Aktivovaný kal v přírodě: Princip a energetické úspory při čištění odpadních vod

Tato pomůcka poskytuje pohled na vyvíjející se možnosti energetických úspor při čištění odpadních vod. Po všeobecném úvodu jsou popsány možnosti optimalizace procesů ČOV a získávání energie z odpadních vod v příkladech, zejména ze zahraničí. Tato technická pomůcka je určena autorizovaným osobám, zejména projektantům v oboru stavby vodního hospodářství a krajinného inženýrství, pracujícím v oblasti staveb zdravotně-technických.

Snížení provozních nákladů, mimo jiné i energii, se v současné době stává, vedle splnění požadavků právních předpisů, prioritou pro provozovatele vodohospodářských a čistírenských infrastruktur. Pokles růstu ekonomiky, vzrůstající cena a spotřeba energie a stále přísnější nároky na kvalitu vyčištěné odpadní vody jsou jedny z hlavních faktorů, vedoucích k tlaku na energetickou optimalizaci v oboru.

Zatímco jinde ve světě, zejména v zemích s nedostatkem vody, je normální vyčištěnou odpadní vodu recyklovat a zároveň optimalizovat spotřebu energie s využitím alternativních zdrojů energie, u nás v České republice zatím panuje poměrně konzervativní vyčkávací přístup. Někdy je také možné se v této souvislosti setkat s akronymem NEW - nový přístup k energii (E), recyklaci vody (W) a recyklaci nutrientů (N), a někdy se preferuje ještě komplexnější přístup - do požadavků jsou zahrnuty i nároky na minimalizaci znečištění ovzduší.

Primárními funkcemi sanitačních systémů jsou ochrana zdraví, recyklace vody, živin a energie a zabránění snižování kvality životního prostředí. Řešení ekologické sanitace (odpadních vod) by pak tedy mělo zahrnovat přinejmenším tyto funkce. Ochrana zdraví je propojena s kvalitou životního prostředí a požadavky v této oblasti jsou z velké části vyjádřeny právními předpisy (emisní hodnoty, BAT nebo NEK), spotřeba energie, vody a snaha o recyklaci nutrientů je pak funkcí tržních mechanismů.

Bohužel právní předpisy i tržní mechanismy jsou často ovlivněny vyjednávací silou lobujících subjektů, a ne tím, co je objektivně nejoptimálnější pro lidstvo jako celek. Proto se také změny většinou dějí diskontinuálně poté, co se stane situace v té které oblasti neudržitelná. V každém případě je ale dobré optimální řešení znát, a alespoň v jejich duchu řešení navrhovat tak, aby byla v budoucnu v případě potřeby realizovatelná s co nejmenší ztrátou. Přímo se nabízí jeden citát „je zbytečné utíkat ve vlaku v uličce v protisměru, když vlak jede jiným směrem“.

Čtěte také: Dobrodružství s albatrosy v knihách

V podstatě se tento směr dá popsat také tak, že odpadní voda, živiny i energie by měly být řešeny co nejblíže místu, kde ke znečištění vody došlo, a nepřenášet problém jinam. Uvedené zásady platí zejména pro rodinné domy, skupiny rodinných domů, vesnické a horské oblasti. Využít je lze také v městské zástavbě, i když tam se často z důvodů ekonomických a urbanistických řeší problematika centrálně. Někdy je důvodem pro centrální řešení i síla společností zabezpečujících provoz kanalizace, podpořená dotační politikou státu. Ale i centrální řešení skýtají velké možnosti pro využití energie a nutrientů, a případně i recyklace části vod.

Další možnosti se pak nabízejí v komplexním přístupu k odpadům jako celku - sloučením likvidace odpadů a čištění odpadních vod. Postup uplatňování by měl začít od úvah nad celkovým řešením, a teprve pak řešit detaily podle toho, co je racionálně realizovatelné. Dá se prokázat se, že v komunálních vodách je až 9x více energie než je jí potřeba k jejímu vyčištění - v podstatě by tedy ČOV měla energii spíše produkovat než spotřebovávat. Současným cílem by však měla být alespoň minimalizace spotřeby, případně i energetická soběstačnost. Což by samo o sobě představovalo nemalé snížení provozních nákladů.

