Kombinovaný systém ponorných aerotorů STM
Deklarovaná existence téměř 32 000 km rybných vod v České republice a závazek našeho státu v rámci EU si vyžádá v následujících 5 letech značný tlak na rekonstrukce stávajících čistíren odpadních vod a realizace nových progresivních aktivačních systémů čištění odpadních vod.
Článek se zabývá popisem principu kombinovaného způsobu čištění odpadních vod ponornými aerotory STM, někdy rovněž nazývanými biokontaktory, obr. 1. Zabývá se rovněž postupem technologického návrhu systému, způsobem řízení systému a poskytuje v závěru zhodnocení z pohledu technologa a z pohledu investora, resp. provozovatele. Je znám protiklad mezi dobrými sedimentačními vlastnostmi aktivovaného kalu a požadavkem vysoké účinnosti při odstraňování celkového dusíku. To vše společně s požadavkem vysoké stability biologického procesu je limitující při návrhu technologie provzdušňování v časech zvýšeného důrazu na ekonomickou návratnost investic a dnes navíc s důrazem na uplatnění odpisové strategie provozovatele. S ohledem na stále vyšší vliv nízkého poměru celkových investičních nákladů na počet připojených osob (IN/EO) je zřejmý trend k decentrálním systémům odkanalizování ukončených čistírenskou technologií v kapacitě 50–5000 EO. V této oblasti je využití ponorných aerotorů systému STM velice vhodné.
Obr. 1
Princip
„Kombinovaný způsob“ biologického čištění odpadních vod se skládá z kombinace ponorného aerotoru a kalu ve vznosu v aktivační nádrži biologické čistírny odpadních vod.
Čištění odpadních vod systémem STM je důsledkem úspěšného spolupůsobení volně se vznášeného aktivovaného kalu a pevně přisedlého kalu na otáčejících se aktivačních plochách aerotoru. Účinek působení volně vznášeného kalu a pevně přisedlého kalu je spojen v jediném současně probíhajícím biologickém procesu. Tento proces probíhá v běžné aktivační nádrži opatřené koloběhem vratného kalu. Výkonnost běžné aktivační nádrže s aktivovaným kalem může být tak z důvodu vyšší koncentrace aktivovaného kalu ve vznosu a existence přisedlého kalu na značných aktivačních plochách aerotoru znatelně zvýšena.
Systém STM je vlivem kombinace dvou způsobů biologického čištění odpadních vod v jedné nádrži vysoce efektivní. Je umožněn simultánní proces nitrifikace – denitrifikace, jakož i vysoké biologické eliminace fosforu, a to v jedné aktivační nádrži bez existence dělicích stěn, potrubí a čerpadel. STM - Aerotor je řešen jako prostorová ocelová konstrukce válcového tvaru s horizontální osou otáčení. Pomalé otáčení válce je zajištěno pohonem vně aktivační nádrže. Aktivační plochy jsou tvořeny plastovými deskami lichoběžníkového tvaru u typu aerotoru „Zellrad – ZR“ nebo plastovými kotouči zvláštního geometrického tvaru u typu aerotoru „Röhrenrad – RR“ a jsou spojeny v aktivační bio-pakety svorníky. Bio-pakety, které prostřednictvím rotace kolem horizontální osy zajišťují maximální vnos vzdušného kyslíku do aktivační směsi, tak plní funkci ponorného tělesa. Pro biologické čištění odpadních vod je rozhodující bohaté a optimálně rozložené množství vzdušného kyslíku v komorách biopaketů a kolem biopaketů během otáčení a postupného ponořování-vynořování biopaketů přes hladinu aktivační nádrže.
V základě je princip funkce deskového (ZR) nebo rourového (RR) kola stejný. Zásobování vzdušným kyslíkem všech mikroorganismů v aktivační nádrži je zajištěno pomocí pomalu se otáčejícího STM - Aerotoru s pohonem elektropřevodovkou napájenou přívodem elektrické energie z měniče frekvence. Otáčením ponorných biopaketů přes vodní hladinu nádrže je v dutých komorách míchaná aktivovaná směs. Okysličování látek obsažených v odpadní vodě probíhá na vlhkých plochách dutých komor bio-paketů. Zde na velkých plochách a vlivem plného parciálního tlaku vzduchu dochází rovněž k vysokému vnosu vzdušného kyslíku do aktivační směsi.
