Srovnání technologií na čištění vzduchu v objektech ČOV

16. 3. 2012

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	H 2 S	0.5	Zkažená vejce
Dimethyl Sulfid	(CH 3 ) 2 S	0.12 – 0.4	Nahnilé zelí
Ethyl Merkaptan	C 2 H 5 SH	0.02	Nahnilé zelí
Methyl Merkaptan	CH 3 SH	0.0014	Nahnilé zelí
Indol	C 6 H 4 (CH) 2 NH	1.4	Fekální
Scatol	C 9 H 9 N	0.002	Fekální
Amoniak	NH 3	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/m ³ .

Zdroj emise	Koncentrace znečištění ve vzduchu [GE vz /m 3 ]	Koncentrace znečištění ve vodě (primární osmogeny) [GE vz /m 3 ]	Potenciál tvorby zápachu (sek. osmogeny) [GE vz /m 3 ]
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 (CO ₂ ), dusík (N), síra (S) a vodní pára (H ₂ O).

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.

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 m ³
Bylo provedeno srovnání pro konkrétní projekt česlovny s velikostí haly 1000 m ³ :

Tabulka 3 Srovnání investičních a provozních nákladů pro česlovnu 1000 m ³

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).