Likvidace odpadu Biologické procesy Jan Horsák

Biologické procesy O čem to dnes bude: Kompostování Čištění odpadních vod Methanizace (Anaerobní digesce, Anaerobní fermentace)

Kompostování Jeden z nejstarších způsobů likvidace odpadu Navrací půdě organickou hmotu Struktura Schopnost udržet vodu a živiny Živiny v přirozené podobě, komplexní

Podmínky Substrát tvořený hlavně organickou hmotou Poměr C:N = 30:1 Nižší – ztráty dusíku ztráta „výživové“ hodnoty zamoření okolí amoniakem Vyšší – prodloužená doba zrání kompostu Zastoupení biogenních a stopových prvků P, K, B, Ca, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Se, Na, Zn pH kolem 7 – odchylky inhibují růst MO Dostatečné rozmělněný materiál

Podmínky Vlhkost – ideální ± 55 % Nižší omezený růst MO neumožňuje průběh některých hydrolytických reakcí zvýšené zahřívání kompostu (až k samovznícení) Vyšší ochlazování (spotřeba tepla na odpaření nadbytečné vody špatný rozvoj termofilní mikroflóry výskyt kvasinek – kvasné procesy Dostatečné provzdušnění materiálu po celou dobu humifikace Dokonalá homogenizace substrátu – dokonalé provzdušnění a rovnoměrný rozvoj bakteriálního oživení

Fáze kompostování Fáze rozkladu Mezofilní Fáze přeměny Fáze zrání Termofilní Fáze přeměny Fáze zrání

Fáze rozkladu Mezofilní Termofilní – Prudký rozvoj mikroflory, Jsou spotřebovávány snadno dostupné živiny (jednoduché cukry, škroby, bílkoviny) Termofilní Pokračuje rozvoj MO, především aktinomycet Rozklad obtížněji dostupných živil (lignin, celulosa) Klesá objem hmoty vznikají organické kyseliny, zejména kyselina octová, máselná a valerová, klesá hodnota pH až na hodnoty kolem pH 5 Teplota roste na hodnoty 60-65 °C (likvidace patogenů - hygienizace kompostu) Tato fáze končí, pokud teplota dlouhodobě nevystupuje nad 40 °C

Fáze přeměny teplota kompostu klesá ze 40 °C na 25 °C Termofilní bakterie nahrazeny jinými kmeny, houbami a plísněmi, objevují se vyšší živočichové – hmyz, dešťovky Methanogenní bakterie zpracovávají organické kyseliny za vzniku methanu pH se zvyšuje na hodnoty 6,5-8, někdy až 8,5 Objem klesá maximálně o 10 % jednotlivé složky kompostu už přestávají být patrné, kompost získává drobtovitou strukturu, stejnoměrně hnědou barvu, a má lehkou vůni po lesní zemině Na konci této fáze je kompost použitelný ke hnojení – má nejlepší „výživné“ vlastnosti

Fáze zrání dochází ke stabilizaci organických látek, teplota se vyrovnává s okolím Hmota je zcela homogenní tvoří se komplexnější sloučeniny, anorganické látky jsou vázány na molekulární strukturu humusových látek Kompost částečně ztrácí své „výživné“ vlastnosti, naopak zlepšuje své vlastnosti půdotvorné

Technické provedení kompostování kompostování na volné ploše kompostování v pásových hromadách, kompostování v plošných hromadách, intenzivní kompostování kompostování v biofermentorech (bioreaktorech), kompostování v boxech nebo žlabech, kompostování ve vacích (Ag Bag kompostování), vermikompostování.

Kompostování na volné ploše - historie v plošných hromadách jedna z prvních technologií zpracování organického odpadu na okrajích polí zakládka do výšky cca 0,5 metru pravidelně zvlhčovaná močůvkou Převrstvení pomocí pluhu, který horní vrstvu kompostu zapravoval dolů 2-3 roky využíván jako tzv .„tučný hon“ k pěstování krmných plodin nebo teplomilných zelenin Po této době rozvezen na zbývající části pozemku

Kompostování na volné ploše - současnost velké kompostárny u městských aglomerací – velké objemy odpadu úprava terénu aby byl umožněn odtok uvolněné vody z tělesa kompostu vyspádování směrem k nejnižšímu místu ve sklonu cca 2 % Nepropustná kompostovací plocha Zajištění odvodu vody z tělesa kompostu Zakládka do výšky až 5 m Překopávání pomocí speciálních překopávačů

