Milan Drda, Ing. Jana Křivánková, Ph.D.
ENVI-PUR, s.r.o.
Abstrakt
Trend posledního desetiletí je výrazně spojen s extrémními obdobími sucha. Logickým důsledkem těchto období je nedostatek vody pro zásobování obyvatel pitnou vodou. Tato skutečnost způsobuje nejen zvýšený zájem o efektivnějším využívání pitné vody, ale také tlak na velké průmyslové podniky, které potřebují velké množství vody. Bez pitné a technologické vody často nemohou průmyslové podniky zajistit adekvátní provoz. Tyto společnosti proto hledají „nové“ vodní zdroje. Jedním z těchto základních zdrojů vody je znovuvyužití vyčištěné odpadní vody, která je v současné době považována za odpad, nikoli za potenciální zdroj. Díky moderním technologiím 21. století, jako je membránová filtrace a sorpce pomocí granulovaného aktivního uhlí, lze čištěnou odpadní vodu čistit na velmi vysokou kvalitu.
Úvod
V posledních několika letech má Česká republika a celá střední Evropa značné problémy se zásobováním vodou. Příčinou byl výskyt extrémního sucha [1-3]. To je důvod, proč se mnoho společností začalo zajímat o možnost opětovného použití vody, zejména opětovného využití odpadních vod, zvláště když odpadních vod vzniká velké množství [4].
V současnosti se několik zemí dlouhodobě zabývá opětovným využíváním vyčištěných odpadních vod, v důsledku ekonomických požadavků převedlo tuto teorii do praxe zatím jen několik zemí [5,6]. Díky moderním technologiím, jako je membránová filtrace, sorpce, reverzní osmóza a další, je opětovné využití odpadních vod ekonomicky a energeticky účinnější [5,7].
V tomto příspěvku představujeme některé z nejnovějších projektů výzkumu a vývoje společnosti ENVI PUR, která je jednou z nejsilnějších českých společností, které se zabývají vývojem, výrobou a dodávkou environmentálních technologií, zaměřených zejména na čištění odpadních vod a úpravu vody. ENVI-PUR pracuje s velmi silným oddělením výzkumu a vývoje a spolupracuje s univerzitami a specialisty z oblasti životního prostředí.
Recyklace odpadní vody z autoklávů
Mezinárodní společnost s pobočkou v České republice, která se zabývá produkcí potravinářských produktů, jejíž celková produkce odpadní vody činí přibližně 1 000 m3/den (cca 40 m3/h). Environmentálně-ekonomická politika společnosti má za cíl postupně znovuvyužívat co největší množství odpadních vod. Znovuvyužívaná odpadní voda nahradí pitnou vodu, která je aktuálně dopouštěna z řadu.
Pro poloprovozní testování pro určení návrhových parametrů byla použita keramická membránová filtrace AMAYA, která upravovala vodu z autoklávů za účelem její recirkulace.
Poloprovozní modelovou jednotkou byla AMAYA 5.2 NEW GENERATION (Qmax 5 m3/h, flux 200 LMH). V této filtrační jednotce, která je zobrazena na Obr. 1a, je umístěný jeden keramický membránový element s povrchem membrány 25 m2, nominální velikostí póru 0,1 µm, průměrem kanálku 2,5 mm a s počtem kanálků 2 000. Průřez keramického elementu je zobrazen na Obr. 1b. Celý systém pracuje na principu přímé filtrace (dead end filtration).
Cílem zkušebního provozu bylo snížit spotřebu vody z vodovodního řadu za účelem snížení provozních nákladů společnosti. Shrnutí provozních parametrů je uvedeno v Tab. 1.
Tab. 1: Provozní parametry za 6 měsíců provozu jednotky AMAYA
| Parametr | Výsledek |
| Množství upravené vody | 8 094 m3 |
| Množství vody spotřebované a fyzikální a chemické praní | 227,8 m3 |
| Procentuální množství vody spotřebované na praní membrány | 2,8 % |
| Spotřeba elektrické energie | 3 000 kWh |
| Spotřeba elektrické energie přepočtena na 1 m3 vyrobené vody | 0,37 kWh/m3 |
Za celou dobu testování bylo vyrobeno celkem 8 094 m3 vody. Spotřebováno na fyzikální a chemická praní bylo 227,8 m3 vody, což je 2,8 %. Elektrické energie bylo spotřebováno celkem 3 000 kWh, a to je v přepočtu na 1 m3 vyrobené vody 0,37 kWh. Spotřeba jak pracích vod, tak spotřeba elektrické energie velmi nízká.