Spotřeba energie totiž patří mezi významné provozní náklady na čistírnách odpadních vod a tvoří cca 15-30 % nákladů na větších čistírnách a 30-40 % na menších čistírnách [2]. Obdobná studie v našem regionu - v Rakousku došla zhruba ke stejným číslům (obr. 2) [2]. Většina čistíren odpadních vod byla navržena především za účelem maximální účinnosti čištění a provozní náklady nebyly při návrzích čistíren příliš zohledňovány.

V současné době se na čistírnách používají stále pokročilejší technologie, dokonce se objevují nové požadavky, a to jak za účelem odstraňování „nových“ polutantů jako jsou např. endokrinní disruptory, tak i za účelem recyklace vyčištěné odpadní vody. Tyto technologie (např. pokročilé oxidační procesy nebo membrány) mívají zpravidla vyšší energetické nároky, a proto je zde pochopitelná snaha kompenzovat zvýšenou spotřebu a optimalizovat energetický management na čistírnách. Použití nových technologií není však omezeno jen na řešení nových požadavků.

Obecně odpadní voda obsahuje organické látky, tepelnou a kinetickou energii, jejíž množství je, jak již bylo uvedeno, zhruba 9x vyšší než je potřeba na její čištění [3, 4]. Paradoxně ačkoliv odpadní voda obsahuje takové množství energie, na valné většině čistíren je nutno energii na vyčištění odpadní vody ještě dodat. Proto je potřebné provést na čistírně bilanci energetických vstupů a výstupů, což může v praxi znamenat schéma znázorněné na obr.

Čtěte také: Více o rizicích v přírodě

Potenciální energie je energie vodního sloupce a je rovna 9,8 kJ/m3 na metr výšky. Chemická energie je energie obsažená v organické hmotě v odpadní vodě, nejčastěji vyjadřovaná ve formě chemické spotřeby kyslíku - CHSK v mg/l. Tchobanoglous [3] definuje potenciál chemická energie kalu v rozmezí 12-15 MJ/kg CHSK (13 MJ/kg CHSK v průměru), což lze přepočítat na 3-12 MJ/m3 (5,6 MJ/m3 v průměru) pro složení běžné komunální vody o složení 250-800 mg/l CHSK.

Na čistírnách dochází k mnoha procesům vzájemné konverze mezi jednotlivými typy energií, a to jak při jejich tvorbě, tak při jejich spotřebě. Spolu s využitím údajů na obr. Pravidelné provádění energetického auditu, benchmarkingu čistíren a navržení „energetických BATů“ jsou základní kroky, které by měly vést k energetickým úsporám, vyplývajícím z optimalizace přístrojového vybavení na čistírnách odpadních vod. Ale šetřit lze okamžitě, a to poměrně nenáročnými opatřeními.

Byla provedena důkladná studie na evropských čistírnách, která prokázala, že bez výrazných investičních nákladů lze uspořit 10-15 % celkových nákladů na energii [3]. Ve světě už je známých několik různých návodů nebo scénářů, jak energetické úspory na čistírnách odpadních vod provádět. Jedním z nejzajímavějších návodů je manuál, který vydala americká EPA, a dále ENERGY STAR Portfolio manažer. Ze starších návodů se dá připomenout SAIC nebo UK WIR [1].

K optimalizaci procesů lze využít různé simulační programy; dostupné jsou již i programy, které neoptimalizují jen dosažení odtokových hodnot, ale zároveň i spotřebu energie. Opět je důležité při tom postupovat komplexně, tj. brát v úvahu celou čistírnu. Vyjmutím některé části může dojít k značnému zkreslení, což je často používáno k manipulacím zdůvodňujícím použití některého jednotlivého zařízení. Simulace v rámci celé ČOV pak tyto manipulace dokáže odhalit. Lze tak také rychle a levně porovnávat systémy, ve kterých dojde k výměně spotřebičů, změně technologie nebo provozních parametrů a zavedení řídicích systémů.

