Provoz procesu aktivovaného kalu vyžaduje řádnou kontrolu řady parametrů, včetně kontroly MLSS, jednoho z nejčastěji používaných ukazatelů v každodenním provozu systémů odpadních vod.
1. Definice MPSV
Koncentrací aktivovaného kalu se rozumí obsah nerozpuštěných látek ve směsné lázni na výstupu z provzdušňovací nádrže, označený symbolem MLSS, v jednotkách mg/l. Slouží k měření množství aktivovaného kalu v provzdušňovací nádrži. Celková částka MLSS zahrnuje následující čtyři aspekty:
Aktivní mikroorganismy;
Ne-biologicky odbouratelné organické látky adsorbované na aktivovaném kalu;
Zbytek z mikrobiální samo{0}}oxidace;
Anorganická hmota.
Během provozu je zvláště důležité poznamenat, že MLSS se vztahuje pouze na koncentraci směsného louhu v provzdušňovací nádrži, s vyloučením koncentrace směsného louhu v sekundární sedimentační nádrži. Dále je při sledování koncentrace směsné kapaliny v provzdušňovací nádrži klíčové použít koncentraci směsné kapaliny na výstupu z aerační nádrže jako standard pro měření koncentrace aktivovaného kalu v celé aerační nádrži.
2. Vztah mezi koncentrací kalu a jinými kontrolními indikátory
1. Vztah mezi koncentrací aktivovaného kalu a stářím kalu
Stáří kalu je provozní prostředek k dosažení cíle stáří kalu odstraněním aktivovaného kalu. Přiměřený rozsah pro řízení koncentrace aktivovaného kalu může být dán přiměřeným stářím kalu a poměrem -k-mikrobiální látce. Ve skutečnosti, pokud je koncentrace aktivovaného kalu nadměrně zvýšena, stáří kalu bude zvláště dlouhé a překročí normálně řízenou hodnotu stáří kalu, a to i v případě, že koncentrace přitékající organické hmoty není vysoká. To jasně ukazuje, že koncentrace aktivovaného kalu je řízena příliš vysoko, což je mnohem přesnější než posuzovat, zda je třeba koncentraci aktivovaného kalu řídit na základě její absolutní hodnoty.
2. Vztah mezi koncentrací aktivovaného kalu a teplotou vody
Růst, množení a metabolismus aktivovaného kalu v nádrži biologického čištění úzce souvisí s teplotou vody. S každým poklesem teploty vody o 10 stupňů se aktivita aktivovaného kalu sníží na polovinu; když je teplota vody nižší než 10 stupňů, účinek léčby je zjevně slabý. K vyřešení tohoto problému lze koncentraci aktivovaného kalu upravit tak, aby se vyrovnala se změnami teploty vody:
Když je teplota vody nízká, lze koncentraci aktivovaného kalu zvýšit, aby se vyrovnal negativní dopad snížené aktivity aktivovaného kalu, čímž se dosáhne zvýšené účinnosti odstraňování při nízkých teplotách vody.
Když je teplota vody vysoká, aktivita aktivovaného kalu je intenzivní. Příliš vysoká koncentrace aktivovaného kalu škodí usazování aktivovaného kalu. V tomto případě může snížení koncentrace aktivovaného kalu zabránit tvorbě neusazených vloček a zakaleného supernatantu.
3. Vztah mezi koncentrací aktivovaného kalu a poměrem usazování aktivovaného kalu
Koncentrace aktivovaného kalu ovlivňuje konečný usazovací poměr. Vyšší koncentrace aktivovaného kalu má za následek vyšší konečný usazovací poměr a naopak. Vyšší koncentrace aktivovaného kalu totiž vede k většímu biologickému množství, což má za následek vyšší usazovací poměr po stlačení a sedimentaci. Klíčovým rozdílem od ostatních faktorů, které mohou zvýšit usazovací poměr, je pozorování, zda je stlačený aktivovaný kal hustý a zda je jeho barva tmavě hnědá. V případech, kdy zvýšená koncentrace ne-aktivovaného kalu vede k vyššímu poměru usazování, je to obvykle způsobeno špatným zhutněním a matnou barvou.
