popisuje další faktory, které mají vliv na biologické čištění odpadních vod. Mikroorganismy jsou podstatou biologického čištění a je důležité, aby jim byly nakloněny všechny okolní podmínky. V rámci technologií souvisejících s aktivační nádrží mají velký vliv i aerační zařízení a jejich charakteristika. Podstatné je i řízení aktivačních nádrží a použití algoritmů, což souvisí s osazenými sondami na měření různých ukazatelů.

Mikroorganismy

Aerobní proces čištění je založen na dodávce molekulárního kyslíku a na přítomnosti aerobních mikroorganismů. Mikroorganismy využívají získanou energii z rozkladu substrátu a biogenní prvky z vnějšího prostředí, což vede ke stavbě jejich buněčné hmoty. Makrobiogenní prvky jsou uhlík, vodík, kyslík, dusík a fosfor. S nedostatkem těchto prvků mohou mít problém především průmyslové odpadní vody, do kterých je pak zapotřebí vnějšími zásahy tyto prvky dodávat. Výsledným produktem aerobního čistícího procesu jsou oxid uhličitý, voda a amoniak (ze substrátu obsahující dusík) [8].

Celá směs bakteriální kultury a dalších organismů jako jsou houby, prvoci, kvasinky a plísně se nazývá aktivovaný kal. Často obsahuje i z vody adsorbované suspendované a koloidní látky. Hlavní zástupci bakterií jsou např. bakterie rodu Nitrosocystis, Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrobacter a další [1] [4].  Mikroorganismy je důležité zapracovat a vypěstovat v dostatečném množství. Jejich přítomnost ve splaškové vodě může být někdy nedostačující nebo nemusí splňovat požadované zastoupení všech druhů mikroorganismů [8]. V takových případech je nutné naočkování biologického kalu. Je důležité zmínit, že každá čistírna má díky specifickému složení odpadních vod také specifické složení mikroorganismů v aktivovaném kalu.

Dle typu aktivačního procesu se liší i bakterie a organismy. U vysokozatížené aktivace je poměrně chudá druhová biocenóza. Nejpestřejší zastoupení mikrobakterií, ovšem v nízkém počtu, má naopak aktivace střednězatížená, a to díky menšímu přísunu substrátu a predaci některých organismů. Nízkozatížené aktivace jsou charakteristické poměrně chudou biocenózou a menším počtem bakterií [10].

Aktivovaný kal má vločkovitý charakter a v případě dobrého (nízkého) kalového indexu je jeho oddělení od kapalné fáze velmi snadné prostou sedimentací. Tuto skutečnost mohou negativně ovlivňovat mikroorganismy vláknitého charakteru [8] [9]. Za zbytněný kal se považuje takový kal, jehož kalový index je větší než 200 ml·g^-1. Při bytnění dochází k nežádoucímu zvětšení objemu kalu, malým sedimentačním rychlostem a ke tvorbě nežádoucí pěny. Bytnění mohou způsobovat například vláknité mikroorganismy, nízké pH, teplotní změny, nedostatek potřebných nutrientů, přítok odpadních vod s vysokým obsahem sacharidů a další okolnosti [6].

Řízení procesu nitrifikace a denitrifikace

V aktivačních nádržích probíhají dva důležité procesy čištění - nitrifikace a denitrifikace. Řízení těchto procesů může být různé.  Jejich vhodnou optimalizací může dojít ke snížení nákladů na elektrickou energii, snížení požadavků na obsluhu a pokles hodnot dusíku na odtoku.

Především v minulosti bylo možné narazit na menší čistírny odpadních vod, které byly provozovány pouze s nitrifikací. Z hlediska hodnot odtokových parametrů v kategorii ČOV do 10 000 EO je to eventuálně možné i dnes, protože na odtoku v těchto velikostních kategoriích není momentálně limitován N_celk. Z provozního hlediska je však řízení ČOV bez kontrolované denitrifikace komplikovanější. V dosazovacích nádržích často vzniká spontánní denitrifikace a plynný dusík narušuje proces sedimentace. Proto se toto řízení v dnešní době vyskytuje pouze na menších a starších ČOV, kde bohužel není jiná možnost.

Vždy je nutné řízení a algoritmy vyzkoušet a nastavit pro konkrétní ČOV. Je také potřeba zvážit o jaký typ aktivace se jedná (oběhová, směšovací, post/predenitrifikaci, apod.). Každá čistírna je specifická a liší se různými parametry, složením přitékající odpadní vody i aktivovaného kalu. Například stanovené doby provzdušňování nebo spínací/vypínací hodnoty koncentrací na jedné ČOV nezaručují stejné výsledky na jiné čistírně odpadních vod.

Řízení může probíhat dle pevně nastavené doby nitrifikace a denitrifikace, koncentrace rozpuštěného kyslíku, koncentrace amoniakálního dusíku nebo koncentrace amoniakálního dusíku a dusičnanů. Nejméně výhodnou variantou z energetického hlediska je určitě časově pevné nastavení nitrifikace a denitrifikace, při kterém systém není žádným způsobem schopný reagovat na aktuální složení odpadní vody. Opakem jsou pak aktivační nádrže, které jsou řízeny automaticky a pomocí sondy na amoniakální dusík a dusičnany. Takové řízení se většinou vyskytuje na větších ČOV nebo je využíváno z určitých důvodů (časté otravy ČOV, energetické úspory). Nejčastěji se na čistírnách vyskytuje řízení aktivačních nádrží pomocí sondy na koncentraci rozpuštěného kyslíku.

