Oddělení technologie životního prostředí Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci (CxI TUL) se zaměřuje mimo jiné na výzkum, vývoj a zdokonalování perspektivních technologií čištění odpadních vod.
Odpadní vody jsou takové vody, jejichž kvalita byla zhoršena lidskou činností. Znečišťující látky v odpadních vodách mají různý charakter. Mohou být v odpadních vodách rozpuštěné (nejrůznější soli a organické sloučeniny) nebo nerozpuštěné (látky anorganické i organické povahy, např. prach, písek vs. zbytky potravin), mohou být biologicky rozložitelné i nerozložitelné (např. tuky, sacharidy, bílkoviny, toxické sloučeniny nejrůznější povahy, např. řada léčiv). Stupeň a charakter znečištění odpadní vody závisí na způsobu jejího původního použití. Může to být splašková odpadní voda, odpadní voda z průmyslových provozů, kondenzát, ale i dešťová voda odváděná společnou kanalizací. Za odpadní vodu se považuje i voda, která se „znečistí“ pouze zvýšením teploty. Znečištění vody je velký celosvětový problém a nečištěné nebo špatně vyčištěné odpadní vody jsou v mnoha oblastech příčinou vážného onemocnění lidí, šíření nejrůznějších infekčních nemocí nebo i úmrtí. Kvalita vody je podstatná obecně. S tím souvisí také význam efektivního čištění odpadních a podzemních vod. Podle vedoucího oddělení technologie životního prostředí CxI TUL Lukáše Dvořáka je znovuvyužití (recyklace) vyčištěných vod, stejně jako zodpovědné hospodaření s vodami, jednou ze stěžejních a pro lidstvo velmi důležitých otázek. Technologie čištění odpadních vod se podle něj stále zdokonalují a velmi přibližují technologiím běžně používaným při úpravě pitné vody. „Technologie, které ještě před 15 lety byly aplikované pouze v oblasti úpravy pitných vod, se dnes čím dál častěji aplikují také při čištění odpadních vod, čímž se pomyslný kruh mezi čistírenstvím a vodárenstvím uzavírá,“ konstatuje Lukáš Dvořák. Dodává, že v současnosti je nejčastějším typem čistírny odpadních vod (ČOV), používaným v České republice, mechanicko-biologická čistírna odpadních vod. Velké čistírny kombinují několik procesů čištění, aby dosahovaly požadovaných limitů daného znečištění na výstupu z ČOV. Patří sem jak mechanické a biologické, tak chemické procesy a jejich vzájemné kombinace.
Přednost má biologické čištění Čištění odpadních vod je složitý a komplexní proces a jeho výsledek je závislý na tom, jaký charakter znečištěné vody do ČOV přiteče. Navíc je často ovlivněn i dalšími faktory, jako je třeba dodržování technologické kázně a standardních operačních postupů. Dá se říci, že v případě komunálních vod je stabilita mnohem vyrovnanější než u průmyslových odpadních vod. Lukáš Dvořák přiznává, že chemickým procesům čištění se nelze vyhnout a že specifické případy čištění odpadních vod, kdy se jedná například o průmyslové odpadní vody, se bez chemických procesů čištění neobejdou. Prioritou by ale podle něj mělo vždy být biologické čištění. V souladu se závěry profesora Jiřího Wannera z VŠCHT Praha tvrdí i liberečtí vědci, že všechno, co je možné, se má čistit biologicky a teprve potom, pokud je to nutné, navázat dalšími, fyzikálně-chemickými či chemickými procesy. „Biologické čištění je přirozený a relativně levný proces v porovnání s jinými metodami a procesy. Jeho hlavní výhodou je skutečnost, že mikroorganismy představují velmi heterogenní a dynamický systém, který je do značné míry schopný adaptace na specifické složení odpadní vody, včetně vybraných polutantů,“ říká Lukáš Dvořák s tím, že se však v oddělení zabývají i dalšími navazujícími technologiemi, zejména technologiemi vhodnými pro tzv. dočištění odpadních vod.
