Optimalizace stabilizace čistírenských kalů pomocí hydrolytických enzymů: Případová studie

Abstrakt

Za účelem zvýšení efektivity rozkladu čistírenských kalů byl do anaerobního stupně stabilizace kalu v čistírně odpadních vod (ČOV) Rüsselsheim-Raunheim v Němecé spolkové republice aplikován komplex hydrolytických enzymů. Výsledky byly srovnávány s ultrazvukovou metodou desintegrace kalu. Každodenním přídavkem enzymového preparátu bylo dosaženo výrazného zvýšení produkce bioplynu o 9,5%, snížení množství stabilizovaného kalu o 15% a snížení spotřeby flokulantu o 18%. Aplikace enzymového přípravku byla vyhodnocena jako efektivnější metoda pro stabilizaci kalu jak po technické tak i ekonomické stránce.

Úvod

S rostoucími cenami energie a rostoucími náklady na likvidaci stabilizovaného kalu se prostředky pro desintegraci kalů vrátily zpět do popředí zájmu. Mezi ně patří i biologické postupy, zvláště pak přidávání enzymových přípravků do vyhnívacích nádrží pro zvýšení stupně rozkladu bakteriální biomasy a extracelulárních polysacharidů.

Enzymy jsou přírodní látky, které hrají klíčovou roli biokatalyzátorů v látkové výměně zvířat, rostlin a mikroorganismů. Ve vyhnívacím stupni ČOV jsou polysacharidy a další vysokomolekulární organické látky štěpeny pomocí enzymů syntetizovaných přítomnými mikroorganismy. Množství takto přirozeně existujících enzymů je v praxi limitujícím faktorem pro optimální růst a množení anaerobních mikroorganismů. Je nasnadě zlepšit mikrobiální aktivitu vyhnívacího stupně přídavkem externě produkovaných hydrolytických enzymů.

Již v první polovině 20. století bylo zjištěno, že přídavek enzymů intenzifikuje anaerobní rozklad v ČOV (Rudolf, [1]). Ačkoliv byla známa vysoká účinnost hydrolytických enzymů, v praxi se jen stěží uplatňovaly. Příčinou byly bezesporu obtíže spojené s tvorbou přesné látkové bilance vyhnívacího stupně, bez které nebylo možné určit efekt enzymů. Tyto technické bariéry byly překonány až v současné době, díky moderní technice řízení a regulace, spolu s počítačovou analýzou naměřených dat.

Burbaum et al. [2] ve svých provozních pokusech prokázal, jak přídavkem hydrolytických enzymů v komunálních ČOV značně narůstá stupeň rozkladu organické sušiny stejně jako výtěžnost kalového plynu.

Také laboratorní výzkum Reipa a Schmelze [3] jasně prokázal výrazné zvýšení výtěžnosti kalového plynu při použití enzymů. Přenositelnost těchto výsledků do provozního měřítka je ovšem těžko předvídatelná.

Cíle výzkumu

Za účelem zvýšení výtěžnosti kalového plynu a snížení množství stabilizovaného kalu bylo na ČOV Rüsselsheim/Raunheim v roce 2001 instalováno zařízení pro ultrazvukovou desintegraci kalu o výkonu 10 kW. Toto ultrazvukové zařízení zvýšilo rozklad sušiny z 22% na 34%. Pro vysoké provozní náklady a nákladnou údržby ultrazvukového zařízení se provozovatel rozhodl pro pokusné provozní nasazení hydrolytického enzymového přípravku. Cílem provozního pokusu bylo určit a porovnat účinnost biologické a mechanické metody.

Popis zařízení a podmínek provozního pokusu

Čistírna odpadních vod Rüsselsheim/Raunheim s instalovaným výkonem 98 500 ekvivalentních obyvatel zpracovává v prvé řadě komunální odpadní vody, v malé míře pak průmyslové odpadní vody. Dvě vyhnívací nádrže, uspořádané v řadě, mají objem 2 000 m3 a 3 300 m3. Na přítoku dosahuje hodnota CHSK 590 mg/L. Odvodnění kalu je zajištěno membránovou filtrací s komorou o objemu 5,5 m3. Stabilizovaný kal je částečně využíván na zemědělských plochách a částečně spalován. Kalový plyn je zhodnocován ve třech kogeneračních jednotkách s instalovaným výkonem 3 × 266 kWel. Pro provozní pokus byl vybrán přípravek obsahující komplex celulázových enzymů z mikroorganismu Trichoderma reesei (DSM‑10683) ve výrobku MethaPlus® L 120 speciálně vyvinutém pro použití v čistírnách odpadních vod. Mezi hlavní skupiny enzymů tohoto výrobku patří především celuláza, β‑glukanáza a xylanáza. Dále pak výrobek vykazuje celou řadu dalších vedlejších skupin enzymů jako je chitináza, pektináza, ‑amyláza, galaktosidáza a proteáza.

Provozní pokus

Hodnoty produkce kalového plynu, rozklad organické hmoty a odvodnění stabilizovaného kalu byly porovnány ve dvou časových obdobích. Referenční doba s ultrazvukovou metodou trvala devět měsíců od května 2005 do ledna 2006. V tomto časovém období bylo vyhnívání přiváděného přebytečného kalu v dílčím proudu (30%) upravováno ultrazvukem.

Ve druhém období od května 2006 do ledna 2007 bylo do nátoku vyhnívacích nádrží dávkováno 480 g enzymového přípravku na každou tunu vstupující organické sušiny. Zpracování ultrazvukem bylo v té době zastaveno. Všechna provozní data byla pravidelně zaznamenávána v provozním denníku.

Výsledky

Porovnatelnost obou period

Provozní parametry anaerobní digesce byly porovnány v obou časových obdobích. Obsah sušiny a organické sušiny v nátoku byl nepatrně nižší v období s ultrazvukem (sušina ultrazvuk: 47,0 kg/m3; sušina enzym: 51,5 kg/m3). Doba zdržení byla v období s ultrazvukem mírně delší (ultrazvuk: 61,2 dne; enzym: 58,5 dne). Celkově lze říci, že provozní podmínky byly v obou sledovaných obdobích dobře srovnatelné. Můžeme jednoznačně konstatovat, že pozorované rozdíly byly odvozeny od rozdílů zkoumaných postupů.

Produkce kalového plynu

Přepočtená měsíční specifická množství kalového plynu v obou obdobích byla statisticky porovnána (Tabulka 1).

Produkce kalového plynu v období přidávání enzymu byla o 9,5% vyšší než v období s desintegrací ultrazvukem. Tento nárůst byl při porovnání měsíčních hodnot statisticky významný.

Obr. 1: Typické složení sušiny kukuřičné siláže	Obr. 2: Porovnání aktivity komerčních enzymů na různých substrátech
Obr. 3: Praktické navýšení produkce bioplynu

Vincent Pelenc, Jörg P. Euler, Jörg Schumann, Matthias Gerhardt, Jan Štambaský

Autor: Jan Štambaský