MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2012 MARTINA JAROŠOVÁ

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Kalové hospodářství čistíren odpadních vod Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Tomáš Vítěz, Ph.D. Brno 2012 Vypracovala: Bc. Martina Jarošová

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky 2011/2012 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autorka práce: Studijní program: Obor: Bc. Martina Jarošová Technologie odpadů Technologie a management odpadů Název tématu: Kalové hospodářství čistíren odpadních vod Zásady pro vypracování: 1. Popište současný stav řešené problematiky. 2. Popište technologie kalového hospodářství používané na čistírnách odpadních vod. 3. Popište technologii kalového hospodářství vybrané čistírny odpadních vod 4. Proveďte posouzení provozu kalového hospodářství vybrané čistírny odpadních vod. 5. Ze zjištěných údajů vyvoďte závěry a doporučení pro praxi.

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Kalové hospodářství čistíren odpadních vod vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis diplomanta.

PODĚKOVÁNÍ Touto cestou bych chtěla poděkovat vedoucímu mé diplomové práce Ing. Tomáši Vítězovi, Ph.D. za odborné vedení, připomínky, ochotu a čas, který mi věnoval při tvorbě této práce. Dále bych chtěla poděkovat panu Ing. Richardu Bábíčkovi za jeho trpělivost, informace a data, které mi ochotně poskytl a za jeho cenné rady a připomínky k diplomové práci.

ABSTRAKT Diplomová práce je zaměřena na problematiku kalového hospodářství čistíren odpadních vod. Je rozdělena na teoretickou a praktickou část. V teoretické části je popsána legislativa čištění odpadních vod, produkce kalu v České republice, obecný popis technologické linky ČOV a kalové hospodářství čistíren odpadních vod. Další část popisuje technologii čištění na Čistírně odpadních vod Hodonín, včetně jejího kalového hospodářství. Praktická část této diplomové práce nejdříve hodnotí proces čištění odpadních vod a následně se zabývá kalovým hospodářstvím. Sledované období je v rozmezí od roku 2003 do roku 2011. Pro hodnocení procesu čištění byli vybráni ukazatelé znečištění odpadních vod CHSK Cr, BSK 5, NL, N celk a P celk. U těchto ukazatelů byla vypočítána účinnost čištění, na základě které byl proveden další rozbor. V tomto rozboru se hodnoty koncentrací ukazatelů znečištění na odtoku porovnávali s hodnotami emisních standardů, které jsou součástí přílohy č. 1 k nařízení vlády č. 61/2003 Sb., v platném znění. Vyhodnocení tohoto porovnání je uvedeno v části výsledky a diskuze. Posouzení kalového hospodářství je uvedeno v následující praktické části diplomové práce. Pro hodnocení byly vybrány parametry sušina kalu, ztráta žíháním, kalový index, stáří kalu a byla vypočítána účinnost anaerobní stabilizace. Rozbor těchto parametrů se zaměřuje na hodnocení závislosti ztráty žíháním na sušině surového, stabilizovaného a odvodněného kalu, dále na posouzení hodnot kalových indexů přebytečného a vratného kalu, na složení kalové vody, výpočet a průběh stáří kalu a na stanovení účinnosti anaerobní stabilizace. Vyhodnocení těchto parametrů se nachází ve výsledcích a diskuzi, pro některé parametry je uvedeno doporučení pro zlepšení. Klíčová slova: Odpadní voda, ukazatelé znečištění, CHSK Cr, BSK 5, NL, N celk, P celk, čistírna odpadních vod, kal, anaerobní stabilizace, ztráta žíháním, sušina kalu, stáří kalu, kalová voda

ABSTRACT The Diploma thesis is focused on sludge management of sewage treatment plants. It is divided into a theoretical and a practical part. In the theoretical part is described a law of sewage purification, a sludge production in the Czech Republic, a general description of the technological device of sewage treatment plants and a sludge management of sewage treatment plants. The next part of diploma thesis describes a treatment technology on Sewage Treatment Plant Hodonín and its sludge management. The practical part of this diploma thesis evaluates first the process of sewage purification and then deals the sludge management. A research period is since 2003 until 2011. To evaluate of the process of sewage purification were selected indicators of pollution of sewage COD, BOD, TSS, total nitrogen and total phosphorus. For these indicators were calculated a treatment efficiency, based which was performed a further analysis. In this analysis were compared the concentrations of indicators of pollution in runoff with the values of the emission standards that are mentioned in Annex 1 to Government decree No. 61/2003 Coll., as amended. Evaluation of this comparison is given in the part that is called results and discussion. An assessment of sludge management is shown in the next practical part of the diploma thesis. For the evaluation sludge management were selected parameters a sludge solids, a loss on ignition, a sludge index, a sludge age and it was calculated efficiency of anaerobic stabilization. An analysis of these parameters evaluates a dependence of loss on ignition of dry matter in raw, stabilized and dewatered sludge, it assess the values of sludge index for excess and return sludge, it research the composition of the sludge water and finally it determines the calculation of age sludge and the efficiency of anaerobic stabilization. The evaluations of these parameters are summarized in the part that is called the results and discussion. For some parameters are mentioned recommendations for improvement. Key words: Sewage, indicators of pollution, chemical oxygen demand (COD), biological oxygen demand (BOD), total suspended solids (TSS), total nitrogen, total phosphorus, sewage treatment plants, sludge, anaerobic stabilization, loss on ignition, dry matter sludge, age sludge, sludge water

Obsah 1 ÚVOD... 11 2 CÍL PRÁCE... 12 3. LEGISLATIVA ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD... 13 3.1 Zákon č. 254/2001 Sb., o vodách... 13 3.2 Zákon č. 274/2001 Sb.... 13 3.3 Vyhláška Ministerstva zemědělství č. 428/2001 Sb.... 13 3.4 Nařízení vlády č. 61/2003 Sb... 14 3.5 Zákon č. 185/2001 Sb., o odpadech... 14 3.6 Vyhláška č. 382/2001 Sb.,... 15 3.7 Další legislativní opatření pro možnosti využití čistírenských kalů... 16 3.8 Směrnice Rady 91/271/EEC o čištění městských odpadních vod... 16 4 PRODUKCE ČISTÍRENSKÉHO KALU V ČESKÉ REPUBLICE... 17 5 OBECNÝ POPIS TECHNOLOGICKÉ LINKY ČOV... 20 5.1 Mechanické čištění... 20 5.2 Biologické čištění... 21 5.3 Kalové hospodářství... 22 6 KALOVÉ HOSPODÁŘSTVÍ ČISTÍREN ODPADNÍCH VOD... 23 6.1 Vznik kalu... 23 6.1.1 Primární kal... 23 6.1.2 Sekundární kal... 24 6.1.3 Chemický kal... 25 6.2 Složení a vlastnosti kalu... 25 6.3 Kritéria pro posouzení stabilizovanosti kalů... 26 6.4 Zpracování kalů... 27 6.4.1 Zahušťování kalu... 28 6.4.1.1 Gravitační zahušťování kalu... 28 6.4.1.2 Odstřeďování kalu... 29 6.4.1.3 Strojní zahušťování kalu... 29 6.4.2 Stabilizace kalu... 30 6.4.2.1 Aerobní stabilizace... 30 6.4.2.2 Aanaerobní stabilizace... 31 6.4.3 Bioplyn... 32 6.4.4 Hygienizace kalu... 33 6.4.5 Odvodnění kalu... 34 6.4.6 Způsoby využití kalů... 34 6.4.6.1 Zemědělství... 34 6.4.6.2 Kompostování čistírenských kalů... 35 6.4.6.3 Rekultivační využití kalů... 35 6.4.6.4 Spalování kalu... 36 7 POPIS ČOV HODONÍN... 38 7.1 Mechanické čištění... 38 7.2 Biologické čištění... 40 7.2.1 Kompresorová stanice... 41 7.2.2 Aktivační linka... 41 7.2.3 Regenerační nádrž kalu... 43 7.2.4 Dosazovací nádrže... 43 7.3 Kalové hospodářství... 43

