Kombinované systémy využívané k míchání a provzdušňování
Kombinované systémy míchání a aerace jsou využívány na čistírnách odpadních vod, ale i na dalších místech. Na čistírnách odpadních vod se osazují především do aktivačních nebo uskladňovacích nádrží. V předkládaném článku se objevuje popis jejich funkce a je uveden příklad použití v aktivačních nádržích na reálných ČOV.
Cílem článku je rozšíření povědomí o kombinovaných systémech a ukázka osazení takového systému na reálné ČOV, včetně prokázání jeho spolehlivosti pomocí odtokových hodnot koncentrací sledovaných ukazatelů.
Článek byl oceněn a vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2020.
1 Úvod
Většina čistíren odpadních vod má dva základní procesy, a to mechanický a biologický. Biologické čištění probíhá v aerobních nebo anaerobních nádržích. Nejběžnější způsob biologického čištění je čištění aerobní, které probíhá nejčastěji v aktivačních nádržích. Tyto nádrže jsou vybaveny příslušným vystrojením a společně s mikroorganismy zajišťují funkčnost čistícího procesu.
Objem každé aktivační nádrže je zapotřebí míchat a provzdušňovat. Provzdušňovacích a míchacích systémů je na trhu spousta. Tento článek je zaměřen na ty, které zvládají oba tyto procesy (není tedy potřeba zvlášť zařízení na míchání a zvlášť na aeraci).
Pro správnou funkčnost celého procesu, do kterého vstupuje velké množství parametrů (někdy i proměnných), je zapotřebí sestavení správného algoritmu řízení. Tento algoritmus je zapotřebí vždy testovat a upravovat na každé ČOV individuálně.
Provozovatel čistírny odpadních vod je nucen dodržovat stanovené limity na odtoku. Řízení a provoz celé ČOV, volba správných technologií, nastavení správného algoritmu a jeho hodnot odpovídá za výsledné koncentrace sledovaných ukazatelů na odtoku. V článku se proto objevují odtokové koncentrace konkrétní ČOV, kterých je dosahováno pomocí kombinovaného systému v aktivační nádrži a využití správně nastaveného algoritmu řízení.
2 Popis současného stavu
Aktivační nádrže na čistírnách odpadních vod, ve kterých probíhá proces nitrifikace i denitrifikace, jsou vybaveny aeračním a míchacím zařízením, případně jedním zařízením, zajišťujícím obě funkce. Aerační zařízení dodává do nádrže potřebný kyslík a míchací zařízení zajišťují homogenitu a udržují aktivovaný kal ve vznosu.
Aerace
Aerace zajišťuje dodání vzduchu a míchání objemu nádrže. Má tedy oxygenační a hydrodynamický účinek. Oxygenační účinek je charakterizován hodnotou OC. Ta představuje hmotové množství kyslíku dodávaného do aktivační nádrže za jednotku času. Obsah nádrže je udržován ve vznosu a promícháván pomocí hydrodynamického účinku aeračního zařízení. V době mimo aeraci je pak nádrž homogenizována díky míchacímu zařízení [2]. Aeraci je možné rozdělit na několik základních skupin. Jedná se o aeraci pneumatickou, hydropneumatickou a mechanickou, případně o jejich kombinaci.
Pneumatická aerace zajišťuje dodání vzduchu pomocí dmychadel, kompresorů případně ventilátorů. Vzduch z dmychadel je přes potrubí dodáván do aeračních elementů, které jsou z různých materiálů a s různou velikostí otvorů [1].
Mechanická aerace je zajišťována strháváním kyslíku ze vzduchu pomocí povrchových aerátorů. Ty mohou být horizontální (válce) nebo vertikální (turbíny), což závisí na poloze hnací hřídele [1], [3].
Hydropneumatická aerace využívá směšovací komory, což je prostor, ve kterém dochází ke smíchání proudu vody a přisátého vzduchu. Systém je relativně jednoduchý a nenáročný pro provoz, jeho nevýhoda je pak v nízké účinnosti a směrové orientaci proudu vody se vzduchem. Používány jsou ejektory a injektory [1], [3].
Míchání
Míchací zařízení zajišťují pouze míchání nádrže. Osazují se především do neprovzdušňovaných zón aktivace (denitrifikace, anoxické nádrže). Jedná se především o klasická míchadla (vrtule), která fungují na principu mechanického míchání. Hydraulika míchání dává přednost nádržím vyšším oproti širším [2], [3].
Kombinované systémy
Výhoda a základní znak kombinovaných systémů je v tom, že tato zařízení zajišťují funkci míchací i provzdušňovací. Kombinované systémy mohou využívat různé druhy aerace v závislosti na jejich použití, umístění a vlastnostech. Systémy mohou být povrchové nebo ponorné.
