Jak aktivovaný kal používat?

Ksenofontov B.S., Timáková D.N. Využití aktivovaného kalu jako bioflokulantu // Universum: chemie a biologie: elektron. vědecký časopis 2016. č. 10 (28). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/3683 (datum přístupu: 04.11.2023/XNUMX/XNUMX).

ANOTACE

Jednou z možností využití přebytečného aktivovaného kalu je jeho použití jako bioflokulantu pro zintenzivnění procesů sedimentace polutantů.

Tento článek uvádí výzkumná data o použití aktivovaného kalu jako bioflokulantu, včetně použití spolu se syntetickým flokulantem, a také určuje optimální dávku aktivovaného kalu pro modelový odtok.

Abstrakt

Jedním z možných směrů využití přebytečného aktivovaného kalu je aplikace jako bioflokulantu pro intenzifikační procesy sedimentace.

V této práci jsou prezentována výzkumná data využití aktivovaného kalu jako bioflokulantu (včetně kombinovaného použití se syntetickým flokulantem) a stanovení optimálního dávkování aktivovaného kalu pro model proudění.

úvod

Při biologických procesech čištění odpadních vod vzniká přebytečné množství aktivovaného kalu (odpadu), který je nutné z čistícího systému odstranit. Na každých 100 tun organických látek rozpuštěných v odpadních vodách vzniká 50 tun přebytečného aktivovaného kalu.

Potřeba použití odpadního aktivovaného kalu v procesu čištění odpadních vod je dána problematikou ochrany životního prostředí a ekonomickými hledisky, dále je nutné zdůraznit přírodní původ složek tohoto sorpčního materiálu a tím i jeho nezávadnost.

Aktivovaný kal je aktivní biomasa mikroorganismů, prvoků a bakterií, která čistí odpadní vody v důsledku biochemické oxidace.

Složení aktivovaného kalu zahrnuje polysacharidy – vysokomolekulární látky (molekulová hmotnost od 20000 1000000 do 5 389 XNUMX a výše); polymery sestávající z jednoho nebo více typů monosacharidů (homopolysacharidů, resp. heteropolysacharidů) [XNUMX, s. XNUMX]. Jedná se o základní složky všech organismů.

Polysacharidy se podle způsobu lokalizace dělí do 3 skupin: rezervní intracelulární polysacharidy, polysacharidy buněčné stěny a extracelulární polysacharidy, které jsou obsaženy v pouzdru nebo slizniční vrstvě obklopující buňky mikroorganismů.

Při biocenóze aktivovaného kalu obklopují bakteriální buňky polysacharidy, a tak se kontaminanty koncentrují na povrchu buněk mikroorganismů aktivovaného kalu. Vysoká adsorpční kapacita aktivovaného kalu je dána jeho vyvinutým povrchem – až 100 m 2 /g sušiny [4, s. 57]. To je základem pro jednu z nejdůležitějších vlastností aktivovaného kalu – schopnost flokulovat.

V procentech se aktivovaný kal skládá hlavně z bakterií. Bakterie tvořící vločky patří do následujících rodů: Actinomyces, Aeromonas, Atcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Cellulomonas, Corynebacterium, Desulfotomakulum, Flavobacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Nokardie, Pseudomonas, Úkol et al.

Nejpočetnějšími bakteriemi jsou p. Pseudomonas – až 80 % počtu bakterií aktivovaného kalu.

Při tvorbě polysacharidů vloček aktivovaného kalu a ve schopnosti tvořit vločky má hlavní roli kapsulární tyčinkovitá bakterie Zoogloea ramigera, která je svými vlastnostmi podobná pseudomonádám. V prostředí chudém na živiny i na odpadní vody tvoří Z. ramigera amorfní hmoty polysacharidů, ve kterých se nacházejí buňky této bakterie [4, s. 58]. Tento rod bakterií je také schopen oxidovat organické látky, ale jeho hlavní úlohou je tvorba polysacharidů. Z. ramigera se také vyskytuje v silně znečištěných sladkovodních útvarech, kde tvoří suspendované vločky nebo slizké nečistoty (zooglea) na předmětech ve vodě.

