Čistírenství a vodárenství Syllabus •Typy a zdroje odpadních vod •Komunální odpadní vody •Typy technologii •Biotechnologie –Nativní postupy –Biotechnologické postupy •Aerobní a anerobní postupy •Chemické a fyzikální metody • Syllabus - vodárenství •Zdroje surové vody •Hygienické a ekologické požadavky na zdroje •Technologie přípravy, dopravy a skladování pitné vody •Rizika – hygienické požadavky, možnosti přenosu patogenů Typy odpadních vod •Hnilobné odp. vody – biochemicky rozložitelné látky •Toxické odp. vody •Odp. vody s anorganickými kaly •Oteplené vody •Radioaktivní vody •Odp. vody s patogenními zárodky Zdroje odpadních vod •Plošné a liniové – zemědělství a doprava •Bodové –Průmyslové odpadní vody •Výrobní závody – strojírenství, chemický průmysl •Těžební průmysl a stavebnictví •Transportní průmysl – (depa, opravny aj.) •Skládky prům- a chem. odpadů –Zemědělské odpadní vody •Objekty a činnost •Skládky - hnojiště, siláže, atd. –Komunální odpadní vody •Aglomerace – sídla •Drobný potravinářský průmysl •Skládky komunálního odpadu • Průměrné složení komunálních odpadních vod Koncentrace (mg.l-1) Celkové množství nerozpuštěných látek Rozpuštěných Fixovaných Těkavých Suspendovaných Fixovaných Těkavých BSK CHSK Celkový organický uhlík (TOC) Dusík (jako N) Organický N Volný amoniak Dusitany Dusičnany Fosfor (jako P) Organický P Anorganický P Tuky 700 500 300 200 200 50 150 300 400 200 40 15 25 0 0 10 3 7 100 Produkce znečištěnin na ekvivalentního obyvatele Ukazatel znečištění Jednotka Hodnota Nerozpuštěné látky g 55 BSK5 g 60 CHSK g 109 Corg g 40 BSK5/CHSK - 0,55 Corg/CHSK - 0.37 BSK5/Corg - 1,50 Celkový N g 12 Celkový P g 2-4* Extrahovatelné látky g 15 * V závislosti na spotřebě syntetických detergentů Jakost vod – biochemické znečištění •Fyzikálně-chemický rozbor vod – časově, technicky a ekonomicky náročný – výsledky poplatné systému vzorkování •Biochemické stanovení – biochemická spotřeba kyslíku – biochemická (extracelulární) aktivita bakteriálních (houbových) enzymů •Biomonitoring Základní dělení •Mechanické čištění odpadních vod •Chemické čištění průmyslových odpadních vod •Biologické (biochemické) čištění odpadních vod –Přirozené (nativní) metody –Biotechnologické metody Mechanické čištění odpadních vod •Gravitační metody –Sedimentační nádrže, dosazovací nádrže, lapoly •Filtrační metody –Hrubá filtrace – česla, síta –Jemná filtrace – štěrkové a pískové filtry –Ultrajemná filtrace – membránové filtry Chemické čištění průmyslových odpadních vod •Neutralizační reakce •Srážecí reakce •Adsorpce a absorpce •Flotační metody •Iontové metody • Biologické (biochemické) čištění odpadních vod •Nativní - přírodní metody –Půdní filtrace •Velmi omezené užití, vhodná půda (štěkopísky), riziko ohrožení podzemních vod – RTEmagicC_zemni_filtr –Závlahy •Metody: –Podmok – velmi podobné půdní filtraci, zavedení vody např. do drenážního systému –Přeron – povrchové rozvedení vody např. závlahovým systémem –Výtopa a postřik (zatopení plochy a nebo využití závlahových systémů) •Velká plocha v desítkách ha •Možné využití na dočištění odpadních vod s velkým obsahem živin •Riziko havárii – náhlý přeron a místní bodové znečištění •Orná půda – 30m3/den •Louky až 90m3/den Nádrže - rybníky •Akumulační rybníky –Kampaňové vody, bezodtokový systém –Vývoj: sedimentace – anaerobie; vytvoření eufotické zóny – sinice a řasy – aerobní vrstva; rozvoj fyto a zooplanktonu; možnost nasazení ryb. •Asimilační rybníky –Odtokový systém, trvale ztěžování odpadními vodami, nutné mechanické předčištění, riziko místní a celkové anoxie, udržování chemismu vody (amoniak, vápník, pH), velikost a složení