Stabilizace čistírenských procesů Základním principem všech biologických čistírenských procesů jsou v obecné rovině biochemické oxidačně-redukční reakce. Tyto reakce jsou v případě biologického čištění realizovány mikroorganismy tzv. aktivovaného kalu, což jsou z přibližně 96 % bakterie schopné využívat, a tím pádem odstraňovat (rozkládat či transformovat) nejrůznější znečištění přítomné v dané odpadní vodě. Na možnosti stabilizace a intenzifikace biologických čisticích procesů prostřednictvím různých nosičů biomasy se zaměřuje člen výzkumného týmu Tomáš Lederer. „Klasická konvenční mechanicko-biologická čistírna sice obvykle produkuje poměrně kvalitní vodu, ale v mnoha případech je nutné ji ještě dočistit. Jedná se o tzv. post-treatment,“ konstatuje dr. Lederer. A tady podle něj kromě systémů s nosiči biomasy přicházejí na řadu také membránové technologie, případně pokročilé oxidační a sorpční procesy.
Typy membrán a membránový bioreaktor Membrány lze rozdělit na polymerní a keramické. V průmyslových aplikacích nacházejí uplatnění zejména keramické membrány, které se díky své vysoké odolnosti dají vyčistit při vyšší koncentraci činidel a při vyšší teplotě, případně i párou. Jsou mnohem odolnější než polymerní membrány, ale promítá se to samozřejmě do jejich ceny. U polymerních membrán dochází při aplikaci vyšší koncentrace oxidačních nebo jiných čisticích činidel k rychlejšímu stárnutí než v případě membrán keramických. Polymerní membrány se velmi často aplikují na komunální (městské) odpadní vody. Membránový bioreaktor kombinuje podle dr. Dvořáka výhody klasického biologického čištění odpadních vod prostřednictvím aktivovaného kalu s efektivní separací nerozpuštěných látek (včetně mikroorganismů aktivovaného kalu) membránou v podobě semipermeabilní (polopropustné) přepážky. Velkou výhodou této technologie je, že membrána slouží jako bariéra pro biomasu aktivovaného kalu, ta je tak díky membráně oddělena od vyčištěných odpadních vod. Membránový bioreaktor lze díky tomu provozovat při významně vyšší koncentraci aktivovaného kalu. Zatímco konvenční systémy jsou běžně provozovány v koncentracích okolo 3—4 g nerozpuštěných látek na litr, membránový bioreaktor lze provozovat až při čtyřnásobně vyšší koncentraci. Vyšší koncentrace biomasy aktivovaného kalu pomáhá v systému zadržet i tzv. pomalu rostoucí specifické skupiny mikroorganismů, které jsou díky svým metabolickým drahám schopné odstraňovat i specifická znečištění přítomná v odpadních vodách. V případě konvenčních systémů neumožňují dané kultivační podmínky vůbec jejich proliferaci (bujení, tedy silný kompetenční tlak ostatních mikrobiálních skupin), případně dochází k vyplavování těchto mikroorganismů ze systému. Díky vyšší koncentraci aktivovaného kalu je také dosahováno vyšší stability čisticího procesu a postačí menší nádrže než v případě konvenčních biologických systémů.
