doporučené metody čištění odpadních vod a plynů (BREF)

doporučené metody čištění odpadních vod a plynů (BREF)

Kapitola 3
3 POUŽITÁ TECHNOLOGIE ČIŠTĚNÍ
Tato kapitola uvádí více podrobností o úvahách uvedených v sekcích 1.3 a 2.2.2.3 a popisuje techniky čištění
odpadních vod a odpadních plynů podle jejich environmentální výkonnosti, dopadu na životní prostředí a
ekonomické schůdnosti. Varianty dobře známých technologií, které jsou jen malou úpravou oproti obecným
procesům však nejsou zvlášť uvedeny.
Fyzikální a chemický základ technik čištění lze jednoduše nalézt v dostupné literatuře a proto jej BREF
neopakuje. Operace a procesy, jimiž se tato kapitola zabývá, jsou koncovými technikami, které jsou
v chemickém průmyslu běžně používány. Protože velké chemické lokality často vyrábí vlastní energii
(proud, pára) a spalují odpady, jsou uvedeny i běžné techniky čištění vypouštěných odpadů z energetických
zařízení a ze zpracování odpadů. Více podrobností je však třeba získávat z odpovídajících BREF, které se
týkají velkých spalovacích zařízení a spalování odpadů. Opatření integrovaná do procesu jsou popsána
v případě, že jsou obecně používána a nevztahují se pouze na speciální výrobní procesy.
Systematický přehled technik v této kapitole sleduje cestu znečišťujících látek a představuje techniky podle
vztahu k jejich užití v chemické lokalitě. Další podrobnosti lze najít v Sekci 3.3.4 a 3.5.
3.1 Informace uvedené v této kapitole
Popis technik čištění sleduje pevné pořadí, aby poskytl potřebné informace a tak pomohl povolovacímu
úřadu v implementaci BAT v podniku chemického odvětví. Informace mají také pomoci provozovateli splnit
požadavky BAT a zpracovat dobrou žádost o povolení. Tato struktura je zvolena proto, aby zajistila, že pro
všechny operace a procesy čištění je k dispozici stejný druh informací a je možné srovnávat různé možnosti
čištění.
Popis operací a procesů čištění je rozdělen do následujících odstavců:
•
•
•
•
•
•
•
popis
použití
výhody / nevýhody
dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
vlivy do více prostředí
monitorování
ekonomika.
První kapitola nazvaná popis naznačuje hlavní rysy techniky čištění bez zacházení do větších podrobností.
Teoretický fyzikální a chemický základ je po zralé úvaze vynechán. Tyto informace lze nalézt v různé
vhodné literatuře. Použití chemických a matematických vzorců a rovnic je vynecháno všude tam, kde je to
možné bez ovlivnění kvality informací. Tento odstavec také podává přehled potřebného zařízení a způsobů
provozování techniky. Všude, kde je dostupná obrazová informace, ať už náčrt nebo diagram toků, je použit,
aby nahradil slovní vysvětlení s tím, že opět nedojde ke ztrátě informací.
Druhý odstavec nazvaný použití udává kdy a jak mohou být dotyčné techniky běžně použity, s ohledem na
použití i v příbuzných odvětvích, pokud mohou by být užitečné též v chemickém sektoru. Jsou zmíněny též
odpovídající znečišťující látky, které je třeba zpracovat. Část odstavce je věnována uvedení možných
omezení a překážek použití.
Třetí odstavec nazvaný výhody / nevýhody se pokouší uvést některé přínosy a problémy spojené s každou
technikou, s ohledem na to, že některé základní zákony zachování hmoty a energie nám znemožňují
omezovat nebo snižovat cokoli bez zanechání stop v životním prostředí.
49
Kapitola 3
Čtvrtá kapitola nazvaná dosažitelné úrovně emisí / výkonnost představuje výkonnost dané techniky. Uvádí
dosažitelné úrovně emisí a/nebo výkonnost odstraňování znečišťujících látek. Tyto hodnoty lze očekávat při
obecně dobrých provozních podmínkách. Nejsou to však hodnoty, dosažitelné za jakýchkoli podmínek a u
všech aplikací. Sekce 4.1 vysvětluje termín „dosažitelné úrovně emisí“. Klasifikace výkonnosti je uváděna
ve vztahu k vstupnímu zatížení s tím výsledkem, že nízká zatížení znamenají nízkou výkonnost
(procenticky), zatímco vysoká zatížení znamenají výkonnost vysokou, přestože zbytková koncentrace může
být stále ještě vysoká.
Pátý odstavec nazvaný vlivy do více prostředí uvádí environmentální dopady, způsobené použitím dané
techniky, např. tvorba kalů, emise odpadního tepla, plynných odpadů, hluku, zápachu, atd. stejně jako vstupy
spotřebních materiálů, např. vody, energií a pomocných látek.
Šestý odstavec nazvaný monitorování popisuje zkoumání vstupů, výstupů a běžné fungování technických
zařízení v souladu s nejlepší praxí monitorování.
Sedmý odstavec se zabývá ekonomikou. Pokouší se informovat o nákladech na danou techniku do té míry,
do jaké jsou tyto informace dostupné. Aby bylo jasné, co je míněno v tomto horizontálním dokumentu
náklady, vysvětlení lze nalézt v Kapitole 3.2, která si neklade za cíl uvést speciální ekonomické otázky, pro
něž doporučujeme BREF týkající se ekonomiky a vlivů do více prostředí.
3.2 Informace o nákladech v tomto horizontálním dokumentu
Náklady na zavedení nové technologie omezující emise, modernizaci stávajících technologií nebo
implementaci opatření integrovaných do procesu, jsou značně závislé na místně specifických a výrobně
specifických otázkách. Absolutní náklady na aktuálně v současnosti budované nebo instalované čistící
technologie tedy nemají z hlediska horizontálního přístupu žádnou vypovídací hodnotu, protože nejsou
s ničím srovnatelné. Neuvádí se ani náklady na implementaci vhodné a potřebné infrastruktury. Dalším
důležitým faktorem ve výběru vhodné techniky čištění je doba návratnosti nákladů na opatření, integrovaná
do procesu. Protože náklady, kterých se to týká, budou vždy podnikově a/nebo procesně specifické, nemůže
se s nimi tento dokument adekvátně zabývat. Uvádí však náklady na dodávané zařízení ve vztahu k výrobní
kapacitě, tokům odpadních vod / odpadních plynů nebo množství znečišťujících látek (tj. náklady na tunu
produktu, m3 odpadních vod nebo 1000 Nm3 odpadních plynů nebo kg znečišťující látky). Údaje, které je
třeba zvážit při odhadování nákladů, tento dokument obecně neobsahuje, protože jejich místně a procesně
specifické vlastnosti jsou vysvětleny v následujících odstavcích [cww/tm/48].
3.2.1 Celkové náklady na instalaci ve srovnání s cenami dodávaného zařízení
Při pokusu určit náklady na techniky, omezující emise, se často zdá, že nejjednodušší je vybrat techniku,
která dobře odpovídá požadavkům a požadovat od dodavatele kalkulaci nákladů. Přestože je tento přístup
rychlý a jednoduchý, může vést k velmi nepřesným propočtům skutečných nákladů na techniky omezující
emise. To se děje absolutně, jako náklady na snížení emisí o tunu a relativně při srovnávání technologických
možností. Různé techniky mohou často mít různé rozložení jednotlivých položek nákladů mezi různé typy
nákladů, které tvoří celkové náklady na instalaci. Na nákup hlavního zařízení obvykle připadá 20-30 % z
celkových nákladů na výstavbu provozní jednotky, ale může to být i jen 10%.
Při srovnávání absolutních a/nebo relativních nákladů na různé techniky je třeba kriticky zvážit také
provozní náklady. Ty je možné přehlédnout při věnování pozornosti jen technickému vybavení technologie,
jak se to často stává při zvažování implementace technik čištění. Je důležité mít na zřeteli skutečnost, že
provozní náklady se mohou mezi technologiemi velmi lišit v závislosti na využití dodávek z veřejných sítí,
50
Kapitola 3
spotřebě pomocných chemikálií, potřebě pracovních sil, potenciálu vzniku odpadů a v závislosti na
nákladech na jeho likvidaci, atd.
Ceny dodávek budou běžně obsahovat pouze ceny příslušného dodaného zařízení. Ty jsou často relativně
malým zlomkem celkových nákladů na projektovanou investici. Náklady na inženýring, spojené s návrhem
projektu a supervizí, jsou navíc často zanedbány, ale mohou snadno dosáhnout až výše nákladů na dodané
zařízení. Výdaje, na které se při odhadování nákladů na projekt často nemyslí, zahrnují takové položky, jako
potřebu:
•
•
•
•
•
•
přemístit stávající zařízení
zastavit výrobu během modernizace
zvětšit a/nebo přesunout stávající kanalizační sítě
provést průzkum půdy
připravit nové výkresy skutečného stavu, diagramy procesů a přístrojového vybavení
upravit stávající potrubí a taková zařízení, jako jsou ventilátory, čerpadla, atd.
Příklad uvedený v Tabulce 3.1 [cww/tm/48] je pro jednotku čištění zbytkového plynu v rafinérii s celkovými
instalovanými náklady s cenami z roku 1997 v EUR. Přímé náklady na zařízení – nebo dodavatelské náklady
– jsou 7,9 mil. EUR, v porovnání s celkovými náklady 29,4 mil. EUR, tj. 27 % celkových nákladů na
investici do této instalace.
Popis
Ceny zařízení (dodavatelské ceny)
milionů EUR
Materiály
Katalyzátory a chemikálie
Mezisoučet
7,3
0,6
7,9
Podrobný inženýring
Dozor na stavbě
Vlastník
Mezisoučet
8,0
1,6
2,4
12,0
Nepřímé náklady
Přímé náklady – mimo zařízení
Poddodavatelské smlouvy
Dočasné konstrukční a spotřební materiály
Mezisoučet
Celkové náklady
Výdaje
Licenční poplatek
Mezisoučet
Celkový součet
8,6
0,4
9,0
28,9
0,5
0,5
29,4
Tabulka 3.1: Příklad nákladů na aktuální projekt
3.2.2 Náklady na nové zařízení ve srovnání s náklady na modernizaci
Nová zařízení a stávající operace a jednotky vyžadují v podstatě stejnou technologii pro zlepšení
environmentální výkonnosti (tj. omezení určitých znečišťujících látek a vyhovění daným hodnotám emisních
limitů). Rozdíly mezi těmito dvěma typy zařízení jsou zásadně určovány skutečností, že u nové lokality je
možné zajistit aby byly zváženy všechny podstatné požadavky výlučně při navrhování nového zařízení.
V případě modernizace (nebo renovace) mohou mít původní projektová řešení za následek, že sice dostupné
nebo dokonce upřednostňované techniky snižování znečištění jsou omezeně použitelné nebo mohou být
dokonce nerealizovatelné.
Vyžaduje se specifické hodnocení vhodnosti techniky pro modernizaci, ale mnohé techniky, které jsou
uvedeny v následujících sekcích této kapitoly, již byly úspěšně využity pro modernizace v chemických
podnicích a vykazují environmentální výkonnost srovnatelnou s tou, která je očekávána od nových podniků.
Projekty renovovací na stávajících zařízeních nebo lokalitách se setkávají s různými technickými a
51
Kapitola 3
manažerskými problémy a ty nejčastější jsou uvedené níže. Tyto problémy neomlouvají vyhýbání se přijetí
technik zlepšujících životní prostředí, ale jsou faktory, souvisejícími s renovací:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
složitější a časově náročnější fáze vymezení rozsahu (definice) projektu
testování nebo pilotní (poloprovozní) studie, hodnotící dopad změn na celý proces
úvahy ve fázi projekce o možných dopadech na všechna stávající zařízení
průzkumy stávajících zařízení ve fázi podrobného projektování, aby se určilo přesné umístění všech
propojení a vazeb. Nedostatek prostoru může přinést omezení (např. zařízení umístěné ve zvýšeném
podlaží, potrubní vedení, potřeba přemístění některých stávajících zařízení, konstrukce dočasných
zařízení)
speciální opatření, aby byly práce prováděny bezpečně a beze škod, dokonce i při pokračujícím
nepřerušeném provozu závodu
využití plánovaného zastavení (přestavby) pro provedení všech konstrukčních prací, které nelze
provést za běžného provozu. Tyto dlouhodobě uvažované záležitosti mohou určovat načasování
renovace
delší, nebo předčasné zastavení, než bylo plánováno (s komerčními a finančními aspekty)
vyřazení z provozu a demontáž starého, nepotřebného zařízení
výcvik personálu pro provoz nového zařízení
revidovaná dokumentace závodu (např. provozní instrukce, revize povolení, příručky údržby,
kontrola a bezpečnost).
Modernizace chemického zařízení může navíc přinést další významné výhody, než jen zlepšenou
environmentální výkonnost, která byla cílem primárním. Některé techniky (např. techniky předčištění
s rekuperačním potenciálem, opatření integrovaná do procesu) mají významnější ekonomickou návratnost ve
formě např. zvýšené účinnosti a vyšší výtěžnosti nebo snížení nákladů, spojených s úsporou energie a vody
(nebo snížením poplatků za odpady, kde takový režim platí), což může kompenzovat investice a provozní
náklady spojené s modernizací. Modernizace může také podpořit konkurenceschopnost tím, že se ukáže
stakeholderům (např. akcionářům, místním společenstvím, regulátorům a ekologickým skupinám), že podnik
přijal moderní technologii.
Rozvahy o tom, zda je technologie základem vhodné techniky, použitelné pro modernizaci, se zabývají
především otázkou, zda může stávající zařízení vyhovět procesním, fyzikálním a strukturálním požadavkům
instalace na omezování znečištění. Tento rozdíl mezi dostupnými technologiemi, které jsou se dají aplikovat
v nových i stávajících zařízeních, je zcela zásadní a je třeba jej zohlednit při každém výběru technik. Tam,
kde je informace k dispozici, uvádí tato kapitola u techniky její potenciální možnost využití pro modernizaci.
3.2.3 Investice versus provozní náklady
Různé techniky omezování znečištění (technická opatření a provozní postupy) se mohou velmi lišit podle
rozložení výdajů mezi investiční a provozní náklady. Některé drahé vybavení má nízké náklady na provoz,
zatímco jiné, velmi levné, znamená několikeré zvýšení provozních nákladů, např. práce, dodávky ze sítí nebo
na spotřebních chemikálií. Obecně je snazší kvantifikovat náklady na materiální stránku technologie než na
celkové očekávané výdaje, které technika přináší. Také součásti zařízení se zdražují v průběhu času v
důsledku inflace atd.
Mzdové náklady jsou důležitou složkou provozních nákladů a při rozhodování pro či proti technice jim může
být připisována různá závažnost, v závislosti na různých výších mezd v členských státech. Pokud jsou
v tomto dokumentu uvedeny mzdové náklady, jsou uvedeny také (nebo místo nich) potřebné pracovní
hodiny tam, kde je to možné.
3.2.4 Počáteční náklady na omezování emisí ve srovnání s přírůstkovými náklady
na omezování znečištění
52
Kapitola 3
Důležitá úvaha o nákladech na techniku se týká měnící se nákladové efektivnosti dané technologie
v závislosti na kontrolním bodu, od něhož začneme nákladovou efektivnost kalkulovat. Náklady a
efektivnost – uváděná jako procentní snížení emisí nebo snížení emisí v tunách – instalace nebo
implementace techniky jsou obvykle uváděny ve srovnání se stavem, kde nejsou uplatněna opatření ke
snižování emisí v obdobné instalaci. V takovém případě lze vypočítat nákladovou efektivnost jednoduchým
dělením nákladů dosaženým snížením emisí.
Je mnoho situací, při nichž již určité úrovně omezování znečištění v určitých průmyslových lokalitách
existují. V těchto případech jsou náklady na dosažení daného cílového snížení emisí značně vyšší oproti
základním hodnotám nákladové efektivity zařízení s neuplatněnými opatřeními ke snižování znečištění. To je
třeba vzít v úvahu při určování nákladové efektivnosti technologie nebo techniky.
Pro přírůstkové náklady na snižování znečištění lze nákladovou efektivnost Kef [kg snížení/měnová jednotka]
spočítat takto:
Kef = (B – A)/C
B: snížení emisí uvažovanou technikou [kg]
A: snížení emisí technikou již používanou [kg]
C: náklady na uvažovanou techniku
3.3 Techniky čištění odpadních vod
3.3.1 Opatření integrovaná do procesu
Dále budou popsána některá důležitá – a obvykle snadno využitelná pro modernizace – opatření integrovaná
do procesu výroby, která se vztahují k odpadním vodám. Některé ilustrativní příklady jsou uvedeny
v Kapitole 3.3.1.3. Jejich uvedení, např. jako opatření šetřících vodu, však je třeba hodnotit opatrně. Ačkoli
je jejich vliv obvykle environmentálně výhodný, mohou mít za jistých specifických okolností negativní
dopad na ostatní složky životního prostředí, což může překrýt výhody ochrany vod nebo snížení obsahu
znečišťujících látek.
3.3.1.1 Protiproudá extrakce jako příklad procesů snižujících spotřebu vody
Konvenční procesy praní produktů jsou mnohonásobnými extrakcemi, které probíhají při statických
podmínkách čištěním dané fáze produktu vodou, aby se odstranily soli nebo jiné rozpustné vedlejší složky.
Množství použité vody je obvykle mnohonásobně vyšší než množství produktu, který je čištěn. Při každém
jednotlivém extrakčním stupni dochází k nevyhnutelným ztrátám produktu, což je zapříčiněno jeho
rozpustností, emulgací a tvorbou pevných vrstev na fázovém rozhraní, atd.
Optimalizací extrakčního procesu, a/nebo zavedením moderních extrakčních procesů, jakým je protiproudá
extrakce, lze dosáhnout významného omezení objemů odpadních vod (a odpadů). Současný nárůst
koncentrace znečišťujících látek by mohl umožnit snazší a/nebo efektivnější čištění nebo, za speciálních
podmínek, recyklaci materiálu. Stupeň a metoda optimalizace závisí na výrobní kapacitě a na tom, jak často
se šarže daného produktu vyrábí. Protiproudá extrakce je ekonomická především pro velké podniky, kde
může být přizpůsobena jednotlivým výrobním procesům. Pro podniky s nízkou produkcí, poloprovozem,
nebo občasnou výrobou, jsou vhodnější jiné procesy.
3.3.1.2 Vícenásobné využití a recirkulační operace
Je třeba rozlišovat mezi:
53
Kapitola 3
•
•
odpadními vodami, které pocházejí přímo z výroby (např. reakční voda, destiláty, prací voda,
filtráty)
odpadními vodami, které vznikají při čištění zařízení (např. během údržby, proplachování ucpání
nebo spečenin produktu, čištění víceúčelového zařízení kvůli změně druhu výroby nebo produktu).
Účinnost recirkulační operace mohou zvýšit specifické stupně čištění, které odstraňují rušivé složky.
Například neutralizace, stripování nebo filtrace toků procesních vod tak může umožnit opětovné použití
těchto vod jako např. zdroj surové vody nebo vody z veřejné sítě. Opětovné využití provozních vod
(doplňovací vody, matečných výluhů) je možné v případech, kdy jejich složky (vedlejší produkty, soli)
nepříznivě neovlivní kvalitu následné výroby. Během fáze vícenásobného praní produktu mohou být ve
skutečnosti často využity toky prací vody jako přídavná voda nebo jako vstupní voda do předchozího pracího
stupně.
Opětovné využití vody z praní, proplachování a čištění zařízení přináší při recirkulaci vody přímo do
výrobního procesu kromě snížení zátěže odpadních vod výhodu možnosti rekuperace produktu a zvýšení
jeho výtěžnosti. To vyžaduje zařízení, které by jímalo, vyrovnávalo nebo skladovalo odpadní vody, což
může být omezujícím faktorem.
3.3.1.3 Nepřímé chlazení s parními fázemi
Vstřikování vody do plynné fáze se používá pro ochlazení nebo kondenzaci par. Přímý kontakt vody
s plynnými fázemi však vytváří velké množství odpadních vod, znečištěných znečišťujícími látkami z těchto
par. Zavedením povrchových tepelných výměníků místo vstřikovacích kondenzátorů / chladičů se zabraňuje
vytváření znečištěných toků chladících vod a znečišťující látky zůstávají v kondenzátu. Nepřímé chlazení /
kondenzace tak vede k úsporám vody. Abychom měli hrubou představu o možných úsporách, na ochlazení
tuny páry na 35 °C je potřeba asi 27 m3 vody (teplota obecně přijatá jako horní limit pro vypouštění).
V případě nepřímého chlazení obíhá toto množství stále v chladícím cyklu [cww/tm/82] a nahrazuje se pouze
ztráta odpařováním.
Ke omezení úspor vody dochází tehdy, pokrývají-li nesené tuhé znečišťující látky, sublimovaný materiál,
krystaly nebo spečený materiál povrchy tepelného výměníku, nebo pokud ucpávají prostor mezi povrchy
výměníku tak, že zařízení vyžadují pravidelnou údržbu.
Existují však procesy, kde přechod na nepřímé chlazení vhodný není [cww/tm/82]:
•
Krystalizace může vyžadovat intenzivní míchání kapalné organické fáze s teplou nebo horkou
vodou. Následuje rychlé snížení teploty pod teplotu tuhnutí přidáním ledu nebo studené vody
(„teplotní šok“). Cílem této procedury je získání filtrovatelné suspenze bez hrudek nebo sraženin.
•
Jiným příkladem je diazotizace aminů. Při tomto procesu se přidáváním ledu teplota udržuje na
konstantní nízké úrovni proto, aby se předešlo tepelnému rozkladu diazosloučeniny a jejímu
ukládání na zařízení, což by přinášelo vážné riziko výbuchu.
•
Dalším příkladem je prudké ochlazování horkých proudů plynů, kdy se studená voda vstřikuje do
proudu plynu, aby snížila jeho teplotu tak účinně a rychle, že se zabrání reakci složek plynu (např.
rekombinačním reakcím v kouřových plynech ze spalování, při nichž vznikají PCDD a PCDF) a
současně se sníží obsah jedné ze znečišťujících látek (např. HCl).
3.3.1.4 Procesy výroby vakua bez vzniku odpadních vod
Vodní proudové a parní proudové vývěvy (ejektory) se používají téměř univerzálně pro jejich téměř
nepřerušovaný provoz, malou náročnost na údržbu a nízké investiční náklady.
54
Kapitola 3
Výroby vakua bez odpadních vod lze dosáhnout použitím systémů mechanických vývěv v uzavřeném cyklu,
při vzniku pouze malého množství odpadní proplachovací vody, nebo vývěv pracujících nasucho. Objem
odpadní vody je menší než 5% objemu prošlého systémem [cww/tm/82]. V některých případech lze vakuum
vyrábět bez odpadních vod s využitím produktu v mechanických vývěvách jako bariérové ucpávkové
kapaliny nebo využitím proudu plynů z výrobního procesu.
U každého jednotlivého případu je třeba určit, je-li možné vyrábět vakuum bez odpadních vod. Při výběru
vhodného procesu je třeba brát v úvahu možné problémy, především s ohledem na korozi, náchylnost ke
spékání, riziko exploze, bezpečnost závodu a provozní spolehlivost. Je třeba zvážit určitá omezení, zvláště
v případě mechanických vývěv s uzavřeným cyklem, např. kapalinokružných vývěv, rotačních lamelových
vývěv nebo vývěv membránových. Zde například mohou páry snížit mazací schopnosti oleje.
V případě, že je kondenzaci plynu ve vývěvě zabráněno, např. vysokou výstupní teplotou, jsou zajímavou
možností vývěvy pracující nasucho, a to i pokud mají být rekuperována rozpouštědla nebo je-li vyžadován
vysoký podtlak. Tyto vývěvy není možné použít v případě, že proud plynů obsahuje mnoho
kondenzovatelného, prášivého nebo usazujícího se materiálu.
3.3.1.5 Čištění odpadního vzduchu procesem bez odpadních vod
Asi jedna třetina systémů v chemickém průmyslu, které čistí odpadní (odtahovaný) vzduch, pracuje na
základě procesu vodního nebo zásaditého (louhového) praní plynů. Ten zachytává především anorganické
sloučeniny, např. chlorovodík, oxid siřičitý a organické látky, rozpustné ve vodě.
Technologie čištění odpadního vzduchu procesem bez odpadních vod se používají převážně tam, kde by
nebezpečné látky nebo neodbouratelné organické látky jinak vstoupily do biologické čistírny odpadních vod,
v níž by mohly narušovat provoz nebo by se nevyčištěné dostaly do vodního recipientu.
Příklady technologií čištění odpadního vzduchu bez odpadních vod jsou:
•
•
•
•
jímání a následná termální nebo katalytická oxidace výhřevných proudů odpadních plynů, převážně
se získáváním energie
aplikace vhodného suchého zařízení odstraňujícího prach (např. odlučovače kapek, cyklóny,
elektrostatické odlučovače, látkové filtry) pro separaci tuhých znečišťujících látek a aerosolů
využití čištění suchých / polosuchých plynů (např. adsorpce aktivním uhlím, vstřikování
vápna/hydrouhličitanu sodného) pro toky odpadních plynů zatížené organickými a anorganickými
plynnými znečišťujícími látkami
použití rekuperovatelných organických rozpouštědel (nebo olejů) namísto vody jako prací kapaliny
pro specifické plynné znečišťující látky.
3.3.1.6 Rekuperace nebo retence látek z matečných výluhů nebo optimalizovanými
procesy
Látková rekuperace složek odpadních vod za rozumných nákladů je běžně uskutečnitelná pouze u
koncentrovaných toků odpadních vod. Proto se obvykle omezuje na matečné výluhy. Podle metody syntézy
jsou matečné výluhy obecně vodnými roztoky po separaci produktu nebo prací voda. Rekuperace může
obsahovat stupně např.:
• odstranění jednotlivých využitelných sloučenin, např. výchozích materiálů, produktů, rozpouštědel
nebo katalyzátorů
• materiálovou přeměnu s následnou rekuperací, např. termální nebo katalytickou oxidaci s rekuperací
chlóru (z organických chloridů) jako kyseliny chlorovodíkové.
55
Kapitola 3
Látková rekuperace je výhodná při vyšších koncentracích odpadních vod (např. 10 g/l a více). Pokud jsou
obsaženy snadno odstranitelné složky, např. těkavé, pevné, vysrážitelné nebo extrahovatelné sloučeniny,
mohou být rekuperační procesy vhodné dokonce i při nižších koncentracích.
Látková retence způsobem optimalizovaných procesů zahrnuje modifikaci stupňů procesu stejně jako
dodatečná opatření, např. zlepšení zpracování matečného výluhu.
Látkové retence – kromě prevence znečištění, např. modifikací přípravy nebo zlepšením výtěžnosti produkce
– lze dosáhnout odstraněním znečišťujících látek, např. adsorpcí, extrakcí nebo chemickou konverzí, např.
oxidací či spalováním.
3.3.1.7 Použití málo kontaminovaných surovin a pomocných látek
Kontaminované suroviny a/nebo pomocné látky mohou zanášet znečišťující látky jak do výrobního řetězce a
tak i do systému odpadních vod. Příklady jsou:
•
•
•
•
kovy ze surových rostlinných olejů
organické sloučeniny chlóru (AOX/EOX) a jiné nečistoty z technické kyseliny chlorovodíkové
rtuť jako znečišťující látka v hydroxidu sodném z elektrolýzy chlor-alkali z amalgámového procesu
znečišťující látky především polotovarů a externě získávaných výchozích surovin.
Schopnost provozovatele ovlivnit danou situaci je omezována:
•
•
•
nedostatečnou informovaností ze strany dodavatelů
růstem zavlékání znečišťujících látek v důsledku růstu recyklace materiálů
přenášení problémů s emisemi na jiné lokality úpravami surovin již u dedavatele.
Čištění, rafinace surovin mohou provádět výrobci, kteří mají technická zařízení pro snižování obsahu a
likvidaci správně odstraněných znečišťujících látek, např. pro záměnu pryskyřice za kyselinu
chlorovodíkovou nebo filtraci/adsorpci surového hydroxidu sodného.
3.3.2 Vyvažování (balancování) toků
Čistírny odpadních vod obvykle pracují nejúčinněji při dostatečně stálých podmínkách hydraulického
zatížení (nebo průtoku) a zatížení znečišťujícími látkami. V praxi však, jak průtok, tak zatížení
znečišťujícími látkami, může značně kolísat kvůli takovým faktorům, jakými jsou:
•
•
•
•
•
podmínky ve výrobních procesech
využívání vody pro praní
čištění balastní vody
období údržby
srážky.
Pro vyrovnávání produkce z hlediska krátkodobých (např. denních) a dlouhodobých (např. týdenních)
výkyvů je třeba zvážit vyrovnávací zařízení buď decentralizované do různých výrobních míst nebo centrální
v/poblíž ČOV. Někdy je možné je instalovat za ČOV. Vhodná kapacita vyrovnávacích nádrží je funkcí
očekávaného kolísání toků [cww/tm/132]. Záchytnou nádrž lze instalovat buď do hlavního toku nebo jako
vedlejší tok, do něhož může být hlavní tok odveden během špiček nebo v případě výrobních poruch a
odváděn při kontrolovaném průtoku, když se hlavní tok ustálí. Pro provozní vody, které lze vypustit do
prostředí, se pro tento účel používají nádrže, zatímco pro odvádění povrchových vod jsou to otevřené laguny
nebo retenční nádrže (viz. Sekce 3.3.4.4.1) [cww/tm/48].
Výsledkem zachycování špiček a vyrovnávání toků je např.:
56
Kapitola 3
•
•
•
•
•
vyrovnání zatížení znečišťujícími látkami, např.
- organického zatížení
- koncentrovaných solí
- zatížení dusíkem, např. jako předpoklad, společně se zatížením TOC, optimální denitrifikace
úprava požadovaného poměru C : N : P
neutralizace kyselých nebo zásaditých toků odpadních vod
vyrovnání průtoku odpadních vod
splnění legislativních požadavků srovnáním špiček vypouštěných odpadních vod.
Vyvážení toku nebo jeho vyrovnávání lze také využít jako opatření ke snižování znečištění pro případ
neobvyklých přívalů do ČOV a proto by kapacita záchytné nádrže neměla být určena pouze shora uvedenými
výkyvy, ale také rozsahem možných havarijních stavů. Podrobnosti uvádí Sekce 3.3.3.
3.3.3 Zásobní nebo retenční kapacita pro případy poruch
Provozní poruchy, tekoucí zařízení, nenadálá znečištění chladící vody nebo jiné poruchy ve výrobě či
skladovacích jednotkách mohou vést buď ke zvýšení množství znečišťujících látek dostávajících se do
vodních recipientů přes ČOV nebo k jejím poruchám. Riziko takových událostí může znamenat potřebu
centrálních nebo decentralizovaných retenčních (nebo záchytných) zařízení. Pro provoz bariérového nebo
záchytného systému je nezbytné včasné zjištění poruchy. Toto zjištění lze zajistit jak analytickými, tak
organizačními prostředky [cww/tm/132].
K tomuto účelu se používá několik druhů záchytných zařízení. Jejich kapacita musí být dostatečná aby pojala
všechnu odpadní vodu včetně případné srážkové vody, přivedené v průběhu výrobní poruchy. Tato zařízení
lze kombinovat s vyrovnávacími nádržemi průtoku.
Jedno zařízení (viz. Obrázek 3.1), nezávislé záchytné zařízení, se skládá ze dvou záchytných nádrží, do
kterých střídavě toky odpadních vod natékají. Při naplnění jedné nádrže je zkontrolována druhá a poté
vypuštěna do výpusti odpadních vod, nebo do následné ČOV či zlikvidována jako odpad, podle výsledku
kontroly. Kapacita retence každé nádrže musí být dostatečná na to, aby pojala všechny odpadní vody, které
vzniknou během analýzy a vyprazdňování druhé nádrže. Pro komplexní a velké chemické lokality s velkými
objemy odpadních vod to často představuje možnost zachytávání vybraných toků odpadních vod, protože
jinak by byl požadavek na objem nádrže obrovský. Čím je nádrž větší, tím déle trvá vyprazdňování a naopak,
což může vyústit v kruh bez východu.
Jiným zařízením jsou spojené záchytné nádrže, plněné buď diskontinuálně (viz. Obrázek 3.2) nebo plynule
(viz. Obrázek 3.3). Přerušovaně provozované záchytné nádrže jsou v době, kdy nejsou používány, tzn.
nehlásí-li řídicí poplachový systém žádnou poruchu, odpojeny. Během normálního provozu odpadní vody
obtékají tento retenční systém a pouze v případě, že řídicí systém zjistí neobvyklou událost, je nádrž
naplněna. Požadovaná kapacita nádrže odpovídá objemu odpadních vod, které se vytvoří v průběhu poruchy.
Toto zařízení se používá u zařízení s jednodruhovou výrobou, pro jímání vybraných toků odpadních vod a
celkového objemu odpadních vod. Požadovaný obsah je obvykle mnohem nižší, než u nezávislé záchytné
nádrže.
57
Kapitola 3
Obrázek 3.1: Nezávislá záchytná nádrž se střídavým plněním
Obrázek 3.2: Spojené záchytné nádrže, zaplavované přerušovaně
Kontinuálně zaplavované spojené záchytné nádrže lze použít také jako vyrovnávací nádrž nebo nádrž,
balancující průtok. Řídicí a poplachový systém musí zajistit, aby výpusť do ČOV byla v případě
neobvyklého stavu okamžitě zavřena. Kapacita nádrže musí být dostatečná aby pojmula všechny vody, až do
doby, dokud není porucha odstraněna, a proto lze systém doporučit pouze pro vedlejší přítoky. Před tím, než
může provoz pokračovat v běžném nátoku odpadních vod, je potřeba nádrž vyprázdnit.
58
Kapitola 3
Obrázek 3.3: Spojené záchytné nádrže, zaplavované kontinuálně
Další systém (viz. Obrázek 3.4) je přizpůsoben pro příjem a zachycení ztrát úniky v případech, kdy jsou
úniky (tečení) jímány oddělenou kanalizací. Tato kanalizace se používá jako odvodňovací systém pro
potenciálně znečištěné venkovní prostory např. s výrobními zařízeními nebo soustavami nádrží. Kapacita
nádrže odpovídá nejvyšší možné ztrátě úniky a očekávanému množství srážkové vody. Tento záchytný
systém je aplikovatelný v podnicích se zvláštní kanalizací pro provozní vody a odvodněním rizikových
oblastí. Události, které by mohly ovlivnit tok provozní vody, nelze takto zvládat. Jeho výhodou je, že jímá
ztráty úniky (tečením) v koncentrovaném stavu, které je pak možné recyklovat.
Obrázek 3.4: Záchytný systém úniků
3.3.4 Koncové techniky
Logické pořadí popisu technik čištění určuje vztah mezi znečišťující látkou a příslušnou obvyklou
technologií čištění, jak se uvádí v Kapitole 1.3.2.1 a je znázorněno na Obrázku 3.5.
Prvním stupněm čištění odpadních vod a vod srážkových – a často také konečným – je separace
nerozpuštěných látek a nemísitelných kapalin (vzhledem k vodě) z hlavního vodního toku. Separační nebo
čiřící techniky jsou:
59
Kapitola 3
•
•
•
Gravitační usazování [separace štěrku a písku (viz. Sekce 3.3.4.1.1), sedimentace (viz. Sekce
3.3.4.1.2), separace olejů z vody (viz. Sekce 3.3.4.1.6)]
Flotace vzduchem (viz. Sekce 3.3.4.1.3)
Filtrace [filtrace (viz. Sekce 3.3.4.1.4), membránová filtrace (viz. Sekce 3.3.4.1.5)].
Jsou převážně používány v kombinaci s jinými operacemi, buď jako první stupeň nebo jako konečný stupeň
dosazování. Pokud se používají jako stupeň první, pak chrání čistící zařízení před poškozením, ucpáváním a
zanášením pevnými látkami. Jako konečný stupeň odstraňují pevné látky vytvořené v průběhu
předcházejících čistících operací nebo procesů nebo odstraňují oleje před dalším biologickým čištěním.
Často následují za technikami čištění rozpustných znečišťujících látek, pokud jsou tyto přeměňovány na
látky nerozpustné. Příklady jsou uvedeny dále v této kapitole.
Obrázek 3.5: Rozsah technik čištění odpadních vod podle druhu znečišťujících látek
60
Kapitola 3
Odpadní vody bez pevných látek lze buď rozdělit na biologicky odbouratelné a biologicky neodbouratelné
nebo je možné znečišťující látky, které působí biologickou neodbouratelnost před dalším čištěním separovat.
Techniky čištění biologicky neodbouratelné části odpadních vod jsou založeny na fyzikálních a/nebo
chemických operacích, kterými jsou:
• srážení / sedimentace / filtrace (viz. Sekce 3.3.4.2.1)
• krystalizace (viz. Sekce 3.3.4.2.2)
• chemické reakce [chemická oxidace (viz. Sekce 3.3.4.2.3), oxidace vzduchem za mokra (viz. Sekce
3.3.4.2.4), nadkritická oxidace ve vodě (viz. Sekce 3.3.4.2.5), chemická redukce (viz. Sekce
3.3.4.2.6) a chemická hydrolýza (viz. Sekce 3.3.4.2.7)]
• membránová ‘filtrace‘ (nanofiltrace a reverzní osmóza) (viz. Sekce 3.3.4.2.8)
• adsorpce (viz. Sekce 3.3.4.2.9)
• iontová výměna (viz. Sekce 3.3.4.2.10)
• extrakce (viz. Sekce 3.3.4.2.11)
• destilace / rektifikace (viz. Sekce 3.3.4.2.12)
• odpařování (viz. Sekce 3.3.4.2.13)
• stripování (viz. Sekce 3.3.4.2.14)
• spalování (viz. Sekce 3.3.4.2.15).
Po vhodném čištění je možné odpadní vody vypustit do vodního recipientu, do následné centrální biologické
ČOV nebo do komunální ČOV.
Biologicky odbouratelné (biodegradovatelné) odpadní vody – nebo zbytková část odpadních vod po
odstranění příčiny biologické neodbouratelnosti – obvykle podstupují čistící techniky, buď centrální, nebo
decentralizované, které jsou založeny na biologických procesech, např.:
• anaerobních procesech [anaerobní katalytický kontaktní proces (ACP), proces UASB, proces
s fixním ložem kalu, proces s expandovaným ložem (viz. Sekce 3.3.4.3.1) a biologické odstranění
sloučenin síry a těžkých kovů (viz. Sekce 3.3.4.3.2)]
• aerobních procesech [proces s dokonale promíseným aktivovaným kalem, proces s membránovým
bioreaktorem, proces s biofiltrem, proces s fixním ložem kalu, proces s fixním ložem a biofiltrem
(viz. Sekce 3.3.4.3.3)]
• nitrifikace / denitrifikace (viz. Sekce 3.3.4.3.4)
• centrální biologické čištění odpadních vod (viz. Sekce 3.3.4.3.5).
Odbourané odpadní vody opouští biologickou čistírnu a jsou vedeny potrubím do stupně dosazování.
Mnohé techniky čištění odpadních vod vyžadují – nebo případně používají – pomocné látky, z nichž většina
jsou chemikálie nebo čistící média / zařízení vyžadují regeneraci, což obojí může být příčinou vypouštění
chemikálií. Tyto pomocné látky nebo procesní stupně, mohou vytvářet, obvykle v závislosti na místních
podmínkách, znečištění, které je třeba brát v úvahu při zvažování využití některé z technik čištění. Proto
může být za jistých okolností nutné určit pomocné látky a chemikálie vypouštěné z regeneračních zařízení a
jejich osud během celého procesu.