7.3.1 Strojní zahuštění kalu... 44 7.3.2 Anaerobní stabilizace kalu... 45 7.3.3 Kompresorovna... 46 7.3.4 Uskladňovací nádrže... 46 7.3.5 Odvodnění stabilizovaného kalu... 47 7.3.6 Plynové hospodářství... 47 7.3.6.1 Plynojem... 47 7.3.6.2 Strojovna plynojemu... 48 7.3.6.3 Zařízení na odstranění bioplynu... 48 7.3.6.4 Využití bioplynu... 49 7.3.6.5 Plynové kotle... 49 7.3.6.6 Kogenerační jednotka... 50 8 MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ... 51 8.1 Charakteristika ukazatelů znečištění odpadních vod... 51 8.1.1 Chemická spotřeba kyslíku... 51 8.1.2 Biochemická spotřeba kyslíku... 52 8.1.3 Nerozpuštěné látky... 52 8.1.4 Celkový dusík... 53 8.1.5 Celkový fosfor... 53 8.2 Posouzení účinnosti čištění odpadních vod na ČOV Hodonín... 54 8.2.1 Účinnost odstraňování organických látek vyjádřená parametrem CHSK Cr... 54 8.2.2 Účinnost odstraňování organických látek vyjádřená parametrem BSK 5... 55 8.2.3 Účinnost odstraňování dusíku vyjádřená parametrem N celk... 56 8.2.4 Účinnost odstraňování fosforu vyjádřená parametrem P celk... 58 8.3 Rozbor dosažené podlimitní účinnosti ukazatelů znečištění odpadní vody... 59 8.3.1 Chemická spotřeba kyslíku... 61 8.3.2 Biochemická spotřeba kyslíku... 62 8.3.3 Nerozpuštěné látky... 63 8.3.4 Celkový dusík... 64 8.3.5 Celkový fosfor... 65 8.4 Charakteristika vybraných parametrů pro posouzení kalového hospodářství... 66 8.4.1 Sušina kalu... 66 8.4.2 Ztráta žíháním... 67 8.4.3 Kalový index... 67 8.4.4 Stáří kalu... 68 8.4.5 Kalová voda... 68 8.5 Posouzení kalového hospodářství ČOV Hodonín... 69 8.5.1 Hodnocení parametru sušiny čistírenského kalu... 69 8.5.2 Hodnocení parametru ztráta žíháním... 70 8.5.3 Závislost koncentrace organických látek na sušině surového čistírenského kalu... 71 8.5.4 Závislost koncentrace organických látek na sušině stabilizovaného kalu... 72 8.5.5 Závislost koncentrace organických látek na sušině odvodněného kalu... 73 8.5.6 Výpočet účinnosti anaerobního procesu... 74 8.5.7 Hodnocení účinnosti anaerobní stabilizace... 76 8.5.8 Hodnocení kalového indexu... 77 8.5.9 Stanovení stáří přebytečného kalu... 79 8.5.10 Hodnocení kalové vody... 80 9 VÝSLEDKY A DISKUZE... 83 9.1 Překročení přípustných koncentrací... 83

9.1.1 Doporučení pro parametr N celk... 85 9.1.2 Doporučení pro parametr P celk... 85 9.2 Vliv sušiny kalu na koncentraci organických látek stanovených jako ztráta žíháním... 85 9.3 Účinnost anaerobní stabilizace... 86 9.4 Kalový index... 87 9.4.1 Příčina vzniku vysokého kalového indexu... 88 9.5 Stáří přebytečného kalu... 88 9.6 Kalová voda... 89 10 ZÁVĚR... 91 11 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 93 12 SEZNAM OBRÁZKŮ... 96 13 SEZNAM TABULEK... 97 14 SEZNAM PŘÍLOH... 97 15 SEZNAM ZKRATEK... 98

1 ÚVOD Voda je jedna z nejdůležitějších složek životního prostředí. Proto je nutné ji chránit a v případě jejího znečištění zajistit odstranění znečišťujících látek. Čistírny odpadních vod jsou vodní díla, která se používají pro čištění odpadních vod z komunální a průmyslové sféry. Většina mechanicko-biologických čistíren odpadních vod napodobuje princip biologického čištění probíhajícího v povrchových vodách. Cílem každé čistírny odpadních vod je snížit v přiváděných odpadních vodách množství organických látek, především dusíku a fosforu, a odstranit patogenní mikroorganismy. Největší význam se přikládá odstraňování dusíku a fosforu, protože tyto nutriety způsobují eutrofizaci povrchových vod. Česká legislativní opatření stanovují minimální koncentrace dusíku a fosforu, které mohou být vypouštěny do povrchových toků po předchozím procesu čištění provedeném v čistírně odpadních vod. Přiváděné znečištění odpadních vod se v průběhu mechanicko-biologického čištění koncentruje do kalu, který se dále zpracovává v kalovém hospodářství čistírny odpadních vod. Tato diplomová práce se zaměřuje na posouzení kalového hospodářství vybrané čistírny odpadních vod, která také zajišťuje zpracování vznikajícího kalu. Zpracování kalu zahrnuje různé metody úprav kalu, pomocí kterých se snižuje množství nebezpečných látek, které mohou mít negativní vliv na životní prostředí a také na zdravotní stav obyvatelstva. Při posuzování kalového hospodářství nutné brát do úvahy také proces čištění odpadních vod, neboť přímo ovlivňuje produkci kalu. Z tohoto důvodu se tato diplomová práce nejdříve zabývá čištěním odpadních vod a teprve pak následuje posouzení kalového hospodářství. 11

2 CÍL PRÁCE Cílem této diplomové práce je posoudit kalové hospodářství na vybrané čistírně odpadních vod. Pro toto posouzení byla vybrána Čistírna odpadních vod Hodonín. Vznik kalu souvisí s procesem čištění odpadních vod. Z tohoto důvodu se diplomová práce nejdříve zabývá hodnocením procesu čištění odpadních vod a následně se zaměřuje na posouzení kalové hospodářství. Kvalita vypouštěných odpadních vod z ČOV Hodonín se hodnotí na základě ukazatelů znečištění CHSK Cr, BSK 5, NL, N celk a P celk. Pro posouzení kalového hospodářství byl proveden výběr parametrů sušina kalu, ztráta žíháním, kalový index a stáří kalu. Součástí je i hodnocení složení kalové vody vznikající v kalovém hospodářství. Na základě výpočtu úbytku organických látek ve stabilizovaném kalu bylo provedeno hodnocení účinnosti anaerobní stabilizace ČOV Hodonín. 12

