Projekt zaměřený na snížení znečištění povrchových vod farmaceutickými látkami v biologicky vyčištěných odpadních vodách hodlá zlepšit dočišťování konvenčně vyčištěných odpadních vod a přispět tak k redukci negativních vlivů člověka na životní prostředí.
Vědci Technické univerzity v Liberci se dlouhodobě věnují problematice čištění odpadních vod a více než 20 let při svém výzkumu spolupracují s firmou Pro-Aqua CZ. Spolupráce přinesla v minulosti řadu pozitivních výsledků. Můžeme připomenout například novou technologii, jejímž výstupem je originální 3D polymerní strukturní útvar ve tvaru „šneka“ obsahující nanovlákna, který významně urychluje náběh biofilmového procesu čištění odpadních vod. Konkrétním příkladem spolupráce je i optimalizace a aplikace původní norské technologie MBBR (moving bed biofilm reactor) v České republice. „Na tom spolupracujeme prakticky 20 let a s tím souvisí i náš nový společný projekt Snížení znečištění povrchových vod farmaceutickými látkami v biologicky vyčištěných odpadních vodách, zaměřený na dočištění konvenčně vyčištěných odpadních vod,“ říká Ing. Tomáš Lederer, Ph.D., z Oddělení technologie životního prostředí na Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci (CxI TUL) s tím, že spolupráce dvou odborných partnerů zvýší efektivitu dočištění konvenčně vyčištěných odpadních vod a zároveň sníží jejich zatíženost látkami, jako jsou zbytková farmaka a další mikropolutanty.
ZBYTKOVÁ FARMAKA SE DOSTÁVAJÍ DO VODNÍCH TOKŮ
Celosvětová produkce a spotřeba léčiv neustále stoupá a zbytky léčiv se dostávají prakticky do všech složek životního prostředí, včetně vodních toků, kde dosahují koncentrací v řádu μg/l. Seznam farmak významných z hlediska přísunu do odpadních vod, který vydal Státní fond životního prostředí, je poměrně rozsáhlý. Patří sem například protizánětlivé analgetikum diklofenak, metformin jako hlavní léčivo diabetu 2. typu, syntetický hormon 17-alpha-ethinylestradiol a přírodní hormon 17-beta-estradiol, nesteroidní protizánětlivé léčivo ibuprofen, antiepileptikum a antidepresivum karbamazepin, léky proti bolesti jako tramadol, gabapentin atd.
I když je jejich koncentrace ve vodách zpravidla nízká, představují potenciální nebezpečí. Proto jsou farmaka aktuálně jedním z polutantů, jejichž monitoringem a možnostmi jejich odstranění ve vodě se zabývají vědecké týmy na celém světě. Cílem je zamezit jejich nekontrolovatelnému uvolňování do životního prostředí.
„Je důležité vodu čistit a sledovat proces při odstraňování léčiv a mikropolutantů přítomných ve vodních tocích. Některé z těchto látek a farmak totiž zůstávají v odtocích stávajících čistíren odpadních vod. V našem společném dvouletém projektu, který jsme začali řešit letos v květnu, se zaměřujeme na odstraňování farmak z biologicky vyčištěných vod čili za čistírnami odpadních vod, kde nainstalujeme a ověříme technologie připadající v úvahu pro dočištění,“ konstatuje jednatel společnosti Pro-Aqua CZ a garant projektu Dr. Ing. Libor Novák s tím, že projekt je hrazen z Norských fondů. A jak dodává Tomáš Lederer, v EU již několik let existuje tzv. „Watch List“, což je vlastně seznam prioritních látek, u kterých je potřeba sledovat jejich zdroje, odkud se dostávají do odpadních vod, jejich chování v čistírnách odpadních vod, jejich osud až k povrchovým vodám a samozřejmě také zjišťovat, jestli se nedostávají do pitných vod.
Nekolonizovaný 3D mikrovlákenný nosič — pohled z boku a shora
OBAVY Z KVALITY PITNÉ VODY NEJSOU V OBECNÉM KONTEXTU NA MÍSTĚ
Tomáš Lederer však vyvrací případné obavy z kvality pitné vody v ČR. S rozvojem čištění odpadních vod došlo podle něj v posledních 30 letech k významnému poklesu zatížení toků v ČR celkovým organickým znečištěním, charakterizovaným například hodnotami ChSK a BSK (chemická a biochemická spotřeba kyslíku). Většina čistíren dosahuje bez problémů stanovených odtokových limitů a splňuje legislativní požadavky i díky dostupným moderním technologiím.