Kompostování v pásových hromadách Označováno také jako jako CMC - controlled microbial composting, nebo u nás jako řízené kompostování či rychlokompostování podélné hromady trojúhelníkového nebo lichoběžníkového tvaru optimální výška 1,5-1,8 metru překopávání pomocí samojízdných nebo připojitelných překopávačů kompostu – zároveň se kompost zvlhčuje možnost překrytí kompostovací plachtou

Kompostování ve vacích Modifikace „hromadoidního“ kompostování Jednorázový, recyklovatelný vak l=60m, ø=1,5-3 m Materiál dokonale rozmělnit a homogenizovat - jednou založený kompost nelze měnit Surovina plněna do vaku spolu s děrovanou PE hadicí Vak uzavřen speciální páskou Hadice připojena na řízenou ventilaci Použití vpichových teploměrů a oximetrů – sledování a řízení procesu Doba 6-8 týdnů

Kompostování v biofermentorech Biofermentory - tepelně izolované kontejnery o rozměru cca 8 x 4 x 3,5 m s předním nebo horním plněním a se zabudovanou vzduchotechnikou Nucený oběh vzduchu - rychlejší humifikace obsahu Po 2 týdnech částečně humifikovaný materiál – cca měsíc dozrává na zakládce

Kompostování v boxech polouzavřená kompostovací zařízení obvykle pod střechou - ochrana před deštěm tvar vedle sebe vybudovaných oddělených boxů Překopávací zařízení neseno na jeřábové kočce Překopávač je šroubovice opatřená trny provzdušnění – ventilátory vhání vzduch přes rošty na dně Doba kompostování v 1 boxu trvá 2-4 měsíce

Vermikompostování využívá interakce mezi intenzivní činností žížal a mikroorganismů nejčastější druhy Žížala hnojní (Eisenia foetida), Žížala kalifornská (Eisenia andrei), Žížala načervenalá (Lumbricus rubellus), Africká dešťovka (Eudrilus eugeniae) a „Modrý červ“ (Perionyx excavatus) Žížaly dokáží ve svých tělech absorbovat kadmium, měď, olovo, mangan a zinek

Vermikompostování Uspořádání Pásové hromady vermireaktory První fáze kompostování bez žížal – termofilní fáze je pro žížaly teplotně nepřijatelná

Vermikompostování Vermikompostování na pásových hromadách První hromada bez žížal – termofilní fáze Část na zakládku II hromady – mocnost cca 30 cm Násada žížal – cca 10 cm Další zakládka - cca 10 cm Prvotní zakládka i s žížalami nemá překročit 50 cm Po dvou týdnech aklimatizace žížal Další zakládka v pravidelných intervalech 30 cm/2týdny, 30-50 cm/3týdny nebo 10 cm/týden

Vermikompostování Vermikompostování ve vermireaktorech

Čištění odpadních vod Mechanické – odstraňování štěrku, písku a pevných nečistot Biologické – odstranění fosforu, denitrifikace, odstranění organického znečištění

Čištění odpadních vod Mechanické Předsazovací nádrže – zachycení velmi hrubých nečistot – valouny, části konstrukcí … Hrubé česle – rozteč obvykle 50-60 mm, zachycení hrubých nečistot Jemné česle – rozteč obvykle 6mm, zachycení jemných nečistot Výsledek – shrabky – likvidace skládkováním, výjimečně spalování (vysoký podíl anorganické hmoty)

Čištění odpadních vod Mechanické Lapáky písku obvykle provzdušňovaný žlab dochází k usazování jemných anorganických podílů provzdušnění udržuje organickou hmotu ve vznosu a ta putuje dál do technologie Písek se po dně shrabuje, čerpá mamutkou do odvodňovací nádrže, voda pokračuje do technologie, písek se skládkuje.

Čištění odpadních vod Biologické Usazení sekundárního kalu Dávkování aktivovaného (vratného) kalu Odstranění fosforu Akumulací v biomase Srážení Denitrifikace Odstranění organického znečištění

Odstraňování fosforu Biologické způsoby pomocí poly-P-bakterií Srážení Akumulace v polyfosfátových strukturách v buňkách (nejznámější je rod Acinetobacter) při anaerobním vyhnívání PK se fosfor uvolní do kalové vody, která se obvykle vrací do aktivace – fosfor stále cirkuluje v systému!!! Srážení Soli FeIII – obvykle síran železitý Soli AlIII – obvykle síran hlinitý Soli CaII – obvykle vápenné mléko (Ca(OH)2)

Odstranění dusíku – denitrifikace Obvykle na počátku biologického zpracování po odstranění fosforu Anaerobní až anoxický proces – pouze míchání Nitrátreduktáza -O2 Nitritreduktáza N2O (NO) reduktáza NO3 NO2 NO N2O N2