3. LEGISLATIVA ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD Oblast čištění odpadních vod je podřízena právním předpisům z oblasti životního prostředí, a to zejména zákonu o odpadech a zákonu o vodách. K těmto dvou stěžejním právním předpisům přísluší další související právní předpisy (vyhlášky, nařízení vlády aj.). Následující přehled je zaměřen na legislativu, která souvisí s problematikou čištění odpadních vod a kalovým hospodářstvím. 3.1 Zákon č. 254/2001 Sb., o vodách Tento zákon se zaměřuje na ochranu povrchových a podzemních vod, dále stanovuje podmínky pro hospodaření s vodními zdroji, zajišťuje bezpečnost vodních děl v souladu s právem Evropských společenství atd. Čistírna odpadních vod (dále jen ČOV) se podle tohoto zákona považuje za vodní dílo ( 55, odst. 1, c)), v kterém dochází k čištění a následnému vypouštění odpadních vod do povrchových vod. Vlastník vodního díla je povinen dodržovat podmínky, za kterých bylo vydáno povolení, dále dodržovat provozní a schválený manipulační řád ( 59, odst. 1, a)). Náležitosti provozního a manipulačního řádu jsou uvedeny ve Vyhlášce č. 216/2011 Sb., o náležitostech manipulačních řádů a provozních řádů vodních děl. V průběhu čistírenského procesu vzniká kal, který se dále zpracovává. V provozním a manipulačním řádu se uvádí způsoby nakládání a zpracování kalu (SAGIT, 2011). 3.2 Zákon č. 274/2001 Sb. Tento zákon se zaměřuje na vodovody a kanalizace pro veřejnou potřebu a upravuje vztahy, které vznikají při rozvoji, výstavbě a provozu vodovodů a kanalizací určených pro veřejnou potřebu, včetně přípojek. Dále vymezuje působnost orgánů územních samosprávních celků a správních úřadů (SAGIT, 2011). 3.3 Vyhláška Ministerstva zemědělství č. 428/2001 Sb. Tato vyhláška je zaměřena na vodovody a kanalizace pro veřejnou potřebu a je prováděcím právním předpisem k Zákonu č. 274/2001 Sb., o vodovodech a kanalizacích. Vymezuje základní pojmy jako např. vodovodní a přiváděcí řad, 13

kanalizační stoka aj. Dále stanoví rozsah a způsob zpracování plánu rozvoje vodovodů a kanalizací, povinnosti vlastníků vodovodů a kanalizací, provozní evidenci, náležitosti žádosti o povolení provozování vodovodu a kanalizace aj., Příloha č. 10, část 4 je věnována kalům z provozu čistírny odpadních vod. V prvním bodě je vyčleněn seznam ukazatelů určených pro laboratorní rozbor kalu, který se bude dále využívat (např. rizikové prvky olovo, kadmium, rtuť aj., ph, sušina, organické kontaminanty, mikrobiologičtí ukazatelé). V druhém bodě jsou uvedeny ukazatelé pro rozbor kalu využívajícím se pro jiné účely než v prvním bodě. Tabulka č. 3, této přílohy, určuje minimální četnost analýz kalu za rok. Počet jeho rozborů se zvyšuje dle zvyšujícího se počtu ekvivalentních obyvatel připojených na čistírnu. U ČOV, které mají více, jak 5000 ekvivalentních obyvatel (dále jen EO) se provádí rozbor organických kontaminantů a mikrobiologických ukazatelů minimálně jedenkrát ročně. Poslední změna byla provedena Vyhláškou č. 120/2011 Sb., (eagri, 2011). 3.4 Nařízení vlády č. 61/2003 Sb. Jedná se o důležitý právní předpis, který byl několikrát novelizován. Nejnovější platné znění je z roku 2011, tj. Nařízení vlády č. 23/2011 Sb. Toto nařízení v souladu s právem Evropské unie stanovuje např. ukazatele, kteří vyjadřují stav vody ve vodním toku, ukazatele a hodnoty přípustného znečištění povrchových a odpadních vod, ukazatele a hodnoty přípustného znečištění povrchových vod využívaných ke koupání, vymezuje citlivé oblasti aj., (eagri, 2011). 3.5 Zákon č. 185/2001 Sb., o odpadech Při provozu čistírny odpadních vod vznikají odpady, se kterými původce odpadu nakládá v souladu s tímto právním předpisem. Původce odpadu má povinnost zařazovat odpady podle druhů a kategorií dle Vyhlášky č. 381/2001 Sb., kterou se stanoví Katalog odpadů, Seznam nebezpečných odpadů, atd. Katalogové číslo kalu je 19 08 05 a je zařazován do kategorie ostatní, i když může vykazovat nebezpečné vlastnosti, např. infekčnost a schopnost uvolňovat nebezpečné látky do životního prostředí (SAGIT, 2011). 14

Z hlediska zákona o odpadech je kal z čistíren odpadních vod vybraným odpadem. Podle 32 se pod pojmem kal rozumí: 1. kaly z čistíren odpadních vod, které zpracovávají městské nebo odpadní vody z domácností a z jiných čistíren odpadních vod, které zpracovávají odpadní vody stejného složení jako městské odpadní vody a odpadní vody z domácností, 2. kal ze septiků a jiných podobných zařízení, 3. kal z čistíren odpadních vod výše neuvedených (SAGIT, 2011). Další pojmy podle tohoto zákona: 1. Upravený kal je kal, který byl podroben biologické, chemické nebo tepelné úpravě, dlouhodobému skladování nebo jakémukoliv jinému vhodnému procesu tak, že se významně sníží obsah patogenních organismů v kalech, a tím zdravotní riziko spojené s jeho aplikací. 2. Použití kalu zapracování kalu do půdy, v 33 se stanoví povinnosti při používání kalů a je zde vyčleněn seznam lokalit, na kterých je použití kalů zakázáno. Ministerstvo životního prostředí ve spolupráci s Ministerstvem zemědělství a zdravotnictví stanoví Vyhláškou č. 382/2001 Sb., v platném znění, podmínky, za kterých je možné používání upravených kalů na zemědělské půdě, (SAGIT, 2011). 3.6 Vyhláška č. 382/2001 Sb., o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě, v platném znění pozdějších předpisů. Použití kalů na zemědělské půdě je podmíněno touto vyhláškou, která stanoví: technické podmínky použití upravených kalů na zemědělské půdě 1 mezní hodnoty koncentrací vybraných rizikových látek v půdě a rizikových látek, které mohou být do zemědělské půdy přidány - 2, mezní hodnoty koncentrací vybraných rizikových látek a prvků v kalech a mikrobiologická kritéria použití kalů na zemědělské půdě - 3 postupy odběru vzorků kalů a půdy a metody analýzy kalů a půdy - 4 obsah programu použití kalů na zemědělskou půdu - 5 15