Nadměrně nízká koncentrace aktivovaného kalu samozřejmě také významně ovlivňuje usazovací poměr. To však často není způsobeno tím, že by provozovatelé záměrně snižovali koncentraci aktivovaného kalu, ale spíše příliš nízkou koncentrací přítokové organické hmoty. V takových případech se operátoři, kteří mají pocit, že koncentrace aktivovaného kalu je příliš nízká, snaží ji zvýšit, což vede ke stárnutí aktivovaného kalu. Konečné pozorování poměru usazování odhalí typické známky stárnutí aktivovaného kalu: vysoká stlačitelnost, tmavá barva a čirý supernatant obsahující jemné vločky.
Pokud dojde k nízkému poměru usazování v důsledku abnormálního vypouštění kalu, pozorování také odhalí, že usazený aktivovaný kal má bledou barvu, má špatnou stlačitelnost a je řídký.
3. Vliv koncentrace kalu na nitrifikaci a denitrifikaci
1. Vliv koncentrace kalu na nitrifikaci
Nitrifikaci ovlivňuje mnoho faktorů prostředí, včetně pH, teploty, SRT, DO, BSK/TKN, koncentrace kalu a toxických látek. Ve skutečných čistírnách odpadních vod lze během provozu procesu řídit pouze parametry jako SRT, DO, BSK/TKN a koncentrace kalu.
A. Při aerobní nitrifikaci mají vyšší koncentrace kalu za následek relativně vyšší koncentraci nitrifikačních bakterií, což vede k vyšší rychlosti aerobní nitrifikace za podmínek vysoké koncentrace kalu.
b. Určité stáří kalu je nezbytné pro zajištění přítomnosti nitrifikačních bakterií v biologickém kalu. Vytváření příznivých životních podmínek pro nitrifikační bakterie dále zvyšuje jejich podíl v mikrobiálním společenstvu, a tím zvyšuje jejich koncentraci. Při vysokých koncentracích kalu se v anaerobní fázi spotřebuje více BSK, což má za následek relativně nižší poměr BSK/TKN v aerobní fázi.
Některé studie prokázaly inverzní vztah mezi podílem nitrifikačních bakterií v aktivovaném kalu a BSK/TKN. Jelikož jsou nitrifikační bakterie autotrofní, není koncentrace organického substrátu limitujícím faktorem pro jejich růst. Pokud je však koncentrace organického substrátu příliš vysoká, způsobí to rychlé -rychlost růstu- heterotrofních bakterií, které se budou rychle množit a soutěží o rozpuštěný kyslík. To zpomaluje růst autotrofních bakterií a brání aerobním nitrifikačním bakteriím získat výhodu, což má za následek sníženou rychlost nitrifikace.
C. Rozpuštěný kyslík (DO) je obecně důležitým ukazatelem ve fázi nitrifikace čistíren odpadních vod, typicky nad 2 mg/l. Ve většině procesů oxidačního příkopu je obtížné dosáhnout průměrné hodnoty DO v příkopu 2 mg/l, přičemž obecně zůstává 1 mg/l nebo nižší. Nitrifikační efekt je však stále dobrý. Důvodem je to, že relativně vysoká koncentrace kalu jedinečná pro oxidační příkopy, ačkoli vede k nižší hodnotě DO, zvyšuje další faktory vedoucí k nitrifikaci.
