Úprava znečištěné vody: Technologie a moderní přístupy

V důsledku klimatické změny a růstu celkového počtu obyvatel na Zemi se očekávají stále větší problémy spojené se zajišťováním dostatku vody. V současnosti jsou známy miliony různých chemických látek a každý den jsou syntetizovány další a další.

Pod pojmem úprava vody rozumíme soubor technologických procesů, kterými se mění vlastnosti vody na úroveň požadovanou spotřebitelem. Kvalita vody musí vyhovovat především způsobu použití. Z tohoto hlediska lze vodu rozdělit na vodu pitnou, užitkovou a provozní.

Jakost upravené pitné vody závisí do značné míry na kvalitě vody ze zdroje, která se však v průběhu roku mění v závislosti na ročním období a meteorologických a hydrologických podmínkách. Proto musí být technologické zařízení úpravny uspořádáno tak, aby upravovalo vodu v požadované kvalitě za nejméně vhodných podmínek.

Limitujícím faktorem pro způsob úpravy podzemních vod je zpravidla koncentrace železa, manganu a volné kyseliny uhličité. Pro dosažení požadované jakosti vody se používá celá řada technologických procesů, které je možné dělit dle různých hledisek a kriterií. Nejpoužívanější dělení je na procesy fyzikální, chemické a biologické.

Fyzikálními procesy se z vody odstraňují převážně suspendované látky a rozpuštěné plyny. Chemickými procesy se voda upravuje k dalšímu odstraňování nežádoucích látek a ke zdravotnímu zabezpečení vody. Technické řešení technologie úpravy vody závisí na jakosti a množství upravované vody.

Čtěte také: Příčiny znečištění ovzduší

Příloha č. 13 vyhlášky 120/2011 Sb. uvádí ukazatele jakosti surové povrchové i podzemní vody a jejich mezní hodnoty pro jednotlivé kategorie standardních metod úpravy surové vody na pitnou.

• Surová voda vyžaduje jednodušší úpravu, např. koagulační filtraci, jednostupňové odželezňování, odmanganování nebo infiltraci, pomalou biologickou filtraci, úpravu v horninovém prostředí a to vše s koncovou dezinfekcí.
• Úprava surové vody vyžaduje dvou či vícestupňovou úpravu čiřením, oxidací, odželezňováním a odmanganováním s koncovou dezinfekcí popř. jejich kombinaci. Mezi další vhodné procesy se řadí např. využívání ozónu, aktivního uhlí, pomocných flokulantů, flotace.
• Ekonomicky náročnější postupy technicky zdůvodněné (např.

Pokud surová voda vykazuje vyšší koncentrace, než jsou uvedeny pro kategorii A3, pak podle § 13 odst. 2 zákona č. 274/2001 Sb. lze vodu této jakosti výjimečně odebírat pro výrobu pitné vody s udělením výjimky příslušným krajským úřadem. Pro úpravu na vodu pitnou se musí použít technologicky náročné postupy spočívající v kombinaci typů úprav uvedených pro kategorii A3, přičemž je nutné zajistit kvalitu vyráběné pitné vody podle vyhlášky č. 252/2004 Sb.

Separační procesy

Jako první separační stupeň se nejčastěji využívají sedimentační nádrže nebo čiřiče. Kromě již jmenovaného typu usazovacích nádrží se používají i kruhové usazovací nádrže s horizontálním nebo vertikálním průtokem. Častým způsobem inovace jsou lamelové vestavby různých systémů. Jejich teorie je podrobně propracovaná již od 60. let minulého století.

Od 50. let minulého století jsou běžnou součástí vodárenských technologií čiřiče. Po stránce hydraulické rozeznáváme čtyři druhy čiřičů, a to s hydraulickým vznosem vločkového mraku, s mechanickým vznosem vločkového mraku, s cirkulací kalu a s periodicky se měnícím průtokem. Všechny tyto čiřiče pracují s vločkovým mrakem, což je vznášená vrstva vločkovitých částic, které vznikly chemickým srážením.

Rozdíl je pouze v tom, že u některých čiřičů je vločkovací prostor součástí čiřiče (spolu s prostorem čiřícím a zahušťovacím), zatímco u jiných typů čiřičů (např. galeriové čiřiče) se musí vločkování provádět v předřazených nádržích. V takovém případě se inovace omezují na zlepšení hydrauliky pro lepší stabilizaci vločkového mraku.

