Mnoho ľudí pracujúcich v čistení odpadových vôd má intuíciu: "Mikroorganizmy sú hlavnou silou, takže viac kalu znamená silnejšiu čistiacu kapacitu." Zdá sa to rozumné, ale v skutočnej prevádzke to často vedie k problémom.
Tí, ktorí sa podieľali na-uvádzaní do prevádzky na mieste, boli pravdepodobne svedkami tohto scenára: kolísanie odpadových vôd, občasné prekročenie noriem amoniakálneho dusíka a prvou reakciou operátora je „nedostatočná koncentrácia kalu“, čo vedie k zníženiu alebo dokonca žiadnemu vypúšťaniu kalu. MLSS sa postupne zvyšuje z 3000 na 4000, 5000 a 6000 mg/l.
Je zvláštne, že zatiaľ čo vyššia koncentrácia kalu rieši problém, vytvára nové problémy-pretečenie kalu zo sekundárnej sedimentačnej nádrže, odpadová voda SS prekračuje normy, frekvencia ventilátora je už na maxime a DO v aeróbnej nádrži nie je možné zvýšiť.
Kde je teda problém?
Vzťah medzi koncentráciou kalu a kapacitou systému nie je lineárny, ale parabolický.
Úzke miesto v zásobovaní kyslíkom: „Posledná míľa“ prenosu rozpusteného kyslíka
Najprv zvážte prevzdušňovanie: Pri každom zvýšení koncentrácie kalu o 1 000 mg/l stúpa spotreba kyslíka v nádrži. Udržanie denného metabolizmu 1 kg aktivovaného kalu vyžaduje približne 0,8-1,2 kg kyslíka. Keď MLSS stúpne z 3 000 na 5 000, celková biomasa v nádrži sa zvýši o takmer 70 %, čo vedie k prudkému nárastu celkovej spotreby kyslíka.
Hlbšia kríza spočíva v obmedzeniach prenosu kyslíka na mikroúrovni. Keď MLSS prekročí určitú hodnotu, veľkosť častíc a hustota vločiek aktivovaného kalu sa výrazne zvýši. To spôsobuje, že odpor pri prenose kyslíka sa zvyšuje exponenciálne, čím vzniká problém prenosu rozpusteného kyslíka na "poslednej míli".
V tomto bode, hoci DO v aeróbnej nádrži môže zostať na úrovni 2,0-3,0 mg/l, približne 60 % objemu vo vnútri vločiek už môže byť v stave anoxických podmienok. Nitrifikačné baktérie sú ako obyvatelia vtlačení do „vnútornej miestnosti bez okien“, kde vonkajšie heterotrofné baktérie spotrebúvajú kyslík predtým, ako sa dostanú do ich oblasti. Rýchlosť využitia DO (rozpustený organický uhlík) výrazne klesá, aktivita nitrifikačných baktérií je potlačená a amoniakálny dusík začína stúpať. Lokalizované anoxické prostredie zároveň uľahčuje množenie vláknitých baktérií, uvoľňuje štruktúru kalu a zhoršuje výkonnosť usadzovania.
Limit usadzovania: Kríza „preťaženia“ sekundárnej usadzovacej nádrže
Pri pohľade na sekundárnu usadzovaciu nádrž: čím vyššia je koncentrácia kalu, tým viac pevných látok vstupuje do sekundárnej usadzovacej nádrže. Návrhová hodnota povrchového zaťaženia pre typickú sekundárnu usadzovaciu nádrž s centrálnym vstupom a okolitým výstupom je 0,8~1,2 m³/m²·h a zaťaženie tuhými látkami sa zvyčajne riadi na 4~6 kg/m²·h.
Neustály nárast MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) priamo povedie k výraznému zvýšeniu zaťaženia sekundárnej usadzovacej nádrže, čím prekročí limit jej projektovanej kapacity. Po preplnení sa efekt oddeľovania kalu-vody oslabuje, supernatant sa zakalí a SS presahuje štandard. Niekedy vrstva jemného kalu pláva na celom povrchu sekundárnej usadzovacej nádrže a nastavenie pomeru spätného toku je neúčinné. Mnohé nerozpustné látky v odpadovej vode presahujúce normu nie sú zakorenené v časti biologického čistenia, ale skôr v koncentrácii kalu presahujúcej projektovanú kapacitu sekundárnej usadzovacej nádrže.