Opětovným ponořením dutých komor během sestupného otáčivého pohybu je vzduch uzavřen uvnitř biopaketů. Zde je dále ponořen do hloubky pod hladinu biosměsi a stlačen. Vzduchové bubliny během otáčení aerotoru bio-směs promíchávají a optimálně zásobují suspendovanou bio-směs kyslíkem. Během vzestupného otáčivého pohybu je zavzdušněný segment uzavřené komory navíc nositelem odlehčení pohonu kola, vlastní konstrukce kola a ložisek a přináší tak v konečném důsledku snížení spotřeby elektrické energie. Duté komory během pohybu do volné atmosféry se vždy naplní vzduchem s maximálním nasycením kyslíkem. Vzduch v komorách během stálého otáčení zásobuje veškeré plochy aerotoru s vrstvou přisedlých mikroorganismů v aktivační směsi. Nuceně přiváděný vzduch protéká kolem zvláštně tvarovaných ploch desek biopaketů. Tvarování desek a jejich poloha zaručuje postupné protékání biosměsi přes přechodové fáze v minimalizovaném prostoru. Zde vyplývá, co je pro STM - Aerotor typické, současné zásobování kyslíkem všech komponentů přisedlého bio-kalu a bio-kalu ve vznosu. Uvnitř aerotoru je zajištěn obsah rozpuštěného kyslíku vždy nad 3,5 mg/l, nezávisle na rychlosti otáčení, koncentrace nutné k nitrifikaci amoniakálního znečištění. Po stranách a kolem obvodu aerotoru je zajištěna přechodová oblast s obsahem rozpuštěného kyslíku 0,1 až 0,5 mg/l, koncentrace nutná k denitrifikaci dusičnanového znečištění. Velikost přechodové oblasti je závislá na rychlosti otáčení aerotoru. U dna aktivační nádrže a v oblasti mezi obvodem a dnem aktivační nádrže je zajištěná anaerobní oblast s koncentrací rozpuštěného kyslíku pod 0,1 mg/l, oblast nutná k biologické eliminaci fosforu. Všechny oblasti jsou vytvořeny v jedné nádrži bez existence přepážek, potrubí, armatur a čerpadel při existenci značné turbulence aktivované směsi. Aerotor tak zajišťuje funkci provzdušňování, funkci pevného nosiče aktivovaného kalu, funkci oddělovače zón s různým obsahem rozpuštěného kyslíku a funkci míchadla.
Technologický návrh
Přitékané látkové znečištění (BSK5) je rozloženo úměrně na přisedlý aktivovaný kal na plochách aerotorů a aktivovaný kal ve vznosu. Postup dimenzování dle obr. 2 a tab. 1.
Obr. 2
| Koncentrace aktivovaného kalu | TSBB [kg/m3] | |
| S předčištěním | Bez předčištění | |
| Základní čištění – ZČ | 4,0–6,0 | 4,5–7,0 |
| S nitrifikací a denitrifikací – N/D | 4,0–7,0 | 5,0–8,0 |
| Simultánní stabilizace kalu s dlouhodobou N/D a biologickou P-eliminací. – N/D + P | – | 5,0–9,0 |
| Kalový index [ml/g] při zatížení kalu Bx | Bx > 0,05 | Bx < 0,05 |
| málo organického znečištění | 40–100 | 40–80 |
| hodně organického znečištění | 50–120 | 50–100 |
| Koncentrace aktivovaného kalu na plochu [g TS/m2] | 20–25 | |
| Zatížení plochy aerotoru [g BSK5/m2.d] | 10–16 ZČ 8–12 N/D 4–8 N/D + P | |
| Nitrifikační výkon [g N/m2.d] | 4–8 | |
Hlavní charakteristické technologické vlastnosti aerotorů tvoří celková plocha všech bio-paketů daného typu aerotoru, maximální a minimální rozměry nádrže příslušné pro daný typ aerotoru, jmenovitý kyslíkový vnos daného aerotoru, maximální kyslíkový vnos daného aerotoru, jmenovitý příkon pohonu, maximální příkon pohonu.
Provozování systému
Systém aerotorů STM nabízí různorodé možnosti dimenzování kyslíkového vnosu. V průběhu projekční fáze je základem vhodné přiřazení objemu nádrže aktivace k vhodnému typu aerotoru, pozdější intenzifikace je možná výhledovou montáží odsazovacích rour. V průběhu provozní fáze pak je systém řízen pouze kontinuální změnou rychlosti otáčení aerotoru elektromotorem s ovládáním přes frekvenční měnič s vazbou přes PID regulátor na hodnotu koncentrace rozpuštěného kyslíku v požadovaném bodu měření.
V případě požadavku čistě aerobní nádrže (dlouhodobá nitrifikace) je preferována v zásadě volba menší nádrže. Objem aktivační směsi bude vždy maximálně zásobován kyslíkem. Vysoký nitrifikační výkon bude vždy zajištěn. Zvětšením rozměrů aktivační nádrže hlavně v oblasti pod biorotorem a po stranách bude vytvořena anoxická oblast – zóna a podmínky pro simultánní denitrifikaci. Velikost jednotlivých zón je závislá od otáček aerotoru a tím turbulence v nádrži. Řízením rozpuštěného kyslíku otáčením rotorů v aktivační nádrži je možno dosáhnout a udržovat velikost zón v požadovaném rozsahu. V případě nízkých hodnot amoniakálního dusíku a vysokých hodnot celkového dusíku je počet otáček snížen, přechodová oblast bude zvětšena. V případě vysokých hodnot amoniakálního znečištění je počet otáček zvýšen, velikost nitrifikační oblasti bude zvětšena. Přechodem bio-kalu s mikroorganismy mezi přechodovou a anaerobní zónou je dosaženo nezbytných podmínek pro biologickou eliminaci fosforu.