rybí obsádky •Stabilizační (Pytlíkovy) rybníky –Soustava nádrží – sedimentační, asimilační, dočišťovací – produkční rybník; trvalé sledování a údržba, velkost a složení rybí obsádky Asimilační nádrž skenovat0086a RTEmagicC_cisteni_odpadnich_vod Stabilizační rybníky SNschema Biologicka_nadrz Vegetační čistírny •Čistírny s natantní nebo submerzní vegetací –Okřehky (Lemna sp.), tokozelka nadmutá (Eichhornia crasipes) –Biokoncentrace kovů, odstraňování živin, akumulace některých organických polutantů –Pravidelné odebíraní vegetace, údržba a dávkování (složení vody) –Likvidace sklizené vegetace skenovat0082a Vegetační čistírny •Kořenové čistírny (vždy nutné mechanické předčištění) –Typ Seidel •Nádrž z pevným dnem, náplň štěrkopísek, hl. do 1m, •Osázení: Rákosy, skřípince, orobince, kosatce – nutná pravidelná sklizeň •Účinnost srovnatelná s aktivací v BSK5 a CHSK •Nitrifikace jen částečná, defosforylace žádná •Při dočišťování – spotřeba živin N, P skenovat0083a •Kořenové čistírny –Typ Kickuth •Využití původního mokřadu a písčitých a štěrkopísčitých půdách •Porost přirozený – rákos, orobince •Aerobní zóna podél kořenů – nitrifikační zóna •Anaerobní zóna – denitrifikace •Neodebírá se úroda, v suchém materiálu depozice živin •Účinnost zaleží na obsluze a klimatu •1 ekv. Obyvatel 2 – 3 m3, tj. obce nad 5 tis. Obyvatel – velikost čistírny 10 – 15 tis m3 kore1 korenova_cistirna kore2 Účinnost kořenových ČOV Parametr přítok (mg/l) odtok (mg/l) účinnost (%) K BSK5 160 15,3 86,1 38 CHSK 352 60,0 75,9 30 NL 165 14,5 82,3 38 Pcelk. 5,8 2,95 42,4 21 Ncelk. 54,2 27,0 42,6 14 NH4+-N 30,9 18,4 33,6 25 NO3--N 6,9 4,6 25,8 10 •Výhody •nízké provozní náklady •nízké energetické požadavky •mohou být postaveny u zdroje odpadní vody •více flexibilní a méně náchylní na náhlé přetížení •biomasa se může sklízet na krmivo pro zvířata nebo do kompostu •sklizená biomasa může být využita jako palivo •Nevýhody •vyžadují velké zábory půdy •není využití pro velké objemy odtoků •snížená schopnost provozu v zimě •malá kapacita pro odstranění patogenů na výtoku •mohou být náchylné na vysoké hladiny polutantů jako např. toxické kovy Biotechnologické metody •Aerobní procesy –Biologická skrápěná tělesa – biofiltry –Biodiskové čistírny –Aktivační čistírny •Anaerobní precesy –Stacionární systémy – žumpy, septiky, emšerské studny…… –Vyhnívací reaktory • Principy aerobního rozkladu •Trvalá přítomnost rozpuštěného O2 – optimálně do 2 mg/l •Dva stupně –Bioticko - oxidační rozklad organických látek za produkce CO2 a H2O – karbonizační stupeň –Biotická oxidace NH4 iontů na NO2, NO3 – nitrifikační stupeň •Razantní spolupůsobení různých kmenů aerobních hub, bakterii, prvoků a i vyšších organismů Rozložitelnost organických látek cist187 Parametry biochemického rozkladu cist188 Aktivace – aktivovaný kal cist189 cist190 cist191 cist192 cist193 • • • cist194 • • • • cist185 • • Odstraňování fosforu – kombinace anaerobních a aerobních procesů Anaerobní způsoby čištění komunálních odpadních vod •Extenzivní způsoby –Žumpy –Septiky •Intenzivní způsoby –Přímé čištění odpadních vod –Likvidace – mineralizace kalů z ČOV cist195 Methanové bakterie cist196 Podmínky procesů cist197 cist198 Biologický septik • • • Chemicko – fyzikální čištění odpadních vod •Vody s vysokým obsahem inhibujících nebo toxických látek •Vody biochemicky nečistitelné – hodnoty BSK významně menší než hodnoty CHSK •Vody obsahující choroboplodné zárodky Flotační čístírny •Flotace je separační proces, používaný pro oddělení dispergovaných částic z kapaliny, při které se tyto částice spojují s mikrobublinami plynu za vzniku flotačních komplexů lehčích