ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD

MASARIKOVA UNIVERZITA V BRNĚ PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA CHEMIE Diplomová práce ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD Brno, 2007 Vedoucí diplomové práce: Doc. PhDr. Josef Budiš Vypracovala: Karolína Frintová

2 Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracovala samostatně a použila jen prameny uvedené v seznamu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena na Masarykově univerzitě v Brně v knihovně Pedagogické fakulty a zpřístupněna ke studijním účelům.

3 Děkuji vedoucímu diplomové práce Doc. PhDr. Josefu Budišovi, CSc za cenné rady a připomínky, které jsem uplatnila při psaní diplomové práce. Rovněž děkuji p. Frintovi (vedoucí provozu ČOV, Náchod) a Ing. Šulcovi (vedoucí laboratoře ČOV, Náchod) za odborné vedení a informace, které jsem ve své práci využila.

4 OBSAH 1 ÚVOD 7 1.1 Hypotéza, cíl práce, dílčí úkoly a použité metody 7 2 VODA JAKO CHEMICKÁ LÁTKA 9 2.1 Skupenství vody 9 2.2 Struktura vody 9 2.2.1 Struktura kapalné vody 9 2.2.2 Struktura vody v pevném skupenství 10 2.3 Fyzikální vlastnosti vody 11 2.4 Chemické vlastnosti vody 13 3 TYPY VOD 15 4 SLOŽENÍ ODPADNÍ VODY 17 4.1 Organické znečištění 18 4.2 Anorganické znečištění 19 5 PROCES ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD 20 5.1 Mechanické čištění 20 5.2 Biologické čištění 21 5.3 Odstraňování organických látek (aktivace) 22 5.4 Odstraňování anorganických látek 22 5.4.1 Eutrofizace 22 5.4.2 Fosfor 23 5.4.3 Dusík 24 5.5 Kal 28 5.5.1 Typy kalu 28 5.5.2 Složení kalu 28 5.5.3 Zpracování kalu 29

5 6 ČOV NÁCHOD 31 6.1 Všeobecné údaje 31 6.2 Počet napojených obyvatel a průmysl 32 6.3 Kanalizační řád 32 6.4 Vodoprávní stav 33 6.5 Technologie 34 6.6 Odběry vzorků a jejich analýza 35 7 ODBĚR A KONZERVACE VZORKU 37 7.1 Vlastní odběr vzorku 38 8 STANOVENÍ VZORKU 38 8.1 Stanovení průtoku 38 8.2 Stanovení ph 39 8.2.1 Orientační stanovení ph 39 8.2.2 Potenciometrické stanovení ph 39 8.2.3 Práce s ph metrem 40 8.3 Dusičnany a jejich stanovení 41 8.3.1 Dusičnany 41 8.3.2 Stanovení dusičnanů 42 8.3.3 Spektrofotometrie 42 8.3.4 Sestrojení kalibračního grafu 44 8.3.5 Stanovení dusičnanů salicylanem sodným absorpční spektrofotometrií 46 8.3.6 Stanovení dusičnanů absorpční spektrofotometrií v ultrafialové oblasti spektra 47 8.3.7 Nepřímé stanovení dusičnanů po redukci na amoniakální dusík Devardovou slitinou 48 8.4 Amoniakální dusík a jeho stanovení 49 8.4.1 Amoniakální dusík 49 8.4.2 Stanovení amoniakálního dusíku 49 8.4.3 Stanovení amonných iontů spektrometrickou metodou 50

6 8.4.4 Stanovení amoniakálního dusíku s Nesekerovým činidlem absorpční spektrofotometrií 51 8.4.5 Stanovení amoniakálního dusíku s fenolem a chlornanem absorpční spektrofotometrií 51 9 PŘEHLED ZJIŠTĚNÝCH VÝSLEDKŮ A JEJICH INTERPRETACE 52 9.1 Odběrové místo na přítoku 53 9.2 Odběrové místo na odtoku 59 10 NÁSTIN DIDAKTICKÉ INTERPRETACE 67 11 ZÁVĚR 70 RESUMÉ 71 SEZNAM INFORMAČNÍCH ZDROJŮ 72 SEZNAM OBRÁZKŮ 73 SEZNAM TABULEK 74 SEZNAM GRAFŮ 75