Čtěte také: Znečištění veřejných toalet

Čiřiče jsou výhodné při rekonstrukcích úpraven vod, které mají jako první separační stupeň navrženy podélné usazovací nádrže s předřazenými nádržemi vločkovacími. Tyto usazovací nádrže rozměrově odpovídají možnosti přebudování na čiřiče s kombinovaným vznosem vločkového mraku. Z jedné podélné nádrže klasické šířky 6 m se většinou budují tři až čtyři jednotky čiřičů, což přispívá k možnosti provozovat úpravnu vody ve velmi rozdílných průtočných výkonech. Vlastní jednotka čiřiče může spolehlivě pracovat v rozpětí svého výkonu od 60 do 100 % a další výrazné změny průtoku mohou být měněny vypínáním či zapínáním do provozu konkrétního počtu jednotek čiřičů.

První separační stupeň by měl vždy pracovat v optimálních technologicko-hydraulických podmínkách, což je při úpravě vody chemickým srážením to nejdůležitější.

Flotace

Zhruba od šedesátých let 20. století je jako první separační stupeň v rámci dvoustupňové úpravy vody zařazována flotace, a to nejprve na úpravnách vody v Kanadě, USA, Velké Británii a v zemích Evropské unie. První realizace flotace na našem území však trvala ještě další řadu let. Až koncem roku 2005 byla v České republice uvedena do provozu první vodárenská flotace na ÚV Mostiště, kterou provozuje VAS a.s.

Podstatou flotace je separace tuhých nebo kapalných částic z vody, která se provádí zavedením jemných vzduchových bublin do vody. Bubliny přilnou k jednotlivým částicím, čímž vytváří aglomeráty bublina - částice s hustotou nižší než voda. Vztlaková síla takto vzniklých aglomerátů je dostatečně velká, aby způsobila stoupání částice k hladině. K docílení kvalitního flotačního účinku je třeba dobrá předcházející flokulace, proto kompaktní flotační jednotka se skládá ze dvou částí - flokulační (předúprava vody) a flotační.

Oproti sedimentaci a čiření má flotace výhodu, že je účinnější pro separaci malých částic velikosti desítek µm, které prakticky nesedimentují a jsou zpravidla zachytávány až na pískových filtrech. Vyšší separační účinnost flotace se pak pozitivně projevuje na provozu následného separačního stupně. Další výhodou flotace je vysoká účinnost odstranění především CHSKMn, zákalu, barvy a velmi vysoká účinnost odstranění biologických látek. Ve světě je proto flotace navrhována i na úpravu silně eutrofizovaných vod, kde jiné separační procesy selhávají.

Čtěte také: České rybářství a kvalita vody

K výhodám flotace patří také vysoká sušina kalu, která se podle konstrukce flotace, způsobu odtahu kalu a dalších provozních požadavků pohybuje od 0,2 do 6 %. Rovněž nároky na plochu jsou menší než u klasických technologií používaných pro první separační stupeň. Nevýhodou flotace je značná energetická náročnost vyplývající z nutného chodu dmychadel a oběhových čerpadel tzv. „bílé vody“. Tato zařízení musí být v provozu na plný výkon i při nižší potřebě výroby vody.

Filtrace

Jako druhý separační stupeň se v současné době využívá především rychlofiltrace, která se vyvinula z filtrace pomalé. První pomalé filtry byly navrženy v roce 1829 v Anglii. Úprava vody pomalou (biologickou) filtrací je analogií čistících procesů povrchových vod v přírodě. Při pomalé filtraci je technologicky nejúčinnější horní vrstva písku v tloušťce 1 až 2 cm, tzv. biologická blána s intenzivním oživením aerobními mikroorganismy a řasami.

Inovační potenciál pomalých filtrů je diskutabilní. Lze jít buď cestou minimalizace ručních úkonů, nebo změnit technologii, tedy přejít na modernější a výkonnější rychlofiltry. Po stránce ploch objemů to problém nebývá, pomalé filtry stejného výkonu jsou podstatně větší než rychlofiltry. Rozhodující bývá stavební stav objektu.