Součástí této vyhlášky jsou i přílohy. V příloze č. 3 jsou uvedeny mezní hodnoty koncentrací vybraných rizikových látek a prvků. Mikrobiologická kritéria, která určují použití kalů na zemědělské půdě, stanoví příloha č. 4 této vyhlášky. Poslední aktualizace této vyhlášky proběhla v roce 2005 a to Vyhláškou č. 504/2004 Sb., (eagri, 2004) 3.7 Další legislativní opatření pro možnosti využití čistírenských kalů Čistírenský kal může být dále využíván v následujících oblastech: a) Energetika kal může být využíván jako surovina pro výrobu elektrické energie, podrobnosti tohoto způsobu využití upravuje Vyhláška č. 482/2005 Sb., o stanovení druhů, způsobů využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy, v platném znění pozdějších předpisů. b) Hnojiva pokud se čistírenský kal využívá jako hnojivo, řídí se tento způsob použití kalu Zákonem č. 156/1998 Sb., o hnojivech, pomocných půdních látkách, pomocných rostlinných přípravcích a substrátech a o agrochemickém zkoušení zemědělských půd, a Vyhláškou č. 474/2000 Sb., o stanovení požadavků na hnojiva, v platném znění pozdějších předpisů. c) Komposty kaly určené na výrobu průmyslových kompostů podléhají požadavkům české státní normy (Průmyslové komposty ČSN 465735), (LYČKOVÁ B., 2008) 3.8 Směrnice Rady 91/271/EEC o čištění městských odpadních vod Požadavkem této směrnice je zajistit ochranu životního prostředí před nepříznivými účinky vypouštěných odpadních vod. Tohoto cíle se má dosáhnout prostřednictvím členských států, které zajistí, aby byly všechny aglomerace vybaveny stokovými sítěmi městských odpadních vod, a to do stanoveného termínu. Česká republika vyjednala dva termíny, tzv. přechodná období (31.12.2006 a 31.12.2010) pro implementaci této směrnice do české legislativy a pro splnění jejího cíle. Vláda České republiky pravidelně aktualizuje Konkrétní seznam aglomerací, v němž jsou uvedeny aglomerace 16

splňující požadavky Směrnice, dále aglomerace, které musí být ve stanoveném přechodném období dořešeny a aglomerace, které nemají připravené žádné projekty. Počet aglomerací v ČR, které je nutno dořešit v rámci požadavků na čištění městských odpadních vod uvádí Tab. 1. Aglomerace Počet aglomerací 2010 Tab. 1 Přehled aglomerací Počet vyřešených aglomerací Počet aglomerací, které je nutno vyřešit Počet aglomerací v realizaci Počet aglomerací, které nemají zahájenou realizaci > 10 000 ΕO 156 100 10 46 2 000 10 000 EO 477 280 51 146 Celkem 633 380 61 192 < http://eagri.cz/public/web/file/71964/aktualizace_strategie_2010.pdf> Poslední aktualizace proběhla 11. srpna 2010. Z Tab. 1 vyplývá, že zbývá ještě 192 aglomerací, u kterých není zahájena realizace na opatření pro splnění požadavků Směrnice. Do konce přechodného období, tj. do konce roku 2010 nebylo však možné dokončit či zahájit realizace projektů u těchto zbývajících aglomerací (eagri, 2009). 4 PRODUKCE ČISTÍRENSKÉHO KALU V ČESKÉ REPUBLICE Čistírenský kal vzniká na při procesu čištění odpadních vod. Množství vzniklého kalu závisí na použité technologii, na typu kanalizační sítě, na množství znečištění přiváděného na čistírnu a dalších faktorech. Znečišťující látky, které jsou obsaženy ve vodě, se koncentrují do kalu vznikajícího v různých stupních čištění. Jedná se o mechanický stupeň probíhající především v usazovacích nádržích, a biologický stupeň odehrávající se v aktivační nádrži. Čistírenský kal obsahuje jak anorganické, tak i organické látky, popř. může být zdrojem patogenních mikroorganismů. Z tohoto důvodu je nutné zajistit takové zpracování kalů, které zabrání možnému poškození životního prostředí a je navíc ekonomicky únosné, neboť náklady na kalové hospodářství čistíren odpadních vod představuje až 40% celkových investic (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). Přísnější požadavky legislativy na kvalitu vyčištěné odpadní vody a požadavky Evropské unie na dovybavení aglomerací čistírnami odpadních vod v České republice 17

budou nadále ovlivňovat produkci kalů. Předpokládá se zvyšující trend v produkci kalů. Evropská unie potlačuje ukládání biologicky rozložitelného odpadu na skládky. Je nutné tedy hledat jiné možnosti nakládání s kalem. Nabízí se využití v zemědělství jako přísada do kompostu. Kal, který byl podroben stabilizaci, má sníženou reaktivitu a proto se míchá s dalším organicky reaktivním materiálem, např. kejdou. Takto připravená směs se využívá na výrobu kompostu (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). Další možností je spalování kalů ve spalovnách komunálního odpadu nebo spoluspalování např. v cementárnách. V souvislosti s již zmíněnou Směrnicí Rady 91/271/EEC o čištění městských odpadních vod, došlo v České republice k budování nových ČOV nebo intenzifikaci stávajících čistíren. Vývoj narůstajícího počtu ČOV je znázorněn v Obr. 1 modrou křivkou v období od roku 2002 do roku 2010. Z Obr. 1 je zřejmé, že v průběhu těchto let došlo k výrazné změně v počtu ČOV. Pokud porovnáme rok 2002 a 2010, můžeme konstatovat, že se počet ČOV zvýšil téměř o dvojnásobek. Celkový počet ČOV datovaný ke konci roku 2010 byl 17 163. V současné době může být počet ČOV vyšší. V Obr. 1 je dále zobrazen vývoj produkce kalu uvedený v megagramech sušiny. Jednotlivé sloupce znázorňují kolísání vyprodukovaného kalu. Z tohoto obrázku můžeme zaznamenat, že v roce 2002 bylo vyprodukováno největší množství sušiny kalu, které činilo 211 364 Mg. V dalších letech, tj. 2003-2010 je průběh vzniku kalu kolísavý, spíše mírně klesající. Jeho hodnota se pohybovala kolem 180 000 Mg sušiny za rok. Celková produkce čistírenského kalu v letech 2002 2010 činila 1 604 434 Mg. Předpokládá se, že v následujících letech množství kalu i nadále poroste. Použitá číselná data jsou uvedeny v Příloze č. 1. 18

Obr. 1 Produkce kalů a počet ČOV v České republice Následující Obr. 2 znázorňuje možnosti nakládání produkovaného čistírenského kalu v období od roku 2002 do roku 2010. Mezi nejčastější způsoby patří kompostování, přímá aplikace na zemědělskou půdu, skládkování, spalování a jiné. Nejvíce využívaným způsobem nakládání je kompostování, kterým se zpracovalo zhruba padesáti procentní množství vyprodukovaného kalu. Z Obr. 2 je však viditelný pokles kompostování čistírenského kalu. Dalším způsobem je přímá aplikace kalu na zemědělskou půdu, která zaznamenala v posledních letech mírně zvyšující trend. Tento způsob využití kalu má pozitivní vliv na zemědělskou půdu. Obsahuje živiny a organické látky, které doplňují narušenou rovnováhu organické hmoty. Ukládání čistírenského kalu na skládky znázorňuje žlutá křivka. Jedná se o nejméně vhodný způsob nakládání. V posledních letech se ale od tohoto způsobu nakládání upouští. Jedním z hlavních důvodů jsou požadavky Evropské unie, která se snaží o omezení ukládání biologicky rozložitelného odpadu na skládky. Jiným důvodem může být přechod na jinou formu využití kalu, např. spalování kalu, což je patrné z průběhu černé křivky v Obr. 2. Mírný nárůst v oblasti spalování je důkazem, že dochází k častějšímu využití energetického potenciálu čistírenského kalu. Většinou se jedná o kal obsahující těžké kovy nebo jiné toxické látky, které zabraňují použití kalu na zemědělskou půdu nebo pro kompostování. Existují různá spalování kalu. Tyto metody budou nadále rozebrány v následující kapitole. Použitá číselná data k tomuto rozboru uvádí Příloha č. 1. 19