Spolupracují s podniky, sledují nejnovější trendy Oddělení technologie životního prostředí CxI TUL úzce spolupracuje při své výzkumné a vývojové práci s průmyslovými a komerčními partnery, sleduje nejnovější trendy a snaží se držet krok se špičkovými pracovišti ve světě. V rámci řešení vědeckých a výzkumných projektů, ale také v rámci smluvního výzkumu zde pracují s polymerními i keramickými komerčně dostupnými membránami od renomovaných dodavatelů. „Sledujeme práci špičkových našich i zahraničních pracovišť. Přizpůsobujeme se konkrétní zakázce a používáme přesně ty membrány, které používá náš průmyslový nebo komerční partner, a za stejných podmínek, aby byl schopný výsledky naší práce aplikovat bez velkých průtahů a s jistotou ve svém provozu,“ říká Lukáš Dvořák s tím, že téměř všechny aktivity, tedy projekty nebo zakázky smluvního výzkumu, se řeší v úzké spolupráci s průmyslovými podniky nebo firmami působícími v oblasti technologie vody. Konkrétní provozní problémy řeší v liberecké laboratoři například společně s renomovanou vodohospodářskou firmou Envi-Pur. Jednalo se například o vývoj nových čisticích protokolů membrán, což je podle Dvořáka velmi náročný úkol. Membrány, které jsou nejužším místem celého systému, se totiž v provozu zanášejí a tím dochází k poklesu jejich hydraulického výkonu. A protože výkon celého systému je v mnoha případech determinován právě hydraulickým výkonem membrány, klesá výkon celého systému a čas od času je nutné provoz přerušit a membrány chemicky vyčistit nebo je zcela vyměnit. K čištění membrán se používají koncentrovaná chemická činidla, obvykle na bázi chloru, často i zdraví škodlivá nebo pro životní prostředí nebezpečná. Při aplikaci chemických činidel se musí navíc počítat s tím, že dochází k částečné degradaci materiálu, tedy ke stárnutí membrán. To vede ke zkrácení jejich životnosti, a tudíž i ke zvýšení provozních nákladů. Problémem bývá také, že současné čisticí protokoly plně nerespektují materiály membrány a charakter vzniklého zanesení, protože je aplikován víceméně stejný čisticí protokol na všechny membrány bez ohledu na rozdílné podmínky. „Chemické čištění a případné související přerušení provozu je z mnoha pohledů negativní a nežádoucí zásah do celé technologie a samozřejmou snahou provozovatelů čistíren je filtrační cyklus, tedy interval mezi jednotlivými čištěními membrán, udržet co nejdelší. Jakékoliv prodloužení, byť jen o 5 či 10 %, je v provozu znát,“ říká Lukáš Dvořák.
Prodlužování filtračních cyklů i vlastní vývoj A právě prodloužení filtračního cyklu se libereckým vědcům daří řešit. Čisticími protokoly jsou myšleny různé mechanicko- hydraulické způsoby, koncentrace chemických činidel, způsoby jejich aplikace, časy, teploty atd. „Jedná se o kombinace mnoha parametrů, kdy vzniká široká experimentální matice. My hledáme nejvhodnější kombinaci s ohledem na materiál membrány a charakter znečištění. Znečištění vody je pokaždé jiné. Pro různé typy znečištění proto musíme nasadit různé čisticí protokoly tak, abychom dosáhli požadovaného, respektive co nejvyššího stupně vyčištění membrány, a tedy i co nejvyššího obnovení jejího hydraulického výkonu,“ vysvětluje Lukáš Dvořák a dodává, že na vývoji a verifikaci jak čisticích protokolů, tak každé technologie a procesu vždy velmi úzce kooperují s daným partnerem. Úzká spolupráce s podniky však nevylučuje vlastní vývoj. „Je pravda, že čerpáme nejnovější informace ze všech dostupných zdrojů, neznamená to ale, že bychom něčí výsledky kopírovali. Informace nám slouží k tomu, abychom nové procesy mohli optimalizovat, posunovali je dále a získávali nové inspirace. Máme vlastní nápady i vlastní postupy a vypracovali jsme si vlastní specifické know-how. Aktivně se zúčastňujeme konferencí, odborných a specializovaných seminářů, publikujeme články v českých i v mezinárodních impaktovaných časopisech. A protože jsme v Liberci, zaměřuje se logicky náš výzkum ve velké míře na nanomateriály a pokročilé technologie, které se snažíme kombinovat a doplňovat, abychom z procesu získali maximum. Laboratorní zkoušky probíhají úspěšně, nicméně aplikace nanomateriálů v průmyslu zatím narážejí na poměrně vysokou cenu,“ konstatuje Lukáš Dvořák. Zdůrazňuje přitom, že obecná informovanost je ve vědecké komunitě nezbytná, aby se „neobjevovala Amerika“ a aby se vyvíjely technologie a postupy, které se nějakým způsobem doplňují, vylepšují a posouvají dál. Při vývoji vlastních membrán se na TUL zaměřují především na jejich tzv. zanášení (biofouling). To je totiž nejvíce limitující faktor membránových procesů obecně, ať už jsou to membránové procesy tlakové (aplikované zejména u odpadních vod), ale i elektromembránové. Cílem je co nejvíce eliminovat proces zanášení, tedy tvorbu tzv. filtračního koláče, a fixaci dalších nežádoucích složek na povrchu membrány. Ty následně vytvářejí obtížně propustnou bariéru a zhoršují hydraulický výkon celého systému. Zanášení membrán má proto velký vliv na délku filtračního cyklu. Při řešení tohoto problému úzce spolupracují liberečtí vědci také s klastrem Nanoprogress na řadě zakázek zaměřených na modifikaci membránových povrchů právě za účelem snížení procesu zanášení.
