Odvodnění a redukce objemu čistírenských kalů pomocí kořenových systémů

Definice pojmů

čistírenský kal – suspenze rozptýlených mechanických částic v kapalině (vodě) obsahující podstatná množství organických látek volných (částečně rozložené) nebo vázaných stavebních látek živých organismů; jeho stabilizací množství organických látek klesá vůči anorganickým a zvyšuje se podíl rizikových látek, které limitují následné využití

reed-bed systém – vertikální kořenový filtr vyšších mokřadních rostlin sloužící k odvádění přebytečného stabilizovaného čistírenského kalu do speciálně konstruovaných mělkých, pasivně aerovaných nádrží zpravidla s porostem rákosu; uvnitř dochází k zachycení pevných částic obsažených ve zvodnělém kalu a jejich mineralizaci doprovázené tvorbou humusu; voda odtékající z nádrží je vyčištěna na úroveň, která umožňuje její přímé vypouštění do vodoteče

fytoremediace – nákladově efektivní technika pěstování vybraných druhů rostlin jako sanační metody vhodné pro dekontaminaci prostředí s nízkým až středním stupněm znečištění nebo jako dočišťovací technologický stupeň; negativy jsou časová náročnost procesu a s tím spojená účinnost, která je u reed-bed systému limitována rozsahem kořenové zóny (plochou půdního záboru)

Stále se zpřísňující požadavky na kvalitu vod vypouštěných z čistíren odpadních vod mají za následek zvyšování technické úrovně aplikovaných čistírenských technologií. Tato modernizace je však obvykle doprovázena produkcí většího objemu kalu, jehož následné zpracování je nákladné. Zpracování čistírenských kalů s využitím kořenových systémů rákosových porostů s vertikálním průtokem je v Evropě dlouhodobě používanou a důkladně provozně ověřenou metodou fytoremediace.

Graf 1: Snížení výskytu bakterie E. coli v závislosti na obsahu sušiny v kalu

Princip technologie

Podstatou reed-bed technologie je odvodnění a redukce objemu. K dosažení vysokého stupně sušiny v produkovaném kalu/substrátu přispívají dva procesy - gravitační odvodnění přes filtrační vrstvy kalové nádrže a celkové snížení obsahu vody v kalovém reziduu v důsledku evapotranspirace. Po uplynutí periody cca 8 – 10 let je lože rákosové nádrže vytěženo a jeho obsah může být využit jako kompost, podmínkou je vyhovující obsah kontaminujících látek. Vyprázdněnou, rekonstruovanou nádrž je možné znovu začít plnit čerstvým kalem v rámci dalšího cyklu. Pomocí reed-bed systému lze zvýšit obsah sušiny ve zpracovávaném kalu z 0,5 – 3 % na vstupu na úroveň kolem 30 % ve výsledném substrátu. Tím dojde k redukci objemu produkovaného kalu na cca 1,5 % původního množství.

Díky mineralizaci se sníží obsah organických látek ve výsledném substrátu o cca 25 %, navíc dochází k rychlé a efektivní redukci počtu patogenních bakterií, jakými jsou Salmonella, E. coli a enterokoky.

Výhody využití

Jako nejvýznamnější přednosti použití reed-bed systému lze uvést:

• nízké provozní náklady
• relativně nízké investiční náklady (v porovnání s klasickými systémy)
• velmi nízká energetickou náročnost
• provoz bez přídavku jakýchkoliv chemikálií
• minimální požadavky na obsluhu a údržbu
• výrazná redukce objemu produkovaného kalu - vysoký stupeň odvodnění kalu
• eliminaci pachové a hlukové zátěže životního prostředí
• minimální produkce CO₂
• možnost využití substrátu vzniklého z kalu
• příznivý vizuální vliv rákosových porostů na životní a pracovní prostředí

Graf 2: Průběh koncentrací sledovaných látek

Provozní parametry

Použití technologie znamená snadnou a provozně nenáročnou obsluhu. Provoz systému vyžaduje pouze periodické týdenní kontroly rákosových nádrží v celkovém rozsahu 1 - 2 hodiny. Obsluha nepřichází do přímého kontaktu s kalem. Monitoring a řízení celé technologie lze provádět z dislokovaného velínu.

Snížení provozních nákladů spočívá u reed-bed systémů především ve využití přírodních procesů při zpracování kalů - při provozu se nespotřebovávají žádné materiály ani chemikálie. Elektrická energie se využívá pouze k pohonu čerpadel potřebných k čerpání kalu a vody. Zařízení nevyžaduje trvalou obsluhu.