Optimalizace přístrojového vybavení zpravidla vyžaduje provedení energetického auditu na čistírně. V mnoha provozech je měřena spotřeba elektrické energie, nicméně s daty se nepracuje a shromažďují se data pouze proto, aby byla. analýza výměny spotřebičů za spotřebiče se stejným výkonem, ale nižší spotřebou energie, kdy se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu, jak je vidět i na obr. 6. Řešením je pak nahrazení stávajících přístrojů nízkoenergetickými spotřebiči;optimalizace řízení procesu - opět se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu.

Čtěte také: Inspirace pro svatbu v přírodě

Jak je i z grafu patrné, největší důraz by měl být kladen na optimalizaci aerace. Ve světě se vyhodnocuje řada ekonomických postupů, které aeraci optimalizují např. dodávkou velice jemných mikrobublin (intenzita dodávky vzduchu nezajistí postačující promíchávání v aeraci) v kombinaci s dodávkou bublin umožňujících udržet aktivovaný kal ve vznosu, nebo s umístěním míchacího zařízení přímo v oxické zóně aktivace. Dalších významných energetických úspor může být dosaženo instalací senzorů a sond (např. kyslíkových nebo amoniakálních sond) za účelem automatického řízení dodávky vzduchu, nebo instalací dmychadel s frekvenčními měniči nebo optimalizovaným automatizovaným systémem řízení dodávky vzduchu.

Druhým místem, kde leží největší potenciál úspor, jsou čerpací stanice, ačkoliv zde je potenciál úspor ve značné míře závislý na reliéfu krajiny a typu přítoku na čistírnu. Zde je nutné poznamenat, že účinnost využití čerpadel závisí především na potenciálu jejich využití. Je proto bezpodmínečně nutné, aby čerpadla pracovala na plánovaný maximální výkon a byla podrobena pravidelné kontrole a údržbě. Tornow [4] srovnával chod čerpadel v čerpací stanici při kontinuálním a diskontinuálním chodu. Pro čerpadlo o diskontinuálním chodu a výkonu 14 kW tvoří investiční náklady 40 % po pětiletém provozu při 1 000 provozních hodinách za rok; po 10 letech tvoří tyto náklady pouze 25 %. Přirozeně nejvyšší částku tvoří spotřeba energie, která je 50 % nákladů po pěti letech a 63 % nákladů po 10 letech.

Ačkoliv míchání není na prvních dvou místech energetické náročnosti procesů, i jej lze optimalizovat za účelem úspor. Nižší spotřebu než klasická míchadla mají hyperbolická nebo pulzní hrubobublinná míchadla [4]. Dále se jako ekonomické jeví optimalizovat náklady na spotřebu elektrické energie snížením její spotřeby.

Z pohledu energetické úspornosti by se teoreticky měly upřednostnit anaerobní procesy, což určitě bude v budoucnu jedna z cest, zatím je jejich nevýhodou nižší úroveň čištění. S lepší schopností pracovat více s tepelnou energií, případně dalšími novými procesy (anaerobní membránové procesy, deamonifikace) význam anaerobie poroste. Asi nejefektivnějším opatřením je minimalizace aktivační části tím, že se sníží obsah organických látek přiváděných do aktivace a tím, že se zabezpečí optimální množství dodávaného vzduchu a jeho distribuce.

K tomu slouží automatizace řízení, založená na měření a regulaci. Mimo výše zmíněné inovativní technologie budoucnosti přicházejí již dnes v úvahu pokusně ověřené nové biologické procesy. Potřeba odstraňování nutrientů vedla totiž k dalším energetickým nárokům zejména na aeraci. Tudíž se jeví jako slibné některé novátorské technologie, např. deamonifikace prostřednictvím anaerobní oxidace amoniaku, tzv. proces Anammox. Oblast, která spolu s předčištěním a aerací nejvíce ovlivní energetické hodnocení.

