CORE022 – Biochemie v běžném život1 Biochemie a ekologické problémy industriální společnosti Doc. Jan Lochman CORE022 – Odpadní vody2 Odpadní vody ̶ Centrální postavení kapalných odpadů ̶ Charakteristika čistoty • Relativita pojmu - účel • Znečištění (obsah polutantů – kvantitativně i kvalitativně) ̶ Parametry kvality ̶ Fyzikální, chemické, (mikro)biologické ̶ Obecné – pH, tvrdost, ionty atd. ̶ Zvláštní – CHSK (chemická spotřeba kyslíku), BSH5(biochemická spotřeba kyslíku) ̶ Speciální – pesticidy, uhlovodíky (zvl. halogenované) CORE022 – Odpadní vody3 Čištění odpadních vod - Účel – dosáhnout požadovaných parametrů - Způsoby – i v kombinaci • Biologické (biochemické) • Chemické • Fyzikální - Typy biochemických procesů • Aerobní • Anaerobní (tvorba bioplynu) - Výběr podle typu znečištění • Další požadavky – rychlost, cena apod. CORE022 – Odpadní vody4 Druhy odpadních vod ̶ Splaškové a městské odpadní vody • odpadní vody z domácností, škol, stravovacích zařízení, ubytovacích zařízení, firem, státních institucí, veřejných míst • silným zákal, šedá až šedohnědá barva ̶ Průmyslové odpadní vody • Technologické vody • Chladící vody • Splaškové vody • Srážkové vody • Podzemní vody z hydrogeologické ochrany • vlastnosti jsou dány především druhem závodu a jeho velikostí CORE022 – Odpadní vody5 Skupiny znečišťujících látek Znečištující látky Příklady Rozpuštené (látky, které projdou filtrem o velikosti póru 4 µm) organické biologicky rozložitelné cukry, mastné kyseliny biologicky nerozložitelné azobarviva anorganické težké kovy, fosforecnany, sulfidy, amonné ionty Nerozpuštené organické biologicky rozložitelné bakterie škrob biologicky nerozložitelné papír, plasty usaditelné celulosová vlákna neusaditelné bakterie, papír koloidní bakterie plovoucí papír usaditelné hlína písek neusaditelné brusný prach CORE022 – Odpadní vody6 Procesy čištění odpadních vod ̶ Podmínky pro splnění a účinnost čistícího procesu: • Proces čištění musí být účinný • Proces by měl být ekonomicky uspokojivý • Proces by neměl být příliš energeticky náročný • Při procesu by se do čištěné odpadní vody neměly přidávat další znečišťující látky (př. anorganické soli nebo organické látky) CORE022 – Odpadní vody7 Procesy čištění odpadních vod 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 CORE022 – Odpadní vody8 Aerobní čistírny OV ̶ První mechanická fáze se nazývá předúprava ̶ štěrková komora pro usazování písku z vody ̶ tyčová sítá (česle) k odstranění velkých předmětů ̶ lapáky písku a štěrku, lapáky tuků ̶ Primární čištění ̶ sedimentace v usazovacích nádržích ̶ po primárním čištění klesne úroveň znečištění odpadních vod na 60 % ̶ usazený kal jde jako primární kal do methanizační nádrže ̶ Sekundární (biologické) čištění ̶ založeno na přírodních procesech (bakterie, houby, prvoci) ̶ biologické odbourání organických látek (uhlík, fosfor) ̶ odumřelé bakterie a organické zbytky se následně přemění na kal. ̶ Dosazovací nádrž ̶ Oddělená část biomasy (kalu) se pak vrací zpět do biologické části ̶ přebytečný kal jde do methanizační nádrže CORE022 – Odpadní vody9 Aerobní čistírny OV ̶ Terciární čištění ̶ odstranění zbytkové organické zátěže a dalších znečišťujících látek (fosfor a dusík) ̶ lze použít jakoukoli kombinaci procesů úpravy (fyzikální, chemické nebo biologické) • Filtrace (mikrofiltrace, ultrafiltrace) • Iontová výměna • Reverzní osmóza • Adsorpce • Membrány ̶ Dezinfekce • Chlorace • Ozonizace • Elektrodezinfekce CORE022 – Odpadní vody10 Aerobní čistírny OV https://youtu.be/lqzZ84FiUaA CORE022 – Odpadní vody11 Bakteriální diverzita v aktivovaném kalu https://doi.org/10.1038/s41564-019-0426-5 CORE022 – Odpadní vody12 Bakteriální diverzita v aktivovaném kalu https://doi.org/10.1038/s41564-019-0426-5 CORE022 – Odpadní vody13 Biomasa v suspenzi ̶ Sekvenční dávkové reaktory ̶ všechny procesy probíhají ve stejné ̶ dobrá alternativa pro průmyslová odvětví ̶ malé množství odpadní vody s vysoce variabilními vlastnostmi. ̶ Membránové bioreaktory ̶ podobné metodě aktivovaného kalu ̶ ultrafiltračním membránovým modul oddělujicí kal a kapalinu ̶ výhody