Strojní technologické zařízení pro hygienizaci kalu AEROTHERM
Ing. Pavel Janás, pavel.janas@ckvpraha.cz, ČKV Praha, s. r. o.
V tomto příspěvku jsou obsaženy základní informace o možnostech a podmínkách využití termofilní hygienizace kalu, který je tvořen systémem výměníků a reaktorů. V současné době je celá řada provozovatelů a vlastníků čistíren odpadních vod, kteří řeší problematiku optimalizace čistírenských procesů a zároveň hledají zlepšení energetické účinnosti. Jelikož na spotřebu energie jsou nejnáročnější biologické procesy, které tvoří kolem 70% veškeré spotřeby energie, vhodnou kombinací termofilní hygienizace a navazující mezofilní stabilizace docílíme snížení investičních a následných provozních nákladů.
AEROTHERM je speciální technologické zařízení umožňující aerobně-termofilní přípravu kalu, který kromě jiných výhod jako je kratší doba jeho zpracování ve vyhnívací nádrži a lepší výtěžnost a kvality bioplynu, zajišťuje také v plném rozsahu hygienizaci kalu. Navazující mezofilní anaerobní stabilizace je proces, při kterém dochází k destrukci odbouratelné organické hmoty za zvýšené teploty (kolem 38-40°C). Odbouratelná organická hmota je v optimálním případě oxidována na CO2 a H2 O.
Duální stabilizace čistírenského kalu sestává z kombinace aerobně termofilního stupně a na něj navazujícího anaerobního, obvykle mezofilního stupně stabilizace. Tato kombinace optimálně využívá přednosti obou dílčích technologií, takže může být dosaženo nižších investičních a provozních nákladů, zlepšení energetické bilance, případně kvalitativního zlepšení dalších vlastností stabilizovaného kalu.
V předřazeném aerobně termofilním stupni se samočinnou exotermickou látkovou přeměnou dosáhne ohřátí kalu na více než 55°C, a to i při krátké době zdržení. Tím dochází k předpasterizaci kalu a k dalším chemickofyzikálním změnám obsažených organických látek, které zlepšují reakční podmínky pro následující anaerobní stabilizaci. Aerobní předstupeň se dimenzuje na odbourání menší části rozložitelných organických látek. Obvyklá doba zdržení v aerobním předstupni je 1 – 3 dny, v některých případech lze zkrátit na 12h.
V anaerobním mezofilním stupni probíhá proces stabilizace kalu, který se od klasické anaerobní technologie liší tím, že přitékající organický substrát už prošel předchozím termofilním stupněm a podléhá mnohem rychleji anaerobním procesům. Účinnost rozkladu organických látek je u duálního systému o 3 až 10 % vyšší, než u klasické anaerobní stabilizace.
Princip aerothermu - hydrolýzy:
Směsný surový a homogenizovaný kal zahuštěný na 5 % je čerpán čerpadly z jímky zahuštěného kalu do vnitřní komory dvoukomorového výměníku tepla typu kal-kal, kde je předehříván hygienizovaným kalem z reaktoru na teplotu 33 – 40 °C. Pro lepší výměnu tepla je kal ve vnitřní komoře míchán míchadlem. Tento provoz je řízen provozním PLC. Po dosažení požadované teploty je kal dopraven oběhovým čerpadlem do reaktoru, kde se naplní po max. hladinu a následně je promíchávám, čímž dochází k homogenizaci čerstvě přidaného a stávajícího kalu v reaktoru. Obsah reaktoru je po naplnění provzdušňován pomocí injektoru při cirkulaci kalu přes čerpadlo. Proces je ukončen po dosažení vnosu čerstvého vzduchu do kalu. Uvedené operace vedou k požadované exotermní reakci a tím k samoohřívání kalu. Při poklesu teploty v reaktoru pod stanovenou hodnotu je automaticky uveden do provozu ohřívací systém reaktoru. Po dosažení hygienizační teploty kalu tj. 65 °C je tato teplota udržována minimálně po dobu jedné hodiny (doba hygienizace). Potom se část obsahu reaktoru přečerpá do vnější komory výměníku. Zde při cirkulaci kalu pomocí čerpadla dochází k předání tepla kalu surovému, vstupujícímu do vnitřní komory výměníku, který byl do této komory přečerpán z jímky zahuštěného kalu. Po předání tepla a ochlazení hygienizovaného kalu na teplotu cca 42 °C se kal čerpá do mezofilní vyhnívací nádrže. Celý proces hygienizace kalu je ovládán pomocí ručních a pneumatických ventilů. Vzduch z prostoru výměníků a reaktoru je odsávám pomocí ventilátoru do biofiltru, kde na základě mikrobiologických procesů dojde k odstranění zápachu ze vzdušniny, která je následně vypouštěna do volného prostoru mimo budovu AEROTHERMU.