„Naprostá většina organických látek se odstraní, majoritní část se rozkládá a část se nasorbuje (nalepí) na čistírenský kal, čímž je podpořena dobrá kvalita odpadní vody odtékající z čistíren do vodních toků. Obavy lze vyvrátit i tím, že letos na konferenci Pitná voda 2022 v Táboře byly prezentovány výsledky rozsáhlého monitoringu pitných vod a jejich zdrojů s tím, že je u nás velmi málo takových lokalit, které jako zdroj surové vody pro úpravu na vodu pitnou využívají povrchové toky s obsahem farmak, z nichž se pak jen některé mohou následně vyskytovat v pitné vodě. Je ale faktem, že stávající čistírny odpadních vod v ČR nejsou vybaveny takovými technologiemi, které by byly schopné všechny mikropolutanty z odpadní vody zcela odstranit, a ty jsou pak skutečně vypouštěny do povrchových vod. A protože se některá farmaka ani nerozloží, ani nezachytí v čistírenském kalu a projdou čistírnou až do povrchového toku, je naším úkolem v rámci projektu eliminovat i zbytkové koncentrace farmak nebo obecně skupin mikropolutantů, včetně pesticidů a hormonů,“ přibližuje prováděný výzkum Tomáš Lederer.
PRVNÍM STUPNĚM JE CHEMICKÁ METODA
Technologie odstraňování farmak z odpadních vod, kterou budou partneři konsorcia aplikovat na odtoku stávajících čistíren, se zakládá na moderní metodě kombinující modifikovaný chemický postup AOP (advanced oxidation process) a biologické dočištění MBBR (moving bed biofilm reactor). Chemickou technologii AOP vyvinul ve spolupráci s Pro-Aqua CZ tým Ústavu chemických procesů České akademie věd.
„Naše inovace spočívá v tom, že jsme pro katalýzu chemické reakce instalovali specifický heterogenní katalyzátor se spinely železa. Dosavadní metody založené na Fentonově reakci [chemická reakce, kdy v přítomnosti tranzitních kovů (Fe2+, Cu+) se peroxid vodíku redukuje a vzniká vysoce aktivní a toxický hydroxylový radikál — pozn. red.] pracují většinou s homogenními katalyzátory, které je nezbytné s čištěným médiem směšovat a pak je zase složitě odstraňovat,“ informuje Libor Novák s tím, že chemické čištění, při kterém dochází k oxidaci organických látek v odpadní vodě, bude v soustavě dílčích technologií nainstalováno jako první.
Protože se ale složité a špatně rozložitelné látky, jako jsou právě farmaka, oxidačním procesem neodstraní, ale pouze částečně rozloží na jednodušší molekuly, bude se testovat jako druhý stupeň dočištění biologická metoda, která následně tyto složité „naštípané“ molekuly lépe rozloží na oxid uhličitý a vodu, či na neškodné inertní reziduální látky.
Kolonizovaný 3D mikrovlákenný nosič — pohled z boku a shora
DRUHÝM STUPNĚM JE BIOTECHNOLOGIE
Jako druhý stupeň dočištění je ověřován mikrovlákenný nosič. Původní norská technologie MBBR byla vyvinuta pro odstraňování organického znečištění z málo zatížených a chladných odpadních vod a následně byla modifikována i pro stabilizaci procesů a odstraňování dusíku z odpadních vod. Je založena na využití mikroorganismů ve formě biofilmu fixovaných na nosičích biomasy, které se v reaktoru nacházejí ve fluidním loži.
Na CxI TUL tuto technologii zdokonalili ve spolupráci s Fakultou textilní TUL, kde tým doc. Brigity Kolčavové Sirkové vytvořil na katedře technologií a struktur pro tyto účely novou 3D konstrukční textilní strukturu nosiče biomasy využívající vstupní polymerní multifilament s vysokým specifickým měrným povrchem.
„Při vývoji této 3D pletené struktury jsme se zaměřili na její specifický měrný povrch, protože vnitřní porosita nosiče je v tomto případě zásadní vlastností struktury nosiče. Nám se povedlo připravit vstupní mikrostrukturu 3D nosiče (měření nekolonizovaného nosiče) se specifickým měrným povrchem o dva řády vyšším v porovnání s běžnými komerčními nosiči. Vyšší specifický měrný povrch struktury ve výsledném 3D mikrovlákenném pleteném nosiči biomasy vytváří dobré podmínky pro primární uchycení a růst buněk čistírenských mikroorganismů, včetně zajištění optimálního množství kyslíku a dostatek prostoru pro jejich kolonizaci na nosiči i při pohybu nosičů v čistírenském procesu,“ popisuje mikrovlákenný nosič vedoucí katedry doc. Kolčavová Sirková.
Zdůrazňuje, že zásadní otázkou s ohledem na požadované vlastnosti 3D nosičů byl výběr specifických polymerních vláken. Někdy je totiž žádoucí, aby se nosič udržel ve vznosu, a někdy je výhodnější, když sedimentuje.