oproti tradičním sekundárním dekantérům ̶ alternativa tam, kde je málo místa. CORE022 – Odpadní vody14 Membránové bioreaktory CORE022 – Odpadní vody15 Fixovaná biomasa ̶ Biofiltry ̶ Vzduch veden do klimatizační komory, kde je nasycen vlhkostí a směrován do pevného lože biomasy ̶ Kontaminanty jsou absorbovány na biofilm biomasy a následně metabolizovány mikroorganismy ̶ Skrápěcí filtry ̶ Odpadní voda teče nebo je rozstřikována na filtr ̶ Při průchodu póry filtru je organická hmota degradována biomasou pokrývající materiál filtru ̶ Reaktor s pohyblivým ložem (MBBR) ̶ Bakteriální kultura je ve formě biofilmu na specifické matrici a pohybuje se v biologickém reaktoru. ̶ Biodisky ̶ Skládají se ze sady disků z určitého materiálu (dřevo, polyetylen nebo polystyren a PVC) ̶ Otáčejí se kolem vodorovné osy umístěné uvnitř reaktoru. ̶ Vytváří se biofilm bakteriální biomasy CORE022 – Odpadní vody16 Fixovaná biomasa Biodisky Skrápěcí filtry Reaktor s pohyblivým ložem CORE022 – Odpadní vody17 Anaerobní čistírny OV ̶ Průmyslové odpadní vody - vysoká koncentrace organického znečištění a často vyšší teplota, což jsou dva parametry, které velmi zvýhodňují použití anaerobní technologie pro čištění. ̶ Organické znečištění odpadních vod v sobě nese energii. ̶ Mimořádnou předností anaerobního čištění odpadních vod je, že zhruba 90 % této energie se přeměňuje na bioplyn. ̶ Anaerobní technologie mají výsadní postavení mezi čistírenskými procesy, protože jsou schopné produkovat energii. Produkt přeměny energie substrátu Aerobní proces (%) Anaerobní proces (%) Nová biomasa 60 5-7 Reakční teplo 40 3-5 Bioplyn - 90 CORE022 – Odpadní vody18 Anaerobní reaktory ̶ specifický design anaerobních reaktorů ̶ převažují rozpuštěné organické látky ̶ hydrolýza je první stupeň anaerobního rozkladu organických látek –limituje celkovou ̶ rozkladný proces je proto rychlejší a potřebná doba zdržení odpadní vody v reaktoru kratší ̶ intenzivní míchání již není nutné v moderních reaktorech pro čištění odpadních vod CORE022 – Odpadní vody19 Methyl coenzyme M reductase (mcrA) Anaerobní reaktory https://doi.org/10.1016/j.tim.2020.03.012 CORE022 – Odpadní vody20 Anaerobní reaktory ̶ Reaktory pro anaerobního čištění odpadních vod byly oblasti v prvních etapách v mnoha rysech analogické s aerobní technologií. ̶ Postupem času se však stále více projevovala specifika anaerobního procesu a jedinečným výsledkem tohoto vývoje byl reaktor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), ve kterém byla poprvé kultivována anaerobní biomasa ve formě kompaktních dobře sedimentujících částic - granulí. ̶ Tento reaktor přinesl kvalitativní skok ve vývoji anaerobních reaktorů a dodnes jsou vyvíjeny jeho další a další modifikace. Počet aplikací Rok 1 1972 10 1979 100 1985 1000 1997 https://youtu.be/0QsEdlJgllI CORE022 – Odpadní vody21 Porovnání energetické náročnosti aerobního a anaerobního čištění jednotka aerobie anaerobie Spotřeba el. energie kWh/měsíc 130 000 28 000 Produkce bioplynu m 3 /měsíc 0 69 000 Průměrná potřeba tepla pro ohřev GJ/měsíc 69 340 Bioplyn využitelný mimo ČOV m 3 /měsíc 0 56 700 Využitelná energie bioplynu GJ/měsíc 0 14 300 Typ odpadní vody Energetický potenciál (m 3 /m 3 ) splaškové 0,2 cukrovarské 5,0 škrobárenské 7,6 melasové výpalky 25 výroba sirupů 60 výroba bionafty 80 CORE022 – Odpadní vody22 Kde udělala Dubai chybu? https://youtu.be/syK7u_QQKk8 • Během ekonomického rozmachu Dubaje v roce 2000 znamenal narazila stávající infrastruktura čištění odpadních vod na své limity. • Odpadní vody z oblastí Dubaje, které v té době nebyly napojeny na komunální potrubní síť, byly denně shromažďovány z tisíců zadržovacích nádrží po celém městě a vozeny do jediné městské čistírny odpadních vod. • Kvůli dlouhým frontám se několik řidičů uchýlilo k nelegálnímu vypouštění surových odpadních vod do kanalizačních kanálů. • Důsledkem tohoto bylo, že odpadní vody tekly přímo do Perského zálivu, poblíž hlavních městských pláží ke koupání. • Lékaři varovali, že turisté využívající pláže riskují, že se nakazí vážnými nemocemi, jako je tyfus a hepatitida.