Použití aktivovaného kalu k flokulaci umožňuje v některých případech snížit koncentraci nerozpuštěných látek v odpadních vodách o 60–70 % a BSK_plný o 15–25 % [1, s. 52]. Výsledky této aplikace pro intenzifikaci procesů čištění odpadních vod za různých podmínek jsou prezentovány v mnoha pracích [2, 3].

Přebytečný aktivovaný kal (ve formě mikrobiálních buněk a jejich metabolických produktů), vznikající v obrovském množství (3.5-4.5 mil. tun za rok) po biologickém čištění odpadních vod, tak může být použit jako bioflokulant.

experimentální část

Účelem výzkumu bylo stanovení optimálních dávek aktivovaného kalu a flokulantu FLOPAM FO 4550 SH při použití spolu s aktivovaným kalem pro modelový odtok.

Nejpřesnější dávka flokulantu je stanovena pro každou konkrétní vodu experimentálně, zkušební úpravou této vody různými dávkami. Na základě výsledků takové studie je stanovena optimální dávka flokulantu. Optimální dávkou se rozumí nejmenší dávka činidel, při které je dosaženo nejlepšího (požadovaného) výsledku.

S přihlédnutím k výše uvedenému byl proveden výzkum použití aktivovaného kalu a také kombinovaného použití flokulantu a aktivovaného kalu pro zintenzivnění procesu čištění.

Metodika studia účinnosti činidel zahrnovala tradiční přístup pomocí válců s následným usazováním studované odpadní vody se zavedenými činidly v nich. Doba usazování byla 30 minut.

Stanovení optimální dávky aktivovaného kalu

Sedm odměrných válců bylo naplněno 150 ml zdrojové vody se zákalem 230 NTU (obr. 1).

Obrázek 1. Počáteční tok modelu

Aktivovaný kal byl zaveden do každého z válců a intenzivně míchán, aby se provedl flokulační proces.

Množství aktivovaného kalu pro každý válec bylo: pro první válec – 10 ml; pro druhý – 20 ml; pro třetí – 30 ml; pro čtvrtý – 40 ml; pro pátý – 50 ml; za šestou – 60 ml; pro sedmou – 70 ml (na obrázku 1 zleva doprava).

Po přidání aktivovaného kalu a jeho promíchání ve válcích dochází k procesu flokulace. Obrázek 2 ukazuje modelový odtok 30 minut po usazení.

V závislosti na intenzitě sedimentačního procesu je stanovena optimální dávka aktivovaného kalu.

Obrázek 2. Experimentální výsledky (t = 30 min.)

Po 30 minutách byl změřen zákal vody z každého válce. Získaná data jsou uvedena v tabulce 1.

Výsledky experimentu jsou uvedeny v grafu (obr. 3).

Pozorování ukázala, že u válců č. 5, 6 a 7 bylo dosaženo největší průhlednosti než u ostatních válců.

Vzhledem k tomu, že při přidání 60 a 70 ml aktivovaného kalu se zákal vody mírně mění, bere se jako optimální dávka množství aktivovaného kalu 50 ml.

Tabulka 1.

Hodnota zákalu vody v závislosti na množství aktivovaného kalu

Jak známo, biologický způsob čištění odpadních vod je jedním z nejúčinnějších. Tato metoda je založena na životně důležitých procesech mikroorganismů (tzv. „aktivovaný kal“), pomocí kterých se kapalina čistí. Aktivovaný kal pro čištění odpadních vod je tedy nedílnou součástí procesu biologického čištění.

Co je to?

Aktivovaný kal je komplex bakterií nezbytných pro biologické čištění odpadních vod ve specializovaných čistírnách.

Aktivovaný kal vypadá jako vločky různých velikostí plovoucí ve vodě nebo připevněné k nakládce septiku. Čištění odpadních vod se provádí absorpcí organické složky jednoduchými mikroorganismy a také biochemickou oxidací a biosorpcí.

Aktivovaný kal se vyznačuje trvalým nárůstem počtu mikroorganismů, který není vždy nutný a může se projevit jako nestabilní poměr hmoty bakterií a přiváděné odpadní vody.