než voda a vynášených tedy k její hladině. Dispergované částice mohou být tuhého i kapalného skupenství, tedy tvořící suspenze nebo emulze. Vzniku mikrobublin (optimální velikost 10 až 100 µm) dosáhneme různými způsoby, mezi hlavní patří: •snížení tlaku v systému = vakuová flotace •jemnobublinné provzdušnění = volná flotace •expanze vody nasycené vzduchem při zvýšeném tlaku = tlaková flotace •denitrifikační pochody v biomase za vzniku plynného dusíku = biologická flotace •přídavek chemikálií uvolňujících plyn = chemická flotace •elektrolýzou vody = elektroflotace Filtrační metody •Jako filtraci označujeme proces, při němž jsou částice zachycovány na přepážce nebo ve vrstvě materiálu. Nutnou podmínkou je průchodnost disperzního materiálu (např. vody) přes filtr. Při filtraci nedochází zpravidla k chemické reakci mezi filtračním materiálem a látkami disperzního prostředí. Filtrací lze z vodné (kapalné) disperze odstranit částice suspendované, příp. emulgované, tedy větší než cca 1 µm. Při tom se rozlišují podle veliosti průlin, určujících průchodnost částic česle a síta (> 1 mm), mikrosíta (> 10 µm) a mikrofiltry (> 0.1 µm). Speciálními filtračními postupy s použitím polopropustných membrán lze docílit zachycení částic řádově menších. U mikrofiltrace bývá velikost částic zachycených na mikrofiltrech cca od 1 µm. Pro poměrně velký odpor filtračního média je třeba použít při filtraci zvýšený tlak. U mikrofiltrů probíhá filtrace ve filtrační vrstvě, tvořené různými materiály. •Dělící metody na principu polopropustných membrán –Základem těchto postupů jsou polopropustné membrány, propouštějící molekuly vody (disperzum) a podle typu membrán pak jen další částice určité velikosti nebo určitého elektrického náboje. V přírodě jsou takovými membránami buněčné blány organizmů. Pro účely uvedené níže jsou vyráběny uměle. •Ultrafiltrace –je vhodná pro zachycení částic od cca 5 µm do 0,1 µm, což odpovídá molekulám o molekulové hmotnosti od 10 000 do 100 Da. Je tedy vhodná pro čištění koloidních roztoků, např. olejových emulzí, pro separaci hydroxidů kovů, vyloučených v koloidní formě apod. Podobně jako u mikrofiltrace je principem separace tzv. screeningový efekt, tj. mechanické zachycení částic větších než je velikost pórů. •Nanofiltrace –Je vhodná pro zachycení částic velikosti přibližně od 1 do 10 nm, odpovídající relativní molekulové hmotnosti 200 až 20 000 Da, tedy řady rozpustných organických sloučenin, jako jsou cukry a částečně i soli. Propustnost solí je výrazně vyšší než u reverzní osmózy. Sedimentace •Teoreticky lze sedimentací separovat částice větší než 4 µm, u nichž ustává Brownův pohyb. Prakticky lze použít sedimentaci pro separaci suspendovaných částic větších než 10 µm, spíše však větších než 50 µm. V technologii vod se rozlišují suspenze tvořené z částic zrnitých a vločkovitých. U prvých nemění částice při usazování svůj tvar; patří sem suspenze hlinito-jílovitých částic, kaolinu, uhelného prachu, částic rudy a některé anorganické sraženiny, jako je CaCO3. U vločkovitých suspenzí netvoří pevné částice s kapalinou ostré rozhraní. Na částici v klidné kapalině působí proti sobě síly: –1) tíhová –2) vztlaková (dle Archimedova zákona) •Podle výsledné síly se částice pohybuje - je-li hustota větší než je hustota kapaliny, sedimentuje, je-li menší, pohybuje se směrem k hladině (flotuje). Při těchto pohybech na ni působí další síla - tření, a to opačného směru než je pohyb částice. Výsledná síla při sedimentaci: –F = Fg - Fv - Fr = Vs . g (rs - rf) - Fr ; •kde Fg je síla gravitační, Fv je vztlak, FR je tření odporem prostředí, Vss je objem suspendované