Téměř všechny techniky čištění odpadních vod mají jedno společné: vytváření pevných látek v průběhu
procesu, což umožňuje separaci znečišťujících látek od vodního média ve formě přebytečného aktivovaného
kalu nebo filtrovaného či usazeného rezidua z filtrace nebo sedimentace. Pokud není kal recyklován, je třeba
jej likvidovat – tj. upravit externě a odstranit – nebo upravit v lokalitě. Techniky čištění kalu jsou např.:
• zahušťování (viz. Sekce 3.4.1)
• odvodňování (viz. Sekce 3.4.1)
• stabilizace (viz. Sekce 3.4.2)
• kondicionování (viz. Sekce 3.4.2)
• termální redukce kalu (viz. Sekce 3.4.3).
3.3.4.1 Nerozpustné znečišťující látky / mechanická separace
61
Kapitola 3
Nerozpustný obsah v odpadních vodách z chemického průmyslu se skládá z inertních složek, jako je prach
z kanalizace srážkových vod nebo písek (jako balast v surovinách např. vápnu). Může však také obsahovat
nebezpečné materiály, jako jsou těžké kovy a jejich sloučeniny, pocházející ze srážecích procesů
předchozích čistících operací nebo výrobních procesů, při nichž se používají katalyzátory. Do obsažených
pevných látek se mohou adsorbovat dokonce i dioxiny (např. katalyzátor výroby vinylchloridu přes
oxychloraci). Nerozpustné znečišťující látky na druhé straně nemusí nutně být pevné částice. Do této
kategorie patří i kapaliny nemísitelné s vodou, jako např. olej, látky s olejovou konzistencí, mazací tuky a
koloidy. Odpadní vody, které obsahují nerozpustné znečišťující látky jich musí být zbaveny separačními
procesy, jak je popsáno níže.
3.3.4.1.1
Separace štěrku/písku
Popis
Štěrková separace odstraňuje písek z srážkové vody. Pro tento účel se používají lapáky písku, protože jinak
by se písek mohl usazovat na nevhodných místech, narušovat proces čištění a způsobovat rychlé opotřebení
čerpadel [cww/tm/132].
Lapáky písku jsou součástí ČOV a obvykle jsou umístěné hned za česlem, které zabraňuje pronikání hrubého
a vláknitého materiálu. Jsou konstruované tak, aby zpracovaly požadovaný horizontální průtok (asi 0,3 m/s).
To znamená, že zachycen je pouze písek, zatímco lehčí plovoucí nečistoty jsou dále unášeny proudem
odpadních vod.
Existují tři různé typy lapáků písku [cww/tm/132]:
•
Kanálový lapák s horizontálním průtokem, který zachovává požadovanou průtokovou rychlost
v kombinaci s Venturiho žlabem, vhodný pro velmi kolísavé toky odpadních vod (Obrázek 3.6)
[cww/tm/132]
Obrázek 3.6: Kanálový lapák písku (písková komora) s horizontálním průtokem
•
kruhový lapák, do kterého voda vstupuje tangenciálně, způsobuje cirkulaci obsahu a písek smývá do
středu, odkud je odstraňován proudem vzduchu; tento typ lapáku je pro velmi kolísavé rychlosti
průtoku méně vhodný, (Obrázek 3.7) [cww/tm/132]
Obrázek 3.7: Kruhový lapák písku
62
Kapitola 3
•
provzdušňovaný lapák, kde je cirkulace obsahu způsobena vháněním vzduchu tak, aby bylo
požadované rychlosti průtoku dosahováno u dna lapáku; tento typ při velmi kolísavých průtokových
rychlostech pracuje bez problémů (Obrázek 3.8) [cww/tm/132].
Obrázek 3.8: Provzdušňovaný lapák písku
Separovaný písek je nutné jej skladovat předtím, než je s konečnou platností likvidován
Použití
Lapáky písku se používají v ČOV, které musí počítat i se srážkovou vodu, která běžně přináší značné
množství písku [cww/tm/132].
Limity a omezení použití:
průtok
kolísání průtoku
limity / omezení
vyžaduje průtok asi 0,3 m/s aby se zajistila separace pouze písku
omezení průtoku v závislosti na typu lapáku
Výhody a nevýhody
Nevýznamné – jde o základní zařízení.
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Lapáky písku se nepoužívají z důvodů ochrany životního prostředí, ale jako ochrana následného zařízení.
Vliv do více prostředí
Separovaný písek musí být likvidován, nebo může být využit jinak podle toho, jak je kontaminován.
Elektrickou energii spotřebovávají čerpadla odpadní vody a vzduchová tryska s dmychadlem.
Lapák písku se jako součást ČOV podílí na emisích podniku hlukem a zápachem, v závislosti na druhu
čištěných odpadních vod. Proto může být nutné zařízení zakrytovat.
Monitorování
Je nutné udržovat požadovaný průtok odpadních vod kolem 0,3 m/s.
3.3.4.1.2
Sedimentace pevných látek
63
Kapitola 3
Popis
Sedimentace – nebo dosazování – znamená separaci nerozpuštěných částic a plovoucího materiálu
gravitačním usazováním. Usazené pevné látky jsou ze dna odstraňovány jako kal, zatímco plovoucí materiál
je stírán z vodní hladiny. Pokud nemohou být částice separovány jednoduše gravitací, např. jsou-li velmi
malé, jejich měrná hmotnost se blíží měrné hmotnosti vody nebo tvoří koloidy, přidávají se speciální
chemikálie, které způsobí, že se pevné látky usadí. Jde například o tyto chemikálie:
•
•
•
•
•
•
•
síran hlinitý (kamenec)
síran železitý
chlorid železitý
vápno
poly-chlorid hlinitý
poly-síran hlinitý
kationické organické polymery.
Tyto chemikálie destabilizují koloidní a malé nerozpuštěné částice (např. jíl, křemen, železo, těžké kovy,
barvy, organické látky, oleje v odpadních vodách) a emulze zachycující pevné látky (koagulace) a/nebo
shluky těchto částic do vloček dostatečně velkých, aby se usadily (flokulace). V případě flokulace se též
používají anionické polymery.
Vliv koagulace je uveden jako příklad v Tabulce 3.2 [cww/tm/27]. Úrovně odstranění v této tabulce
by však neměly být zaměňovány s dosažitelnými stupni výkonnosti techniky čištění.
látka
anorganická rtuť
kadmium a sloučeniny
DDT (pp-dichlordifenyltrichlorethan)
HCB (hexachlorbenzen)
aldrin
dieldrin
endrin
PCB (polychlorované bifenyly)
sloučeniny tribultylcínu
trichlorethen
perchlorethen
odstranění [%]
70
98
75-80
59
100
50
43
30-40
> 90
36
30
Tabulka 3.2: Odstranění znečišťujících látek z odpadních vod vlivem koagulace
Běžně používanými sedimentátory (nebo usazováky) jsou:
•
64
sedimentační nebo mělké nádrže, obdélníkové nebo kruhové, vybavené vhodným stěračem a velké
tak, aby zajistily dobu zdržení (retenční dobu) asi 1½ až 2½ hodiny (viz. Obrázek 3.9 jako příklad
kruhové nádrže [cww/tm/4])
Kapitola 3
Obrázek 3.9: Sedimentační nebo usazovací nádrž
•
nádrž s trychtýřovým dnem, s vertikálním tokem, obvykle bez mechanického systému pro
odstraňování kalu (viz. Obrázek 3.10 [cww/tm/132])
Obrázek 3.10: Nádrž s trychtýřovým dnem
•
lamelové nebo trubkové (tube) usazovací nádrže, kde jsou použity desky pro zvětšení sedimentační
plochy (viz. Obrázek 3.11 [cww/tm/91]).
Zařízení pro koagulaci a/nebo flokulaci je součástí nádrže. Potřebné rychlé míchání u koagulace se zajišťuje:
•
•
•
současným dávkováním koagulantů četnými vstřikovacími body
preferováním systémů s postupným dávkováním tam kde je to možné
rychlomísičem nebo mícháním tam, kde je přidáván koagulant do rychlomísiče nebo před
rychlomísičem, statickými směšovači nebo tryskami.
U flokulace se přidává směšovací komora. Používá se promíchávání vertikálními tyčemi nebo pomalé
směšovače, které hydraulicky mísí kapalinu při jejím průtoku nádrží. Částečná recyklace vloček zpět do
flokulační nádrže může napomoci k lepší struktuře vloček a optimálnímu využití flokulantu.
Pro zajištění optimálního průběhu usazování se běžně instalují předstupně separace olejů nebo rozrážení
emulzí, které tyto rušivé látky odstraňují.
65
Kapitola 3
Vybavení sedimentačních zařízení musí být takové, aby se voda nedostávala do půdy, alespoň ne
v případech, kdy nádrž může obsahovat látky nebezpečné pro spodní vody. Skladovací zařízení pro
koagulační / flokulační chemikálie a usazený kal musí být vybaveno tak, aby odpovídalo vlastnostem kalu.
Obrázek 3.11: Lamelová nebo trubková usazovací nádrž
Použití
Sedimentace se jako separační technika široce víceúčelově využívá a obvykle se nepoužívá samostatně.
Hlavními příklady jsou:
•
•
•
•
•
usazování pevných látek obsažených v jímané srážkové vodě, jako je písek nebo prach,
v sedimentační nádrži
čiření provozních odpadních vod od inertního obsahu, jako je písek a podobné částice
čiření provozních odpadních vod od reakčních materiálů, jako jsou emulgované sloučeniny kovů,
polymery a jejich monomery, podporované přidáním vhodných chemikálií
separace těžkých kovů, nebo jiných rozpuštěných složek po předchozím srážení (viz Sekce
3.3.4.2.1), často s pomocí chemikálií, následované na konci filtračními procesy (viz. Sekce 3.3.4.3.5
a 3.3.4.1.5)
odstranění aktivovaného kalu v primárním usazováku a sekundární dosazovací nádrži biologické
ČOV (viz. Sekce 3.3.4.3.5), často podporované chemicky.
Limity a omezení používání:
66
Kapitola 3
Velikost částic
Přítomnost těkavých látek
Koncentrace pevných látek
pH (v případě srážení / flokulace)
Emulze
limity / omezení
částice musí být pro usazování dostatečně velké, jinak je nutné aplikovat
koagulační a/nebo flokulační chemikálie
přítomnosti těkavých látek je nutno zabránit poněvadž doba zdržení v
nádrži je dlouhá (a používá se mísení při koagulaci a/nebo flokulaci) a to
vše vede k potenciálnímu uvolňování VOC
bez omezení, za předpokladu, že vodní fáze zůstává separovatelná
během operace je nutná regulace pH, jinak je výkonnost čiření slabá
stabilní emulze nelze separovat ani rozrážet koagulací / flokulací; je
nezbytně nutné předchozí rozrážení emulzí
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
Nevýhody
jednoduchost zařízení a proto bez sklonu
k poruchám
účinnost odstranění může být zvýšena
přidáním koagulačních a/nebo flokulačních
chemikálií
•
•
nevhodné pro jemné materiály a stabilní
emulze, ani se srážedly a flokulanty
vločky mohou zachytávat jiné znečišťující
látky, což může znesnadňovat likvidaci kalu
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Pokud je sedimentace zařazena před další následné stupně čištění, je jejím úkolem chránit následná zařízení a
proto musí být její účinnost dostatečně vysoká. Je-li využívána jako konečné čištění, závisí její výkonnost na
vlastnostech částic, které mají být odstraněny.
Publikované dosahované úrovně emisí jsou:
parametr
Výkonnost [%]
NL
60-90
Sedimentovatelné
pevné látky
těžké kovy
90-95
1
úroveň emisí
[mg/l]
poznámky
< 10 1
po konečném dosazování v centrální ČOV
ve formě částic, viz Sekce 3.3.4.2.1
[cww/tm/67c]
NL mohou obsahovat i organické částice, tj. sedimentace snižuje obsah také i TOC / CHSK do té míry, v
jaké jsou přítomné organické látky jako nerozpustné pevné látky. Účinnost odstranění však závisí na poměru
TOC z nerozpuštěných látek v celkovém TOC.
Vlivy do více prostředí
Pokud sedimentovaný kal ani plovoucí kal nejsou vhodné pro recyklaci nebo jiné využití, měly by být
likvidovány jako odpad. V závislosti na původu odpadních vod by tento odpad mohl obsahovat nebezpečné
sloučeniny, které by měly být vhodně zpracovány. Může jít o uhličitany, fluoridy, sulfidy nebo hydroxidy (či
oxidy) těžkých kovů, olejnatý plovoucí kal atd. a za jistých okolností i o dioxiny.
Zdroji hluku jsou čerpadla, která mohou být zakrytována a systém odstraňující usazený / plovoucí kal.
Pokud odpadní voda obsahuje zapáchající látky, může být žádoucí zakrýt sedimentační nádrž nebo alespoň
koagulační a flokulační jednotku a odpadní plyny v případě potřeby odvádět potrubím do čistícího systému
plynů. Potřebné vybavení – potrubí a odvětrávací otvory – bude nutno vybavit bezpečnostním systémem,
např. systémem tlakového dusíku, aby se zabránilo riziku exploze.
Spotřebovávají se:
67
Kapitola 3
spotřebovávaný materiál/energie
chemikálie (koagulanty / flokulanty) a
elektrická energie [kW] b
dusík pro inertní atmosféru
množství
53-93 [kg/t oleje, pevných látek] 1
0,5-100 [g/m3 odpadních vod] 2
0,5-1,5
a
organický polymer
pro průměr nádrže 25-35 m
1
[cww/tm/96]
2
[cww/tm/128]
b
Monitorování
Kapalné odpady je třeba pravidelně monitorovat z hlediska obsahu pevných látek, tj. nerozpuštěných látek,
sedimentovatelných nerozpuštěných látek nebo zákalu. Pokud se ke zlepšení procesu usazování používají
chemikálie (např. koagulanty, flokulanty), je třeba regulovat pH, které je hlavním provozním parametrem.
Ekonomika
Sedimentační nádrž
Lamelová nebo trubková nádrž
a
Investiční náklady
[miliony]
a
1,2 EUR
b1
4,8 BEF
4 BEF c
Provozní náklady
20-100 BEF na m3
3
na 1000 m objemu nádrže
3
kapacita 100 m /h
3
kapacita 25 m /h
1
[cww/tm/128]
b
c
3.3.4.1.3
Flotace vzduchem
Popis
Flotace je proces, který odděluje pevné nebo kapalné částice nebo částečky od vodní fáze tak, že jsou
zachycovány vzduchovými bublinami. Plovoucí částice se hromadí na hladině, odkud jsou odstraňovány
stíracím zařízením [cww/tm/4].
Pro podpoření flotace se běžně používají flokulační přísady, jako jsou hlinité a železité soli, aktivovaný oxid
křemičitý (kyselinu křemičitou) a různé organické polymery. Jejich funkcí, kromě koagulace a flokulace, je
vytvoření povrchu nebo struktury, která je schopná adsorbovat nebo zachytit vzduchové bubliny.
Existují tři metody flotace, které se liší způsobem provzdušňování:
•
•
•
podtlaková (vakuová) flotace, při které je vzduch rozpuštěn při atmosférickém tlaku a poté dochází
ke snížení tlaku tak, že se vytvoří bubliny
flotace nasávaným vzduchem (IAF), při které jsou jemné bublinky nasávány do odpadní vody
nasávacím přístrojem, kterým je například difuzér nebo clonka
flotace rozpuštěným vzduchem (DAF), při které se stlačený vzduch (0,4-0,8 MPa, nebo 1,0-1,2 MPa
pro sloučeniny hliníku) rozpouští v odpadní vodě nebo části celkového objemu odpadních vod a
následně se uvolňuje a vytváří malé bublinky.
Typické zařízení DAF je na Obrázku 3.12 [cww/tm/4].
Podle obsahu odpadních vod může flotační bazén a systém odvádění znečištěného vzduchu do zařízení pro
likvidaci plynu vyžadovat zakrytí. Flokulační a koagulační chemikálie i materiál, stíraný z hladiny je nutno
skladovat ve vhodných zařízeních.
68
Kapitola 3
Obrázek 3.12: Systém DAF:
a) s recyklací, b) bez recyklace
Použití
Flotace se používá tam, kde nevyhovuje sedimentace, např. v případech, kdy:
•
•
•
•
mají částice špatné sedimentační vlastnosti (v případě nízkého kalového indexu (KI) však není nic
výhodnější než sedimentace)
je velmi malý rozdíl mezi měrnou hmotností nerozpuštěných látek a měrnou hmotností odpadních
vod
je daná lokalita prostorově omezena
mají být odstraněny oleje a mazací tuky.
Příklady jsou:
69
Kapitola 3
•
v rafinériích a petrochemických lokalitách jako následné čištění po separaci oleje a před biologickou
ČOV
odstranění barev a pigmentů z určitých odpadních vod, které tyto látky obsahují
rekuperace produktu nebo suroviny z toků odpadních vod, např. toluenu z vodní emulze toluenu
[cww/tm/132], halogenidů stříbra z výroby fotografických chemikálií, butylthionu nebo polysilanu
separace těžkých kovů z odpadních vod
separace aktivovaného kalu z biologického čištění odpadních vod, buď po konečném dosazování
[cww/tm/67b] nebo jako jeho náhrada
zahušťování aktivovaného kalu z biologických ČOV.
•
•
•
•
•
Limity a omezení používání:
limity / omezení
je třeba vyloučit pěnivé detergenty
přestože odstraňování volného oleje z odpadních vod je velmi účinné,
veškeré volné oleje odstranit nelze
přítomnost látek
oleje
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
Nevýhody
menší objem a proto nižší investiční
náklady než u sedimentace
účinnost odstranění se nemění se změnami
průtoku a je proto lepší než sedimentace,
viz. Obrázek 3.13 [cww/tm/132]
umožňuje materiálovou rekuperaci
vysoká separační účinnost, vyšší obsah
sušiny než u sedimentace
•
•
•
může docházet k ucpávání ventilů
velká náchylnost k uvolňování zápachu,
proto obvykle vyžaduje zakrytí nádrže
vyšší provozní náklady než u sedimentace
Obrázek 3.13: Srovnání separační účinnosti DAF a sedimentace 1
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Parametr
1
Výkonnost [%]
úroveň emisí
obsah nerozpuštěných látek 90 – 450 mg/l, 20 % přídavek tlakové vody
70
Poznámky
Kapitola 3
[mg/l]
TNL
90-98
85-96 1
Olej
sirníky kovů
95 2
viz. Obrázek 3.13
aktivovaný kal po konečném
dosazování, nátok 20-250 mg/l
rafinérie, čištění IAF a DAF
chemická výroba, po několika API
rafinérie, čištění IAF a DAF
10-20 1
10-20 ppm 2
2-10 3
1
[cww/tm/67b]
[cww/tm/131]
3
[cww/tm/93]
2
CHSK/TOC se odstraňují v takovém rozsahu, v jakém jsou přítomny ve formě pevných látek nebo
nerozpuštěných kapiček.
Vlivy do více prostředí
Pokud separovaný materiál není recyklovatelný, je zlikvidován jako odpad. Jeho množství závisí na
odstraňovaném materiálu a množství koagulačních a flokulačních chemikálií. Ty se mohou významně lišit
podle použité technologie flotace vzduchem.
Spotřebovávají se:
Spotřebovávaný
materiál/energie
Stlačený vzduch a
mg/l b
kg/t c
3
Energie [kWh/1000m ]
Dávky flokulantu
a
Separace aktivovaného
1
pomocí kalu DAF
0,53-0,55
Flotace vzduchem pro
2
odpadní vody z rafinérií
0,6-1,2
2,4-4,7
20,6
3,7
53-93
3
3
vyjádřeno jako stlačený vzduch v poměru k tlakové vodě [m /m ]
koncentrace flokulantu v odpadní vodě
c
množství flokulantu v poměru k obsahu nerozpuštěných látek v odpadní vodě
1
[cww/tm/67b]
2
[cww/tm/96]
b
Zdroji hluku jsou čerpadla, směšovače a kompresory, které musí být vhodně odhlučněné.
Uvolňování zapáchajících a jiných těkavých látek, pokud se očekává, lze zabránit zakrytím nádrže nebo
provozem v uzavřené nádrži a odváděním znečištěného vzduchu do zařízení pro čištění plynných nečistot.
Monitorování
Pro zajištění spolehlivého provozu je nutné u odpadních vod monitorovat zákal kvůli poruchám. Každá
vznikající pěna musí být zjištěna dostatečně včas. V odpadních vodách je povinné zjišťování CHSK/TOC a
TNL.
Ekonomika
Náklady na flotační jednotku se velice různí v závislosti na účelu:
71
Kapitola 3
DAF / aktivovaný kal 1
DAF / rafinérie 2
IAF / rafinérie 2
DAF / decentralizované konečné čištění 3
DAF 4
Průtok
3
[m /h]
1200
300-800
400-820
50
100 m3/h
3
100 m /den
Investiční náklady
[miliony]
5,0 DEM
1,6-1,8 EUR
0,5-2,1 EUR
Roční provozní
náklady [tisíce]
800 DEM
20-130 EUR
55-130 EUR
4500 DEM
40 BEF
4 BEF
1
[cww/tm/67b] včetně investic, inženýringu, stavební práce, příprava lokality, atd.
[cww/tm/48]
[cww/tm/132] celkové provozní náklady, včetně chemikálií pro neutralizaci, srážení a flokulaci, odvodnění flotátu, spalování
kalu
4
[cww/tm/128]
2
3
Investiční a provozní náklady uvedené pro DAF jsou úměrné průtoku. Přestože se tyto hodnoty
ke skutečným moc neblíží, umožňují odhad stupně nárůstu nákladů při zvětšení podniku [cww/tm/92]:
průtok
3
[m /h]
10
100
1000
10000
investiční náklady
[miliony GBP]
0,1
0,1
0,5
1,0
roční provozní náklady
[tisíce GBP]
10
20-30
50-80
500-80
Náklady na flotaci, která je nejrozšířenější metodou separace kapalin a pevných látek při decentralizovaném
čištění odpadních vod, jsou nižší než je tomu u odpařování a spalování (zhruba na jedné desetině). Výhody
odpařování a spalování jsou však větší, protože jejich výsledkem je úplná likvidace vysoce kontaminovaných
kapalných odpadů, zatímco srážení a flotační procesy dosahují pouze částečného čištění středně znečištěných
oddělených toků. Protože je hodnota tohoto částečného čištění také předmětem diskuse, zůstává otevřenou
otázkou, zda je moudré utratit 10 DEM za m3 odpadních vod (nebo 1,5 mil. DEM za rok na natékajících 50
m3 odpadních vod za hodinu) formou provozních nákladů na předčištění toku, který obsahuje pouze zlomek
celkového objemu odpadních vod z velkých chemických podniků [cww/tm/132].
V porovnání se sedimentací nabízí flotace v mnoha případech značné výhody, nejen při čištění vod a
rekuperaci cenných materiálů, ale také při separaci a zahušťování kalu. Vede zpravidla k většímu obsahu
sušiny v konečném koncentrátu. Kvůli vysokým hodnotám hydraulické zátěže a krátkým dobám zdržení jsou
provozně potřebné také malé objemy zařízení. To naopak znamená nižší investice, ale při vyšších
provozních nákladech. Porovnáním můžeme dojít k závěru, že prostorové požadavky na sedimentaci jsou
50krát vyšší než na flotaci. Na druhé straně náklady na energii pro flokulaci / flotaci mohou být 50krát vyšší,
než na flokulaci / sedimentaci. Flotace má lepší možnosti přizpůsobení kolísavým provozním podmínkám
než je tomu u sedimentace, přestože využívání těchto možností vyžaduje kvalifikovanější personál
[cww/tm/132].
72
Kapitola 3
3.3.4.1.4
Filtrace
Popis
Filtrace popisuje separaci pevných látek z vypouštěných odpadních vod, procházejících porézním médiem.
Filtry obvykle vyžadují čištění, propírání filtrů protiproudem čerstvé vody, který vrátí nahromaděný materiál
zpět do sedimentační nádrže (Sekce 3.3.4.1.2).
Běžně používanými typy filtračních systémů jsou např.:
•
•
•
•
•
•
filtr se zrnitým mediem nebo pískový filtr, který se široce využívá pro čištění odpadních vod
(médiem pískových filtrů nemusí být v pravém slova smyslu písek) s nízkým obsahem
nerozpuštěných látek
gravitační bubnový filtr, používaný pro čištění odkanalizovaných vod a odstraňování vloček
aktivovaného kalu, jehož účinnost závisí na sítové tkanině
rotační podtlakový filtr dobře vyhovuje pro náplavovou filtraci; používá se pro odvodnění olejnatého
kalu a odstraňování emulzí ze slopu
membránový filtr (viz. Sekce 3.3.4.1.5)
pásový filtrační lis, který se často využívá pro odvodňování kalů, ale také pro separaci kapalin a
pevných látek
filtrační lisy, které se obvykle využívají pro odvodňování kalů, ale také pro separaci kapalin a
pevných látek a jsou vhodné při vysokém obsahu pevných látek.
Pískové filtry se skládají z pískového lože filtru protékaného shora dolů nebo zdola nahoru. Lože filtru může
být jedno či více druhové. Provoz může být cyklický – filtrace a praní po sekvencích navazují na sebe – nebo
kontinuální – filtrace a praní probíhají současně. Hlavním rozdílem mezi těmito dvěma režimy provozu je:
•
•
cyklicky provozované pískové filtry pracují do okamžiku, kdy zákal pronikne médiem a obsah
pevných látek ve vytékající vodě začne stoupat nebo se dosáhne určené tlakové ztráty
kontinuálně provozovanými pískovými filtry neproniká zákal ani nemají terminal headloss.
Pískové filtry pracují na principu gravitace, nebo přetlaku. Příklady jsou na Obrázku 3.14 [cww/tm/4] pro
konvenční spádový gravitační filtr s více médii a na Obrázku 3.15 [cww/tm/4] pro tlakový filtr.
Bubnové filtry se skládají z válce, který je potažen filtrační plochou. Tyto filtry pracují buď jako gravitační
bubnové filtry, které mohou být plněny zevnitř nebo zvenčí, nebo jako rotační podtlakové filtry s vnitřním
nebo vnějším uzavřením filtru a spojením s vývěvou. Filtrační koláč kalu se z filtru odstraňuje různými
způsoby. Příklad je uveden na Obrázku 3.16 [cww/tm/132].
Pásový lis a filtrační lis, které se běžně používají pro odvodnění kalů, popisuje Sekce 3.4.1.
Vlastnosti filtračních médií lze uvádět např. jako [cww/tm/132]:
•
•
•
•
•
•
mezní rozměr (cut size), tj. maximální velikost částic, které projdou filtračním médiem
prostupnost, vysoká prostupnost je charakterizována nízkou tlakovou ztrátou
chemická stabilita s ohledem na filtrát
sklon k zablokování (ucpání), především pro tkaniny při filtraci kalového koláče
mechanická pevnost ve vztahu k zatížením, způsobeným zpětným vyplavováním nebo pohybem
filtračních tkanin
hladkost povrchu podporující oddělování koláče.
73
Kapitola 3
Obrázek 3.14: Konvenční spádový pískový filtr s více médii
Obrázek 3.15: Tlakový filtr
74
Kapitola 3
Obrázek 3.16: Rotační podtlakový filtr
a) odvodňovací zóna, b) rotační ventil (valve), c) usazovací zóna, d) sací zóna
Suspenze, které tvoří poměrně jemné, měkké (plastické) nebo stlačitelné pevné látky, často zaplní nebo
ucpou filtrační médium, pokud tomu není zabráněno filtračními pomocnými hmotami, např. inertním,
snadno filtrovatelným zrnitým materiálem. Filtrační pomocné látky tvoří vrstvu pro filtrát propustnou a
současně plní funkci sypkého (volného) filtračního koláče. Zachycené částice se usazují na filtrační pomocné
látce. Příklady filtračních pomocných látek jsou [cww/tm/132]:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
křemelina
perlity
valchářská hlinka
drcené sklo
preparáty z uhlí
vlákna buničiny
dřevitá vlákna
papírovina
bagasa
mastek
plasty.
Filtrační pomocné látky se používají jako předem nanesené vrstvy. To znamená, že před začátkem filtrace se
uloží na filtrační médium vrstva pomocné filtrační látky. V průběhu filtrování se pak průběžně přidává i do
filtrované kapaliny, aby zajišťovala požadovaný stupeň vhodné a účinné filtrace.
Použití
Jsou-li požadovány nízké emise nerozpuštěných látek ve vypouštěné odpadní vodě, pak se filtrace často
používá při čištění odpadních vod jako konečný stupeň separace po sedimentačních procesech (viz, Sekce
3.3.4.1.2) nebo flotaci (viz. Sekce 3.3.4.1.3), např.:
•
•
•
•
separace vloček, hydroxidů těžkých kovů, atd. po sedimentaci, aby byly splněny požadavky na
vlastnosti vypouštěných odpadních vod
odstranění aktivovaného kalu po centrální ČOV jako doplněk sedimentace, pro zlepšení kvality
biologicky čištěných odpadních vod
odvodnění kalu, flotátu, atd.
zachycení volného oleje pomocí rotačních bubnových filtrů a přídavku polymerů.
75
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
koloidy, emulze
jemně dispergované nebo slizové
pevné látky
limity / omezení
nelze je separovat bez dodatečného chemického čištění
mohou ucpávat filtrační médium nejsou-li užívány pomocné filtrační
materiály
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
Nevýhody
vysoká separační účinnost
jiné znečišťující látky než nerozpuštěné
látky lze za určitých podmínek odstranit,
např. olej
provoz při velkém rozsahu různých
podmínek
•
•
pískové polo-kontinuální filtry se mohou
ucpávat a zanášet
průnik může způsobit dodatečné znečištění
odpadních vod
Dosažitelné úrovně emisí / třídy výkonnosti
parametr
TNL
třída výkonnosti
[%]
50-99,99 1
olej
těžké kovy
1
úroveň emisí
[mg/l]
< 10 mg/l
poznámky
Vločky aktivovaného kalu
pískový filtr, závisí na filtračních
pomocných látkách
< 5 mg/l
po srážení, viz. Sekce 3.3.4.2.1
[cww/tm/128]
Vlivy do více prostředí
Pokud se používá zrnitý filtr např. pískový, pak je vypíraný materiál obvykle recirkulován zpět do procesu,
odkud pochází, např. do sedimentační nádrže nebo nádrže s aktivovaným kalem v biologické ČOV. Zbytky
z ostatních druhů filtrů (bubnových, pásových, atd.) je možno recyklovat nebo odeslat k dalšímu zpracování.
Písková filtrace, jako příklad filtrace s hlubokým ložem je doprovázena méně častým promýváním než
filtrace s koláčem (např. pásový či bubnový filtr) a tak má i nižší spotřebu prací vody. Z toho důvodu se
filtrace s koláčem používá pouze ve výjimečných případech čištění odpadních vod (příklady jsou uvedené
výše v této kapitole) [cww/tm/132].
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
vypírací voda
voda pro výrobu vakua
filtrační pomůcky
energie [kWh/1000m3]
tlaková ztráta
pískový filtr
bubnový filtr
-
-
Provozní zařízení může být významným zdrojem hluku, který může být omezen vhodným odhlučněním
zakrytováním hlavních zdrojů.
V případě uvolňování zapáchajících látek, může být nutné zakrytí zařízení. Tlakové filtry a filtrační lisy se
umísťují do uzavřených prostor a znečištěný vzduch je odváděn do systému pro likvidaci plynů.
76
Kapitola 3
Monitorování
Pro zajištění spolehlivého provozu je nutné u filtrátu monitorovat zákal kvůli poruchám nebo průnikům u
cyklicky pracujících pískových filtrů. Tlakovou ztrátu je třeba zaznamenávat kvůli zjištění ucpávání a
blokování.
Ekonomika
průtok
3
[m /h]
100
pískový filtr 1
1
investiční náklady
[miliony]
4 BEF
provozní náklady
2 BEF/m3
[cww/tm/128]
3.3.4.1.5
Mikrofiltrace a ultrafitrace
Popis
Mikrofiltrace (MF) a ultrafiltrace (UF) jsou membránové procesy, které oddělují kapaliny, prostupující
membránou do permeátu, který prochází membránou od koncentrátu, který je membránou zachycen. Hnací
silou je tlakový rozdíl na membráně. Oba případy jsou speciálními propracovanými již zmíněnými
filtračními technikami.
Membrány používané pro MF a UF jsou porézní membrány, které fungují jako síta. Rozpouštědlo a částice o
velikosti molekul prochází póry, zatímco nerozpuštěné částice, koloidní částice, bakterie, viry a dokonce i
větší makromolekuly jsou zadržovány v koncentrátu.
Obvyklé charakteristiky jsou v Tabulce 3.3.
parametr
1
Průměr pórů [µm]
2
Provozní tlak [MPa]
Mezní velikost [nm]
mikrofiltrace
0.1-1
0,02-0,5
> 100, včetně bakterií
-2
-1
Průtok permeátu [l m h ]
2
Rychlost průtoku [m/s]
3
Typ membrány
Uspořádání membrán
1
2
3
3
50-1000
2-6
symetrická polymerová nebo
keramická, 10-150 µm silná
vinutá spirála
duté vlákno
desková
ultrafiltrace
0.001-0.1
0,2-1
10-100, včetně makromolekul, virů,
koloidních částic 1000-100000 g/mol
u roztoků
< 100
1-6
polymerová nebo keramická
asymetrická
vinutá spirála
duté vlákno
desková
[cww/tm/27]
[cww/tm/132]
[cww/tm/93]
Tabulka 3.3: charakteristiky mikrofiltrace (MF) a ultrafiltrace (UF)
Membrány pro MF a UF jsou vyráběny z několika různých materiálů a v různých uspořádáních. Optimální
modifikace pro určité použití závisí na vlastnostech odpadní vody, protože různé jednotlivé materiály jsou
různě odolné proti rozpuštěným látkám, které obsahuje. Materiály membrán pro MF jsou:
77
Kapitola 3
•
•
•
•
•
skelné vlákno
polykarbonáty
PVDF (polyvinylidenfluorid)
acetát celulózy
polyamid.
Vhodnými materiály pro UF jsou obvykle organické polymery, např.:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
acetát celulózy
polyamid
polyimid
polykarbonát
polyvinylchlorid
polysulfon
polyethersulfon
polyacetal
kopolymery akrylonitrilu a vinylchloridu
polyelektrolytové komplexy
síťovaný polyvinylalkohol nebo polyakryláty.
Výhodou PVDF membrán je, že je možné je čistit silnými kyselinami, hydroxidem sodným a bělícími
prostředky.
Proces s membránovým filtrem obvykle probíhá příčně, tj. permeát je směrován kolmo k nátoku. Nečistoty
zůstávají na nátokové straně, která po snížení objemu, opouští systém membrán jako koncentrovaný odpadní
tok.
Pro koncentrát by měly být zajištěny zásobní prostory.
Použití
Membránová filtrace (MF a UF) se používá pokud zařízení vyžadují odpadní vody bez pevných látek, např.
reverzní osmóza, nebo úplné odstranění nebezpečných znečišťujících látek, jako jsou těžké kovy. Volba mezi
MF a UF závisí na velikosti částic.
MF se běžně používá pro [cww/tm/93; cww/tm/67a]:
•
•
•
•
procesy odstraňující mazací tuky
rekuperaci kovových částic
čištění odpadních vod z pokovování
separaci kalu po procesu s aktivovaným kalem v centrální biologické ČOV, nahrazující sekundární
čiření (aktivovaný membránový proces), ač lze použít i UF.
UF obvykle zajišťuje:
•
•
•
•
•
78
odstranění netoxických odbouratelných znečišťujících látek, např. bílkovin a jiných
makromolekulárních sloučenin i toxických neodbouratelných složek, např. barviv a barev,
s molekulární hmotností vyšší než 1000
segregaci vodních emulzí olejů
separaci těžkých kovů po úpravě komplexotvornými činidly nebo srážení
separaci složek, které nejsou při čištění odpadních vod snadno odbouratelné a které jsou následně
recyklovány do biologického stupně
předčišťovací stupeň před reverzní osmózou nebo iontovou výměnou.
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
limity / omezení
náchylný k poškození chemikáliemi, v závislosti na obsahu odpadních vod
materiál membrány
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
Nevýhody
vysoká separační účinnost
modulární systémy, tj. flexibilní použití
•
•
•
může docházet k ucpávání a zanášení
zhutňování v přítomnosti změkčovadel
vysoký provozní tlak, vyžaduje proto více
energie pro čerpání
mechanicky nestabilní
•
Dosažitelné úrovně emisí / třídy výkonnosti
parametr
TNL
CHSK
těžké kovy
výkonnost
[%]
kolem 100 %
úroveň emisí
[mg/l]
blízko 0
poznámky
viz. Sekce 3.3.4.2.1
Vlivy do více prostředí
Při membránovém čištění vzniká reziduum (koncentrát) které tvoří asi 10% původního přiváděného objemu,
v němž jsou cílové složky přítomny v úrovních přibližně 10krát vyšších, než byla jejich původní
koncentrace. Je třeba provést zhodnocení možností likvidace reziduí.
U organických nerozpuštěných látek může zvýšení koncentrace zlepšit podmínky pro následné oxidační
likvidační procesy. Stupeň koncentrace lze použít jako součást rekuperace organických nerozpuštěných
látek. V obou případech lze vodu z membránového čištění znovu využít nebo recyklovat v průmyslových
procesech a tak snížit spotřebu vody i množství odpadních vod.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
materiál membrány
chemikálie (proti usazeninám, proti
zanášení, prací, atd.)
energie [kWh/1000m3]
tlaková ztráta
MF
UF
-
2-20 1
viz. Tabulka 3.3
1-10 1
viz.Tabulka 3.3
1
Je docela překvapivé, že MF, proces s nejnižším poklesem tlaku, spotřebovává více energie, než
procesy s vyšším poklesem tlaku. Důvodem toho je výskyt koncentrace polarizace a zanášení. U
MF, a do menší míry u UF, je tento fenomén velmi nepříznivý a má za následek prudký pokles
průtoku [cww/tm/161].
Spotřeba energie přímo závisí na rychlosti příčného průtoku a požadovaném tlaku. Obvykle je spojena se
zachováváním minimální rychlosti kolem 2 m/s přes povrch membrány.
Zdrojem hluku je čerpací zařízení, které může být zakrytováno.
79
Kapitola 3
Monitorování
Pro zajištění spolehlivého provozu je nutné průběžně monitorovat tlakovou ztrátu na membráně.
Ekonomika
průtok
3
[m /h]
MF
UF
investiční náklady
400-1500 GBP 1
na m2 membrány a
40000 BEF 2
na m2 membrány
400-1500 GBP 1
na m2 membrány a
60000-200000 BEF 2
na m2 membrány
provozní náklady
2-200 BEF 2
na m3 odpadních vod
náklady na výměnu
80-350 GBP 1
na m2 membrány a
80-350 GBP 1
na m2 membrány a
a
pro duté vlákno, spirálové a keramické membrány
nižší hodnota pro organické membrány, vyšší pro anorganické
[cww/tm/93]
2
[cww/tm/128]
b
1
Investiční náklady, včetně zařízení automatizovaného čištění, lze rozdělit přibližně takto [cww/tm/93]:
čerpadla
vyměnitelné součásti membrán
membránové moduly (uložení)
potrubí, ventily, konstrukce
řídicí systém
jiné
30 %
20 %
10 %
20 %
15 %
5%
Provozní náklady [cww/tm/93] ovlivňuje:
•
•
•
•
cena energie pro udržování hydrostatického tlaku a průtoku systémy
životnost membrán
požadovaný režim čištění
lokálně specifické faktory, např. požadavek pracovních sil.
Tyto náklady lze rozdělit přibližně takto [cww/tm/93]:
vyměnitelné součásti membrán
čištění
energie
práce
3.3.4.1.6
35-50 %
12-35 %
15-20 %
15-18 %
Separace vody a olejů
Popis
Separace vody a oleje a následné odstranění oleje lze rozdělit na:
•
•
80
gravitační separaci volného oleje s použitím separačního zařízení
rozrážení emulzí s použitím rozrážecích chemikálií, jako jsou:
- soli polyvalentních kovů – kamenec, chlorid hlinitý, chlorid železnatý, síran železnatý
- minerální kyseliny – kyselina sírová, kyselina chlorovodíková, kyselina dusičná
- adsorbenty – práškový kaolín, vápno
- organické polymery – polyaminy, polyakryláty,
Kapitola 3
a následná separace oleje koagulací / flokulací a flotací vzduchem (viz. Sekce 3.3.4.1.3).