7 1 ÚVOD Nároky na vodu nestále rostou a rozpory mezi její potřebou a kapacitou vodních zdrojů se neustále zvyšují. Výstavbou čistíren odpadních vod se kvalita povrchových vod postupně zlepšuje. Vždyť donedávna ani některá velká města neměla svou vlastní čistírnu odpadních vod. Např. pro město Kolín byla vybudována až v roce 1998, což je jen 9 let jejího provozu. Dříve neexistovali čistírny odpadních vod a odpadní voda byla vypouštěna do řek, nebo dokonce přímo na ulici. Když populace sčítala jen několik milionů lidí, tak to příliš nevadilo. Dnes je ale situace jiná. Nesmíme zapomínat, že ani dnes nejsou všechny domácnosti napojeny na čistírnu odpadních vod. Např. v okrese Náchod to činí zhruba 8,0 % obyvatelstva. (6, 13) Jen málo lidí ví, na co nám čistírny odpadních vod slouží. Mnozí ani nevědí, že tyto čistírny čistí skutečně odpadní vodu. Tedy vodu, která je vypouštěna z domácností a z průmyslu. Tato voda je vedena potrubím do čistíren odpadních vod a zde se čistí. Čištění odpadních vod je složitý proces, který probíhá ve dvou stupních: 1. stupeň - mechanické čištění, 2. stupeň biologické čištění. Vyčištěná voda je následně vypouštěna do řek. Biologické čištění na čistírnách odpadních vod je napodobení, usměrnění a zintenzivnění přirozených rozkladných pochodů a procesu samočištění, které normálně probíhá v půdním a vodním prostředí. V čistírnách se tyto procesy koncentrují do malého prostoru a urychlují se. 1.1 Hypotéza, cíl práce, dílčí úkoly a použité metody Vodní hospodářství je neopomenutelnou součástí životního prostředí. Svým významem a dopady široce souvisí s celkovým hospodářstvím a spokojeností obyvatelstva. Od roku 1989 se situace ve vodním hospodářství postupně vyvíjela ve prospěch zlepšování vodních poměrů, což ovlivnilo výrazně jakost povrchových vod. Příčin bylo hned několik: restrukturalizace průmyslu, úsporná opatření s vodou v průmyslu a u obyvatelstva a především výstavba a modernizace čistíren odpadních vod. (15)

8 Každým rokem na zemi přibývá počet lidí, avšak množství vody zůstává stále stejné. Voda je jeden z nejdůležitějších vyčerpatelných zdrojů naší země. Otočíme-li kohoutkem, vytéká voda. Pro většinu z nás úplná samozřejmost. Ale když si představíme jeden den bez vody, zjistíme že je pro nás opravdu vzácná. A proto bychom měli vodou šetřit a neznečišťovat ji. Měli bychom celkově více dbát na naše životní prostředí, a dále ho nezatěžovat, vždyť škodíme sami sobě. Těžiště mé práce spočívalo v seznámení s odpadní vodou a procesem jejího čištění. Dále v jednoročním sledování kvality odpadní vody v přítoku a odtoku čistírny. Sledování jsem prováděla na čistírně odpadních vod v Náchodě. Cíl práce - dlouhodobé jednoroční sledování kvality odpadní vody v přítoku a odtoku ČOV v Náchodě Hypotéza - sledování kvality odpadní vody je obrazem znečištění z domácností a průmyslu v dané lokalitě. Toto znečištění je závislé na počtu obyvatel, na průmyslu a zemědělství v dané lokalitě. Sledování kvality odpadní vody v přítoku a odtoku čistírny je obrazem účinnosti čistírny odpadních vod. Dílčí úkoly práce : - seznámení s chemickou podstatou vody - seznámení s procesem čištění odpadních vod - sledování dusičnanů, amoniaku a dalších fyzikálně chemických souvislostí v odpadní vodě - nástin didaktické interpretace Pracovní metody: - studium literatury - odborné konzultace - exkurze - laboratorní a analytické metody

9 2 VODA JAKO CHEMICKÁ LÁTKA Bez vody není života. Voda je nejrozšířenější látkou na zemi. Je základní složkou živočišných i rostlinných organismů a umožňuje jejich životní procesy. Pro mnohé živočichy je voda přímo životním prostředím. Člověk nevydrží bez vody ani 3 dny. Voda tvoří převážnou část našeho těla. Člověk po narození obsahuje 97 % vody, po osmi měsících 81 % a ve stáří 65 let 70 % vody. K životu potřebujeme 2,5 až 3 litry biologicky hodnotné vody, včetně vody přítomné v potravinách. Voda se vyskytuje v obrovském množství na zemském povrchu v hydrosféře. Velké množství vody se ale nachází i ve formě vodní páry v atmosféře. Voda pokrývá více než 2/3 povrchu země. Její objem je 1 400 000 000 km 3. Hydrosféru tvoří oceány, moře, ledovce, stálí sníh, jezera, řeky, podzemní vody, voda v atmosféře a voda v organismech. (1) 2.1 Skupenství vody Voda se v přírodě vyskytuje ve třech skupenstvích. Ve skupenství pevném (led), kapalném (voda) a plynném (vodní pára). 2.2 Struktura vody (3) Molekuly vody jsou lomené. Atomy v molekule svírají úhel 104,5 º. Vazby O H jsou kovalentní, silně polární, jak odpovídají rozdílu elektronegativit kyslíku a vodíku. Mezijaderná vzdálenost O H je 0,0958 nm. Dva volné elektronové páry na kyslíku a polarita vazeb způsobují, že molekuly vody jsou polární. 2.2.1 Struktura kapalné vody Na základě strukturního výzkumu byl sestaven tzv. oktaedrický model struktury kapalné vody, podle kterého je každá molekula vody obklopena šesti jinými molekulami tvořící okolo něj deformovaný oktaedr. Těchto šest molekul vytváří s danou molekulou čtyři vazby vodíkovými můstky O H O, v kterých je vzdálenost