Ponorné systémy se většinou umisťují na dno nádrží a jsou celé ponořené. Výjimku pak představují motory nebo vzduchová potrubí, která jsou mnohdy vyvedena nad hladinu nebo napojena na dmychadla. Povrchové systémy jsou umístěny na pevných mostech nebo plovácích, které umožňují pohyb v závislosti na výšce hladiny. Část systému je vždy ve styku s vodou a část nad hladinou.
3 Příklad kombinovaného systému na ČOV
Níže uvedené informace a data o vybrané ČOV byly poskytnuty společnosti VaK Hodonín, a.s. Vybraná čistírna odpadních vod byla navržena pro 600 EO. Řízení aktivačních procesů probíhá pomocí koncentrace N-NH4+ a N-NO3−. Čistírna je plně automatizovaná, což souvisí i s přenosem aktuálních informací a dat na dispečink. Informace jsou tak poskytovány pracovníkům na ČOV i operátorovi [5]. V případě potřeby je tak možné zasáhnout do přednastavených algoritmů a jednotlivá zařízení dálkově ovládat.
Popis kombinovaného systému
Jako provzdušňovací systém jsou použity dva systémy Aire O2 Triton, které jsou osazeny v nádržích pomocí pevných držáků.
Vzduch je nasáván zařízením nad hladinou a vede dutou hřídelí k ústí s difuzérem, který zajišťuje jeho rozptýlení. Míchání zajišťuje speciální vrtule. Dráha bubliny je tak odlišná od běžných provzdušňovacích zařízení. Zařízení je schopno zajistit jen samotné míchání nebo míchání i provzdušňování. Tento systém je na čistírnách možné využívat i v nádržích zahušťovacích či uskladňovacích [4].
Popis algoritmu aktivační nádrže
Primárně jsou procesy v aktivační nádrži řízeny pomocí ISE sondy (tedy dle koncentrace amoniakálního dusíku a dusičnanů). V případě poruchy této sondy je možné zajistit řízení procesů pomocí sondy OXI. Oba tyto algoritmy pracují dle nastavení tehdy, je-li hodnota pH odpadní vody na přítoku v požadovaném rozmezí a nedošlo-li k překročení kritické teploty aktivační směsi.
U čistírny je při měření koncentrací v aktivační nádrži (s čímž souvisí následné zapínání a vypínání jednotlivých zařízení) nastavena a uvažována hystereze. Tím nedochází k rozkolísanosti systému a zařízení nejsou zbytečně přetěžovány neustálým zapínáním a vypínáním.
Kontrola pH
Tento krok byl předřazen před veškeré ostatní algoritmy řízení z důvodu častých otrav ČOV. Ta se totiž nachází ve vinařských oblastech a v minulosti tím byly způsobovány značné problémy, nehledě na finanční náročnost při nutnosti naočkování aktivace.
Při překročení nastavených mezí pH je automaticky spuštěn alarm. Při překročení spodní meze dochází k zapnutí obou provzdušňovacích systémů. Při návratu pH do požadovaných mezí je tento chod pro jistotu udržován ještě po určitou dobu a pak následuje klasický start nitrifikace.
Kontrola teploty
S rostoucí teplotou aktivace klesá rozpustnost kyslíku. Z tohoto důvod dojde k posunutí meze požadovaného kyslíku. Je snaha o dosažení této hodnoty, i když se jedná spíše o teoretickou hranici. Pokles o půl stupně pod tuto kritickou teplotu vrátí systém do běžného řízení.
Řízení procesů dle ISE sondy
Běžně je systém řízen pomocí hodnot amoniakálního dusíku a dusičnanů. Systém reaguje na změnu hodnoty N-NH4+ a podle toho je řízeno provzdušňování. Po základním čase pro provzdušňování systém vyhodnocuje obsah N-NH4+ dle algoritmu. Dochází tedy k ukončení provzdušňování, k jeho prodloužení nebo k prodloužení a připojení druhého provzdušňovacího zařízení. Kyslíková sonda přispívá ke kontrole vysokých hodnot koncentrací N-NO3− a zbytečné aeraci nádrže – energetické hledisko. Regulace kvůli vysoké hodnotě N-NO3− nastává jen v případě, je-li N-NH4+ v nastavených mezích.
Řízení procesů dle OXI sondy
Systém se snaží při nitrifikaci dosáhnout určité nastavené meze koncentrace rozpuštěného kyslíku v nádrži. Požadovaná mez kyslíku se mění v závislosti na teplotě aktivační směsi. Zároveň je ale stanovena maximální a minimální doba nitrifikace.
Za běžných podmínek běží jeden z Tritonů. Po ukončení této základní doby se začne systém rozhodovat, zda bylo dosaženo požadované meze či nikoli. Následuje tedy prodloužení nitrifikace, ukončení provzdušňování nebo připnutí dalšího systému Triton. Po dosažení této meze následuje přechodová fáze míchání na dobu pevně danou nebo do poklesu koncentrace rozpuštěného kyslíku na denitrifikační mez. Délka denitrifikačního procesu je také pevně daná a může být prodlužována.