Zvýšená koncentrace kalu zvyšuje efektivní objem nádrže biologického čištění a zároveň snižuje zatížení. Z jiného pohledu zvyšující se koncentrace kalu také zvyšuje aerobní kapacitu mikroorganismů. Za stejných podmínek provzdušňování by měl být také údaj měřiče rozpuštěného kyslíku nižší. Výše uvedené body vysvětlují, že zvýšení koncentrace kalu může vhodně snížit hodnotu rozpuštěného kyslíku (DO) v nádrži biologického čištění při zachování dobré úrovně nitrifikace.
d. Pro zajištění normálního růstu a množení nitrifikačních bakterií v aktivovaném kalu by mělo být stáří kalu obecně kontrolováno na více než 8 dní. Aby však byla zajištěna relativně vyvážená konkurenční výhoda pro nitrifikační bakterie proti jiným heterotrofním bakteriím, mělo by být stáří kalu zvýšeno, aniž by došlo k vážnému stárnutí kalu, což odpovídajícím způsobem zvyšuje koncentraci kalu v biologickém systému.
2. Vliv koncentrace kalu na denitrifikaci
Biologická denitrifikace je proces, při kterém denitrifikační bakterie využívají iontový kyslík v dusičnanech k rozkladu organické hmoty za anoxických podmínek. Dusičnany se redukují na N2, čímž se dokončí proces denitrifikace. Denitrifikační bakterie jsou heterotrofní fakultativní bakterie hojně se vyskytující v systémech čištění odpadních vod. Za aerobních podmínek využívají kyslík k dýchání a oxidačnímu rozkladu organické hmoty.
V podmínkách bez molekulárního kyslíku, kdy jsou současně přítomny dusičnanové a dusitanové ionty, mohou využívat kyslík v těchto iontech pro dýchání, oxidaci a rozklad organické hmoty. Denitrifikační bakterie mohou využívat širokou škálu organických substrátů jako donory elektronů v procesu denitrifikace, včetně sacharidů, organických kyselin, alkoholů a dokonce sloučenin, jako jsou alkany, benzoáty a další deriváty benzenu, které jsou často hlavními složkami odpadních vod. Rychlost denitrifikace ovlivňuje mnoho faktorů, včetně pH, teploty, rozpuštěného kyslíku (DO), poměru uhlíku-k-dusíku (poměr C/N) a koncentrace kalu. Ve skutečných čistírnách odpadních vod lze během provozu procesu řídit pouze parametry, jako je DO a koncentrace kalu. Přestože poměr C/N je nejdůležitějším ovlivňujícím faktorem denitrifikační reakce, je vysoce závislý na kvalitě přitékající vody a v praxi je obecně obtížně kontrolovatelný.
A. Denitrifikace vyžaduje nepřítomnost molekulárního kyslíku, aby se denitrifikačním bakteriím umožnilo využít iontový kyslík v dusičnanech a dusitanech k rozkladu organické hmoty. Jak již bylo zmíněno dříve, biologické systémy s vysokými koncentracemi kalu mohou vhodně snížit rozpuštěný kyslík (DO) během nitrifikace při zachování účinnosti nitrifikace. Proto snížení DO na konci nitrifikace účinně snižuje obsah DO neseného ve zpětné dusičnanové kapalině, snižuje dopad molekulárního kyslíku na proces denitrifikace v anoxické zóně a zlepšuje schopnost denitrifikačních bakterií využívat zdroje uhlíku.
Současně vysoké koncentrace kalu také vedou k relativně silné endogenní metabolické aerobní kapacitě, která dále spotřebovává rozpuštěný kyslík ve vratné a anoxické zóně. Kromě toho velmi vysoké koncentrace kalu mění viskozitu směsného louhu, zvyšují difúzní odpor a tím snižují DO přenášené ve zpětné kapalině. V některých procesech úpravy používajících otevřené kanály jako zpětné kanály to může snížit okysličování potřebné pro zpětný tok. Stručně řečeno, vysoké koncentrace kalu hrají významnou roli při snižování DO během denitrifikace ve skutečném provozu procesu.
b. Protože denitrifikační bakterie jsou heterotrofní fakultativní bakterie a jsou hojné v systémech čištění odpadních vod, zvýšení koncentrace kalu v systému může účinně zvýšit koncentraci denitrifikačních bakterií. Rychlost denitrifikace je do značné míry nezávislá na koncentracích dusičnanů a dusitanů, ale vykazuje reakci prvního-řádu s koncentrací denitrifikačních bakterií.