Řízení aktivačních procesů stále není běžnou součástí všech ČOV. Potřebné vybavení nemají především starší nebo menší čistírny odpadních vod. Obecně lze ale říci, že automatické systémy řízení na čistírnách přibývají.

Provzdušňovací zařízení

Pro vyjádření výkonu aeračního zařízení a z důvodu možnosti porovnání různých typů zařízení byla zavedena veličina – oxygenační kapacita. Udává množství kyslíku na objemovou jednotku nádrže za čas. Dle TNV 756613 je standardní oxygenační kapacita definována jako množství kyslíku, které je za časovou jednotku přivedeno do celé aerované nádrže za standardních podmínek [8].

Do výpočtů vstupuje mimo jiné i součinitel přestupu kyslíku nebo objemový koeficient přestupu kyslíku. Ty mohou záviset na více faktorech. Například na způsobu přivádění kyslíku do vody, množství dodávaného kyslíku za čas, na aeračním systému a vlastnostech aerační nádrže. Dále jsou výpočty závislé i na rozpustnosti kyslíku ve vodě, součiniteli nerovnoměrnosti oxygenační kapacity a dalších [8].

Závěr

Ke každé čistírně odpadních vod je nutné vždy přistupovat individuálně. Odlišná délka a aktuální stav kanalizačního systému, napojené průmyslové podniky a další charakteristika konkrétní oblasti má velký vliv na složení a kvalitu odpadní vody a následně i na čistící procesy.

Z článku také vyplývá, že biologické čištění v aktivačních nádržích v reálu mnohdy probíhá při vychýlení některých parametrů od ideálních hodnot. Například složení odpadních vod na přítoku ČOV (i jejich poměry) a teplota odpadní vody v biologickém stupni. Při těchto podmínkách spíše dochází ke zpomalení čistících procesů, nutnosti vyššího provzdušňování (vyšší energetická náročnost) nebo ke snížení účinnosti čištění.

Pro požadovanou účinnost biologického čištění je důležité i správné řízení nitrifikačních a denitrifikačních procesů. V dnešní době probíhá řízení především automaticky pomocí řídících systémů. Ty je ale nutné nastavit a přizpůsobovat (například i ročnímu období) a zavést jakési pojistky systému pro neobvyklé situace.

Literatura/References

1. PITTER, Pavel. Hydrochemie. 4., aktualiz. vyd. Praha: Vydavatelství VŠCHT Praha, 2009. ISBN 978-80-7080-701-9.
2. HLAVÍNEK, Petr a Dušan NOVOTNÝ. Intenzifikace čistíren odpadních vod. Brno: NOEL 2000, 1996. ISBN 80-86020-01-0.
3. HLUŠTÍK, P.; RACLAVSKÝ, J. Water quality comparison for various drainage systems for 2000 equivalent population. In Advances in Environmental Engineering 2019. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Bristol, UK: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2020. s. 1-6. ISSN: 1755-1315.
4. HLAVÍNEK, Petr, Jan MIČÍN, Petr PRAX, Petr HLUŠTÍK a Radim MIFEK. Stokování a čištění odpadních vod: Studijní opora, modul 1, 2. Brno,
5. ASIO NEW, spol. s r.o., 2003. Co může způsobit problémy na čistírnách. Tzbinfo [online]. [cit. 2020-03-18]. Dostupné z: https://www.tzb-info.cz/1578-co-muze-zpusobit-problemy-na-cistirnach
6. PYTL, Vladimír. Příručka provozovatele čistírny odpadních vod. 2. vyd. Líbeznice: Medim pro SOVAK ČR, c2012. ISBN 978-80-87140-26-0
7. Nařízení vlády č. 401/2015 Sb.: Nařízení vlády o ukazatelích a hodnotách přípustného znečištění povrchových vod a odpadních vod, náležitostech povolení k vypouštění odpadních vod do vod povrchových a do kanalizací a o citlivých oblastech, In: . ročník 2015, číslo 401.
8. MALÝ, Josef a Jitka MALÁ, c2006. Chemie a technologie vody. 2., dopl. vyd. Brno: ARDEC. ISBN 8086020509.
9. Charakteristika čistírenských kalů, Zpracování kalů: Multimediální učební texty zaměřené na problematiku zpracování kalů [online]. [cit. 2019-04-10]. Dostupné z: http://hgf10.vsb.cz/546/ZpracovaniKalu/charakter.html
10. ŘÍHOVÁ AMBROŽOVÁ, Jana, 2002. Mikroskopické praktikum z hydrobiologie. Praha: Vysoká škola chemickotechnologická v Praze. ISBN 80-708-0496-3.

Poděkování/Acknowledgements

Článek byl vytvořen v rámci standardního projektu FAST-S-20-6314 „Vybrané problémy vodního hospodářství obcí“. Zároveň děkuji společnosti VaK Hodonín, a.s. za poskytnuté podklady a možnost jejich zveřejnění.

Autoři/Autors

Ing. Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno

doc. Ing. Petr Hluštík, Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno

Citace/citation

Singrová, V., Hluštík, P. Vliv vybraných faktorů na biologické čištění. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online]. 20.1.2021, 1/2021, [cit. 2021-01-21]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.