Graf 3.: Úspory vzniklé provozováním reed-bed systému

Reed-bed systémy nejsou zdrojem zápachu - při provozu není zapotřebí eliminovat pachové emise. Objem produkovaného substrátu představuje pouze obvykle méně než 2 % celkového objemu zpracovaného kalu, proto dochází k výrazné úspoře nákladů na přepravu a odstranění odpadu. Produkovaný substrát, který prošel procesem přirozené hygienizace, je po analytickém ověření vzorků využitelný k aplikaci na zemědělskou půdu, k rekultivačním účelům apod. Obsah cizorodých látek v produkovaném substrátu je běžně redukován na úroveň vyhovující limitům, využití je vhodné k rekultivačním účelům nebo pro aplikaci na zemědělskou půdu viz. vyhláška č. 382/2001 Sb. Z hlediska obsahu mikroorganismů vyhovuje substrát parametrům pro kal I. kategorie. Struktura substrátu je v porovnání s mechanicky odvodněným kalem výrazně lepší. Jedná se o dobře manipulovatelný a přepravitelný materiál, který lze snadno vpravit do přírodního cyklu běžně dostupnými mechanickými prostředky (např. použitím rozmetadla rozprostřením na povrch půdy).

Obr. 1.1.: Původní stav dosazovací nádrže a kalová voda

Zařízení je technicky jednoduché, a tudíž provozně spolehlivé. Jeho údržba spočívá v provádění periodických kontrol a příp. výměně opotřebovaných součástí (těsnění čerpadel apod.). Z dlouhodobých provozních zkušeností vyplývá, že lokality, kde byly instalovány reed-bed systémy, po přechodu na tento způsob zpracování kalu uvolnily čistírenské provozní kapacity technologie v úrovni 5 – 15 %. Důvodem je, že voda odtékající z rákosových nádrží je mnohem čistší než fugát příp. filtrát z mechanického odvodňování. S tím souvisí celkové snížení zátěže technologie a tím i zlepšení kvality vypouštěné vody. Technické provedení a rozlohu rákosových nádrží určuje množství produkovaného kalu. Obvykle se dle požadovaného výkonu instaluje 8 – 18 rákosových nádrží. Celkový potřebný rozměr nádrží lze vypočítat z jednotkové kapacity 30 – 60 kg sušiny.m^-2.rok^-1, neboli na jednoho ekvivalentního obyvatele je zapotřebí cca 0,5 – 1 m² plochy nádrže. Pokud není dostatek prostoru pro vybudování rákosových nádrží přímo u čistírenského areálu, lze kal čerpat potrubím i na několik kilometrů vzdálené vhodné místo.

Technologické parametry produkovaného substrátu jsou následující:

• obsahuje až 30 % sušiny
• nezapáchá a neobsahuje patogenní bakterie
• vhodný pro následné využití např. pro rekultivační účely nebo jako hnojivo pro produkci na plantážích RRD
• má příznivou konzistenci a lze s ním snadno manipulovat

Při aplikaci reed-bed systémů nejsou používána žádná aditiva ke snižování počtu patogenních organismů v kalu. To má za následek jednak zlepšení hygieny pracovního prostředí, a také snížení zátěže životního prostředí v důsledku nízkého obsahu biochemických reziduí ve vypouštěné vodě viz graf 1 a 2. Příkladem nežádoucích chemických látek obsažených v některých detergentech jsou NPE (nolyl-fenol-etoxyláty) a LAS (lineární alkylbenzen–sulfonáty), tedy látky obsažené např. v čistících prostředcích. Při aplikaci reed-bed systémů dochází k výraznému snížení obsahu těchto látek v produkovaném kalu.

Obr. 1.2.: Návrh přestavby dosazovací nádrže na reed-bed systém

Úspory provozu

Náklady na navržení, výstavbu, provoz, údržbu a odvoz stabilizovaných kalů na místo konečné aplikace ze stanoviště kořenových loží lze srovnat s tradičním způsobem nakládání s kaly. V našich podmínkách standardně jsou kaly chemicky hygienizovány, ošetřovány polymery, odvodňovány na kalolisu nebo odstředivce, transportovány na skládky nebo v lepším případě nižší kontaminace velmi omezeně aplikovány na zemědělskou půdu. Všechny náklady na návrh, výstavbu, provoz, chemické přípravky a dopravu byly zváženy.