Proto při skutečném provozu procesu mohou vysoké koncentrace kalu zkrátit dobu denitrifikace a snížit efektivní objem anoxické zóny. Vzhledem k pevnému efektivnímu objemu v anoxické zóně umožňují vysoké koncentrace kalu lepší využití relativně obtížně --degradovatelné organické hmoty v organické matrici jako zdroje uhlíku. To je zvláště důležité pro procesy odstraňování dusíku a fosforu, zvláště když zdroje uhlíku nejsou dostatečné.
C. Vysoké koncentrace kalu vedou k relativně větším průměrům mikrobiálních vloček. Během nitrifikace vede nízká hladina rozpuštěného kyslíku k menšímu gradientu tlaku kyslíku, což usnadňuje tvorbu anoxických prostředí uvnitř vloček, čímž podporuje denitrifikaci. Proto mohou vysoké koncentrace kalu podporovat současnou denitrifikaci.
4. Vliv koncentrace kalu na biologické odstraňování fosforu
Klíčem k biologickému odstraňování fosforu je zvýšení podílu bakterií akumulujících polyfosforečnany- v systému aktivovaného kalu a současně podpora jejich rychlého růstu a množení během provozu systému a udržování vysokého obsahu fosforu v bakteriích akumulujících polyfosforečnany po vybití.
Pro zvýšení podílu polyfosfátových-bakterií akumulujících (PAC) v aktivovaném kalu systému je nutné vytvořit příznivější prostředí a hydraulické podmínky pro jejich růst a množení. To znamená mít dobré anaerobní a aerobní prostředí v toku procesu. Kontrola environmentálních faktorů v anaerobní zóně je zvláště důležitá pro růst a reprodukci bakterií PAC a dosažení odstranění fosforu. Vysoká koncentrace kalu v anaerobní zóně je pro bakterie PAC výhodnější.
Účinnost biologického odstraňování fosforu úzce souvisí se stářím kalu. Pouze při určitém stáří kalu (kolem 3 dnů) lze účinně odstranit přebytečný fosfor, čímž se dosáhne funkce odstraňování fosforu. Vzhledem k tomu, že koncentrace kalu je přímo úměrná stáří kalu s pevným přítokem suspendovaných pevných látek (SS), čím vyšší je koncentrace kalu za určitým rozsahem, tím horší je účinek odstraňování fosforu.
A. Při zachování stáří kalu dostatečného pro účinnost odstraňování fosforu má zvýšení koncentrace kalu v anaerobní zóně za následek odpovídající vyšší koncentraci bakterií PAC. To zvyšuje množství mikroorganismů uvolňujících fosfor-, což zase zvyšuje množství následných mikroorganismů absorbujících-aerobní fosfor, čímž se zvyšuje celkový účinek systému na odstraňování fosforu.
b. V anaerobní zóně bakterie akumulující polyfosfát- absorbují VFA a uvolňují fosfor. Současně v podmínkách vysoké koncentrace kalu může anaerobní zóna sloužit jako anaerobní acidifikační část systému, která anaerobně hydrolyzuje vysoko-molekulární-váhu, nepoddajné organické látky ve vodě. Energie uvolněná během uvolňování fosforu bakteriemi akumulujícími polyfosfát- může být použita k aktivní absorpci kyseliny octové, H+ atd., čímž vzniká PHB a ukládá se v bakteriích. To podporuje okyselování organické hmoty, zlepšuje biologickou odbouratelnost odpadních vod a zvyšuje zdroj uhlíku používaný pro denitrifikační reakce v následných procesech čištění.