Aleš Pícha

Vedoucí/Supervisor

Prof. Ing. Michal Dohányos, CSc.

Jazyk/Language

Czech

Abstrakt

Pro čištění odpadních vod, které obsahují biologicky rozložitelné látky, a pro zpracování některých organických odpadů jsou z ekologického i ekonomického hlediska nejvhodnější biologické čistírenské procesy. Při procesu biologického čištění se využívá skutečnosti, že organické látky obsažené v odpadních vodách případně v jiných odpadech, jsou substrátem (potravou) pro určité mikroorganismy. V podstatě se tedy jedná o řízenou kultivaci mikroorganismů. Na konci procesu biologického čištění však kromě vyčištěné vody získáváme i nemalá množství čistírenského kalu, který je nutné dále zpracovat. Čistírenské kaly obsahují řadu organických látek, které podléhají samovolnému mikrobiálnímu rozkladu. Technologie, jimiž dále upravujeme čistírenské kaly, musí zajistit stabilizaci, hygienizaci a minimalizaci množství kalu. Cílem stabilizace je snižování koncentrace biologicky rozložitelných látek v kalu do takové míry, že kal již dále nepodléhá intenzivnímu rozkladu. Současně zajišťuje úpravu pachových vlastností kalu a umožnění jeho dalšího zpracování a využití. Hygienizací kalu se rozumí snížení obsahu pathogenních mikroorganismů pod stanovenou mez. Dobře stabilizovaný kal je nepáchnoucí, dobře odvodnitelný a z hygienického hlediska nezávadný. Po stabilizaci kal obsahuje organické a anorganické látky vhodné pro využití zejména jako hnojivo či ke kompostování. Stupeň stabilizace lze obecně hodnotit jako míru určitých vlastností, která vyjadřuje vhodnost kalu pro jeho další využití. V praxi se nejčastěji shledáváme s aerobními a anaerobními metodami stabilizace, ostatní metody se používají jen omezeně.

Tato práce se zabývá hodnotícími kritérii pro určení míry stability kalů. Zpracováním a prověřením metodiky stanovení těchto kritérií, jejich vyhodnocením, určením míry jejich vypovídací schopnosti a sledováním vztahu mezi jednotlivými kritérii na základě laboratorních testů, technologických pokusů a rozborů kalů z ČOV.

V teoretické části jsou zpracovány některé literární poznatky o stabilizaci čistírenských kalů a jednotlivých metodách, jimiž je stabilizace dosahováno. Je zde pojednáno jak o konvenčních, tak o některých progresivních metodách, přičemž větší část je věnována anaerobní stabilizaci – jejímu principu, mikrobiálním dějům v průběhu stabilizace, technologickým parametrům a teplotním modifikacím procesu. Další kapitola uvádí možnosti využití nebo konečného odstranění čistírenských kalů. Zde je třeba vyzdvihnout přednosti využití kalů v zemědělství, ať už přímou aplikaci stabilizovaných kalů na půdu, kompostování kalů či jejich konverzi na organické hnojivo. K tomuto využití je však nutné, aby kal splňoval určité předpoklady. Zejména je to podlimitní obsah těžkých kovů a ostatních xenobiotik a hygienická nezávadnost kalu. Pokud kal tyto podmínky nesplňuje, lze s výhodou využít jeho energetického potenciálu spalováním. Jako nejvýhodnější se jeví spalování anaerobně stabilizovaného kalu, kde kromě tepla ze spalování získáváme ještě cenný energeticky bohatý bioplyn z anaerobní stabilizace. Ještě výhodnější je spalování anaerobně stabilizovaného kalu v cementárenských pecích neboť organické látky z kalu slouží jako doplňkové palivo a popel se stává součástí stavebního materiálu, případné těžké kovy jsou pevně vázány do cementářského slinku a nemohou být vyluhovány. Jedná se tedy, z hlediska kalů, o bezodpadovou technologii. Metodám odstraňování kalu, jako je pyrolýza či zplyňování, bránily až doposud především ekonomické důvody. V současné době, pří neustálém růstu ceny fosilních paliv, se však tyto technologie mohou stát technicky i ekonomicky zajímavé. Nejméně vhodnou, nicméně v současné době stále ještě dosti užívanou metodou je skládkování kalu. Posledním tématem teoretické části jsou jednotlivá kritéria jimiž je možné s větší či menší měrou spolehlivosti hodnotit stabilitu čistírenských kalů. A dále metody, jimiž lze kal zabezpečit z hygienického hlediska.