částice, g je gravitační zrychlení [9,81 m.s-1], rs je hustota suspendované částice, rf je hustota vody (kapaliny). Stripování •Stripováním jsou z kapaliny odháněny proudem procházejícího plynu těkavé látky. Pro tento účel lze použít vzduch, kouřové plyny a vodní páru. Stripováním lze odstranit z vody těkavé látky: –a) organické •alifatické a aromatické uhlovodíky •jejich chlorované a nitrované sloučeniny •fenoly a jejich deriváty •pesticidy –b) anorganické sloučeniny v jejich nedisociované formě •amoniak, sulfan, oxid uhličitý, kyanovodík Další metody •Chemická koagulace nebo čeření –Používá se pro odstranění jemně dispergovaných (koloidních) částic (jemná vlákna a barviva v textilním a papírenském průmyslu, olejové emulze atd.). •Sorpční pochody –Jako sorbentů se využívá aktivní uhlí, škvára, popílek •Extrakce –Extrakce je postup, kterým se z jedné kapaliny převádí látka do jiné kapaliny na základě rozdílné rozpustnosti této látky v obou kapalinách. Jednou kapalinou bývá obvykle vodný roztok, druhou jiné rozpouštědlo, zpravidla organické, které se s vodou nemísí, což je podmínkou úspěšně extrakce. Čím je rozpustnost látky v tomto rozpouštědle větší než ve vodě, tím je extrakce účinnější. –Protřepeme-li vodný roztok látky s extrahovadlem, dojde k rozdělení látky mezi extrahovadlo a vodu v poměru, který vyjadřuje tzv. rozdělovací koeficient: Kr = ce/cv1 ; •kde ce je koncentrace látky v extrahovadle a cv1 je koncentrace látky ve vodném roztoku. Čiření •Čiření je proces používaný pro odstranění koloidních, příp. jemně suspendovaných částic z vody. Jeho podstatou je převedení malých částic na větší, které lze separovat sedimentací, filtrací apod. Tohoto cíle se dosáhne destabilizací koloidních částic a vytvořením podmínek pro jejich spojování (aglomeraci). Prostředkem k tomu je přídavek sloučenin zvaných koagulanty a proces destabilizace se nazývá koagulací. Koagulanty, příp. produkty vzniklé jejich reakcí s vodou mají koloidní charakter a za vhodných podmínek se shlukují neboli koagulují spolu s koloidními a suspendovanými částicemi obsaženými ve vodě za vzniku hrubé disperze, z níž lze suspendované částice odstranit mechanickými způsoby. Aglomerace koloidních částic do mikrovloček a následně do objemných vloček se nazývá flokulace. Lze ji urychlit přídavkem látek, zvaných flokulant neboli pomocné koagulanty. Často se celý proces koagulace, flokulace a separace nazývá čiření nebo koagulace. –Nejobvyklejší anorganické koagulanty jsou soli železa a hliníku. jejich přídavkem do vody dochází k hydrolýze za tvorby příslušných hydroxidů: •Fe3+ + 3 H2O = Fe(OH)3 + 3 H+ •Al3+ + 3 H2O = Al(OH)3 + 3 H+ •Fe2+ + 2 H2O = Fe(OH)2 + 2 H+ •Obvyklými koagulanty, používanými při chemickém čiření jsou: síran hlinitý Al2(SO4)3.18H2O, síran železitý (obchodní název Prefloc) Fe2(SO4)3.9H2O, bezvodý chlorid železitý FeCl3 aj. Neutralizační čistírny •Čištění kyselých nebo zásaditých odpadních vod; přídavek činidla opačných vlastností upravuje reakci vody (pH) do normálních mezí. Častěji se vyskytují kyselé odpadní vody, které se obvykle neutralizují přídavkem vápna ve formě vápenného mléka. Neutralizační čistírny se využívá i při čištění odpadních vod z povrchových úprav kovů, kde se nejedná pouze o úpravu pH, ale též o odstranění toxických kyanidů a těžkých kovů. Odpadní vody vypouštěné do veřejné kanalizace a do recipientů nesmí být ani příliš kyselé ani příliš zásadité. Rozsah povoleného pH bývá od 6,0 do 8,5 až 9,0. Pokud odpadní vody tento požadavek nesplňují, musí být předem neutralizovány. Neutralizační reakci lze vyjádřit rovnicí: –HX + BOH = H2O + BX; •kde HY je kyselina a