10 kyslíkových atomů asi 0,29 nm. Kromě toho jsou zde vytvořené dvě přímé vazby kyslíkových atomů ve vzdálenosti asi 0,36 nm. Obr. č. 1 Oktaedrický model struktury kapalné vody 2.2.2 Struktura vody v pevném skupenství Led se nachází ve více polymorfních modifikacích. Obyčejný led, který vzniká ochlazením vody na 0 ºC při atmosférickém tlaku, se označuje jako led 1. Tento led krystalizuje v šesterečné soustavě. Atomy kyslíku v ledu vytvářejí vrstvy, které se skládají z šestičlenných stoličkovitě zprohýbaných kruhů. Každý kyslíkový atom je tetraedricky obklopený čtyřmi jinými kyslíkovými atomy, z kterých tři patří do jedné vrstvy a jeden do sousední horní nebo spodní vrstvy. Mezijaderná vzdálenost sousedních kyslíkových atomů je 0,276 nm. Atomy vodíku se nacházejí na spojnicích atomů kyslíku a z infračervených spekter vyplývá, že každý atom kyslíku má v těsné blízkosti (0,1 nm) dva vodíkové atomy, se kterými tvoří kovalentní vazby. Každá molekula H 2 O se váže s dalšími čtyřmi molekulami vodíkovými vazbami O H O. Úhel H O H je na rozdíl od plynné molekuly H2O přesně tetraedrický, totiž 109º 28. Bližší pohled na krystalovou strukturu ledu ukazuje, že je poměrně prázdná. Jsou v ní velké dutiny, které jsou podmíněné vzájemnou orientací molekul, při které jsou optimální možnosti tvorby vodíkových můstků. Prázdná struktura ledu zapřičiňuje, že jeho hustota je menší než hustota kapalné vody při dané teplotě. Proto má led menší

11 hustotu a větší objem než kapalná voda. Vnější projev pravidelné struktury je znám například jako sněhové vločky nebo krystalky ledu. Obr. č. 2 Struktura ledu a) uspořádání kyslíkových atomů a vyznačení vrstvy b) uspořádání atomů kyslíku ve vrstvě 2.3 Fyzikální vlastnosti vody (3) Chemicky čistá voda je bezbarvá kapalina, bez zápachu, ve větších vrstvách blankytně modrá. Některé významné fyzikální konstanty jsou uvedené v tabulce č. 1. Voda se vyznačuje celkem výjimečnými fyzikálními vlastnostmi. O anomální změně hustoty vody při tuhnutí na led a její příčině jsme již mluvili. V důsledku zmenšení objemu vody při tání klesá podle principu akce a reakce bod tání ledu se stoupajícím tlakem.

12 Tabulka I Fyzikální konstanty vody Bod tání Bod varu Kritická teplota Kritický tlak Hustota Teplota maximální hustoty [ ºC ] [ ºC ] [ ºC ] [ MPa ] g/cm 3 [ ºC ] 0 100 374,1 22,11 0,998203 3,98 101,325 kpa 101,325 kpa 20 ºC Skupenské teplo tání Skupenské teplo varu Měrná tepelná kapacita Povrchové napětí Relativní permitivita [ J g -1 ] [ J g -1 ] [ kj kg -1 K -1] [N m -1] 333,3 2257 4,179 72,75 80,36 20 ºC 20 ºC 20 ºC Anomálie vody se projevuje i ve změně hustoty kapalné vody s teplotou. Při zvyšování teploty od 0 ºC do 4 ºC se hustota vody zvětšuje, takže při 4 ºC má voda maximální hustotu, a to 0,999973 g/cm 3. Při dalším zvyšování teploty se hustota zmenšuje. Tento jev můžeme vysvětlit tím, že při zvyšování teploty nad 0 ºC se ve statistické struktuře vody zmenšuje podíl struktury podobné ledu, která má menší hustotu než kapalná voda, čímž se výsledná hustota zvětšuje. Od 4 ºC je výsledná hustota ovládaná tepelným pohybem molekul, takže dalším zvyšováním teploty se zase zmenšuje. Obr. č. 3 Hustota kapalné vody Bod tání ledu i bod varu vody je vzhledem k poměrně malé relativní molekulové hmotnosti vody velmi vysoký. To souvisí s tím, že na porušení vazeb vodíkovými