S ohledem na šíři možností technologických postupů stabilizace, z nichž se odvíjí různé metody hodnocení stability kalů, je experimentální část této práce zaměřena zejména na anaerobně zpracované kaly. Je zde popsáno několik testů zabývajících se hodnotícími kritérii stabilizace kalů. Jedná se např. o obsah organického uhlíku, kde je hodnocen jak vztah obsahu TOC k stupni stabilizace kalů, tak jeho vztah k ostatním kritériím (CHSK, VL či VL org). Dále test prodloužené anaerobní kultivace, který se, i přes svou určitou časovou náročnost, zdá být jedním z nejpřesnějších kritérií pro hodnocení stability anaerobních kalů. Stanovení dehydrogenázové aktivity, které se pro naše účely od klasického stanovení DHA poněkud liší, se zase snaží určit míru stability čistírenských kalů stanovením aktivity mikroorganismů. Některé pokusy v experimentální části, jako je test termofilně-mezofilní stabilizace či křížový test, popisují chování kalů v určitých technologických modifikacích procesu úpravy čistírenských kalů, které vedou ke zlepšení produktu a tedy k lépe stabilizovanému a dále využitelnému čistírenskému kalu. Při hodnocení reologických vlastností kalů dostáváme jednak informaci o efektivitě stabilizačního procesu (neboť míra rozkladu organických látek se projevuje například i změnou konzistence kalu), hlavně však jsou reologické charakteristiky kalu jako index konzistence, mezní tečné napětí nebo index toku, nezbytné pro navrhování dalších technologických operací nakládání s kaly (např. čerpání, doprava nebo rozstřik).

Součástí experimentální části je také vyhodnocení sedmi měsíčního sledování kvality čistírenských kalů z ÚČOV Praha. Sledovány byly jak anaerobně stabilizované kaly z prvních a druhých stupňů, tak kal primární, přebytečný (zahuštěný i nezahuštěný) a směsný surový kal pomocí vybraných kritérií: CHSKh, CHSKf, VL, VLzž, RL, RLzž, NL, NLzž, Ł NMK. I zde se prokázala závislost mezi délkou stabilizace a měrou stability kalů, neboť kaly z druhého stupně vykazují vždy lepší parametry než kaly z prvního stupně anaerobní stabilizace. Je také vidět že termofilní anaerobní stabilizace poskytuje stabilizovanější kal a vykazuje menší výkyvy v jeho kvalitě než mezofilní stabilizace. Dosud neexistuje žádné univerzální kritérium jímž by šlo spolehlivě a přesně určit míru stability jakéhokoliv kalu. Vždy je třeba provést kombinaci několika různých testů abychom byli schopni posoudit do jaké míry byla stabilizace kalu úspěšná. Při výběru hodnotících kritérií je třeba vždy zohlednit jak technologii kterou byl kal stabilizován, tak předpokládaný způsob dalšího nakládání a využití čistírenského kalu.

Abstract

Biological treatment procedures are, from the economic as well as environmental points of view, the most suitable for treatment of waste waters containing biologically degradable substances and processing of certain organic wastes. Biological treatment is based on the fact, that organic subsances are substrate (nutrition) for specific microorganisms, in principle it is controlled cultivation. At the end of the process we obtain not only cleaned water but also considerable amount of sludge which has to be processed. Sludge from waste water treatment plants contain many organic substances which tend to spontaneous microbiotical decomposition. Techniques used for post-treatment of waste sludge have to ensure stabilisation, disinfection and minimalisation of sludge amount. The aim of stabilisation is to reduce content of biologicaly decomposed substances to the extent that there is not intensive spontaneous decomposition. Aditionally, it assures the decrease of undesirable odour and enables further treatment and recovery. Disinfection is reduction of content of pathogenic microorganisms under defined limit. Well stabilized sludge is odourless, can be easily dewatered and is acceptable from hygiene point of view. Being stabilized, the sludge contains organic and anorganic substances easily used as a fertiliser or material for composting. The degree of stabilization is generally based on evaluatuion of properties expessing the aplicability of sludge to be recovered. Aerobic and anaerobic methods of stabilisation are widely used in practice, other methods are used not so often.

