DECENTRALIZOVANÉ ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍCH VOD Cenné látky v odpadní vodě / Separované čištění proudů vod Jan Bartáček jan.bartacek@vscht.cz www.vscht.cz/homepage/tvp/index/studenti/predmety/dzov
CO LZE RECYKLOVAT Z ODPADNÍCH VOD (SPLAŠKOVÝCH) Energie Tepelná Kinetická/Potenciální Chemická Nutrienty Voda 5-2
ODPADNÍ VODA JAKO ZDROJ Zdroj Energie Zdroj Nutrientů Zdroj Vody Použitá voda (Used Water)
ENERGIE OBSAŽENÁ V ODPADNÍCH VODÁCH Tepelná energie Kinetická a potenciální energie Chemická energie
TEPELNÁ ENERGIE Možnost použít tepelná čerpadla a výměníky Důležité umístění Za čistírnou vhodné, pokud je OV dostatečně teplá, nicméně většinou je problematická doprava ke spotřebiteli Před čistírnou Může být problém s ochlazováním vody a následné pomalé biol. procesy U spotřebitele (decentralizovaně) - nejlepší Nejlépe šedé vody (teplé a zředěné)
TEPELNÁ ENERGIE Možnost použít tepelná čerpadla a výměníky Důležité umístění
TEPELNÁ ENERGIE
TEPELNÁ ENERGIE Penzion (Harrachov) Průměrná teplota vstupní vody: 6 C Byla zvýšena na 25 C
TEPELNÁ ENERGIE Umístění ve stoce Schéma zapojení předizolovaného kanalizačního potrubí s integrovaným výměníkem tepla gravitační systém 1 vnější plášť z polyetylenu, 2 tepelná izolace, 3 kanalizační potrubí (výměník tepla), 4 odpadní voda, 5 výstup ohřáté vody z výměníku, 6 rozdělovací potrubí, 7 přívod studené vody do výměníku, 8 tepelné čerpadlo, 9 výparník, 10 kondenzátor, 11 expanzní ventil, 12 kompresor, 13 systém vytápění v budově, 14 oběhové čerpadlo
V kanalizaci Na čistírně Potřeba spádu Potřeba velkého průtoku (stovky tisíc EO) V ČR ne příliš využívané POTENCIÁLNÍ ENERGIE
CHEMICKÁ ENERGIE V ODPADNÍ VODĚ Energie obsažená v organických látkách obsažených v odpadní vodě Nejčastěji vyjadřovaná ve formě chemické spotřeby kyslíku (ChSK v mg/l) Možné zhodnotit převedením na metan 1 kg ChSK ~ 13 MJ (18 kw/1000 EO)
5-12
ČOV 100 000 EO TOK ENERGIE NA ČOV Vstupující voda 1.8 MW Usazování Mechanicky předčištěná 0.9 MW Primární kal 0.9 MW Aktivace Odtok 0.1 MW Tepelné ztráty 0.4 MW Přebytečný AK 0.4 MW Primární kal 0.9 MW Anaerobní fermentace Odtok 0.1 MW Tepelné ztráty 0.4 MW Vyhnilý kal 0.7 MW Primární kal 0.6 MW Kogenerace Spotřeba energie na typické ČOV (100 000 EO) ~ 0.35 MW Odtok 0.1 MW Tepelné ztráty 0.4 MW Vyhnilý kal 0.7 MW Ztráty, 0.2 MW Teplo, 0.2 MW El. energie, 0.2 MW Je možné dosáhnout el. soběstačnosti?
SPOTŘEBA ENERGIE NA ČOV Kde je možné šetřit?
SPOTŘEBA ENERGIE NA ČOV Spotřeba energie na velkých evropských čistírnách odpadních vod www.veoliavoda.cz
SPOTŘEBA ENERGIE NA ČOV Kde lze Osvětlení šetřit? a vytápění budov; 7% Pásové lisy; 3% Dosazováky; 1% Čerpání vratného kalu; 4% Jiné; 1% Anaerobní fermentace; 12% Míchání; 9% Čerpání; 12% Česle; 1% Usazováky; 1% Aerace; 47% Menendez a Veatch, 2010
RECYKLACE ENERGIE NA ČOV Kde je možné získat více?
