Srovnání technologií na čištění vzduchu v objektech ČOV

Datum: 16.3.2012
Pro čištění vzduchu se používají různé metody, přičemž při volbě zařízení zpravidla rozhoduje pořizovací cena a není proveden důkladný rozbor všech aspektů majících vliv na skutečné náklady a analýza rizik. V příspěvku jsou popsány složky zápachu, některé způsoby čištění vzduchu a na konkrétním případě čištění vzduchu na ČOV (čistírně odpadních vod) je popsán rozhodovací proces se zohledněním všech požadavků a nákladů.


1. Úvod
Pro čištění vzduchu se používají různé metody, přičemž při volbě zařízení zpravidla rozhoduje pořizovací cena a není proveden důkladný rozbor všech aspektů majících vliv na skutečné náklady a analýza rizik. V příspěvku jsou popsány složky zápachu, některé způsoby čištění vzduchu a na konkrétním případě čištění vzduchu na ČOV (čistírně odpadních vod)  je popsán rozhodovací proces se zohledněním všech požadavků a nákladů.

2. Složky zápachu
Zápach je fenomén, o kterém se stále častěji hovoří a kterému je věnováno více pozornosti v mediální sféře, je proto logické, že nabývá na významu a to i např. v oblasti ČOV. Zde zápach představuje komplexní směs organických a anorganických složek.  

Tabulka 1 Složky zápachu

Název složky

Chemický vzorec

Práh zápachu  (ppm)

Popis zápachu

Sirovodík

H2S

0.5

Zkažená vejce

Dimethyl Sulfid

(CH3)2S

0.12 – 0.4

Nahnilé zelí

Ethyl Merkaptan

C2H5SH

0.02

Nahnilé zelí

Methyl Merkaptan

CH3SH

0.0014

Nahnilé zelí

Indol

C6H4(CH)2NH

1.4

Fekální

Scatol

C9H9N

0.002

Fekální

Amoniak

NH3

130-15,300

Dráždivý


Zápach je také většinou největším problémem při řešení emisí na ČOV. Jiné aspekty jako toxicita na obyvatele apod. jsou většinou méně důležité. Nevýhodou zápachu je to, že je i těžko objektivně změřitelný tj. posuzuje se jen celkový vjem a ne jednotlivé součásti, které zápach tvoří. Navíc je to vjem lidí. Existují hypotézy, podle kterých pach ovlivňuje emoce, imunitní systém a následně může být i příčinou kardiovaskulárních nemocí, tj. je nutno se jím zabývat jako rizikovým faktorem z hlediska lidského zdraví.
Jen pro zajímavost jsou uvedeny koncentrace zápachu  zjištěné na ČOV. Viz tab. 2 

Tabulka 2 Koncentrace zápachu z jednotlivých komponent komunální ČOV v GE/m3.

Zdroj emise

Koncentrace znečištění ve vzduchu

[GEvz/m3]

Koncentrace znečištění ve vodě

(primární osmogeny)

[GEvz/m3]

Potenciál tvorby zápachu

(sek. osmogeny)

[GEvz/m3]

Přítok

52-258

75-4130

189-8974

Nátokový žlab

52-132

85-182

189-1271

Čerpací objekt

77-258

75-4130

829-8974

Česle

61-126

66-172

249-1371

Lápák písku

55-392

47-3639

214-6209

Podélný lapák písku

55-113

47-141

472-1167

Provzdušňovaný lapák písku

97-392

47-3639

214-6209

Usazovací nádrž

51-253

51-3873

264-5610

Aktivace

44-479

46-480

87-1892

Vysoce zatížená aktivace

71-97

99-138

533-944

Obvykle zatížená akt.

74-479

75-480

175-1730

Aktivace se stabilizací

44-210

46-206

87-1892

Dosazovák

26-71

38-109

58-209


Z koncentrací je vidět, že z některých částí ČOV je riziko šíření zápachu velké a navíc je tvořeno takovými látkami jako je sirovodík. Proto je nutné se zápachem na ČOV zabývat.

3. Základní metody čištění vzduchu použitelné na  ČOV

Mezi hlavní metody čištění zápachu patří:
- biologická oxidace,
- chemické praní,
- zemní, půdní filtr,
- adsorpce na pevném loži, např. adsorpce na aktivním uhlí,
- fyzikálně-chemické způsoby oxidace.