13 můstky mezi molekulami v ledě i kapalné vodě je potřeba značné množství energie. Touto okolností je podmíněna poměrně velká hodnota skupenského tepla tání a vypařování, případně varu. Když zahříváme kapalnou vodu, jen část dodaného tepla působí na zvýšení kinetické energie pohybu molekul, to znamená zvyšování teploty. Zbytek se spotřebuje na trhání vodíkových můstků. Důsledkem toho je velká hodnota měrné tepelné kapacity, která se mění s teplotou anomálně, a to tak, že při zvyšování teploty nejprve klesá a až potom začíná stoupat. Silné spojení mezi molekulami vody se projevuje také vysokou hodnotou povrchového napětí, které souvisí se soudržností molekul. Pro chemickou praxi je mimořádně důležité, že vnitřní tření (viskozita) vody se snižováním teploty velmi silně snižuje (víc jak 1/6 při zahřátí z O ºC na 100 ºC). Toho se nejvíce využívá při filtraci vodných roztoků. 2.4 Chemické vlastnosti vody (3) Voda je termicky mimořádně stálá látka. Například až při vysoké teplotě se vodní pára částečně rozkládá na vodík a kyslík. 2 H 2 O (g) 2 H 2 (g) + O 2 (g) H = 483,7 KJ S principem pohybové rovnováhy se rozklad vodní páry prohlubuje s rostoucí teplotou a klesajícím tlakem. Voda chemicky vázaná Voda se uplatňuje jako součást chemické struktury mnohých látek. Látky tohoto druhu se všeobecně označují jako hydráty. V některých látkách chemická individualita vázaných molekul vody úplně zaniká a ve struktuře těchto látek je už nemůžeme chemicky vyjádřit. Jsou to především hydroxidy nebo kyseliny. Pro látky tohoto druhu se název hydráty vůbec nepoužívá. V hydrátech zůstává naopak chemická individualita obsažených molekul vody zachována, protože tyto molekuly jsou ve struktuře hydrátů jen vázané chemickými vazbami různého druhu.

14 Například oxid litný se slučuje s vodou na hydroxid litný LiOH, při jeho vzniku nastává přeskupení chemických vazeb. Hydroxid litný potom krystalizuje z vodných roztoků jako monohydrát LiOH H 2 O. Některé látky, převážně soli, se vylučují z vodných roztoků ve formě krystalů, které obsahují určitý počet molekul vody, připadající na každý soubor atomů, daný stechiometrickým vzorcem. Tyto látky se nazývají krystalohydráty a příslušná voda se nazývá jako krystalová. Jako příklad můžeme uvést Na 2 SO 4 10 H 2 O, CuSO 4 5 H 2 O, FeSO 4 7 H 2 O. Krystalová voda je součástí krystalové struktury krystalohydrátů a přímo ovlivňuje její fyzikální, případně chemické vlastnosti, např. krystalový tvar, barvu, rozpustnost aj. Některé krystalohydráty jsou velmi stálé a jiné jsou zase nestálé, to znamená, že lehce uvolňují krystalovou vodu a přecházejí na bezvodou látku. Mírou stálosti krystalohydrátů je tlak vodní páry, která je při dané teplotě v rovnováze s krystalohydrátem. Voda jako rozpouštědlo V chemii je voda nejdůležitějším rozpouštědlem. Rozpouštědlem označujeme zpravidla tu látku, která je v porovnání s ostatními látkami v nadbytku. Ionizace iontových sloučenin Je jasné, že při rozpouštění iontových sloučenin vznikají ionty. Ionty se nacházejí v krystalových strukturách těchto látek a při rozpouštění krystalů ve vodě, případně v jiném polárním rozpouštědle se z těchto struktur jen odštěpují. Při styku krystalů iontové sloučeniny s rozpouštědlem se seskupují okolo iontů na povrchu krystalu polární molekuly rozpouštědla tak, že kladné póly dipólu vyhledávají blízkost anionů a záporné póly se soustřeďují nad kationy. Tím jsou ionty elektrostaticky přitahovány směrem ven od povrchu iontového krystalu, v důsledku čeho se přitažlivé síly mezi ionty podstatně zeslabují. Jen co síly přitahování molekul rozpouštědla a iontů převládnou nad vazbovými silami iontů v krystalové struktuře, krystal se rozpadá a ionty přecházejí do roztoku.