Snahou by měla být výroba bioplynu a jeho energetické využití na výrobu elektrické a tepelné energie, která se využije např. na sušení kalu. snaha o co nejvyšší produkci bioplynu - což lze dosáhnout vyššími teplotami při anaerobních procesech při zpracování kalu nebo dezintegrací kalu. Asi nejnadějnější z užívaných typů dezintegrace je tepelná dezintegrace, ale vyzkoušená je i celá řady dalších dezintegračních metod, např. ultrazvukem.

Po létech tučných, kdy se rekonstruovaly čistírny spíše extenzivním způsobem, neboť náklady byly hrazeny z veřejných prostředků, se očekává, že další kroky povedou spíše cestou intenzifikace. Ve stávajících objemech s co nejúspornějšími technologiemi se budou řešit jak požadavky na zvýšení kapacity, tak i požadavky na přísnější odtokové parametry. V budoucnu se předpokládá, že další intenzifikace čistíren odpadních vod budou muset být řešeny s co nejmenšími prostorovými a energetickými nároky. Na významu nabude jak odstranění nutrientů, tak i otázka energií - co nejvíce ušetřit, případně i co nejvíce energie vyprodukovat.

Je zřejmé, že některé dnešní požadavky budou a jsou protichůdné. V tom je právě výzva dnešní doby - dokázat minimalizovat náklady a zároveň maximalizovat výnosy a zvyšovat kvalitu produktů. Ze zkušeností a minulosti se ví, že když je potřeba (poptávka), tak se řešení najde. S ohledem na výše uvedené by na významu měly získat technologie umožňující zachycení co nejmenších částic organických látek.

Je již celá řada zařízení specializujících se na odstranění co nejmenších frakcí nerozpuštěných látek. Obvykle jsou česle prvním stupněm na ČOV; nejčastěji se používají vertikální pruty se štěrbinou 6-12 mm. V některých případech se používají i síta, přičemž jejich funkce je obecně spolehlivá. V Německu se navrhují česle a síta podle DIN 19569, část 2 (DIN 2002). Podle konstrukčních aspektů a podle technického vybavení a velikosti otvorů se síta dělí na česle s otvory do 2 mm a síta s otvory nad 2 mm.

Dalším technickým aspektem je konstrukce povrchu síta a geometrie. Dnes se používají štěrbiny, otvory a oka. Podle konstrukčního uspořádání se česle a síta dělí na zařízení s horizontálními a vertikálními průlinami (štěrbinami). Pro navrhování je důležitý podíl otvorů. Zde většinou vycházejí lépe oka než otvory. Důležitý je pak i způsob čištění a potřeba např. vody nebo vzduchu na ostřik a čištění.

Vzhledem k vývoji předčištění je třeba zohlednit množství zachycených nečistot i při navrhování. Shrabky činí (při sušině asi 25 %) 4-8 l /EO·den. Zkušenosti ukazují, že při použití jemného síta se štěrbinami se dosahuje obdobných výsledků. Při použití jemného síta s oky a otvory může být zachycené množství až 5x větší. V extrémních situacích (splachy po delší době bezdeštného průtoku) pak ještě významně větší množství (tab. V Německu bylo dále provedeno dlouhodobé sledování na asi 20 ČOV s různými způsoby filtrace na sítech - vliv na odstranění má jak geometrie otvorů (tab.

Pokus proběhl na ČOV Nordkanal/Karst. Předčištění před oběma štěrbinami bylo identické (česle s průlinami 5 mm a lapák písku a tuků). Nařízení EU pro primární usazování jej definuje jako zařízení, jež je schopno odstranit alespoň 50 % přitékajících NL a 20 % organických látek (ve formě BSK5). Jeho význam opět nabývá na významu v souvislosti s použitím membránových technologií, kde je třeba zajistit následnou spolehlivost provozu. Dokonalé předčištění také vede k následné minimalizaci objemů a k lepší energetické bilanci celé ČOV. Představitelem takového zařízení je např. SFT filtr.