Běžně používané separátory oleje a vody jsou:
•
Separátor Amerického petrolejářského institutu (API) jako nejjednodušší typ, sestávající
z otevřené obdélníkové nádrže a lopatkového stíracího zařízení, který přesouvá kal do jímky a olej
do stíracího zařízení, schopný zachytit velké olejové skvrny (viz. Obrázek 3.17 [cww/tm/91])
•
Odlučovač s paralelními deskami (PPI), vybavený deskami paralelními s proudem, které velmi
zvětšují aktivní plochu, a stěračem oleje, který není vhodný pro zachycování větších skvrn (viz.
Obrázek 3.18 [cww/tm/91])
•
Odlučovač s vlnitými deskami (CPI), vybavený sadou vlnitých desek, které jsou umístěny
protiproudně, a stěračem oleje, který není vhodný k zachycování velkých olejových skvrn, ale má
dobrou separační účinnost (viz. Obrázek 3.19 [cww/tm/91]).
Obrázek 3.17: Separátor Amerického petrolejářského institutu (API)
Pro jímání olejové fáze a její odstraňování pro rekuperaci nebo další čištění se používají různé druhy dalších
stíracích nástrojů, např.:
•
•
•
pevné trubkové stěrače
rotační žlabové stěrače
rotační diskové nebo bubnové stěrače.
Nelze-li stíraný olej okamžitě recyklovat, vyžaduje zásobní prostory.
81
Kapitola 3
Obrázek 3.18: Odlučovač s paralelními deskami (PPI)
Obrázek 3.19: Odlučovač s vlnitými deskami (CPI)
Použití
Separací oleje a vody se odstraňují oleje, mazací tuky a jiné nerozpustné kapaliny, které jsou lehčí než vodní
fáze z odpadních vod především v rafinériích a petrochemických lokalitách. Běžně není samostatně
používaným procesem, ale následuje po ní flotace (IAF nebo DAF), podporovaná koagulací / flokulací (viz.
Sekce 3.3.4.1.3). API se používá také jako nástroj snižující znečištění k ochraně následného zařízení před
velkými olejovými skvrnami, pocházejícími např. z provozních havárií, zatímco PPI a CPI vykazují vyšší
účinnost v odstraňování menších olejových kapiček.
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
82
olej může být rekuperován a recyklován do
procesu
růst účinnosti v pořadí API – PPI – CPI ve
vztahu k odstranění malých olejových
kapiček a poměru aktivní povrch /
půdorysná plocha
Nevýhody
•
•
•
pouze API odstraňuje velké skvrny volného
oleje a pevných látek (v krizových
případech)
v případě PPI a CPI jsou desky náchylné
k zanášení a proto vyžadují častější údržbu
neumožňuje separovat rozpustné látky
Kapitola 3
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
výkonnost
[%]
90-95
úroveň emisí
[mg/l]
6-90 mg/l 1
40-70 mg/l 2
Olej
nerozpustné látky
poznámky
API, rafinerie
API, chemický průmysl
90-95
1
důvěrná informace
2
[cww/tm/93]
Vlivy do více prostředí
Odstraněný olej je obvykle recyklován do procesu, kde je po menších čistících operacích znovu používán.
Jinak je chemickým odpadem a musí být podle toho likvidován společně s dalšími separovanými
nerozpuštěnými látkami.
Separátory vody a oleje, nejsou-li zakryté, jsou hlavními původci zápachu a zdravotních rizik. Zakrytím
hladiny se omezuje uvolňování VOC o 95% [cww/tm/48]. Na druhou stranu může zakrytí způsobit potíže při
stírání a provoz zařízení nemůže být tak snadno kontrolován. To, zda bude zvolena varianta se zakrytím nebo
bez bude záviset na místních podmínkách. Je-li separátor zakryt, je nutné odvádět odpadní plyny do
likvidačního systému, což znamená potřebnost vhodného bezpečnostního systému, jakým je tlakový dusík,
aby se zamezilo riziku exploze.
Zdroji hluku jsou čerpadla, která jsou obvykle zakrytována a stírací zařízení. Tam, kde je to vhodné, je třeba
zavést kontrolní opatření.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
dusík z tlakového systému (bezpečnostní zařízení) a
energie [kWh/m3]
a
3
API
0,05 m/h
PPI
CPI
2
proud plynného dusíku vztažený k povrchu [m /(m h)]
Monitorování
Výstup je třeba pro zajištění správného provozu pravidelně vizuálně monitorovat, např. senzory hromadění
oleje. Stírací zařízení a olejovou hráz je třeba pravidelně udržovat.
Ekonomika
API
PPI
CPI
a
1
2
průtok
3
[m /h]
1200
investiční náklady
[miliony]
2,0 EUR 1
provozní náklady
100
2-10 BEF 2
2-4 BEF/m3 2 a
poznámky
cena práce 3h/den
[cww/tm/48]
[cww/tm/128]
83
Kapitola 3
3.3.4.2 Rozpustné biologicky neodbouratelné nebo inhibiční znečišťující látky / fyzikálněchemické čištění
Rozpustné biologicky neodbouratelné látky nebo inhibiční znečišťující látky v odpadních vodách můžeme
rozdělit do tří podtříd sloučenin:
•
•
•
anorganické sloučeniny – soli, sloučeniny těžkých kovů
organické sloučeniny jako zdroj rezistentního obsahu TOC
inhibiční organické a anorganické sloučeniny, které narušují biologické procesy v biologických
ČOV.
Anorganické sloučeniny nejsou biologickým čištěním ovlivňovány a mohou, jako rezistentní TOC, mít sklon
k narušování biologického procesu v biologické ČOV. Obojí potřebují speciální předčištění, zařazené před
centrální ČOV. Taková předčištění jsou:
•
•
•
•
chemické transformace za vzniku produktů separovaných v následném procesu, jak to popisuje
Sekce 3.3.4.1 (viz. Sekce 3.3.4.2.1 a 3.3.4.2.2)
proces chemického rozkladu za vzniku biologicky odbouratelných znečišťujících látek (viz. Sekce
3.3.4.2.3 až 3.3.4.2.7)
procesy fyzikální eliminace (viz. Sekce 3.3.4.2.9 a 3.3.4.2.14)
procesy spalování za vzniku plynných a pevných zbytkových látek, které mohou být z toků
odpadních vod separovány (viz. Sekce 3.3.4.2.15).
V nových chemických lokalitách v Německu se tyto předčišťující operace běžně používají (nebo místo nich
opatření integrovaná do procesu) pro toky přinášející značné biologicky neodbouratelné zatížení (např.
účinnost vyloučení TOC je nižší než 80% a resistentní zatížení TOC kolem 20kg/den, 300 kg/rok a 1 kg/t
produktu, nezávisle na lokálních podmínkách). Současně se stávajícími opatřeními jsou přijata ta, která
pomohou v dosažení optimální výkonnosti se zvážením poměru přínosů a nákladů; detaily uvádí Sekce
2.2.1.2.
3.3.4.2.1
Srážení
Popis
Srážení je chemický způsob vytváření částic, které mohou být separovány dalšími postupy, např. sedimentací
(viz. Sekce 3.3.4.1.2), flotací vzduchem (viz. Sekce 3.3.4.1.3), filtrací (viz. Sekce 3.3.4.1.4) a pokud je to
nutné, následuje po nich MF či UF (viz. Sekce 3.3.4.1.5). Jemná separace membránovými technikami může
být vyžadována kvůli ochraně následných zařízení nebo kvůli prevenci vypouštění nebezpečných částic.
Může být také užitečnou technikou, odstraňující koloidní sraženiny (např. sirníky těžkých kovů).
Zařízení, v kterém srážení probíhá, se obvykle skládá z jedné či dvou stíraných směšovacích nádrží, kam se
přidává činidlo a případně jiné chemikálie, dále ze sedimentační nádrže a nádrží pro skladování chemických
činidel. Je-li třeba – viz výše – je přidáno další čistící zařízení. Sedimentační nádrž lze po proudu nahradit
jinými systémy jímání kalů.
Při srážení se běžně používají tyto chemikálie:
• vápno (s vápenným mlékem jsou přípravná zařízení součástí čistící jednotky) (pro těžké kovy)
• dolomit (pro těžké kovy)
• hydroxid sodný (pro těžké kovy)
• soda (uhličitan sodný) (pro těžké kovy)
• soli vápníku (jiné, než vápno) (pro sírany a fluoridy)
• sirník sodný (pro rtuť)
• polyogranosulfidy (pro rtuť).
Ty jsou často doprovázeny flokulanty, které napomáhají další separaci, jako např.:
84
Kapitola 3
•
•
•
•
železité a železnaté soli
síran hlinitý
polymery
polyorganosírany.
Použití
Srážení může být aplikováno v různých stupních toků odpadních vod, např.:
•
•
•
přímo u zdroje, aby se co nejúčinněji odstranily těžké kovy a zabránilo se zředění nezatíženými toky
jako technika centrálního čištění pro odstranění fosfátů, síranů a fluoridů, za předpokladu, že není
očekáváno nevhodné zředění
pro odstranění fosfátů po biologickém stupni v centrální ČOV, kde je při konečném čiření jímán kal.
Výkonnost další separace kapalin a pevných látek obvykle závisí na takových faktorech, jakými jsou pH,
kvalita promísení, teplota nebo doba zdržení ve srážecím stupni. Aktuální podmínky je možné najít
v případových studiích.
Limity a omezení použití:
úprava pH
komplexotvorné látky
limity / omezení
optimální rozsah pH pro těžké kovy, fosfáty a fluoridy je 9-12,
při použití sulfidů vniká v kyselých podmínkách sirovodík
mohou bránit srážení těžkých kovů, např. mědi, niklu
Výhody a nevýhody
Výhody
Nevýhody
činidlo: vápno
• zabraňuje zvyšování obsahu solí
v odpadních vodách
• zvýšení záchytné kapacity centrální
biologické ČOV
• zlepšení sedimentace kalu
• zahušťování kalu
• zlepšení mechanické odvodnitelnosti kalu
• zkrácení času odvodňovacího cyklu
• nízké náklady
činidlo: sirník sodný
• snížení objemu kalu (asi 30% v porovnání
s čištěním vápnem)
• snížení spotřeby chemikálií (asi 40%
v porovnání s čištěním vápnem)
• nižší množství kovů v čištěné vodě
• nevyžaduje před- ani do-čištění
• vysoce účinný v odstraňování
nerozpuštěných a rozpuštěných kovů z toků
odpadních vod
činidlo: vápno
• provozní problémy spojené s přepravou,
skladováním a dávkováním vápna
[cww/tm/4]
• zvýšení objemu kalu následkem
přebytečného hydroxidu vápenatého
• problémy s údržbou [cww/tm/4]
činidlo: sirník sodný
• tvorba sirovodíku při okyselení směsi
v důsledku poruchy
• problémy se zápachem spojené se
sirovodíkem
Dosažitelné úrovně emisí / třídy výkonnosti
parametr
úroveň emisí
[mg/l]
činidlo
poznámky
85
Kapitola 3
rtuť
kadmium
měď
nikl
olovo
chrom (III)
chrom (VI)
zinek
cín
hliník
železo (III)
železo (II)
sulfát
fosfát
fluorid
Dosažitelné úrovně emisí těžkých kovů se velmi liší v závislosti na dané situaci, např.:
•
•
•
odstranění jedné skupiny těžkých kovů z anorganické matrice odpadních vod
odstranění směsi těžkých kovů z anorganické matrice odpadních vod
odstranění těžkých kovů z organické matrice odpadních vod se sklonem k tvoření komplexů kovů,
např. barviva.
V době, kdy byl psán tento dokument, ještě nebyly dostupné hodnoty pro tabulku.
Vlivy do více prostředí
Srážedla musí obvykle být vyloučena spolu s kalem. Tento kal je chemickým odpadem, alespoň pokud
obsahuje těžké kovy. Může obsahovat uhličitany, fluoridy, hydroxidy (nebo oxidy), fosfáty, sírany, sirníky
těžkých kovů.
Zdroji hluku jsou čerpadla a zařízení odstraňující kal. Je třeba provést vhodná odhlučňovací opatření.
Pokud můžeme očekávat uvolňování těkavých a zapáchajících látek, mělo by srážení probíhat v uzavřené
nádrži nebo v krytých bazénech s potrubím odvádějícím plyny do zařízení pro jejich likvidaci.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
srážecí činidlo (vápno, dolomit,
železnaté a železité soli, síran železnatý
/ sirník sodný, síran hlinitý, polymery,
polyorganosirníky
energie [kWh/m3]
množství
závisí na zatížení znečišťujícími látkami
Monitorování
Během srážení je nutné pečlivě upravovat hodnotu pH a dávkování činidel, flokulantů a/nebo koagulantů.
Ekonomika
druh nákladů
investiční náklady
provozní náklady
86
náklady
průtok
3
[m /h]
poznámky
Kapitola 3
3.3.4.2.2
Krystalizace
Popis
Krystalizace se úzce vztahuje ke srážení. V protikladu ke srážení nevzniká sraženina chemickou reakcí
v odpadní vodě, ale vytváří se na nosném materiálu, např. písku nebo minerálech, během procesu s fluidním
ložem – systém granulového reaktoru. Granule narůstají a klesají ke dnu reaktoru. Hnací silou procesu je
dávkování reagentu a úprava pH. Nevzniká žádný odpadní kal. Princip krystalizačního zařízení je vidět
z Obrázku 3.20 [cww/tm/97].
Obrázek 3.20: Princip krystalizačního procesu
Krystalizační zařízení sestává převážně z:
•
•
•
válcového reaktoru se spodním nátokem a horním odtokem
semenný materiál, např. zrna (pelety?) filtračního písku nebo minerály, udržované v podmínkách
fluidního lože
cirkulační systém s cirkulačním čerpadlem.
Rychlost nátoku odpadní vody (40-120 m/h) udržuje pelety ve fluidním stavu [cww/tm/97]. Podmínky
procesu u dna reaktoru jsou voleny tak, aby se dosáhlo relativně vysokého přesycení žádoucích solí. Fluidní
lože zajišťuje velmi velkou krystalizační plochu (5000-10000 m2/m3), takže při rychlé a regulované reakci
téměř všechny anionty a nebo obsažené kovy krystalizují na peletách. Část pelet je pravidelně, obvykle
jednou za den, vypuštěna a nahrazena novým násadovým materiálem.
Principem cirkulačního systému je míchání přitékající odpadní vody s cirkulovaným tokem s nižší
koncentrací aniontů nebo kovů. Díky cirkulačnímu systému může reaktor pracovat pružněji, např.:
•
snadno je odstraněno kolísání rychlosti nátoku a jeho složení
87
Kapitola 3
•
•
všechny druhy odpadních vod s koncentracemi v rozsahu 10-100000 ppm mohou být čištěné
jednoduchým přizpůsobením cirkulačního poměru (koncentrovanější odpadní voda vyžaduje vyšší
poměr cirkulace)
zachovává fluidizaci pelet pokud nepřitéká odpadní voda.
Pokud mají být velmi přísné požadavky dodrženy, může být kapalný odpad dočištěn konvenční nebo
kontinuální pískovou nebo membránovou filtrací. Tento stupeň filtrace je možné zařadit buď do cirkulační
smyčky, nebo do výpusti. Kapalný odpad se používá pro propírání konvenčních pískových filtrů. Příměsi,
odstraněné filtrem, jsou opět rozpuštěny smícháním s dávkou kyselin, nebo okyseleny, a vráceny do
reaktoru. Příklad krystalizačního procesu v chemické výrobě uvádí Obrázek 3.21 [cww/tm/97].
Obrázek 3.21: Víceúčelové použití krystalizace v chemické výrobě
Použití
Ve většině případů se krystalizace používá k odstranění těžkých kovů z toků odpadních vod a k jejich
následné rekuperaci pro další využití, ale je možné čistit i fluoridy, fosfáty a sírany. Příklady použití
v chemické průmyslu jsou [cww/tm/97]:
88
Kapitola 3
•
rekuperace zinku, niklu a/nebo teluru při výrobě gumárenských aditiv s dávkovacími koncentracemi
mezi 50 a 250 ppm
rekuperace niklu a hliníku při výrobě elastomerů, krystalizační zařízení pracuje před centrální
biologickou ČOV, s dávkovacími koncentracemi mezi 50 a 400 ppm, jak pro nikl, tak pro hliník.
•
V principu je možné krystalizací odstranit téměř všechny těžké kovy, nekovy a anionty ze všech druhů
odpadních vod. Vytváření solných pelet je možné v případě, že rozpustnost vznikajících solí je nízká a kovy
nebo anionty rychle krystalizují do stabilní krystalové mřížky. Zatímco se kovy obvykle vylučují ve formě
uhličitanů, hydroxyuhličitanů, hydroxidů, sirníků, fosfátů, síranů, fluoridů atd., anionty se obvykle odstraňují
jako vápenaté soli [cww/tm/97].
Limity a omezení používání:
průtok
obsah znečišťujících látek
kapacita odstranění
limity / omezení
0,1-10000 m3/h
10 mg/1-100g/l
do 100 kg kovu/aniontu za hodinu na jednotku
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
kompaktní a flexibilní jednotky,
umožňující modulární strukturu a výběr
materiálů na zakázku
nevznikají kaly
bezvodé pelety s vysokou čistotou
umožňují recyklaci nebo další využití
obsažených kovů v jiných odvětvích
rekuperace surovin / recyklace
téměř bezodpadový proces
Nevýhody
•
•
•
použitelná pouze pro iontové složky, které
tvoří nerozpustné nebo těžko rozpustné soli
činidla omezena na bezpečné látky
celkový obsah solí v odpadní vodě se
nesnižuje
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Hlavním cílem krystalizace je snížení obsahu, nebo rekuperace, těžkých kovů. Dosažitelné emise kapalných
odpadů jsou:
parametr
zinek
nikl
telur
hliník
1
úroveň emisí
činidlo
[mg/l]
11
soda, hydroxid sodný
11
soda, hydroxid sodný
11
síran manganu, hydroxid sodný
20 1
síran, hydroxid sodný
poznámky
nátok 50-250 mg/l, pH 10
nátok 50-250 mg/l nebo 1000 mg/l, pH 10
pH 9, po filtraci
nátok 50-400 mg/l
[cww/tm/97]
Vlivy do více prostředí
K dosažení dobrých výsledků při odstraňování jsou činidla, nutná pro vytváření sraženin, obvykle přidávána
ve vyšších dávkách. To znamená, že odstranění jedné složky má za následek přidání jiné sloučeniny, která
v původním toku odpadních vod nebyla.
89
Kapitola 3
Běžně nevzniká žádný odpad ani kal, protože sražené soli drží na peletách. Neobsahují téměř žádné nečistoty
a obsah vody po atmosférickém sušení u nich dosahuje jen až 5-10 % [cww/tm/97]. Pelety proto mohou být
využity k rekuperaci odstraněných znečišťujících látek.
Zdrojem hluku jsou čerpadla, která by měla být odhlučněna zakrytováním.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný
materiál/energie
krystalizační chemikálie
energie [kWh/m3]
množství
Monitorování
Důležité parametry, které musí být kontrolovány, jsou:
• průtok vody pro zajištění funkce fluidního lože
• koncentrace / zatížení nátoku dotyčnými kovy nebo anionty
• dávkování činidel, pro zachování optimálních podmínek krystalizace
• pH, ze stejného důvodu
• koncentrace kovů a aniontů ve výpusti.
Ekonomika
Ekonomická situace je [cww/tm/97]:
a
typ nákladů
náklady
[USD/kg]
poznámky
investiční náklady
provozní náklady:
odpisy
chemikálie
energie
mzdy (personál?)
údržba
3-25
0,50-2,50
0,25
podle kapacity
podle koncentrace
1 hodina / den
3-5 % investic
zisky:
opětovné požití
omezení chemického odpadu
snížení provozních nákladů na srážení
úspora investic do precipitačního zařízení
snížení poplatku za odpady
1
0-14,50
2-8
0,50-3
3-12
30-40
podle aniontu nebo kovu
podle koncentrace v kalech
v případě předčištění
v případě konečného čištění
v případě konečného čištění
na kg rekuperovaného aniontu nebo kovu
3.3.4.2.3
Chemická oxidace
Popis
Chemická oxidace je přeměna znečišťujících látek chemickými oxidačními činidly, jinými než kyslík/vzduch
nebo bakterie, na podobné, ale méně škodlivé nebo nebezpečné, sloučeniny a/nebo na složky s krátkým
řetězcem a snadno biologicky odbouratelné. Chemická oxidační činidla jsou např.:
• chlór
• chlornan sodný nebo vápenatý
• oxid chloričitý
• ozón (s nebo bez UV záření)
• peroxid vodíku / UV záření
• peroxid vodíku / soli železa (Fentonovo činidlo).
90
Kapitola 3
Časté operace spojené s chemickou oxidací jsou:
•
•
•
•
•
•
oxidace ozónem
oxidace peroxidem vodíku
oxidace ozónem / UV zářením
oxidace peroxidem vodíku / UV zářením
oxidace ozónem, peroxidem vodíku a UV zářením
oxidace chlórem, chlornanem.
Konstrukce oxidačního reaktoru závisí na jeho speciálním účelu:
•
oxidační procesy obvykle probíhají při tlaku do 0,5 MPa [cww/tm/82]. Pokud má jako urychlovač
působit UV záření, musí zařízení reaktoru obsahovat zdroj záření, např. nízkotlakou rtuťovou
výbojku. V takovém případě reaktor obvykle obsahuje křemenné trubice umožňující průchod UV
záření, kterými prochází odpadní voda a vnější UV výbojky nebo UV výbojky uvnitř křemenných
trubic, které jsou ponořené v odpadní vodě.
•
Pokud se v procesu využívá ozón, pak je součástí zařízení ozonátor, protože ozón jako nestabilní
sloučeninu nelze přepravovat a je třeba jej vyrábět přímo na místě. Po vyčištění je nutné přebytečný
ozón odstranit. Bezpečnostní požadavky na nakládání s ozónem jsou přísné.
•
Při používání peroxidu vodíku jako oxidačního činidla je nezbytné pro odstranění přebytečného
činidla použít adsorbér GAC (viz. Sekce 3.3.4.2.9).
•
Používání chlóru vyžaduje speciální zařízení, jakým jsou nádoby vyrobené z titanu. Další zařízení by
mělo zajišťovat odstranění přebytku chlóru nebo chlornanu např. siřičitanem.
Oxidační činidla vyžadují skladovací zařízení, které musí odpovídat jejich nebezpečnosti.
Použití
Chemická oxidace se obvykle využívá v případech, kdy odpadní vody obsahují znečišťující látky, které
nejsou dobře biologicky odbouratelné, nebo nejsou vůbec biologicky odbouratelné (např. anorganické
složky) a mohly by narušovat biologické nebo fyzikálně chemické procesy v následné ČOV nebo by jejich
vlastnosti mohly být natolik nebezpečné, že by nebylo možné je vypouštět do běžné kanalizace. Příklady
takových znečišťujících látek:
• oleje a mazací tuky
• fenoly
• polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH)
• organické halogenidy
• barviva (s Fentonovým činidlem)
• pesticidy
• kyanidy
• sirníky
• siřičitany
• komlexy těžkých kovů.
Některé z těchto znečišťujících látek jsou do jisté míry biologicky odbouratelné a mohou být případně
čištěny za pomoci speciálních mikroorganizmů. V případech, kdy je chemická oxidace upřednostňována
před oxidací biologickou, závisí na místní situaci. Pokud jsou čištěna jen malá množství odpadních vod nebo
v lokalitě není dostupné žádné biologické čištění, je možné doporučit chemickou oxidaci jako možnost
čištění namísto výstavby centrální biologické ČOV.
91
Kapitola 3
Oxidační reakce s aktivním kyslíkem (ozón, peroxid vodíku), často doplňované UV zářením, se využívají
například pro čištění výluhů ze skládek nebo odstraňování rezistentního CHSK, zapáchajících složek nebo
barviv.
Oxidace chlórem, nebo chloritanem sodným, může být požita ve speciálních případech pro odstraňování
organických znečišťujících látek, dokonce i organických halogenidů. Příkladem je proces SOLOX, který
z odpadních vod, které pocházejí z výroby epichlorhydrinu, odstraňuje (při zvýšeném tlaku a teplotě)
CHSK/TOC a AOX. Použití chlóru, chlornanu a chloritanu (nebo odpovídajících halogenových sloučenin) je
však pro každý jednotlivý případ nutné pečlivě zkoumat kvůli riziku vzniku organických halogenidů
z organického obsahu v tocích odpadních vod.
Limity a omezení použití:
limity / omezení
•
•
•
•
UV záření
vysoký zákal omezuje průchod UV záření
obsah amoniaku by měl být nízký, konkuruje radikálům, které vážou organické látky [cww/tm/27]
složky s tendencí k zanášení snižují účinnost
neúplná oxidace nebo vznik přechodných znečišťujících látek může snižovat účinnost procesu
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
Nevýhody
•
umožňuje čistit odpadní vody v rozsahu koncentrací
rezistentního CHSK víc jak několik g/l až po méně než 1
µg/l [cww/tm/77]
umožňuje čistit anorganické látky
vyrovná se s velkým kolísáním
krátká doba zdržení a proto vyžaduje malý objem nádrže
(H2O2 oxidace probíhá při atmosférickém tlaku a pokojové
teplotě asi 60-90 minut [cww/tm/132])
proces může být pro dosažení optimálních výsledků
kombinován se všemi ostatními (GAC adsorpce, stripování,
biologie s aktivovaným kalem)
•
•
vysoká spotřeba energie: výroba
ozónu, UV záření, tlaku a tepla pro
oxidaci chlórem
vysoké nároky na kvalitu nátoku
možný vznik organických halogenidů
při použití halogenových sloučenin
jako oxidačního činidla
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Pro peroxid vodíku jako oxidační činidlo uvádí Tabulka 3.4 snížení CHSK různých organických látek jako
funkci spotřeby peroxidu vodíku.
látka
Morfolin
2-aminoethanol
diethyleneglykol
polyethyleneglykol
hexamethylenetetramin
2,4-difluoro-5-chloro-6-methylpyrimidin
fenyltrifluorethylkarbamid
amonium trifluorothyldithiocarbamát
a
b
dávkování
a
H2O2 / CHSK [%]
100
100
100
100
100
100
80
80
snížení CHSK
b
[%]
20
37
45
35
32
30
75
79
procenta stechiometrického množství
procenta počáteční hodnoty
Tabulka 3.4: snížení CHSK různých látek jako funkce použití H2O2 [cww/tm/132]
Dále dosažitelné hodnoty výkonnosti jsou:
parametr
TOC
AOX
olej
92
třída výkonnosti
[%]
>90 1
80 1
oxidační činidlo
chlór / chlornan
chlór / chlornan
poznámky
nátok 1g/l TOC
nátok asi 40 mg/l AOX
využití H2O2
[%]
20
37
45
35
32
30
94
99
Kapitola 3
fenoly
PAH
kyanid
sirník
siřičitan
1
[cww/tm/82], proces SOLOX
Při čištění odpadních vod, které obsahují rezistentní organické látky, je hlavním úkolem rozložení těchto
látek na sloučeniny jednodušeji odbouratelné / méně škodlivé. Proto nemusí být nejlepším důkazem
výkonnosti pouze účinnost oxidačního procesu samého, ale spíše celkové snížení obsahu těchto
znečišťujících látek, dosažené v kombinaci s předchozími a následnými procesy čištění.
Vlivy do více prostředí
Zatímco oxidace ozónem a/nebo peroxidem vodíku obvykle nepřináší problém přenosu z odpadních vod do
ovzduší a/nebo likvidace odpadů, použití chlóru nebo chlornanu je třeba u každé aplikace zvážit velmi
kriticky. Jak již bylo uvedeno, chlór a chlornan mohou, na rozdíl od procesu SOLOX, vytvářet organické
sloučeniny chlóru, které jsou špatně odbouratelné a/nebo toxické. To se může stát i v případě, že jsou
odpadní vody, zatížené organickými sloučeninami, smíchány s jinými toky, které obsahují přebytek
chlornanu z předchozích stupňů oxidace. U odpadních vod, které se čistí oxidací pomocí chlóru, musí být
odstraněn přebytek chlóru nebo chlornanu před jejich vypuštěním do běžného systému kanalizace.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
oxidační činidlo
činidlo pro odstranění přebytečného oxidantu
energie [kWh/m3]
pro výrobu ozónu [kWh/kg O3]
množství
9-12 (1-3 hmotnostní % ozónu z kyslíku;
dvojnásobné množství při suchém vzduchu)
Monitorování
Během procesu oxidace je nutné důsledně monitorovat následující provozní parametry:
•
•
•
•
•
•
pH
oxidačně-redukční potenciál
koncentraci ozónu (koncentrace 15-20 % ozónu ve vzduchu je velmi nestabilní a má sklon se
rozkládat [cww/tm/27])
koncentraci kyslíku (z důvodů bezpečnosti)
obsah přebytečného oxidantu v kapalném odpadu
obsah AOX v kapalném odpadu při použití činidel na bázi chlóru
Ekonomika
Pokud jsou očekávány vysoké koncentrace znečišťujících látek, neprobíhá chemická oxidace úsporně
s ohledem na náklady, protože vyžaduje velké množství činidel. Moderní oxidační procesy:
•
•
UV / peroxid vodíku
UV / ozón
93
Kapitola 3
•
UV / peroxid vodíku / ozón
jsou investičně a provozně nákladné a vyžadují větší předčištění odpadních vod, než procesy bez UV záření.
druh nákladů
investiční náklady
provozní náklady
3.3.4.2.4
náklady
poznámky
Oxidace vzduchem za mokra
Popis
Oxidace vzduchem za mokra je reakce s kyslíkem ve vodní fázi, probíhající při vysokém tlaku a teplotě.
Reakce často probíhá za přítomnosti katalyzátorů. Reakční produkty bývají v závislosti na složení odpadních
vod následující:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
oxid uhelnatý z obsažených organických látek
oxid uhličitý z obsažených organických látek
voda z obsažených organických látek
dusík z hydrazinu nebo z amoniaku / amonia a dusíkatých organických sloučenin, pokud je přítomen
katalyzátor
dusičnany z dusitanů a dusíkatých organických sloučenin
amonium, bez použití katalyzátoru
chloro (vodík) z organických chloridů
sírany ze sirníků, siřičitanů a thiokyanátů
fosfáty ze sloučenin, obsahujících fosfor.
Pro lepší zhodnocení možného rozsahu použití oxidace za mokra se ukázalo být výhodné vyvinout dvě
procesní varianty s různými reakčními podmínkami:
•
•
nízkotlakou oxidaci za mora
vysokotlakou oxidaci za mokra.
Odpovídající rozdíly v teplotách a tlaku jsou spojené také s důležitými rozdíly faktorů technického řešení
procesu, materiálových rozvah a požadavků na bezpečnost provozu [cww/tm/132].
Obvyklé vlastnosti těchto dvou variant jsou:
rozsah teplot [°C]
rozsah tlaku [MPa]
doba zdržení [h]
Nízký tlak
30-200
0,5-2
0,5-3
Vysoký tlak
150-340
>2
0,5-3
Zařízení a disposice procesu nízkotlaké oxidace vlhkým vzduchem jsou [cww/tm/51]:
•
•
94
nádoba rektoru podle tlaku a teploty, např.
- dobře promíchaná vertikální probublávaná kolona bez mechanického míchání
- horizontální reaktor s míchacími oddíly v řadách
- reaktor s hlubokou šachtou (viz Obrázek 3.44)
- reaktor s fixním ložem s katalyzátorem
vysokotlaké čerpadlo pro dopravu odpadních vod nebo kalů
Kapitola 3
•
•
•
•
kompresor dodávající vzduch/kyslík
separátor plynů a kapalin
redukční ventily tlaku
systém tepelného výměníku s předehříváním přívodu odpadní vody.
Materiálové nároky horké části zařízení jsou velmi vysoké. Vhodné zařízení pro teploty <160 °C je třeba
smaltovat nebo vyvložkovat PTFE, kovové části vystavené pracovním teplotám do 200 °C musí být
vyrobeny z titanu nebo jeho slitin s paladiem. Vysokotlaká varianta vyžaduje speciální titanové slitiny pro
ohřívané oblasti a nerezovou chlóru odolnou ocel pro oblasti chladné [cww/tm/132].
Příklad procesu nízkotlaké oxidace horkým vzduchem je na Obrázku 3.22.
Obrázek 3.22: Diagram toků zařízení Loprox
provozní teplota 120 – 200 °C a tlak 0,3 – 2,0 MPa s dobou zdržení < 3 h [cww/tm/132]
Použití
Technika oxidace vzduchem za mokra se používá pro čištění odpadních vod, obsahujících znečišťující látky,
které buď nejsou dobře biologicky odbouratelné nebo mohou narušovat biologický proces biologické ČOV
nebo mají tak nebezpečné vlastnosti, že není možné je vypustit do běžné kanalizace. Používá se také pro
čištění kalů (viz. Sekce 3.4). Látky, které se u této techniky vyskytují, jsou např.:
•
•
•
•
dusitany přeměněné jednostupňovým procesem při 30-50 °C na dusičnany
siřičitany z výroby barviv přeměněné ve dvoustupňovém stejnorodém procesu s katalyzátorem při
120-140 °C a 0,6 MPa na sírany [cww/tm/132]
deriváty fenolu a naftenu, které jsou přeměněny při 120-150 °C
chlórované aromatické sloučeniny, které jsou přeměněny v procesu s katalyzátorem při 120-190 °C,
při použití nízkotlaké varianty, a
•
•
•
•
•
organické nitro sloučeniny, přeměněné na dusík
organické amino sloučeniny nebo aromatické látky, s obsahem hetero atomů dusíku, které se
přeměňují na amoniak
organické sloučeniny síry, které se přeměňují na sírany
organické sloučeniny fosforu, přeměňované na fosfáty
organické sloučeniny chlóru, přeměňované na kyselinu chlorovodíkovou,
95
Kapitola 3
při používání varianty vysokotlaké.
Příklady výrobních procesů využívajících oxidaci vzduchem za mokra jsou např. [cww/tm/160]:
•
•
•
•
výroba barviv a polotovarů
oxidace aromatických sulfonanů
výroba derivátů fenolu a naftolu
výroba aromatických uhlovodíků.
Oxidace vzduchem za mokra může také nahradit centrální biologickou ČOV v případě, že objem odpadních
vod je velmi malý pro zřízení centrální biologické ČOV, nebo biologické čištění není možné.
Limity a omezení použití:
limity / omezení
koncentrace
znečišťujících
látek
kolísání
odpadních vod
•
nevýhodná při nízkých koncentracích CHSK; doporučitelná pro koncentrace CHSK mezi 5000 a
50000 mg/l [cww/tm/160], koncentrace mezi 6000 a 8000 mg/l jsou autotermální [cww/tm/132]
při koncentracích nad 100000 mg/l je nutné ředění [cww/tm/27]
•
vysokotlaká varianta vyžaduje koncentrace CHSK nad 50000 mg/l pro vyrovnání celkové
•
spotřeby energie v procesu [cww/tm/132]
koncentrace fluoridů <10 mg/l (nízkotlaká varianta) [cww/tm/160], vyšší koncentrace musí být
•
předčištěna, např. srážením vápenatými solemi a následnou filtrací; <5 (vysokotlaká varianta)
[cww/tm/160]
koncentrace fluoridů odpovídající rozpustnosti produktu fluoridu vápenatého jsou dostatečné aby
•
způsobily korozi při pH <5 (vysokotlaká varianta) [cww/tm/132]
zatížení solemi musí být co nejvíce minimalizováno, alespoň u vysokotlaké varianty, kvůli
•
korozi [cww/tm/82], např. [cww/tm/160]:
soli
<150 g/l
chloridy
< 50 g/l
fosfáty
<400 mg/l
NH4-N
< 2,5 mg/l
Ca, Fe, Al, Cu <100 mg/l
odpadní vody je nutné jímat a vyrovnávat nátok do oxidačních zařízení
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
umožňuje čistit odpadní vody s relativně
vysokými koncentracemi rezistentních
CHSK
anorganické znečišťující látky je možné
vyloučit nebo přeměnit na méně škodlivé
látky
umožňuje kombinaci s jinými technikami
Nevýhody
•
nebezpečí vniku dioxinů [cww/tm/82]
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Pokud je hlavním cílem odstranění rezistentních organických složek a/nebo inhibitorů, které by odcházely do
následného biologického čištění, provádí se to obvykle dvoustupňově:
•
•
rozklad rezistentních složek na krátké řetězce nebo snadno odbouratelné sloučeniny
následným odesláním odpadních vod do (centrální) biologické ČOV.
Výkonnost se nehodnotí pouhým pohledem na účinnost oxidace, ale také zvážením účinnosti následných
biologických procesů.
96
Kapitola 3
Pro nízkotlakou variantu jsme obdrželi následující údaje:
parametr
výkonnost
60-90 % 1
CHSK
50 % 2
60->90 1,3
nárůst z 0,1 na 0,5 3
<1 mg/l 4
AOX
BSK/CHSK
sirník sodný
poznámky
příklad: 85% snížení oxidací za mokra (190 °C, 2 MPa),
následované 90% snížením po biologickém čiření, celkové
snížení CHSK 98% 3
90% po biologickém čištění
reakční teplota 190 °C
reakční teplota 190 °C
na nátoku 30 g/l, 160 °C, 0,9 MPa
1
[cww/tm/82]
[cww/tm/160]
[cww/tm/132]
4
[cww/tm/149]
2
3
Pro vysokotlakou variantu byly získány následující údaje:
parametr
CHSK
TOC
AOX
aromatické aminy
heterocyklické sloučeniny dusíku
azosloučeniny
nitrosulfonové kyseliny
heterocyklické sloučeniny kyslíku
chlórové sulfonové kyseliny
aminosulfonové kyseliny
aminopolysulfonové kyseliny
sloučeniny dusíku
sloučeniny kyslíku
směs odpadních vod
výkonnost
[%]
99 1
95 2
80 2
76-83 3
77-92 3
97-99 3
76-84 3
80-87 3
90-93 3
80-88 3
64-65 3
93-94 3
75-81 3
77-81 3
poznámky
koncentrace na nátoku 30 g/l, 250 °C, 7 MPa
280 °C, 12 MPa
280 °C, 12 MPa
na nátoku TOC 14,6 g/l, pH 1,1-10, 280-300°C
na nátoku TOC 1,1-14,3 g/l, pH 1,1-10, 280-300°C
na nátoku TOC 13,1 g/l, pH 1,5-10, 280-300°C
na nátoku TOC 14,0 g/l, pH 1,5-10, 280-300°C
na nátoku TOC 52 g/l, pH 11,5, 280-300°C
na nátoku TOC 3,5 g/l, pH 1,6, 280-300°C
na nátoku TOC 20-24 g/l, pH 1,4-2,2, 280-300°C
na nátoku TOC 47,6 g/l, pH 0,5, 280-300°C
na nátoku TOC 6 g/l, pH 9,3, 280-300°C
na nátoku TOC 9,2 g/l, pH 2,2, 280-300°C
na nátoku TOC 11,4 g/l, pH 1,9, 280-300°C
1
[cww/tm/149]
[cww/tm/160]
3
[cww/tm/132]
2
Jako příklad použití vysokotlaké oxidace vlhkým vzduchem pro snížení koncentrací TOC je publikované
odstranění pesticidů [cww/tm/27]:
znečišťující látka
aldrin
DDT
endosulfan
endrin
2,4-dichlorofenol
vstupní koncentrace
[µg/l]
500
21000
18400
3600
180
výstupní koncentrace
[µg/l]
<50
<300
291
<100
<3,1
poznámky
Vlivy do více prostředí
97
Kapitola 3
Za nepříznivých podmínek může dojít ke vzniku nebo regeneraci dioxinů, takže zbytky by mohly vyžadovat
další čištění. Kapalný odpad z tohoto procesu – vodní a plynný (oxid uhelnatý, nižší uhlovodíky) – musí
podstoupit další čištění, např. biologické, adsorpci nebo stripování odpadních vod a praní plynů, biologickou
filtraci nebo termální/katalytickou oxidaci odpadních plynů.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
vzduch, kyslík
energie [kWh/m3]
množství
Spotřeba energie závisí na obsahu TOC. Pokud obsah TOC přesahuje autotermní rozsah, může být vytvořené
teplo využito v instalovaných tepelných výměnících.