Obr. 2 Způsoby nakládá s kalem v České republice 5 OBECNÝ POPIS TECHNOLOGICKÉ LINKY ČOV Čištění odpadních vod je důležitý technologický proces, který se řídí legislativními požadavky, jež určují kvalitu vypouštěných odpadních vod. Každá čistírna je specifickou stavbou reagující na charakter dané lokality, místní kanalizační systém, množství znečištění v odpadní vodě a jiné aspekty ovlivňující dimenzování čistíren. Technologická linka ČOV je tvořena z mechanického a bilogického stupně čištění a kalového hospodářství. U některých ČOV se za biologickou část zařazuje terciální stupeň čištění. Následuje podrobnější popis jednotlivých částí technologické linky. 5.1 Mechanické čištění Hlavním cílem mechanického čištění je odstranit nerozpuštěné látky, které jsou stokovou sítí přiváděny na ČOV. Prvním zařízením na čistírně odpadních vod je lapák štěrku. Jedná se o rozšířený a prohloubený přítokový žlab, v němž dochází ke snížení rychlosti proudění, čímž se docílí sedimentace hrubých nerozpuštěných částic na dno žlabu. Sediment je ze dna žlabu vytěžen a dopraven do pračky štěrku, která dokáže oddělit štěrk, tj. částice nad 35 mm, od organického podílu. Organický podíl je vrácen zpět do čistícího procesu. Za lapákem štěrku následují hrubé a jemné česle určené pro 20

zachycení plovoucích nečistot, které jsou po odstranění z odpadní vody nazývány shrabky. Jedná se např. o větve, zbytky jídel, exkrementů aj. Stírání česlí může být ruční nebo strojní. Shrabky mohou být zpracovávány na lisu shrabků, jehož další funkcí může být propírání shrabků. Tímto procesem se snižuje organický podíl ve shrabcích. Lapáky písku jsou obvykle instalovány za česlemi. Toto zařízení umožňuje odstranit nerozpuštěné částice o velikosti 0,2 mm 0,25 mm, které se pak dále z lapáku písku těží a propírá tlakovou vodou v separátoru nebo pračce písku. Za lapákem písku následují usazovací nádrže, objekty určené k sedimentaci nerozpuštěných anorganických i organických částic o velikosti menší než 0,2 mm. Se sedimentací současně probíhá i stírání plovoucích nečistot z hladiny usazovací nádrže. Sediment a plovoucí nečistoty tvoří tzv. primární kal. Sušina tohoto kalu je tvořena organickými látkami (75 %) a anorganickými látkami (25 %). Z procentruálního množství anorganických látek je 5 % tvořeno dusíkem a 1 % fosforem. Vysoké procento organických látek způsobuje, že je primární kal vysoce reaktivní, a podléhá rychlému zahnívání způsobeným acedogenními procesy. Tato vlastnost způsobuje problémy při jeho zpracování. Primární kal je základní surovinou pro výrobu bioplynu na ČOV (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 5.2 Biologické čištění Odpadní voda zbavená nerozpuštěných látek v primárním stupni čištění je přiváděna do dalšího stupně čištění. Biologické neboli sekundární čištění probíhá většinou v aerobních podmínkách. Odpadní voda obsahuje organické látky představující organické znečištění, které se odstraňuje prostřednictvím mikroorganismů. Při jejich činnosti dochází ke vzniku biochemických procesů vedoucích k rozkladu organického znečištění. Celý proces biologického čištění probíhá v aktivačním systému. V aktivační nádrži se udržuje určitá koncentrace kalu tvořeného mikroorganismy, které pomocí svého metabolismu za aerobních podmínek rozkládají organické látky na oxid uhličitý a vodu. Tímto způsobem získávají energii potřebnou pro svůj růst, což je příčinou zvyšování jejich koncentrace v systému. Mikroorganismy se spojují do větších celků, tzv. vloček, které jsou schopny sedimentovat. Vločky vytváří, nám již známý, kal. Aby proces správně fungoval, je nutné, pravidelně z aktivačního systému kal odebírat. Tímto 21

způsobem je zajištěna požadovaná koncentrace kalu. Odebíraný kal je nazýván přebytečným (sekundárním) kalem a dále se zpracovává v kalovém hospodářství. Aerobní prostředí v aktivační nádrži je zajištěno pomocí provzdušňovacího zařízení. Dmýchárna slouží pro výrobu vzduchu, který se dopravuje do aktivační nádrže. U dna této nádrže se nachází potrubí z kterého bublinky vzduchu unikají až k hladině. Tímto způsobem jsou zajišťovány aerobní podmínky v aktivačních nádržích. K provozně nejdůležitějším objektům ČOV patří dosazovací nádrže. V nich dochází k separaci vyčištěné odpadní vody od aktivovaného kalu. Další důležitou funkcí dosazovací nádrže je zahušťování odsazeného kalu na požadovanou koncentraci a v případě, že dojde v aktivaci ke zvýšenému průtoku zajišťuje dosazovací nádrž akumulaci aktivovaného kalu takovým způsobem, aby nedocházelo k jeho vyplavování ze systému. Požadovaná koncentrace kalu v aktivační nádrži se zajišťuje pomocí recirkulace kalu z dosazovací do aktivační nádrže. Tomuto kalu se říká vratný kal. Po mechanicko-biologickém čištění následuje u některých ČOV terciální čištění. Z hlediska terminologie je pojem terciální čištění chápán jako dočištění odpadních vod za dosazovací nádrží, k němuž se používá např. filtrace, chemické nebo biologické dočišťování aj. Evropská legislativa vysvětluje pojem terciální čištění ve směrnici 91/271/EEC jako biologické odbourání nutrientů dusíku a fosforu v aktivačním systému. Je proto nutné uvědomit si tento rozdíl a správně ho i používat. Poté co vyčištěná odpadní voda prošla terciálním čištěním se vypouští do povrchového odtoku (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 5.3 Kalové hospodářství Kalové hospodářství je představuje samostatný technologický stupeň a je nezanedbatelnou součástí každé ČOV. Obvykle zahrnuje následující procesy: Zahuštění kalu Stabilizace kalu Odvodnění kalu Hygienizace kalu Tyto výše uvedené operace budou podrobněji popsány v následující kapitole. 22

6 KALOVÉ HOSPODÁŘSTVÍ ČISTÍREN ODPADNÍCH VOD 6.1 Vznik kalu Vznik čistírenského kalu je podmíněn procesem čištění odpadních vod. Kal představuje směsici suspendovaných pevných látek a agregovaných koloidních látek, které jsou součástí odpadní vody přiváděné na čistírnu. V průběhu čištění se tyto látky separují z odpadní vody v různých částech čistírny. Podle místa, kde kal vzniká nebo procesu, ho označujeme jako primární, sekundární nebo chemický (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 6.1.1 Primární kal Jak již bylo uvedeno v předešlé kapitole tento druh kalu vzniká v mechanickém stupni čištění, v usazovací nádrži, která je předřazena biologickému čištění. Primární kal tvořený organickými a anorganickými látkami, které jsou uvedeny v Tab. 2, sedimentuje u dna usazovací nádrže. Jeho produkce značně kolísá, při účinnosti sedimentace 70 % v usazovací nádrži se produkce kalu pohybuje v rozpětí hodnot od 35 g do 54 g za den (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). Tab. 2 Složení primárního kalu Parametr Obsah ve hmotnostních % Tuky (extrahované látky) 5,7 44,0 Bílkoviny 19,0 28.0 Celulosa, hemicelulosy, lignin 12,8 25,4 Huminové kyseliny do 4,0 N celk 2,0 4,5 P celk 0,5 2,1 Fe 2,1 3,5 Al 1,3 2,5 Anorganická složka celkem 25,0 30,0 (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008) 23