Jak to funguje a co potřebujete vědět

Aktivovaný kal je tvořen jak koloidními, suspendovanými a rozpuštěnými látkami, tak rychlostí a kvalitou oxidačních procesů.

Současně proces oxidace závisí na faktorech, jako jsou:

• koncentrace mikroorganismů;
• teplotní podmínky;
• trvání provzdušňování;
• intenzita nasycení odpadních vod kyslíkem.

Vzhledem k tomu, že živné médium pro mikroorganismy vstupuje do nádoby spolu s odpadní vodou, je nutné kontrolovat koncentraci nečistot v odpadní vodě. Jinak může dojít k bobtnání nebo odumírání kultur obsažených v aktivovaném kalu.

Pro udržení životních funkcí organismů by teplota přicházející odpadní kapaliny neměla klesnout pod 6 stupňů. Kromě toho je důležité kontrolovat množství toxinů v něm. Pokud jsou v kanalizacích ropné produkty a oleje, je nutné instalovat speciální zařízení – lapače oleje nebo lapače tuků.

Stáří aktivovaného kalu je průměrná doba pobytu mikroorganismů v čistírně, která reguluje poměr vypouštěné hmoty a vrácené látky ze sekundárních dosazovacích nádrží.

Teoreticky je aktivovaný kal samoreprodukující se kolonie bakterií, ale v praxi je nutné komplex mikroorganismů obnovovat každých 5-6 let.

Struktura

Složení aktivovaného kalu přímo závisí na koncentraci a kvalitě odpadní vody vstupující do provzdušňovací nádrže. Složky aktivovaného kalu mohou být:

• nejjednodušší mikroorganismy;
• améba;
• bakterie;
• aktinomycety (houby);
• nálevníky;
• červy;
• vířníci.

Bakterie aktivovaného kalu

Při aerobním čištění odpadních vod probíhají dva hlavní mikrobiologické procesy: oxidace organického uhlíku a nitrifikace za účasti vláknitých, vločkotvorných mikroorganismů a nitrifikačních bakterií.

Bakterie tvořící vločky jsou zodpovědné za oxidaci organických sloučenin. Patří mezi ně mikroorganismy, jako jsou:

• Actinomyces;
• Atcaligenes;
• Bacil;
• cellulomonas;
• desulfotomaculum;
• Flavobacterium;
• Mycobacterium;
• nokardie;
• Pseudomonas;
• Sarcina a další.

Nejpočetnější (až 80 procent celého komplexu mikroorganismů) bakterie jsou mikroorganismy rodu Pseudomonas, schopné oxidace:

• alkoholy;
• parafíny;
• mastné kyseliny;
• sacharidy;
• aromatické uhlovodíky.

Za oxidaci jsou zodpovědné mikroorganismy rodu Brevibacterium:

• olej;
• parafíny;
• nafteny;
• fenoly;
• aldehydy;
• mastné kyseliny.

K oxidaci alifatických uhlovodíků dochází díky bakteriím rodu Bacillus, uhlovodíkům různých skupin – Mycobacterium a celulóze – bakteriím rodu Cellulomonas.

Tyčinkovité bakterie rodu Zoogloea ramigera plní funkci produkce polysacharidů ve vločkách aktivovaného kalu.

Vláknité mikroorganismy oxidující uhlík jsou reprezentovány:

• Sphaerotilus;
• Beggiatoa;
• Thiothrix.

Vláknité bakterie jsou zodpovědné za oxidaci mnoha organických sloučenin a vytvoření struktury, kolem které se tvoří vločky. Tyto mikroorganismy jsou zároveň hlavním důvodem špatné sedimentace kalu v usazovací nádrži a tvorby stabilní pěny v zařízení.

Při čištění odpadních vod s vysokým obsahem sacharidů a nedostatkem dusíku je někdy pozorován intenzivní rozvoj heterofermentativních bakterií mléčného kvašení rodu Leuconostoc, které tvoří mohutnou dextranovou kapsli, která komplikuje sedimentaci kalu v sekundární dosazovací nádrži.