Monitorování
Během celého procesu je nutné důsledně monitorovat provozní parametry, jako jsou např. tlak, teplota a
obsah kyslíku aby proces probíhal bez poruch,.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
1
2
náklady
poznámky
5 DEM/m3 1
20-40 DEM/m3 1
1,5 EUR/kg TOC 2
při 100 °C
při 200 °C
[cww/tm/132]
[cww/tm/160]
3.3.4.2.5
Nadkritická oxidace vody (SCWO)
Popis
SCWO představuje speciální použití vysokotlaké varianty oxidace vzduchem za mokra (viz. Sekce
3.3.4.2.4). Oxidační reakce probíhá v nadkritické oblasti vody, tj. při teplotách nad 374 °C a tlacích nad 22,1
MPa. Proces je znázorněn na Obrázku 3.23.
Odpadní voda je nadkriticky stlačena vysokotlakým čerpadlem předtím než vstoupí do ekonomizéru, kde je
předehřáta vypouštěnou vodou z reaktoru. Při spuštění, nebo je-li koncentrace organických látek v odpadních
vodách nižší než 4 %, musí být nátok ohříván až k dosažení nadkritického rozsahu teplot. Při přidání kyslíku
do přívodu vzroste teplota v reaktoru na zhruba 600 °C.
98
Kapitola 3
Obrázek 3.23: Zjednodušené schéma toků procesu SCWO
Odpadní voda z reaktoru odchází do ekonomizéru, poté prochází parním generátorem rekuperace tepla a
chladícím zařízením odpadní vody. Nakonec regulační ventil sníží tlak odpadní vody na úroveň tlaku
atmosférického a oddělí se kapalná a plynná fáze.
Organické znečištění odpadních vod je redukováno na oxid uhličitý, vodu a dusík.
Vlastnosti SCWO jsou:
•
•
•
•
•
•
•
•
úplná rozpustnost organických sloučenin v nadkritické vodě
úplné srážení anorganických pevných látek, např. solí
reakční čas úplného rozkladu mezi 30 a 60 sekundami, silně závisí na reakční teplotě
reakce při zhruba 25 MPa a 400-600 °C
úplná přeměna organického obsahu, tj.
- organický uhlík přeměněn na oxid uhličitý
- organický a anorganický dusík na plynný dusík
- organické a anorganické halogeny na příslušné kyseliny
- organická a anorganická síra na kyselinu sírovou.
rozklad těkavých pevných látek
oxidace těžkých kovů na nejvyšší oxidační stupeň
separace všech inertních látek jako jemný, nevyluhovatelný popel.
Použití
SCWO se používá pro znečišťující látky s nízkou bio odbouratelností a/nebo vysokou toxicitou
v chemickém, petrochemickém a farmaceutickém průmyslu. Také rozkládá dioxiny a PCB, přičemž relativně
nízký rozsah teplot 400-600 °C neumožňuje vznik NOx (tj. oxidů dusíku, s výjimkou N2O).
Jiné uplatnění SCWO nalézá při čištění průmyslových a komunálních kalů, kde má odstranit organické
sloučeniny, včetně dioxinů.
99
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
•
Nevýhody
•
je rozložen všechen organický obsah, bez
ohledu na jeho vlastnosti
velmi vysoká účinnost rozkladu při
relativně nízkých dosahovaných teplotách
s emisemi bez NOx
nevytváří se dioxiny
velmi krátký reakční čas znamenající
krátkou dobu zdržení a tím malý objem
reaktoru
může se kombinovat s jinými následnými
technikami čištění
•
•
•
•
•
lze nalézt stopová množství oxidu dusného
(N2O) a kyseliny octové
anorganické pevné látky se srážejí a mohou
způsobit korozi
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
organické sloučeniny
1,2,4-trichlorbenzen
4,4-dichlorbifenyl
DDT
PCB 1234
PCB 1254
Dioxiny
1
Výkonnost [%]
>99
99,99 1
>99,99 1
>99,99 1
99,99 1
99,99 1
>99,99 1
poznámky
495 °C, 3,6 min
500 °C, 4,4 min
505 °C, 3,7 min
510 °C, 3,7 min
510 °C, 3,7 min
574 °C, 3,7 min
[cww/tm/27]
Vlivy do více prostředí
V závislosti na přítoku odpadních vod obsahují plynné odpady stopy oxidu dusného (rajského plynu) a
kyseliny octové, které vznikají při procesu, ale také halogen vodíky jako produkty rozkladu organických
halogenidů, které je třeba čistit v následných zařízeních pro odpadní plyny. Anorganické pevné látky je nutné
vypustit v případě, že je nelze recyklovat nebo použít jinde.
Zařízení je zdrojem hluku, vznikajícím při výrobě tlaku. Pro odhlučnění je třeba zařízení zakrytovat.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
vzduch, kyslík
energie [kWh/m3]
množství
Monitorování
Je nutné, aby celý proces probíhal bez poruch a byly důsledně monitorovány provozní parametry, jako jsou
např. tlak, teplota a obsah kyslíku.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
100
náklady
poznámky
Kapitola 3
3.3.4.2.6
Chemická redukce
Popis
Chemická redukce je přeměna znečišťujících látek chemickými redukčními činidly na podobné, ale méně
škodlivé nebo méně nebezpečné sloučeniny. Běžná chemická redukční činidla jsou např.:
•
•
•
•
•
oxid siřičitý
hydrosiřičitan sodný / (metabisulfit)
síran železnatý
sirník sodný a kyselý sirník sodný
močovina nebo kyselina amidosulfonová (při nízkém pH).
Tato činidla se dostávají do kontaktu s různými druhy odpadu při vhodném pH a koncentraci. Při chemické
redukci obvykle vznikají produkty, které mohou být v následných zařízeních lépe čištěny, např. chemickým
srážením.
Konstrukce reaktoru závisí na jeho speciálním účelu. Hlavním zařízením je kontinuálně promíchávaná nádrž
reaktoru (CSTR), upravená podle požadavků procesu, např. antikorozní a tlaku-odolný materiál nebo kryt a
potrubí pro jímání vznikajících plynů. Pro odstraňování přebytečného redukčního činidla by měla být použita
další zařízení, např. odstraňování chlornanu nebo peroxidu vodíku pro oxidaci siřičitanu na sirník.
Přizpůsobení konstrukci a provozním parametrům, např. pH a regulaci oxidačně-redukčního (redox)
potenciálu (ORP), může tento problém zmírnit. Zařízení pro chemickou redukci nemusí být nijak zvlášť
náročná a složitá ani nákladná. Tam, kde se využívá kontinuálního / automatického provozu, mohou být
investiční náklady vyšší, jsou ale obvykle kompenzovány nižšími náklady provozními. Proces probíhá v plně
automatizovaných jednotkách, které jsou provozovány podle monitorovaného komplexního (náhradního)
indikačního parametru, obvykle ORP.
Redukční činidla vyžadují skladování v takových zařízeních, která musí odpovídat nebezpečnosti těchto
látek.
Použití
Chemická redukce se používá pro odpadní vody obsahující znečišťující látky, které nejsou snadno
odstranitelné nebo jsou tak škodlivé, že je není možné vypustit do běžné kanalizace. Cílové znečišťující látky
jsou anorganické sloučeniny: pro organické sloučeniny je tato technika méně účinná.
Příklady znečišťujících látek:
•
•
•
•
chrom(VI), redukovaný na chrom(III)
chlór nebo chlornan, redukované na chlorid
peroxid vodíku, redukovaný na vodu a kyslík
dusitan, využívající močovinu nebo amidosulfonovou kyselinu při nízkém pH.
Častou následnou operací, spojovanou s chemickou redukcí, je chemické srážení.
Limity a omezení použití:
látky
pH, ORP
reakční podmínky
limity / omezení
počet anorganických látek na které působí je omezen
výkonnost velmi závisí na pH a ORP, proto je nezbytné přísně
kontrolovat tyto parametry
vyžaduje dobré míchání
101
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
•
Nevýhody
umožňuje čištění odpadních vod s velkým
rozsahem koncentrací (od několika g/l po
méně než 1 mg/l)
•
běžně se tvoří plyny; v případě sirníků může
vznikat sirovodík
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Hlášené účinnosti odstranění jsou velmi vysoké.
parametr
třída výkonnosti
[%]
redukční činidlo
poznámky
chróm(VI)
chlór
chlornan
peroxid vodíku
Vlivy do více prostředí
Obvykle není spojována s žádnými zvláštními environmentálními problémy. Vznikající plyny jsou jímány a
odváděny do následných zařízení pro jejich likvidaci.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
redukční činidla
chemická činidla pro odstranění přebytečných reakčních činidel
energie [kWh/m3]
množství
Spotřeba redukčních činidel závisí na zatížení znečišťujícími látkami; spotřeba chemikálií odstraňujících
nadbytečná činidla závisí na kvalitě procesu.
Monitorování
Reakce jsou monitorovány a regulovány nezávislými regulačními obvody:
•
•
zvýšení žíravosti/kyselosti regulací pH
přidání redukčního činidla ORP regulací.
Vypouštěná odpadní voda musí být kontrolován z hlediska přebytku redukčních činidel.
Ekonomika
V případě kombinace s vysokými koncentracemi znečišťujících látek a velkým množstvím redukčních
činidel se mohou být jiné techniky čištění úspornější.
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
102
náklady
poznámky
Kapitola 3
3.3.4.2.7
Chemická hydrolýza
Popis
Hydrolýza je v podstatě destruktivní technologií. Je to chemická reakce, při níž s vodou reagují organické a
anorganické složky a rozkládají se na jednodušší sloučeniny. V některých případech reakce pokračuje a
vznikají další produkty, obvykle sloučeniny s krátkým řetězcem a snadno biologicky odbouratelné. Obecně
musí být chemicky hydrolyzovaný tok dále čištěn, např. centrální biologickou ČOV.
Konstrukce reaktoru pro hydrolýzu se řídí jeho účelem. Procesy hydrolýzy obvykle probíhají při běžném
tlaku a teplotě. Pokud vyžadují teplotu vysokou, musí být reaktor vybaven tepelným výměníkem
s předehřívacími zařízeními vstupní odpadní vody. Určité případy mohou vyžadovat autoklávy, které by
zajistily mnohem vyšší teploty než 100 °C a tlaky do 0,5-1 MPa. Procesy jsou šaržové a vyžadují personál,
který by plnil a vyprazdňoval nádobu. Pokud chemickým rozkladem znečišťujících látek získáme
nízkovroucí sloučeniny, měl by být podnik vybaven vývěvami pro odstraňování kontaminovaných kapalin a
par s možností použít více než jen jeden tepelný a tlakový cyklus bez nutnosti otevřít nádobu.
Je třeba zajistit i další zařízení pro neutralizaci přebytečné kyseliny nebo louhu po čištění. Požadavky na
bezpečnost práce se silnými kyselinami a louhy jsou přísné. Jejich dodržování vyžaduje používání
speciálního antikorozního zařízení.
Kyseliny a louhy je nutné skladovat v zařízeních, která odpovídají jejich nebezpečné povaze.
Použití
Chemická hydrolýza se používá v případě toků odpadních vod obsahujících znečišťující látky, které nejsou
snadno biologicky odbouratelné, mohly by narušovat biologický proces v následné biologické ČOV nebo
jejich jsou vlastnosti natolik nebezpečné, že je není možné vypustit do běžné kanalizace. Příklady takových
znečišťujících látek jsou:
•
•
•
•
•
•
•
•
organické halogenidy
pesticidy
organické kyanidy
organické sulfidy
organofosfáty
karbamáty
estery
amidy.
Časté operace, souvisejícími s chemickou hydrolýzou, jsou:
•
•
•
chemická neutralizace
chemická oxidace
srážení.
Reakce velmi závisí na chemické struktuře, pH a teplotě:
•
•
•
růst teploty zvyšuje rychlost hydrolýzy
nízké či vysoké pH může zvýšit rychlost reakce podle činidla, např. k hydrolýze esterů kyseliny
fosforečné a organických chloridů dochází především v alkalických podmínkách
katalyzátory zvyšují rychlost reakce.
Limity a omezení použití:
103
Kapitola 3
limity / omezení
buď kyselé nebo alkalické
15-80 °C, pod tlakem až 120 °C
1 mg/l – 100 g/l
není vhodná pro látky, které vyžadují příliš drastické provozní podmínky
malá rozpustnost ve vodním prostředí může použitelnost omezit
pH
teplota
rozsah koncentrací
vlastnosti látek
rozpustnost ve vodě
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
Nevýhody
umožňuje čištění odpadních vod s velkým
rozsahem obsahu rezistentního CHSK
proces může být kombinován s mnoha
následnými čistícími operacemi, jako např.
GAC adsorpcí, vzduchovým/parním
stripováním, biologií s aktivovaným kalem
•
•
•
obvykle vyžaduje chemickou neutralizaci,
zapříčiňující dodatečné zatížení recipientu
solemi a/nebo dodatečnou likvidaci kalů
mohou vznikat plyny a páry
často může vyžadovat vysoký tlak a/nebo
ohřev znamenající velkou spotřebu energie
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Účinnost odstraňování znečištění značně závisí na struktuře chemických sloučenin, pH a teplotě. Lze
dosáhnout kvantitativního rozkladu, pro zjištění podmínek čištění v individuálních případech jsou však nutné
pilotní studie.
parametr
výkonnost [%]
reakční podmínky
poznámky
CHSK
AOX
Výkonnost nelze hodnotit pouze na základě účinnosti procesu hydrolýzy, ale také s ohledem na účinnost
následného biologického čištění, protože hlavním cílem je odstranění obsažených rezistentních organických
látek a/nebo následné biologické čištění.
Vlivy do více prostředí
Chemická hydrolýza silnými zásadami – NaOH a Ca(OH)2 – nebo kyselinami – H2SO4 – obvykle nepřináší
riziko přenosu vlivů mezi prostředími, např. z vody do ovzduší a/nebo do odpadu, který by měl být
likvidován.
Vzniku zapáchajících a/nebo těkavých látek, pokud se očekává, se běžně zabraňuje zakrytím reakční nádoby
nebo provozem v uzavřené nádrži a odváděním znečištěného vzduchu do systému pro likvidaci plynů.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
chemikálie
pára / horká voda pro ohřev
energie [kWh/m3]
104
množství
Kapitola 3
Monitorování
V průběhu hydrolýzy je zásadně nutné pečlivě monitorovat provozní parametry, např.:
•
•
•
•
teplotu
pH
tlak
dobu zdržení.
Kapalný odpad musí být kontrolován z hlediska určitých rozkládaných sloučenin a přebytku kyselých /
zásaditých činidel.
Ekonomika
Náklady jsou:
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
3.3.4.2.8
náklady
poznámky
Nanofiltrace (NF) a reverzní osmóza (RO)
Popis
Při membránovém procesu protéká kapalina přes membránu, aby se rozdělila na permeát (část, která
prostoupí membránou) a koncentrát, který zůstane v nátokové části zařízení. Hnací silou tohoto procesu je
rozdíl tlaků na membráně.
NF a RO membrány mohou zadržovat částice až do velikosti organických molekul a dokonce i iontů. Pokud
nátok neobsahuje žádné částice, používají se tyto membrány převážně pro úplnou recyklaci permeátu a/nebo
koncentrátu tam, kde je to žádoucí.
Obvyklé charakteristiky NF a RO membrán uvádí Tabulka 3.5.
parametr
1
průměr pórů [µm]
provozní tlak [MPa]
2
Mezní velikost částic [nm]
-2
-1
průtok permeátu [l m h ]
2
příčná rychlost průtoku [m/s]
typ membrány
uspořádání membrán
1
2
3
nanofiltrace
reverzní osmóza
0,01-0,001
2
0,5-3
>1
200-1000 g/mol
<100
1-2
polymerová asymetrická nebo
kompozitní
spirálová
desková
<0,001
3
2-100
<1000 g/mol
10-35
<2
polymerová asymetrická nebo
kompozitní
spirálová
desková
[cww/tm/27]
[cww/tm/132]
[cww/tm/159]
Tabulka 3.5: Charakteristiky nanofiltrace (NF) a reverzní osmózy (RO)
105
Kapitola 3
Membrány se vyrábí z různých materiálů a mají různé uspořádání. Optimální přizpůsobení danému použití
bude záviset na vlastnostech odpadních vod, protože různé materiály se liší odolností proti rozpuštěným
látkám. Materiály membrán pro NF jsou např.:
•
•
acetylcelulóza
polyamid.
Materiály membrán pro RO jsou organické polymery, jako např.:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
acetát celulózy
polyamid
polyimid
polykarbonát
polyvinylchlorid
polysulfon
polyethersulfon
polyacetal
kopolymery akrylonitrilu a vinylchloridu
polyelektrolytové komplexy
zesíťovaný polyvinylalkohol
polyakryláty.
Polyamidové membrány jsou obvykle lepší v odstraňování stopových organických molekul než je tomu u
membrány acetát celulózové.
NF a RO obvykle probíhá příčně, tj. prostupující tok je směrován kolmo k nátoku. Nečistoty zůstávají na
straně nátoku, který po snížení objemu opouští systém membrán jako koncentrovaný odpadní tok.
I v případě těch nejlepších předčišťovacích opatření a programů se budou membrány ucpávat a bude se
snižovat jejich výkonnost, pokud není možné je čistit. Proto by systémy membrán měly být navrhovány tak,
aby bylo možno moduly vyjmout a mechanicky či chemicky čistit.
Průmyslové membránové zařízení se obvykle skládá ze tří oddělených sekcí:
•
•
•
sekce předčištění, kde je přítok čištěn chemickým čiřením (srážením, koagulací/flokulací nebo
flotací) a následnou filtrací nebo filtrací a následnou ultrafiltrací (UF)
sekce membrán, kde se používá vysoký tlak a odpadní vody protékají napříč membránou
sekce po čištění, kde je permeát připravován pro opětovné použití, nebo vypuštění, a koncentrovaný
roztok solí se shromažďuje pro další zpracování nebo likvidaci.
Příklad typického uspořádání RO ukazuje Obrázek 3.24 [cww/tm/4].
Membránové jednotky jsou modulově uspořádány buď paralelně, pro zajištění potřebné hydraulické
kapacity, nebo v řadě, pro zvýšení stupně účinnosti.
106
Kapitola 3
Obrázek 3.24: Uspořádání RO
Použití
NF a RO se používají odlišně, díky různým vlastnostem, které vykazují při přechodu molekulárních částic
přes jejich povrch.
NF se používá pro odstraňování větších organických molekul a multivalentních iontů aby odpadní vody bylo
možno recirkulovat nebo opět použít nebo snížit jejich objem a současně zvýšit koncentraci znečišťujících
látek do té míry, že umožní následné rozkladné (destrukční) procesy.
RO je proces separace vody a rozpuštěných složek na ionty (ionic species). Používá se při požadovaném
vysokém stupni čistoty. Oddělená vodní fáze se recykluje a opět používá. Příklady jsou:
•
•
•
odsolování
konečné odstranění např.:
- rozložitelných složek, není-li dostupné biologické čištění
- těžkých kovů
- toxických složek
odstraňování znečišťujících látek s cílem je koncentrovat nebo je využít v procesu.
NF a RO se často používají v kombinaci s dočišťujícími technikami permeátu, např. iontovou výměnou nebo
adsorpcí GAC.
107
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
NF
velikost částic
RO
koncentrace
rozpustnost solí
polymerizace
monomerů
obojí materiál membrány
limity / omezení
omezená kapacita zadržování nerozpuštěných částic s molekulovou hmotností
<200
koncentrované roztoky s osmotickým tlakem tak vysokým, že překračuje možný
provozní tlak, nebo není ekonomicky udržitelný
solné roztoky s nízkou rozpustností mají tendenci se srážet a způsobovat ucpávání
znečišťující látky mají sklon k polymerizaci způsobující ucpávání
malá tepelná a chemická odolnost omezuje jejich použití na určité pH a teplotní
rozmezí (18-30°C)
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
Nevýhody
•
•
•
vysoká separační účinnost
modulární systémy, tj. flexibilní použití
možná recyklace permeátu i koncentrátu
nízké provozní teploty
možnost plně automatického provozu
může docházet k ucpávání a zanášení
zhutňování v přítomnosti změkčovadel
vysoký provozní tlak, malý tok permeátu
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Parametr
anorganická rtuť
organická rtuť
sloučeniny kadmia
tetrachlormetan
1,2-dichloretan
trichlorbenzen
perchloreten
atrazin
y-hexachlorcyklohexan
DDT
aldrin
dieldrin
dichlorvos
simazin
trifluralin
fenitrothion
azinfos-methyl
malathion
TOC
1
2
třída výkonnosti [%]
NF
RO
<90 1
<90 1
<90 1
96 1
71 1
96 1
90-92 1
>70 1
poznámky
84-97 1
99 1
100 1
100 1
100 1
98 1
95 1
99 1
99 1
98 1
99 1
80-90 2
[cww/tm/27]
[cww/tm/160]
Vlivy do více prostředí
Membránové čištění vytváří odpadní tok (koncentrát), který představuje asi 10% původního přiváděného
objemu, v němž jsou cílové složky přítomny v úrovních přibližně 10krát vyšších, než byla jejich původní
koncentrace v odpadních vodách. Je třeba provést zhodnocení možností recyklace, likvidace nebo nutnosti
dalšího čištění reziduí, např. oxidací za mokra (koncentrátu z výroby barviv [cww/tm/132]).
U organických látek může zvýšení koncentrace zlepšit podmínky pro následné oxidační rozkladné procesy.
Koncentrační stupeň může být součástí rekuperace nerozpuštěných organických látek. V obou případech lze
vodu z membránového čištění znovu využít nebo recyklovat v průmyslových procesech a tak snížit spotřebu
vody i množství odpadních vod.
108
Kapitola 3
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
množství
materiál membrány
chemikálie pro čištění
energie [kWh/m3]
NF
RO
1-3 a 1
1-3 a 1
a
použití nízkého tlaku, <2,5 MPa
1
[cww/tm/161].
Spotřeba energie přímo závisí na rychlosti příčného průtoku a požadovaném tlaku. Obvykle je spojena se
zachováváním minimální rychlosti kolem 2 m/s přes povrch membrány.
Monitorování
Pro zajištění spolehlivého provozu je nutné průběžně monitorovat rozdíl tlaků a průtok přes membránu.
Ekonomika
průtok
3
[m /h]
NF
investiční náklady
350-1100 GBP 1
na m2 membrány a
1
RO
350-1100 GBP
na m2 membrány a
10-12 mil. EUR na 1000
3
m odpadních vod /h
provozní náklady
3,3 EUR / kg TOC 2
náklady na výměnu
60-140 GBP 1
na m2 membrány a
60-140 GBP 1
na m2 membrány a
a
pro spirálové a deskové membrány
[cww/tm/93]
2
[cww/tm/160]
1
Investiční náklady, včetně zařízení automatizovaného čištění, lze rozdělit přibližně takto [cww/tm/93]:
čerpadla
vyměnitelné součásti membrán
membránové moduly (uložení)
potrubí, ventily, konstrukce
ovládací systém
jiné
30 %
20 %
10 %
20 %
15 %
5%
Provozní náklady [cww/tm/93] ovlivňuje:
•
•
•
•
cena energie pro udržování hydrostatického tlaku a rychlosti průtoku systémy
životnost membrán
požadovaný režim čištění
lokálně specifické faktory, např. požadavek pracovních sil.
Tyto náklady lze rozdělit přibližně takto [cww/tm/93]:
vyměnitelné součásti membrán
čištění
35-50 %
12-35 %
109
Kapitola 3
energie
práce
3.3.4.2.9
15-20 %
15-18 %
Adsorpce
Popis
Při adsorpci dochází k přenosu rozpustných látek (solutů) z fáze odpadních vod do povrchu částic pevných,
vysoce porézních, látek (adsorbentu). Kapacita adsorbentu je pro různé sloučeniny, které mají být
odstraněny, různá. Pokud je tato kapacita vyčerpána, adsorbent je opotřebovaný a musí být nahrazen
čerstvým. Opotřebovaný adsorbent se musí buď rekuperovat, nebo spalovat.
Tabulce 3.6 uvádí adsorbenty používané pro čištění odpadních vod pomocí adsorpce [cww/tm/132].
adsorbent
aktivní uhlí
hnědouhelný koks
y-oxid hlinitý
adsorpční pryskyřice
forma
zrněné
práškové
zrněný, práškový
zrněný, práškový
zrněné
specifický povrch
2
[m /g]
500-1000
600-1500
200-250
300-350
400-1500
3
objem pórů [cm /g]
0,3-0,8
0,3-1,0
<0,1
0,4-0,5
poréznost
35-65 obj.%
sypná hmotnost
[g/l]
300-550
kolem 500
700-800
650-700
Tabulka 3.6: Běžně používané adsorbenty a jejich vlastnosti
Procesy adsorpce se dělí na [cw/tm/132]:
•
•
•
míchání, obvykle pro šaržové čištění
perkolace (prokapávání), použitelná při kontinuálním čištění, obvykle s fixním ložem adsorbentu ve
dvou kolonách, které jsou používány střídavě pro adsorpci a propírání
proces s pulsujícím ložem nebo pohyblivým ložem jako kontinuální perkolace, odpadní voda a
adsorbent prochází kolonou vzájemně v protisměru.
Z odpadních vod se musí maximálně odstranit nerozpuštěné pevné látky často předřazením filtračního
stupně, protože by ucpávaly a blokovaly aktivní povrch adsorbentu.
Příklad provozních stupňů adsorbéru s fixním ložem ve dvou kolonách spojených do řady je uveden na
Obrázku 3.25 [cww/tm/132].
Nádoby adsorbérů se obvykle vyrábějí z antikorozního materiálu, jsou např. potažené uhlíkovou ocelí,
nerezovou ocelí nebo skelným laminátem (FRP).
Technika vyžaduje skladovací zařízení pro adsorbent.
110
Kapitola 3
Obrázek 3.25: Provoz 2 adsorpčních kolon spojených v sérii
sekvence I→II, na počátku procesu
sekvence I→II, má-li být filtr I vyměněn
sekvence II→I’, krátce po výměně I
sekvence II→I’, má.li být vyměněn filtr II
Použití
Nejčastěji používaným adsorbentem v chemickém odvětví je aktivní uhlí. Používá se v zrnité formě (GAC)
v kolonách nebo jako prášek (PAC), dávkovaný do čistící nádrže nebo bazénu. Jiné běžně používané
adsorbenty jsou hnědouhelný koks, aktivní oxid hlinitý, adsorpční pryskyřice a zeolity.
•
Adsorpce GAC se používá pro odstraňování organických znečišťujících látek, především těch, které
jsou rezistentní, mají toxické vlastnosti, jsou barevné a/nebo zapáchají, a zbytkových množství
anorganických znečišťujících látek, jako jsou sloučeniny dusíku, sulfidy a těžké kovy. Filtry se
zrněným médiem, např. pískové filtry, se obvykle používají před GAC adsorbérem pro odstranění
přítomných nerozpuštěných látek.
Typické příklady použití [cee/tm/92]:
- textilie a barviva:
- ropné rafinérie a petrochemie:
- detergenty, pryskyřice, chemikálie:
- herbicidy, insekticidy:
- léčivé přípravky:
- výbušniny:
odstraňování TOC, barev, barviv
odstraňování CHSK, BSK
odstraňování TOC, CHSK, xylenu, alkoholů, fenolů, pryskyřičných
polotovarů, resorcinolu, nitrovaných aromatických látek, polyolů
odstraňování chlorofenolů, kresolu
odstraňování fenolu
odstraňování nitrovaných fenolů
GAC je běžně rekuperováno termální reaktivací při teplotách kolem 900-1000 °C.
111
Kapitola 3
•
Adsorpce PAC se používá pro stejné znečišťující látky jako GAC. PAC se dávkuje do čištěných
odpadních vod ve formě uhelného kalu a následně se odstraňuje pomocí separačních procesů, např.
sedimentace nebo filtrace. PAC se také může přidávat do toků odpadních vod společně
s anorganickými koagulanty a odstraňovat stávajícími sedimentačními nebo filtračními zařízeními.
Obvykle se mu dává přednost tam, kde je požadavek odstraňování organických látek adsorpcí je
občasný nebo proměnlivý. Může se dávkovat individuálně a je-li potřeba. Také se používá
v případech havárií, kdy se používá pro odstranění rezistentních, nebezpečných nebo toxických
látek, které unikly do sedimentační nádrže, nádrže s aktivovaným kalem nebo jiné nádrže. PAC se
také může přidávat do aeračního bazénu systému s aktivovaným kalem, kde adsorpční proces
zlepšuje průběh mikrobiologických procesů. Adsorbenty PAC se běžně používají s
míchačem/usazovákem nebo v kalovém adsorbéru v kombinaci s koagulačními/flokulačními činidly
a PAC se přidává do flokulačního, sedimentačního nebo filtračního stupně.
PAC se obvykle nerekuperuje, ale stává se součástí kalu, určeného pro likvidaci.
•
Hnědouhelný koks se upravuje a používá jako GAC a může jej při nízkých nárocích na účinnost
čištění nahradit. Je levnější a pro svou nízkou účinnost se musí používat ve větších množstvích nebo
v častějších rekuperačních cyklech.
•
Aktivovaný oxid hlinitý se používá k adsorpci hydrofilních látek, např. fluoridů a fosfátů. Při
znečištění organickými látkami se tepelně rekuperuje při teplotě kolem 750 °C. Pokud je
kontaminován anorganickými látkami, je rekuperován chemicky.
•
Adsorpční pryskyřice se používají pokud je záměrem odstranění jak hydrofobních, tak
hydrofilních, organických znečišťujících látek, např. pro usnadnění rekuperace organických
sloučenin. Pryskyřice mají tendenci s časem bobtnat proto, že přijímají organické sloučeniny.
Adsorpční pryskyřice se rekuperují chemickými rozpouštědly, např. metanolem nebo acetonem.
•
Zeolity se používají pro odstranění amoniaku nebo těžkých kovů, např. kadmia. Používají-li se
pro odstranění amoniaku, jsou účinné pouze v případě velmi slabých toků (do 40 mg/l). Rekuperují
se vymýváním roztokem chloridu sodného s hydroxidem sodným nebo vápnem.
Limity a omezení použití:
TNL
koncentrace znečišťujících látek
molekulová hmotnost
délka uhlíkového řetězu
větvení uhlíkového řetězce
polarita
rozpustnost ve vodě
stupeň disociace
makromolekuly
1
[cww/tm/4]
2
[cww/tm/51]
limity / omezení
<20 mg/l pro adsorbéry s fixním ložem 1
<10 mg/l pro adsorbéry s pohyblivým ložem 2
<100 g/l (bez rekuperace adsorbentu) 2
<500 g/l (s rekuperací adsorbentu) 2
při klesající molekulové hmotnosti se snižuje účinnost
s delším řetězcem se snižuje účinnost
s větším větvením se snižuje účinnost
s růstem polarity se snižuje účinnost
s růstem rozpustnosti se snižuje účinnost
s růstem rozpadu se snižuje účinnost
s makromolekulární strukturou se snižuje účinnost
Vliv polarity uvádí Tabulka 3.7 [cww/tm/91].
112
Kapitola 3
látka
benzen
etylbenzen
octan butylnatý
octan etylnatý
fenol
metyl ethyl keton (MEK)
aceton
pyridin
dietanolamin
monoetanolamin
acetaldehyd
formaldehyd
isopropylalkohol
metylalkohol
odstranění [%]
95
84
84
51
81
47
22
47
28
7
12
9
22
4
kapacita [mg/g]
80
19
169
100
161
94
43
95
57
15
22
18
24
7
Tabulka 3.7: Typická výkonnost adsorpce GAC s koncentrací nátoku kolem 1000 mg/l
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
Nevýhody
vysoká účinnost odstranění (ne s
hnědouhelným koksem)
umožňuje odstranění rezistentních a/nebo
toxických organických sloučenin (GAC,
PAC, hnědouhelný koks, pryskyřice)
obvykle bez výrazných nároků na zvláštní
prostor
automatizovaný systém
umožňuje rekuperaci sloučenin (především
v případě zeolitů)
•
•
•
•
směsi organických sloučenin mohou
způsobovat značné snížení adsorpční
kapacity
vysoký obsah makromolekulárních
sloučenin snižuje účinnost a může
způsobovat nevratné blokování aktivních
míst
abrazivní účinek v jednotce aktivovaného
kalu způsobuje velký problém s erozí (PAC)
použitý adsorbent musí být rekuperován
(vysoká energetická náročnost) nebo
likvidován (spalování odpadů)
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Účinnost adsorpce se velmi liší podle složení odpadních vod a koncentrace nátoku. To je třeba mít na paměti
při uvádění dosažitelných emisí nebo účinností odstranění.
Dosažitelné hodnoty výkonnosti jsou:
parametr
Anorganická Hg
Organická Hg
y-hexa-chlorocyclo-hexan
DDT
Aldrin
Dieldrin
Atrazin
parametr
GAC
80 1
80 1
93 1
97 1-99,9
88-93 1
86-98 1
84 1
GAC
PAC
třída výkonnosti [%]
koks
Al2O3
pryskyřice
poznámky
zeolit
nátok 29 µg/l
nízký nátok
nátok 7,7 µg/l
nátok 10 µg/l
PAC 85 mg/l
99 1
90-99 1
PAC 5-20 mg/l
99 1
[0,1 µg/l]
nátok 10 µg/l,
PAC 126 mg/l
nátok 0,61 µg/l
poznámky
PAC
výkonnost [%]
koks
Al2O3
pryskyřice
zeolit
113
Kapitola 3
<0,1 µg/l 1
Endrin
99 1
70-93 1
Dichlorvos
TCB
nátok 200 µg/l
PAC 20 mg/l
99 1
99 1
Fenitrothion
Azinfosmetyl
Amoniak
CHSK
50 2
Fenoly
67-75 3
[<100 mg/l]
75 2
AOX
nátok 10 µg/l
PAC 70 mg/l
60-80 3
[1-2 mg/l]
> 90 2
98 1
[0,5 mg/l]
nátok 25 mg/l
Pohyblivé lože,
nátok 5 g/l
Vstup. koncentrace
300-400 mg/l
Pohyblivé lože,
nátok 70 mg/l
Vstup. koncentrace
5 mg/l
Pohyblivé lože,
nátok 60 mg/l
1
[cww/tm/27]
[cww/tm/82]
3
[cww/tm/96]
2
Uvádí se [cww/tm/77], že systémy s PAC čistí odpadní vody s obsahem CHSK vyšším, než 60 000 mg/l,
včetně toxických těkavých organických sloučenin nad 1000 mg/l a snižují obsah určitých toxických
organických chemikálií pod mez detekce, tj. asi 100 % snížení obsahu těchto nečistot.
Vlivy do více prostředí
Pokud se adsorpční kapacita adsorbentu vyčerpá, je třeba jej vyměnit a následně rekuperovat (s výjimkou
PAC, který se likviduje společně s ostatními kaly z odpadních vod). Jak již bylo řečeno, jednotlivé
adsorbenty se rekuperují různými metodami. Jedno mají tyto metody společné, a sice to, že spotřebovávají
energii a/nebo chemikálie.
GAC, koks a aktivní oxid hlinitý (při organickém zatížení) se tepelně rekuperují při teplotách do 750-1000
°C. Pryskyřice, zeolity a aktivní oxid hlinitý s organickým zatížením se vymývají chemikáliemi, buď
organickými rozpouštědly, nebo anorganickými roztoky.
Například rekuperační proces GAC je zdrojem odpadních plynů, které obsahují produkty termálního a
chemického rozkladu adsorbovaných sloučenin. Při každé rekuperaci se ztrácí podíl asi 10 % adsorbentu
[cww/tm/27] a musí se nahradit čerstvým GAC. Tato neustálá obnova by měla odpovídat udržení celkové
kvality GAC v loži. Rekuperaci GAC běžně provádí specializované podniky, které mají rekuperační pece.
Tyto podniky přepravují GAC z čistíren do rekuperačních pecí a naopak. Protože je rekuperace poměrně
drahá, podniky jsou obvykle navržené tak, aby doba mezi rekuperačními cykly dosahovala alespoň šesti
měsíců.
Vznik odpadních plynů při rekuperaci znamená potřebu následného čištění odpadních plynů, pokud ne přímo
v chemické lokalitě, pak v lokalitě rekuperačního podniku.
Pokud není možné GAC rekuperovat, musí se likvidovat jako chemický odpad a spalovat. Tak tomu je
v případě, že je GAC kontaminováno PCB, dioxiny, těžkými kovy nebo dichlorbrompropanem (DCBP)
[cww/tm/77].
Při rekuperaci zeolitu vzniká koncentrovaný tok amoniaku, který je odváděn do konvenční čistírny
odpadních vod k biologickému čištění nebo čištění zahrnujícímu stripování vzduchem k rekuperaci
amoniaku, s následnou adsorpcí v ředěné kyselině, při které vzniká hnojivo, které se může prodávat.
Spotřebovávají se:
114
Kapitola 3
spotřebovávaný
GAC
PAC
materiál/energie
adsorbent
10 % ztráta při jednom 0,5-1,0 kg/m3
odpadních vod
rekuperačním cyklu
koks
Al2O3
pryskyřice
zeolit
1
chemikálie pro
rekuperaci
NaCl/NaOH
nebo vápno
10-30 objemy lože 2
energie [kWh/m3]
1
2
[cww/tm/128]
[cww/tm/27]
Další dopady na životní prostředí jsou:
•
•
•
•
•
přeprava spotřebovaného GAC k a z rekuperace
rekuperace v lokalitě specializovaného podniku
spotřeba energie pro rekuperaci
uvolňování znečišťujících látek do vod a/nebo ovzduší v průběhu rekuperace
zdroje hluku, např. čerpadla, které mohou být odhlučněny.
Monitorování
Vstupy a výstupy zařízení adsorbéru musí být monitorovány s ohledem na příslušné sloučeniny. Měření TOC
(pro organické znečišťující látky) nebo měření vodivosti pro anorganické znečišťující látky je obvykle
metodou, užívanou pro poplachová hlášení mimořádných stavů.
Ekonomika
náklady
investice
provoz
GAC
30000 GBP 1
[14 m3/h]
75000 GBP 1
[60 m3/h]
110000 GBP 1
[120 m3/h]
20-30 mil. FIM 1
[350 m3/h]
1000-2000 GBP 1
na tunu GAC a
200000 BEF 2
na tunu GAC b
0,7/m3 odpadních
3
vod
PAC
koks
Al2O3
pryskyřice
zeolit
a
náklady na rekuperaci GAC
náklady včetně rekuperace GAC
1
[cww/tm/92]
2
[cww/tm/128]
3
[cww/tm/96]
b
3.3.4.2.10 Iontová výměna
115
Kapitola 3
Popis
Při iontové výměně dochází k odstranění nežádoucích nebo nebezpečných iontových složek odpadních vod a
k jejich náhradě ionty přijatelnějšími z pryskyřice, která je jejich zdrojem a v níž jsou dočasně zadržovány a
poté uvolňovány do regenerace nebo prací kapaliny.
Iontový měnič se obvykle skládá z:
• vertikální válcové tlakové nádoby v korozi vzdorném provedení povrchů, která obsahuje pryskyřici,
obvykle jde o plněnou kolonu s několika možnými provedeními
• regulačních ventilů a systému potrubí, které dopravuje odpadní vody a regenerační roztok na správné
místo
• systému regenerace pryskyřice, který se skládá z regulačního zařízení pro rozpouštění a ředění solí.
