Aktivace

Aktivace je jedním z nejčastěji používaných způsobů biologického čištění jak městských, tak i průmyslových odpadních vod. Při tomto druhu čištění je odpadní voda směšována s tzv. aktivovaným kalem za dostatečného provzdušňování. Aktivovaný kal je tvořen mikroorganismy, převážně bakteriemi, které se vyskytují zejména ve formě zoogleí. Kromě bakterií jsou z vyšších organismů přítomni prvoci, vířníci, hlístice aj. Osídlení aktivovaného kalu mikroorganismy (jeho biocenóza) závisí do značné míry na složení substrátu, na kterém byl vypěstován, a na technologických parametrech, při kterých byla aktivace provozována. Je směsnou kulturou mikroorganismů. Od čistých kultur se liší také tím, že je schopen se oddělovat od kapalné fáze prostou sedimentací, protože má vločkovitý charakter. Tato jeho vlastnost je nezbytná pro úspěšné biologické čištění.

Při čištění odpadních vod aktivovaným kalem nedochází jen k pochodům biochemickým, kterými mikroorganismy získávají energii a vytvářejí novou biomasu. Důležité jsou také pochody sorpční, a to adsorpce koloidních a některých rozpuštěných látek na vločkách aktivovaného kalu.

Po dostatečně dlouhé době styku odpadní vody s aktivovaným kalem v aktivační nádrži se vede směs do dosazovací nádrže, kde se oddělí vločky aktivovaného kalu od vyčištěné odpadní vody. Během aktivace množství kalu neustále přibývá. Syntetickými pochody se tvoří nová biomasa, jejíž část, tzv. přebytečný kal, se z dosazovací nádrže odvádí mimo proces k samostatnému zneškodnění a část se vrací (recirkuluje) zpět do procesu (vratný kal).

Existuje mnoho typů aktivačního procesu, které se liší především způsobem zapojení jednotlivých nádrží za sebou a způsobem rozvodu (čerpání) přitékající odpadní vody, vraceného zahuštěného kalu (z dosazovací nádrže) a v některých případech i směsi aktivovaného kalu a vody. Aktivační nádrž musí tedy být míchána, čerpána a především provzdušňována.

Směs kalu a vody se v aktivaci provzdušňuje bud' stlačeným vzduchem (nebo dokonce kyslíkem), jde o hrubo, středně nebo jemněbublinnou pneumatickou aeraci, nebo mechanickými aerátory horizontálními (Kessenerovy kartáče), popř. vertikálními (turbínové aerátory), nebo hydropneumatickými injektory. Stlačený vzduch je do nádrží vháněn bud' pomocí kompresorů (nejmenší čistírny odpadních vod), ventilátorů nebo dmychadel. Na aktivační čistírně odpadních vod musí být vždy rezervní zdroj stlačeného vzduchu, aby nedošlo při poruše k dlouhodobému přerušení dodávky vzduchu do nádrží.

Vlastní provzdušňování probíhá pomocí děrovaných rozvodů na dně nádrží. Na hrubo a středněbublinnou aeraci jsou používány děrované trubky, na jemněbublinnou speciální provzdušňovací elementy (velmi jemně děrované segmenty z umělých hmot). V minulosti byly jako nouzový zdroj jemněbublinné aerace používány děrované trubky obalené molitanovými deskami. Umístění provzdušňování na dně nádrže v sobě nese riziko zanášení otvorů v elementech sedimentujícími látkami při špatné funkci sedimenačních nádrží.

Okysličovací schopnost daného aeračního zařízení lze kvantitativně vyjádřit tzv. oxygenační kapacitou, která se stanovuje experimentálně. Oxygenační kapacita je definována jako množství kyslíku, které zařízení dodá do jednotkového objemu nádrže za jednotku času při počáteční nulové koncentraci rozpuštěného kyslíku. Je udávána v kg/m³.d.

Oxygenační kapacita jednotlivých provzdušňovacích zařízení:

Druh aerace	Oxygenační kapacita (kg/m3.d)
pneumatická hrubobublinná	1
pneumatická středněbublinná	3
pneumatická jemněbublinná	6
mechanická	3
hydropneumatická	2

K promíchávání těch aktivačních nádrží, které nemají být provzdušňovány, slouží speciální míchadla, nebo jsou míchány čerpadly. Na čerpací techniku používanou v aktivaci jsou stejné nároky jako na čerpadla osazená v ochranné části technologické linky čistírny odpadních vod.