Projekt je již ve fázi realizace. Výkon jednotky na znovuvyužívání odpadní vody je 170 m3/den (cca 7 m3/h). Bilance návratnosti investice je uvedena v Tab. 2.
Tab. 2: Bilance návratnosti investice jednotky AMAYA
| výkon jednotky | 170 m3/den |
| cena jednotky | 4,2 mil Kč (s DPH) |
| vodné (voda z řadu) | 40 Kč/ 1 m3 (s DPH) |
| aktuální denní úspora | 6 800 Kč |
| návratnost investice | 2 roky |
| životnost technologie | 15-20 let |
Recyklace chladících vod
Technologie keramické membránové filtrace AMAYA v kombinaci s gravitačním filtrem s aktivním uhlím WG-12 a následnou filtrací na reverzně osmotické jednotce NANO-REOS byla využita pro recyklaci chladících vod. Jedná se o případné doplnění technologie na znovuvyužití chladících odpadních vod tak, aby tyto vyhovovaly legislativním požadavkům na kvalitu vody pro možnost recirkulace vody.
Předmětem poloprovozního testování bylo zhodnotit účinnost separačních vlastností jednotlivých technologických stupňů na odpadní vodě. V rámci testů bylo kontinuálně sledováno několik zásadních provozních parametrů odpadní vody.
Chladící odpadní voda natékala do nádrže surové vody, ve které zároveň docházelo k úpravě pH prostřednictvím roztoku kyseliny sírové. Odtud byla voda čerpána podávacím čerpadlem do samotného systému membránové filtrace. Keramická membránová technologie je schopna zachytit organické látky, barvu, zákal, a především také mikrobiologické znečištění.
Z nádrže permeátu voda gravitačně natékala do filtrační kolony, která byla naplněna granulovaným aktivním uhlím WG12. Aktivní uhlí má sorpční charakter a je schopno zachytit těžko odstranitelné organické látky a další mikropolutanty, jako jsou PPCP a pesticidy.
Z modelového filtru voda natékala do akumulační nádrže, ze které byla čerpána do jednotky NANO-REOS. Reverzní osmóza umožňuje separaci na úrovni anorganických iontů a nízkomolekulárních látek organické povahy.
Z výsledků naměřených v rámci poloprovozního testování vyplývá vysoká účinnost navrženého systému. V rámci prvního stupně systému keramické membránové filtrace, dochází k velmi účinnému odstranění organických látek a mikrobiologických parametrů. Zároveň keramická membrána představuje barieru pro vysoké znečištění, které v průběhu testování často přitékalo. Ačkoli v mnoha případech keramickou membránu takovéto znečištění ucpalo, tento systém lze poměrně snadno vyčistit. Pokud by takové znečištění dospělo na aktivní uhlí či reverzní osmózu, mohlo by dojít k jejich znehodnocení. Aktivní uhlí má sorpční charakter a dokáže tedy z vody eliminovat řadu mikropolutantů, tedy především zbývajících organických látek a pesticidů. Poslední stupeň reverzní osmóza vodu snadno zbaví rozpuštěných minerálů a kvalita vody dosahuje téměř kvality destilované vody.
Důležitým výstupem poloprovozních zkoušek je relevantní odhad provozních nákladů dle fakticky naměřených hodnot. V Tab. 3 jsou uvedeny provozní náklady jednotlivých technologických stupňů na m3 vyrobené vody.
Tab. 3: Provozní náklady jednotlivých technologických stupňů
| keramická membránová filtrace | 3,90 Kč/m3 | V ceně je zahrnuta především spotřeba elektrické energie. V rámci systému dochází k čerpání vody a elektrická energie je dále spotřebovávána díky automatickému chodu celého systému. Dále je v kalkulaci zahrnuta spotřeba chemikálií, které jsou nutné pro provoz jednotky. |
| granulované aktivní uhlí | 0,10 Kč/m3 | Filtr s granulovaným aktivním uhlím WG12 není, co se provozních nákladů týče, nijak náročný. Na filtr je voda čerpána díky podávacímu čerpadlu surové vody pro první stupeň, jelikož celý první stupeň (AMAYA) je celý v tlaku. Jediným parametrem je spotřeba elektrické energie při desinfekci UV zářením. |
| reverzní osmóza | 21,70 Kč/m3 | Nejnákladnější stupeň z nakonfigurovaného systému je reverzní osmóza. Reverzně osmotická technologie je vysokotlaká technologie, která vyžaduje velmi silné čerpadlo, které tudíž spotřebovává značné množství elektrické energie |
pozn. Počítáno bylo s průměrnou cenou elektrické energie v České republice 4,34 Kč/kWh.