Systém distribuce nátoku je umístěn buď v horní nebo spodní části nádoby a zajišťuje rovnoměrné rozložení
přitékajících odpadních vod tak, aby se zabránilo vyhlubování průtokových kanálků v pryskyřičném loži.
Také jímá prací vodu.
Iontové měniče obvykle používané jsou makroporézní granulované pryskyřice s kationickými nebo
anionickými funkčními skupinami, jako např.:
• silně kyselé kationtové měniče (SAC), které neutralizující silné zásady a přeměňují neutrální soli na
příslušné kyseliny
• slabě kyselé kationtové měniče (WAC), schopné neutralizovat silné zásady a používané pro
dealkalizaci
• silně zásadité aniontové měniče (SBA), které neutralizují silné kyseliny a přeměňují neutrální soli na
příslušné zásady
• slabě zásadité aniontové měniče (WBA), které neutralizují silné kyseliny a používají se pro
částečnou demineralizaci.
Provozní cyklus iontové výměny sestává z:
• vlastní operace výměny iontů
• propíracího stupně, včetně odstranění akumulovaných částic a reklasifikace lože pryskyřičného
iontoměniče
• regeneračního stupně, s maloobjemovým a vysoce koncentrovaným roztokem, který z pryskyřice
uvolňuje nežádoucí druhy iontů do regeneračního roztoku a opět je nahrazuje vhodnými ionty
• vytěsňování nebo pomalého proplachování, kdy regenerační roztok je pomalu vytěsňován vodou,
která protéká ložem
• rychlého proplachování, kdy dochází k odstranění zbytků regeneračního roztoku, včetně zbytkové
tvrdosti z pryskyřičného lože.
Regenerační chemikálie vyžadují skladovací zařízení.
Použití
Iontová výměna se používá tam, kde je třeba z odpadních vod odstranit nežádoucí iontové a ionizovatelné
složky, např.:
• ionty těžkých kovů – kationty nebo anionty, např.,: Cr3+ nebo kadmium a jeho sloučeniny, s nízkými
koncentracemi v nátoku, CrO42- také s vysokými koncentracemi v nátoku
• ionizovatelné anorganické sloučeniny, např. H3BO3
• rozpustné iontové nebo ionizovatelné organické sloučeniny, např. karboxylové kyseliny, sulfonové
kyseliny, některé fenoly, aminy jako kyselá sůl, kvartérní aminy, alkylsulfáty a organická rtuť.
Iontová výměna je vhodná jako koncové čištění, ale její největší hodnota tkví v jejím rekuperačním
potenciálu. Obvykle je součástí čištění odpadních vod, např. pro rekuperaci prací vody a provozních
chemikálií. Koncentrace v nátoku jsou běžně mezi 10 a 1000 mg/l. Nerozpuštěných látek by v nátoku mělo
být méně než 50 mg/l, aby se zabránilo ucpávání. Proto je vhodné vody předčišťovat gravitační nebo
membránovou filtrací.
116
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
limity / omezení
velká iontová síla může způsobovat bobtnání částic pryskyřice
teplotní meze anionických pryskyřic obvykle blízko 60°C
pryskyřice mohou být poškozeny: kyselinou dusičnou, kyselinou
chromovou, peroxidem vodíku, železem, manganem, mědí
anorganické sloučeniny jako např. železitá srážedla, nebo organické
sloučeniny, např. aromatické sloučeniny, mohou způsobovat nevratnou
adsorpci do pryskyřice
koncentrace iontů
teplota
korozivní činidla
rušivé sloučeniny
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
•
principiálně umožňuje z vodních kapalin
odstranit všechny ionty a ionizovatelné
druhy sloučenin
pružný provoz, poměrně necitlivý
k výkyvům průtoku
vysoká účinnost je možná
možnost rekuperace cenných sloučenin
možnost rekuperace vody
možnost širokého výběru specifických
pryskyřic
Nevýhody
•
•
•
•
•
vyžaduje předfiltrování
růst bakterií na povrchu pryskyřice a
ucpávání způsobené srážením nebo adsorpcí
vzájemné působení konkurenčních iontů
v odpadních vodách
mechanické opotřebení částic pryskyřic
nebo opotřebení vlivem regenerace
slaná voda a kal vznikající při rekuperaci se
musí čistit nebo likvidovat
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Koncentrace iontů na odtoku se při nátokové koncentraci 10-1000 mg/l obvykle pohybují v rozmezí 0,1-10
mg/l.
parametr
odpadní ionty
koncentrace [mg/l]
0,1-10
třída výkonnosti [%]
80-99 1
poznámky
koncentrace v nátoku
10-1000 mg/l
měď
nikl
kobalt
zinek
chrom(III)
chrom(VI)
železo
síran
dusičnan
1
[cww/tm/128]
Vlivy do více prostředí
Rekuperace pryskyřic z výměny iontů přináší malé objemy koncentrovaných kyselin nebo roztoků solí, které
obsahují odstraněné ionty pocházející z pryskyřic. Tato obohacená kapalina musí být čištěna odděleně proto,
aby se odstranily ionty např. těžkých kovů srážením.
Proplachovací voda z regenerace obsahuje stejné ionty jako solný roztok, ale s poměrně nízkými
koncentracemi. Zda lze tuto část vypustit přímo, nebo zda musí projít dalším čištěním, závisí na aktuálních
koncentracích.
Spotřebovávají se:
117
Kapitola 3
spotřebovávaný materiál/energie
Iontoměničová pryskyřice
regenerační kapalina (kyselina chlorovodíková,
kyselina sírová, chlorid sodný, hydroxid sodný, atd.)
chemikálie, např. pro potlačení mikrobiologického
ucpávání
propírací a promývací voda
energie [kWh/m3]
množství
závisí na množství pryskyřice
Zdroji hluku jsou čerpadla, která mohou být zakrytována.
Monitorování
Nátok a odtok iontoměničové kolony musí být pečlivě monitorován kvůli možnosti vyčerpání kapacity a
průniku znečištěné kapaliny. Parametry, které je nutno kontrolovat jsou:
•
•
•
•
tlaková ztráta
elektrická vodivost
pH
koncentrace iontů v odpadní vodě.
Ekonomika
Investiční a provozní náklady závisí na složení nátoku.
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
1
2
náklady
60000 GBP 1
+ 20000 GBP 1
80000/m3 BEF 2
200000/m3 BEF 2
200/m3 BEF 2
poznámky
zahrnují výšku náplně 1m a průměr 1m,
kolonu, ventily a pryskyřici;
pro zvýšení průměru o 0,5m
kationický iontoměnič
anionický iontoměnič
[cww/tm/92]
[cww/tm/128]
3.3.4.2.11 Extrakce
Popis
Při extrakci dochází k přenosu rozpustných znečišťujících látek z fáze odpadních vod do rozpouštědla.
Požadované vlastnosti rozpouštědel jsou:
•
•
•
•
•
•
nízká rozpustnost a mísitelnost s vodou, např. lehká ropa, toluen, pentan a hexan
větší kapacita rozpuštění znečišťujících látek, než ve vodě
snadná separace rozpouštědla a odpadní vody, např. díky velkému rozdílu hustoty
snadná separace znečišťujících látek, např. díky nízkému výparnému teplu při použití destilace
nízká toxicita
tepelná stabilita.
Extrakce probíhá v kolonách, kde odpadní voda přichází do kontaktu s organickým rozpouštědlem a to
různými způsoby, např. na:
•
118
protiproudých kaskádách
Kapitola 3
•
•
•
•
•
•
směšovacích a sedimentačních kontaktorech
sítových kolonách
náplňových kolonách
sprchových věžích
rotačních diskových kontaktorech
odstředivých kontaktorech (v případě malých rozdílů měrných hmotností).
Separace kapalina/kapalina a destilace rozpouštědla probíhá v následných zařízeních. Vodní fáze odpadních
vod se obvykle musí zbavit zbytků rozpuštěného extrakčního rozpouštědla, např. stripováním, nebo adsorpcí
GAC.
Extrakční rozpouštědla a zbytky vyžadují skladovací zařízení, vybavená nezbytnými bezpečnostními prvky,
které zabrání emisím do ovzduší a do půdy.
Použití
Extrakce rozpouštědlem se používá tam, kde je přítomná široká paleta organických znečišťujících látek a
komplexů kovů, pokud je dostupné vhodné rozpouštědlo a je dostatečně vysoká koncentrace znečišťujících
látek. Často se používá pro předčištění před jednotkami adsorpce a biologického čištění. Při nízkých
koncentracích není extrakce s adsorpcí nebo biologickým čištěním kompatibilní.
Příklady použití jsou [cww/tm/82]:
•
•
•
•
•
•
odstranění fenolu (proces phenosolvan)
recyklace kovů, např. zinku
recyklace látek z matečného louhu
odstranění esterů kyseliny fosforečné
odstranění chlórovaných aromatických látek
předčištění koncentrovaných aromatických sulfonových kyselin.
Limity a omezení použití:
limity / omezení
odpadní vody by měly být téměř bez nerozpuštěných látek a/nebo emulzí
vhodnost rozpouštědla (viz. výše); ztráta rozpouštědla přináší náklady a
environmentální dopad; rekuperace rozpouštědla může být velmi složitá a
finančně náročná
nerozpuštěné látky
rozpouštědlo
Výhody a nevýhody
Výhody
•
Nevýhody
umožňuje odstranění a recyklaci
rezistentních a/nebo toxických organických
sloučenin a některých kovů
•
•
zbytky je třeba likvidovat, nebo spalovat
omezené použití kvůli vlastnostem
rozpouštědel
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
fenoly
výkonnost [%]
99
úroveň emisí
[mg/l]
<1
poznámky
nátok 10 g/l
119
Kapitola 3
CHSK
AOX
zinek
estery kyseliny fosforečné
Vlivy do více prostředí
Ztráta organického rozpouštědla v průběhu operace způsobuje emise odpadních plynů nebo zbytků
rozpouštědel do odpadních vod. Odpadní vody pak obvykle vyžadují dodatečné čištění, např. stripováním a
plyny se odstraňují odvedením do např. termální/katalytické oxidace nebo adsorpce.
Po rekuperaci rozpouštědla (destilaci nebo rektifikaci) je nutno zlikvidovat destilační zbytky u dna, které
obsahují extrahované znečišťující látky jako chemický odpad, obvykle spalováním.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
rozpouštědlo, náhrada ztrát
energie [kWh/m3]
energie při následném čištění [kWh/m3]
množství
Monitorování
Nátok do extrakční jednotky musí být kontrolován proto, aby se zabránilo vstupu nežádoucích
nerozpuštěných látek, které by mohly způsobovat poruchy procesu nebo poškodit zařízení. Je nutné provádět
pravidelnou údržbu, která zabrání ztrátám rozpouštědla do životního prostředí nebo je umožní včas zjistit.
Ekonomika
Náklady jsou:
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
náklady
poznámky
3.3.4.2.12 Destilace / rektifikace
Popis
Při destilaci a rektifikaci dochází k separaci odpadních vod a v nich obsažených znečišťujících látek,
přeměnou na parní fázi. Obohacená parní fáze se poté zkondenzuje.
Provoz při podtlaku probíhá za snížené teploty varu a umožňuje separaci citlivých látek.
Destilace i rektifikace probíhají v kolonách s patry nebo s náplní a za kolonou následuje kondenzační
zařízení. Ohřev se obvykle provádí přímým vstřikováním páry, aby se zabránilo lokálnímu přehřátí.
Je třeba zřídit skladovací zařízení pro destilát a zbytky, která budou vybavena nezbytnými bezpečnostními
prvky.
Použití
Použití destilace odpadních vod nebo rektifikace je omezené. Často jde o opatření integrovaná do procesu,
která mají z matečného louhu rekuperovat výchozí materiál a/nebo produkt. Jako technika čištění odpadních
vod se používá např. pro:
120
Kapitola 3
•
•
•
•
rekuperaci rozpouštědel po extrakci z odpadních vod
rekuperaci rozpouštědel z odpadních vod, např. oddělením alkoholů při výrobě metylcelulózy
čištění olejových emulzí
předčištění odstraňující hlavní obsah znečišťujících látek z toku odpadních vod, aby je bylo možno
rekuperovat a následně vypustit do odpadních vod k dalšímu čištění
rekuperaci organických látek z pracích louhů.
•
Limity a omezení použití:
limity / omezení
musí být dostatečně vysoká, aby byla destilace ekonomicky přijatelná
dostatečný rozdíl mezi teplotami varu odpadní vody a znečišťujících látek;
azeotropní směsi vyžadují pomocné látky, jinak k separaci destilací nedojde
Koncentrace v nátoku
teplota bodu varu
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
Nevýhody
umožňuje rekuperaci materiálu
umožňuje odstranění rezistentních a/nebo
toxických organických sloučenin
•
•
destilační zbytky je nutné likvidovat,
obvykle spalováním
vysoká spotřeba energie
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
fenoly
methanol
epichlorhydrin (ECH)
anilin
chlorbenzen
1
účinnost [%]
96 1
97,5 1
90 1
97,5 1
90 1
úroveň emisí [mg/l]
2000
2000
700
100
10
poznámky
nátok 50 g/l
nátok 80 g/l
nátok 7 g/l
nátok 4 g/l
nátok 100 mg/l
[cww/tm/82]
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
pára (pro ohřev)
energie [kWh/m3]
energie pro následné čištění [kWh/m3]
množství
Monitorování
Nátok do destilační/rektifikační jednotky musí být kontrolován proto, aby se zabránilo vstupu nežádoucích
nerozpuštěných látek, které by mohly způsobit poruchy procesu nebo poškodit zařízení. Je nutné provádět
pravidelnou údržbu, která umožní zabránění ztrátám rozpouštědla únikem do životního prostředí nebo tyto
ztráty zjistit.
Ekonomika
Náklady jsou:
typ nákladů
náklady
poznámky
121
Kapitola 3
investiční náklady
provozní náklady
3.3.4.2.13 Odpařování
Popis
Odpařování odpadních vod je destilace, kde těkavou látkou je voda, která u dna zanechává koncentrát jako
reziduum, a toto reziduum se musí likvidovat. Cílem odpařování je snížení objemu odpadních vod nebo
zvýšení koncentrace matečných výluhů. Unikající pára se jímá v kondendenzátoru, kde kondenzuje a takto
kondenzovaná voda, pokud je třeba, po následném čištění recirkuluje.
Proces, který probíhá při podtlaku, umožňuje snížení teploty varu a tak recyklovat i látky, které by se jinak
(při vyšších teplotách) rozložily.
Existuje mnoho různých typů odpařovacích zařízení. Vhodnost zařízení závisí na individuálních
požadavcích. Příklady odparek jsou:
•
•
odparky s přirozenou cirkulací, vhodné pro materiály tepelně necitlivé
vertikální odparky s krátkým potrubím (short-tube), vhodné pro nekorozivní nebo nekrystalizující
výluhy
• odparky se zavěšeným topením, stejné použití jako short tube odparky
• odparky s padajícím filmem, používané při výrobě průmyslových hnojiv pro koncentrování
močoviny, kyseliny fosforečné, dusičnanu amonného, atd.
• odparky s promíchávaným tenkým filmem (agitated thin film), používané pro koncentraci,
frakcionaci, deodoraci a stripování při výrobě léčiv, polymerů, organických a anorganických
chemikálií.
Odparky se obvykle řadí do série, kde kondenzační teplo z jednoho stupně ohřívá kondenzát (tj. odpadní
vodu) v předchozím stupni. Provoz s podtlakem minimalizuje spotřebu energie. Běžné provozní podmínky
jsou 12-20 kPa a 50-60 °C.
Technika vyžaduje zřízení skladovacích zařízení pro zbytky před jejich likvidací (nebo recyklací).
Použití
Odpařování se používá tehdy, když se po tocích odpadních vod požaduje nebo se doporučuje, např.:
•
•
•
koncentrace matečných výluhů a výluhů z praní plynů, aby bylo možno cenné látky recyklovat
odpařovat a krystalizovat pevné látky, buď aby bylo možné je rekuperovat nebo odstranit
z odpadních vod
předčištění, které umožní koncentrovat odpadní toky před využitím tepla, spalováním odpadních vod
nebo jejich likvidací jako nebezpečného odpadu.
Odparky by měly být provozovány tak, že se požadovaná tepelná energie dodává ze zužitkovaného
odpadního tepla z výrobních procesů ]cww/tm/82].
Pokud je hlavním cílem odpařování rekuperace materiálů, pak mu musí předcházet předčišťovací operace.
Příklady předčištění jsou:
•
•
•
122
přidání kyselin, zásad, atd., pro snížení těkavosti molekulárních sloučenin
separace nerozpustných volných kapalných fází, např. oleje
chemické/fyzikální operace, umožňující separaci těžkých kovů a/nebo jiných nerozpuštěných látek.
Kapitola 3
Pokud se koncentrát nerecykluje, musí se po odpařování dále upravovat, např. spalovat.
Limity a omezení použití:
limity / omezení
tepelné výměníky mají tendenci se ucpávat
těleso odparky a tepelný výměník jsou citlivé na látky způsobující korozi
proces odpařování narušují pěnivé látky a koloidní a nerozpuštěné částice;
také dochází k vypařování těkavých anorganických/organických látek
ucpávání
koroze
látky
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
Nevýhody
umožňuje rekuperaci materiálu
umožňuje odstranění rezistentních a/nebo
toxických organických sloučenin
snižuje objem odpadních vod
snižuje množství a objem nebezpečných
odpadů
•
•
•
•
zbytky, nevhodná pro recyklaci, je nutné
likvidovat, obvykle spalováním
těkavé znečišťující látky znečišťují
kondenzát (nutné následné čištění) nebo
odchází ve formě odpadních plynů
citlivé na ucpávání, korozi a pěnění
vysoká spotřeba energie
Dosažitelné úrovně emisí / třídy výkonnosti
parametr
znečišťující látky
1
třída účinnosti [%]
99 1
poznámky
kondenzát se nerecykluje
[cww/tm/128]
Vlivy do více prostředí
Odpařování je obvykle procesem, při kterém nevznikají odpadní vody, protože kondenzát projde recyklací
s nebo bez dalšího čištění a bude recyklován nebo likvidován jako odpad, např. spalováním.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
chemikálie pro předčištění
pára (pro ohřev)
energie [kWh/m3]
množství
5-16 kg vody/kg páry
Monitorování
Bezpodmínečná je správná údržba tepelných výměníků. Tvoření povlaků (inkrustace), zanášení a koroze
narušují přestup tepla do kapaliny a snižují energetickou účinnost. Koncentrace znečišťujících látek nebo
náhradní parametry (TOC, pH, vodivost atd.) v kondenzátu vyžadují průběžné monitorování, aby se
zabránilo přenosu znečišťujících látek.
Ekonomika
123
Kapitola 3
Náklady jsou:
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
1
náklady
poznámky
100-2000 BEF/m3
kondenzátu 1
[cww/tm/128]
3.3.4.2.14 Stripování
Popis
Stripování odpadních vod je operací, při které přichází odpadní voda do kontaktu se silným proudem plynu
tak, aby došlo k přenosu těkavých znečišťujících látek z vodní fáze do fáze plynné. Znečišťující látky se dále
ze stripovacího plynu odstraňují, takže může být recyklován zpět do procesu a opět použit. Těkavé organické
a anorganické látky přecházejí z odpadní vody do odpadního plynu, čímž velmi zvětšují exponovaný povrch
kontaminované vody. Odpařování vody však snižuje teplotu odpadní vody a tak snižuje i těkavost
znečišťujících látek.
Používanými plyny jsou vzduch a pára:
•
•
stripování vzduchem může probíhat s ohřevem nebo bez ohřevu stripovací kolony. V případě
přítomnosti vysoce těkavých nebo citlivých sloučenin se používá stripování bez ohřevu kolony.
Potřebná tepelná energie se obvykle získává využitím tepla z procesu.
stripování parou, jako alternativa k stripování vzduchem, se používá v případě sloučenin, které jsou
méně těkavé a/nebo méně citlivé. Páru obvykle dodává parogenerátor, který je již v lokalitě
instalován nebo se využívá odpadní teplo. Pokud není dostupné žádné stávající zařízení pro výrobu
páry, je stripování parou ekonomicky nevýhodné.
Nejběžnější vyvařovací zařízení jsou:
•
•
plněná věžová vyvařovací kolona, v jejíž v horní části jsou sprchy (spray nozzles), které rozstřikují
odpadní vodu na náplň, zatímco stripovací plyn prochází náplní opačným směrem, nádrž na dně jímá
dekontaminovanou vodu, dodatečný ohřívač vzduchu (při stripování vzduchem), automatický
regulační systém a systém regulace emisí do ovzduší (jednotka GAC, katalytický oxidátor nebo
spalovací pec)
stripovací nádrž, v které se stripují těkavé sloučeniny probublávaným plynem (vzduch, pára) do
nádrže na odpadní vodu.
Zařízení se skládá z:
•
•
•
•
•
•
záchytné nádrže odpadních vod
předčišťovací nádrže pro úpravu pH
stripovací(ch) kolon(y), provozované protiproudně
předehřívače nátoku, rekuperujícího teplo z následného kondenzátoru vyvařovací páry
kondenzátoru, chlazeného vzduchem nebo vodou
následných zařízení pro čištění plynů.
Stripování může probíhat v šaržích nebo kontinuálně. Stripování šaržové zajišťuje konzistentní výkonnost a
je energeticky úspornější, než je tomu v případě kontinuálně provozovaných jednotek.
Následné odstraňování těkavých znečišťujících látek ze vzduchové fáze se může provádět:
•
•
124
adsorpcí do GAC, zeolitu nebo syntetických pryskyřic
absorpcí nevodným rozpouštědlem a následnou desorpcí
Kapitola 3
•
•
•
absorpcí vodnými roztoky, např. silnými kyselinami (pro adsorpci amoniaku)
kondenzací nebo částečnou kondenzací a následným dalším čištěním
termální nebo katalytickou oxidací.
Příklad stripovacího procesu, vzduchové / parní stripování amoniaku, znázorňuje Obrázek 3.26 [cww/tm/78].
Obrázek 3.26: Stripování amoniaku, vzduchové a parní stripování
Použití
Stripování se používá pro separaci těkavých znečišťujících látek z vody, např.:
•
chlorovaných uhlovodíků, např. trichloretenu, perchloretenu, trichlormethanu, dichlorethanu,
trichlorethanu
amoniaku a sirovodíku, jejich těkavost velmi závisí na teplotě a pH, proto je velmi důležitá regulace
pH (pH >9,5 pro amoniak, pH 2-3 pro sirovodík)
amoniaku a sirovodíku společně ve dvoustupňové parní vyvařovací jednotce [cww/tm/149]
organických rozpouštědel, petroleje, motorové nafty, jednoduchých aromatických látek, fenolu,
merkaptanů.
•
•
•
Použití parního nebo vzduchového stripování závisí na:
•
•
•
•
citlivosti znečišťujících látek
případné rekuperaci znečišťujících látek
dostupnosti páry
bezpečnostních podmínkách (týká se pouze vysokého zatížení VOC), atd.
Limity a omezení použití:
limity / omezení
tepelné výměníky jsou náchylné k zanášení
<5 ppm
zanášení
nerozpuštěné látky
Výhody a nevýhody
Výhody
•
vysoká separační účinnost
Nevýhody
•
za určitých podmínek (Fe >5mg/l, tvrdost vody >800
125
Kapitola 3
•
•
•
umožňuje rekuperaci materiálu
nízká tlaková ztráta
nízká spotřeba energie
mg/l) se velmi zanáší (např. stripování kyselé vody
v rafinériích) a proto vyžaduje vstřikování činidel
proti zanášení
•
•
stripovací plyn musí být čištěn
vyžaduje časté čištění kolony
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
třída výkonnosti [%]
vzduch
pára
úroveň emisí [mg/l]
vzduch
pára
<5 1
poznámky
rafinérie: nízké koncentrace nátoku
a optimální podmínky (příklady:
stripování kyselé (sour) vody
2
2
nátok 10 g/l
99
<50
filtrát z čištění aktivovaného kalu,
>92 4
70 4
nátok 500-1200 mg/l, rychlost
3
nátoku 19-24 m /h
rafinérie: dvoustupňový proces,
NH4-N
53
a
nátok 1372 mg/l NH4-N
3
rafinérie: dvoustupňový proces,
celk.organický N
7
nátok 1373 mg/l celk. anorg. N
3
nátok 1 m /h, koncentrace 2 g/l
VOC
991
(dichlormethan, trichlormethan,
benzen, toluen, xylen, estery, étery
3
nátok 3,4 m /h, koncentrace 36 g/l
metanol
97
3
1
nátok
6
m
/h,
koncentrace >200
chlormethan
<1
mg/l
3
nátok 4 m /h, koncentrace 5 g/l
dichlormethan
99 1
2
plněná věž, vzduch/voda 5-35:1
tetrachlormethan
90-98
plněná věž, vzduch/voda 35:1
1,2-dichlorethan
65 2
plněná věž, vzduch/voda 4-30:1
trichloreten
69-92 2
aerace rozprašovačem
90 2
plněná věž, vzduch/voda 5:1
perchloreten
95 2
aerace rozprašovače,
90 2
3
nátok 4 m /h, koncentrace 30 g/l
Methylal
99 1
3
rafinérie: dvoustupňový proces,
uhlovodíky
1,1
nátok 98 mg/l uhlovodíků
3
nátok 400 m /h, koncentrace 500BTX
>99 1
1000 mg/l BTX
rafinérie:stripování kyselého
sirovodík
<20
vzduchu
rafinérie:stripování kyselého
merkaptany
<20
vzduchu
3
nátok 7-8 m /h, koncentrace 20-40
fenoly
99-99,6 5
50-200 5
g/l
rafinérie: dvoustupňový proces,
0,1 3
nátok 182 mg/l fenolů
rafinérie: dvoustupňový proces,
sirník
0,5 3
nátok 1323 mg/l sirníku
rafinérie: dvoustupňový proces,
CHSK
37 3
nátok 14400 mg/l CHSK
a
vyvařovaný amoniak koncentrovaný na 10% roztok a použit pro de-NOx proces v jiném podniku
1
[cww/tm/82]
2
[cww/tm/27]
3
[cww/tm/149]
4
[cww/tm/146]
5
[cww/tm/96]
amoniak
Vlivy do více prostředí
Stripování se jako samostatný proces nepoužívá. Potřebuje být doplněno alespoň následným čištěním plynů.
Odstraněné těkavé látky se buď recyklují, nebo čistí (praní, adsorpce, termální či katalytická oxidace).
126
Kapitola 3
Obecně řečeno, čištění stripovacího plynu je hlavním procesním stupněm a občas dokonce
komplikovanějším než stripování samotné. Abychom dosáhli celkově účinného čištění, musíme stripování
pečlivě navzájem přizpůsobit s čištěním stripovacího plynu.
Pokud nejsou hodnoty emisí do odpadních vod dostatečně nízké (viz. dosažitelné úrovně emisí), je třeba
použít další následné čištění.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
chemikálie
protizanášecí činidla
pára
energie [kWh/m3]
elektrická energie
plyn (ohřev)
[m3 plynu/m3 vody]
množství
stripování vzduchem
stechiometrické
stripování parou
stechiometrické
0,1-0,3 t/m3 1,2
680 3 b
1,8 4 a
0,5 4
a
motorem poháněné zařízení, např. čerpadla, ventily
včetně výroby páry
1
[cww/tm/27]
2
[cww/tm/82]
3
[cww/tm/96]
4
[cww/tm/146]
b
Monitorování
Vyžaduje se kontrola těchto parametrů:
•
•
•
•
•
•
pH, zvláště pro amoniak a sirovodík
nátok
tlak
teplota
hladina kapaliny
poměr zpětného toku kolonou (refuxní poměr).
Ekonomika
typ nákladů
náklady
vzduch
4 mil. BEF 1
investiční náklady
provozní náklady
4,0-5,3 mil. EUR 2
200/m
31
poznámky
pára
80 mil. BEF
1
200-300 tisíc GBP 3
200/ m3 1
100 m3/h
50 m3/h
stripování kyselé vody
rafinérie, 30-32 m3/h
50 m3/h
1
[cww/tm/128]
2
[cww/tm/48]
3
[cww/tm/92]
3.3.4.2.15 Spalování odpadních vod
Popis
127
Kapitola 3
Spalování odpadních vod je oxidace organických a anorganických znečišťujících látek v odpadních vodách
vzduchem za současného odpařování vodní části při atmosférickém tlaku a teplotách mezi 730 a 1200 °C, při
použití katalyzátoru i při nižších parametrech. V chemickém průmyslu se odpadní vody obvykle spalují
centrálně nebo, v případě společného spalování, ve spalovnách odpadů. Reakční produkty jsou oxid uhličitý,
voda a další anorganické sloučeniny (oxidy dusíku, oxidy síry, halogenidy vodíku, fosfáty, sloučeniny
těžkých kovů) podle toho, jaké znečišťující látky odpadní voda obsahuje.
Spalování odpadních vod je samo-udržitelné (nejsou nutné podpůrné prostředky) pouze v případě, že
organická zátěž zajišťuje dostatečnou energetickou podporu odpařování a ohřevu vody (CHSK >50 g/l). Ve
spalovně se, v případě, že organické zatížení je nižší, používá podpůrné palivo. Množství dodatečné energie
se snižuje omezením objemu vody, např. předchozím odpařováním (viz. Sekce 3.3.4.2.13) s využitím
odpadního tepla. Vhodný způsob výroby páry pomocí tepla ze spalování může být instalace kotle, který
může být použit jako tepelný zdroj pro odpařování [cww/tm/132].
Odpadní vody se mohou spalovat v obvyklých spalovacích komorách nebo fluidních spalovacích pecích. Na
materiál zařízení jsou kladeny vysoké požadavky s ohledem na stabilitu a odolnost vůči korozi. Spalovací
komory jsou obvykle keramické.
Spalování odpadních vod může také probíhat v běžné spalovně s dodatečným přívodem odpadních vod.
Odpadní vody by měly být předčišťovány proto, aby se zabránilo ucpávání trysek nadměrně velkými
částicemi.
Použití
Spalování odpadních vod se využívá v případech, kdy odpadní vody obsahují těžko odbouratelné znečišťující
látky nebo mohou-li tyto látky narušovat biologický proces v následné ČOV, nebo jsou natolik škodlivé, že
není možné je vypouštět do běžné kanalizace. Takovými látkami jsou např.:
•
•
•
•
vodní zbytky z výroby barviv
vodní zbytky z výroby pryže, s extrémně velkým obsahem síry
vodní extrakty z výroby pesticidů
vodní zbytky z výroby polyesterů.
Spalování odpadních vod se dává přednost před ostatními technikami, se stejným účelem, pokud tyto selžou,
nebo nejsou ekonomicky výhodné. Obzvláště je vhodné, pokud [cww/tm/132]:
•
•
•
•
•
•
není možné znovu použít organické složky nebo pokud je ekonomicky nevýhodná jejich recyklace
znečišťující látky tvoří mnohasložkovou směs, jejíž koncentrace i poměr složek se stále mění
kromě uvedeného organického obsahu obsahuje i velké množství anorganického materiálu
je odpadní voda těžko biologicky odbouratelná nebo je toxická
obsah soli je pro biologické čištění příliš vysoký, nebo umožňuje čištění až po značném zředění
spalování umožňuje recyklaci přiváděného nezničitelného materiálu, např. solí, nebo při něm
vznikají cenné produkty.
Toky odpadních vod, které lze spalovat, mají obvykle průtok 2 až 30 m3/h a obsah CHSK se pohybuje mezi
50000 a 100000 mg/l. Spalování odpadních vod s nižšími koncentracemi vyžaduje doplňkové palivo.
Odpadní vody s nízkou teplotou spalování se mohou vstřikovat do rotačních pecí pro společné spalování (cocombustion) s odpadem.
Limity a omezení použití:
halogeny, síra
teplota spalování
128
limity / omezení
obsah halogenů a síry vyžaduje speciální čištění kouřových plynů
nárůst oxidů dusíku s vyšší teplotou spalování
Kapitola 3
pevné látky, soli
mohou ucpávat vstřikování, proto je vyžadováno vhodné zařízení
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
Nevýhody
umožňuje téměř úplné odstranění vysokého
obsahu organických látek
umožňuje odstranění znečišťujících látek i
při vysoké koncentraci solí
umožňuje využití odpadního tepla
•
•
•
nízká koncentrace odpadních látek vyžaduje
doplňkové palivo
pevný odpad (na dně a úlet popílku) musí
být likvidován
spalování sloučenin síry a/nebo halogenidů
může být nutné doplnit čištěním odpadních
plynů, které s sebou nese vznik odpadních
vod a pevného odpadu
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
úroveň emisí
[mg/l]
TOC
výkonnost
[%]
>99 1
VOC
92 2
30 2
1
2
poznámky
přívod 375 mg/l,
katalytické spalování
[cww/tm/82]
[cww/tm/96]
Dosažitelné úrovně emisí i třídy výkonnosti, které uvádí tabulka, se vztahují k toku odpadních vod čištěnému
spalováním. Emise do ovzduší a odpadní vody vypouštěné z čištění odpadních plynů určuje (upravuje?)
Směrnice o spalování odpadů (Waste Incineration Directive) 2000/76/EC [cww/tm/155] v Příloze II, IV a V.
Další informace lze očekávat od BREF o spalování odpadů.
Vlivy do více prostředí
Při spalování odpadních vod se tvoří odpadní plyny (kouřový plyn ze spalování může obsahovat HCl, SOx,
NOx, atd.), které mohou, podle obsahu, vyžadovat další čištění, při kterém vznikají další odpadní vody a
pevný odpad. Pokud proces nemůže probíhat autotermálně, vyžaduje doplňkové palivo. Na druhou stranu,
pokud není možné odpadní teplo znovu využít nebo rekuperovat, je část tohoto tepla vypuštěna do životního
prostředí.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
doplňkové palivo (nízký obsah TOC) a
energie [kWh/m3] b
množství
4,5 kg/m3 odpadních vod
12,5 kg/kg VOC 1
0,09 1
a
lehký topný olej, obsah organických látek 375 mg/l, katalytické spalování
elektrická energie pro čerpadla, hořáky, atd.
1
[cww/tm/96]
b
Monitorování
Během procesu spalování musí být pro zajištění bezporuchovosti důsledně monitorovány provozní
parametry, např. obsah kyslíku, teplota, obsah oxidů síry, oxidů dusíku, halogenidů vodíku a prachu.
Ekonomika
129
Kapitola 3
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
1
náklady
poznámky
2,4 FIM /m3
6,6 FIM /kg VOC 1
8 m3 /h, koncentrace VOC – 375 mg/l, katalytické spalování
[cww/tm/96]
3.3.4.3 Rozpustné biologicky odbouratelné znečišťující látky / biologické čištění
Hlavní výrobní linkou v chemickém průmyslu je výroba a manipulace s organickými látkami. Převážná část
odpadních vod z chemického průmyslu je proto zatížena organickými znečišťujícími látkami, které jsou více
či méně biologicky odbouratelné a to umožňuje použít techniky biologického čištění. Látky, které mohou
narušovat biologické odbourávání musí být odstraněny dříve (viz. Sekce 3.3.4.2).
Při biologickém čištění dochází k rozkladu rozpuštěných organických látek pomocí mikroorganismů –
bakterií – které plní úlohu oxidačních činidel. Organický dusík a fosfor se přeměňují na amoniak resp. na
fosfáty. Biologická odbouratelnost toku odpadních vod může být zhruba odhadnuta podle poměru
BSK/CHSK (před čištěním):
•
•
•
BSK/CHSK <0,2
BSK/CHSK 0,2-0,4
BSK/CHSK >0,4
téměř neodbouratelná odpadní voda
dobře až středně odbouratelná
dobře odbouratelná
Existují tři typy metabolických procesů:
•
•
•
aerobní procesy, využívající rozpuštěného kyslíku
anoxické procesy, využívající biologické redukce donorů kyslíku
anaerobní procesy, bez přístupu kyslíku.
Základní vlastnosti těchto tří metabolických procesů ve vztahu k čištění odpadních vod uvádí Tabulka 3.8
[cww/tm/132].
parametr
Rozpuštěný kyslík (DO) [mg/l]
Spotřeba energie
Tvorba kalu
Citlivost na toxické látky
Účinnost odstranění CHSK
Účinnost odstranění dusíku
Použitelnost pro předčištění
Použitelnost pro koncové čištění
anaerobní
0
nízká
nízká
vysoká
<85 % a
0
ano
ne
anoxický
0
nízká
vysoká
nízká
různá, podle denitrifikace
45-90 % (nitrifikace vyžadována
jako první stupeň)
ano
ne
aerobní
>0
vysoká
vysoká
nízká
>85 %
0
ano
ano
a
obvyklá hodnota, u speciálních aplikací může být vyšší (viz. Sekce 3.3.4.3.1, Dosažitelné úrovně
emisí / třídy výkonnosti)
Tabulka 3.8: Parametry jednotlivých procesů, běžně spojované s anaerobním, anoxickým a aerobním
biologickým procesům čištěním odpadních vod.
Srovnání bilance uhlíku při aerobních a anaerobních procesech znázorňuje Obrázek 3.27 [cww/tm/132].
130
Kapitola 3
Obrázek 3.27: Uhlíková bilance při aerobním (A) a anaerobním (B) mikrobiologickém rozkladu
organických sloučenin
Jednou z výhod biologického čištění odpadních vod – bez ohledu na druh metabolického procesu – je
rychlejší či pomalejší přizpůsobivost mikroorganismů veliké rozmanitosti výživných medií.
V následujících kapitolách uvádíme techniky biologického čištění, které se obvykle v chemickém průmyslu
používají.
3.3.4.3.1
Anaerobní čištění
Popis
Při anaerobním čištění odpadních vod dochází k přeměně organického obsahu odpadních vod s pomocí
mikroorganismů a bez přístupu vzduchu na různé produkty, jako např. metan, oxid uhličitý, sirník atd.
Bioplyn sestává z asi 70 % metanu, 30 % oxidu uhličitého a dalších plynů, jako je vodík a sirovodík
[cww/tm/128]. Proces probíhá ve vzduchotěsné promíchávané nádrži reaktoru a mikroorganismy zůstávají
v nádrži jako biomasa (kal).
Existuje několik dostupných typů reaktoru. Nejpoužívanější jsou:
•
•
•
•
anaerobní kontaktní reaktor (ACR)
anaerobní s kalovým mrakem ve vznosu (UASB)
reaktor s fixním ložem
reaktor s expandovaným ložem.
Při anaerobním kontaktním procesu (ACP) se odpadní voda promíchává s recyklovaným kalem a
odbouratelné látky se spotřebovávají v uzavřeném reaktoru, směs odpadní vody / kalu se separuje externě
(sedimentace, Sekce 3.3.4.1.2, nebo podtlaková flotace, Sekce 3.3.4.1.3) a odsazená voda se odvádí do
131
Kapitola 3
zpracování na dalším čistícím zařízení. Anaerobní kal se recykluje zpět do reaktoru [cww/tm/4].
Schématický přehled je na Obrázku 3.28.
Obrázek 3.28: Anaerobní kontaktní proces
Při UASB procesu vstupuje odpadní voda do spodní části reaktoru, kde prostupuje směrem vzhůru kalovým
mrakem, tvořeným biologicky vytvořenými granulemi nebo částicemi. Vznikající plyny způsobují
promíchávání objemu odpadní vody v reaktoru. Fáze odpadní vody postupuje do usazovací komory, kde jsou
oddělovány obsažené nerozpuštěné látky a plyny se jímají v klenbě horní části reaktoru [cww/tm/4]. Princip
je vidět na Obrázku 3.29 [cww/tm/132].
Obrázek 3.29: Schéma procesu UASB
kal – přívod kapaliny
plynová síta (gas screens)
otvor pro vracení usazeného kalu
Při procesu s fixním ložem nebo anaerobním filtrem prochází odpadní voda zdola nahoru nebo shora dolů
(podle obsahu nerozpuštěných látek v nátoku) kolonou s různými typy pevných médií, na nichž rostou a drží
se anaerobní mikroorganismy [cww/tm/4].