15 Obr. č. 4 Rozpouštění krystalu iontové sloučeniny v polárním rozpouštědle Ve vodě se však ionizují nejen typicky iontové, ale i molekulové sloučeniny, když jsou molekuly dostatečně polární. Dipóly rozpouštědla, které se přitáhnou ke konci polární molekuly, deformují ji a zapříčiňují oddálení jejich pólů, takže molekula se v důsledku toho naopak rozpadne na jednotlivé ionty. Obr. č. 5 Schéma ionizace polární molekuly v polárním rozpouštědle 3 TYPY VOD (1) V přírodě se voda nikdy nevyskytuje čistá, obsahuje vždy určité množství rozpuštěných látek, plynů a nerozpuštěných pevných látek. (17)

16 Vodu dělíme podle obsahu minerálních látek: Destilovaná voda Destilovaná voda je čirá, bezbarvá, bez chuti a zápachu. Používá se především v laboratořích. Neobsahuje minerální látky. Měkká voda Měkká voda je voda dešťová a voda v potocích, která obsahuje jen málo rozpuštěných látek. Tvrdá voda Tvrdá voda je voda která prochází vrstvami zemské kůry a obsahuje větší množství rozpuštěných látek. Minerální voda Minerální voda obsahuje značné množství minerálních látek, rozpuštěných plynů, zejména oxidu uhličitého. Slaná voda Slaná voda tvoří většinu hydrosféry. Obsahuje průměrně 3,5 % rozpuštěných látek, hlavně sodné a hořečnaté soli. Vodu dále dělíme podle obsahu nečistot: Pitná voda (2) Výroba pitné vody je průmyslový proces, na který jsou kladeny přísné kvalitativní požadavky. Srovnání s jinými průmyslovými procesy ukazuje, že výroba pitné vody je zdaleka největším odvětvím co do množství produkce výrobku v tunách. Průmyslově vyspělé země produkují na jednoho obyvatele za rok okolo 150 tisíc litrů (410 l/os. den) pitné vody. Celé toto množství musí mít takovou kvalitu, aby splňovalo požadavky na pitnou vodu (musí být zdravotně nezávadná) a to i přes to, že k pití a vaření je použito jen okolo 3 % z tohoto množství.

17 Zdroji pitné vody jsou buď povrchové vody (vodní toky, nádrže, jezera) nebo vody podzemní. Podzemní vody jsou často tím nejlepším zdrojem pitné vody, protože byly přirozeným způsobem filtrovány. Vzájemné poměry mezi dostupnými zdroji podzemní a povrchové vody se pro jednotlivé země velmi liší. Ve většině případů je větší procento pitné vody získáváno z povrchových zdrojů. V zemích EU je z povrchových zdrojů získáváno 64 % a z podzemních zbývajících 36 % vyrobené pitné vody. V závislosti na kvalitě zdroje surové vody je nezbytné i podzemní vodu různými způsoby upravovat a čistit. Užitková voda Užitková voda se čerpá z podzemních i povrchových zdrojů, neobsahuje látky poškozující zdraví. Nesmí se používat k pití, přípravě potravy a k mytí nádobí. Můžeme ji použít k mytí, koupání, praní a napájení zvířat. Na její čistotu a biologickou nezávadnost se nekladou tak přísné požadavky jako na pitnou vodu. Odpadní voda (2) Odpadní voda je voda vypouštěná z domácností a z průmyslových podniků. Voda je po použití více či méně znečištěná. Městské odpadní vody se liší stupněm znečištění a svým složením a to především v závislosti na typu sídla, druhu průmyslu a rovněž stupně naředění srážkovými vodami, které vstupují do systému. Objem a složení odpadních vod ve stejném místě se liší v průběhu času a to jak v průběhu dne, týdne, tak i let. 4 SLOŽENÍ ODPADNÍ VODY (2) Látky způsobující znečištění odpadních vod mohou být rozděleny podle velikosti částic. Jinou formou klasifikace je rozdělení látek podle původu na organické a anorganické. Skupina organických látek je v odpadních vodách obvykle tvořena z jedné třetiny látkami rozpuštěnými, koloidními a suspendovanými. Anorganické látky jsou obvykle přítomny hlavně ve formě rozpuštěné.