4 Výsledky
V níže uvedené Tab. 1 je ukázka hodnot koncentrací na odtoku reálné čistírny odpadních vod. Čistírna má v aktivační nádrži osazené dva systémy Triton. Pro představu schopnosti čištění těchto zařízení jsou v Tab. 1 uvedeny emisní limity a průměrné hodnoty sledovaných ukazatelů za celý rok.
| Emisní hodnoty [mg‧l−1] | BSK5 | CHSKCr | NL | N-NH4+ |
|---|---|---|---|---|
| Hodnota p | 22 | 75 | 25 | prům. 12 |
| Hodnota m | 30 | 140 | 30 | 20 |
| Průměrná hodnota na odtoku za rok | 3,11 | 28,93 | 6,30 | 0,14 |
V Obr. 1 se vyskytuje průběh koncentrací měřených veličin v aktivační nádrži po dobu 24 hodin. Jedná se o hodnoty (od spodu) rozpuštěného kyslíku, amoniakálního dusíku (N-NH4+) a dusičnanů (N-NO3−). Čára s koncentrací dusičnanů, respektive jeho hodnot, je vztažena k pravé ose.
Na Obr. 1 lze snadno pozorovat fáze nitrifikace a denitrifikace. Tedy odbourání amoniakálního dusíku doprovázené nárůstem dusičnanů při provzdušňování a pokles dusičnanů s poklesem rozpuštěného kyslíku při následném procesu denitrifikace.
Obr. 1 Průběh koncentrací měřených veličin za 24 hodin
5 Diskuse
Z Tab. 1 je patrné, že systém Triton bez problémů zajišťuje požadované hodnoty na odtoku z ČOV. To potvrzuje velmi dobrou účinnost celého systému. Tato zkušenost spolu s dalšími vede provozovatele k důvěře v toto zařízení, a to dokonce i při případném budoucím rozvoji obcí či měst [5]. Hodnoty na odtoku jsou totiž značně nižší oproti hodnotám limitním, které byly předepsány příslušným městským úřadem.
6 Závěr
V dnešní době jsou na čistírnách odpadních vod nejvíce využívány klasické dmychadla s aeračními elementy a do nádrží se navíc osazují míchadla. Kombinované systémy míchání a aerace jsou na čistírnách vídány méně. I z tohoto důvodu pak vznikají mezery v provozních zkušenostech s těmito systémy. Jejich používání podporuje další zkoumání, nové myšlenky a inovace a z tohoto důvodu byl zpracován i tento příspěvek.
V předkládaném článku je uveden příklad použití kombinovaného systému v praxi, včetně popisu algoritmu řízení a jeho spolehlivosti při čištění odpadních vod. Pomocí hodnot koncentrací sledovaných ukazatelů na odtoku z ČOV je v článku prokázána velmi dobrá účinnost kombinovaného systému. Tato zkušenost spolu s dalšími vede provozovatele k důvěře v toto zařízení, a to dokonce i při případném budoucím rozvoji obcí či měst.
Součástí článku je i popis řídícího algoritmu aktivační nádrže. Je důležité zmínit, že parametry vstupující do algoritmu řízení (tedy veškeré koncentrace, časy, teploty, …) je zapotřebí testovat a přizpůsobovat během zkušebního provozu. Každá obec má specifické složení odpadních vod. Nejen z těchto důvodů je zapotřebí ke každé ČOV přistupovat individuálně. Velmi podstatné je také nastavení pojistek při řízení systému.
Další zkoumání tohoto systému by mělo upřesnit výpočet oxygenační kapacity, prozkoumat energetické hledisko systému a jeho funkčnost v aktivaci při nízkých teplotách.
7 Poděkování
Článek byl vytvořen v rámci juniorského projektu č. FAST-J-20-6431 „Aktuální problémy vodního hospodářství obcí“.
Použité zdroje
- MALÝ, Josef a Jitka MALÁ, c2006. Chemie a technologie vody. 2., dopl. vyd. Brno: ARDEC. ISBN 8086020509.
- PYTL, Vladimír, 2004. Příručka pro provozovatele čistírny odpadních vod. Líbeznice u Prahy: Medim. ISBN 80-239-2528-8.
- HLAVÍNEK, Petr, Jan MIČÍN a Petr PRAX, c2001. Příručka stokování a čištění. Brno: NOEL 2000. ISBN 80-860-2030-4.
- Materiály a informace poskytnuté firmou ZEMSKÝ Rohatec, s.r.o.
- Materiály a informace poskytnuté společností VaK Hodonín, a.s.
Combined mixing and aeration systems are used in waste water treatment plants as well as in other places. These systems are mainly installed in activation reactors or in sludge storage tanks. In this article there is a description of their function and an example of use in activation tanks at real WWTPs.
The aim of the article is to broaden the awareness of combined systems and to show how a system is installed on a real WWTP, including demonstrating its reliability by means of effluent values of the monitored indicators.