Při procesu s expandovaným ložem se voda čerpá zdola nahoru a prochází ložem vhodného média (písku,
uhlí, polyetylénu, atd.) na kterém rostou mikroorganismy, které tvoří biofilm. Odpadní voda zčištěná se
recirkuluje aby ředila přiváděnou surovou odpadní vodu a zajistil se správný průtok k udržení expanze lože
[cww/tm/4].
132
Kapitola 3
Přebytečná biomasa se z hladiny odstraňuje a za bioreaktorem dále zpracovává. Recirkulace kalu není nutná,
protože nosič biofilmu zajišťuje uvnitř reaktoru vysokou koncentraci biomasy. Výhodou této varianty
anaerobního čištění je nižší prostorová náročnost při stejné výkonnosti. Systém je odolnější vůči dočasným
špičkám zatížení, které by jinak mohly způsobit vypouštění toxických látek.
Pro zvýšení účinnosti anaerobního čištění je zaváděna dvoustupňová varianta, znázorněná na Obrázku 3.30.
Obrázek 3.30: Schéma dvoustupňového procesu anaerobního čištění
Použití
Anaerobní čištění odpadních vod je v podstatě používáno pouze jako předčištění odpadních vod s vysokou
organickou zátěží (>2 g/l) a více či méně stabilní kvalitou [cww/tm/132]. Je použitelné převážně v odvětvích
s konzistentními odpadními vodami s vysokými zátěžemi BSK.
Anaerobní čištění průmyslových odpadních vod je v posledních letech stále důležitější z důvodů růstu cen
energie a problémů s likvidací přebytečného kalu, který vzniká při procesech aerobního čištění. Úsilí se
orientuje na maximální odstraňování organických znečišťujících látek bez potřeby vnějších zdrojů energie,
při kterém se využívá vytvářené biomasy a kde je požadovaná úroveň čistoty nakonec dosažena s pomocí
následného aerobního biologického stupně čiření [cww/tm/132].
Limity a omezení použití:
limity / omezení
20 – 40 °C
6,5 – 7,5 pH >8 brání vytváření metanu
prevence toxických látek, protože proces je citlivý
teplota
pH
toxické látky
Výhody a nevýhody
Výhody
•
nízká spotřeba energie v porovnání
s aerobním procesem
Nevýhody
•
vysoká citlivost na přítomnost toxických
látek, což může vést k vypouštění většího
množství aktivovaného kalu, dostanou-li se
133
Kapitola 3
•
•
•
•
výroba plynu bohatého na energii,
použitelného jako málo kvalitní palivo
výhradně pro místní využití
poměrně malé množství (v porovnání
s aerobním procesem) kalu z čiření (asi
jedna desetina) (viz. Obrázek 3.27)
v přítomnosti síranů nebo organických
sloučenin síry se sloučeniny těžkých kovů
přeměňují na sirníky a sráží se
netvoří se aerosoly a není nutné stripování
těkavých látek (ve srovnání s aerobním
procesem)
•
•
•
toxické látky do procesu
možné tvoření toxických, hořlavých a
zapáchajících odplynů
velmi pomalý rozjezd procesu
výkonnost nedostačuje pro konečný stupeň
systému čištění (odstranění CHSK je
obvykle <85 %), proto vyžaduje další čištění
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
proces
vstupní CHSK [g/l]
doba zdržení [h]
1,5-5
5-15
10-20
5-10
2-10
4-12
24-48
5-10
ACP 1
UASB 1
fixní lože 1
expandované lože 1
1
organická zátěž
3
[kg/(m d)]
0,48-2,40
4,00-12,0
0,96-4,81
4,81-9,62
odstranění CHSK
[%]
75-90
75-85
75-85
80-85
[cww/tm/4]
Třída výkonnosti odstranění CHSK velmi závisí na biologické odbouratelnosti organických látek, které
představují zatížení odpadních vod, vyjádřené jako CHSK. Proto hlavním požadavkem na anaerobní čištění –
i všechna další biologická čištění – je maximálně zabránit přitékání odpadních vod, v nichž znečišťující látky
nejsou biologicky odbouratelné.
V kombinaci s následným aerobním čištěním jsou celkové výkonnosti systémů čištění následující:
Parametr
BSK
CHSK
Výkonnost [%]
99-99,8
95-97
Vlivy do více prostředí
Anaerobní procesy jsou obvykle stupni s vysokou biologickou zátěží, které vyžadují další následné
biologické (aerobní) čištění. Výhodou anaerobního předčištění je malé množství přebytečného aktivovaného
kalu, který se tvoří v průběhu procesu, což je asi 10% v porovnání s aerobním procesem s aktivovaným
kalem. Tak se s desetinovým objemem kalu odstraní hlavní část organické zátěže (75-85 %), což znamená,
že oproti aerobním technikám je nutné likvidovat pouze jednu desetinu odpadu.
Při anaerobním procesu rozkladu vzniká směs metanu a oxidu uhličitého v poměru 1 – 3 : 1, čímž vzniká
spalitelný plyn s vysokým obsahem energie, kterým se obvykle nahrazuje jiné palivo nebo se využívá
v zařízeních vyrábějících energii. Při srovnání s aerobními procesy je spotřeba energie mnohem nižší,
protože nevyžaduje energii pro dodávku vzduchu nebo kyslíku do reaktoru, ale pouze pro účinné míchání.
Celkově se podílí na snížení emisí oxidu uhličitého.
Vznikající spalitelné plyny a metabolity, jako jsou karboxylové kyseliny s krátkým řetězcem, vyžadují
používání tohoto uzavřeného zařízení, aby se zabránilo uvolňování zápachu. Nutné je zajištění následného
zařízení, které by snižovalo zápach.
Spotřebovávají se:
134
Kapitola 3
spotřebovávaný materiál/energie
pomocné látky (pro sedimentaci, flotaci, atd.)
energie [kWh/m3]
množství
Monitorování
Monitorování biologické čistírny odpadních vod uvádí Příloha 7.3.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
náklady
120 milionů BEF 1
3,5 milionů NLG 2
provozní náklady
zisk (bioplyn)
40 BEF /m3 1
0,3 NLG /m3 2
[20000 NLG /rok]
210000 NLG /rok 2
1,5 milionů NLG/rok 2
1
2
poznámky
UASB reaktor, 25 m3/h, vstupní
CHSK 30 g/l
206 m3/d, vstupní zatížení CHSK
7300 kg/d nebo 35 g/l
UASB reaktor,25 m3/h, vstupní
CHSK 30 g/l
206 m3/d, vstupní zatížení CHSK
7300 kg/d nebo 35 g/l
206 m3/d, vstupní zatížení CHSK
7300 kg/d nebo 35 g/l
v porovnání se spalováním
přebytku kalu
[cww/tm/128]
[cww/tm/100]
Efektivní snížení obsahu organických znečišťujících látek je spojeno s výrobou bioplynu – použitelného
paliva – a se značným snížením množství přebytečného aktivovaného kalu. Při využití bioplynu se ekologie
a ekonomika stávají navzájem závislými, tj. dlouhodobě se jedná o oboustranně výhodnou situaci (win –
win) při porovnání anaerobního čištění / konečného aerobního čištění s nízkým zatížením a s nimi spojených
nákladů (spalování kalu nebo skládkování).
3.3.4.3.2
Biologické odstraňování sloučenin síry / těžkých kovů
Popis
Biologické odstraňování těžkých kovů a sloučenin síry je speciálním použitím anaerobního čištění. Jde o
proces se třemi stupni, který se skládá z:
•
•
•
biologické přeměny síranů nebo jiné oxidované sloučeniny síry na sirník s využitím bakterií
snižujících množství síranu
následná reakce iontů těžkých kovů se sirníkem a srážení sirníků těžkých kovů
druhá biologická reakce pro odstranění přebytečného sirníku a jeho přeměna na síru.
Tento proces využívá mnohem nižší rozpustnosti sirníků kovů ve srovnání s jejich hydroxidy.
Příklad čistícího zařízení je na Obrázku 3.31.
135
Kapitola 3
Obrázek 3.31: Procesní diagram zařízení biologicky snižujícího obsah kovů a síranů
Hlavní součásti jsou:
•
•
•
•
•
UASB reaktor, v kterém probíhá biologická redukce síranu na sirník
systém nakládání s bioplynem pro využití nebo zbavení se odpadního plynu, pocházejícího z UASB
reaktor s přisedlým biofilmem, kde dochází k přeměně sirníku na síru za přístupu vzduchu, bakterie
jsou usazeny na nosném materiálu
usazovák se šikmými deskami pro separaci síry
dočišťovací zařízení, např. kontinuálně čištěný (regenerovaný) pískový filtr.
Biologický proces vyžaduje zdroj donorů elektronů, což je obvykle zajištěno obsahem CHSK v odpadní
vodě. Pokud je obsah CHSK nedostatečný, je třeba donory elektronů přidávat. Možnými donory elektronů
jsou např.:
•
•
•
•
•
•
•
vodík
škrob
etanol
kyselina mravenčí
acetátové estery nebo soli
propionové estery nebo soli
mléčnan.
Kromě těchto chemických látek lze jako donory elektronů využít zbytky, např.:
•
•
136
dřevný prach
melasu.
Kapitola 3
Pokud musí být nátok neutralizován, část odpadní vody může být recirkulována za usazovákem se šikmými
deskami nebo za pískovým filtrem, protože konverze sirníku na síru vzrůstá se stoupající alkalitou.
Správné nakládání s bioplynem z UASB reaktoru a větracím vzduchem z reaktoru s fixním filmem umožňuje
provoz bez zápachu.
Použití
Tato operace biologického čištění se dá použít pro všechny toky odpadních vod, které obsahují velké
množství síranů. Zatímco síran může být odstraněn i bez přítomnosti sloučenin těžkých kovů, odstraňování
těžkých kovů vyžaduje dostatek síranu proto, aby vzniklo takové množství sirníku, které potřebuje srážecí
reakce. Dostatečný obsah CHSK zvyšuje výkonnost. Technika může být použita například pro čištění
odpadních vod z výroby viskózového vlákna, kde hlavní znečišťující látky představují zinek, síran a sirník.
Limity a omezení použití:
doba zdržení
poměr CHSK/síran
dávkování flokulantu v usazováku se
šikmými deskami (odstranění síry)
1
[cww/tm/101]
limity / omezení
6 h pro UASB reaktor 1
1:1, pokud je obsah CHSK příliš malý, je třeba dodat donoryelektronů
aby se dosáhlo stabilního provozu, je nutno dávkování flokulantu
správně přizpůsobit usazováku
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
•
•
Nevýhody
čištění síranu bez přidávání srážecích
chemikálií
současně odstraňuje těžké kovy a síran
těžké kovy se odstraňují z odpadních vod ve
formě sirníků, které mohou být opět využity
sirníky kovů jsou méně rozpustné než
odpovídající hydroxidy, takže odpovídá vyšším
nárokům na vyčištěnou odpadní vodu
na konci řetězce dostáváme síru , kterou lze
použít jako výchozí materiál ve výrobě (např.
výroba kyseliny sírové) nebo pro rekuperaci
umožňuje odstranění také CHSK a dusičnanů
stabilní proces, fluktuace a poruchy toku
odpadních vod těžko snižují účinnost
•
•
•
často vyžaduje zvýšení obsahu CHSK
jako dodavatele elektronů, což zvyšuje
provozní náklady
sirníky kovů se smíchávají
s biologickým kalem v UASB reaktoru
neumožňuje odstranění těžkých kovů
bez přítomnosti síranu
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
zinek
kadmium
sírany
1
2
účinnost
[%]
99,8 1
>99 1
94 2
úroveň emisí
[mg/l]
0,05-0,15
<0,01
75
poznámky
nátok 100 mg/l
nátok 1 mg/l
nátok 1170 mg/l, přítomny těžké kovy
[cww/tm/102]
[cww/tm/101]
Vlivy do více prostředí
Zbytky z čistícího procesu jsou:
137
Kapitola 3
•
•
sirníky těžkých kovů, pokud jsou těžké kovy obsažené v toku odpadních vod, smíchané s přebytkem
kalu z UASB reaktoru
síra, která může být smíchána s nerozpuštěnými látkami z usazováku se šikmými deskami.
Sirníky podle druhu kovu mohou být opět použity pro rekuperaci obsaženého kovu. Frakce síry při oddělené
rekuperaci tvoří sirný koláč, který obsahuje 60 % sušiny s čistotou do 95 %. Ten může být použit pro výrobu
kyseliny sírové spolu se zařízeními, která spalují „odpadní kyselinu“ nebo neusazené kaly.
Proces probíhá bez emisí zapáchajících látek a to díky zpracovávání bioplynu a větracího vzduchu, které je
vyžadováno z bezpečnostních důvodů. Hluk je způsobován čerpadly a výdechy, které jsou zakrytovány.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
neutralizační činidla
donory elektronů
flokulant
energie [kWh/m3]
množství
Monitorování
Účinnost čištění je ovlivňována správnou alkalitou a optimálním poměrem CHSK/síran (min. 1:1), takže
přitékající vody musí být pečlivě monitorovány především s ohledem na pH a obsah CHSK. Zásadně
důležité je i to, aby přitékající voda byla bez látek, které by mohly ničit sirné bakterie nebo bránit jejich
růstu. Nátok je třeba před takovými látkami chránit. Odpadní kapalinu monitorujeme z hlediska obsahu
čištěných znečišťujících látek, jako jsou těžké kovy, síran, CHSK, atd.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
3.3.4.3.3
náklady
poznámky
Aerobní čištění
Popis
Při aerobním čištění odpadních vod dochází k oxidaci organických látek kyslíkem s pomocí metabolismu
mikroorganismů. Za přítomnosti rozpuštěného kyslíku – vstřikovaného formou vzduchu, nebo čistého
kyslíku – se organické složky přeměňují (mineralizují) na oxid uhličitý, vodu a jiné produkty metabolizmu a
biomasu, aktivovaný kal.
Toxické látky obsažené v odpadních vodách mohou bránit biologickému procesu. Některé z těchto toxických
látek jsou v Tabulce 3.9 [cww/tm/132].
látka
138
inhibiční koncentrace
Kapitola 3
kadmium (Cd2+)
dvojchroman (CrO42-)
měď (Cu2+)
nikl (Ni2+)
zinek (Zn2+)
chlór (Cl2)
kyanid (CN-)
minerály
fenoly
sirovodík / sirník
[mg/l]
2-5
3-10
1-5
2-10
5-20
0,2-1
0,3-2
>25
200-1000
5-30
Tabulka 3.9: Prahové koncentrace reprezentativních látek, toxických pro aktivovaný kal
Potenciální toxicita látky v biologické ČOV není předem definovanou neměnnou veličinou, ale je funkcí
expozičních podmínek a přítomných organismů. Termín „toxicita“ se týká vztahu mezi látkou a organismem.
Při stálém nátoku nízkých koncentrací toxických látek se inhibiční účinek brzy sníží díky přizpůsobení
mikroorganismů, které vede k růstu mikroorganizmů s větší odolností a s vyšší schopností odbourávání
[cww/tm/132].
Obvyklé aerobní biologické techniky čištění jsou:
•
•
•
•
•
proces s dokonale promíseným aktivovaným kalem
proces s membránovým bioreaktorem
proces se skrápěným nebo biologickým filtrem
proces s expandovaným ložem kalu
proces s fixním ložem v biofiltru.
Proces s dokonale promíseným aktivovaným kalem je dnes metodou, která se v chemickém průmyslu
často používá a tak je i nejběžnější technikou čištění biologicky odbouratelných odpadních vod.
Mikroorganismy jsou suspendovány v odpadní vodě a celá směs je mechanicky provzdušňována. Směs
s aktivovaným kalem se odvádí potrubím do separačního zařízení, z něhož se kal recykluje zpět do aerační
nádrže. Separační zařízení je například:
•
•
•
dosazovací nebo usazovací nádrž
zařízení s flotací vzduchem
MF nebo UF membrána (membránový bioreaktor, viz. odstavec níže).
Proces s dokonalým promísením má několik variant, podle množství odpadních vod, dostatku prostoru,
požadovaných emisí do ovzduší, atd. Tyto varianty jsou např.:
•
•
•
oxidační činidlo: vzduch nebo čistý kyslík, výhodou čistého kyslíku jsou menší stripovací účinky a
menší tvorba zápachu, protože je nutný menší objem plynu, procházejícího odpadní vodou, který
navíc reaguje rychleji a biologicky účinněji
aerační komora: méně či více biologie v mělké nádrži nebo věžová biologie, věžová biologie počítá
s vyšší účinností rozkladu, díky menším vzduchovým bublinám stoupajícím vysokým sloupcem
odpadních vod, čímž se značně zvyšují přenos vzduch / odpadní voda, viz. Obrázek 3.32
[cww/tm/132]
stupeň čiření (dosazování): sedimentace, nebo membránová filtrace (membránový bioreaktor, viz.
níže), membránová filtrace je prostorově méně náročná, sedimentace je příležitostně podporována
konečným flotačním stupněm
139
Kapitola 3
Obrázek 3.32: Příklad věžové biologie
Proces s membránovým bioreaktorem je kombinací biologického čištění aktivovaným kalem a
membránové separace a jako biologický proces čištění se používá pro komunální i průmyslové odpadní
vody. Tento proces má různé varianty, např.:
•
•
vnější recirkulační smyčka mezi nádrží s aktivovaným kalem a membránovým modulem
membránový modul ponořený v aerační nádrži s aktivovaným kalem, kde je odpadní voda filtrována
membránou z dutého vlákna, biomasa zůstává v nádrži; tato varianta je méně energeticky náročná a
zařízení je kompaktnější.
Tyto varianty, spolu s konvenčním procesem s aktivovaným kalem, jsou na Obrázku 3.33.
Ucpávání, které je hlavním problémem membrán, se omezuje:
•
•
aerací
propíráním membrán,
se specifickými podmínkami v každém jednotlivém čistícím zařízení.
Membrány, které tvoří fyzickou bariéru, umožňují zachování biomasy v nádrži, což znamená:
•
•
vysoké koncentrace kalu (TNL 10-20 g/l)
vysoké stáří kalu (nebo střední dobu zdržení buněk, MCRT).
Membránový bioreaktor je kompaktní zařízení (5x kompaktnější než konvenční s aktivovaným kalem,
membránový modul nahrazuje nádrž pro čiření), které vytváří značně menší množství přebytečného kalu. Na
druhou stranu však může být energetická náročnost ve srovnání s konvečním procesem s aktivovaným kalem
kvůli spotřebě energie čerpáním znatelně vyšší.
Proces se skrápěným nebo biologickým filtrem využívá mikroorganismů přisedlých na velmi dobře
prostupném médiu, kterým odpadní voda prostupuje nebo se procezuje. Médium filtru tvoří obvykle kameny
nebo plasty. Schéma je na Obrázku 3.34 [cww/tm/132].
Kapalina je jímána spodním odvodňovacím systémem a odváděna do nádrže, přičemž část kapaliny se
recirkuluje, aby dále ředila přiváděné koncentrované odpadní vody.
Proces s expandovaným ložem probíhá tak, jak je popsáno u anaerobního čištění (viz. Sekce 3.3.4.3.1)
s tím rozdílem, že je přítomen vzduch nebo kyslík a film tvoří bakterie aerobní, místo anaerobních. Výhodou
této varianty aerobního čištění je snížení prostorových nároků při stejné výkonnosti.
140
Kapitola 3
Obrázek 3.33: Varianty membránového bioreaktoru v porovnání s konvenčním procesem
s aktivovaným kalem
Obrázek 3.34: Schéma skrápěného filtru
Q: odpadní voda
QR: recyklovaná voda
141
Kapitola 3
Při procesu s fixním ložem v biofiltru zůstává biofilm na povrchu nosiče. Tok odpadních vod se čistí
průchodem tímto biofilmem; nerozpuštěné látky zachycuje filtr, který je pravidelně prán. Tato technologie
byla vyvinuta jako kompaktní (vysoká kapacita na objem a vynechání sekundárního čiřiče) a bezzápachová
alternativa konvenčního procesu s aktivovaným kalem (viz. Obrázek 3.35).
Obrázek 3.35: Proces s biofiltrem v porovnání s konvenčním procesem s aktivovaným kalem
Většina ponorných biofiltrů je založena na jednom filtračním médiu. Voda protéká filtrem zdola nahoru nebo
shora dolů a to buď potopeným nebo plovoucím médiem. Biofiltry mohou být jedno- či vícevrstvé. Zatímco
vícevrstvé filtry filtrují surovou vodu bez předchozího usazení, jednovrstvé filtry se obvykle používají po
primárním čištění k odstranění nerozpuštěných látek.
Frekvence propírání závisí na vlastnostech odpadní vody. Běžně se propírají velkým množstvím vody jednou
za den, ale pro každý jednotlivý případ to může být jinak a je třeba přizpůsobit se reálným podmínkám.
Propírání má různé stupně:
•
•
•
pouze vodou
pouze vzduchem
vodou i vzduchem.
Jako nosný materiál je možné použít hnědouhelný koks, protože má schopnost adsorbovat do svých pórů
organické nečistoty, kyslík a bakteriální materiál, což prodlužuje reakční dobu tak, že je delší než obvyklá
doba zdržení. Obsah rezistentního CHSK se snižuje více, než u dokonale promíseného aktivovaného kalu,
což je způsobeno kombinací lepší biologické odbouratelnosti a adsorpce do nosného materiálu. Hnědouhelný
koks pokrývá hladinu nádrže a slouží jako filtr unikajícího vzduchu. Tím se znatelně snižují zapáchající
emise.
Použití
Aerobní čištění odpadních vod se používá jako koncový biologický stupeň. Mezi výhody které nabízí patří
rychlý růst kalu, což umožňuje nejen odstraňování některých toxických složek odpadních vod, ale také
účinně odstraňuje CHSK, obvykle mnohem lépe než čištění anaerobní.
142
Kapitola 3
Proces s dokonale promíseným aktivovaným kalem je použitelný pro všechny biologicky odbouratelné
toky odpadních vod jako předčištění vysoké zátěže nebo hlavní část centrální ČOV.
Membránový bioreaktor se používá pro čištění komunálních i průmyslových odpadních vod. Průmyslové
vody mohou pocházet z chemického průmyslu, potravinářského průmyslu nebo průmyslu papírenského a
stejně tak to mohou být výluhy ze skládek. Je vhodný především pro:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
kapalné odpady s vysokou zátěží CHSK a/nebo amoniaku
recyklaci odpadních vod
přísné předpisy pro vypouštění odpadních vod
citlivé vodní recipienty
nesnadno sedimentující kaly
modernizaci stávajících zařízení
kompaktní provozy
nepříjemné problémy (např. zápach)
dezinfekci vody.
Pokud se v chemickém průmyslu používají skrápěné (biologické) filtry, jsou součástí centrální ČOV, aby
snižovaly obsah nejsnadněji odbouratelných znečišťujících látek a zlepšily kvalitu kalu v následném
aeračním stupni.
Biofiltry se používají pro čištění komunálních a některých průmyslových odpadních vod (např. vysoce
zatížených CHSK v papírenském průmyslu), ale také pro modernizaci stávajících zařízení s aktivovaným
kalem (což se týká i reaktorů s expandovaným ložem). Výhodou fixního biofilmu na nosiči je nižší citlivost
při velkém obsahu solí a lepší podmínky pomalu rostoucích bakterií díky dlouhé době zdržení v systému.
Biofiltry se používají také při přímém předčištění nebo dočišťování společně s procesem s aktivovaným
kalem.
Biofiltry je možné zatížit 2 až 3x více než zařízení s vysoce zatíženým aktivovaným kalem a stále budou
odstraňovat 90 % CHSK [cww/tm/164]. Porovnání čištěných zátěží různými biosystémy uvádí Tabulka 3.10
[cww/tm/164]. Biofiltrace dosahuje stejné výkonnosti jako nitrifikace / denitrifikace, ale při vyšší zátěži.
aktivovaný kal
aktivovaný kal s kyslíkovou
aerací
biofiltr
skrápěný filtr
(plastový nosič)
membránový bioreaktor c
CHSK
3
[kg/(m /d)]
0,4-6
BSK
3
[kg/(m /d)]
0,35-3 a
NH4-N
3
[kg/(m /d)]
0,04-0,1
NO3-N
3
[kg/(m /d)]
0,24-0,72
0,4-1,5
0,7-6
2-5 b
3-25
1,3-10 a
1-5 b
2-3 d 1
0,9 e 1
a
BSK5
BSK7
c
1
koncentrace kalu 11-25 g/l
d
3
špičky mezi 1,6 a 8,5 kg CHSK/(m /d)
e
z louhu termálního čištění
1
[cww/tm/163]
b
Tabulka 3.10: Porovnání volumetrických zátěží čištěných různými aerobními procesy
143
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
limity / omezení
poměr BSK : N : P by měl být 100 : 5 : 1;
kritické poměry, které by neměly být překročeny, aby se zajistil dobrý
provoz, jsou BSK:N 32 : 1 a BSK : P 150 : 1
je nutno zabránit vysoké koncentraci látek (dokonce i netoxických látek)
viz. Tabulka 3.9
teploty odpadních vod >35 °C mohou být pro mikroorganismy kritické
vysoké zátěže solemi (>30 g/l) mohou způsobovat poruchy biologického
procesu tím, že ničí mikroorganismy; méně citlivé jsou techniky s fixním
filmem
Živiny
Koncentrace
Inhibitory
Teplota
Zatížení solemi
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
čištění organických znečišťujících látek je
nákladově efektivní
menší environmentální dopad než u jiných
procesů čištění
umožňuje čistit větší množství odpadních
vod
poměrně vysoká energetická účinnost ve
srovnání se systémy nebiologického
čištění; energie se vyrábí převážně
udržitelnými metodami (metabolismem
mikroorganismů se vzduchem a vodou)
rozklad především na neškodné sloučeniny
Nevýhody
•
•
•
•
•
•
•
vysoká spotřeba energie pro dodávky
kyslíku do vody
tvoří velké množství kalu při čiření (s
výjimkou membránového bioreaktoru a
biofiltrů s fixním ložem)
proces aerace má stripovací účinky na
těkavé sloučeniny, což znamená nestálé
emise, často příčinu zápachu a aerosolů
procesy s dokonale promíseným kalem
mohou způsobovat bytnění kalu
s následným odpadem přebytku aktivních
vloček
znečišťující látky mohou inhibovat
biologické procesy
u membránových bioreaktorů může být
problém ucpávání membrán
velká tlaková ztráta ekvivalentní nárůstu
spotřeby elektrické energie
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Hlavním parametrem, kterým se kontroluje výkonnost nebo účinnost biologického čištění je BSK, když
snižování CHSK závisí na stupni předchozího předčištění a obsahu těžko rozložitelných znečišťujících látek.
Protože rezistentní CHSK (nebo koncentrované znečišťující látky, které fungují jako rezistentní CHSK)
nejsou pro biologické čištění vhodné a proto by se do biologické ČOV vůbec neměly dostat, je důvod uvést
dosažitelné úrovně CHSK.
144
Kapitola 3
parametr
úplně smísený
aktivovaný kal
Nerozpuštěné
látky (TNL)
membránový
bioreaktor
99 5
expandované
lože
biofiltr s
fixním ložem
99 5
Turbidita (zákal)
BSK
97-99,5 1
97 5
CHSK (TOC)
76-96 c 1
>90-96 5
Fenolový index
AOX
třídy výkonnosti
[%]
skrápěný filtr
40-90 2
85-95 a 2
>98 1
90 b 1
>99 e 4
Celkový
anorganický N
NH4-N
26-68 d 3
75-98 3
55-98 3
82 5
4-50 3
96-98 5
a
dva stupně
3 bioreactory v sérii, následná GAC adsorpce se snížením TOC o 98% a CHSK o 99 %
c
96 % s čistým kyslíkem
d
rozklad rezistentního CHSK, zařízení provozované jako dočišťování po ČOV s aktivovaným kalem
e
3
fenol v nátoku 30 mg/l, 2200 m odpadních vod /den
1
[cww/tm/132]
2
[cww/tm/4]
3
[cww/tm/151]
4
[cww/tm/96]
5
[cww/tm/163]
b
Vlivy do více prostředí
Hlavními environmentálními otázkami aerobního biologického čištění jsou:
•
•
vstup kyslíku do systému a jeho účinky
vznikající aktivovaný kal jako výsledek biologických procesů.
Kyslík vstupuje do systému aerací, která je energeticky náročná a uvolňuje těkavý obsah odpadních vod do
ovzduší, čímž způsobuje zápach. To lze regulovat různými prostředky:
•
•
•
nahrazením vzduchu čistým kyslíkem, nebo vzduchem obohaceným kyslíkem, vhánění plynu je tak
sníženo až na 20 % proti vhánění vzduchu a tím se omezí jak stripovací efekt, tak spotřeba energie;
výhoda této provozní varianty však vyžaduje pečlivé zhodnocení porovnáním s dopady výroby
kyslíku, např. spotřebou energie, bezpečností, obtížemi s stripováním CO2, atd.
zakrytím aerační nádrže a odváděním zachycených odpadních plynů do následného systému, kde se
odstraňují (např. adsorbér GAC, spalovací pec, biofiltr nebo mokrá pračka plynů)
použitím technik biologického čištění s nosiči (fixní lože s biofiltrem) buď s uzavřeným zařízením
nebo jako adsorbent plynu funduje nosný materiál (hnědouhelný koks).
Aerobní biologické čištění vytváří poměrně vysoké množství přebytečného aktivovaného kalu, který je třeba
likvidovat. Speciální zpracování aktivovaného kalu je spojeno s technikami aerobního biologického čištění
odpadních vod buď v lokalitě nebo mimo ni, což je podrobně popsáno v Sekci 3.4.
Spotřebovávají se:
145
Kapitola 3
spotřebovávaný
materiál/energie
kyslík (vzduch
nebo čistý plyn)
neutralizační
chemikálie
flokulanty
nutrienty
nosič
energie
[kWh/m3]
úplně promísený
aktivovaný kal
membránový
bioreaktor
skrápěný filtr
expandované
lože
Biofiltr s fixním
ložem
300-500 kg/t
COD a 1
23-42 kg/t
COD b 1
9,5 c 1
0,1 kWh na p.e. 2
a
flokulant: síran železnatý
o-kyselina fosforečná
c
včetně spalování kalu
1
[cww/tm/96]
2
[ cww/tm/128]
b
Monitorování
Monitorování biologické čistírny odpadních vod uvádí Příloha 7.3.
Ekonomika
investiční
náklady
membránový
biorekator
náklady
skrápěný filtr
expandované
Biofiltr
lože
s fixním ložem
0,2 DEM /m3 3
asi 2 % investičních
2
nákladů
0,60 FIM /m3 a 1
provozní
náklady
a
úplně promísený
aktivovaný kal
15-20 milion FIM a 1
3
asi 90 m /h, CHSK 500-900 mg/l
[cww/tm/96]
2
[cww/tm/128]
3
[cww/tm/151]
1
Výše investičních i provozních nákladů velmi závisí na hydraulickém zatížení a zatížení znečišťujícími
látkami, potřebě implementovat zařízení jako API, neutralizační stupeň, zařízení separace kalu, atd. Proto
informace o nákladech může být v této fázi pouze hrubým vodítkem a vyžaduje další upřesňování s ohledem
na dané zařízení a zátěž.
3.3.4.3.4
Biologické odstraňování dusíku
Popis
Dusík, nebo přesněji amonium, se odstraňuje speciálním biologickým čištěním, které se skládá ze dvou
stupňů:
• aerobní nitrifikace, kde speciální mikroorganismy okysličují amonium (NH4+) na meziprodukt
dusitan (NO2-), který je dále přeměňován na dusičitan (NO3-)
• anoxická denitrifikace, kde mikroorganismy přeměňují dusičitan na plynný dusík.
Tak, jako všechny biologické procesy, i nitrifikace/denitrifikace je citlivá na toxické nebo inhibiční látky. Jak
již však bylo řečeno, pečlivé dávkování malých koncentrací těchto toxických látek může vést k adaptaci
mikroorganismů a tím úplnému omezení inhibičních účinků, pokud značně nevzroste koncentrace těchto
toxických látek. Látky s inhibičními účinky jsou uvedeny v tabulce 3.11 [cww/tm/27].
sloučenina
146
inhibiční
koncentrace
[mg/l] rozpuštěné
snížení obsahu
[%]
Kapitola 3
thiomočovina
thiosemikarbazid
methyldithiokarbamát sodný
methyl izokyanát
allyl izothiokyanát
1,1-dichlorethan
1,1-dichloreten
1,2-trans-dichloreten
1-naftylamin
2,2-bipyridin
amoniak-N
benzen
benzidin dihydrochlorid
benzokain
benzylamin
tetrachlormethan
chlorbenzen
trichlormethan
dimethylgloxim
dimetylftalát
dodecylamin
ethylendiamin
hexamethyldiamin
monoethanolamin
methylamin
methyl tiouronium sulfát
skatol
dimethyldithiokarbamát sodný
cyklopentamethylen-thiokarbamát sodný
guanidin karbonát
allyl alkohol
benzyl thiouronium chlorid
diguanid karbonát
allylthiomočovina
thioacetamid
dithio-oxamid
merkaptobenzthiazol
N-methylalanin
naftalen
naftyletylen diamin dihydrochlorid
ninhydrin
p-aminopropiofenon
p-nitroanilin
p-nitrobenzaldehyd
p-fenylazoaniline
fenol
kyselina tříslová
toluen
triethylamin
zinek
měď
kyanid
chrom (VI)
olovo
rtuť
chinolin
p-benzochinon
tetramethylthiuramthiokarbamát
pyridin
krezoly
cetyl trimetyl ammonium
tetramethylthiuram disulfid
sloučenina
hydrazin
1
1
1
1
1
125
75
75
15
16 / 20
200
500
20-100
>100
>100
50
100
18
>100
100
<1
17
85
>100
<1
10
10
20
20
20
20
20-100
20-100
1
1
1
1
1
50
23
>100
43
31
87
72
3
>100
350
127
0,08-0,5
0,005-0,5
0,34
0,25
0,5
1
10
10
20
20
20
20
20-100
inhibiční
koncentrace
[mg/l] rozpuštěné
20-100
50
50
50
50
50
počátek
50
50
50
50
50
50
75
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
30
50
počátek
50
počátek
počátek
počátek
počátek
počátek
50
50
50
50
50
50
50
snížení obsahu
[%]
50
147
Kapitola 3
8-hydroxy-chinolin
diallyl éter
karbon disulfid
dikyandiamid
strychnin hydrochlorid
thiokyanatan draselný
EDTA (kyselina etylendiamintetraoctová)
N-methylalanin hydro-chlorid
cetyl pyridinium chlorid
azid sodný
dichlorofen
trimethylamin hydrochlorid
2,4,6-tribromofenol
metylénová modř
streptomycin
20-100
20-100
20-100
>100
>100
300
350
550
20-100
20-100
20-100
>100
>100
100
400
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
Tabulka 3.11: Důležité inhibitory nitrifikace
Nitrifikace / denitrifikace může být obvykle součástí centrální ČOV. Důležitým faktorem denitrifikace je
poměr oxidovaného dusíku (dusičnanu/dusitanu) a BSK (redukčního činidla). Možnosti uspořádání jsou dvě:
•
•
nitrifikační stupeň je součástí oddělení aerace; pokud je to nutné, je poměr N/BSK zlepšen přidáním
snadno biodegradabilního TOC, např. methanolu, do následného stupně denitrifikace (viz. Obrázek
3.36)
denitrifikace je prvním stupněm a využívá nečištěnou odpadní vodu bohatou na BSK pro dodávku
energie, následuje oddělení aerace (nitrifikace), velká část dusičnanové odpadní vody je
recirkulována do denitrifikační zóny (viz Obrázek 3.37).
Pokud čištění nitrifikační/denitrifikační potřebují pouze jednotlivé nátoky, doporučuje se, aby toto čištění
probíhalo mimo centrální čištění.
Nitrifikace/denitrifikace může být ve stávajících biologických ČOV modernizována konstrukčními
zlepšeními, jako jsou:
•
•
•
•
•
148
instalace oddělovacích stěn
instalace potrubí pro zpětné odvádění odpadní vody obsahující dusičnan
opětovným používáním objemu nádrže
využitím stávajícího čiření nebo
přizpůsobením či úpravou regulace procesu.
Kapitola 3
Obrázek 3.36: Nitrifikace/denitrifikace v sérii
Obrázek 3.37: Nitrifikace/denitrifikace s denitrifikací jako prvním stupněm
Použití
Nitrifikace/denitrifikace se používá v případě toků odpadních vod, které obsahují značné množství sloučenin
dusíku, především aminů a amoniových sloučenin. Regulace odpadu amonia je důležitým opatřením, které
chrání kvalitu povrchových vod (např. řek), protože přeměna amonia na amoniak, závislá na pH, je toxická
pro ryby.
149
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
limity / omezení
>12-15 °C, nižší teploty brání růstu bakterií v nitrifikačním stupni
určité látky působí jako inhibitory (viz. Tabulka 3.11)
v rozsahu 12:1 1
v rozsahu 10:1 1
<5 g/l 1
teplota
toxické látky
poměr BSK/N
poměr TOC/N
koncentrace chloridů
1
[cww/tm/160]
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
Nevýhody
účinná separace sloučenin dusíku
proces může být integrován do stávající
biologické čistírny, např. do centrální ČOV
stávající zařízení je možno jednoduše
modernizovat
•
•
provoz je citlivý na proměnlivost podmínek,
pH, teploty, inhibitorů (viz. Tabulka 3.11),
obsah odpadních vod
uvolňování plynů do ovzduší
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
celkem anorganický N
1
2
výkonnost [%]
70-80 1
úroveň emisí
[mg/l]
10-20 2
poznámky
[cww/tm/128]
[cww/tm/160]
Vlivy do více prostředí
Pokud je stupeň nitrifikace/denitrifikace součástí centrální ČOV, přispívá k únikům zapáchajících a těkavých
látek. Ostatní emise se od biologických čistících zařízení obvykle očekávají, což znamená, že může být nutné
zařízení zakrýt pokud nádrže nejsou uzavřené a likvidovat vzniklé plyny.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
dávkování uhlíku
energie [kWh/m3]
množství
Obvyklým zdrojem hluku jsou čerpadla, trysky a míchací zařízení, která mohou být po úvaze například
zakrytována.
Monitorování
Monitorování biologické čistírny odpadních vod je uvedeno v Příloze 7.3.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
150
náklady
nitrifikace/denitrifikace denitrifikace/nitrifikace
v sérii
v sérii
poznámky
Kapitola 3
provozní náklady
3.3.4.3.5
Centrální biologické čištění odpadních vod
Popis
Hlavní součástí centrální ČOV je aerobní biologický proces s aktivovaným kalem (viz Sekce 3.3.4.3.3).
Okolo tohoto centrálního zařízení se uskupuje komplex přípravných a následných separačních operací.
Centrální čistírna odpadních vod je obvykle vybavena:
•
•
záchytnými nebo vyrovnávacími nádržemi, pokud již nejsou součástí předchozích zařízení
směšovací stanicí, kde se přidávají neutralizační a flokulační chemikálie a míchají se (obvykle
vápenné mléko a/nebo anorganické kyseliny, síran železnatý); uzavřené nebo zakryté, aby se
zabránilo úniku zapáchajících látek, zachycený znečištěný vzduch se odvádí do systému likvidace
plynů
• primárním čiřením, které odstraňuje vločky; je uzavřené nebo zakryté podle potřeby, aby se
zabránilo občasným únikům zapáchajících látek, zachycený znečištěný vzduch se odvádí do systému
likvidace plynů
• částí s aktivovaným kalem, např.:
- aerační bazén s dávkováním živin do nátoku, uzavřený nebo zakrytý podle potřeby,
s odváděním zachyceného znečištěného vzduchu do systému likvidace plynů
- nebo uzavřená reakční nádrž (např. věžová biologie) s potrubím pro odvod plynů napojeným
na systém jejich likvidace
- případný nitri/denitrifikační stupeň a odstraňování fosfátů
• případným středním usazovákem v případě, že je provozu druhý aerobní biologický stupeň
s recyklací kalu
• případnou druhou částí aktivovaného kalu, pro málo zatíženou biologii
• koncovou dosazovací nádrží s recyklací kalu a jeho přesunem do kalové koncovky; případným
pískovým filtrem, MF nebo UF zařízením
• případným dalším speciálním čistícím zařízením pro odstraňování zbytku rezistentního CHSK, např.
biofiltrem (viz. Sekce 3.3.4.3.3)
• případným dalším čistícím zařízením po koncové dosazovací nádrži, např. flotací vzduchem (viz.