„Na základě těchto požadavků jsme vybírali polymery s nižší nebo vyšší hustotou, než má voda, protože na základě hustot vstupních polymerů dokážeme regulovat pohyb nosiče ve vodě. Pro nosiče ve vznosu je vhodný polypropylen, který má hustotu 920 kg/m3, a proto vytvoří strukturu, která se nepotopí. Pro strukturu 3D nosičů, z pohledu vstupního materiálu, který se nebude vznášet, jsme použili vlákna polyesteru 1 370 kg/m3 a polyamidová vlákna 1 140 kg/m3, respektive jejich kombinace s polypropylenem,“ upřesňuje Brigita Kolčavová Sirková.
Důležitá je při vývoji výrobků aplikačního charakteru podle ní i konkurenceschopnost výrobku. Z toho důvodu vědci při výběru polymerů vstupního materiálu pro výrobu nosiče hledali materiál s přijatelnou cenou, a proto při výrobě 3D nosičů použili komerčně běžně dostupná vlákna.
OVĚŘOVÁNÍ ROZHODNE O TŘETÍM STUPNI
Mikrovlákenné nosiče už dříve liberečtí vědci úspěšně ověřili pro odstraňování sloučenin dusíku z odpadních vod. Osvědčily se během více než ročního poloprovozu na čistírně pro komerční zónu Dobrovíz s distribučním centrem Amazon. Také novou technologii pro dočišťování odpadních vod od zbytkových farmak čeká podle Tomáše Lederera proces důsledného testování.
„K dispozici máme tři čistírny odpadních vod nadefinované přímo pro projekt. Jsou to čistírna v Liberci, místní obecní čistírna v Dobrovízi, kterou provozuje Pro-Aqua CZ, a opět čistírna pro komerční zónu Dobrovíz. V našem projektu jsme si dali za cíl snížit výskyt těchto látek na minimální míru. Dočišťovací soustavu máme v podstatě vymyšlenou. Pokud se nám nepodaří všechna kritéria splnit, můžeme uvažovat ještě o třetím fyzikálním stupni čištění, tedy určité membránové separaci, případně sorpci. Při ní se běžně používá aktivní uhlí, ale na CxI TUL budeme testovat i vyvíjené pokročilé sorpční materiály na bázi směsi grafenu oxidu a redukovaného grafenu oxidu. To vše samozřejmě ukážou výsledky testů,“ shrnuje Tomáš Lederer.
ŠANCI SE UPLATNIT V PRAXI MŮŽE ZBRZDIT CENA
Realizátoři projektu se shodují v tom, že navrhovaná komplexní technologie je komerčně dostupná a využívá výrobek s přidanou hodnotou. Pro provozovatele čistíren však přinese zvýšení nákladů, které nebudou schopni bez navýšení cen stočného uvolnit. Přesto má podle nich tento výzkum velký společenský význam, a to nejen v oblasti vědy a výzkumu, ale také v praxi. Může totiž v předstihu ověřit efektní postupy pro budoucí nutnost odstraňovat tyto látky s co největší účinností, která určitě nastane.
„Legislativa to sice dnes ještě nepožaduje, ale to neznamená, že se tím na úrovni výzkumu a vědy nemáme zabývat. Tlak na udržitelnou kvalitu životního prostředí se bude logicky zvyšovat. A v momentě, kdy se v EU rozhodne, že se tento problém musí řešit, bude pozdě zahajovat dlouhý výzkum. Funkční technologie musí být pro takovou situaci připraveny,“ konstatuje Libor Novák.
Pokud by byl výzkum úspěšný, mělo by to podle Tomáše Lederera podstatný význam v tom, že by bylo možné ověřené technologie nainstalovat také za čistírny odpadních vod v nemocnicích, kde by odstraňování těchto látek probíhalo přímo u zdrojů. Většina nemocnic bohužel nemá vlastní čistírny nebo je má zastaralé. I když nemocnice musí (minimálně v provozech z patologie a v infekčních odděleních) odpadní vodu předtím, než ji vypustí do veřejné kanalizace, takzvaně „hygienizovat“ (většinou nachlorováním odpadní vody), problematiku farmak to neřeší. Tato praxe naopak vede k tvorbě pestré směsi chlorovaných organických látek, jejichž rozložitelnost může být problematická.
„My jsme se přihlásili k tomu, že zajistíme podle typu látky 90—99% účinnost při odstraňování těchto látek přímo u bodových zdrojů, tedy v čistírnách odpadních vod. Důležitou informací je také, že se náš projekt netýká jen zbytkových farmak, ale i ostatních mikropolutantů, které se do prostředí dostávají z jiných zdrojů lidské činnosti,“ konstatuje Tomáš Lederer.
Foto: CxI TUL