Vývoj a modifikace polymerních membrán Liberecké týmy zkoušejí modifikace stávajících membránových materiálů či vývoj zcela nových membránových matric spočívajících například v aplikaci různých nanočástic. Zpočátku to bylo především stříbro pro jeho silné antimikrobiální účinky. „Nyní od něho ustupujeme, protože se dá těžko fixovat do polymerní struktury membrán a špatně v ní drží. Fixaci lze zlepšit modifikací a funkcionalizací prostřednictvím určitých metod. To ovšem často vede k ‚obalení‘ nanočástic stříbra, čímž se však významně sníží jeho antimikrobiální účinky,“ říká dr. Dvořák. Nyní se podle něj nadějně jeví třeba nanočástice oxidu zinečnatého, které mají velmi slibné a poměrně silné antimikrobiální účinky a jsou zhruba desetkrát levnější. „Jeho obrovskou výhodou je, že se dá povrchově funkcionalizovat, a tím pádem dobře zakotvit do polymerní matrice membrány bez významné ztráty antimikrobiálních vlastností. Vzhledem k ceně nemusíme s nanočásticemi oxidu zinečnatého tolik šetřit jako s nanočásticemi stříbra a můžeme ho použít v podstatně větším množství. Tím se vyrovnají jeho asi o 20 % nižší antimikrobiální účinky,“ doplňuje Lukáš Dvořák. Dodává, že od oxidu zinečnatého si liberečtí vědci slibují snížení zanášení membrán a prodloužení filtračního cyklu. Zatím se jedná o fázi laboratorní, kdy se vyrobí potřebný materiál v menším měřítku, ale v Liberci jsou přesvědčeni, že se k reálné aplikaci ve velkém měřítku postupně přibližují. Počítají samozřejmě s tím, že budou muset provést ještě celou řadu zejména dlouhodobých testů a ověřit, jak se bude výsledný materiál takovéto membrány chovat v reálných provozních podmínkách, jak bude materiál stárnout, zda jeho mechanické vlastnosti budou v dlouhodobém časovém horizontu dostatečné nebo jestli ho bude potřeba kombinovat s nějakým dalším podpůrným materiálem.