Na ČOV se používají v podstatě jen biologické oxidace, pračky vzduchu a fyzikálně chemické způsoby. Tradiční procesy jako biologická oxidace, směřující k regulaci zápachu mohou vyvolat mimořádné požadavky na údržbu z hlediska nákladů na chemikálie a na zaměstnance, kteří nejsou vždy naprosto spolehliví. Kromě toho jsou s chemikáliemi i s biologickými procesy spojena vyšší provozní a zdravotní rizika. Nevýhodou biologické oxidace je možnost jejího zkolabování, například vyschnutím náplně dále inhibicí mikroorganismů v náplni při zvyšováním solnosti nebo změnou pH prostředí. Pro půdní filtry je potřeba velké půdorysné plochy, tj. hlavní nevýhodou je záběr velkých ploch.
Fyzikálně chemické metody odstraňování zápachu jsou z tohoto pohledu méně problémové. Vedou tím pádem k minimalizaci provozních nákladů a požadavků na údržbu. Naopak vyšší je jejich pořizovací cena. Principy biologického čištění jsou dostatečně známy, a tak následují informace na objasnění fyzikálně – chemických principů.

3.1 Fyzikálně – chemické způsoby

Princip fotokatalytické oxidace (PCO)
Tento proces kombinuje fotooxidaci za působení UV světla a katalytickou oxidaci - viz. obr.1. Technologie se obvykle používá v aplikacích, kde jsou odpadní plyny značně zatíženy obtížně oxidovatelnými, zapáchajícími nebo organickými látkami. Znečištěný vzduch se vede do reaktoru, v němž krátkovlnné UV světlo iniciuje chemickou reakci. Molekulární vazby zapáchajících složek se štěpí za vzniku radikálů kyslíku, hydroxylu, ozonu a jiných oxidujících iontů. Kromě toho UV světlo štěpí molekuly zapáchajících látek a tím podporuje oxidační proces. Tím se odstraňují oxidovatelné znečišťující látky, jako je sirovodík, amoniak, merkaptany a uhlovodíky, a odstraňuje se zápach. Katalyzátor pak slouží ke konečné oxidaci a může působit jako krátkodobý zachycující prostředek. Sloučeniny, které nejsou ihned zoxidovány, reagují na povrchu katalyzátoru a rozkládají se. Katalyzátor může představovat povrchová vrstva aktivního uhlí nebo oxidů kovů podle povahy zpracovávaného odpadního plynu. Katalyzátory nejsou absorbenty, mají pouze katalytický účinek na další oxidační reakce. Ve vyčištěném vzduchu se vyskytuje oxid uhličitý (CO2), dusík (N), síra (S) a vodní pára (H2O).
Schéma provozu fotokatalytické oxidace

Obr. 1 Schéma provozu fotokatalytické oxidace

Možnosti použití fotokoatalytické oxidace
Fotokatalytická úprava je zvlášť vhodná ke zpracování značně znečištěných odpadních plynů jako jsou H2S sirovodík, NH3 amoniak, (CH3)2S dimethylsulfidy, VOC těkavé organicé látky, CH3-SH, CH3-CH2-SH merkaptany aj.  Na čistírnách odpadních vod jsou tyto látky obsaženy v plynech z procesu aerobní termofilní stabilizace, z čištění silného zápachu z fugátu při odvodňování kalů a z anaerobní stabilizace kalů, ve vzduchu v česlovnách, lapácích písku a štěrků.
Výhody fotokatalytické oxidace (PCO)

Provozováním fotokalytického zařízení se získají následujícími výhody:
-  jedná se o kompaktní jednotku s integrovaným ventilátorem a kontrolním panelem
- schopnost spolehlivě čistit zápach o vysokých koncentracích s proměnlivým zatížením (tzn.  
  s výkyvy znečištěného vzduchu)
-  vysoká účinnost čištění podle mezinárodních standardů,
-  zařízení zabírá málo prostoru, tj. minimální požadavky na prostor,
-  minimální požadavky na údržbu,
-  nedochází k vzniku žádné odpadní vody,
-  není potřeba vody,
-  nepotřebuje žádné chemikálie,
-  umístění zařízení je možné uvnitř objektu nebo i mimo něj,
-  možnost provozu kontinuálního i přerušovaného (šetření energií).

Princip Ionizace - oxidace aktivním kyslíkem
Proces ionizace je založen na využívající elektricky nabité částice (ionty) kyslíku, které jsou vysoce reaktivní. Tento proces nastává samovolně při výbojích blesku. Také blesk sterilizuje ovzduší a zbavuje je zápachu aktivací kyslíku elektrickým výbojem o vysokém napětí. Aktivace atmosférického kyslíku má výrazný vliv na dobrou pohodu člověka. Je to přírodní způsob osvěžování vzduchu, který dýcháme.

Při technické ionizaci se znečištěné odpadní plyny vedou jednotkou s vysokonapěťovými výbojovými trubicemi. Počet potřebných trubic je funkcí průtoku vzduchu a koncentrace znečišťujících látek v jeho proudu.
Aktivovaný kyslík má mnohem silnější oxidační účinek než neutrální kyslík, protože elektrony atomů kyslíku jsou buď uspořádány na vnějším orbitu s vyšším energetickým potenciálem nebo jsou dokonce uvolněny – viz. obr.2. Čistý vzduch je produkován desaktivací zárodků, neškodných látek a molekul zapáchajících látek.
Jelikož ionizace závisí zejména jen na aktivaci kyslíku, je aplikace této technologie velmi flexibilní. Jsou-li ionizační jednotky instalovány v místnostech, znečištěný vzduch se upravuje přímo. Ionizační jednotka aktivuje kyslík ve vzduchu, prostor znečištěný zapáchajícími látkami slouží k provedení konečné reakce.