Příklady aktivačních nádrží:

Základní technologické parametry aktivace jsou:

- Doba zdržení (h) - objem nádrže dělený hodinovým přítokem odpadní vody.
- Objemové zatížení (kg/m³.d) – množství BSK₅ nebo CHSK přivedené do 1 m³ nádrže za den.
- Zatížení kalu (kg/kg.d) – množství BSK₅ nebo CHSK přivedené na 1 kg sušiny kalu (celkové nebo organické) v nádrži za den.
- Stáří kalu (d) - podíl váhy sušiny kalu v nádrži a váhy sušiny odebírané za den jako přebytečný kal.
- Recirkulační poměr R - určuje množství vraceného kalu vzhledem k přítoku odpadní vody. Obvykle se pohybuje v rozmezí od 0,1 do 1,0.
- Kalový index KI (ml/g) - objem, který zaujímá 1 g sušiny po půlhodinové sedimen¬taci. Je mírou usazovací schopnosti kalu. Velmi dobře sedimentující kal mívá KI = 100. Při velmi špatné sedimentaci se hovoří o zbytnělém kalu.
- Koncentrace kalu (g/l) - Koncentrace kalu v nádrži není libovolně volitelná. Kromě složení odpadní vody, stáří kalu a době zdržení závisí dosažitelná koncentrace kalu v aktivaci na kalovém indexu KI a recirkulačním poměru R. Koncentrace sušiny aktivovaného kalu se pohybuje řádově v jednotkách g/l.

Z teoretického hlediska lze aktivaci provozovat čtyřmi způsoby jako

- jednorázový (diskontinuální) systém,
- kontinuální systém na principu ideálního směšování,
- kontinuální systém na principu pístového toku,
- semikontinuální systém.

První (diskontinuální) systém se v praxi neuplatňuje, používá se však při pokusech v laboratorním měřítku. Těmito jednoduchými pokusy lze získat základní poznatky nutné pro vlastní návrh technologického zařízení.

V kontinuálním systému na principu ideálního směšování (směšovací aktivace) se odpadní voda a vracený kal přivádějí odděleně do nádrže, která je intenzivně provzdušňována a míchána. Vhodným uspořádáním přítoku a volbou vhodného tvaru a velikosti nádrže lze dosáhnout rychlého rozdělení odpadní vody v celém objemu aktivační nádrže, takže v celém objemu nádrže je přibližně stále stejná koncentrace substrátu a nedochází k nárazovému zatížení kalu. To má za následek, že i spotřeba kyslíku pro aerobní biologické pochody je všude stejná. Koncentrace toxických látek se v tomto systému hned zpočátku zředěním snižuje. Nevýhodou směšovací aktivace je, že se v tomto systému nedaří vždy udržet aktivovaný kal dobře sedimentující. Při čištění některých druhů odpadních vod dochází k rozvoji vláknitých mikroorganismů a tvoří se kal, který se velmi špatně usazuje. Kal je vynášen z dosazovací nádrže do odtoku a v nádrži lze udržet jen nízkou koncentraci kalu. V současné době se tento typ procesu provozuje jen na některých typech malých čistíren odpadních vod.

V kontinuálním systému na principu pístového toku (aktivace s postupným tokem) se odpadní voda pohybuje v dlouhé nádrži tak, aby podélné mísení bylo omezené. Postupný tok lze realizovat také tak, že aktivační nádrž se rozdělí na určitý počet menších sekcí. Koncentrace substrátu se z vysoké hodnoty na počátku nádrže postupně snižuje. Aktivovaný kal je tedy ve styku s měnící se koncentrací substrátu. Podél nádrže se mění rychlost odstraňování substrátu a také rychlost spotřeby kyslíku, která je na počátku nádrže největší a na konci nejmenší. Do jaké míry se kontinuální systém blíží ideálnímu směšování či pístovému toku lze charakterizovat tzv. disperzním číslem nádrže.

Disperzní číslo se pohybuje od nuly pro pístový tok do nekonečna pro ideální míchání. U provozních aktivačních nádrží s postupným tokem bývá obvykle disperzní číslo rovno 1. Nevýhodou aktivace s postupným tokem je, že na počátku nádrže se dostává aktivovaný kal do styku s vysokou koncentrací substrátu, a tím i eventuálně přítomných toxických látek. Výhodou je, že v těchto systémech je obvykle rozvoj vláknitých mikroorganismů potlačen, takže nejsou potíže s bytněním kalu.

Semikontinuální systém je ve své podstatě založen na principu provozu jedné nádrže jako aktivační a následně jako dosazovací. Za provozu se tedy mění objem nádrže, jak postupně přitéká odpadní voda, a tím i zatížení, nádrž je tedy provozována jako ideálně míchaná. Tento postup je používán u některých malých čistíren odpadních vod a má výhody i nevýhody ideálně míchaných aktivačních nádrží. Vzhledem k postupnému zatěžování kalu je ovšem sníženo nebezpečí vláknitého bytnění kalu.