Nesmíme však přitom zapomenout, že je třeba přizpůsobit i technologické schéma ČOV a zohlednit skutečnost, že se v procesu biologického čištění bude pracovat s menším množstvím organických látek, což má návaznosti na odstraňování dusíku. Pro nejbližší období je tak úkolem minimalizace nákladů při použití aerobních technologií. Z hlediska technologického je vhodné využit denitrifikace k minimalizaci nákladů na oxidaci organických látek. Další cesty vedou přes volbu vhodných dmychadel - pomalu se prosazují šroubová ...

Biologické čištění odpadních vod je založené na stejných principech, jaké známe z přírody. Díky tomu je nejen velice účinné, ale také ekologické a ekonomické. Ostatně není náhodou, že biologické čištění odpadních vod využívají jak velké městské čistírny, tak domácí čističky. „Biologické“ se mu říká proto, že se k odstraňování odpadních látek a kontaminantů ve vodě používají živé mikroorganismy.

Základním stavebním kamenem čištění jsou bezpochyby bakterie, které rozkládají organické látky (bílkoviny, cukry, tuky) pomocí biochemických procesů. Tyto procesy dělíme na tzv. aerobní (s přístupem kyslíku) a anaerobní (bez přístupu kyslíku).Kromě bakterií se na čištění podílejí také houby, plísně, kvasinky, nitrifikační bakterie či vláknité mikroorganizmy. Z vyšších mikroorganismů se jedná o tzv. protozoa, jednobuněčné organismy, které pomáhají udržovat kvalitu čištěné vody tím, že konzumují bakterie a jiné drobné částice. Nelze opominout ani vířníky, hlístice a různé druhy prvoků.

Biologické čištění odpadních vod je obvykle druhým stupněm čištění. V první fázi je totiž třeba z odpadní vody odstranit pevné částice, tuky a další znečištění, které je možné zachytit pomocí mechanických filtrů. Biologické čištění, jež následuje po mechanické filtraci, dělíme na dva typy procesů: aerobní a anaerobní. Aerobní procesy vyžadují kyslík. Proto je v této fázi voda obohacena kyslíkem (pomocí čerpadla), který pomáhá mikroorganismům konzumovat a rozkládat organické látky. V této části čištění dochází také k tzv. nitrifikaci - procesu, při němž amoniak oxiduje na nitrit a nitrát.

Následuje anoxické čištění odpadních vod. Odpadní (tzv. černá) voda se při něm udržuje v podmínkách s nízkým obsahem kyslíku. Jako zdroj kyslíku proto mikroorganismy využijí nitrit a nitrát, jež vznikly během aerobní fáze čištění. Během toho se tyto sloučeniny redukují zpět na dusík. Tomuto procesu se říká denitrifikace. Jak naznačuje pojem „anaerobní“, v této fázi se odpadní voda čistí bez přístupu kyslíku. Odehrává se proces tzv. defosfatace, při němž mikroorganismy redukují fosfát na fosfan.

Poslední fází po aerobním, anoxickém a anaerobní čištění je sedimentace. K ní obvykle dochází ve speciální, tzv. sedimentační komoře. Aktivovaný kal zde klesne na dno nádrže, odkud se přečerpává na začátek čisticího procesu. Celý koloběh se následně opakuje. Jakmile je biologické čištění odpadních vod hotové, je třeba přečištěnou vodu opět vypustit do přírodního koloběhu. U velkých čistíren se k tomu nejčastěji využívá blízká řeka. Právě proto se čistírny odpadních vod většinou staví v blízkosti vodních toků.

Voda z menších domovních čističek odpadních vod se může likvidovat jak vypuštěním do povrchových vod (blízká řeka, potok či rybník), tak vsakováním na pozemku. Biologické čištění odpadních vod má hned několik výhod. Díky napodobení procesů, jež se odehrávají přirozeně v přírodě, při něm není potřeba používat chemikálie, které můžou potenciálně ohrozit životní prostředí. Naopak vedlejší produkty biologického čištění lze dále využít.