Nákladová tabulka slouží ke srovnání potenciálu snížení provozních nákladů a emisí zavedením nakládání s kaly v kořenových ložích oproti tradičním soudobým přístupům. Srovnání je založeno na modelu produkce 1 000 tun kalu/sušiny resp. ekvivalentu 50 000 obyvatel. Údaje grafu 3 představují akumulované čisté roční úspory. Stejné srovnání bylo provedeno pro emise oxidu uhličitého. Kalkulace emisí zahrnuje jak emise zdroje elektrické energie pro pohon odstředivek, tak i znečištění vznikající provozem dopravních prostředků potřebných k přepravě kalů.

Graf 4: Počáteční průběhy toků kořenovým ložem

Poloprovozní zkoušky systému

V květnu roku 2009, ve spolupráci s našimi partnery, společností Ekologické služby, s.r.o., provozující čistírnu odpadních vod v areálu CHEMKO ve Strážskem, SR, začal pilotní provoz vertikálního kořenového filtru naplánovaný jako čtyřletý projekt s plánovaným náběhem a ponecháním porostu po dobu prvních dvou vegetačních období bez zátěže k dostatečnému vyvinutí kořenové zóny schopné degradovat odpadní kaly z čistírenského provozu. V současné době se kaly v kampaních odvodňují na mobilní odstředivce a/nebo dopravují kalovodem do 10 km vzdálené lokality na 35 ha kalová pole primárně určená pro odkalení odpadních vod z technologie úpravy uhlí – do budoucna nebude možné dále nakládat s kaly stávajícím způsobem a bude nutné nalézt jiné řešení. Čistírna odpadních vod zpracovává cca 20 m³ odpadních vod za hodinu při 5% obsahu sušiny. Jedná se převážně o průmyslové vody s vysokým organickým CHSK. Za uložení kalů společnost platí více než EUR 95 tis. ročně.

Graf 5: Detailní záznam dat – stupnice na grafu průtoků odpovídá nátoku, pro odtok platí 1/10 z uvedených hodnot

Byla nabídnuta nepoužívaná standardní dosazovací nádrž v areálu závodu. Nádrž je 2,4 m hluboká o ploše 175 m², kruhového tvaru s celkovým využitelným objemem 250 m³ (viz Obr. 1.1). Kal je zabezpečen k čerpání místně stejně tak jako vratná voda. Realizace testu jako poloprovozního ověření technologie přirozené biochemické přeměny s výraznou redukcí objemu kalů, eliminací pachových látek bez použití chemických prostředků a výslednou tvorbou substrátu s možností dalšího využití a samotnému provozování systému předcházely rekonstrukční práce, které byly zahájeny koncem měsíce října 2008 a zahrnovaly zajištění rekonstrukce stávající infrastruktury (dosazovací nádrž, technologické produktovody, izolace) a osazení čerpací a měřící technikou v termínu nejpozději do začátku následujícího vegetačního období.

Obr. 1.3.: Orientační plánek stanoviště, podzim 2009

Technické řešení umožňuje použití materiálů a surovin dostupných na místním trhu pro výstavbu RB systému. Uspořádání technologie zahrnuje automatické dávkování kalu do kořenového lože, pravidelný monitoring procesu, vzorkování a průběžné hodnocení chodu systému. Cílem experimentu je prokázat funkční účinnost takového zařízení jako reálné koncovky nakládání s kaly resp. prověřit schopnosti rostlin degradovat/akumulovat látky přítomné v prostředí.

Zprovoznění systému

V průběhu měsíce května 2009 byly dokončeny rozvody, instalovány armatury a přípravky k zapojení automatických a regulačních prvků a plocha osázena rostlinami. Technické komponenty systému regulace a dávkování sestávají z čerpadla (Lowara), dvou a trojcestného ventilu (BELIMO), rozvaděče s výstrojí a automatu AmiNi-ES (AMiT). Byly připojeny sondy Solitax (Hach Lange) s převodníkem SC100 pro měření zákalu, výstup z převodníku společně z převodníku průtokoměru Sitrans (Siemens) byly zavedeny do automatu, který obsahuje rozhraní pro komunikaci po síti. Aplikace vytvořená na bázi vizualizačního software Promotic poskytuje přehled o aktuálních hodnotách a stavech zařízení, grafy měřených veličin s výstupem do Excelu/Accesu s možností procházení historie a zoomování časové osy. Osazení systému dovoluje na dálku nastavovat a sledovat parametry provozu (časování cyklů).