Odstranění organického znečištění Aerobní proces - aktivace Poměr C:N:P 100:30:1 Funkční polykultura – základ bakterie, dále jednobuněčné organismy (měňavky, bičíkovci,…) – pro každou ČOV specifická

Odstranění organického znečištění Aktivace odstraní se až 99 % org. znečištění Nutné provzdušňování Udržování teploty (12-15 °C) Na počátku nutné dávkování aktivovaného (vratného) kalu Probíhá oxidace organicky vázaného dusíku na dusičnany Organická hmota se zabudovává do těl mikroorganismů

Odstranění organického znečištění Dosazovací nádrže – usazení hmoty MO – terciární kal Usazený kal se vede do kalového hospodářství Vyčištěná voda se vede do recipientu

Kaly Primární kal – z mechanického stupně Sekundární kal – usazen těsně před biologickým stupněm – vede se do kalového hospodářství Terciární kal – z dosazovacích nádrží po akltivaci Aktivovaný kal – v podstatě vyhladovělé MO z terciárního kalu Vratný kal – část aktivovaného kalu vracející se do aktivace jako očkovací médium Přebytečný kal – nadbytečný aktivovaný kal – vede se do kalového hospodářství

Kalové hospodářství Gravitační zahuštění kalu Voda se vede do technologie, kal se zpracovává Anaerobní stabilizace kalu Produkce methanu spalování s využitím tepla Kogenerace Produkce stabilizovaného kalu - odvodnění Využití – rekultivace Spalování skládkování

Čištění odpadních vod - rekapitulace Vstup – znečištěná odpadní voda Výstupy Vyčištěná voda Stabilizovaný kal Methan Shrabky a písek

Methanizace Anaerobní zpracování odpadu Děje podobné procesům probíhajícím ve skládkách Zpracování čistírenské kaly Biomasa záměrně pěstovaná k tomuto účelu energetické plodiny (šťovík, chrastice rákosovitá, tritikale, čirok, křídlatka, traviny apod.) olejniny (z nich nejvýznamnější je řepka olejná) cukrová řepa, obilí, brambory, cukrová třtina statková hnojiva zemědělská biomasa vedlejší živočišné produkty

Methanizace 4 fáze Hydrolýza Acidogeneze Acetogeneze Methanogeneze

Hydrolýza převážně rody Clostridium, Bacillus, Ruminococcus, Paenobacillus Extracelulární enzymy Rozklad makromolekulárních organických látek (bílkovin, polysacharid, tuků, celulózy) Produkt - nízkomolekulární látky (monosacharidy, glycerol, aminokyseliny…) rozp. v H2O Možný výskyt kyslíku – není striktně anaerobní

Acidogeneze Rody Clostridium, Bacillus - přeměna cukrů na kys. máselnou Proponibacterium - přeměna cukrů na kys. propionovou Lactobacillus - přeměna cukrů na kys. mléčnou a ethanol rozklad produktů hydrolýzy na jednodušší látky (kyseliny, alkoholy, CO2, H2) Definitivní ustanovení anaerobního prostředí

Acetogeneze Acidogenní mikroorganismy Vznik CH3COOH Oxidace org. hmoty na CO2, H2 a kys. octovou Syntéza kys octové z CO2 a H2 - acetogenní respirace Rozklad vyšších kyselin, alkoholů a některých aromatických látek

Methanogeneze poslední fáze procesu Rozklad jednouhlíkatých látek (metanol, HCOOH, metylaminy, CO2, H2, CO) a kyseliny octové Methanogenní bakterie - Methanococcus, Methanosarcina, Methanogenium, Methanobacterium, Meethanospirillum, Clostridium

Methanogeneze Hydrogenotrofní bakterie Acetotrofní bakterie Produkují více než 2/3 CH4 v bioplynu. Rozkládají kyselinu octovou na směs methanu a oxidu uhličitého Udržují pH fermentačního media (rozklad k. octové, produkce CO2) Pomalý růst (řádově dny) Acetotrofní bakterie methan z vodíku a oxidu uhličitého Rychlý růst (generační doba je cca 6 hodin) Odstraňují z procesu vodík – umožňují tak přežití bakterií rozkládajících kyselinu propionovou a máselnou Obojetné bakterie

Methanizace Produkty Stabilizovaná organická hmota Bioplyn Spalování bez využití tepla Spalování s využitím tepla Kogenerace – teplo + elektřina

Consummatum est Děkuji za pozornost