This thesis is concered with the criteria for evaluation of the sludge stabilization degree. Methodologies for specifications of criteria of stabilisation were elaborated and verified, the rate of reproducibility and relation between these criteria was observed, all on the basis of laboratory and technological tests and analyses of sludg from municipal waste water treatment plants.

The theoretical part contains the so-far knowledge covering some methods of the stabilization of waste sludge and methods how to achieve stabilized sludge. There is description of conventional as well as progressive methods of stabilisation, the bigger part deals with the anaerobic stabilization – principle, microbiotic reactions during the stabilization, technological parameters and possible modification of the temperature. Next chapter shows possibilities of recovery or final disposal of sludge. The prior recovery of sludge is emphasised, mainly in agruculture – eighter the direct application to the soil or composting and conversion to organic fertiliser. For this purposes the quality of sludge is essential, the most important is the low content of heavy metals and other xenobiotics and hygienic acceptability. If these parameters are not fulfiled it is advantageous to use the energy potentional of sludge obtained by the combastion of sludge. The most convenient is the combustion of anaerobic stabilized sludge, besides the biogas from stabilisation processes we obtain also the heat from incineration. Very advisable is co-incineration of stabilized sludge in cement furnace, organic matter from sludge is used as a fuel and the ash became the part of the produced construction material. Heavy metals are firmly incorporated into cement clinker and can not be leched out. From the sludge poit of view, it is wasteless technology. Other methods of sludge recovery such as pyrolysis or gasification have not been widely use because of their high cost. But the steady increase of fossil fuels price can make these technologies economicaly and technical interesting. The least convenient but this time very often used technology is sludge landfilling. Tha last issue of theoretical part of this thesis delas with criteria for evaluation of (with different reliability) the stabilisation of waste sludge and methods for disinfection.

Having regard to many technical possibilities of stabilisation resulting into different methods of evaluation of sludge stabilisation, experimental part of this thesis is focused on anaerobical treated sludge. A few tests of stabilisation evaluation criteria are described, e.g. content of organic carbon – the relation between TOC and stabilisation degree as well as the relation of TOC to other criteria - COD, suspended solids or volatile suspended solids is evaluated. In addition the test of exteded anaerobic cultivation, even it is time demanding it is considered as one of the most precise criteria for evaluation of stabilisation degree of anaerobicaly stabilised sludge. By measurements of dehydrogenase activity ( for purposes of this thesis the test is a bit different from the conventional one) we tryed to set the parameters of sludge stability by activity of microorganisms. Some test described in the experimental part of this thesis such as the test of thermophilic-mesophilic stabilisation or „cross test“, refere to the sludge parameters of certain technological modifications of the treatment process which should result into the more stabilised e.i. better usable sludge. By evaluation of rheological parameters of sludge we obtain information of efficiency of stabilisation process (the degree of digestion of organic substances results into the change of sludge consistency), rheological characterisation (consistency index, yeld stress, fluidity index) are also very much important for designing of next technological processes like pumping, transport or spreading to soil.

Asses of seven – month tests of quality of waste sludge from Central municipal waste water treatment plant in Prague is also the part of this thesis. The assesed sludge was anaerobic stabilised sludge from first and second stage, primary sludge, excess sludge (thickened and non-thickened) and mixed raw sludge, these criteria were used: COD, suspended solids, volatile suspended solids, soluble solids, volatile soluble solids, unsuspendable solids, unsuspendable volatile solids and sum of law fatty acids. The relation between the time of stabilisation processes and stabilisation degree was confirmed, resultes of analyses of sludge from the second stage were better than for sludge from first stage. It is obvious that thermophilic anaerobic stabilisation provides the more stabilised sludge with smaller quality changes comparing to sludge stabilised under mesophilic conditions. There is no one universal criteria for reliable and accurate setting of stability of different types of sludge. For evaluation of sludge stability it is always necessary to combine results from several tests. For choosing the right criteria it is essential to take into consideration the technology of stabilisation and supposed recovery or disposal of sludge.