ZVÝŠENÍ PRODUKCE BIOPLYNU Zvýšení separace org. NL na přítoku Vyšší rozložitelnost než AK Možné s koagulací Nedostatek org. látek pro denitrifikaci (?) Optimalizace anaerobní fermentace Optimalizace míchání Termofilní stabilizace Předúprava (dezintegrace)
RECYKLACE ENERGIE Hnědá voda Vakuové toalety (malé naředění) Kuchyňský odpad Složité separovat kuchyňskou OV a světle šedou OV Jednoduché separovat tuhý bio-odpad 5-19
RECYKLACE ENERGIE (HNĚDÁ/ČERNÁ VODA) Anaerobní fermentace Přeměna organických látek na bioplyn (CH 4 + CO 2 ) Produkce energie Teplo Elektřina (kogenerační jednotky) Pokud možno vyhřívané reaktory (35 C) Typický zástupce: UASB reaktor
RECYKLACE ENERGIE (HNĚDÁ /ČERNÁ VODA) Anaerobní fermentace - princip 5-21
RECYKLACE ENERGIE (HNĚDÁ /ČERNÁ VODA) Anaerobní fermentace - reaktory
RECYKLACE ENERGIE (HNĚDÁ /ČERNÁ VODA) Anaerobní fermentace x Aerobní čištění 5-23
RECYKLACE ENERGIE (BIO-ODPAD) Anaerobní fermentace Stejný princip jako u OV Potřeba určitá centralizace Především pro menší farmy (30 mil. Aplikací v Číně) 5-24
RECYKLACE ENERGIE (BIO-ODPAD) 5-25
SNEEK, THE NETHERLANDS 32 family houses Separation of toilet wastewater
SNEEK, THE NETHERLANDS
RECYKLACE NUTRIENTŮ (P, N) V centralizovaných systémech Jeden z největších současných problémů (extrémně zvyšuje investiční i provozní náklady) Recyklace se realizuje se pouze prostřednictvím kalů N 20-40 % P 90 % 5-28
RECYKLACE NUTRIENTŮ (P, N) Možnost využít jako hnojivo Většina obyvatelstva je koncentrována ve městech produkce OV s nutrienty Většinu potravin produkuje venkov spotřeba nutrientů 5-29
FOSFOR Ústav technologie Odhadované světové zásoby fosforu: max. 50 let Cena fosforu rychle stoupá V odpadních vodách: většina jako orthofosforečnany 5-30
DUSÍK Ústav technologie 80 % vyrobeného amoniaku hnojiva 1 % veškeré energie vyrobené lidstvem - výroba NH 3 V odpadních vodách - většina v močovině: Velmi dobře přijatelné rostlinami 5-31
RECYKLACE N A P CENTRÁLNÍ ČOV Problém centralizovaného čištění naředění Lepší použít oddílnou kanalizaci (bez naředění srážkovou vodou) Akumulace moči a separátní čištění na ČOV (vypouštění v noci, svoz cisternami) Kapalný zahuštěný nebo sušený kal z čištění OV obohacený fosforem je přímo aplikován na pole z biologického nebo chemického odstraňování fosforu Nevýhody: kal může obsahovat i nežádoucí látky cena za transport je vysoká potřeba velkých skladovacích prostor nízká recyklace dusíku požadovaná hygienizace kalu zvyšuje náklady 5-32
RECYKLACE N A P PLNĚ DECENTRALIZOVANÉ KONCEPTY Malý uzavřený koloběh nutrientů lze realizovat jen ve venkovských oblastech při finálním zemědělském použití Potřebná plocha zemědělské půdy : 200 500 m 2 /osobu 5-33
RECYKLACE N A P A. Z koncentrovaných vod Srážení fosforečnanu vápenatého Přídavek vápna, sedimentace PO 4 3- + Ca(OH) 2 + H 2 O CaHPO 4 + 3 OH - Srážení struvitu Přídavek Mg 2+ (MgCl 2 ), sedimentace NH 4 + + PO 4 3- + Mg 2+ + 6 H 2 O MgNH 4 PO 4. 6 H 2 O Destilace/stripování amoniakálního dusíku Prohánění proudem plynu (vzduch, spaliny, ) Energeticky náročné 5-34
RECYKLACE N A P B. Z naředěných, předčištěných vod Iontová výměna anex: PO 4 3-3 OH - katex (např. přírodní zeolit): NH 4+ Na + regenerace ionexu zakoncentrování např. srážení Membránové technologie (separační) Mikrofiltrace separace NL, biomasy Ultrafiltrace separace NL, biomasy Nanofiltrace separace makromolekul Reversní osmóza separace iontů 5-35 Zatím záležitost výzkumu
RECYKLACE N A P B. Z naředěných, předčištěných vod Přenos nutrientů do rostlin Vegetační/kořenové čistírny: mají obvykle malou účinnost N cca 9 %, P cca 7 % Okřehek (duckweed) V sušině 30-40 % proteinů Lze využít ke krmení ryb, domácích zvířat 5-36
PŘÍMÉ POUŽITÍ VOD K ZÁVLAHÁM Rozvojové země nečištěné OV, po mechanickém předčištění, po anaerobním čištění Rozvinuté země s nedostatkem vody Vyčištěné vody, membránová filtrace, desinfekce, 5-37
PŘÍMÉ POUŽITÍ VOD K ZÁVLAHÁM Pro Možnost snížit deficit vody, zvýšit zemědělskou produkci, resp. kvalitu krajiny Možnost využití N,P,K Proti Riziko zasolení půd (Na, Se, B) Riziko zbytků léčiv a kosmetických produktů 5-38
PŘÍMÉ POUŽITÍ VOD K ZÁVLAHÁM Většina zemí legislativně upravuje pravidla použití OV k závlahám minimalizace rizik Kvalitativní limity (BSK 5, NL, konc. koliformních baktérií, rozpuštěný kyslík apod.) Agrotechnická pravidla typy plodin, doba (jak dlouho před sklizní), způsob (povrchové x podpovrchové závlahy) Způsob zabezpečení, skladování vod 5-39
VYUŽITÍ VYČIŠTĚNÉ ODPADNÍ VODY Užitková voda požární nádrže, čištění vozovek, splachování WC Infiltrace doplňování podzemních vod Průmyslové využití chladicí vody, výroba betonu, Použití pro rekreaci rybníky pro vodní sporty, výroba sněhu V budoucnu nevyhnutelný alternativní zdroj pitné vody 4-40
VYUŽITÍ VYČIŠTĚNÉ ODPADNÍ VODY JAKO PITNÉ VODY Již realita (např. Singapore) Projekt NEWater 4-41
K ZAPAMATOVÁNÍ Pro účinnou recyklaci cenných látek je nutná separace proudů OV Hlavní recyklovatelné složky splaškových OV: Energie, Dusík Fosfor Voda 2-42