Obr. 1.4.: Rostliny aktivně napomáhají tvorbě struktury půdního substrátu a místy vytváří pevné kolonie rákosu

Napouštění nádrže proběhlo koncem měsíce května v pokročilém vegetačním období. První vegetační období bylo charakterizováno krátkým, teplým a suchým obdobím bez srážek na jaře a v létě 2009. Poměrně pozdním vysazením a pravděpodobně vysokým počátečním zatížením nově osázeného porostu rákosu došlo během léta k podstatnému úhynu sazenic. Z celkového počtu se zachovalo cca 50 % rostlinného pokryvu. Opětovné dosázení bylo provedeno na počátku září 2009 již do vrstvy 20 – 30 cm odvodněného kalu.

Obr. 1.5.: Vyústění nátoku kalové vody, rozmístění náletových dřevin topolu a vrby na stanovišti a celkový pohled na porost v letním období

Charakteristika provozních parametrů a optimalizace dávkování

Technologie dávkování kalu do lože je zajištěna instalovaným automatickým systémem, který otevírá a zavírá přívody/výpusti kalu a vratné vody. Kal je čerpán z prostoru kalového hospodářství a je čerpadlem nepřetržitě (jako opatření proti zamrznutí) recirkulován v jednom ze stávajících poskytnutých trasových okruhů. Přehled o celkovém množství kalu představuje vedle analýz parametrů pravidelně odebíraných vzorků substrátu hlavní údaj pro vyhodnocení provozu. Pokud bude stabilizovaný substrát splňovat předpokládané hodnoty a bude optimálně plněn do nádrže a rostliny budou prosperovat a plnit funkci remediační (tedy přivádět vzdušný kyslík do substrátu a přímo ovlivňovat podmínky mineralizace k kořenové zóně a odvodnění), bude možné z předpokládaného úbytku množství sledovaných látek v substrátu a absorbovaných látek v biomase posoudit podmínky fytoremediačního procesu, a také zjistit množství odvodněného kalu a zvážit opatření k jeho dalšímu využití.

Tab. 1: Srovnání transferu a bioakumulace toxických látek ze substrátu kalu do pletiv (hodnoty jsou v mg na kg suš.)

Optická sonda Solitax s převodníkem SC100 je nastavena na čtení hodnot nerozpuštěných látek průběžné koncentrace 0,01 – 20 g.l^-1. Takto lze vypočítat hmotnostní podíl NL v dávce kalu i celkový za sledované období. Počáteční množství kalu při plnění lože bylo zvoleno především s ohledem na vsakovací charakteristiku filtračního podloží, pokročilou vegetační sezónu a nutnost zavlažovat všechny nově vysázené rostliny rovnoměrně. Tím, jak postupně docházelo ke snižování filtrační propustnosti substrátu se zvyšováním jeho hladiny a zahušťováním obsahu v nádrži bylo nutné operativně snížit počáteční hodnotu plnění z celkového objemu dávky 5 m³ a limitního odtoku vratné vody 0,2 m³.hod^-1 (po překročení hodnoty systém otevře ventil k dalšímu cyklu plnění) na 3 m³ a 0,1 m³.hod^-1.

Graf 6: Reálné hodnoty srovnání vlivu zatížení rostlin rákosu kontaminujícími látkami s kontrolním vzorkem a dvěma vzorky kalových substrátů

Na zobrazení grafu 4 lze sledovat průběhy hodnot vstupů kalového substrátu o hustotě od 4,5 do 8,5 mg.l^-1 částic nerozpuštěných látek a výstupů - technologické vody s parametry kolísajícími převážně od hodnot blízkým reálné 0,01 do max. zbytkového zákalu z měřící komory kolem 2,0 mg částic na 1 l tekutiny.

V průběhu sezóny byl na dálku upraven cyklus a pomocí dvojcestného ventilu byl zregulován odtok. Došlo k prodloužení fáze vypouštění a důkladnějšímu okysličení substrátu v nádrži. Po regulaci odtoku kal vytvořil souvislou rozpraskanou vrstvu, která vodu jen pomalu propouští. Odtok postupně klesl natolik, že regulace dvoucestným ventilem na hodnotu 175 – 200 l.hod^-1 už neměla smysl a ani při úplně otevřeném regulačním ventilu odtok nedosahoval spodní hranice. Dávkování bylo postupně sníženo na 1200 litrů na cyklus, aby doba mezi napouštěním nebyla příliš velká. S klesající intenzitou odtoku se zhoršil i odtok zbytků NL po napouštění z měřící komory (využitím pouze jedné kalové sondy k dispozici je měřící komora společná pro kalovou i vratnou vodu), takže hodnoty zákalu pro vyčištěnou vodu jsou k dispozici až ke konci klidové fáze ke konci cyklu na grafu zákalu viz. graf 5.