První rychlofiltry byly uvedeny do provozu v Somerville (New Jersey, USA) v roce 1885, v Evropě v úpravně vody pro město Curych (Švýcarsko) v roce 1895. Tyto rychlofiltry měly uspořádání průtoku stejné jako pomalé filtry, tj. voda protékala zatopenou vrstvou písku směrem shora dolů gravitací. Převážná většina současných konstrukcí je založena na stejném principu.

Podle konstrukce rozlišujeme dvě základní varianty rychlofiltrů, a to evropské a americké. Rozšířenější jsou evropské rychlofiltry, staví se s mezidnem nebo bez mezidna a jsou prány vzduchem a vodou zpravidla zdola. Americké rychlofiltry jsou vývojově starší, bez mezidna a jsou prány shora i zdola. Základními funkčními prvky otevřeného filtru jsou filtrační nádrž, strojně technologické vybavení a zařízení pro kontrolu provozu.

Co se týká inovací otevřených rychlofiltrů, tak pokud jsou nádrže v dobrém stavebním stavu, je jednoduchou inovací zavedení vícevrstvé filtrace, která zvýší kalovou kapacitu filtru a prodlouží filtrační cyklus. Vrstev může být více, ale již dvě vrstvy významně zlepší funkci filtru. V úvahu přichází rovněž zavedení jiného materiálu do filtrační náplně než je klasický křemičitý písek. Lze využít antracit, který se hodí jako horní vrstva nebo zvážit použití zrněného aktivního uhlí, které má kromě filtračního i sorpční účinek. Provoz filtru s aktivním uhlím je však výrazně dražší, neboť po poklesu sorpčního efektu je třeba náplň vyměnit, k čemuž dochází v závislosti na kvalitě filtrované vody po několika letech.

Kromě nahrazení či doplnění náplní filtrů je vhodné uvažovat i o konstrukčních zlepšeních, a to směrem ke konstrukcím bez mezidna, avšak se zachováním principu používání pracího vzduchu (obvyklého u evropských filtrů), což umožňuje nižší spotřebu prací vody. V úvahu přicházejí systémy Novák, Leopold, u menších jednotek i Triton. Významnou inovací může být modernizace regenerace rychlofiltrů, tedy optimalizace délky a intenzity jednotlivých fází regenerace. Dochází pak k významným úsporám energie i množství regeneračních médií.

Dezinfekce vody

Dezinfekce vody neboli hygienické zabezpečení vody je naprosto nezbytnou částí technologického procesu úpravy vody. V této závěrečné fázi technologie dochází k zneškodnění a usmrcení choroboplodných zárodků, jako jsou bakterie a viry, a také k zajištění prevence před jejich výskytem v pitné vodě.

Chlorování je nejčastější způsob dezinfekce vody v ČR, ale i v zahraničí. Důvodem častého využívání chloru je jeho velká baktericidní účinnost, kterou si zachovává i v malých koncentracích. Další plus je poměrně jednoduché použití i kontrola a rovněž i silné oxidační účinky. Použití chloru v průběhu úpravy vody na pitnou je však možné jen tehdy, když surová voda neobsahuje organické látky, které tvoří s chlorem chlorované sloučeniny, v případě huminových látek trihalogenmethany.

Z bezchlórových variant hygienického zabezpečení pitné vody je již dobře známa ozonizace či využití UV záření. Dezinfekční účinek ozónu je větší než u chloru. Pro technické potřeby se ozón vyrábí v ozonizátorech ze vzduchu zbaveného vlhkosti nebo z kyslíku. Výhodou je, že při ozonizaci nevznikají vedlejší chlorované produkty, nevýhodou je nutnost výroby ozónu na místě použití a krátkodobý účinek v místě aplikace. Proto i tam, kde je ozón využit pro dezinfekci upravené pitné vody, musí být při jejím rozvodu vodovodní sítí zajištěna hygienizace, např.

Ultrafialové záření je fyzikálním způsobem dezinfekce s nejsilnějším baktericidním účinkem při vlnové délce asi 260 nm. Účinek tohoto záření spočívá v působení na protoplazmu mikroorganizmů, kdy dochází ke změně její struktury a tím k usmrcení mikroorganizmů. Zdrojem ultrafialového záření bývají rtuťové křemenné lampy, kolem nichž v tenké vrstvě cirkuluje voda. Doba ozařování bývá poměrně krátká, řádově do několika minut. Výhodou tohoto způsobu dezinfekce je, že odpadá manipulace s chemikáliemi a kontrola jejich dávkování. Účinek dezinfekce však není trvalý, rovněž je nutno počítat s určitou životností ozařovacích lamp a s nároky na energii. První zkušební provoz s UV zářením byl u nás zahájen v roce 1999 na úpravně vody Mokošín a tento způsob dezinfekce tam funguje doposud.