Základní vlastnosti primárního kalu jsou: vysoká reaktivita, anaerobní prostředí, dobré sedimentační vlastnosti septické vlastnosti, tj. vysoký obsah patogenů. Vysoká reaktivita je způsobena značným obsahem organických látek a mikroorganismů, prostřednictvím kterých vznikají biochemické rozkladné reakce, a to především acedogenní procesy probíhající v anaerobním prostředí, což je důsledkem další charakteristické vlastnosti primárního kalu. Dobré sedimentační vlastnosti kalu se využívají při volbě technologie zahušťování. Snížení vysokého obsahu patogenů v primárním kalu je řešeno pomocí anaerobní stabilizace, která bude podrobněji popsána (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 6.1.2 Sekundární kal Vznik sekundárního (přebytečného) kalu probíhá při biologickém čištění odpadních vod a separuje se v dosazovacích nádržích. Produkce sekundárního kalu se pohybuje kolem 25 g 39 g sušiny za den na EO. Mezi faktory, které ovlivňují produkci tohoto kalu patří: přítomnost primární sedimentace, technologická koncepce biologického stupně, stáří kalu, teplota vody, zatížení kalu, chemické srážení fosforu, účinnost dosazovací nádrže. Chemické složení sekundárního kalu se od primárního liší. Je to dáno tím, že jeho složení je závislé na stáří kalu, na obsahu veškerých organických látek, které se stanoví jako ztráta žíháním. Tento parametr je důležitý z hlediska ovlivňování způsobu provozu čistírny odpadních vod. 24

Koncentraci sušiny sekundárního kalu ovlivňuje typ dosazovací nádrže, látkové zatížení jejího povrchu, recirkulační poměr aj. Důležitý parametr je i kalový index, který vyjadřuje sedimentační vlastnosti kalu. Sekundární kal je na rozdíl do primárního méně reaktivní, a má horší sedimentační vlastnosti (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 6.1.3 Chemický kal Chemický kal vzniká srážecími reakcemi používanými pro snížení obsahu fosforu ve vyčištěné odpadní vodě, nebo kalové vodě. Využívá se i pro zlepšení sedimentačních vlastností aktivovaného kalu. Chemický kal je součástí buď primárního nebo sekundárního kalu, záleží na místě, kde se srážecí činidlo aplikuje. Pokud se jedná o terciální stupeň čištění odpadních vod, pak vzniká samostatný chemický kal. Chemické složení a aplikace srážedel ovlivňuje produkci chemického kalu. Srážení fosforu se provádí pomocí nadbytku soli Fe 3+ nebo Al 3+. Dávka srážedla se určuje podle požadované zbytkové koncentrace fosforu, tj. pro Pcelk je požadovaná hodnota 1,0 mg/l na odtoku. Složení chemického kalu závisí na použité sloučenině, např. může obsahovat směs ortofosforečnanů, železa, hliníku aj. Z technologického hlediska však není složení chemického kalu tolik důležité. Vlastnosti chemického kalu jsou důležité pouze u kalu vzniklého odděleným srážením. Doba zrání sraženiny, množství zachyceného organického materiálu a chemické vlastnosti kationtu ovlivňují vlastnosti kalu. Sedimentační schopnost chemického kalu je špatná (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 6.2 Složení a vlastnosti kalu Složení kalu závisí na povaze znečištění odpadních vod, dále na technologickém způsobu jejich čištění, např. použití kombinace mechanicko-biologického čištění, fyzikálně chemické čištění nebo dočištění aj. Kal je tvořen suspenzí pevných a koloidních částic, organických a anorganických látek. Obecné složení kalu je následující (VŠCHT, 2007): 25

Netoxické organické látky, mohou dosahovat až 60% v sušině Sloučeniny dusíku a fosforu Těžké kovy: Zn, Pb, Cu, Cr, Ni, Cd, Hg, As, (koncentrace 1 1000 mg/l) PCB, polyaromatické uhlovodíky (PAU), dioxiny, pestidy, polyfenoly aj. Mikroorganismy termotolerantní koliformní bakterie, viry, enterokoky Organismy houby (plísně, kvasinky) a jejich spory, živočichové (roztoči, červi), vajíčka helmintů aj. Anorganické sloučeniny křemíku, hliníku, železa, vápníku a hořčíku Vodu Další možné vlastnosti kalu, podle skupin, provozního využití a různých stanovení, jsou uvedeny v Příloze č. 2. Formy vody v čistírenském kalu podle (VŠCHT, 2007): Voda se v kalu vyskytuje v různých formách: Volná voda lze ji odstranit sedimentací nebo filtrací, neváže se na žádné částice, představuje nejčastěji se vyskytující formu v kalu Kapilární voda je vázána kapilárními silami v mezerách, popř. mezi vločkami, lze ji částečně odstranit tlakovou filtrací (kalolisy) Povrchová voda voda vázaná na povrchu částic prostřednictvím adsorpčních sil, nejde použít mechanické odstraňování, pouze termické Vázaná voda tzv. molekulová nebo buněčná voda, vyskytuje se uvnitř buněk nebo je chemicky vázaná v molekulární struktuře kalových částic, odstraňování pouze termicky 6.3 Kritéria pro posouzení stabilizovanosti kalů Jak uvádí (LYČKOVÁ B., 2008) lze kritéria rozdělit do tří skupin: 1) přímé globální (toxicita, infekčnost, zápach) 2) nepřímé charakterizující (obsah organických látek ztráta žíháním, množství odstraněných organických látek, TOC, CHSK, BSK, respirační rychlost, produkce bioplynu, ATP, enzymové aktivity, mikrobiologie aj.) 3) doplňující odvodnitelnost, viskozita, kalorická hodnota 26

