Nové možnosti úpravy a recyklace odpadních vod

1. Úvod

Voda je nedůležitější přírodní zdroj. V globálním měřítku je jí dostatek, neboť více než 70 % naší planety je pokryto vodou, ze které je však 97,5 % voda slaná. Ve zbývajícím objemu sladké vody jsou značné rozdíly v její kvalitě dle místa i času, a proto stojí za to ji recyklovat tam, kde je jí nedostatek. Za účelem recyklace se nejčastěji pro čištění vody používají membránové procesy, protože garantují 100% spolehlivost v zajištění kvality permeátu (Lens a kol. 2002). Mezi membránami je relativně novou technologií nanofiltrace pomocí modulů s dutými vlákny. V České republice prozatím není tento způsob separace nikde použit, nicméně již existuje řada studií a aplikací ze světa, kde je technologie využita k čištění textilních odpadních vod (Petrinic a kol. 2007), (Kim a kol. 2006), (Chakraborty a kol. 2004).

Nanofiltrace účinně separuje dvojmocné ionty a větší molekuly na základě sítového efektu a dalších mechanismů (Lens a kol. 2002). V textilní průmyslu se v odpadních vodách objevují především zbytky barev a další pomocné chemikálie. Pilotní testování ověřuje účinnost NF membrány při separaci barev, solí a zjišťuje provozní parametry, jako je intenzita toku permeátu a propustnost membrány (Lau a kol. 2007).

Motivací pro recyklaci odpadních vod ve vybraném textilním podniku byl požadavek snížit spotřebu vody a tím zredukovat poplatky za odvádění odpadních vod (OV) do kanalizace. Recyklace OV byla aplikována při procesu barvení. Technologie NF byla navržena na základě provedené rešerše, laboratorního ověření a následného pilotního testování, ze kterého by mělo vyplývat:

• pokud bude dosaženo takové kvality vyčištěné odpadní vody, která nebude následně ovlivňovat kvalitu produktu, bude technologie posouzena jako vhodná pro danou aplikaci,
• pokud bude kvalita vyčištěné vody nedostatečná, bude k NF doplněna další technologie, příp. navržena jiná fyzikálně-chemická metoda čištění OV.

2. Poloprovozní technologie

Řešení recyklace odpadních vod bylo zahájeno provedením vodohospodářského auditu. Následně byly identifikovány tři odlišné zdroje odpadních vod, které je možné separovat – komunální, procesní a odpadní vody z kotelny. Veškeré odpadní vody jsou v současnosti vypouštěny do kanalizace a odváděny na městskou ČOV. Komunální vody jsou klasické splaškové vody ze sprch, umyvadel a WC. Odpadní vody z kotelny zahrnují zahuštěnou kotelní vodu ze 3 kotlů. Odpadní vody z procesu výroby zahrnují vody z barvení látek, česanců a z prádelny hotových látek. Pro recyklaci a testování byly vybrány barevné odpadní vody z barevny česanců (viz Obr. 1).

Obr. 1 Schéma produkce odpadních vod

V oddělení barevny česanců existuje velká spotřeba vody při barvení a je zde potenciál dosáhnout úspory vstupní vody i tepelné energie pomocí NF technologie. Barvení probíhá v uzavřených barvicích strojích, kde se barví vlna i syntetická vlákna, a dle toho je zvolen typ barvy (kovové komplexní, reaktivní a disperzní). V procesu barvení vznikají různé odpadní proudy, které nejsou homogenní, a výrazně se mění jejich složení i teplota v průběhu času. Barvicí stroj je při každé fázi napuštěn a po skončení dané operace vsádka vypuštěna, tj. každý proud tedy reprezentuje danou fázi barvení. Začíná se barvicí lázní, která je charakterizována vysokým CHSK_Cr, barvou, zákalem a vodivostí a také nejvyšší teplotou (až 90 °C). Další dvě až čtyři lázně jsou již „proplachovací“ a obsahují zbytky po barvení (a tedy výrazně nižší látkové zatížení) a také jejich teplota je nižší (méně než 50 °C). Vzhledem k teplotnímu omezení polymerní membrány (40 °C) bylo testování zaměřeno na „proplachové“ proudy s teplotou pod 40 °C, které jsou separovány zvlášť.

Celková spotřeba vody v tomto oddělení je průměrně 300 m³/den. Spotřeba vody je výrazně ovlivněna poptávkou po látkách (v souvislosti se současnou krizí). Množství proplachových proudů, které by bylo možné čistit a recyklovat zpět do procesu výroby, bylo určeno na průměrných 100 m³/den.

Pilotní technologie

Pro testování byla navržena pilotní jednotka, která je mobilní a umožňuje testovat separaci odpadní vody přímo na lokalitě. Jednotka je vybavena NF moduly s průměrem vlákna membrány 0,7 mm a s dělicí schopností (MWCO) větší než 800 Da. Membrána tedy částečně odsoluje, účinně separuje barvy, zákal a organické znečištění. Intenzita toku permeátu (pitné vody) byla 10 až 40 LMH (l/m²/h). Celková plocha membrány je 43 m². Membrána je vyrobena z polyethersulfonu (PES), který má dobrou chemickou odolnost, trvanlivost, rovnoměrnou distribuci pórů, ale naopak nízkou teplotní odolnost do 40 °C.

Sledované kvalitativní parametry vody byly zvoleny na základě rešerše odborných článků a jsou to zákal dle ČSN EN ISO 7027, nerozpuštěné látky (NL) dle ČSN EN 872, barva ČSN EN ISO 7887 a CHSK_Cr dle ČSN ISO 15705.

Obr. 2 vlevo: Vzorky odebrané vody při testování – zleva vstupní voda, koncentrát, vyčištěná voda (permeát); vpravo: Testovací pilotní jednotka NF

3. Výsledky a diskuse

Laboratorní testování

Předchozí laboratorní výsledky již byly prezentovány na konferenci Odpadové vody 2020 (Hoferková a kol. 2020) a na základě těchto výsledků bylo další testování zaměřeno na „proplachové“ vody při barvení česanců. Při laboratorním testování byly dosaženy parametry vyčištěné vody, které jsou uvedeny v Tab. 1. Parametry jako vodivost, CHSK_Cr byly dle očekávání sníženy jen o desítky procent, protože účinnost separace je různá a závisí (kromě velikosti molekul) také na dalších faktorech. Naopak nerozpuštěné látky a barva byly separovány ze 100 %. Na základě požadavku provozovatele byly analyzovány i další parametry vyčištěné vody (např. Fe = 0,05 mg/l a Ca + Mg = 0,94 mmol/l), které vykazovaly podlimitní hodnoty.

Na laboratorní testování navázalo v letošním roce testování s pilotní jednotkou přímo u zákazníka. Cílem bylo zjistit kvalitu permeátu z hlediska dlouhodobého provozu. Prezentované výsledky jsou z prvního měsíce testování. Z Obr. 3 vyplývá, že kvalita vstupní i vyčištěné vody není konstantní, což je dáno variabilitou barvicích procesů.

Obr. 3 Výsledky poloprovozního testování

Parametr pH se pohyboval v rozmezí od 4,95 do 8,95 ve vstupní i ve vyčištěné vodě. Je to dáno tím, že při barvení se upravuje pH vody dle požadavků barvicího reglementu. Parametr vodivost byl snížen o průměrných 15 % v důsledku separace dvojmocných iontů. Parametr zákal byl redukován z 94 %. S parametrem zákal koreluje i parametr barva, který je odstraněn z cca 94 %. Parametr CHSK_Cr je odstraněn ze 74 %, což znamená, že část organických látek prošla membránou.

Provozní testování přináší nejen výsledky kvalitativní, ale i kvantitativní. Při testování je dosaženo průměrné propustnosti membrány 4,5 LMH/bar. Intenzita toku permeátu se při separaci odpadní vody pohybuje mezi 10 až 15 LMH. Četnost proplachu modulů (membrán) je stanovena dle charakteru produkce odpadní vody tak, aby během prodlevy provozu proběhl zpětný proplach. Doba zpětného proplachu je 30 sekund. Chemické čištění CEFF (chemicky obohacený přímý proplach) probíhá jednou až dvakrát týdně a nepravidelně dle potřeby na základě údajů o tlakové ztrátě modulů. Pro chemické čištění je použit roztok kyseliny citronové a hydroxid sodný.

Prvotní provozní náklady navržené technologie s kapacitou 100 m³/den zahrnují náklady na chemikálie – 10 Kč/den, náklady na elektřinu – 406 Kč/den a na obsluhu – 100 Kč/den; celkově tedy 517 Kč/den. Instalací technologie se naopak na lokalitě uspoří 5 700 Kč/den. Na vodném a stočném by bylo ušetřeno 4 160 Kč/den a na úspoře energie pro ohřev 1 573 Kč/den. Po odečtu tedy technologie může ušetřit 5 200 Kč/den a návratnost technologie byla vypočtena na přibližně 4,4 let.

Vyčištěná voda zatím není využita v procesu barvení, ale po úspěšném otestování funkčnosti pilotní jednotky a stability procesu bude využívána přímo při výrobě. Požadovaná kvalita vyčištěné vody není specifikována českou ani zahraniční legislativou, a proto je třeba otestovat využití vyčištěné odpadní vody přímo při procesu barvení, tj. použití recyklované vody nesmí ovlivňovat jeho kvalitu.

4. Závěry

Pilotním testováním čištění odpadní vody pomocí NF technologie bylo zjištěno, že náklady na provoz technologie představují částku 517 Kč/den a celková úspora především z hlediska spotřeby vody pak částku 5 200 Kč/den. Vypočtená výsledná návratnost navržené technologie (4,4 roku) je tedy zajímavá i pro investora (provozovatele) případné instalace membránové technologie.

Firma ASIO TECH disponuje širokou škálou pilotních technologií, které představují čtvrt- a poloprovozní jednotky ve srovnání s reálnými technologiemi používanými pro čištění a recyklace odpadních vod. Pilotní jednotky jsou malé a mobilní, proto je lze jednoduše instalovat u zákazníka a otestovat na reálných vodách. Pilotní testování je doporučováno jako první krok před vlastní realizací technologie ve velkém měřítku, protože ověří funkčnost technologie a zákazníka seznámí s nároky na provoz zařízení.

5. Poděkování

Projekt TH04030332 – Aplikace membránové filtrace s in-line koagulací je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci Programu Epsilon.

6. Seznam literatury

1. Lens P., Hulshoff Pol L., Wilderer P., Asano T., 2005. Water Recycling and Resource Recovery in Industry: Analysis, Technologies and Implementation. London, UK: IWA Publishing, ISBN (electronic): 9781780402802
2. Hoferková L., Pudova N., Kokar M., 2020. Využití membránových technologií pro recyklace odpadních vod. Konference Odpadové vody 2020, Česká republika
3. Petrinic I., Andersen N.P.R., Sostor-Turk S. and Marechal. A.M.L. 2007. The removal of reactive dye printing compounds using nanofiltration. Dyes Pigments, 74(3), 512–518, ISSN 0143-7208
4. Kim I.-C., Lee K.-H., 2006. Dyeing process wastewater, treatment using fouling resistant nanofiltration and reverse osmosis membranes. Desalination, 192(1-3), 246–251. ISSN 0011-9164
5. Chakraborty S., Bag B.C., DasGupta S., Basu J.K., De S., 2004. Prediction of permeate flux and permeate concentration in nanofiltration of dye solution. Separation and Purification Technology, 32(2). 141–152. ISSN 1383-5866
6. Lau W., Ismail A.F., 2007. Polymeric nanofiltration membranes for textile dye wastewater treatment: Preparation, performance evaluation, transport modelling, and fouling control — a review. Desalination, 245(1-3). 321–348. ISSN 0011-9164