18 4.1 Organické znečištění Mezi organické látky, které jsou zastoupeny v odpadních vodách patří zejména sacharidy, bílkoviny, tuky, volné aminokyseliny, vyšší mastné kyseliny a rozpuštěné organické kyseliny. Protože stanovení jednotlivých organických látek je poměrně komplikované, a proto také drahé, patří mezi základní ukazatele obsahu organických látek stanovení veškerých organických látek. Množství organických látek se vyjadřuje jako: Biochemická spotřeba kyslíku (BSK) Chemická spotřeba kyslíku (CHSK) Ztráta žíháním Biochemická spotřeba kyslíku vyjadřuje obsah biologicky rozložitelných organických látek v odpadních vodách. Je rovna množství rozpuštěného molekulárního kyslíku spotřebovaného za určitý časový interval mikroorganismy při biochemickém rozkladu organických látek ve vodě. Zjišťuje se v původním nebo zředěném vzorku z rozdílu koncentrací kyslíku před inkubací a po ní a vyjadřuje se v mg/l. Standardně se stanovuje BSK5, tj. provádí se inkubace 5 * 24 hodin za standardních podmínek (20 ºC, vyloučení přístupu světla a atmosférického kyslíku). Chemická spotřeba kyslíku (oxidovatelnost) je mírou obsahu látek schopných chemické oxidace. V praxi se oxidace provádí silně kyselými roztoky (za účelem dokonalé oxidace) K 2 Cr 2 O 7 nebo KMnO 4 při vyšších teplotách. Výsledek stanovení se udává v množství kyslíku, které je ekvivalentní spotřebě použitého oxidačního činidla a vyjadřuje se v mg/l. Ztráta žíháním vyjadřuje rozdíl mezi obsahem veškerých látek a jejich zbytků po sušení. Rozdíl vah před a po žíhání odpovídá množství spalitelných látek. Vyjadřuje se v %, resp. mg/l.

19 4.2 Anorganické znečištění Obsah anorganických látek v odpadní vodě se obvykle stanoví jako obsah iontů a solí v jejím zdroji. Současné čištění odpadních vod je zaměřeno především na snížení obsahu dusíku, solí fosforu a těžkých kovů v těchto vodách. Obsah dusíku a fosforu ve vodách je důležitý vzhledem k tomu, že tyto látky jsou základními živinami pro růst organismů, např. řas, v tocích. S růstem řas je spojena tvorba dalších organických látek (produktů metabolismu řas), které mohou při svém rozkladu značně zvyšovat spotřebu kyslíku. Sloučeniny fosforu Fosfor se v odpadních vodách vyskytuje jednak organicky vázaný a jednak ve formě anorganických polyfosfátů a orthofosfátů. Organicky vázaný fosfor je obsažen hlavně v pevných látkách, zatímco polyfosfáty a orthofosfáty se vyskytují ve vodách především rozpuštěné. Při biologickém procesu čištění odpadních vod dochází k hydrolýze solí fosforu na orthofosfáty, které jsou rostlinami mnohem snáze využitelné. Hlavním zdrojem solí fosforu jsou lidské výkaly, moč a prací prostředky. Užívání fosfátů jako přídavku do pracích prostředků je v posledních letech předmětem rozsáhlých diskusí, poněvadž okolo 30 % fosforu se do odpadních vod dostává z použitých pracích prostředků. Obsah fosforu ve vodách se vyjadřuje v mg/l celkového fosforu. Sloučeniny dusíku Dusík je v odpadních vodách přítomen jak ve formě organických sloučenin, tak v anorganických formách, a to amoniakové (NH + 4, NH 3 ), dusitanové (NO - 2 ) a dusičnanové (NO - 3 ). Amonné soli tvoří převážnou většinu anorganicky vázaného dusíku, zatímco dusík vázaný v organických sloučeninách se v amonné formě vyskytuje ze 60%. Kromě toho, že dusík slouží jako živina pro růst řas, zvyšuje obsah amonných sloučenin v odpadních vodách také spotřebu kyslíku. Kyslík je spotřebováván při procesu zvaném nitrifikace, kdy nitrifikační bakterie oxidují amonné ionty na dusičnany, což je provázeno značnou spotřebou kyslíku.