Nejdůležitejším faktorem pro posouzení kalu je množství a kvalita organických látek, které se v něm nachází. Další základní faktory a metody jejich měření jsou uvedeny v Příloze č. 3. 6.4 Zpracování kalů Čistírenské kaly představují 1 % 2 % objemu čištěných odpadních vod, v kterých se však koncentruje 50 % 80 % původního znečištění. Z celkových vynaložených nákladů na provoz čistírny připadne 40 % 50 % nákladů na provoz kalového hospodářství (VŠCHT, 2007). Dříve bylo kalové hospodářství opomíjeno. Dnes je mu věnová pozornost především pro možnost uspoření nákladů při zpracovávání kalů a také při jejich následném odstranění. Zpracování kalů zahrnuje sled technologických postupů (Obr. 3), které v souladu s platnou legislativou zajišťují plnění kritérií umožňující použití kalů v zemědělství nebo v jiné oblasti využívající kal jako surovinu. Zpracování kalu můžeme rozdělit na následující operace: 1. Zahušťování 2. Stabilizace 3. Hygienizace 4. Odvodňování 5. Způsoby využití kalů 27

primární sedimentace aktivace sekundární sedimentace A B A primární kal D D B recyklace aktivovaného kalu E D kalová voda bioplyn metanizace (stabilizace) D C odvodnování C zahuštování prebytecný aktivovaný kal F do zemedelství G na skládku H spalování E D kalová voda Obr. 3 Obecné schéma čistírny odpadních vod s kalovým hospodářstvím <web.vscht.cz/starad/cov_skripta_kal_hosp.doc> Legenda k Obr. 3: A sedimentace, B stabilizace, C zahušťování a odvodňování, D čerpání kalu, E čerpání kalové vody, F, G, H využití kalu 6.4.1 Zahušťování kalu Tento první technologický proces má velký význam z hlediska limitování investičních nákladů na zpracování kalu a následně na jeho odstranění. Cílem je zvýšit koncentraci tuhých látek v kalu a snížit jeho celkový objem. Optimální hodnota zahuštění představuje koncentraci sušiny kalu od 4,5 do 6 hmotnostních procent. Nejčastěji se používají tyto způsoby jsou gravitační a strojní zahušťování kalu (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 6.4.1.1 Gravitační zahušťování kalu Tento způsob zahušťování kalu se uplatňuje u ČOV s primární sedimentací, kdy pomocí gravitace se kal zahušťuje v kalových prohlubních usazovacích nádrží. Optimální hodnoty zahuštění u primárního kalu se pohybují v rozmezí 3,5 4,5 hmotnostních procent. Hodnoty menší než 3,5 hmotn. % jsou podprůměrné, hodnoty 28

nad 4,5 hmotnostních procent jsou zase nadprůměrné. Při dosahování optimálního hodnoty zahuštění by se mělo přihlédnout ke specifickým vlastnostem kalu a technické vybavenosti provozu ČOV (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). Zahušťování sekundárního kalu závisí na zvoleném způsobu stabilizace. Při anaerobní stabilizaci kalu je nutné nejdříve kal předzahustit v zahušťovacích jímkách, v nichž se zároveň provádí odběr odsazené vody. Pro tuto operaci by měl být zpracován pevný provozní režim (PYTL V. a kol., 2004). 6.4.1.2 Odstřeďování kalu Tento proces se také řadí do gravitační technologie zahušťování kalu. Využívá se často u velkých ČOV. Stupeň zahuštění závisí na vlastnostech zahuštěného kalu, u přebytečného kalu stupeň zahuštění ovlivňuje kalový index. Dosažená sušina u přebytečného kalu je 3 % 6 %. Pomocí flokulantů lze zvýšit účinnost zahuštění v odstředivce u sekundárního kalu na 4 % 6,5 %. Z ekonomických důvodů se tento postup využívá málo (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 6.4.1.3 Strojní zahušťování kalu Ke strojnímu způsobu zahušťování kalu patří např. sítové zahušťovače, tlaková flotace aj. Sítopásové zahušťovače se používají k zahušťování kalu společně s organickým flokulantem. Jeho množství závisí na charakteru kalu, dávka flokulantu se pohybuje v rozmezí 3 g/kg 6 g/kg sušiny. Princip spočívá ve filtraci kalu s přídavkem flokulantu na sítech. Filtrát protéká sítem a odvádí se do čistícího procesu, zahuštěný kal se na konci zařízení odebírá. Aby nedocházelo k ucpávání síta je nutné je ostřikovat vodou o vysokém tlaku 0,4 MPa 0,6 MPa. Tímto způsobem se dosahuje zahuštění kalu v rozmezí od 5 % do 6%. Existují různé provedení sít, např. horizontální nebo rotační sítové zahušťovače. Jejich volba závisí na požadované sušině a na jejich výkonu (PYTL V. a kol., 2004). Tlaková flotace je moderní metoda zahušťování kalu. Její výhodou je, že účinnost zahušťování není příliš ovlivněna vlastnostmi kalu. Lze ji použít pro zahuštění přebytečného, primárního a chemického kalu. Tlaková flotace se dimenzuje pomocí látkového zatížení pracovního objemu flotační jednotky za stanovený čas. Pro zatížení 29

pracovního objemu kalem se doporučuje hodnota od 0,5 kg do 2,5 kg sušiny na m 3 za hodinu (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 6.4.2 Stabilizace kalu Stabilizace kalu upravuje konečné vlastnosti kalu takovým způsobem, že nedochází k jeho samovolnému rozkladu, nezapáchá a nepoškozuje životní prostředí. Princip stablizace spočívá ve snížení podílu snadno organicky rozložitelných složek kalu a také dochází ke snížení obsahu patogenních mikroorganismů. K tomu se využívají různé biochemické postupy. Doba potřebná ke stabilizaci kalu závisí na použité metodě. Existují dvě základní metody pomocí níž, lze dosáhnout stablizace kalu: aerobní anaerobní Tyto výše uvedené způsoby stabilizace mohou být zároveň i metody hygienizace kalu. V praxi by se mělo při určení stabilizace přihlížet také k tomu, jak se bude se stabilizovaným kalem dále nakládat (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 6.4.2.1 Aerobní stabilizace Aerobní stabilizace využívá biochemických reakcí. Přebytečný kal je shromažďován odděleně v aeračních nádržích po dobu nejméně 35 dní, přičemž koncentrace kyslíku dosahuje hodnot 0,5 1,5 mg/l. Pro dosažení těchto podmínek se používá přerušovaná středněbublinová aerace. Výkon dmychadel je navržen tak, že zároveň zajišťuje promíchávání nádrže. Tento způsob stabilizace se doporučuje pro ČOV s 50 25 000 EO. Je to jednoduchý způsob stabilizace, ale musí se počítat s náklady na aeraci (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). Autotermní aerobní termofilní stabilizace Jedná se o obdobný způsob aerobní stabilizace, ale s využitím biochemických pochodů probíhajících v termofilních aerobních podmínkách. Označuje se jako metoda AATS nebo ATAS. Proces probíhá v tepelně izolované nádrži, v tzv. reaktoru, v němž probíhá oxidace organické hmoty. Při oxidaci se uvolňuje teplo, které zahřívá obsah reaktoru na teplotu 55 60 C. Na této teplotě se kal udržuje po dobu, než je dosažena 30