Teplo potřebné k udržení termofilních podmínek v reaktoru je získáno při aerobním biologickém rozkladu organických látek. Termofilní mikroorganizmy v systému jsou výrazně aerobní, jejich metabolismus je exotermní, a rychlejší než u ostatních mikroorganizmů. Při biologické oxidaci organického uhlíku se uvolní 52 až 55 KJ/g C. Tedy při oxidaci 1g organických látek se uvolní cca 42 kJ tepelné energie při současné spotřebě 1,42 gramů kyslíku. Za předpokladu 100 % využití tepelné energie a nulového odparu vody dojde při oxidaci 1 g/l organických látek k vzrůstu teploty 1 l kalu o cca 10 °C, je však nezbytné započítat i okrajové podmínky. Teoreticky dosažitelná teplota závisí především na koncentraci kalu, na způsobu okysličování, zda je použit vzduch nebo čistý kyslík. Při koncentraci kalu 6 % sušiny se dosáhne za použití vzduchu 44 °C, za použití čistého kyslíku 83 °C. S kalem o koncentraci 3 % sušiny lze dosáhnout pouze 24 °C se vzduchem a 44 °C s čistým kyslíkem
Návrhové parametry termofilní aerobní hygienizace - hydrolýzy: vstupní sušina kalu 4-6 %, obsah organických látek v sušině minimálně 60 %, doba zdržení min. 12 hod., dodávka vzduchu 4-6 m3 /m3 h. Optimální teplotní rozmezí je 55 až 60 °C, kdy vedle odstraňování zápachu dochází i k devitalizaci patogenních mikroorganizmů. Za těchto podmínek se předpokládá účinnost odstranění organických látek ve vyhnívací nádrži v rozmezí 25-65 %.
Produktem autotermní aerobní hygienizace a následné mezofilní stabilizace je stabilizovaný a hygienizovaný kal, který lze odvodnit na sušinu 25-30 %. Celý technologický systém je zabezpečen proti úniku zápachu, všechny odpadní plyny jsou čištěny
Předpoklady pro termofilní hygienizaci kalu:
- Kal zahuštěný na 4 až 6 %.
- Reaktor a výměník jsou dokonale izolovány, aby se minimalizovaly tepelné ztráty.
- Teplo, vytvořené procesem aerobního rozkladu organické hmoty, je využito k ohřevu reakční směsi i přiváděného surového kalu.
- Optimální teploty kolem 55 až 65 °C, které se v reaktoru vyvinou, účinně usmrcují
- patogenní organizmy a vedou k odstranění zápachu.
- Koncentrace biologicky rozložitelné organické hmoty v suspenzi je alespoň v rozsahu 25 až 30 g/l, což odpovídá u surového kalu městské ČOV koncentraci sušiny 35 – 40 g/l.
- Efektivní míchání a aerace.
Přínosy využití termofilní aerobní stabilizace:
- Hygienizace čistírenských kalů – při dostatečně dlouhé expozici dochází ke zničení patogenních mikroorganismů.
- Odlehčení vyhnívacích zařízení na stabilizaci čistírenského kalu. Pro přetížená vyhnívací zařízení se v mnoha případech nabízí cenově výhodné doplnění termofi lním předstupněm, který je investičně méně nákladný, než vybudování další vyhnívací nádrže.
- Kratší reakční doba ve vyhnívacích nádrží.
- Snížení investičních nákladů při pořizování nových zařízení na stabilizaci čistírenských kalů – proces anaerobní stabilizace probíhá podstatně rychleji, vystačí se při ní s mnohem menšími nádržemi.
- Zvýšená produkce bioplynu až o 20%.
Referenční stavby:
ČOV Bystřice pod Hostýnem – ČR (modernizace),
ČOV Wodzislaw – PL