Z nejnovějších variant dezinfekce pitné vody lze pak zmínit dezinfekci směsnými oxidanty (MIOX) a využití membránových procesů. Technologie MIOX využívá pouze sůl, vodu a elektřinu k výrobě velmi zředěného roztoku chloru elektrolýzou koncentrované solanky. Tato technologie byla plně akceptována americkou vládní společností pro ochranu životního prostředí a veřejného zdraví US Environmental Protection Agency (US EPA). U nás byla technologie schválena SZÚ a dle vyjádření Ministerstva zdravotnictví vyhovuje požadavkům vyhlášky 409/2005 Sb. pro styk technologie s pitnou vodou. V České republice není tato technologie příliš rozšířena, ale v zahraničí je již přes 2000 instalací.

Nejen k dezinfekci lze využít membránových procesů, do jejichž skupiny patří mikrofiltrace, ultrafiltrace, nanofiltrace a reversní osmóza. Někdy se do této skupiny zařazuje také elektrodialýza. Membránové procesy využívají polopropustnou membránu na odstraňování nejen mikroorganismů, ale i organických a anorganických látek z vody.

Přehled použitelnosti membránových procesů

V tabulce je uveden přehled použitelnosti jednotlivých membránových procesů a jimi dosažitelný stupeň odstranění jednotlivých druhů látek a organismů.

Inovativní technologie: CaviPlasma

Zbavit vodu škodlivých látek není v průmyslovém měřítku snadná, natož levná záležitost. Jedná se totiž o velmi subtilní poslední krok v celém procesu čištění vody a současné čistírny odpadních vod (ČOV) - zejména ty malé - si s takovýmto druhem znečištění nedokáží efektivně poradit. Dopady lidské činnosti na povrchové vody a vodní organismy v nich žijící tak každoročně narůstají nejen s množstvím produkovaného odpadu, ale, což je ještě znepokojivější, s naší schopností efektivně odhalovat i malá množství škodlivin a jejich zásadní dopady na náš ekosystém.

Prvotní nápad na novou technologii úpravy vody plazmatem vznikl v roce 2018. O tom, že elektrické výboje lze snadno budit v plynném prostředí, se může lehce přesvědčit každý, např. při výboji statické elektřiny. Efektivní přenos získaných reaktivních částic z plynu do kapaliny však není snadný proces. Hydrodynamická kavitace v rychle proudící kapalině byla slibným východiskem, klíčovou otázku však představovalo nalezení způsobu generace plazmatu v tomto prostředí. Řešení vědci nalezli a v roce 2019 následně podali patentovou přihlášku.

CaviPlasma vznikla jako přirozený, avšak nikoliv samozřejmý, důsledek úspěšné meziuniverzitní spolupráce zahájené při vývoji patentované a ověřené technologie na čištění odpadních vzdušnin. Dřívější úspěšná spolupráce tak svedla dohromady týmy vědců z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity (skupina Aplikované plazmochemie), Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně (skupina doc. Ing. Pavla Rudolfa, Ph.D.), k nimž se připojila skupina prof. Ing. Blahoslava Maršálka, CSc. z Biologického ústavu AV ČR.

Nově vyvinutá plazmová jednotka spojuje pokročilé technologie fluidního a plazmového inženýrství a umožňuje plazmové ošetření vody v množství jednotek metrů krychlových vody za hodinu při provozních nákladech v řádu jednotek korun na jeden kubík. Technologie spojující světy fluidního inženýrství a fyziky plazmatu tak byla pojmenována CaviPlasma.