Aktivační procesy lze rozdělit především podle zatížení, a to na čtyři skupiny - nízko, středně a vysoce zatíženou aktivaci a aktivaci dvoustupňovou.

Dlouhodobá aktivace

Tento způsob se vyznačuje dlouhými dobami zdržení (24 hodin a více), delšími než je zapotřebí k odstranění organických látek z odpadní vody. Provozuje se při objemovém zatížení zhruba 0,3 kg/m³.d a zatížení kalu 0,05 - 0,1 kg/kg.d. Velmi nízké zatížení kalu je příčinou, že kal je nedostatečně živen. Za těchto podmínek se přebytečný kal tvoří jen málo a organické látky v něm obsažené jsou během dlouhé doby zdržení postupně mineralizovány. Kal je nehnilobný a v některých případech dokonce nevyžaduje další zneškodnění. Hovoří se o tom, že je aerobně stabilizován. Čistírny odpadních vod bývaly v tomto případě stavěny bez primární sedimentace kalu.

Tento typ aktivace reprezentuje např. oxidační příkop a různé typy malých kompaktních čistíren odpadních vod (jedna nádrž rozdělená příčkami na aktivační a dosazovací nádrž).

Střednědobá aktivace

Aktivace prodělala od svého vzniku řadu změn a úprav. Různou úpravou zapojení je možno klasickou středně zatěžovanou aktivaci provozovat v základním uspořádání, anebo jako aktivaci s tzv. odstupňovanou aerací, postupně zatěžovanou aktivací (systém Gould), aktivaci s kontaktní stabilizací kalu a selektorovou aktivaci.

Klasická aktivace

Odpadní voda je mechanicky předčištěna a přiváděna do aktivační nádrže. Aktivovaný kal se od vyčištěné vody oddělí v dosazovací nádrži a vrací zpět do procesu. Klasická aktivace se provozuje při objemovém zatížení v BSK₅ 0,5 - 0,8 kg/m³.d a zatížení kalu v BSK₅ 0,2 - ¬0,6 kg/kg.d. Čistící účinek bývá nad 90 % BSK₅. Doba zdržení odpadní vody v aktivaci bývá obvykle 6 - 8 hodin. Tento systém je možné různě modifikovat. Například zařazením regenerace kalu (samostatně provzdušňovaná nádrž s vratným kalem) lze při době zdržení stejné jako v klasické aktivaci dosáhnout stabilizace kalu jako u aktivace dlouhodobé.

Schéma aktivace s regenerací vratného kalu:

Odstupňovaná aerace

Princip tohoto typu aktivace využívá skutečnosti, že u klasické aktivace rychlost spotřeby kyslíku podél nádrže ve směru průtoku klesá, a to úměrně s klesajícím organickým zatížením. Proto se nejvíce vzduchu přivádí na začátek nádrže. Odstupňovaná aerace bývá provozována při stejném zatížení jako aktivace klasická.

Postupně zatěžovaná aktivace

Od klasické aktivace se liší tím, že přítok není přiváděn na jedno místo v aktivační nádrži, ale současně na několik míst podél nádrže. Vyrovnává se tím zatížení nádrže i rychlost spotřeby kyslíku. Postupně zatěžovaná aktivace bývá provozována při objemovém zatížení v BSK₅ nad 0,8 kg/m³.d a zatížení kalu v BSK₅ 0,2 - 0,6 kg/kg.d. Při čištění městských odpadních vod je možné vynechat usazovací nádrž a do aktivace přivádět přímo surovou vodu. Čistící účinek je rovněž vysoký, obvykle nad 90 % BSK5.

Dvoustupňová aktivace

Používá se v případě velmi vysokého zatížení (extrémní koncentrace znečištění v přítoku), přičemž první stupeň aktivace odstraňuje znečištění nedostatečně (byť mnohdy s velmi vysokým efektem), nicméně celkově je odtok z čistírny odpadních vod již dostatečně vyčištěn.

Schéma dvoustupňové aktivace:

Věžová a šachtová aktivace

Tyto modifikace aktivačního procesu využívají efektu, že plyny, tedy i kyslík, se rozpouští ve vodě tím více, čím déle jsou s ní v kontaktu. Skutečná doba zdržení bublin plynu ve vodě je samozřejmě tím větší, čím je hlubší aktivační nádrž. To znamená, že v případě 10 krát hlubší nádrže se může ze stejného množství do nádrže čerpaného stlačeného vzduchu rozpustit až 10 krát více kyslíku. Technické provedení navíc šetří prostor potřebný pro stavbu čistírny odpadních vod. Samozřejmě, že tato technologická varianta nemá jen výhody - jde o mimořádně technicky, stavebně a provozně náročné technologické řešení.

Schéma šachtové aktivace: