4.2.1. Čištění odpadních vod
Odpadní vody se zpracovávají způsobem odpovídajícím typu a míře znečištění a účelu, pro který jsou určeny. Většinou je cílem procesu snížení znečištění tak, aby bylo možno vodu vypustit do recipientu – vodního toku či nádrže. Pro tento účel je třeba sledovat některé parametry charakterizující míru znečištění. Pro vypouštění do recipientu pak tyto parametry musí splňovat patřičné limity, které jsou ovlivňovány též kapacitou recipientu (tok s vysokým průtokem lze zatížit větším množstvím znečištěnin a naopak), to závisí na jeho samočisticí schopnosti. Znečišťující látky charakterisujeme kvalitativně způsobem uvedeným v tabulce I.
Tab I. Charakter znečišťujících látek v odpadních vodách
Označení skupiny
Znečišťující látky
Příklady
1
rozpuštěné
ve filtrátu za filtrem,4mm
1.1
organické
1.1.1
biologicky rozložitelné
cukry, mastné kyseliny
1.1.2
biologicky nerozložitelné
azobarviva
1.2
anorganické
těžké kovy, sulfidy
2
nerozpuštěné
2.1
organické
2.1.1
biologicky rozložitelné
škrob,baktérie
2.1.2
biologicky nerozložitelné
papír, plasty
2.1.3
usaditelné
celulosová vlákna
2.1.4
neusaditelné
baktérie, papír
2.1.4.1
koloidní
baktérie
2.1.4.2
plovoucí
papír
2.2
anorganické
2.2.1
usaditelné
písek, hlína
2.2.2
neusaditelné
brusný prach
Chemicky a biologicky rozložitelné látky kvantitativně vyjádříme pomocí parametrů chemická spotřeba kyslíku - ChSK (v angličtině COD) a biochemická spotřeba kyslíku BSK5 (BOD5). Látky jsou kvantifikovány sumárně podle množství kyslíku potřebného k jejich dekomposici chemickým způsobem nebo biochemickými oxidačními pochody prováděnými (mikro)organismy. Dalším důležitým parametrem je množství amoniakálního a celkového Kjeldahlova dusíku (tj. v redukované formě) – TKN, koncentrace dusičnanů, dusitanů, pH a případně speciální prametry jako jsou residua toxických a nebezpečných látek:
Tab. II. Příklady nebezpečných odpadních látek
původ odpadů
složení odpadů
chemický průmysl
areny, fenoly, sirouhlík, tetrachlormetan, kyanidy, Pb, As, Hg, Cd
papírny a výroba buničiny
lignosulfonáty, chlorligniny, formaldehyd, merkaptany, fenoly
moření a kožedělný průmysl
fenoly, Cr, Fe
zušlechťování kovů
kyanidy, Cu, Ni, Zn, Cr, Fe
výroba plastů a gumárenství
trichloretylen, ani1iny, areny
výroba explozivních látek
trinitrotoluen, nitroguanidin, kyselina pikrová, Cu
farmaceutický průmysl
anilíny, fenoly, formaldehyd
zpracování ropy a petrochemie uhlovodíky (včetně polycyklických aromátů), merkaptany, sulfan zemědělství
pesticidy (herbicidy, insekticidy, fungicidy),fenoly, As, Pb
těžba a zpracováni uhlí
uhlovodíky (včetně polycyklických aromátů), pyridiny
spalování (obecně)
oxidy síry, oxidy dusíku, CO
jaderný průmysl
radionuklidy (U, Sr, Cs, Ra, Pu, Ru, Co,Ce, Y, Ru)
textilní průmysl
anilíny, azosloučeniny, nitrily, ketony
Složení odpadních vod odpovídá po kvalitativní a kvantitativní stránce svému původu. Podle něj rozdělujeme vody na komunální, zemědělské a průmyslové. Poslední skupina je značně různorodá a charakter odpadních vod kolísá podle typu průmyslu, kde byly vyprodukovány. Pro komunální a zemědělské vody je charakteristické znečištění biologicky dobře odbouratelné – běžné odpadní látky živočišného metabolismu. U zemědělských vod se mohou někdy objevit i nebezpečné látky – viz tabulka II. Z průmyslových odpadních vod mají nejblíže zemědělským a komunálním vody z potravinářského průmyslu. Pro jiná odvětví jsou pak charakteristické látky méně snadno biologicky odbouratelné, mnohdy nebezpečné – viz tabulku II. Charakter znečišťujících látek ovlivňuje způsob čištění odpadních vod. V tabulce III. je stručný přehled užívaných způsobů s přihlédnutím k typu znečištění. Konkrétní provedení je obvykle kombinací několika způsobů, univerzální např. je mechanické čištění předcházející hlavnímu procesu (česle a usazováky) i závěrečné čištění pomocí usazování na konci procesu. Ten spočívá většinou v biochemickém odbourání znečištěnin i v případě Tab. III. Procesy čištění odpadních vod a skupiny znečišťujících látek, pro jejichž odstranění se daný proces nejčastěji používá Procesy Mechanické procesy Cezení (česle) Usazování (usazovací nádrže) Centrifugace (centrifugy) Flotace(flotační nádrže) Filtrace (pískové filtry, síta) Chemické a fyzikálně chemické procesy Čeření(koagulace a srážení) Neutralizace, oxidace a redukce Sorpční procesy (aktivní uhlí aj.) Procesy založené na výměně iontů Extrakce (např. fenol) Odpařováni, spalování (silně koncentrované odpadní vody) Vyváření Biologické procesy aerobní Biologické filtry, zakotvené systémy Aktivace Stabilizační nádrže a laguny Biologické procesy anaerobní Metanizace
Skupiny znečišťujících látek odstraňovaných(viz tab. I) 2.1.2;2.1.4.2 2.1.3;2.2.1 2.1.2;2.2.1 2.1.3;2.2.1 2.1;2.2 1.2;2.1;2.2 1.2 1.1.2;1.2 1.2 1.1.1;1.1.2 1.1.2 1.2 1.1, 1.2, 2.1.1 1.1.1, 1.2, 2.1.1 1.1.1, 1.2, 2.1.1 1.1.1, 2.1.1
obtížně metabolizovatelných látek, někdy se opět kombinuje s odstraněním např. těžkých kovů nebo jiných látek, které by mohly usmrcovat organismy zajišťující vlastní čisticí proces. Biologické způsoby čištění odpadních vod jsou vlastně intensifikací přirozených způsobů rozkladu organických látek. Uměle je provádíme v kompaktním zařízení (nádržích apod.) a vytváříme podmínky pro co nejefektivnější průběh. Z uvedených způsobů se nejčastěji používají aerobní způsoby. Jsou sice nákladnější než anaerobní, ale zato rychlejší a více universální. Z možných provedení je to pak způsob aktivační. Jeho základem je aktivační nádrž obsahující tzv. aktivovaný kal, vločkovité shluky obsahující konsorcium jedno- i vícebuněčných organismů (bakterie, vláknité mikroorganismy, houby, prvoky, červy aj.). Nádrží protéká odpadní voda rychlostí odpovídající objemu nádrže tak, aby průměrná doba jejího zdržení v nádobě postačovala k požadovanému vyčištění. Systém je promícháván a dobře provzdušňován výkonnými aerátory (s výjimkami uvedenými dále), aby byl zajištěn dostatečný přísun kyslíku pro aerobní procesy a aktivovaný kal udržován v suspendovaném stavu. V řadě případů stačí takový jednoduchý systém (jednokalový a jednostupňový) k dostatečnému aerobnímu odbourání uhlíku i dusíku. Většina uhlíku je využita jako zdroj energie, menší část se využije k tvorbě biomasy a růstu (aktivovaného kalu přibývá). Dusík je částečně asimilován, část podléhá nitrifikaci, ta však není dostatečně účinná při vysoké koncentraci organického uhlíku. Při méně příznivém složení odpadní vody (nadbytek dusíku) je takový jednoduchý systém málo účinný ve smyslu nitrifikace a je nutno jej upravit přidáním samostatného nitrifikačního stupně (dvoustupňový systém jedno- nebo dvoukalový). Dusičnany a dusitany produkované při nitrifikaci (event. přítomné již v primární odpadní vodě) podléhají redukci mechanismem nitrátové respirace (disimilační denitrifikace). Také tento pochod nemusí být vždy dostatečně účinný a technologie se případně musí upravit na třístupňový systém s anoxickým denitrifikačním stupněm. Nejefektivnější z hlediska nákladů jsou procesy nejjednodušší. Proto záleží na výběru vhodné technologie pro daný typ odpadní vody, aby systém byl účinný a přitom ekonomický. Někdy lze 3. stupeň nahradit recyklací, vhodná volba koncentračních poměrů, přídavků živin (HCO3- pro nitrifikační bakterie) a další úpravy mohou zefektivnit a zjednodušit proces, což se projeví i v nákladech. Problémem někdy může být snižování množství aktivního kalu, který se vyplavuje z nádrží. Lze to napravit jednak jeho recyklací nebo použitím nosičů kalu. Vhodný materiál (práškové aktivní uhlí, plastové textilie Vedle nejobvyklejšího aerobního způsobu čištění odpadních vod biologickou aktivací se dají využít ve speciálních případech jiná provedení. Levné avšak méně účinné jsou zakotvené systémy jako rotující disky, které jsou spodní částí ponořena do nádrže s protékající odpadní
vodou. Jejich povrch je porostlý tenkou vrstvou mikroorganismů, které čerpají z vody živiny v době, kdy jsou ponořeny a kyslík když jsou v kontaktu se vzduchem. Výhodou jsou nízké náklady (odpadá intensivní vzduchování), účinnost je však malá. Jiným zakotveným systémem jsou biofiltry, kdy voda protéká vrstvou pórezního materiálu porostlého vrstvičkou mikroorganismů. Malý přístup kyslíku nedovoluje zatížit takový systém větším množstvím ChSK. Stabilizační nádrže a laguny mají rovněž malé energetické nároky, pomalá disfuse kyslíku vyžaduje dlouhé doby zdržení (tzn. velký objem nádrží). Při vyšších koncentracích ChSK či BSK hrozí vyčerpání kyslíku a přechod do anaerobního procesu (hnití). Efektivním procesem může být anaerobní způsob čištění odpadních vod. Organický uhlík je odbouráván působení metanogenních bakterií. Ty využívají pro nezbytné oxidační pochody místo kyslíku výše oxidované organické sloučeniny jako formaldehyd nebo kyselina mravenčí za produkce metanu, dokáží redukovat i H+ na H2. Dalšími produkty jsou redukované sloučeniny dalších prvků – amoniak a sulfan. Tento způsob je málo energeticky náročný, naopak plynné produkty mohou být využity jako doplňkový zdroj energie (bioplyn). Probíhá však pomaleji a technologickým problémem může být kontinuální průtokové uspořádání. Anaerobní způsob je vhodný jen pro některé druhy odpadních vod, např. zemědělské s vyšší koncentrací uhlíku. Užíván je také k degradaci tuhých a polotuhých odpadů vč. odpadních aktivovaných kalů z aktivačních procesů (tzv. stabilisace kalu).