Základní princip vzniku aktivovaného kyslíku ve vysokonapěťových trubicích

Obr. 2 Základní princip vzniku aktivovaného kyslíku ve vysokonapěťových trubicích.

Výhody Ionizace (IAO)
Mezi výhody ionizačního zařízení na odstraňování nepříjemného zápachu patří:
- kompaktní jednotka s integrovaným ventilátorem a kontrolním panelem,
- cirkulace čištěného vzduchu uvnitř budov, objektů (šetří náklady na energii),
- zařízení zabírá málo prostoru, tj. minimální nároky na prostor,
- spolehlivé a okamžitě fungující čištění vzduchu.

4. Argumentace při srovnání biologických a fyzikálně-chemických metod
Biofltry jsou vhodné pro malé a rovnoměrné zatížení, v literatuře se udává, že biofiltry nejsou schopny akceptovat více než 15 ppm H2S.
Biofiltry jsou  citlivé na provozní podmínky tj. vlhkost a teplota musí být odpovídající a  zatížení znečištěním musí být v určitých mezích. V zimě je nutno vzduch ohřívat, aby biologie zůstala aktivní. Biofiltr tedy je řešení, ale je třeba si  uvědomit, že je citlivý na provozní podmínky. Pokud tedy biofiltr v praxi není funkční pak je to špatným návrhem nebo  není správně provozován
Fotoionizace (PCO) tyto problémy nezná. Zařízení  je zapnuto nebo vypnuto. Teplota a vlhkost nehrají roli.  Jednou za rok se vymění spotřební materiál – filtry, UV lampy a katalyzátor a to je celá údržba.
Fotoionizace zvládá i vysoké zatížení a může pracovat i nerovnoměrným zatížením. Proto jsou tímto zařízení především vybavovány čerpací stanice.
Technoologie PCO se používá všude tam, kde je nutné dobré a jisté čištění vzduchu.  V poraxi o znamená tam, kde je blízko obytná zástavba.  Další argumetn pro PCO je ten, že je vzduch v podstatě hygienicky zabezpečen, tj. jsou ostraněny i další choroboplodné zárodky, bakterie, plísně  a houby.

Zajímavá je také kombinace PCO a ionizace (tzv. aktivní kyslík) viz příklad srovnání s biofiltrem pro konkrétní objekt česlovny s vnitřním objemem 1.000 m³:

a) Standardní návrh : 6-násobná výměna tj. 6.000 m³/h vzduchu, při řešení s biofiltrem,
b) Konkurenční návrh:
1-násobná výměna tedy 1.000 m³/h vzduchu (pro regulaci vlhkosti a základní čištění ) přes PCO, k tomu 2 dodatečné ionizační jednotky v prostotu v době, kdy se tam nachází obsluha.
Výsledek jsou nižší  celkové náklady, především náklady na elektickou energi – viz příklad.
Náklady na pořízení budou sice vyšší, ale  celkové náklady vždy nižší.

5. Konkrétní případ srovnání  pro česlovnu s prostorou 1000 m3
Bylo provedeno srovnání pro konkrétní projekt česlovny s velikostí haly 1000 m3:

Tabulka 3 Srovnání investičních a provozních nákladů pro česlovnu 1000 m3

Investiční náklady

Biofiltr 6000 m3/h

PCO + ionizace

Ohřev vzduchu, potrubní rozvody,stavební a elektro část, pozemek

59.750 EUR

70 424 EUR


Provozní náklady

Biofiltr 6000 m3/h

PCO + ionizace

Roční náklady

13476 EUR

5297 EUR


Roční náklady při zohlednění doby životnosti zařízení

21254 EUR

13 734 EUR


6. Závěr
Z kalkulace je zřejmé, že v řadě případů budou ekonomické ukazatele fyzikálně – chemických metod srovnatelné nebo lepší než u biologického čištění, přičemž spolehlivost procesů je mnohem vyšší. Což je zjištění, které zatím neproniklo do podvědomí odborné veřejnosti.

Literatura
1 ATV Fachauschuss 6.4 - Abluftemisionen aus kommunalen Abwasseranlagen Publishing ISBN 3-927729-19-1
2 ASIO, spol. s r.o, Sborník ze setkání odborníků VEJCOID 2011 – Kobylí na Moravě 

Ing. Karel Plotěný, Ing. Milan Uher

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku ke konferenci „PETrA 2011“ (květen 2011).

 

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