1. Principy procesu UASB a IC reaktoru
1.1 UASB reaktor
1.1.1 Úvod do UASB
Anaerobní kalový vločkový reaktor (UASB) je anaerobní biologická metoda pro čištění odpadních vod, známá také jako anaerobní kalový vločkový reaktor, vynalezený profesorem Lettingou z Nizozemska v roce 1977.
Odpadní voda proudí zdola nahoru přes UASB. Na dně reaktoru je vysoce koncentrované, vysoce aktivní kalové lože, kde většina organických znečišťujících látek v odpadní vodě prochází anaerobní fermentací a degradací na metan a oxid uhličitý. Vlivem míchání proudu vody a vzduchových bublin se nad kalovým ložem tvoří vrstva kalové suspenze. V horní části reaktoru je instalován třífázový separátor, který odděluje částice plynu z vyhnívací nádrže, kapaliny z vyhnívací nádrže a kalu. Digesční plyn je vypouštěn z horní části reaktoru; částice kalu automaticky kloužou dolů a usazují se na kalovém loži na dně reaktoru; kapalina fermentoru je vypouštěna z čiřicí zóny.
UASB má vysokou kapacitu a je vhodný pro čištění vysoce koncentrovaných organických odpadních vod. Dobře-fungující UASB (Ultra{3}}Anaerobní kalový zásobník) vykazuje vysokou rychlost odstraňování organických znečišťujících látek, nevyžaduje žádné míchání a dokáže se přizpůsobit významným nárazům při zatížení, teplotě a změnám pH.
1.1.2 Struktura UASB
UASB se vyznačuje integrovaným biologickým reakčním a sedimentačním systémem, což z něj činí kompaktní anaerobní reaktor. Reaktor se skládá hlavně z přítokového distribučního systému, reakční zóny, třífázového separátoru, plynové komory a systému vypouštění upravené vody.
1.1.3 Pracovní princip UASB
Proces anaerobní reakce v reaktoru UASB je podobný jiným procesům anaerobního biologického čištění, včetně hydrolýzy, acidifikace, výroby kyseliny octové a metanogeneze. Procesu transformace substrátu se účastní různé mikroorganismy, které přeměňují substrát na konečné produkty-bioplyn, vodu a další anorganické látky.
UASB se skládá ze tří částí: kalové reakční zóny, plynového -kapalina-tuhého třífázového separátoru- (včetně sedimentační zóny) a plynové komory. Ve spodní reakční zóně zůstává velké množství anaerobního kalu a kal s dobrými sedimentačními a flokulačními vlastnostmi tvoří na dně kalovou vrstvu. Odpadní voda určená k čištění proudí do dna anaerobního kalového lože a mísí se s kalem v kalové vrstvě. Mikroorganismy v kalu rozkládají organickou hmotu v odpadní vodě a přeměňují ji na bioplyn. Bioplyn se nepřetržitě uvolňuje ve formě drobných bublinek. Jak tyto bubliny stoupají, spojují se a postupně vytvářejí větší bubliny. V horní části kalového lože bioplyn promíchává kal a vytváří relativně zředěnou směs-kalové vody, která stoupá spolu s vodou do tří{10}}fázového separátoru. Když bioplyn narazí na odraznou desku ve spodní části separátoru, je odkloněn kolem desky a poté prochází vrstvou vody do plynové komory, kde se koncentruje. Bioplyn je pak vypouštěn potrubím. Pevná-kapalná směs po odrazu vstupuje do sedimentační zóny tří{15}}fázového separátoru. Kal v odpadní vodě flokuluje, částice se postupně zvětšují a gravitací se usazují. Kal, který se usadí na šikmé stěně, sklouzne zpět do anaerobní reakční zóny, což způsobí velké hromadění kalu v reakční zóně. Upravený odpad, oddělený od kalu, přetéká z vrcholu přepadového jezu sedimentační zóny a je poté vypouštěn z kalového lože.
1.2 IC reaktor
1.2.1 Úvod do IC
S narůstajícími rozpory mezi rozvojem výroby a faktory, jako je kapitál, spotřeba energie a využívání půdy, se pracovníci na úpravu vody musí snažit najít technicky a ekonomicky optimalizované anaerobní procesy, zejména při řešení nových vysoce koncentrovaných organických odpadních vod, které vznikají při rozvoji výroby. Vnitřní cirkulační anaerobní reaktor (IC) je novým typem reaktoru, který se objevil na tomto pozadí. Jedná se o produkt spojení teorie anaerobního čištění odpadních vod a inženýrské praxe, reflektující vývojové požadavky samotných anaerobních procesů. V roce 1985 holandská společnost PAQUES zřídila první pilotní IC reaktor-a v roce 1988 byl uveden do provozu první sériový- IC reaktor. V současné době se IC reaktory úspěšně používají při čištění průmyslových odpadních vod v průmyslových odvětvích, jako je výroba piva a zpracování potravin. Díky své vysoké kapacitě čištění, nízkým investicím, malé ploše a stabilnímu provozu přitahuje pozornost pracovníků na úpravu vody po celém světě a někteří jej považují za jednu z reprezentativních technologií třetí generace anaerobních biologických reaktorů. Další výzkum a vývoj IC reaktorů a propagace jejich aplikací se staly jedním z horkých témat anaerobního čištění odpadních vod.