Při nedostatečné úrovni provzdušňování se rozvíjejí anaerobní procesy za účasti mikroorganismů, které provádějí fermentaci kyseliny máselné, redukci síranů, denitrifikaci a podobně.

Denitrifikace v sekundárních usazovacích nádržích má za následek tvorbu bublin dusíku, což ztěžuje odstraňování kalu z odpadní vody na výstupu ze zařízení.

Nitrifikační bakterie (nejčastěji rodu Nitrosomonas nebo Nitrobacter) působí jako okysličovadla amonných iontů a odstraňují minerální dusík z odpadních vod. Nitrifikátory se ve srovnání s heterotrofními uhlík-oxidujícími bakteriemi vyvíjejí mnohem pomaleji, díky čemuž v případě potřeby oxidace amonných iontů v odpadních vodách omezuje jejich aktivita produktivitu aerační nádrže.

Je důležité, aby se: Nejaktivnější procesy nitrifikace nastávají po oxidaci organické složky.

V odpadních vodách obsahujících síru v aktivovaném kalu se vyvíjejí reduktory síranů, thionové a sirné bakterie (nejčastěji se vyskytují bakterie rodu Thiobacillus). Thionické mikroorganismy se vyvíjejí, když odpadní voda obsahuje redukované sloučeniny síry.

Při vysokém obsahu sloučenin železa v aktivovaném kalu se vyvíjejí mikroorganismy oxidující Fe2 (například rod Ferrobacillus).

Lytické mikroorganismy a parazitické bakterie rodu Bdellovibrio se navážou na buňky jiných bakterií, pronikají jimi a množí se, což vede k lýze. Lytické mikroorganismy ničí buňky jiných bakterií působením lytických enzymů, které vylučují.

Z extracelulárních enzymů obsahuje aktivovaný kal:

• proteázy;
• hydrolázy;
• celulázy;
• peroxidázy.

Extracelulární enzymy katalyzují oxidaci substrátů za účasti peroxidu vodíku a katalázy, které rozkládají H₂О₂. Zároveň nejsou v anaerobním aktivním kalu pozorovány peroxidázy a katalázy.

Biomasa aktivovaného kalu zapojená do anaerobního rozkladu se skládá ze dvou hlavních skupin bakterií:

• kyselinotvorný;
• metanogenní.

První skupina mikroorganismy využívají původní komplexní organickou hmotu jako živnou půdu a oxidují ji v procesu vlastního metabolismu.

Různé typy kyselinotvorných mikroorganismů zajišťují počáteční hydrolýzu proteinů, sacharidů a lipidů na jejich základní aminokyseliny, cukry a kyseliny. V závislosti na převaze určité třídy komplexní organické hmoty dochází k rozvoji mikroorganismů určitého typu.

Na primární fermentaci se nejaktivněji podílejí klostridie, mikroorganismy, které zpracovávají všechny složité organické sloučeniny. Některé jejich poddruhy přitom zpracovávají pouze bílkoviny, jiné oxidují celulózu a další sacharidové látky a další se podílejí na rozkladu tuků.

Tento typ bakterií je klasifikován jako hydrolytický, protože usnadňuje průchod hlavním stupněm hydrolýzy složité organické hmoty.

Druhá skupina bakterie zajišťují fermentaci aminokyselin, mastných kyselin a cukrů na alkoholy a komplexní organické kyseliny, které jsou také meziprodukty ve stádiu rozkladu.

V důsledku metabolických procesů pokračují acetogenní mikroorganismy v oxidaci na kyselinu octovou, což má za následek uvolňování molekulárního vodíku.

Vzhledem k rozmanitosti typů kyselinotvorných mikroorganismů je životně důležitá aktivita biocenózy anaerobního kalu poměrně odolná vůči změnám kyselosti prostředí. Příliš vysoký obsah organických kyselin přitom může potlačit stadium acetogeneze – rozklad na kyselinu octovou.

Skupina metanogenních bakterií je pojmenována podle konečného produktu jejich životních procesů – metanu.