Konkrétní spolupráce Oddělení technologie životního prostředí CxI TUL spolupracuje s celou řadou externích subjektů. Jsou to například Envi-Pur, EPS biotechnology, Pro-Aqua CZ, IPR Aqua, Dekonta, Mega, klastr Nanoprogress a mnohé další. Ve spolupráci s Envi-Pur byl úspěšně realizován projekt TA ČR zaměřený na vývoj variabilní a modulární membránové technologie čištění průmyslových odpadních vod. Jejím jádrem je membránový bioreaktor (MBR), před kterým je umístěno několik technologických segmentů zajišťujících požadované předčištění odpadní vody. Protože se jedná o variabilní membránovou jednotku, je možné technologii do značné míry přizpůsobit konkrétní technologické aplikaci, konkrétnímu znečištění odpadní vody i požadované kvalitě vyčištěné vody. „Tuto jednotku jsme ve spolupráci se společností Envi-Pur s dobrými výsledky testovali a demonstrovali nejdříve na textilních odpadních vodách, následně pak také na průmyslových vodách pocházejících z výroby hliníkových komponent pro automotive. Ty jsou charakteristické vysokou koncentrací olejů i chladicích a obráběcích emulzí. Navíc jsou obtížně biologicky čistitelné. V úzké spolupráci s kolegy z Envi-Pur jsme navrhli, laboratorně otestovali a ověřili jednotlivé procesy i jejich vzájemnou kombinaci do podoby komplexní technologie, která byla schopna stabilně dosahovat limitů znečištění daných kanalizačním řádem. Společně se nám tak podařilo odvrátit hrozbu zastavení celého provozu průmyslového podniku,“ přibližuje spolupráci s průmyslem Lukáš Dvořák. Další konkrétní příklad významné spolupráce mezi CxI TUL a průmyslovou sférou uvádí Tomáš Lederer, spoluautor doposud největší technologie MBBR (moving bed biofilm reactor) v České republice. Technologie MBBR je založena na využití mikroorganismů ve formě biofilmu, fixovaných na nosičích biomasy, které se v reaktoru nacházejí ve fluidním loži. V tomto konkrétním případě byla technologie určena pro čištění odpadních vod s obsahem fenolů, kresolů a amonných iontů. Komplexní realizaci provedla firma Aquatest. „Navržené procesní parametry celého systému jsme po laboratorním ověření pilotně verifikovali přímo na dané lokalitě a poté následovala plnoprovozní instalace ve spolupráci s firmou Pro-Aqua CZ. Již dříve byla provedena v ČR první instalace technologie MBBR v Lučebních závodech Draslovka Kolín (chemicko-biologická čistírna odpadních vod s obsahem anilinu a kyanidů) a následně její intenzifikace, opět ve spolupráci s firmou Pro-Aqua CZ,“ popisuje spolupráci dr. Lederer. Upřesňuje, že se jedná o technologii vyvinutou ve Skandinávii, určenou pro stabilizaci procesů odstraňování dusíku z odpadních vod. „Vyvinuli jsme v rámci tuzemského projektu se zmíněným partnerem nosič i výrobní linku, na které byl následně vyráběn. Tyto nosiče jsme potom ve výše uvedených aplikacích uplatnili. Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace TUL se se na řešení podílel formou laboratorního ověření, pilotní verifikace a vlastním návrhem technologie,“ dodává dr. Lederer s tím, že tato perspektivní technologie patří k prioritám výzkumu a vývoje realizovaných na Oddělení technologie životního prostředí CxI TUL. V rámci realizovaných projektů se výzkum zaměřuje také na specifický vývoj textilních nosičů biomasy pro tzv. post-treatment, tedy dočištění již vyčištěných odpadních vod ve vztahu ke zbytkovému dusíkatému znečištění.
Firmy si objednávají posudky a dají na rady vědců V rámci optimalizace výrobního procesu si firmy v liberecké laboratoři často objednávají odborné posudky. Například pro společnost Novavax CZ z Kostelce nad Černými lesy realizovali experimentální studii zaměřenou na působení prioritně sledovaných látek používaných ve výrobě na podnikovou biologickou čistírnu odpadní vod. Došli k závěru, že běžnou technologií se nedají všechny prioritně sledované látky odstranit, a to ani v případě, kdy testovali přídavné technologie. „Výsledkem studie bylo naše doporučení na změnu složení látek používaných ve výrobě, které firma akceptovala,“ připomíná Tomáš Lederer jeden z mnoha příspěvků Oddělení technologie životního prostředí CxI TUL k dodržení a garance požadované kvality vod na výstupu z ČOV, ke snížení provozních nákladů na čištění odpadních vod a k zodpovědnému hospodaření s vodou. /Jaroslava Kočárková/