Celková hodnota výroby 1 m3 vody pro znovuvyužití činí necelých 26 Kč. Projekt je již ve fázi projektové přípravy. Výkon jednotky na znovuvyužívání odpadní vody je 1 200 m3/den (cca 50 m3/h). Znovuvyužívaná vody nahradí vodu, která je doplňována z řadu. V tomto projektu je počítáno i s reverzně-osmotickou technologií z důvodu vysokého zasolení odpadních vod. Bilance návratnosti investice je uvedena v Tab. 4.
Tab. 4: Bilance návratnosti investice jednotky AMAYA
| výkon jednotky | 400 m3/den |
| cena jednotky | 18,5 mil Kč (s DPH) |
| vodné (voda z řadu) | 30 Kč/1 m3 (s DPH) |
| aktuální denní úspora | 12 240 Kč |
| návratnost investice | 4 roky |
| životnost technologie | 15-20 let (reverzně osmotické membrány 5-7let) |
Recyklace vyčištěné odpadní vody z ČOV
Cílem poloprovozních modelových testů bylo ověření účinnosti zvolené separační technologie keramické membránové filtrace AMAYA na vyčištěné odpadní vodě z ČOV.
V rámci zhodnocení separační účinnosti organického znečištění, které bylo sledováno pomocí parametru absorbance při 254 nm, CHSKMn, CHSKCr a TOC, byla vysoká účinnost prokázána, pohybovala se v rozmezí 50–60 %.
Důležité bylo rovněž sledování separační účinnosti celkového fosforu, přičemž bylo prokázáno, že celkový fosfor je prostřednictvím jednotky AMAYA odstraňován téměř ze 100 %.
Zásadním aspektem poloprovozních modelových zkoušek bylo prokázání účinnosti odstranění mikrobiologických parametrů. Z výsledků je jasné, že účinnost jejich odstranění je téměř 100 % i v případě jejich enormního nárůstu, který je ve vyčištěné odpadní vodě běžný.
V průběhu poloprovozních zkoušek byla kontinuálně zaznamenávána provozní data, která poskytují jasnou představu o spotřebě vody, energie a chemikálií. Spotřeba upravené vody na praní systému dosáhla velmi nízké hodnoty, a to 0,6 %. Rovněž spotřeba elektrické energie (0,53 kWh/m3) a spotřeba potřebných chemikálií je velmi nízká a díky tomuto jsou provozní náklady na tuto technologii minimální. Filtrační cykly dosahovaly délek v rozmezí 5–11 hodin.
Jak je patrné z poloprovozního ověření, technologie AMAYA je technologií, která se velmi kvalitně vyrovnala se všemi provozními stavy, které v rámci poloprovozních testů nastaly. Byla schopna kontinuálně dodávat kvalitní upravenou vodu i při vysokých koncentracích organických látek, při náhlých změnách kvality surové vody i při značném nárůstu mikroorganismů v surové vodě. V neposlední řadě i nízké provozní náklady jsou velmi pozitivním závěrem těchto poloprovozních modelových zkoušek.
Závěr
Z dosažených výsledků je zřejmé, že technologie keramické membránové filtrace je natolik flexibilní, že může plnit také funkci dodatečného čištění vyčištěné odpadní vody a účinně tak chránit další stupně, které jsou náchylné k vysokému zatížení materiálu. Je to jasná bariéra organických látek a mikrobiologických parametrů. Se správnou konfigurací následujících stupňů (aktivní uhlí a reverzní osmóza) lze získat vysoce kvalitní permeát, který lze dále použít spíše jako surovinu než jako odpad.
Použitá literatura
- Kavlová J., Lapin M., Huth R.: Klimatické změny: Fakta bez mýtů. Univerzita Karlova v Praze, Centrum pro otázky životního prostředí, Praha 2009. 40 s. ISBN 978-80-87076-13-2.
- Daňhelka J., Kubát J.: Sucho v roce 2018 – Předběžné hodnocení. Český hydrometeorologický ústav, Praha 2019. 86 s.
- Wanner J.: Přímé i nepřímé využívání vyčištěných odpadních vod pro zásobování pitnou vodou: Kruh se uzavírá. Sborník přednášek z XXIII. odborné konference Nové trendy v čistírenství a vodárenství. Soběslav 2019, s 1-10. ISBN 978-80-905059-8-8.
- Salgot M. and Folch M.: Wastewater treatment and water reuse. Current Opinion in Environmental Science & Health, Volume 2, 2018, Pages 64-74, ISSN 2468-5844.
- Fane A.G.: Membranes for water production and wastewater reuse, Desalination, Volume 106, Issues 1–3, 1996, Pages 1-9, ISSN 0011-9164.