BOH je zásada. Produktem neutralizace je tedy voda a sůl. •Neutralizační stanice pracují na principu –(1) odstavném - neutralizace se provede jednorázově v nádrži, jejíž obsah se pak vypustí nebo –(2) průtočném - neutralizace probíhá v průtočné nádrži průběžným přidáváním neutralizačních činidel. •Běžná je neutralizace kyselých vod vápencem CaCO3, magnezitem MgCO3, dolomitem CaCO3.MgCO3 a páleným dolomitem CaCO3.MgO. Podstatou probíhajících chemických reakcí je vytěsnění slabé kyseliny uhličité z uhličitanu působením silnější kyseliny obsažené ve vodě: –CaCO3 + 2H+ = Ca2+ + H2O + CO2 •Analogicky reaguje magnezit a dolomit. Složka páleného vápence MgO reaguje takto: –MgO + 2H+ = Mg2+ + H2O Srážecí reakce •Srážecími reakcemi lze převést některé látky z rozpuštěné formy do formy nerozpustné a pak je separovat od kapalného prostředí sedimentací, filtrací apod.. K vysrážení látky z vodného roztoku dochází z různých příčin. Např. bílkoviny při zvýšené teplotě, při změně pH koagulují a vyloučí se z roztoku. U anorganických sloučenin je nejčastější příčinou jejich vysrážení překročení tzv. součinu rozpustnosti, což je násobek molárních koncentrací v roztoku přítomných iontů, tvořících sloučeninu. •Běžné je srážení fosforečnanů. Pro jejich odstranění z vod se nejčastěji používá přídavek železité nebo hlinité soli, tvořící málo rozpustné fosforečnany FePO4, resp. AlPO4. V případě, že je voda dobře provzdušňována, lze použít rovněž železnatou sůl (síran), čímž je Fe(II) oxidováno na Fe(III). Voda nesmí být příliš kyselá, neboť z kyselých roztoků se fosforečnany nevysrážejí. Vhodné je pH 8 až 9. Při vysoké koncentraci OH- však dochází k vytěsňování fosfátových iontů ze sraženin do roztoku: –FePO4 + 3 OH- = Fe(OH)3 + PO43- –AlPO4 + 3 OH- = [Al(OH4)]- + PO43- • Jako srážedla se používají nejčastěji síran nebo chlorid železitý, síran hlinitý, síran železnatý a hlinitan sodný. Všechny uvedené soli s výjimkou poslední okyselují vodné roztoky vlivem hydrolýzy, naopak přídavek hlinitanu alkalizuje roztok. Ionexy •Jedná se o látky, které z roztoků diferencovaně zachycují určité látky (jejich ionty). Měniče iontů (ionexy) jsou vysokomolekulární látky, nesoucí na svém skeletu funkční skupiny, které jsou disociovatelné. Při disociaci těchto funkčních skupin se uvolňují jednoduché ionty, zvané protionty, kdežto funkční skupiny jsou pak nabity nábojem opačným. Protionty jsou ke zbytku ionexu, nesoucího funkční skupiny, vázány nepříliš pevnými vazbami opačných elektrických nábojů a jsou za vhodných podmínek vyměnitelné za jiné ionty, obsažené ve vodném roztoku, s nímž je ionex ve styku. Ionexy se dělí na: • –a) katexy - u nichž je protiontem kation (nabitý kladně - obvykle H+, Na+) –b) anexy - u nichž je protiontem anion (nabitý záporně - obvykle OH-, Cl-) Osmotické metody •Reverzní osmóza –Reverzní neboli vratná osmóza je tlakový membránový proces pro oddělení částic v rozsahu 0.1 až 1 nm. Nutná tlaková diference před a za membránou je 1 až 10 MPa. Separační mechanizmus je založen na rozdílech v rozpustnosti a difúzi rozpouštědla a rozpuštěných látek v membráně. V ideálním případě propouští membrána jen rozpouštědlo. •Dialýza –Principem dialýzy je prostup malých molekul a iontů membránou vlivem koncentračního rozdílu na obou stranách membrány. Slouží především k oddělení solí - soli procházejí membránou do ředícího roztoku, v němž musí být udržována jejich nízká koncentrace. Dialýza tedy slouží k oddělení nízkomolekulárních látek, nikoliv k jejich zakoncentrování. •Elektrodialýza - využívá bipolárních membrán, tj. membrán propouštějících selektivně jen kationty nebo jen anioty.