stabilizace. Tuto metodu stabilizace kalu lze využít pro ČOV 5000 60 000 EO (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 6.4.2.2 Aanaerobní stabilizace V České republice je to nejvyužívanější metoda stabilizace. Využívá biochemických procesů zajišťujících rozklad organické hmoty v prostředí, kde není přítomen kyslík. V takovýchto podmínkách vzniká žádoucí produkt bioplyn, který se dále využívá pro výrobu elektřiny. Technologické parametry procesu anaerobní stabilizace a režim jeho provozu zásadně ovlivňuje typ kalu (směsný surový kal nebo přebytečný aktivovaný kal). K anaerobní stabilizaci se řadí následující metody: Kryofilní metoda využívá biochemických procesů, které probíhají při běžné teplotě v okolí reaktoru (6 C 20 C). Za těchto podmínek probíhá rozklad biomasy a vzniká metan. Doba anaerobní stabilizace je 60 90 dní. Dříve se tato stablizace často využívala u malých ČOV. Pro stablizaci a uskladnění se používaly tzv. štěrbinové nádrže, z kterých se bioplyn nejímal, ale volně unikal do atmosféry, což je v dnes již nepřijatelné. V současné době se od tohoto způsobu stabilizace upouští (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). Mezofilní patří k nejrozšířenějším a technologicky nejpropracovanějším metodám stabilizace kalu. Provozní teplota je 31 C 42 C. Látkové zatížení anaerobního reaktoru je 0,5 kg 1,5 kg na m 3 za den organické sušiny. Doba zdržení v reaktoru je 20 30 dní (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). Tento druh stabilizace patří mezi složité procesy, probíhá v několika stupních a je ovlivněna provozní teplotou, složením surového kalu a provozními podmínkami. Anaerobní rozklad probíhá v těchto fázích: 1. fáze - Hydrolýza rozpuštěných a nerozpuštěných makromolekulárních látek (polysacharidy, proteiny, lipidy) na nízkomolekulární, které jsou rozpustné ve vodě a transportují se dovnitř fermentačních bakterií. 31

2. Fáze - Acidogeneze, v této fázi se produkty z hydrolýzy rozkládají na jednoduché organické sloučeniny (alkoholy, amíny, CO 2, H 2 O). 3. Fáze Acetogeneze, dochází k oxidaci vyšších produktů z druhé fáze na kyselinu octovou, CO 2 a H 2, začíná vznikat metan. 4. Fáze Metanogeneze, nejnižší organické sloučeniny jsou rozkládány (kromě kyseliny octové a sloučenin s jedním atomem uhlíku v molekule) pomocí metanogenních mikroorganismů na CO 2 a H 2 O. Termofilní stabilizace probíhá za teplot 45 C 60 C. Při termofilní anaerobní stabilizaci dochází k vyššímu stupni rozkladu organické hmoty. Tato metoda klade vyšší nároky na energii pro ohřev reaktoru. Častou praxí na ČOV je, že termofilní reaktor se používá jako první stupeň stabilizace, druhý reaktor pracuje v mezofilním režimu. Tímto způsobem se odstraní některé nevhodné vlastnosti kalové vody a stabilizovaného kalu, které vznikají při použití termofilní anaerobní stabilizace. (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008) Chemická tato stabilizace v krátké době zabraňuje samovolnému rozkladu kalu. Nejznámější látka používající se pro chemickou stabilizaci je pálené vápno (CaO). Při této metodě však znovu dochází k obnově rozkladných procesů. Je to z důvodu poklesu ph a působením vzdušného oxidu uhličitého (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). Další způsob chemické stabilizace je pomocí kyseliny sírové za zvýšeného tlaku a teploty 160 C, přičemž dochází k rozkladu kalu až na minerální složky. Mezi další metody patří totální rozkad kalu čistým kyslíkem při teplotách 150 C a tlaku 1,5 MPa. Produkty tohoto rozkladu jsou uličitany, volný oxid uhličitý a voda (PYTL V. a kol., 2004). 6.4.3 Bioplyn Bioplyn je významný produkt anaaerobní stabilizace čistírenských kalů. Jeho složení závisí na vlastnostech kalu, na stupni anaerobního rozkladu a také na technologii provozu. Největší objemový podíl v bioplynu tvoří plyn metan (60 % 70 %), dále CO 2 32

(25 % 35 %), N 2 (0,2 % 1,0 %), H 2 (0,2 % 0,5 %), sulfan (0,1 % 0,3 %) a voda, jejíž obsah tvoří 3,0 % 5,0 % (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). Bioplyn se využívá především pro ohřev nádrží pro anaerobní stabilizaci, další možností využití bioplynu je výroba elektrické energie. Bioplyn slouží jako palivo pro pohon spalovacího motoru kogenerační jednotky. Při spalování bioplynu se vyrobí asi 60 % tepla, které se využije pro ohřev anaerobních reaktorů a 40 % elektrické energie (PYTL V. a kol., 2004). 6.4.4 Hygienizace kalu Pro používání čistírenských kalů na zemědělské půdě se musí dodržovat mikrobiologická kritéria, která jsou uvedena v příloze č. 4 Vyhlášky č. 382/2001 Sb., o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě, v platném znění. V této příloze jsou uvedeny dvě kategorie kalů a jejich mikrobiologická kritéria pro aplikaci kalů na půdy využívané v zemědělství a na půdy určené k pěstování technických plodin. Příloha č. 3 této vyhlášky určuje rizikové látky a jejich mezní (maximální) hodnoty koncentrací v kalech. V čistírenském kalu lze nalézt následující skupiny mikroorganismů: bakterie (psychrofilní, mezofilní, termofilní), viry (enteroviry), nižší houby (plísně, kvasinky) a jejich spory a toxiny nižší živočichové (roztoči, červi) a jejich vajíčka Mezi potenciální patogeny, které se mohou v kalu vyskytovat patří: termotolerantní koliformní bakterie, enterokoky, bakterie rodu Salmonella, vajíčka helmintů, enteroviry 33

6.4.5 Odvodnění kalu Technologický proces odvodnění je podobný procesu zahušťování kalu, avšak s tím rozdílem, že zahuštěný kal má tekutý charakter a hmotnostní obsah sušiny se pohybuje od 4 % do 6 %. Cílem odvodnění kalu je co nejvíce zvýšit koncentraci tuhých látek v kalu, odvodněný kal nemá již tekutý charakter. Možné způsoby odvodnění kalu lze rozdělit na přirozené a mechanické (strojní). Přirozené odvodňování probíhá na kalových polích nebo lagunách, mechanické strojní se uskutečňuje na různých typech zařízení, např. pásové lisy, kalolisy (komorové filtry), dekantační odstředivky, vakuové a tlakové filtry aj. (DZIANIK F. a CHRIAŠTEĽ L., 2011). 6.4.6 Způsoby využití kalů Česká legislativní opatření upravují možnosti využití kalů. Čistírenský kal se po jeho vyprodukování nejčastěji využívá v těchto oblastech: - zemědělství přímá aplikace na zemědělskou půdu, - kompostování, - rekultivace, - spalování využití energetického potenciálu čistírenského kalu, - skládkování odstranění kalu uložením na skládku. 6.4.6.1 Zemědělství V zemědělství se využívají stabilizované čistírenské kaly. Použití surových kalů je nevhodné z hlediska obsahu patogenních mikroorganismů. Podmínky používání čistírenských kalů v zemědělství upravuje Vyhláška č. 382/2001 Sb., v platném znění pozdějších předpisů. V příloze č. 3 této vyhlášky jsou uvedeny rizikové látky a jejich mezní koncentrace v kalech pro jejich použití na zemědělské půdě. Příloha č. 4 této vyhlášky zařazuje kal do katagorií I. a II. a určuje jejich mikrobiologická kritéria pro použití kalů na zemědělských půdách. Zařazení čistírenského kalu do I. nebo II. kategorie a splnění jejich kritérií není z technologického hlediska jednoduché. Je nutné zvolit takovou technologii zajišťující hygienizaci kalu, tak aby bylo možné dosáhnout mikrobiologických kritérií. Současně by zvolená technologie měla být schopna reagovat na možné zpřísnění hygienických požadavků (GRODA B. a VÍTĚZ T., 2008). 34