Vynikající vlastnosti nového zdroje plazmatu jsou založeny na unikátní kombinaci hydromechanických a plazmochemických účinků v jediném zařízení. Procesem hydrodynamické kavitace se v proudící kapalině vytváří velké množství maličkých kavit (dutin nebo, chcete-li, bublin) obsahujících vodní páru, které při svém kolapsu působí výraznými mechanickými účinky na kapalinu a její okolí. Tento jev, který v lopatkových turbínách způsobuje nežádoucí erozi lopatek samotných, je v jednotce CaviPlasma důležitým předpokladem pro její efektivní činnost. V tzv. kavitačním mraku jsou totiž velice příznivé podmínky pro zapálení elektrického výboje, neboť kavity jsou tvořeny parami kapaliny (vody) o tlaku podstatně nižším, než je tlak atmosférický. Molekuly vody v kavitách jsou pak výbojem snadno disociovány a výsledné reaktivní částice se po kolapsu kavit dostávají do objemu kapaliny.

CaviPlasma však nenabízí pouze čištění chemicky znečištěné vody. Dalším významným využitím je ochrana proti nebezpečným mikroorganismům. CaviPlasma unikátním způsobem kombinuje působení vlivů mechanických, elektrických, plazmochemických a UV záření, které má výrazné biocidní účinky na nebezpečné mikroorganismy, jako jsou sinice či multirezistentní kmeny bakterií.

A nejen to. Ukázalo se, že i samotná voda upravená technologií CaviPlasma má výrazné biologické účinky. Tato tzv. „plazmatem upravená“ voda (z angl. PTW - plasma treated water), se ukázala být velice účinnou např. pro potlačení růstu sinic a řas (DOI), či patogenů lidských i zvířecích. To rozšiřuje její aplikační potenciál do celé řady dalších oborů. Příkladem uveďme akvaponické pěstování plodin, kde v rámci předběžného testování v loňském roce byla tato technologie úspěšně vyzkoušena v prostředí zemědělské výroby.

Právě tomuto směru aplikačního potenciálu CaviPlasma se věnoval ve svém PoC projektu Mgr. Výsledky dosavadního zkoumání vzbudily pozitivní ohlasy i v odborné komunitě. A to jak na mezinárodních konferencích v oblasti základního i aplikovaného výzkumu plazmatu (např. Vědci publikovali dva odborné články a další připravují. Jeden z nich byl vyhodnocen jako „editor choice“ časopisu Water (DOI). O uznání významného komerčního potenciálu této technologie směrem k reálným aplikacím svědčí také její vítězství ve finále „Transfera Technology Day 2020“, kam byla jako jeden ze dvou projektů z Brna vybrána odbornou porotou (viz Transfera.cz).

Rozvoj CaviPlasma technologie by však nebyl možný bez systematického výzkumu - základního i aplikovaného. Vědci ze skupiny Aplikované plazmochemie se zabývají plazmově-fyzikálními aspekty a diagnostikou CaviPlasma pro hlubší pochopení jeho mechanismů, které umožní vyladění operačních parametrů výboje i vlastní konstrukce, jíž se věnují společně s experty na VUT. Kolegové z Botanického ústavu AV ČR jsou pak klíčoví pro charakterizaci a zlepšování účinnosti v oblastech dekontaminace, ničení mikroorganismů, či chemických látek. V posledních letech se vědci soustředili hlavně na hledání těch nejvhodnějších aplikací.

Projekt GA22-11456S financovaný prostřednictvím Grantové agentury České republiky, který aktuálně probíhá, se zaměřuje na základní výzkum. Tento projekt doc. Mgr. Pavla Sťahela, Ph.D. jako hlavního řešitele cílí na pochopení základních mechanismů CaviPlasma ke zvýšení jeho účinků. Již ukončený projekt SS01020006, který byl podpořen Technologickou agenturou České republiky v rámci programu Prostředí pro život, směřoval na využití technologie CaviPlasma pro čištění odpadních vod. V roce 2022 pak dr.

Výsledky jsou nejlepším důkazem úspěchu tohoto výzkumu v multioborové spolupráci. Vynalezená a úspěšně patentovaná technologie má vysoký potenciál pro environmentálně i ekonomicky šetrné ošetření znečištěných vod. Nadále probíhá mezinárodní patentové řízení a jednání se zájemci o průmyslové licence. Dosud byl udělen český, kanadský a izraelský patent, byly uzavřeny první dvě licenční smlouvy a můžeme tak vyhlížet první komerční testy.

tags: #úprava #znečištěné #vody #technologie

Oblíbené příspěvky:

• Požadavky na kategorizaci odpadu
• Snadná kresba přírody
• Montáž odpadního potrubí 125 mm
• Kam s odpadem
• Možnosti recyklace v ČR