Přebytečný kal často putuje do kalového hospodářství, kde se dále zpracovává v kompostárnách, bioplynových stanicích nebo jako hnojivo v zemědělství - největší využití nacházejí dusík a fosfor, kal však slouží také jako zdroj energie. Pokud se likviduje ve spalovnách, popel lze využít k recyklaci fosforu nebo jako součást stavebního materiálu. Biologické čištění odpadních vod tak skvěle zapadá do principů moderní cirkulární ekonomiky.

Biologické čištění odpadních vod navíc vyžaduje menší spotřebu energie než chemické či fyzikální alternativy. Chemické čištění odpadních vod vyžaduje k odstranění znečišťujících látek chemikálie. Mezi tyto chemikálie patří například flokulanty - látky, jež pomáhají shlukovat znečištění do větších částic, které lze pak snáze odstranit. Fyzikální čištění využívá mechanické a fyzikální procesy. Sem patří sedimentace, flotace a filtrace.

Fyzikální čištění se často používá jako první stupeň před čištěním biologickým a je účinné především k odstraňování pevných částic, olejů a tuků. Jak už jsme naznačili výše, existuje více způsobů, jak odpadní vody zbavit nečistot. Jak se mezi sebou liší a jaké jsou jejich hlavní výhody a nevýhody?

Aktivační proces (základ biologického čištění) byl objeven v roce 1913, ovšem v České republice (tehdy v Československu) se začaly městské čistírny ve velkém instalovat až v průběhu 60. let 20. století. Do té doby bylo běžnou praxí dnes nemyslitelné - vypouštění odpadních vod do přírody bez jakéhokoliv čištění. Biologické čištění odpadních vod se navíc neustále vyvíjí. Jedním z možných budoucích směrů je membránový reaktor s aerovaným biofilmem (zkráceně MABR), který rapidně snižuje energetickou náročnost biologického čištění. Výsledkem by mohla být až 90% úspora energie, a tím pádem mnohem menší ekologický dopad na planetu.

Na rozdíl od současného přístupu využívajícího aktivovaný kal funguje technologie MABR na principu pasivní aerace. To znamená, že kyslík se dostává do systému prostřednictvím difuze skrz membrány. Během tohoto procesu se na membránách tvoří aerobní nitrifikační biofilm, který zároveň umožňuje nitrifikaci i denitrifikaci. Tento mechanismus efektivně redukuje problém s nedostatkem uhlíku a přispívá k nízkému obsahu dusíku ve vypouštěné vodě.

Když dojde na biologické čištění v domácích čističkách odpadních vod, v zásadě se nabízejí dvě technologie: Klasické čištění pomocí oddělených komor a SBR čištění v jednom reaktoru. Základem biologického čištění je u klasických domovních čistíren odpadních vod cyklus odehrávající se postupně v několika komorách.

První komora (A) je tzv. usazovací a slouží k mechanickému odstranění nečistot prostřednictvím sedimentace a filtrace. Do následné - aerobní - části čištění se tak dostává voda bez plovoucích částic nebo sedimentů. Následuje biologická část čištění za přístupu vzduchu v tzv. aktivační nádrži (B). V poslední fázi se voda opět nechává usadit v dosazovací nádrži (E). Kal, který klesne ke dnu, se odčerpává zpět do aktivační nádrže. Vyčištěná voda může zamířit buď do retenční nádrže (pokud je určená k dalšímu využití, například k zálivce zahrady), nebo rovnou do přírodního koloběhu.

Nejmodernější čističky odpadních vod - například Monocomp nebo Topas - dnes využívají čištění pomocí technologie SBR (z anglického sequencing batch reactor). Principem je střídání jednotlivých procesů čištění v jediné komoře. To přináší jisté výhody: čističky na bázi SBR dokážou lépe reagovat na změny v průtoku odpadních vod (nepravidelný provoz, nárazově vyšší nátok) i na různé koncentrace znečišťujících látek.

tags: #aktivovany #kal #v #prirode #princip

Oblíbené příspěvky:

• Autoservisy Týnec nad Sázavou a CNG
• Kategorie domů dle ekologických kritérií
• Informace o ekologických obalech
• Člověk a příroda v dětské knize
• Emisní podmínky dluhopisu - podrobný rozbor