Sekce 3.3.4.1.3)
• případným zařízením zpracování kalu, jako:
- vyhnívací zařízení (viz Sekce 3.4.2)
- zahušťování kalu (viz Sekce 3.4.1)
- odvodňování kalu (viz Sekce 3.4.1)
- pece na spalování kalu (viz Sekce 3.4.3)
• systémy likvidace odpadních plynů (znečištěného vzduchu), jako:
- adsorbéry GAC (viz Sekce 3.5.1.3)
- termálními nebo katalytickými oxidátory (viz Sekce 3.5.2.4 a Sekce 3.5.2.5)
- polními hořáky pro spalování plynů (viz Sekce 3.5.2.6).
Příklad je na Obrázku 3.38 [cww/tm/81].
Použití
Centrální biologické čištění odpadních vod se používá pro složité odpadní vody, které pocházejí z výroby a
zpracování organických chemikálií v tom případě, že jejich obsah je biologicky odbouratelný. Centrální
ČOV jsou tedy v chemickém průmyslu běžnými koncovými zařízeními. Některé příklady uvádí Příloha
7.6.1.
Podle shora uvedeného popisu je centrální biologická ČOV schopna odstranit dva druhy znečišťujících látek:
•
•
nerozpuštěné látky
biodegradabilní sloučeniny.
151
Kapitola 3
Odpadní voda se značným obsahem znečišťujících látek, která do těchto skupin nepatří, vyžaduje buď
předchozí předčištění nebo zvláštní čištění (viz. Sekce 3.3.4.2), kdy centrální čistírnu obtéká. Obvykle se
předčišťují i odpadní vody, které jsou velmi zatížené biologicky odbouratelným obsahem (viz Sekce
3.3.4.3.1 až 3.3.4.3.4).
Limity a omezení použití uvádí Sekce 3.3.4.3.3 a 3.3.4.3.4:
Obrázek 3.38: Příklad centrální ČOV (mechanicko-biologicko-chemické)
152
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
Nevýhody
čistí velké objemy odpadních vod
synergické účinky mohou zvyšovat účinnost
ve srovnání s adsorpcí GAC, spalováním,
oxidací vzduchem za mokra má vysokou
energetickou účinnost; energie je obvykle
dodávána udržitelnými metodami
(metabolismem mikroorganismů se
vzduchem a vodou)
obvykle rozklad na méně škodlivé
sloučeniny (s výjimkami při reakci produktů
rozkladu s novými sloučeninami, zvláště při
výrobě léčiv a pesticidů)
•
•
•
biologické procesy mohou být inhibovány
znečišťujícími látkami nebo příliš
vysokými (>35 °C) nebo příliš nízkými
(<12 °C) teplotami
je nutno likvidovat velké množství
přebytečného kalu
aerace má na těkavé sloučeniny stripovací
účinky, což má za následek občasné
zapáchající a/nebo aerosolové emise
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Hlavním parametrem pro kontrolu výkonnosti nebo účinnosti biologického čištění je BSK, zatímco snížení
CHSK závisí na stupni předchozího předčištění a obsahu špatně rozložitelných znečišťujících látek. Protože
rezistentní CHSK (nebo koncentrované znečišťující látky, které se jako rezistentní CHSK chovají) není
vhodné pro biologické čištění a proto by se do biologické ČOV nemělo dostávat, je vhodné zde uvést
dosažitelné úrovně CHSK.
parametr
TNL
BSK
CHSK (TOC) a
AOX
celkem anorg. N
fenol
třída výkonnosti
[%]
97-99,5 1,4
99-99,8
60-98 1,2,4
95-97
70-80
>99 5
3
dosažitelná úroveň
emisí [mg/l]
10 4
7-10 4
<1 4
10-20 4
TF
2-3 b 6
TD
2-4 b 6
TA
1-16 b 6
TL
2-12 b 6
TM
1,5 b
poznámky
anaerobní předčištění
98 % s plynným kyslíkem
anaerobní předčištění
průtok odpadních vod 2200
3
m /d, nátok 30 mg/l fenolu
měřeno v Německu c
(outlayer do 24)
měřeno v Německu c
(outlayer do 768)
měřeno v Německu c
(outlayer do 1024)
měřeno v Německu c
(outlayer do 1024)
měřeno v Německu c
a
při odstranění rezistentního CHSK před nátokem
bezrozměrná čísla
vyšší hodnota je 90 percentile
1
[cww/tm/132]
2
[cww/tm/105]
3
[cww/tm/128]
4
[cww/tm/160]
5
[cww/tm/96]
6
[cww/tm/162,165]
b
c
Vlivy do více prostředí
Jak již bylo popsáno v Kapitole 3.3.4.3.3, hlavním dopadem aerobního biologického čištění je spotřeba
energie při aeraci, která je způsobena mícháním aeračního bazénu, vznik značného množství přebytečného
kalu, který je třeba likvidovat a zpracovávat, efekt stripování při aeraci, který způsobuje uvolňování aerosolů
a těkavých zapáchajících látek a hluk, jehož zdrojem jsou čistící zařízení. Opatření, která tomu zabraňují,
153
Kapitola 3
jsou uzavírání, nebo zakrývání citlivých oblastí, jako např. míchací stanice, primárního čiření a aeračního
bazénu a odvádění proudu znečištěného vzduchu do systému likvidace plynů. Opatřením omezujícím hluk
může být zakrytování zařízení, např. čerpadel.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
vzduch nebo kyslík
neutralizační chemikálie
flokulanty
množství
300-550 kg/t CHSK a 1
0,5-1,9kg/t CHSK b 1
23-42 kg/t CHSK c 1
3-5 kg/t CHSK c 2
9,5 d 1
0,7-4,0 2
0,1 kWh na p.e. 3
živiny
energie [kWh/m3]
a
flokulant: síran železnatý (ferosulfát?)
pouze část čištění odpadních vod
c
o-kyselina fosforečná
d
včetně spalování kalu
1
[cww/tm/96]
2
[cww/tm/105]
3
[cww/tm/128]
b
Množství kalu, které vzniká v průběhu centrálního čištění není vzhledem k zátěži znečišťujícími látkami
snadné kvantifikovat. Pohybuje se v širokém rozsahu mezi 34 a 2000 kg sušiny na tunu odstraněného CHSK,
s průměrem 250-720 kg sušiny na tunu odstraněného CHSK [cww/tm/105].
Monitorování
Monitorování biologické čistírny odpadních vod je uvedeno v Příloze 7.3.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady na m3
provozní náklady na m3
náklady
poznámky
Investiční a provozní náklady silně závisí na zařízeních kolem biologické části.
3.3.4.4 Srážkové a požární vody
Popis
Důležitou součástí průmyslových činností je i prevence neregulovaných kapalných odpadů odcházejících z
dané lokality. Proto lze drenážní systém průmyslové lokality rozdělit na povrchovou výrobní část, např.:
•
•
•
nezastřešené plochy výrobního závodu
oblasti se skladovacími nádržemi
střechy vystavené spadu kapalných odpadů
a povrchy s běžným provozem, např.:
154
Kapitola 3
•
•
•
•
cesty v lokalitě
správní oblast
nekontaminované povrchy střech
parkoviště.
Srážková voda z výrobních oblastí a požární voda se jímají buď do jímek na místě nebo do jiných centrálních
zařízení, která umožňují jejich kontrolu a následné rozhodnutí, zda budou vypuštěny přímo do recipientu
nebo do zařízení čistírny. Pozornost je třeba věnovat tomu, aby bylo zajištěno preventivní jímání požární
vody pro případy vzniku požáru.
Drenážní systém v oblastech s běžným provozem je tam kde je to vhodné spojen se speciálními
vypouštěcími zařízeními, která jsou instalována kvůli např.:
•
•
•
ochraně vodního recipientu před hydraulickou zátěží prudkým deštěm z velkých dlážděných ploch
odstranění splachovaných nečistot nahromaděných v důsledku spadu během suchých období
prevenci nežádoucích vypouštění havarijních úniků na cestách, nebo parkovištích.
Tato zařízení se obvykle skládají z oddělení prvního přívalu a zádrže srážkové vody, které se postarají o
odpadní vodu následkem prvního deště po relativně suchém období a dále z oddělení pro úpravu dalších
srážkových vod.
3.3.4.4.1
Retenční rybníky
Popis
Retenční rybník zadržuje stálý objem vody uvnitř určené oblasti a při odstraňování znečišťujících látek
z srážkových vod spoléhá na fyzikální, biologické a chemické procesy. Dále regulují tok srážkové vody,
čímž předcházejí následnému zatížení říčních recipientů. Pokud je nádrž plná, nahrazuje přitékající srážková
voda dosavadní obsah. Velikost nádrže závisí na požadované době hydraulického zdržení. Podle druhu
znečišťujících látek a v závislosti na době hydraulického zdržení může docházet k eutrofizaci. Čas od času
je nutno odstranit sediment.
Voda v nádrži je vypuštěna výpustí, která se skládá z vertikálního hradítka, které je spojeno (uzavírá)
horizontální potrubí, umožňující průtok srážkové vody hrází do recipientu. Výpusť je konstruována tak, aby
umožnila odvádět přebytečnou vodu při zachování stálého objemu. Hradítka jsou obvykle umístěna na hraně
hráze a bývají chráněna česlem, aby nedocházelo k jejich ucpávání.
Aby nedocházelo k rozptýleným emisím z hladiny povrchových nebo havarijních úniků, jsou retenční nádrže
vybaveny zařízením pro separaci / zachycování oleje.
Použití
Retenční rybník se využívá proto, aby se zabránilo hydraulickému přetěžování následných zařízení a aby
bylo možné z srážkových vod odstranit mechanické nečistoty. Tyto nečistoty obsahují sedimenty, organický
materiál a za jistých okolností rozpuštěné sloučeniny kovů a živiny. Retenční rybníky mohou být používány
v průmyslových lokalitách s lehce znečištěnými povrchy.
Nemá žádné limity ani omezení použití.
Výhody a nevýhody
Výhody
•
tam, kde dochází k vypouštění do malých
Nevýhody
•
systémy prvního přívalu nezajišťují žádné
155
Kapitola 3
recipientů, omezují retenční rybníky
možnost záplav a eroze břehů
zadržování úniků, tj. prostoru potřebného
pro dostatečné objemy
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Dosažitelné odstranění znečišťujících látek závisí na zvláštních podmínkách, jako je doba hydraulického
zdržení (HRT) a druh znečišťujících látek. Do jisté míry může v nádrži docházet k sedimentaci a
biologickému rozkladu.
Vlivy do více prostředí
Usazený kal je obvykle nutné likvidovat. Snadno biologicky odbouratelné látky, které se v retenční nádrži
hromadí, mohou způsobovat zápach.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
energie [kWh/m3]
množství
Monitorování
Správná údržba zajistí stálé dobré fungování retenčního rybníku. Ta se skládá z [cww/tm/77]:
•
•
•
•
•
•
odstraňování odpadků a suti
provádění pravidelných kontrol hráze a přepadu z hlediska strukturální neporušenosti stavby a
známek eroze nebo usadivší se fauny
provádění pravidelných oprav hráze, havarijního přepadu, nátoku a odtoku
odstraňování sedimentu a řas
odstraňování dřevin či stromů z hráze, jestliže by ji mohly poškodit
údržba odtokové oblasti.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
3.3.4.4.2
náklady
poznámky
cena 3 hodin práce za měsíc
Pískové filtry
Popis
Speciálním případem použití pískových filtrů je čištění srážkových vod a odstraňování znečišťujících látek
jako jsou nerozpuštěné látky, nerozpuštěné fosfáty a pevné BSK. Jsou velmi účinným nástrojem
odstraňujícím znečišťující látky ze srážkových vod, zatímco jejich flexibilní použití umožňuje úpravy
základní konstrukce, aby odpovídaly místním specifickým požadavkům. Čas od času se filtry propírají, aby
se zbavily nečistot.
Pískové filtry pro čištění srážkových vod se obvykle skládají ze dvou součástí:
•
•
156
sedimentační komory, která odstraňuje plovoucí a těžké sedimenty
filtrační komory, která odstraňuje další nečistoty.
Kapitola 3
Příkladem jsou:
•
•
•
•
•
povrchový bazén s pískovou filtrací
podzemní klenbový pískový filtr
pískový filtr se dvěma příkopy
pískový filtr s kamenným zásobním příkopem
rašelino-pískový filtr.
Použití
Pískový filtr se často používá v průmyslových lokalitách tam, kde není dostatek prostoru pro vybudování
retenční nádrže. Používá se pro čištění srážkové vody z lehce znečištěných povrchů.
Nemá limity ani omezení použití.
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
Nevýhody
•
vysoká účinnost odstranění nečistot
malá prostorová náročnost
látky rozpuštěné ve vodě neodstraňuje, to je
možné pouze adsorpcí
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
NL
1
výkonnost [%]
80-83 1
poznámky
[cww/tm/77]
Vlivy do více prostředí
Vypraný kal musí být likvidován jako odpad.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
energie [kWh/m3]
množství
Monitorování
Výkonnost pískových filtrů lze udržovat častými prohlídkami a pravidelnou výměnou filtračního média.
Nahromaděné odpadky a suť by měly být pokaždé když je to potřeba odstraněny.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
provozní náklady
náklady
poznámky
3.4 Techniky úpravy kalů
Většina procesů čištění odpadních vod vytváří kaly a jejich množství, konzistence a obsah závisí na obsahu
znečišťujících látek v odpadních vodách a technice jejich čištění. Obvykle jsou kapalné, nebo polokapalné,
157
Kapitola 3
s obsahem sušiny mezi 0,25-12 hmotnostními % [cww/tm/4] a obsahují převážně znečišťující látky
odstraněné z odpadních vod. Přebytek aktivovaného kalu z biologické ČOV obsahuje především produkty
rozkladu (mineralizace) a bakteriální tkáň i další zachycené znečišťující látky, jako jsou těžké kovy.
Neupravené kaly není možné vypouštět nebo likvidovat, protože:
•
•
•
obsahují nečistoty ohrožující ovzduší, což brání jejich ukládání
obsahují nečistoty ohrožující vodní recipienty, což brání jejich vypouštění do těchto recipientů
obsahují velké množství vody, což brání jejich spalování kvůli vysoké spotřebě energie.
Kaly, které pocházejí z odpadních vod chemického průmyslu, obvykle nevyhovují zemědělskému využití. To
však závisí na legislativě jednotlivých členských států. Kritickým aspektem je obsah těžkých kovů,
AOX/EOX a dalších persistentních složek kalů.
Operace úpravy kalu z ČOV jsou:
158
•
přípravné operace (v tomto dokumentu nepopisované), jako
- mletí
- míchání nebo smíchávání
- skladování
- odstranění hrubých nečistot (štěrku)
•
operace zahušťování kalů (viz. Sekce 3.4.1), jako
- gravitační zahušťování
- odstředivé zahušťování
- flotační zahušťování (DAF)
- gravitační pásové zahušťování
- rotační bubnové zahušťování.
•
stabilizace kalů (viz. Kapitola 3.4.2), jako
- chemická stabilizace (vápnem)
- termální stabilizace
- anaerobní stabilizace (vyhnívání)
- aerobní stabilizace (vyhnívání)
- dvojitá stabilizace kalu.
•
kondicionace kalů (viz. Kapitola 3.4.2), jako
- chemická kondicionace
- termální kondicionace.
•
techniky odvodňování kalů (viz. Kapitola 3.4.1), jako
- odstředivé odvodňování
- tlakovými pásovými filtry
- filtračními lisy.
Kapitola 3
•
sušící operace (viz. Kapitola 3.4.3), jako
- rotační sušení
- sušení rozprašováním
- sušení ve vznosu
- odpařování
- sušení v násobných topeništích
•
termální oxidace kalů (viz.Kapitola 3.4.3), s využitím technik, jako
- fluidní spalování
- oxidace vzduchem za mokra
- oxidace v hluboké šachtě
- spalování s jiným (např. pevným) odpadem.
•
skládkování kalu v lokalitě (tento dokument jej nepopisuje).
Operace úpravy a trasy likvidace mohou být považovány za jednotlivé možnosti nebo jsou možné jejich
kombinace. Jejich výčet převážně sleduje cestu stupně redukce a v žádném případě není jejich klasifikací
vhodnosti. Je třeba uvést, že dostupnost (či nedostupnost) postupu likvidace může být alespoň na místní
úrovni významnou hnací silou pro výběr techniky čištění odpadních vod.
3.4.1 Zahušťování a odvodňování kalů
Popis
Zahušťování kalů a odvodňování kalů jsou operace, které zvyšují obsah sušiny v kalu a odstraňují část vodní
frakce. Jejich přínosem je mnohonásobné (pěti i vícenásobné) snížení objemu, které usnadňuje následné
operace úpravy a likvidace a snižuje potřebné rozměry a kapacity úpravárenských zařízení. Obojí zpracování
se liší pouze množstvím odstraněné vody.
Obvyklé techniky jsou:
•
•
gravitační zahušťování nebo sedimentace s využitím usazovací nádrže
odstředivé zahušťování (také jako technika odvodňování), ideální pro zpracování koncentrovanějších
nerozpuštěných látel, provozované jako odstředivka s pevným bubnem nebo odstředivka
s neperforovaným košem, znázorněno na Obrázku 3.39
159
Kapitola 3
Obrázek 3.39: Odstředivý zahušťovač kalů
a) odstředivka s pevným bubnem, (b) odstředivka s neperforovaným košem
•
•
•
160
flotační zahušťování s využitím DAF zařízení jak ukazuje Obrázek 3.40
gravitační pásové zahušťování, s využitím gravitačního pásu, pohybujícího se po poháněných
válcích, kde na jeden konec natéká kal do nátokové/distribuční skříně, kal je rýhován a zbrázďován
řadou rádlových čepelí, což umožňuje uvolněné vodě protékat pásem
rotační bubnové zahušťování, kde se jednotka skládá ze systému, upravujícího kal dávkami
polymeru a rotačních válcových sít, kde se polymer a řídký kal míchají aby došlo k flokulaci a poté
bylo možno kal separovat od vodní fáze v rotačních sítových bubnech
Kapitola 3
Obrázek 3.40: DAF zahušťovač pro přebytečný aktivovaný kal
•
odvodňování pásovým filtračním lisem, kde upravený kal vstupuje do gravitační odvodňovací sekce
aby se gravitačně zahustil a oddělil od vody, což je podporováno tlakem, který současně zlepšuje
odvodnění a omezuje zápach; poté se v nízkotlakém sektoru kal stlačuje mezi dvěma porézními pásy
a tak se odstraní další voda (viz. Obrázek 3.41)
Obrázek 3.41: Pásový filtrační lis
•
odvodňování filtračním lisem (kalolisem), kde při vysokém tlaku (0,7-1,5 MPa) dochází k separaci
pevných látek od kapaliny [cww/tm/4], kal je protlačován řadou filtračních pláten, které zadržují
částice ve formě filtračního koláče a filtrát je recyklován do čistírny odpadních vod (viz. Obrázek
3.42).
161
Kapitola 3
Obrázek 3.42: Filtrační lis (kalolis) s rámovými deskami s fixním objemem
Použití
Různé techniky a jejich použití pro kaly s různými vlastnostmi jsou:
gravitační
neupravený primární
kal
přebytečný aktivovaný
kal
směs neupraveného
primárního kalu a
přebytečného
aktivovaného kalu
odstředivá
přebytečný aktivovaný
kal, vyžaduje přídavek
flokulantu a polymerů
DAF
gravitační pás
přebytečný aktivovaný přebytečný aktivovaný
kal
kal, převážně do
koncentrace sušiny
<2%
směs neupraveného
primárního kalu a
přebytečného
aktivovaného kalu,
vyžaduje přídavek
flokulantu a polymerů
tlakový pásový filtr
všechny druhy kalů,
vyžaduje přídavek
flokulantu a polymerů
tlakový filtr
všechny druhy kalů,
vyžaduje přídavek
flokulantu a polymerů
při požadovaném
nízkém obsahu
nerozpuštěných látek ve
filtrátu
162
rotační buben
přebytečný aktivovaný
kal
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
Nevýhody
Gravitační zahušťování
•
•
•
Gravitační zahušťování
výborné výsledky u neupraveného primárního
kalu
gravitační zahušťování obvykle podává
uspokojivé výsledky v malých podnicích
s koncentrací kalů mezi 4-6 %
nízká spotřeba energie
Odstředivé zahušťování
•
•
•
•
u velkých podniků nerentabilní
pro přebytečný aktivovaný kal pouze slabá
koncentrace pevných látek
Odstředivé zahušťování
•
úsporná produkce suchého kalového koláče a
dobré zachycování pevných látek, které je
obtížné filtrovat
poměrně malé prostorové požadavky ve
srovnání s jinými systémy odvodňování
snadná instalace
minimální zápach
DAF zahušťování
•
•
•
•
•
•
vysoká spotřeba energie na jednotku
odvodněného kalu
nejnižší koncentrace pevných látek ze
všech odvodňovacích systémů
hluk a vibrace
vyžaduje kvalifikovaný personál pro
údržbu
DAF zahušťování
dobrá účinnost pro odpadní kal z procesů
biologického čištění
•
•
náchylný k zamrzání (ucpávání
vzduchových trysek)
uvolňuje zapáchající látky (stripovací efekt)
Gravitační pásové zahušťování
•
dobré výsledky u surového a vyhnilých kalů
Rotační bubnové zahušťování
•
malé požadavky na údržbu, energii i prostor
Filtrační pásové lisy
•
•
Filtrační pásové lisy
vysoká účinnost odvodnění
snadná údržba
•
•
•
Filtrační lisy
•
hydraulické limity
velmi citlivý na vlastnosti přicházejícího
kalu
krátká životnost médií ve srovnání s jinými
odvodňovacími zařízeními
Filtrační lisy
vysoká účinnost odvodnění a nízká
koncentrace nerozpuštěných látek ve filtrátu
•
•
•
dávkový provoz
speciální požadavky na nosnou konstrukci,
podlahu a kvalifikaci personálu
omezená životnost filtračních pláten
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
technika
gravitační zahušťování
odstředivé zahušťování
odstředivé odvodňování
DAF zahušťování
gravitační pásové zahušťování
rotační bubnové zahušťování
odvodňování filtračními
pásovými lisy
odvodňování filtračním lisem
koncentrace kalu
[%]
2-10 1,2
3-8 1
10-35 1,2
2-10 2
4-6 2
3-4 1
15-30 1,2
15-30 1,2
zachycené
pevné látky [%]
80-92 1
80-98 1
85-98 1
80-98 1
poznámky
90-98 1
85-98 1
s pod tlakem
s chemikáliemi
20-50 1
90-98 1
s chemikáliemi
závisí na kvalitě kalu
s chemikáliemi
1
[cww/tm/4]
2
[cww/tm/128]
163
Kapitola 3
Vlivy do více prostředí
Zahušťování a odvodňování kalů jsou předčištění, která usnadňují další zpracovávání kalů, tj. výsledný kal
po zahušťování nebo odvodnění potřebuje buď konečnou úpravu, nebo systematické skládkování. Odpadní
voda (supernatant, filtrát) se recirkuluje zpět do ČOV.
Hluk a zápach je třeba omezit zakrytím a/nebo uzavřením zařízení.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný
materiál/energie
upravující chemikálie
propírací voda
množství
polymer 0-4 kg/t sušiny 1
polymer 1-3 kg/t sušiny 1
polymer 2-5 kg/t sušiny 1
polymer 3-7 kg/t sušiny 1
energie [kWh/m3]
1
2-6
2-3
4-5
poznámky
odstředivka s pevným bubnem
odstředivka s košem
DAF
gravitační pás
pro propírání filtrů
odstředivka s pevným bubnem
Filtrační pásový lis
Filtrační lis
[cww/tm/4]
Monitorování
Aby se zabránilo poruchám, je třeba proces zahušťování kontrolovat alespoň vizuálně. Přívod kalu a jeho
konzistenci, stejně jako měření turbidity odpadní vody, je třeba pravidelně monitorovat. Je třeba zjišťovat
bytnění kalu, aby se zabránilo jeho únikům do prostředí.
Pokud se používá citlivé zařízení, jako např. filtrační plátno, je třeba kontrolovat přívod s ohledem na
vstupující nadměrně velké, nebo jinak nebezpečné, pevné látky.
Ekonomika
technika
gravitační zahušťování
odstředivá zahušťování
DAF zahušťování
gravitační pásové zahušťování
rotační bubnové zahušťování
odvodnění filtračním pásovým lisem
odvodnění filtračním lisem
a
3
kapacita 100 m /h
3
kapacita 100 m /d
1
[cww/tm/128]
b
164
náklady
investiční
15 mil. BEF a 1
40 mil. BEF a 1
4 mil. BEF b 1
provozní
8400 BEF /m3 a 1
6-8000 BEF /t sušiny 1
6-8000 BEF /t sušiny 1
6-8000 BEF/t sušiny 1
7-10000 BEF/t sušiny 1
Kapitola 3
3.4.2 Stabilizace a kondicionace
Popis
Stabilizace splaškového kalu čistící operací, která [cww/tm/132]:
•
•
•
•
snižuje nebo odstraňuje obsah zapáchajících složek
snižuje množství biologicky odbouratelných nerozpuštěných látek v kalech, zlepšuje odvodnění
snižuje obsah patogenů
snižuje nebo odstraňuje možnost nekontrolovaného hnití.
Stabilizační techniky jsou [cww/tm/132]:
•
•
•
•
•
chemická stabilizace s využitím především vápna, buď jako předčištění, tj. před odvodněním, nebo
jako následné čištění, tj. po odvodnění, ke zvýšení pH na >12, čímž se dosáhne zničení patogenů
termální stabilizace, zahříváním kalu v tlakové nádobě při teplotách do 260 °C a tlacích do 2,8 MPa,
po dobu zhruba 30 min., také se používá jako technika úpravy
aerobní stabilizace, která probíhá v nádrži – podobná aerobnímu procesu s aktivovaným kalem pro
čištění odpadních vod – se vzduchem nebo čistým kyslíkem a vhodným promícháváním, které o 7580 % snižuje obsah aktivovaného kalu [cww/tm/4]; tato technika je atraktivní možností při
rozhodování pro oddělenou stabilizaci kalu
anaerobní stabilizace, která probíhá v nádrži bez přístupu vzduchu, buď v mezofilním (30-38 °C)
nebo termofilním (49-57 °C) rozsahu teplot, při které se uvolňuje spalitelná směs plynů (65-70 %
metanu, 25-30 % oxidu uhličitého, malé množství dusíku, vodíku, sirovodíku, atd.) s malou
výhřevností, kolem 22 MJ/Nm3
dvojí stabilizace kalů, která spojuje aerobní termofilní a anaerobní mezofilní stabilizaci jako první a
druhý stupeň.
Cílem kondicionace kalů je zlepšení podmínek zahušťování a/nebo odvodnění. Techniky úpravy jsou:
•
•
chemická úprava s využitím např. chloridu železitého, vápna, kamence a organických polymerů
(koagulantů a flokulantů)
termální úprava, zahříváním kalu v tlakové nádobě při teplotách 60-80 °C (úprava zvýšenou
teplotou) nebo 180-230 °C a 1-2,5 MPa (úprava vysokou teplotou)
Použití
Stabilizace a kondicionace se používá pro kaly s organickým obsahem, které mají být zahušťovány a/nebo
odvodňovány. Vhodnost různých technik závisí na specifických podmínkách v lokalitě, např.:
•
•
•
•
dostatečný prostor pro kondicionační nádrže
dostupnost energie, zvláště pro termální techniky
množství vznikajícího kalu
některé techniky jsou vhodnější pro větší čistírny.
165
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
Nevýhody
Chemická stabilizace a kondicionace
•
•
Chemická stabilizace a kondicionace
standardní technika bez větších
technologických požadavků
účinná metoda pro zlepšení následné filtrace
(kondicionace) a pro snížení obsahu
zapáchajících látek a patogenů (stabilizace)
Termální stabilizace a kondicionace
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
vysoké investiční náklady oproti jiným
technikám
vysoká energetická náročnost
důležitým problémem je uvolňování
zápachu
Aerobní stabilizace
Poměrně vysoké omezení těkavých pevných
látek, srovnatelné s anaerobním vyhníváním
vznik bezzápachového, biologicky stabilního
produktu, podobného humusu
poměrně jednoduchý provoz
nižší investiční náklady než u anaerobního
vyhnívání
Anaerobní stabilizace
•
značný nárůst pevných látek (kromě
kondicionace polymery)
Termální stabilizace a kondicionace
malé prostorové požadavky
účinné čištění bez použití dalších chemikálií,
které by umožňovaly odvodnění kalu a ničily
bakterie
nejvhodnější pro biologické kaly, které lze
stabilizovat nebo upravovat jinými způsoby
Aerobní stabilizace
•
•
•
•
•
vysoká spotřeba energie pro míchání a
dodávku vzduchu nebo kyslíku
vytváří vyhnitý kal, který je pro špatné
mechanické vlastnosti těžko odvodnitelný
Proces velmi ovlivňuje teplota, umístění a
materiál nádrže
Anaerobní stabilizace
vzniklý plyn lze po čištění využít např. u
suchých či mokrých praček plynů, jako palivo
pro spalovací procesy
účinný bez dalších chemikálií
díky delší době zdržení dochází k účinné
mineralizaci kalu
•
vysoké prostorové nároky jsou problémem
pro menší podniky
Vlivy do více prostředí
Výsledkem chemické stabilizace a kondicionace je velký nárůst obsahu pevných látek, které mají být
likvidovány, s výjimkou polymerové úpravy. Protože stabilizace vápnem organické látky důležité pro růst
bakterií neničí, kal musí být čištěn přebytkem vápna nebo zlikvidován před tím, než značně poklesne pH.
Předávkování vápnem může dosáhnout až 1,5 násobku množství potřebného pro udržení původního pH 12
[cww/tm/4].
Potřebné množství vápna pro stabilizaci kalu je podrobně uvedeno v Tabulce 3.12 [cww/tm/4], množství
polymeru pro úpravu kalu pak v Tabulce 3.13 [cww/tm/4].
kal
primární kal
odpadní aktivovaný kal
aerobně stabilizovaná směs kalů
septikový kal
a
koncentrace pevných látek
[%]
3-6
1-5
6-7
1-4,5
množství vápna potřebného pro udržení pH 12 po dobu 30 minut
Tabulka 3.12: Obvyklé dávkování vápna pro stabilizaci kapalných kalů
166
a
dávkování vápna
[kg vápna/kg sušiny]
120-340
420-860
280-500
180-1020
Kapitola 3
kal
primární kal
primární a přebytečný aktivovaný kal
primární kal a kal ze skrápěného filtru
přebytečný aktivovaný kal
anaerobně stabilizovaný primární kal
anaerobně stabilizovaný primární a vzduchem
aktivovaný přebytečný kal
aerobně stabilizovaný primární kal a vzduchem
aktivovaný přebytečný kal
kg suchého polymeru/t sušiny
podtlakový rotační Tlakový pásový
odstředivka
bubnový filtr
lis
s pevným válcem
1-5
1-4
0,5-2,5
5-10
2-8
2-5
1,3-2,5
2-8
7,5-15
4-10
5-8
3,5-7
2-5
3-5
1,5-8,5
1,5-8,5
2-5
7,5-10
2-8
-
Tabulka 3.13: Obvyklé úrovně přidávaného polymeru pro různé typy kalu a pro různé metody
odvodňování
Hlavním problémem stabilizace aktivovaného kalu je spotřeba vzduchu nebo kyslíku, která se pohybuje
kolem 2,3 kg O2 na kg rozložených pevných látek (rozložené sušiny).
Při anaerobní stabilizaci se tvoří spalitelný plyn, který se může používat jako palivo, ale protože obsahuje
drobné částice a sirovodík, musí být před použitím čištěn. Vhodné techniky čištění odpadních plynů jsou
suché nebo mokré praní plynů. Ve velkých podnicích se dá použít jako palivo pro kotel a motory s vnitřním
spalováním.
Termální stabilizace a kondicionace jsou energeticky náročnými procesy, které je třeba hodnotit podle
přínosů v každé jednotlivé situaci. Během jejich provozu dochází k tvorbě a uvolňování zapáchajících látek,
které je třeba vhodně zpracovávat.
Ekonomika
technika
náklady
investiční
provozní
chemická stabilizace
termální stabilizace / kondicionace
anaerobní stabilizace
chemická kondicionace
3.4.3 Termální redukce kalů
Popis
Termální redukce kalů se dělí podle dvou způsobů použití:
•
•
sušení teplem snižuje obsah vody jejím odpařováním
oxidace sušeného kalu mineralizuje organický obsah.
Sušící zařízení, které se běžně požívají, jsou:
•
•
•
•
•
rotační sušičky
rozprašovací sušičky
rychlosušičky (sušení ve vznosu)
odparky
multiple hearth driers.
167
Kapitola 3
Následná oxidace sušeného kalu přeměňuje obsažené organické pevné látky na oxidované konečné
produkty, především oxid uhličitý a vodu, odstraněnou jako plyn, a ponechává silně snížený objem převážně
anorganických pevných látek - sušiny. Termálně redukované kaly jsou obvykle odvodněné a neupravené, tj.
nestabilizované, kaly. Stabilizační procesy, např. anaerobní stabilizace, snižují obsah těkavých látek v kalu a
následně rovněž zvyšují požadavky na pomocné palivo. Tepelně upravované kaly se velmi dobře odvodňují,
kal se stává samospalitelným [cww/tm/4].
Běžně používané techniky termální oxidace (nebo spalování) kalů jsou:
•
fluidní spalování (viz. Obrázek 3.43), spaluje kaly, skládá se z válcového ocelového pláště, který
obsahuje pískové lože a trysky vhánění fluidního vzduchu; lože je fluidizované vzduchem při tlaku
20-35 kPa, teplota pískového lože se udržuje mezi 760-820 °C [cww/tm/4]; pokud proces probíhá
kontinuálně nebo s krátkými přestávkami, nevyžaduje po spuštění pomocné palivo [cww/tm/4].
Touto technikou by se měl zabývat BREF, který se bude týkat spalování odpadů a zatím není
napsán.
Obrázek 3.43: Fluidní spalovací pec [cww/tm/4]
168
Kapitola 3
•
•
oxidace vzduchem za mokra, popsaná v Kapitole 3.3.4.2.4 která se používá pro neupravený kal,
teplota se pohybuje mezi 175-315 °C a tlaky do 20 MPa; plyny, kapaliny a popel opouštějí reaktor,
plyny mohou být expandovány aby se rekuperovala jejich energie.
oxidace v hluboké šachtě (viz. Obrázek 3.44), tj. odstraňování tekutého kalu v prostředí
s regulovaným tlakem a teplotou v trubko-plášťovém reaktoru, uloženém v hluboké šachtě, kyslík
nebo vzduch je injektován do proudu odpadního kalu při teplotě kolem 290 °C, tlaku u dna mezi 1014 MPa (hydrostatický tlak); je speciální variantou oxidace vzduchem za mokra.
Obrázek 3.44: Oxidační reaktor v hluboké šachtě [cww/tm/4]
•
spalování s dalšími odpady, snižuje náklady díky využití stejného zařízení a využití tepla, které se
uvolňuje spalováním odpadu, zčásti pro odpařování vody, obsažené v kalu. Bude se jím
pravděpodobně zabývat BREF o spalování odpadu.
Všechny techniky vyžadují další čištění uvolněných plynů a kapalin.
Použití
Termální redukce kalů není technologií, která by měla být nutně provozována v chemické lokalitě.
V takovém rozsahu kal obvykle upravují pouze velké lokality a ostatní přenechávají své kaly externím
zpracovatelům. Důvodem je potřeba kvalifikovaného personálu, velké investiční náklady a náklady na
údržbu. Zisk z vyráběného tepla pak je obvykle pouze ve větších podnicích nebo tam, kde je zařízení již
v provozu.
Například spalování s ostatními odpady se týká lokalit, kde se spalování odpadů již provádí, za předpokladu,
že spalovací pec je k tomu vhodná, nebo tam, kde se vybudování pece plánuje.
169
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
Spalování
• účinně likviduje organický obsah kalu
Spalování s ostatním odpadem
• teplo pro odpařování vody a spalování kalu
vzniká spalováním pevného odpadu,
nevyžaduje palivo pomocné
Oxidace vzduchem za mokra
• proces může být navržen tak, aby byl tepelně
soběstačný, občas umožňuje rekuperaci
energie
Reaktor v hluboké šachtě
• malé prostorové nároky
• vysoká účinnost odstranění nerozpuštěných
látek a organického materiálu
• proces je zcela exotermní
• malé emise zápachu nebo nepříjemných
emisí do vzduchu
Nevýhody
Spalování
• komplexní proces vyžadující kvalifikovaný
personál
• běžně se přidává pomocné palivo
• emise plynů a zápachu
Spalování s ostatním odpadem
• může vést k vysokým emisím PCDD/PCDF a
těžkých kovů, pokud nejsou podmínky
spalování a čištění kouřových plynů
přizpůsobeny dané směsi (např. primární
opatření pro snížení obsahu dioxinů,
sekundární opatření pro snížení obsahu jak
dioxinů, tak těžkých kovů)
Oxidace vzduchem za mokra
• produkce velmi silného recyklačního výluhu
• komplexní proces vyžadující kvalifikovaný
personál
Reaktor v hluboké šachtě
• regulace procesu vyžaduje kvalifikovaný
personál
Vlivy do více prostředí
Hlavními environmentálními problémy, které termální redukce kalů přináší, jsou emise plynů a kapalin,
které vznikají v průběhu procesu.
Plynné emise z fluidního spalování obsahují tuhé znečišťující látky (popeloviny), oxidy dusíku, kyselé plyny,
uhlovodíky, těžké kovy a to v závislosti na složení kalu a složení pomocného paliva. Techniky mokrého
praní (podrobnosti v Kapitole 3.5.1.) se používají k odstranění látek znečišťujících ovzduší z těchto plynů.
Vodní odpady z mokrého praní je třeba čistit, protože obsahují nerozpuštěné látky a rozpuštěné odpadní
plyny. Emise do ovzduší a vypouštěné odpadní vody by měly splňovat požadavky Směrnice pro spalování
odpadů 2000/76/EC [cww/tm/155], Přílohy II, IV a V.
Při fluidním spalování není u dna reaktoru žádný suchý popel; odchází s kouřovými plyny.
Při procesu oxidace vzduchem za mokra z reaktoru odchází plyny, kapaliny i popel. Kapalina s popelem se
vrací tepelnými výměníky k předehřívání přiváděného kalu, z plynů se v cyklónu separují tuhé znečišťující
látky a kapičky kapalin a poté se vypouští. Ve velkých zařízeních může být ekonomicky výhodné
expandovat plyny turbínou a rekuperovat tak energii [cww/tm/4]. Z kapalné fáze se separují pevné látky a
vrací se do usazovací nádrže nebo klarifikátoru. Organická zátěž recyklované kapaliny je značná. Obvykle se
pohybuje kolem 10-15 g CHSK/l.
Oxidace v hluboké šachtě vyžaduje následnou separaci plynů/kapalin a pevných látek/kapalin i další čištění
supernatantu. Toto čištění snižuje obsah CHSK v kalu o více jak 80 % [cww/tm/4].
Energetická náročnost termální redukce kalů velmi závisí na jejich výhřevnosti, tj. obsahu vody a
výhřevnosti sušiny.
170
Kapitola 3
Monitorování
Proces spalování (pec) je obvykle ovládán řídicím systémem a je monitorován:
•
•
•
•
měřením objemu
měřením teploty
měřením tlaku
analýzami.