20 Děj probíhá podle následující rovnice: NH 4 + + 2 O 2 NO 3 - + 2 H + + H 2 O Spotřeba kyslíku při nitrifikaci představuje téměř pětinásobek množství amonných iontů a řádově je zhruba stejná jako potřeba kyslíku na oxidaci organických látek v odpadních vodách. Množství dusíku v odpadních vodách se vyjadřuje v mg/l celkového dusíku (N celk), který je dán součtem koncentrací dusíku organického a všech forem dusíku anorganického (NH + 4, NH 3, NO - 2, NO - 3 ). 5 PROCES ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD 5.1 Mechanické čištění (2, 13) Nejjednodušším způsobem čištění odpadních vod je mechanická separace znečišťujících látek, která se obvykle provádí ve dvou stupních. V prvním stupni dochází k oddělení hrubšího materiálu na česlích a v lapácích písku. V dalším stupni jsou odstraněny ostatní usaditelné látky, a to sedimentací v usazovacích nádržích. Tímto postupem lze obsah organických látek v městských odpadních vodách snížit asi o 30%. Obr. č. 6 Česle, lapák písku, usazovací nádrž

21 Hrubší pevné částice se odstraňují průtokem odpadní vody rošty a síty. Těžší částice (zrnka písku a štěrk) se usazují v lapácích písku. Ty se konstruují tak, aby rychlost průtoku nebyla vyšší než 0,3 m/s a těžší částice mohly dobře sedimentovat. Zbývající usaditelné látky se odstraňují v usazovacích nádržích. Mechanickým čištěním dojde k odstranění cca 1/3 obsahu látek spotřebovávajících kyslík. Je tedy zřejmé, že použití pouze tohoto způsobu je pro čištění odpadních vod zcela nedostačující a lze ho užít jen jako předčištění. Nedochází při něm ani k odstranění rozpuštěných látek obsahujících dusík a fosfor. Při tomto předčištění odpadních vod vzniká primární kal v množství cca 50-60 g nerozpuštěných látek na osobu a den, což představuje v přepočtu na sušinu 0,8 1,5 l na osobu za den. 5.2 Biologické čištění (2, 13) Biologické čištění odpadních vod využívá mikroorganismů, které rozkládají a odstraňují organické znečištění tak, že ho přeměňují na biologické vločky. Rozkladný proces je velmi složitý a skládá se z řady reakcí. Rychlost tohoto procesu závisí na řadě faktorů, např. na obsahu kyslíku, ph, teplotě, typu znečištění a přítomnosti toxických látek, důležitá je použitá metoda čištění a velikost částic. Biologické čištění se běžně projektuje na odstranění organických látek. V biologickém stupni čištění s normálním zatížením se odstraní jen takové množství živin (solí dusíku a fosforu), které může být zabudováno do buněčné hmoty. Při biologickém čištění odpadních vod se používá dvou různých postupů: Anaerobní rozklad Bez přítomnosti kyslíku dochází k rozkladu anaerobnímu. Organické látky se oxidují na oxid uhličitý a vodu, zatímco některé jiné látky se redukují na organické plyny, např. methan. Anaerobní biologické čištění se obvykle používá u silně znečištěných vod a také při běžném způsobu likvidace kalu, známém jako vyhnívání.

22 Aerobní rozklad Při biologickém aerobním čištění dochází k oxidaci organických látek působením mikroorganismů za přítomnosti kyslíku. Výsledným produktem jsou Oxid uhličitý a voda. Při aerobním biologickém čištění městských odpadních vod rostou mikroorganismy. Ty jsou volně unášeny ve vodné fázi a tvoří tzv. kulturu ve vznosu. 5.3 Odstraňování organických látek (aktivace) (2) Nejběžnějším způsobem biologického čištění odpadních vod je aktivace. Tzv. aktivovaný kal (směsná kultura mikroorganismů) ve vodě vytváří volně suspendované vločky. Aktivace je děj aerobní. K zajištění přístupu dostatečného množství kyslíku a dobrého kontaktu vloček kalu s vodou je třeba odpadní vodu intenzivně provzdušňovat. Obsah aktivační nádrže je provzdušňován přívodem stlačeného vzduchu. Aby byl biochemický rozklad organických látek dostatečně rychlý, je třeba zajistit dostatečně vysokou koncentraci aktivovaného kalu v odpadní vodě. Toho lze dosáhnout vracením (recirkulací) většiny aktivovaného kalu z dosazovací nádrže. Ze systému se odtahuje pouze minimální množství kalu, tzv. přebytečný kal. Při aktivačním procesu dochází ke koagulaci a sorpci suspendovaných a koloidních látek na shlucích mikroorganismů (vločkách) tvořících směsnou kulturu. Mechanismus odstraňování rozpuštěných organických látek je komplikovanější (difúze, sorpce, koagulace). Organické látky se současně štěpí účinkem enzymů na oxid uhličitý a vodu. 5.4 Odstraňování anorganických látek (2) 5.4.1 Eutrofizace Navzdory tomu, že vzhledem k celostátní kampani se odpadní vody čistí v čistírnách odpadních vod, je kvalita vody v řadě toků nepříznivě ovlivněna. Často je to způsobeno produkcí řas, známou pod pojmem sekundární organické znečištění a vyžadující značná množství kyslíku na rozklad těchto produktů. Růst řas stimuluje vypouštění rozpuštěných anorganických látek, které nejsou odstraňovány konvenčním biologickým čištěním a které obsahují fosfor a dusík, tedy živiny. Eutrofizace je zvýšení obsahu živin v jezerech a vodních tocích, které je provázeno zvýšenou produkcí organických látek a je důležitým mezinárodním problémem.