Pravidelné sledování výše uvedených hodnot v kontextu s probíhajícím náběhem systému do jeho plného využití není plánováno do završení fáze adaptace rostlin a rozvoje kořenového systému. Nejdůležitější se jeví úspěšná kultivace rostlin po celé ploše nádrže s cílem rovnoměrného vegetačního pokryvu. Sledování provozních parametrů slouží k regulaci množství sušiny kalu a jeho vrstvy v nádrži, která by neměla přibývat rychleji než dochází k přírůstkům biomasy a zajištění schopnosti rostlin prosperovat v tomto umělém prostředí.

Vegetační podmínky porostu

Pro poskytnutí potřebného komfortu rostlinám je zřejmá nutnost regulovat nátoky kalové vody s ohledem na zavlažovací funkci a zároveň udržovat maximální hladinu substrátu, která je limitní pro existenci porostu. Lze tak využít možnosti připravit porost pro plnou adaptaci k aplikaci maximálních dávek (hlavní cíl) s počátkem v následující vegetační sezóně (2011). Přizpůsobení porostu stanovištním podmínkám proběhlo dobře, pouze ve středové části nádrže, která tvoří spádově/odtokově nejnižší část kalového pole (tento vliv bude v budoucnu snižován), byly podmínky nepříznivé. Kromě majoritního, již předem stanoveného zastoupení rostlinného druhu, kterým je zasazených 1000 sazenic rákosu (Phragmites sp.), budou v porostu sledovány nově zastoupené druhy náletových dřevin, které se evidentně dobře adaptovaly na vzniklou možnost vytvořit kolonie - po dvou koloniích topolu (Populus sp.), vrby (Salix sp.) a prosa setého (Panicum miliaceum), jak je vidět na schématu na obr. 1.3.

Odhad remediačního výkonu

Schopnosti rákosu degradovat kontaminanty prostředí jsou známé. Primární funkcí porostu je vytvoření příznivého prostředí pro stabilizaci kalového substrátu (provzdušňovací funkce, rozvoj kořenové soustavy s vysokým specifickým povrchem a schopnost hostit konsorcia mikroorganismů) a jeho gravitační odvodnění. V grafu 6 jsou uvedeny souhrny obvyklých hodnot výkonu kořenových soustav rákosu, které jsou vodítkem k ověření sekundární funkce porostu, kterou je degradace a akumulace kontaminantů. Z porovnání dostupných laboratorních analýz odebraných vzorků kalového substrátu (vzorek 1 a 2) a biomasy rákosu (vzorek RB 1 a kontrola), jejichž vybrané parametry jsou zpracovány do tab. 1. Vyplývají poměrné počáteční hodnoty efektivity remediace sledovaných látek, jejichž přírůstek bude periodicky monitorován:

• PCB znečištění v úrovni středních hodnot znečištění ±10 % celk. objemu.rok^-1
• arsenu - As ve výši ±30 % celk. objemu.rok^-1
• chromu - Cr na úrovni ±1,25 % celk. objemu.rok^-1

Přehledné grafické vyjádření bioakumulace, tedy schopnosti asimilace a degradace znečištění biomasou rákosu v porovnání s kontrolním vzorkem a vzorky substrátu vyjadřuje graf 1.3.

Závěr

Nezbytným kritériem fytoremediačních procesů je podmínka oživení a pokrytí produkční plochy rovnoměrným porostem mokřadních rostlin. Technické funkce regulační soustavy a sběr informací jsou zabezpečeny. Čerpání kalu bylo obnoveno na počátku nové vegetační sezóny na jaře 2010. Budou sledovány parametry absorbovaných látek v rostlinách a srovnávány s údaji o substrátu. Tento bude stratifikačně ovzorkován na konci vegetačního období a analýzy porovnány. Plný provoz je od jara 2011.

Poděkování

Poloprovoz reed-bed systému je součástí širších aktivit řešení projektu VaV č.2B06187 v rámci Národního programu výzkumu II., programu „Zdravý a kvalitní život“ a je spolufinancován částí účelových prostředků poskytnutých MŠMT ČR. Zvláštní poděkování patří pracovníkům spolupracujícího subjektu Ekologické služby, s.r.o., Strážske, SR.

Článek vyšel ve sborníku ODPADOVÉ FÓRUM 2010 (21. - 23. dubna 2010, Kouty nad Desnou).

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky