Z odpadů surovinami aneb: “Nemusí pršet, jen když kape”

Datum: 24.2.2017
Tento příspěvek má za cíl stručně shrnout výsledky získané během řešení projektu "Z odpadů surovinami" na kterém pracovalo konsorcium firem ASIO spol. s.r.o. a PROJEKTY VODAM s.r.o. spolu s Botanickým ústavem Akademie věd České republiky.

Projekt je řešen v rozmezí let 2013 – 2016 a je podpořen grantem Národní agentury pro zemědělský výzkum (NAZV). Hlavním cílem projektu bylo vyvinout technologie recyklace látek, které jsou v současné době považovány za odpad, a transformovat je na suroviny aplikovatelné zejména v zemědělství. Projekt lze rozdělit na 4 hlavní cíle:

1) Recyklace fosforu z odpadních vod, do formy hnojiva struvitu.
2) Minimalizace množství odpadu z anaerobní digesce, využití fermentačního zbytku.
3) Management nakládání se žlutými vodami.
4) Čištění a využití šedých vod jako vod užitkových i k závlaze rostlin

Vzhledem k obsáhlosti problematiky a rozsahu projektu je tento článek věnován pouze žlutým a šedým vodám.

Znázornění hnojivého potenciálu moči

Žluté vody nesmíme vidět tak negativně

Moč, také známá v naředěné formě splachovací vodou jako žlutá voda, je produkována denně. Ačkoli žlutá voda představuje méně než 1 % z celkového objemu odpadních vod z domácností, to je zdrojem 80 % dusíku a nejméně 50 % fosforu a draslíku z celkového množství těchto živin přítomných v odpadních vodách z domácnosti [1]. Má tedy být považována za odpad nebo za cenný zdroj živin? Podíváme-li se na tuto otázku z pohledu oběhového hospodářství, měli bychom oddělit moč tam, kde to je možné, a recyklovat ji. Separace moči zahrnuje několik benefitů, například celkově méně znečištěné odpadní vody a tudíž znamená i menší objemy čistíren odpadních vod. V některých případech může dokonce znamenat absenci potřeby srážení fosforu. Ideální místa pro recyklaci jsou odpočívadla podél dálniční sítě, benzínové stanice, kulturní akce a festivaly, nebo odlehlé nemovitosti v horských oblastech. Je ovšem zcela evidentní, že ve vyspělých zemích EU v 21. století se masově nebudeme navracet k suchým záchodům. Proto jsme se snažili navrhnout řešení snadno přenositelné do praxe s ohledem na výše zmíněné případy.

V době, kdy byl připravován návrh projektu Z odpadů surovinami, byly předpovědi, co se týče světových zásob fosfátové rudy, značně pesimistické. Některé odhady hovořily o rezervách zhruba na 50 – 100 let [3]. Vzhledem k tomu, že je fosfátové hnojivo z pohledu rostlinné výživy nezastupitelné, jednalo se takřka o katastrofický scénář. Tehdejší predikce se naštěstí nenaplnily a situace je poněkud optimističtější. Cena fosfátové rudy opět klesla i díky nalezení dalších ložisek. Nicméně je i nadále potřeba brát nedostatek fosforu zcela vážně. Moč se k tomuto účelu přímo nabízí, jelikož koncentrace fosforu v lidské moči se u průměrného Evropana pohybuje kolem 150 – 300 mg/L.

Proti použití v zemědělství hovoří však hned několik argumentů, například obsah PPCPs (Pharmaceuticals and personal care products). Tato skupina zahrnuje veškeré výrobky používané v osobním zdravotnictví, kosmetiku včetně farmak a hormonů. Vedle toho se v moči mohou vyskytovat biologické polutanty, mikroorganismy a viry. Čerstvá moč zdravého člověka by jich sice měla být prostá, avšak vyloučit toto riziko zcela nelze.  Krom toho se často setkáváme i s psychologickou bariérou.  Výzkumné úsilí bylo směřováno k tomu, aby prozkoumalo možné směry nakládání se separovanou močí. V prvním roce řešení byla svezena moč z brněnského festivalu Majáles, v objemu 10 m3. Tato moč byla uskladněna v speciálních podzemních nádržích, AS-URINE (ASIO, spol. s r.o.), určených k akumulaci žlutých vod vybavených pachotěsným víkem a odvzdušňovacím komínkem. V průběhu experimentů bylo prokázáno, že nejjednodušší způsob, jak moč hygienizovat, je její ukládání po dobu několika měsíců. WHO Příručka pro likvidaci využití exkrementů doporučuje období stabilizace po dobu 4-6 měsíců při teplotě 20 °C [4]. Kolifágní viry monitorovány nebyly. Nicméně viry se v hygienizované moči již pravděpodobně vyskytovat nebudou, z důvodu absence bakterií jako hostitele. Použití moči se zdá být z hygienického hlediska bez problematické.

Tabulka č. 1: Mikrobiální ukazatele měřené během hygienizace moči.

Mikrobiální ukazatele měřené během hygienizace moči.

Byly testovány i metody zakoncentrování moči. Jelikož moč obsahuje poměrně velké množství vody, což může představovat problém ve vztahu k jejímu aplikačnímu potenciálu. Pro zemědělce je nevýhodné vozit na pole vodu, které je v moči 95 %, ale potřebují aplikovat močovinu jako koncentrované hnojivo. Z metod vhodných k zakoncentrování nutrientů bylo testováno vymražování moči, odpařování solárními panely a tepelnými výměníky i spontánní krystalizace.

Obrázek č. 1: Solární zakoncentrování moči, foto vpravo zachycuje vznik struvitu na dně nádrže

Solární zakoncentrování moči, foto vpravo zachycuje vznik struvitu na dně nádrže

V klimatických podmínkách ČR se tedy metody ukázaly jako neekonomické anebo málo účinné a navíc těžko přenositelné do praxe. Díky zakoncentrování moči by mohl navíc vzniknout další závažný problém. Vedle zakoncentrování nutrient by pravděpodobně došlo i k zakoncentrování zmíněných PPCPs. Navíc tyto metody byly doprovázeny vývojem zápachu, který byl způsoben činností mikroorganismů, jež hydrolyzují močovinu a vzniká tak amoniak, který disociuje následně díky posunu pH do zásaditých hodnot a díky tomu se dostává do vzduchu. Problémem zakoncentrování moči je i fakt, že některé PPCPs v moči přetrvávají i po  její stabilizaci.  Použití lidské moči se ale v podstatě neliší od použití kravské moči, která se běžně používá dokonce i v organickém zemědělství a to nejen jako hnojivo, ale i jako pesticidy a insekticidy. Přitom obsahy hormonů v kravské moči mohou být násobně vyšší než v lidské moči. Jediným negativem pak zůstává riziko zasolení půdy. Toto se však eliminuje ředěním vodou a střídáním hnojiv. Aplikační doporučení pro ředění moči a její použití ve formě půdního kondicionéru je 1:4 – 1:6 [4].  Takto naředěnou moč je vhodné aplikovat například pomocí hadicového systému, podobně, jak se to dělá s fugátem. Jako vhodná plodina se jeví z důvodu psychologické bariéry například kukuřice určená k produkci siláže určené pro zpracování v bioplynové stanici. Vhodnost aplikace žlutých vod na tuto plodinu byly podpořeny nádobovým pokusem provedeným na Mendlově universitě v Brně.

Obrázek č. 2: Traktor s cisternou a hadicovým aplikačním systémem je ideální nejen pro zapravení  fugátu ale i žlutých vod. (Zdroj: http://1url.cz/Xt2lA)

Traktor s cisternou a hadicovým aplikačním systémem je ideální nejen pro zapravení  fugátu ale i žlutých vod.

Jako výhodné místo pro separaci moči byly zvoleny v rámci modelového případu víše zmíněné čerpací stanice. Pro odloučení, alespoň části moči, zde navíc existují další pádné argumenty. Funkce standardní mechanicko-biologické čistírny odpadních vod, respektive její provoz a stabilita jsou do značné míry ovlivněny vysokým podílem amoniaku z moči. V procesu biologického čištění zde narážíme na problematiku chybějícího organického substrátu. Tento musí být dávkován většinou externě. Čistírny u dálničních odpočívek a motorestů v drtivé věčně případu nefungují správně. Přitom postačí oddělit část moči pocházející od pánské populace. Navíc bylo vypočteno, že oddělením moči lze uspořit i při výstavbě nové čistírny až 40 % investičních nákladů!

Separace moči

Během testování různých způsobů nakládání s žlutou vodou byly vyvinuty rovněž sorpční pachové filtry.  V průběhu projektu byla testována celá řada sorpčních materiálů a gelů a bylo vytipováno hned několik sorbentů, podle povahy zápachu. Tyto filtry jsou vhodné pro místa s vysokým podílem moči v odpadní vodě nebo míst kde je generován zápach. Tyto filtry byly úspěšně testovány na akumulačních jímkách moči AS-URINE. Rovněž byly testovány na domovních čistírnách a v kanalizačních šachtách, kde prokázaly vysokou účinnost odstranění. Lze zmínit případovou studii z Ivančic. Zde bylo označeno 5 problematických šachet. Na základě získaných dat, kdy měření probíhalo ve vytipovaných kanalizačních šachtách v intervalu po 5 minutách po dobu 8 dní, byl sestaven graf viz níže, z kterého je patrné, že k vývoji zápachu dochází vždy v intervalu mezi čerpáním odpadní vody. Po čerpání vždy klesne a pak postupně narůstá. Maximální koncentrace H2S pod kanalizačním poklopem byla dokonce 180 ppm. Pokud je člověk vystaven takto koncentrovanému zápachu, pociťuje kašel, bolesti hlavy a očí. Přitom u sirovodíku se za silný zápach označuje koncentrace již okolo 3 – 5 ppm! Průměrná denní koncentrace zápachu v kanalizační šachtě byla pak vypočtena 17 ppm H2S (v grafu jej naznačuje červená linie).

Graf č. 1: Monitoring vývoje zápachu v kanalizační šachtě před osazením filtru

Monitoring vývoje zápachu v kanalizační šachtě před osazením filtru

Po osazení všech filtrů proběhlo opět měření intenzity zápachu stejně tak se opakovalo i dotazníkové šetření. Nejvyšší naměřená hodnota byla 0,6 ppm H2S a průměrná denní koncentrace byla 0,01 ppm H2S. Tyto výsledky představovaly eliminaci zápachu ve výši 99,99 %, což je skvělá účinnost. Strojové měření se shodovalo i s výsledky provedeného dotazníkového šetření mezi občany Ivančic podle normy ČSN 83 5030. V období po instalaci filtrů již nebyla zaznamenána žádná stížnost na zápach.

Obrázek č. 3: Osazení kanalizačních šachet v Ivančicích proběhlo hladce, instalace 1 filtru trvá 5 minut.

Odstranění zápachu z kanalizačních šachet

Šedé vody v podmínkách ČR aneb má to smysl?

Jednou z nejcennějších surovin, se kterou pracujeme, je bezesporu voda. Je tedy logické, že projekt, který je nazvaný Z odpadu surovinami bude cílit právě na recyklaci a znovuvyužití vody. K tomu se přímo nabízí vody šedé, jakožto minimálně znečištěné odpadní vody, vznikající na úrovni domácnosti například při sprchování nebo mytí rukou. Takováto voda je pak po vyčištění vhodná nejen jako voda užitková, ale například i pro zálivku rostlin. Což se ukázalo v posledních letech ve spojitosti s rostoucím suchem jako jeden z pádných argumentů pro recyklaci. Životní prostředí je z hlavních argumentů pro recyklaci šedé vody. Není důvod, proč bychom měli znečišťovat a spotřebovávat zbytečně další čisté zdroje povrchové a podzemní vody, když můžeme snadno využít vodu, kterou jsme již jednou použili. Obzvláště pak v období sucha.

Recyklace je navíc ekonomicky výhodná. Průměrná cena vody v ČR je 80 Kč/m3, přičemž se předpokládá další nárůst cen. Do pěti let očekávají vodárny zdražení místy až o třetinu. Přičemž průměrná sociálně únosná hranice ceny vody na rok 2017 byla vypočtena zhruba 109 Kč/m3 [5].  Sociálně únosná hranice pro výdaje na Vodné a Stočné je definována jako cena pro vodné a stočné (vč. DPH), která představuje 2% průměrných čistých příjmů domácnosti a se standardní spotřebou 80 L/os*den pro účel tohoto výpočtu.  Cena, za kterou můžeme mít recyklovanou vodu se pohybuje kolem 15 – 20  Kč/m3 v závislosti na druhu použité recyklační technologie a účelu použití. Tato vypočtená cena však zohledňuje pouze ekonomické náklady. Vliv na životní prostředí z hlediska LCA není započten! Je však evidentní, že šetřit vodou nemůže být než ku prospěchu. Například u domácnosti, jež není napojena na kanalizaci a odpadní vody pouští zbytečně do jímky na vyvážení a ředí si tak její obsah. Zde pak platí navíc náklady na vývoz fekálem, které činí na m3 250 – 500 Kč! V tomto ohledu značně zaostáváme za zeměmi, jako je např. Izrael, který dnes recykluje více než 80 % svých odpadních vod! Většinu z toho pak využívá v zemědělství. Pozadu jsme bohužel i s legislativou, jelikož u nás neexistuje žádná norma, která by poskytla vodítko pro posuzování kvality šedých vod, musíme se inspirovat v zahraničí. Např. ve Velké Británii byla v roce 2010 vydána norma: BS 8525 zabývající se systémy šedých vod a obsahuje doporučení týkající se kvality šedých vod a jejího monitorování. Není žádným tajemstvím, že česká norma: Využití vyčištěných šedých a srážkových vod v budovách a na přilehlých pozemcích, ČSN 75 6780, jež si bere příklad ze zahraničních standardů, stále není v platnosti, přičemž její první návrh se datuje do roku 2011.  

Z toho důvodu se projekt z odpadů surovinami věnuje tématu šedých vod a pokouší se o rozšíření povědomí spojeného s touto problematikou v českých vodách, zejména ve vztahu k závlaze rostlin.

Testy s jednoděložnými a dvouděložnými rostlinami

Testy toxicity probíhaly na Petriho miskách. Na každé Petriho misce bylo umístěno 10 semen jednoděložné nebo dvouděložné rostliny. Každá varianta šedé vody byla testována v pěti opakováních. Na jednu koncentraci šedé vody tak připadlo 50 semen hořčice/prosa. Testy probíhaly za homogenního osvětlení, aby bylo možno u vyklíčených semen sledovat zároveň fyziologicképarametry zelených částí rostlin. Po třídenní expozici byla vyklíčená semena spočítána a zároveň změřena délka jednotlivých klíčků. Fotosyntetická aktivita nadzemních částí byla měřena pomocí přístroje Fluorcam MF 700 (PSI Instruments, Česká republika).

Obrázek č. 4: Vliv aplikace šedé vody na klíčivost semen hořčice bílé, prosa

Vliv aplikace šedé vody na klíčivost semen hořčice bílé, prosa

Graf č. 2: Vliv aplikace šedé vody na délku kořene hořčice

Vliv aplikace šedé vody na délku kořene hořčice

Graf č. 3: Vliv aplikace šedé vody na délku kořene prosa

Vliv aplikace šedé vody na délku kořene prosa

Z experimentů vyplývá, že zatímco toxický efekt na klíčivost semen se neprojevil v žádné z testovaných variant, efekt na chvostoskoky, s nimiž probíhal paralelně další experiment, byl také zajímavý. Překvapivě nejlépe vyšly testy se surovou vodou. Byly rovněž provedeny analytické rozbory šedé vody, přičemž byla použita jednotka vybavená nanovláknitou deskovou membránou, která vykazuje vysoké průtoky a malé tlakové ztráty oproti konvenčním membránám.

Obrázek č. 5: Flat sheet MBR s mikrofiltrační membránou SPURTEX MF RF

Flat sheet MBR s mikrofiltrační membránou SPURTEX MF RF

Monitoring a výsledky testů

Aby mohl být provoz vyhodnocen, byl v průběhu pravidelně monitorován a to jak po stránce, mikrobiologického a hygienického zabezpečení odtoku tak po stránce analytické. Níže uvedená tabulka zobrazuje ukázku naměřených výsledků z prvních měření dlouhodobého experimentu.

Tabulka č. 2: Mikrobiální analýza vzorků surově a vyčištěné šedé vody

Mikrobiální analýza vzorků surově a vyčištěné šedé vody

Výsledky periodických analýz byly porovnány s normou, která definuje požadavky na kvalitu vod pro závlahu rostlin ‐ ČSN 75 7143: Jakost vody pro závlahu. V tabulce č. 4 níže, která porovnává naměřené výsledky s normou, jsou zeleně vyznačeny analytické parametry, které přímo udává tato norma a oranžově mikrobiální ukazatele, dané touto normou. Barevně označená pole byla doplněna pro informativní přehled hodnotitelů na základě legislativního průzkumu v zemích, kde se šedá voda běžně používá. Všechny naměřené parametry svědčí o tom, že šedá voda je vhodná pro závlahu. Nad rámec těchto parametrů byla sestavena ještě přehledová tabulka doplňkových parametrů, které byly vyhodnoceny jako potencionálně problematické. Viz tabulka níže v textu. Hodnoty zjištěné u těchto parametrů jsou zanedbatelné.

Tabulka č. 3: Doplňující parametry nad rámec normy ČSN 75 7143

Doplňující parametry nad rámec normy ČSN 75 7143

Tabulka č. 4: Porovnání výsledů s normou ČSN 75 7143

Porovnání výsledů s normou ČSN 75 7143

Dle našeho závěru je možné šedou vodu použít k závlaze rostlin. Navíc je třeba dodat, že reaktor byl koncipován jako mechanicko‐biologický. Samotná biologie však nabíhá u tohoto typu vod pomaleji. Lze tedy předpokládat, že po jejím zapracování za cca. 2‐3 měsíce od spuštění bude voda ještě o něco čistší. Navíc je známo, že tenzidy ve vodě obsažené se snadno rozkládají působením slunečního UV záření a za působení aerobních půdních mikroorganismů. Dlužno však dodat, že jako zdroj šedé vody v případě použití pro závlahu rostlin, doporučujeme pouze vody z mytí rukou a ze sprchování. Tyto vody nejsou tak zasolené jako vody kuchyňské z mytí nádobí nebo z pračky. Při dlouhodobém použití těchto vod mohou vznikat inkrusty a zasolení půdy. Pokud to je možné, doporučujeme rovněž míšení šedé vody s vodou dešťovou.

Pokračující vývoj

V současné době se projekt zabývá vývojem dalších technologií, jež umožní recyklovat šedé vody za smysluplnou cenu všem i v malém množství.  Jedná se o technologii mechanicko-biologickou s variantním dočištěním přes nanovláknité svíčkové filtry a aktivní uhlí s variantním přídavkem desinfekčního činidla.  Krom toho je zkoušena ještě technologie určená vyloženě k recyklaci vody z mytí rukou pro splachování WC, která pracuje na bázi pískového filtru a dočištění pomocí dezinfekce.

Obrázek č. 6: Vlevo 2 technologické varianty čištění šedých vod, vpravo závlaha vyčištěnou odpadní vodou systémem AS-GEOFLOW.

technologické varianty čištění šedých vod, vpravo závlaha vyčištěnou odpadní vodou systémem AS-GEOFLOW

Ačkoliv projekt ještě neskončil, už nyní je možné říci, že se podařilo prokázat vhodnost šedých vod k opětovné recyklaci a použití nejen jako vody užitkové ale i k závlaze rostlin. Abychom předešli obavám některých hygieniků, doporučujeme aplikovat šedé nebo i jiné vyčištěné odpadní vody pomocí kapkové podzemní závlahy. Tato se osvědčila i pro aplikaci odpadních vod viz obrázek z realizace v Ketkovicích. Při bližším zkoumání jsou patrné zelené kruhy prosperující trávy v okolí podzemních kapačů.

Ing. Michal Došek1, prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc2, Ing. Karel Plotěný 1, Ing. Daniel Jančula, Ph.D1
1
ASIO spol. s r.o. Kšírova 552/45, 617 00 Brno

2Botanický ústav AV ČR, Oddělení experimentální fykologie a ekotoxikologie, Lidická 25/27, 602 00 Brno

Reference:

1.      Gulyas H, Bruhn P, Furmanska M, Hartrampf K, Kot K, Lüttenberg B, Mahmood Z, Stelmaszewska K, Otterpohl R.: Freeze concentration for enrichment of nutrients in yellow water from no-mix toilets. Institute of Wastewater Management, Technical University Hamburg-Harburg, D-21073 Hamburg, Germany. Water Sci Technol. 2004;50(6):61-8.

2.      Jo Smet, Steven Sugden, Ecological Sanitation, April 2006. URL: http://www.lboro.ac.uk/well/resources/fact-sheets/fact-sheets-htm/Ecological%20sanitation.htm

3. Steven J. Van Kauwenbergh, Geologist and Principal Scientist, Research and Development Division, International Fertilizer Development Center (IFDC). URL: http://pdf.usaid.gov/pdf_docs/Pnadw835.PDF

4. WHO, Guidelines for the safe use of wastewater, excreta and greywater - Volume ,Wastewater use in agriculture, Number of pages: 222, Publication date: 2006, ISBN: 92 4 154683 2

5. Mareš, Miroslav. "TABULKA: Sociálně únosná Cena Vody v Krajích České Republiky - Kauzy, Události a Zprávy Z Vysočiny." Kauzy, Události a Zprávy Z Vysočiny. N.p., 2015. Web. 14 Nov. 2016. URL: http://www.obcasnik.eu/tabulka-socialne-unosna-cena-vody-v-krajich-ceske-republiky/

 

Kontakty

ASIO, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: 9nwzka6

ASIO NEW, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: z9g8vaw

tel.: 548 428 111
e-mail: asio@asio.cz