Technické řešení
U řešení ponorných aerotorů se vždy instaluje pouze jeden nebo několik aerotorů do aktivační nádrže. Pro zajištění dostatečné turbulence aktivační směsi další míchadla nejsou nutná. Vnitřní koloběh kalu v požadovaném směru je zajištěn polohou nátoku vůči smyslu otáčení a kinematikou polárně orientovaných komůrek během otáčení aerotoru, tedy objemovým čerpáním. Vnější koloběh vratného kalu mezi dosazovací nádrží a aktivační nádrží je zajištěn čerpadly, v případě použití kapsových dosazovacích nádrží je zajištěn pouze gravitačně, tedy rovněž bez čerpadel. Přebytečný aktivovaný kal je možno odčerpávat rovněž pouze objemovým čerpáním otáčením aerotoru. V konečném důsledku tak možno v ideálních spádových podmínkách navrhnout systém zcela bez čerpadel dle obr. 3.
Obr. 3 Příkladné řešení 500 m3 aktivační čistírny STM zcela bez kalových čerpadel (v řezu)
Charakteristika systému z pohledu technologa
- Systém STM umožňuje svou podstatou kombinovaného způsobu dosahovat vysoké stability biologického procesu
- Kontinuální změnou otáček aerotoru je možno se stálou vysokou účinností energetického vnosu přizpůsobit výkon čistírny aktuálnímu zatížení a požadavkům odtoku
- Systém umožňuje změnou rychlosti otáčení aerotoru zvětšit-zmenšit velikost nitrifikačních, přechodových a anaerobních oblastí
- Vzhledem k charakteru aktivovaného kalu není anoxický selektor nutný
- Vzhledem k stabilně nízkému kalovému indexu je umožněna vysoká účinnost a stabilita dosazovací nádrže
- Vysoké provozní koncentrace aktivovaného kalu poskytují rezervu k dosažení potřebného stáří kalu v závislosti na stupni čištění
Charakteristika systému z pohledu investora a provozovatele
- Aerotor lze instalovat do stávajících aktivačních nádrží bez dalších mnohdy problematicky proveditelných úprav stěn a dna stávající nádrže
- Systém nevyžaduje montáž dělicích přepážek, potrubí, armatur a čerpadel
- Systém nevyžaduje čerpání vnitřního koloběhu kalu a často nevyžaduje ani čerpání vnějšího koloběhu kalu a přebytečného kalu
- Aerační systém nevyžaduje montáž dalších míchadel
- Provoz čistírny probíhá bez vzniku hluku, aerosolu, tlakových a tepelných ztrát stlačeného vzduchu v potrubích, na membránách v elementech a dmychadlech. Nízký poměr Ab´ – obr. 4
- Obsluha čistírny je velice jednoduchá, provoz umožňuje snadný dálkový monitoring
- Je vhodné v intervalu 3–5 let jednou vyměnit tažný sponový řetěz pohonu
- Je vhodné v intervalu 10–15 let jednou vyměnit ložiska aerotoru
Obr. 4 Energetická bilance v závislosti na prostorovém zatížení aktivační nádrže
Závěr
Systém ponorných aerotorů STM je kontinuálně protékaný jedno-kalový aktivační systém, který umožňuje, pouze řízením rychlosti otáčení PID regulátorem s vazbou na koncentraci zbytkového kyslíku, dosahovat na odtoku z dosazovací nádrže stabilně nízkých koncentrací organických látek, celkového dusíku, jakož i celkového fosforu. Na základě kinematiky polárně orientovaných komůrek a uspořádání aktivační nádrže s vazbou na oboustrannou nebo jednostrannou kapsovou dosazovací nádrž umožňuje provoz systému čistírny zcela bez použití rotačních odstředivých čerpadel.
Možné vysoké koncentrace aktivovaného kalu, stabilní nízká hodnota kalového indexu, vysoká provzdušňovací schopnost a kombinovaný způsob provzdušňování umožňují intenzifikaci stávajících látkově přetížených čistíren a čistíren nadále nevyhovujících s ohledem na vypouštění množství celkového dusíku a fosforu.
Pro svou provozní technologickou nenáročnost, energetickou nenáročnost a vysokou stabilitu provozu je systém ponorných aerotorů vhodný k instalaci v čistírnách pro oblast použití 50–5000 EO. Tyto čistírny odpadních vod budou v následujících létech významnou měrou zastoupeny v nezávislých sběrných systémech při relativně příznivém finančním dopadu na obyvatelstvo v dané oblasti.
Již třetí generací vyrábíme v rodinné firmě biologické čističky odpadních vod. Jsou ekologické pro přírodu a úsporné pro domácnosti, průmysl i menší obce. Vysokou účinnost a stabilitu i při nepravidelném provozu garantuje třístupňové bioaktivní čištění, ...