Z větší části skupinu bakterií představují metanové archaea několika druhů, které jako živné médium využívají odpadní produkty kyselinotvorných bakterií.

Ke vzniku metanu dochází pomocí dvou možných mechanismů. Při prvním typu reakce mikroorganismy oxidují metylalkohol a kyselinu octovou, přičemž se uvolňuje metan a oxid uhličitý. Reakce druhého typu jsou charakterizovány účastí bakterií, které využívají oxid uhličitý uvolněný při reakcích prvního typu, jakož i vodík vznikající při rozkladu karboxylových kyselin a komplexních alkoholů. Oba procesy probíhají současně a výsledkem je směs plynů sestávající ze 70 procent metanu a 30 procent oxidu uhličitého.

Na rozdíl od kyselinotvorných bakterií jsou metanogenní bakterie citlivé na indikátory kyselosti prostředí a dokonce reagují na zvýšené koncentrace solí kyseliny dusičné a sírové. Kromě toho je úroveň komfortní teploty pro metanogenní mikroorganismy v rozmezí 35-40 stupňů.

Při vysokém obsahu vodíkových iontů umírají metanogenní bakterie, v důsledku čehož je proces rozkladu pozastaven ve fázi akumulace mastných kyselin, což následně vede k jeho úplnému zastavení.

Pokud v septiku není aktivovaný kal

Nejčastěji se kultivace komplexu bakterií provádí v provzdušňovací nádrži během teplé sezóny. K tomu je nutné nalít do nádoby vodu, která prošla čištěním první usazovací komory v množství do poloviny celkového objemu. Poté musí voda projít provzdušňovací procedurou a smísit se s množstvím mikroorganismů. Pro neustálé zvyšování počtu bakterií je nutné pravidelně doplňovat vyčištěnou vodu do septiku.

Problém lze navíc vyřešit biologickými přípravky, jejichž použití umožňuje osídlení čistírny kolonií potřebných mikroorganismů.

Regenerace

Převážná část komplexu mikroorganismů usazených v sekundární dosazovací nádrži musí být přečerpána zpět do provzdušňovací nádrže. Kal vstupující do provzdušňovací nádrže přes regenerátor se nazývá cirkulující kal. Jak ukazuje praxe, v sekundární dosazovací nádrži se shromažďuje více kalu, než je nutné pro cirkulaci, takže přebytečný aktivovaný kal je likvidován.

Systém regenerace je založen na skutečnosti, že nezávislé fáze se odlišují od obecného procesu oxidace kontaminantů ve fázi regenerace:

• odstranění obtížně oxidovatelné organické hmoty sorbované na kalu a úplné odstranění nerozpuštěných nečistot;
• aktivní tvorba polysacharidového gelu.

V tomto ohledu regenerace vyžaduje zvýšení doby setrvání kalu v systému na 8-18 hodin, zatímco proces oxidace kontaminantů trvá od 2 do 6 hodin.

Je důležité, aby se: Regenerátor může být samostatně stojící nebo zabírat jednu až tři chodby aerační nádrže.

Procento regenerace závisí na objemu provzdušňovacích nádrží přidělených pro tento proces. Pokud je například v zařízení se třemi koridory pro regenerátor vyhrazen pouze jeden koridor, pak systém pracuje za podmínek 33% regenerace kalu.

Na moderních biologických úpravnách vody s vysokým obsahem průmyslových nečistot je nutné vyčlenit minimálně polovinu celkového objemu aeračních nádrží pro regenerátory.

Použití regenerátorů vede ke zvýšení produktivity provzdušňovacích nádrží v důsledku následujících faktorů:

• dávka aktivovaného kalu v regenerátoru je 2-3x vyšší než podíl kalu v arotence, díky čemuž probíhá oxidační proces s větší intenzitou;
• zvyšuje se počet aktivně fungujících mikroorganismů potlačených v aeračních nádržích nepříznivými účinky odpadních vod;
• ukazatele sedimentace kalu se zlepšují snížením měrného zatížení kalu a zlepšením vlastností gelotvorné mikroflóry, flokulace a vytěsnění vláknitých bakterií;
• zvýšený přívod vzduchu zlepšuje promíchávání aktivovaného kalu a jeho zásobování kyslíkem;
• celková hmotnost a stáří kalu v systému s regenerátorem je větší, v důsledku toho je možná nitrifikace a zvýšená odolnost kalu proti havarijnímu vypouštění.