Nevyvážený kalový vek: Pasca „starnutia“ za koncentráciou
Ďalším ľahko prehliadnuteľným faktorom je vek kalu. Pri konštantnom objeme vypúšťania kalu bude zvyšovanie MLSS predlžovať vek kalu.
Nadmerné starnutie kalu vedie k starnutiu kalu: mikroorganizmy vstupujú do endogénnej dýchacej fázy, čím sa zvyšuje vlastná spotreba kyslíka, ale ich efektívna aktivita pri odbúravaní škodlivín výrazne klesá. Vločky starnúceho kalu sú jemné a fragmentované, usadzujú sa pomalšie a ľahšie sa strácajú v odpadovej vode.
Nájdenie „bodu rovnováhy“: Kľúčom je dynamická kontrola
V praxi je „primeraná koncentrácia“ vždy dôležitejšia ako „vysoká koncentrácia“. Neexistuje jediná, univerzálne použiteľná optimálna koncentrácia kalu; prevádzkové parametre je potrebné dynamicky upravovať na základe špecifických prevádzkových podmienok:
Prítokové zaťaženie: V podmienkach vysokého organického zaťaženia môže mierne zvýšenie koncentrácie kalu tlmiť šoky kvality vody; pri dlhodobom-nízkom zaťažení bude nadmerná koncentrácia kalu len zvyšovať spotrebu energie ventilátora a zvyšovať tlak na údržbu vypúšťania kalu.
Podmienky teploty vody: Nízke teploty v zime znižujú mikrobiálnu metabolickú aktivitu, čo umožňuje mierne zvýšenie biomasy MLSS (Multi{0}}Layer Sludge Solids) na zabezpečenie nitrifikácie. V lete vyššia teplota vody a vyššia mikrobiálna aktivita znižuje koncentráciu kalu, šetrí energiu prevzdušňovania a znižuje riziko hromadenia kalu.
Základné porovnanie: Zameranie na F/M (pomer-k-mikroorganizmu)
Najspoľahlivejším meradlom na posúdenie, či je koncentrácia kalu primeraná, je pomer F/M (pomer krmiva-k{1}}mikroorganizmu), a nie prísne zameranie sa na jednu hodnotu MLSS.
Pre konvenčné systémy komunálnej odpadovej vody je vhodný rozsah F/M typicky 0,1 až 0,2 kg BSK5/kg MLSS·d (niektoré procesy môžu túto hodnotu znížiť na 0,2 až 0,4).
Pomer F/M pod 0,05 naznačuje dlhodobý- nedostatok mikrobiálneho substrátu; nepretržité hladovanie rýchlo povedie k starnutiu kalu.
Pomer F/M nad 0,4 naznačuje nedostatočné efektívne zásoby biomasy, čo robí odpadovú vodu vysoko náchylnou na prekročenie noriem počas kvalitatívnych šokov vody.
Denné úpravy rýchlosti vypúšťania kalu na stabilizáciu pomeru privádzaného -k-mikroorganizmu sú oveľa vedeckejšie než prísne dodržiavanie pevnej koncentrácie kalu. Mnohé dobre-zavedené čistiarne odpadových vôd dynamicky upravujú svoje koncentrácie kalu na základe skutočných podmienok: mierne zvýšenie koncentrácie v zime, aby sa zachovala účinnosť čistenia, a jej zníženie v lete, aby sa ušetrila energia a regulovalo objemovanie kalu. Toto sú praktické skúsenosti, ktoré zhrnuli pracovníci v prvej línii po nespočetných pokusoch a omyloch.
V konečnom dôsledku je koncentrácia kalu iba prostriedkom na úpravu procesu, nikdy nie konečným cieľom prevádzky. Skutočným cieľom je dosiahnuť dlhodobú-stabilitu systému, dôsledne vyhovujúce odpadové vody a kontrolovateľné prevádzkové náklady.
Príliš vysoké aj nízke hladiny MLSS sú škodlivé pre stabilnú prevádzku systému. Optimálna koncentrácia kalu je taká, ktorá udržuje prietok (F/M) v rozumnom rozsahu, zabezpečuje stabilný a regulovateľný rozpustený kyslík (DO), zabraňuje odtoku kalu zo sekundárnej sedimentácie a trvalo spĺňa normy kvality vody. Táto hodnota môže byť vyššia alebo nižšia ako konštrukčná referenčná hodnota, ale vyššia určite nie je vždy lepšia.