1.2.2 Struktura integrovaného obvodu
IC reaktor se skládá ze dvou reaktorů UASB naskládaných vertikálně v sérii, dosahující výšky 16–25 m s poměrem výšky-k{3}}průměru obvykle mezi 4 a 8. Skládá se z pěti základních částí: mísící zóna, zóna expandovaného lože granulovaného kalu, dokončovací zóna, vnitřní cirkulační systém a odpadní zóna. Vnitřní cirkulační systém je základní strukturou procesu IC, který se skládá z primárního třífázového separátoru, stoupačky bioplynu, separátoru kapaliny a plynu a svodiče kalu.
1.2.3 Princip fungování IC
Odpadní voda z výroby po úpravě pH a teploty nejprve vstupuje do mísící zóny na dně reaktoru. Tam se důkladně promísí s vnitřně cirkulovanou kal-vodou ze spádové části před vstupem do expandovaného lože granulovaného kalu pro biochemickou degradaci CHSK. Objemové zatížení CHSK je zde velmi vysoké, přičemž většina přitékající CHSK je degradována a produkuje velké množství bioplynu. Bioplyn je shromažďován primárním třífázovým separátorem. Expanzní práce prováděná na kapalině během tvorby bublin bioplynu vytváří efekt zvedání plynu, což způsobuje, že směs bioplynu, kalu a vody stoupá podél zvedacího potrubí bioplynu do separátoru plyn-kapaliny v horní části reaktoru. Zde se bioplyn odděluje od kalu a vody a je vypouštěn z čistícího systému. Směs kalu a vody pak vstupuje do mísící zóny na dně reaktoru podél spádové části kalu, kde se důkladně mísí s přítokem před vstupem do zóny expandovaného kalu a vytváří tak{10}}takzvanou vnitřní cirkulaci. V závislosti na přítokovém zatížení CHSK a konstrukci reaktoru může průtok vnitřní cirkulace dosáhnout 0,5 až 5násobku přítoku. Po čištění expandovaným ložem se část odpadní vody účastní vnitřní cirkulace; zbývající odpadní voda prochází primárním třífázovým separátorem a vstupuje do zóny granulovaného kalu v oblasti jemného čištění, kde dochází k degradaci zbytkové CHSK a produkci bioplynu, čímž se zlepšuje a zajišťuje kvalita odpadních vod. Protože většina CHSK byla degradována, zatížení CHSK v oblasti jemného zpracování je nízké a produkce bioplynu je také malá. Zde vyrobený bioplyn je shromažďován sekundárním třífázovým odlučovačem, vstupuje do odlučovače plynu-kapaliny sběrným potrubím plynu a je vypouštěn ze systému úpravy. Po čištění v zóně jemného čištění prochází odpadní voda dvou-stupňovým tří-fázovým separátorem. Supernatant je vypouštěn přes odtokovou zónu, zatímco granulovaný kal se vrací do kalového lože v zóně jemného zpracování.
2. Shrnutí a výhled
Ve srovnání s anaerobními reaktory druhé{0}}generace, jako je UASB, mají IC reaktory následující výhody:<1>Vysoká rychlost organického zatížení a krátká hydraulická retenční doba;<2>velký poměr výšky-k-průměru, malé rozměry a nižší investice do infrastruktury;<3>Stabilní odpadní voda a silná odolnost vůči rázovému zatížení. Stále více výrobců v Číně nyní používá IC reaktory a významná je také hodnota jejich regenerace a využití bioplynu. Největším rysem IC reaktorů je, že mají dvě anaerobní reakční komory, které umožňují cirkulaci směsi kalu-vody v reaktoru. To řeší negativní dopad nedostatečného kontaktu kalu-s vodou v reaktorech UASB, který oslabuje kapacitu biochemické úpravy granulovaného kalu.
IC reaktory proto představují průlom v moderních anaerobních reaktorech a mají široké vyhlídky rozvoje v průmyslovém čištění odpadních vod od organických polutantů. Budou stále více nahrazovat reaktory UASB a zaslouží si další výzkum, vývoj a propagaci.