Je důležité, aby se: V systémech vybavených regenerátory dochází ke snížení růstu nebo zlepšení jeho vlastností odvádění vlhkosti, což je zásadní ve fázi odstraňování přebytečného kalu.

Pro kompletní regeneraci aktivovaného kalu musí být splněny tři základní podmínky, podle kterých regenerátor:

• vyčištěná odpadní voda by neměla vniknout;
• musí být dodáván vratný kal;
• mělo by být dodáváno dvakrát více vzduchu než v ostatních chodbách provzdušňovacích nádrží.

Také užitečnost regeneračních procesů je značně ovlivněna včasným odstraněním přebytečného aktivovaného kalu ze sekundární dosazovací nádrže.

Čištění odpadních vod pomocí aktivovaného kalu

Čištění odpadních vod pomocí aktivovaného kalu je proces založený na schopnosti bakterií využívat kontaminanty jako živnou půdu.

V současné době jsou nejoblíbenější z hlediska čištění odpadních vod aerobní metody čištění (za účasti kyslíku). Anaerobní procesy (v podmínkách nedostatku kyslíku) jsou méně rozšířené.

Aerobní čištění odpadních vod se skládá z několika fází:

• hromadný přenos kyslíku a kontaminantů na povrch aktivovaného kalu;
• sorpce znečišťujících látek aktivovaným kalem;
• enzymatická hydrolýza většiny původních kontaminantů;
• přenos látek do buňky;
• intracelulární biochemická oxidace kontaminantů.

Anaerobní způsob čištění odpadních vod zároveň zahrnuje přeměnu organických polutantů na metan, který bude následně využit v dalších technologických procesech.

Proces anaerobního čištění se skládá z následujících kroků:

• přeměna organických látek na monomerní sloučeniny;
• přechod monomerů do formy kyselin s krátkým řetězcem;
• oxidace kyselin do stavu kyseliny octové;
• tvorba metanu a oxidu uhličitého.

Výhody a nevýhody

Hlavní výhody čištění odpadních vod pomocí aktivovaného kalu jsou:

• nízké odhadované náklady na čištění jedné jednotky odpadních vod;
• spolehlivost;
• není potřeba pravidelného nákupu spotřebního materiálu;
• udržitelnost;
• vysoký stupeň čištění (až 99 procent).

Jeden krychlový metr hotového aktivovaného kalu stojí asi 10-13 tisíc rublů. Bakterie pro tvorbu aktivovaného kalu jsou mnohem levnější – v průměru asi tisíc rublů na 500 gramů látky.

Kde koupit aktivovaný kal pro čištění odpadních vod?

V Moskvě

Biologické produkty pro tvorbu aktivovaného kalu lze zakoupit u společností jako jsou:

• CityStroy LLC: Moskva, Dmitrovskoye Shosse, budova 157, kancelář 92133;
• VodaStockService LLC, Moskevská oblast, město Lytkarino, průmyslová zóna Turaevo, budova 10;
• LLC “BIIKS”: Moskva, ulice Poklonnaya, budova 4.

v Petrohradě

Aktivovaný kal v hotové podobě v Petrohradě a regionu dodává společnost Inzhiconstroy, jejíž kancelář se nachází na adrese: Petrohrad, Novokolomjažský prospekt, budova 15, písmeno A, místnost 5-N.

Zároveň si můžete zakoupit přípravky pro tvorbu aktivovaného kalu u těchto firem:

• LLC “City-Stroy”: město Petrohrad, Čajkovského ulice, budova 21;
• LLC “Los24”: město Petrohrad, dálnice Primorskoe, budova 140, písmeno K.

Aktivovaný kal tedy hraje velkou roli při čištění odpadních vod od organických nečistot a umožňuje nám dosáhnout vysokého stupně čištění odpadních vod – až 99 procent.