23 Z 1 g fosforu může vzniknout 1700 g rostlinné hmoty (biomasy řas). K rozkladu řas je zapotřebí kyslík a to jak pro oxidaci dusíku na dusičnany, tak pro oxidaci uhlíku na oxid uhličitý. Průměrná potřeba kyslíku na celkovou oxidaci činí 5 g na 1 g dusíku a 3 g na 1 g uhlíku. 5.4.2 Fosfor Množství fosforu v surové odpadní vodě odpovídá produkci 3 g na osobu za den. Největším zdrojem jsou výkaly a moč. Asi 1/3 pochází v některých zemích z pracích prostředků. Fosfor se dostává do vodních toků rovněž splachy ze zemědělských půd. Množství fosforu zemědělského původu je však mnohem nižší než množství dusíku, který do vodních toků z tohoto zdroje rovněž přichází. Fosfor z pracích prostředků se do odpadních vod dostává ve formě polyfosfátů. Ty jsou ve splašcích poměrně rychle hydrolyzovány na orthofosfáty. Fosfor obsažený ve výkalech a moči je rovněž vetšinou ve formě orthofosfátů. Pouze 10-15 % fosforu se v odpadních vodách vyskytuje ve formě vázané v organických látkách (nerozpuštěné látky). Snížení obsahu fosforu, které lze dosáhnout klasickým biologickým čištěním, není většinou dostatečné k tomu, aby byl potlačen další růst obsahu organických látek. Až 30 % obsahu fosforu chemicky vázaného v nerozpuštěných látkách může být odstraněno v mechanickém stupni čištění. Avšak většina tohoto fosforu se do vody uvolňuje zpět při stabilizaci kalu. Biologický stupeň čištění vyžaduje přítomnost fosforu pro růst mikroorganismů. Biologický kal obsahuje asi 2 % fosforu, ale jeho určité množství se do procesu vrací při jeho stabilizaci. V souhrnu lze říci, že biologickým čištěním se odstraní maximálně 20 30 % celkového fosforu přítomného v surové odpadní vodě. Ke snížení obsahu fosforu v odpadních vodách mohou být použity jak metody biologické, tak chemické. Chemické srážení fosforu Chemické srážení fosforu v odpadních vodách představuje převedení rozpuštěných anorganických forem fosforu na málo rozpustné fosfáty kovů. Zároveň dochází i k odstraňování organicky vázaného fosforu, jelikož obsah nerozpuštěných látek po chemickém srážení značně klesá.

24 Nejpoužívanějšími koagulanty, které jsou dostatečně účinné a přitom nepříliš nákladné jsou : soli hliníku soli železa vápno Přídavkem koagulantu dochází ke srážení rozpuštěných anorganických fosfátů a dále i k tvorbě hydroxidů kovů (Al, Fe, Ca). Vznikají gelové vločky, které poutají fosfáty kovů a další nerozpuštěné látky přítomné ve vodách. Tento proces se nazývá koagulace. Biologické odstraňování fosforu Střídáním aerobních a anaerobních podmínek může být dosaženo vyšší absorpce fosforu aktivovaným kalem ve formě polyfosfátů. Anaerobní stupeň se zařazuje před aerobní. V anaerobní zóně mikroorganismy využívají energii, vázanou ve formě energeticky bohatých polyfosfátů. Zásobní fosfor se uvolňuje do roztoku výměnou za transport snadno přístupných organických látek do buňky. V aerobní zóně si mikroorganismy znovu vytvářejí energetickou zásobu ve formě polyfosfátů. Tento proces se nazývá zvýšená biologická akumulace fosforu. Výsledkem tohoto procesu je aktivovaný kal o obsahu až 8 % fosforu, zatímco běžně obsahuje jen 2 %. Potíže se stabilitou procesu působí skutečnost, že se fosfor uvolňuje do roztoku, jestliže kal prochází anaerobními podmínkami v dosazovací nádrži nebo při manipulaci s ním. 5.4.3 Dusík Většina dusíku, který se vyskytuje ve vodách, pochází z atmosférických srážek a ze splachů ze zemědělských půd. Méně než 20 % pochází ze splašků. Různé formy dusíku jsou součástí přirozeného biologického cyklu.