Regulační mechanismy zajišťují udržování určité teploty ve spalovací zóně a kouřové plyny dosahují přesné
koncentrace kyslíku. Zajištění optimální doby zdržení, přebytku vzduchu a teploty umožňuje úplné spalování
kalů na malé množství popela.
Monitorování se dále má řídit Články 10 a 11 a Přílohou III Směrnice 2000/76/EC o spalování odpadů
[cww/tm/155].
Ekonomika
typ nákladů
fluidní spalování
oxidace vzduchem za mokra
oxidace v hluboké šachtě
spalování s ostatním odpadem
náklady
poznámky
171
Kapitola 3
3.5 Koncové techniky čištění odpadních plynů
Koncové techniky čištění odpadních plynů jsou zde popsány v podobném pořadí, jaké zvoleno pro koncové
techniky čištění odpadních vod. Vztah mezi znečišťující látkou a obvyklým čištěním, jak zdůrazňuje Sekce
1.3.2.2, ukazuje Obrázek 3.45.
Obrázek 3.45: Rozsah koncových technik čištění odpadních plynů podle vztahu k druhu znečišťujících
látek
Odpadní plyny, které je třeba čistit, pochází z:
172
Kapitola 3
•
•
procesů za „normální“ teploty, jako je výroba, manipulace nebo procesy zpracování, s těmito
hlavními znečišťujícími látkami:
- těkavé organické látky, např. rozpouštědla
- anorganické sloučeniny, např. halogenvodíky, sirovodík, amoniak, oxid uhelnatý
- tuhé znečišťující látky ve formě prachu
procesů spalování, s následujícími hlavními znečišťujícími látkami:
- tuhé znečišťující látky ve formě popela a prachu, které obsahují saze, oxidy kovů
- kouřové plyny, např. oxid uhelnatý, halogenidy vodíku, sloučeniny síry a kyslíku (SOx),
sloučeniny dusíku a kyslíku (NOx).
Vzniklé odpadní plyny se čistí technikami, které:
•
•
rekuperují látky obsažené v odpadních plynech a buď je recyklují do původního procesu, nebo je
využívají v jiných procesech jako surovinu nebo zdroj energie nebo
snižují obsah znečišťujících látek.
Mezi sloučeniny, které mohou být obvykle ekonomicky výhodně rekuperovány, patří:
•
•
•
•
•
•
VOC, rekuperované z par rozpouštědel nebo par produktů s nízkým bodem varu
VOC, používané jako zdroj energie ve spalovacích pecích nebo kotlích
chlorovodík, přeměněný na kyselinu chlorovodíkovou
amoniak k recyklaci do výrobního procesu
oxid siřičitý, přeměněný na kyselinu sírovou, síru nebo sádru
prach, obsahující větší množství pevných výchozích produktů nebo koncových produktů.
Techniky čištění, dle Obrázku 3.45, se klasifikují takto:
•
•
techniky rekuperace VOC a anorganických sloučenin:
- membránová separace (viz. Sekce 3.5.1.1)
- kondenzace (viz. Sekce 3.5.1.2)
- adsorpce (viz. Sekce 3.5.1.3)
- mokré praní (viz. Sekce 3.5.1.4)
techniky snižující obsah VOC a anorganických sloučenin:
- biologická filtrace (viz. Sekce 3.5.2.1)
- biologické praní (viz. Sekce 3.5.2.2)
- biologické skrápění (viz. Sekce 3.5.2.3)
- termální oxidace (viz. Sekce 3.5.2.4)
- katalytická oxidace (viz. Sekce 3.5.2.5)
- spalování v polních hořácích (viz. Sekce 3.5.2.6)
•
techniky rekuperace a snižování obsahu tuhých znečišťujících látek, používající:
- odlučovač (viz. Sekce 3.5.3.1)
- cyklón (viz. Sekce 3.5.3.2)
- elektrostatický odlučovač (viz. Sekce 3.5.3.3)
- pračku prachu (viz. Sekce 3.5.3.4)
- textilní filtr, včetně filtru keramického (viz. Sekce 3.5.3.5)
- katalytický filtr (viz. Sekce 3.5.3.6)
- dvoustupňový prachový filtr (viz. Sekce 3.5.3.7)
- absolutní filtr (HEPA filtr) (viz. Sekce 3.5.3.8)
- vzduchový filtr s vysokou účinností (HEAF) (viz. Sekce 3.5.3.9)
- mlhový filtr (viz. Sekce 3.5.3.10).
•
techniky rekuperace a snižování obsahu odpadních plynů ze spalování:
173
Kapitola 3
-
vstřikování suchého sorbentu (viz. Sekce 3.5.4.1)
vstřikování polosuchého sorbentu (viz. Sekce 3.5.4.1)
vstřikování mokrého sorbentu (viz. Sekce 3.5.4.1)
selektivní nekatalytická redukce NOx (SNCR) (viz. Sekce 3.5.4.2)
selektivní katalytická redukce NOx (SCR) (viz. Sekce 3.5.4.2).
Většinu technik čištění není možné klasifikovat jednoduše jako techniky rekuperace nebo snižování obsahu,
protože to, zda je znečišťující látka rekuperována, závisí na použití dalších stupňů separace.
Některé z popsaných technik jsou samostatnými operacemi a/nebo procesy, jiné se používají pouze jako
metody sekundárního předčištění, které zabraňují poškození hlavního čistícího zařízení nebo se používají pro
předfiltrování či jako konečný dočišťovací stupeň. Některé je možné využít oběma způsoby, samostatně i
sekundárně. Příklady budou uvedeny v následujících sekcích této kapitoly.
Většina technik čištění odpadních plynů vyžaduje další následné čištění buď proto, že při své činnosti vytváří
odpadní vody nebo odpadní plyny, a/nebo pro likvidaci pevných odpadů.
3.5.1 Techniky rekuperace VOC a anorganických sloučenin
3.5.1.1 Membránová separace
Popis
Membránová separace plynů využívá selektivní propustnost organických par při průchodu membránou.
Organické páry membránou procházejí mnohem lépe, než kyslík, dusík, vodík nebo oxid uhličitý (10-100
krát více [cww/tm/74]). Tok odpadních plynů je stlačen a prochází přes membránu. Obohacený permeát
může být rekuperován metodami, jako například kondenzací (viz. Sekce 3.5.1.2) nebo adsorpcí (viz. Sekce
3.5.1.3), nebo je možné snížit jeho obsah, např. katalytickou oxidací (viz. Sekce 3.5.2.5). Tento proces je
nejvhodnější pro koncentrovanější páry. V mnoha případech je vyžadováno doplňující čištění, kterým se
dosáhne dostatečně nízkých úrovní koncentrace, aby bylo možno plyn vypustit do ovzduší [cww/tm/80].
Membránové separátory jsou konstruovány modulově, např. jako kapilární moduly (viz. Obrázek 3.46)
[cww/tm/64], vyrobené jako vrstva polymeru.
Obrázek 3.46: Běžný membránový kapilární modul
Systém membránové separace se skládá z (viz. Obrázek 3.47):
174
Kapitola 3
•
•
•
•
•
membránových modulů
kompresoru
rekuperační jednoty (např. kondenzátor, adsorbér)
ventilů a potrubí
případného druhého stupně pro další čištění.
Obrázek 3.47: Schéma obvyklého zařízení membránové separace
Aby vznikl potřebný rozdíl tlaků mezi vstupní stranou membrány a stranou permeátu (0,1-1MPa), systém
funguje buď s přetlakem na straně vstupu nebo s podtlakem (kolem 0,2 kPa) na straně permeátu nebo se
využívá obojí [cww/tm/64].
Při nárůstu koncentrace výparů v membránové jednotce může úroveň koncentrace stoupnout nad mez
výbušnosti a tak vytvořit výbušnou směs. Je proto důležité zajistit bezpečnost především tak, že se těmto
situacím zabrání nebo se riziko zvládne.
Příklad membránového separačního procesu, rekuperační jednotka par (VRU), je na Obrázku 3.48. Druhý
stupeň čištění (PSA, viz. Sekce 3.5.1.3) zde zlepšuje emise podle stanovených emisních požadavků.
Použití
Membránová separace se používá např. v chemickém průmyslu, petrochemickém průmyslu, rafinériích a
farmaceutickém průmyslu pro rekuperaci výparů rozpouštědel nebo výparů paliv (benzínu) z odpadních
plynů nebo znečištěného vzduchu. Příklady rekuperace [cww/tm/74] jsou:
•
•
•
•
•
olefinové monomery z toků odplyňování polyolefinových pryskyřic
vinylchlorid z výroby PVC
výpary rozpouštědel a uhlovodíků z plnění nádrží
uhlovodíkové z rafinérských toků plynů z výdechů a plynných paliv
vodík z rafinérského odpadního plynu.
175
Kapitola 3
Obrázek 3.48: Použití membránové separace jako rekuperační jednotky výparů (VRU)
Rekuperovatelné sloučeniny zahrnují:
•
•
•
•
•
•
•
•
alkany
olefiny
aromatické sloučeniny
chlorované uhlovodíky
alkoholy
étery
ketony
estery.
Limity a omezení použití:
tok odpadních plynů
teplota
tlak
obsah prachu
koncentrace VOC
limity / omezení
závisí na velikosti povrchu membrány, známy jsou kapacity 2100-3000 Nm3/h
teplota okolí, závisí na materiálu membrány
závisí na materiálu membrány
velmi nízký, může poškodit povrch membrány, proto je potřeba koncentrace
prachu předem velmi snížit
do 90 %
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
176
umožňuje opětovné použití surovin
samotný provoz je jednoduchý
během procesu nevzniká žádný odpad
Nevýhody
•
•
vyžaduje následné stupně úpravy a/nebo
čistící stupně
riziko exploze
Kapitola 3
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnosti
parametr
uhlovodíky
VOC
a
1
účinnost [%]
90-99 1,a
do 99,9 1,a
poznámky
proces rekuperace uhlovodíků, s předchozí kondenzační jednotkou
rekuperace VOC, s předchozí i následnou kondenzační jednotkou
pro roztokové membrány
[cww/tm/74]
Vlivy do více prostředí
spotřebovávaný materiál/energie
materiál membrány
chladící médium
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [MPa]
1
2
množství
250 1
0,1-1 2
poznámky
zahrnuje elektrickou energii pro ventilátor
[cww/tm/70]
[cww/tm/64]
Membránová separace se často používá jako stupeň, zvyšující koncentraci pro usnadnění další rekuperace
nebo čištění, např.:
•
•
zvýšení koncentrace VOC v plynné fázi zvyšuje rosný bod toku odpadních plynů, takže usnadňuje
následnou kondenzaci, čímž šetří peníze
spalování koncentrovaných odpadních plynů snižuje spotřebu pomocného paliva.
VOC z procesů membránové separace, při kterých nevznikají žádná rezidua, se obvykle recykluje. Může
však být příčinou odpadu v následujícím stupni čištění v závislosti na použité technice. Emise reziduí mohou
pocházet z chladících vod nebo z čištěného toku odpadních plynů. Tyto toky plynů se vypouštějí buď
komínem do ovzduší, nebo do následného stupně čištění odpadních plynů, jakým je adsorpce nebo spalování.
Monitorování
Účinnost systému membránové separace je určována monitorováním koncentrace VOC před a za systémem
membrán. VOC můžeme použitím detektoru ionizace plamene měřit jako celkový obsah uhlíku. Výkonnost
se zlepšuje regulací koncentrace VOC na obou stranách membrány. Z důvodů bezpečnosti je třeba pečlivě
kontrolovat poměr VOC/kyslík (nebezpečí exploze).
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
provozní náklady
pracovní síla
dodávky ze sítí
1
náklady
300000 EUR 1
1500 EUR /rok 1
60000 EUR/rok na 1000 Nm3/h 1
poznámky
systém čištění 200 Nm3/h
4 dny za rok
[cww/tm/70]
Průtok odpadních plynů a technická provozní životnost membrány jsou parametry, které ovlivňují náklady.
Přínosem jsou rekuperované VOC.
Náklady na systém se různí podle požadované cílové rekuperace, kapacity a konstrukce. Udávaná doba
návratnosti, spojená s vysoce kvalitními produkty, bývá čtyři měsíce až jeden rok při dobrých podmínkách
[cww/tm/74]. Může se ale naopak stát, že návratnost nebude žádná. V porovnání s jednostupňovou
membránovou separací by se jako hospodárnější mohla vyhodnotit kombinace s jiným procesem (např.
adsorpcí nebo absorpcí).
3.5.1.2 Kondenzace
177
Kapitola 3
Popis
Kondenzace je technika, která odstraňuje výpary rozpouštědel z toku odpadních plynů tak, že je ochladí pod
teplotu rosného bodu.
Existují různé metody kondenzace, které se liší rozsahem provozních teplot:
•
•
•
•
•
•
kondenzace chladícím médiem, do kondenzační teploty kolem 25 °C
„ledničková“ kondenzace, do kondenzační teploty kolem 2 °C
solanková kondenzace, do kondenzační teploty kolem –10 °C
čpavková selanková kondenzace do kondenzační teploty kolem –40 °C (jednostupňová) nebo –60 °C
(dvoustupňová)
kryogenní kondenzace, do kondenzační teploty kolem –120 °C, v praxi často s –40 až –80 °C
v kondenzátoru
kondenzace s inertním plynem v uzavřeném cyklu.
Ke kondenzaci dochází přímým chlazením (tj. kontaktem plynu s chladící kapalinou) nebo nepřímým
chlazením (tj. chlazením pomocí tepelného výměníku). Nepřímé kondenzaci se dává přednost, protože přímá
kondenzace vyžaduje dodatečný separační stupeň. Rekuperační systémy se liší složitostí, od jednoduchých
kondenzátorů po složité. Multikondenzátorové systémy se konstruují tak, aby umožňovaly maximální
rekuperaci energie a par [cww/tm/71].
Kondenzace s inertním plynem v uzavřeném cyklu je konstruována pro systémy s uzavřeným cyklem a
současně s vysokými koncentracemi výparů. Stálý objem inertního plynu, obvykle dusíku, je neustále
recyklován mezi pecí a kondenzační jednotkou. Podíl směsi dusík/výpary stále prochází do rekuperačního
modulu, kde řada tepelných výměníků výpary ochlazuje a kondenzuje [cww/tm/71].
Konstrukce a provoz kondenzátorů velmi závisí na chladícím médiu, které je v procesu použito. Některé
příklady jsou:
•
kondenzátory chlazené kapalinou (tj. ty, které nejsou kryogenní) mají dva typy tepelných výměníků:
Konvenční tepelný výměník trubky v plášti [cww/tm/71], který je chlazen buď vodou nebo
vzduchem. Účinnost kondenzace umožňuje zlepšit dvoustupňový provoz, přičemž v prvním stupni je
použita voda a ve druhém stupni se jako chladící médium používá chlazená kapalina (voda, solanka,
atd.). Takový dvoustupňový systém se skládá z (viz. Obrázek 3.49) [cww/tm/71]):
• rekuperátoru, který jako chladivo využívá studený tok vyčištěného plynu
• předchlazení dalšího chlazení, které využívá studenou vodu nebo chladný tok vyčištěného plynu
• hlavního chladícího kondenzátoru
• ventilů a potrubí.
Další možností je částečná kondenzace při jen o málo vyšší teplotě, po které se za pomoci různých
technik z toku plynů odstraní zbylé VOC, např. adsorpcí (viz. Sekce 3.5.1.3).
Pro minimalizaci vzniku aerosolů lze použít serii kondenzátorů, stejně jako odmlžovací zařízení
(demister) podporované snížením rychlosti plynu v kondenzátoru.
178
Kapitola 3
Obrázek 3.49: Dvoustupňový kondenzační systém
Spirálový tepelný výměník [cww/tm/71], který se skládá ze dvou dlouhých pásů plechu navinutých
tak, aby tvořily pár souosých spirálových kanálů. Chladící médium vstupuje obvodovou tryskou, točí
se do středu a vychází potrubím do výstupní trysky na obvodu. Výpary vstupují dnem kondenzátoru
a protékají vzhůru křížově proti toku chladiva.
Pokud se využívá chladících věží a/nebo se používá povrchová voda, pak mají tepelné výměníky
tendenci se zanášet, což vyžaduje zavedení programu proplachování a/nebo vhodnou úpravu chladící
vody.
Pokud jsou přítomny kyselé nebo zásadité složky, je možné zvážit recirkulační systém, který by
dávkoval buď kyseliny nebo zásady.
•
Kryogenní kondenzace má umožnit kondenzaci výparů VOC na povrchu kondenzátoru. Jako
chladící médium se zde používá odpařovaný kapalný dusík. Odpařovaný dusík má zajistit inertní
atmosféru. Variantou je kondenzace v inertní atmosféře, tj. kondenzace v dusíku, která umožňuje,
aby plyn obsahoval vyšší koncentrace VOC. Příklady kryogenní kondenzace jsou na Obrázku 3.50 a
3.51 [cww/tm/71].
Obrázek 3.50: Rekuperační systém kryogenní kondenzace spojený s obvyklým provozem ochranné
dusíkové atmosféry
179
Kapitola 3
Obrázek 3.51: Systém kryogenní rekuperace v inertní atmosféře
Kryogenní kondenzační systém se skládá z:
•
předkondenzace, s využitím chlazené vody nebo glykolu
hlavního provozního kondenzátoru(ů)
provozního ekonomizéru
dusíkového ekonomizéru
odpařovače dusíku
potřebných výdechů a potrubí.
Typický kondenzační systém s inertním plynem v uzavřeném cyklu se skládá z (viz. Obrázek 3.52
[cww/tm/71]):
- tepelného výměníku, předchlazujícího tok plynů
- hlavního kondenzátoru, mechanicky chlazeného až na –40 °C
- separátoru rozpouštědla, zdroje dusíku.
Použití
Kondenzace chladícím médiem
Kondenzace chladícím médiem se používá pro více či méně nasycené toky plynů (tj. s vysokou teplotou
rosného bodu) těkavých sloučenin (organických a anorganických) a zapáchajících látek, které se odstraňují
z vodou nasyceného toku plynu tak, že kondenzovaná voda působí jako absorbent (za předpokladu, že jsou
rozpustné ve vodě).
Základní použití kondenzace chladícím médiem je předčištění nebo následné čištění pro předchozí nebo
následná zařízení čistící odpadní plyny. Odstranění hlavní zátěže VOC pomáhá čistícím zařízením jako jsou
adsorbéry (viz. Sekce 3.5.1.3), pračky plynů (viz. Sekce 3.5.1.4), spalovací pece (viz. Sekce 3.5.2.4).
Kondenzace je na druhé straně vhodným následným čištěním koncentrovaných toků plynů z např.
membránové separace (viz. Sekce 3.5.1.1) nebo stripování odpadních vod (viz. Sekce 3.3.4.2.14) a destilace
(viz. Sekce 3.3.4.2.12).
180
Kapitola 3
Obrázek 3.52: Běžný kondenzační systém s inertním plynem v uzavřeném cyklu
Limity a omezení použití [cww/tm/71]:
tok plynů
teplota vstupního plynu
obsah vody
tlak
prach
zápach
amoniak
limity / omezení
100-100000 Nm3/h
50-80 °C
plyn při kondenzaci pod 0 °C nesmí zásadně obsahovat vodu
atmosférický
<50 mg/Nm3 (nepřilnavý)
>100000 ou/Nm3
200-1000 mg/Nm3
Kryogenní kondenzace
Kryogenní kondenzace se používá na všechny VOC a těkavé anorganické znečišťující látky, bez ohledu na
jejich jednotlivé tlaky par. Nízké tlaky umožňují velmi vysokou kondenzační účinnost a proto tato
kondenzace dobře vyhovuje jako konečné snižování emisí VOC. Teploty pod bodem tuhnutí vody na druhou
stranu vyžadují, aby přiváděné plyny neobsahovaly vodu. Tato kondenzace je schopna přizpůsobovat se
změnám průtoku VOC a dávkování rozpouštědla a může rekuperovat prakticky všechny druhy VOC i za
proměnlivých podmínek. Tato pružnost techniku zvýhodňuje především pro snižování obsahu VOC
ve víceúčelových závodech s více výrobky, které mají dávkové i kontinuální procesy [cww/tm/150].
181
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
limity / omezení
do 5000 Nm3/h
do 80 °C
2-600 kPa 1
tok plynů
teplota vstupního plynu
tlak
1
[cww/tm/70]
Výhody a nevýhody
Výhody
Nevýhody
Kondenzace chladícím médiem
• kompaktní technologie
• dobré řízení procesu, emise lze spočítat
alespoň přibližně
• následná čistící zařízení jsou zbavena
vysoké zátěže a mohou pracovat úsporněji
• rekuperace rozpouštědla za předpokladu,
že tok plynu neobsahuje těžko
separovatelnou směs VOC
• umožňuje rekuperaci tepla
Kryogenní kondenzace
• kompaktní technologie
• rekuperace organických rozpouštědel za
předpokladu, že je možné je separovat od
kondenzované směsi
• vysoká účinnost odstraňování VOC
• recykluje plynný dusík
• dobré řízení procesu, emise lze spočítat
alespoň přibližně
Kondenzace chladícím médiem
• množství chladící vody je problémem
v oblastech s nedostatkem vody
• účinnost je velice závislá na průtoku plynů
a jejich složení
• vyžaduje následný stupeň zpracování a/nebo
čištění
Kryogenní kondenzace
• nevhodná pro toky vlhkých plynů kvůli
tvoření ledu, který brání přenosu tepla
• vyžaduje zařízení vyrábějící dusík nebo
externí dodávku dusíku
• chladící média s teplotou nižší než 0 °C
mohou způsobovat námrazu na tepelném
výměníku
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Kondenzace chladícím médiem
parametr
zápach
amoniak
1
účinnost [%]
úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
60-90 1
20-60 1
poznámky
na počátku > 100000 ou/Nm3
na počátku 200-1000 mg/Nm3
[cww/tm/70]
Kryogenní kondenzace
parametr
dichlormetan
toluen
methyl ethyl keton
(MEK)
aceton
metanol
VOC
1
[cww/tm/70]
182
účinnost [%]
20-60 1
úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
<20-<40 1
<100 1
<150 1
poznámky
při –95 °C, na počátku 20-1000 g/Nm3
při –65 °C, na počátku 20-1000 g/Nm3
při –75 °C, na počátku 20-1000 g/Nm3
<150 1
<150 1
1000-5000 1
při –86 °C, na počátku 20-1000 g/Nm3
při –60 °C, na počátku 20-1000 g/Nm3
na počátku 200-1000 g/Nm3
Kapitola 3
Vlivy do více prostředí
Kondenzace chladícím médiem
spotřebovávaný materiál/energie
chladící medium (vzduch, voda,
solanka, amoniak-solanka)
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
množství
0,1-0,2 1
poznámky
velmi závisí na jednotlivých
aplikacích
ventily, čerpadla, chladící zařízení
[cww/tm/70]
Množství odpadní vody, která vzniká při kondenzaci je přímo úměrné množství kondenzátu, které je naopak
přímo úměrné vlhkosti a zvolené teplotě chlazení. Typické rozsahy složení kondenzátu jsou:
•
•
kondenzace VOC:
200-1000 mg/l CHSK
kondenzace amoniaku /aminů: 400-2000 mg/l Kjeldahl-N.
Kryogenní kondenzace
spotřebovávaný materiál/energie
dusík jako chladící medium
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
množství
10-15 kg/kW chlazení 1
70
2-5 2
poznámky
závisí na uspořádání podniku, typu
rozpouštědla, atd.
vstupní teplota 80 °C, výstupní
teplota –70 °C
1
[cww/tm/71]
2
[cww/tm/70]
Dále se spotřebovávají:
•
•
pára pro rozehřívání zmrzlého kondenzátoru kvůli vlhkosti v toku odpadních plynů
suchý stlačený vzduch pro pneumatické operace.
Kondenzát může být opět použit, znovu zpracován nebo likvidován.
Spotřeba kapalného dusíku se dělí na:
•
•
záložní provoz (pro udržování teploty)
chlazení přiváděného plynu do kondenzátoru.
Po kondenzačních procesech jsou koncentrace VOC stále ještě vysoké a může být proto vyžadováno další
čištění odpadních plynů s obsahem VOC (např. adsorpcí nebo spalováním).
Cyklická kondenzace s inertním plynem
spotřebovávaný materiál
dusík jako inertní plyn, pro bezpečnostní
proplachování a/nebo chlazení
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
množství
1-2 tuny/den 1
poznámky
ventily, čerpadla, chladící zařízení
[cww/tm/71]
183
Kapitola 3
Monitorování
Účinnost kondenzačního systému, jako systému čistícího vzduch, může být ovlivňována monitorováním
koncentrace par rozpouštědla před a po kondenzaci. VOC mohou být měřeny jako celkový obsah uhlíku,
kromě tuhých znečišťujících látek, s použitím detektoru ionizace plamene. Účinnost snižování zapáchajících
emisí se určuje na základě odebraných náhodných vzorků ve vhodných místech a jejich následnou analýzou
pomocí olfaktometrie. Kryogenní systémy vyžadují monitorování poklesu tlaku.
Kryogenní systémy používají běžné programovatelné logické regulátory (PLC) pro regulaci dusíku,
potřebného do chlazení. Za předpokladu, že poplachové systémy jsou správně nastavené a obsluha při každé
směně provádí pravidelné rutinní kontroly, by měl být umožněn automatický provoz zařízení.
V systémech cyklické kondenzace inertním plynem se navíc provádí kyslíková analýza, která zajišťuje, že
inertní atmosféra v toku, který vychází z pece, obsahuje z bezpečnostních důvodů méně než 5 % kyslíku.
Pokud je obsah kyslíku příliš vysoký, vstřikuje se dusík, který inertní atmosféru obnoví [cww/tm/71].
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady a
provozní náklady:
na pracovní síly
a
kondenzace chladícím
médiem
5000 EUR b 1
2 hodiny týdně
+ 1 pracovní den za rok 1
náklady
kryogenní kondenzace
kondenzace s inertním
plynem v uzavřeném cyklu
500000 EUR c 1
1 pracovní den týdně 1
3
na 1000 Nm /h
mimo čerpadel, potrubí, chladící věže
c
mimo sekundárních technik a skladování dusíku
1
[cww/tm/70]
b
Ziskem jsou rekuperované VOC.
Faktory ovlivňující náklady [cww/tm/71]:
faktory
průtok emisí
požadované snížení teploty, tj. chladící náplň
směsi rozpouštědel
rozpustnost rozpouštědla
Modernizovatelnost [cww/tm/71]:
184
vliv/následky
celkové rozměry systému, požadované dodávky
z veřejných sítí
cena zařízení (přímo úměrná), dodávka chladící
náplně (přímo úměrná)
složitost následných separačních technik (přímo
úměrná), energetická náročnost separačních
technik (přímo úměrná)
složitost následných separačních technik (přímo
úměrná), energetická náročnost separačních
technik (přímo úměrná)
Kapitola 3
kondenzace chladícím
médiem
dobře dodatečně instalovatelná
pokud je dostupná voda pro
chlazení, s tepelnými
výměníky umístěnými poblíž
nebo v horní části odpovídající
součásti zařízení
kryogenní kondenzace
může být na lyžinách,
může nahradit jakékoli stávající dusíkové
odpařováky,
měla by být instalována poblíž zdroje kapalného
dusíku, aby se co nejvíce zkrátilo kryogenní potrubí,
systémy lze jak dodatečně instalovat do stávajících
podniků, tak integrovat do nových
kondenzace s inertním plynem
v uzavřeném cyklu
obtížně dodatečně instalovatelná ve
stávajících výrobních závodech; více
vyhovuje pro nové
3.5.1.3 Adsorpce
Popis
Adsorpce je heterogenní reakce při které se molekuly plynu zachycují na povrchu pevné látky (adsorbentu).
Tato látka lépe zachycuje určité sloučeniny než látky ostatní a tak je odstraňuje z toků odpadních látek.
Pokud její povrch adsorboval takové množství, které mohl kapacitně přijmout, adsorbovaný obsah je
desorbován. Desorpce je součástí regenerace adsorbentu. Po desorpci jsou znečišťující látky obvykle
koncentrovanější a je možné je buď rekuperovat, nebo odstranit (likvidovat) [cww/tm/135].
Hlavní typy adsorpčních systémů jsou:
adsorpce s fixním ložem
adsorpce s fluidním ložem
adsorpce s kontinuálně pohyblivým ložem
adsorpce se střídavým (swing) tlakem (PSA).
Adsorpce s fixním ložem (viz. Obrázek 3.53) [cww/tm/71]) je velmi rozšířená. Odpadní plyny, znečištěný
vzduch, atd. se před vstupem upravují chlazením, částečnou kondenzací vodních par a ohřevem. Tím se sníží
relativní vlhkost aby se minimalizovala adsorpce vody současně s adsorpcí požadovaných znečišťujících
látek. Plyn o teplotě kolem 40 °C se vhání do adsorbéru, prochází zdola nahoru a vychází vyčištěný. Kvůli
regeneraci adsorbentu jsou adsorbéry běžně provozovány jako zařízení s více (2 nebo 3) loži, tj. jedno lože je
zatěžováno, druhé je regenerováno a příležitostné třetí lože odpočívá. Proces adsorpce s dvojitým ložem je
na Obrázku 3.53.
Obrázek 3.53: Typický proces adsorpce s dvojitým ložem
Procesy s fluidním ložem (viz Obrázek 3.54 [cww/tm/132]) využívají rychlosti plynu (především v rozsahu
0,8-1,2 m/s) k udržení adsorbentu ve fluidním stavu. Tyto systémy vyžadují granule adsorbentu odolné proti
185
Kapitola 3
mechanickému opotřebení. Provozují se s kontinuální adsorpcí / desorpcí, kdy se adsorbent regeneruje
v tepelném výměníku umístěném pod adsorbérem a následně se pneumaticky vrací do fluidního lože.
U procesů s kontinuálně pohyblivým ložem (viz Obrázek 3.55 [cww/tm/71]) se adsorbent stále doplňuje do
vrchní části adsorbéru a pohybuje se proti směru toku plynů. Nasycený adsorbent na dně nádoby se stále
přesouvá do regenerátoru pohyblivého lože.
Adsorpce se střídavým (swing) tlakem (PSA) dokáže separovat plyny nebo výpary ze směsi odpadních
plynů a současně regenerovat adsorbent. Skládá se ze čtyř stupňů:
Stupeň 1: plyn proudící do adsorbéru vytváří tlak
Stupeň 2: dochází k adsorpci při vysokém tlaku a tím produkci čistých složek
Stupeň 3: snížení tlaku
Stupeň 4: čištění při nízkém tlaku nebo při podtlaku.
Tento čtyřstupňový proces separuje složky podle pevnosti jejich vazby na adsorbent. Spolu s následnými
čistícími zařízeními zlepšuje tato technika rekuperovatelnost a opětovnou použitelnost směsí odpadních
plynů.
Obrázek 3.54: Adsorpce s fluidním ložem
a) regenerovaný adsorbent, b) fluidní lože, c) inertní plyn, d) ventilátor, e) separátor
Typické adsorbenty jsou např. [cww/tm/71]:
•
•
186
granulované aktivní uhlí (GAC), nejběžnější adsorbent s širokým rozsahem účinnosti a neomezený
na polární či ne-polární sloučeniny; může být impregnováno např. oxidanty, jako jsou manganistan
draselný nebo sloučeniny síry (zlepšující retenci těžkých kovů) [cww/tm/71]
zeolity, s vlastnostmi závislými na jejich výrobě, pracující buď jako pouhá molekulová síta,
selektivní iontoměniče nebo jako hydrofobní adsorbér VOC
Kapitola 3
•
•
•
makroporézní polymerní částice, používané ve formě granulí nebo kuliček, které s ohledem na VOC
nejsou příliš selektivní
silikagel
hlinito-sodné silikáty.
Kromě již uvedených kontinuálních a současně probíhajících metod rekuperace existuje několik metod
regenerace adsorbentu adsorbérů s fixním ložem:
•
•
•
regenerace se střídavou teplotou
regenerace ve vakuu
PSA, shora popsaná.
Obrázek 3.55: Adsorpce a desorpce s kontinuálně pohyblivým ložem
Regenerace se střídavou teplotou využívá několika tepelných zdrojů:
•
•
•
•
páry, která je nejběžnější
mikrovln
vestavěných ohřívačů
ohřátého plynu, využití horkého inertního plynu z bezpečnostních důvodů s GAC jako adsorbentem.
Přehřátá pára prochází shora dolů adsorbentem a snáší adsorbované sloučeniny dolů do kondenzační a
separační jednotky, např. gravitačních separátorů nebo destilačního zařízení. Přehřátá pára je hlavní metodou
regenerace GAC, ale používají se i ohřáté inertní plyny. Zeolity mohou být regenerovány horkým
vzduchem. Mnohem nižší teploty páry nebo horkých plynů (asi 80 °C) vyžadují při regeneraci polymerní
adsorbenty.
Vakuová regenerace umožňuje desorpci při teplotě okolního adsorbentu, což je výhodné pro rekuperaci a
opětovné používání citlivých látek. Tato metoda se používá pro GAC, zeolity a polymerní adsorbenty.
Použití
Použití adsorpce zahrnuje:
187
Kapitola 3
•
rekuperaci VOC (surovin, produktů, rozpouštědel, paliva z plnících operací, atd.) pro opětovné
použití nebo recirkulaci, příležitostně jako koncentrační stupeň pro zlepšení provozuschopnosti
dalších rekuperačních operací, jako např. membránové separace (viz. Sekce 3.5.1.1)
snižování obsahu znečišťujících látek (nebezpečných látek z výroby nebo čistících zařízení (např.
ČOV), jako jsou VOC, zapáchající látky, stopové plyny atd.), které nemohou být recirkulovány nebo
jinak využity, tyto nejsou případně s adsorbentem GAC regenerovány, ale jsou spalovány
jako ochranný filtr následně po zařízeních konečného čištění.
•
•
Použití adsorpce jako technologie snižující obsah látek se nedoporučuje pro odpadní plyny s velmi vysokými
koncentracemi VOC, protože požadavky na následnou rekuperaci by nepříznivě ovlivnily ziskovost.
Obvykle existují vhodnější techniky.
Technologie adsorpce je použitelná pro omezování, rekuperaci, recyklaci nebo přípravu (pro následné
čištění) VOC a organických nebezpečných emisí do ovzduší, např. emisí z:
•
•
•
•
•
•
•
•
odmašťování
stříkání barev
extrakce rozpouštědel
natírání kovových fólií
natírání fólií z plastů
natírání papíru
výroby léčiv
topného plynu, benzínu, atd.
Limity a omezení použití
průtok plynu [Nm3/h]
teplota [°C]
tlak [MPa]
obsah VOC
dioxiny [ng/Nm3 TEQ]
relativní vlhkost
1
GAC
100-100000 1
15-80 1
0,1-2 1
max. 25% LEL
10-100 1
maximum <70%
co nejnižší
limity / omezení
zeolity
<100000 1
<250 1
atmosférický 1
max. 25% LEL
polymery
max. 25% LEL
[cww/tm/70]
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
Nevýhody
vysoce účinná technika při odstraňování
VOC a jejich rekuperaci
jednoduchá a robustní technologie
vysoký stupeň nasycení adsorbentu
snadná instalace
snadná údržba
•
•
•
•
•
tuhé znečišťující látky v toku odpadních
plynů mohou způsobovat potíže
směs může způsobit časný průnik nečistot
nevhodná pro toky vlhkých odpadních plynů
riziko vzplanutí lože (GAC a zeolity,
zatímco u polymerů nižší teplota)
možnost polymerace nenasycených
organických sloučenin na GAC
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
VOC
toluen
zápach
rtuť
sirovodík
188
účinnost
[%]
80-95 1
90 1
80-95 1
80-95
1
úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
<0,01-0,05 1
poznámky
GAC
GAC
GAC, zeolit
GAC
GAC
Kapitola 3
<0,1 ng/Nm3 TEQ 1
dioxiny
1
GAC
[cww/tm/70]
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se
spotřebovávaný materiál/energie
pára (desorpce)
[kg/kg znovu získaného rozpouštědla]
plynný dusík (desorpce horkým
plynem) [Nm3/tunu rozpouštědla]
chladící voda (kondenzace)
[m3/tunu rozpouštědla]
úbytek adsorbentu
[kg/tunu rozpouštědla]
tlaková ztráta [kPa]
energie [kWh/tunu rozpouštědla]
1
2
GAC
1,5-6 1
množství
zeolit
poznámky
polymer
35 1
35-60 2
100-150
0,5-1 2
pro všechny 3 metody
adsorpce
2-5 2
35-100 2
130-260
[cww/tm/71]
[cww/tm/64]
Při parní regeneraci se vytváří odpadní voda s poměrně velkou zátěží znečišťujícími látkami, které je třeba
vypustit do čistírny odpadních vod. Pokud se rekuperace neprovádí, je třeba adsorbent likvidovat. To
znamená, že obvykle musí být dopraven do spalovny, což není vhodné v případech, kde je adsorbent zatížen
rtutí. Regeneraci a/nebo likvidaci adsorbentu mohou provádět také externí firmy.
Další následné čištění plynů může být nezbytné tehdy, vyžadují-li jej zákonné předpisy.
Protože všechny procesy adsorpce jsou exotermní, způsobují zvyšování teploty, což není pro adsorpci
organických sloučenin žádoucí. Uhlík nebo kovy na GAC, stejně jako zeolity, mohou katalyzovat oxidaci
některých složek v případě, že je adsorbent horký. To způsobuje vzplanutí lože a také se tak spotřebovává
část nebo všechno GAC, ale pro zeolit to neplatí. To představuje nebezpečí při adsorpci některých
uhlovodíků (jako jsou ketony nebo podobné aktivní sloučeniny) při teplotách okolí blízkých těm, které
působí oxidaci organických sloučenin. Hoření lože GAC může buď zvětšit velikost pórů zbytku lože nebo
lože zoxidovat na popel, což představuje vážnou havárii, která může způsobit požár celého zařízení. Tyto
požáry je možné potlačovat zvlhčováním vzduchu a záměrným chlazením GAC.
Monitorování
Účinnost systému při snižování obsahu znečišťujících látek je ovlivňována monitorováním koncentrace
VOC/rozpouštědla před a po adsorpci. VOC je možné měřit jako celkový obsah uhlíku (kromě tuhých
znečišťujících látek) s použitím detektoru ionizace plamene. Kvalitativní analýza emisí se provádí odběrem
vzorků ve vhodných místech a jejich následnou analýzou GC/MS nebo GC/FID. Účinnost snižování obsahu
zapáchajících emisí se určuje na základě odběru vzorků ve vhodných místech a jejich následnou
olfaktometrickou analýzou.
Nejdůležitějším měřením je měření tlakové ztráty na prachových filtrech a na loži adsorbentu. Ve filtrech by
měl tlak po obnově nebo čištění rovnoměrně stoupat. Příliš rychlý nárůst varuje před pozdější vysokou
tlakovou ztrátou kvůli přílišnému zatížení prachem.
Na loži by měl tlak zůstat konstantní. Každý nárůst naznačuje buď to, že prach obchází prachový filtr nebo
že prach pochází z narušených granulí adsorbentu. Na zařízení by měla být montáž hlásiče vysokého tlaku.
Kvůli prevenci vzniku požárů se vyžaduje monitorování teploty výstupního plynu z adsorbéru GAC.
189
Kapitola 3
Adsorpční systémy jsou obvykle řízeny programovatelným logickým regulátorem (PLC) a nové systémy
mají řízení provozní sekvence založeno na měření průniku znečištění. Pokud úroveň emisí z provozovaného
lože dosáhne přednastavené hodnoty, lože se přepnou a začíná regenerace. To je energeticky úsporné
v případě, že desorpce probíhá vždy u nasyceného lože.
Kvůli nebezpečí vzplanutí je nutné regulační systémy konstruovat tak, aby neumožňovaly dosáhnout
koncentraci rozpouštědel vyšší než 25 % dolní meze výbušnosti. Tím se minimalizuje jak příkon ventilátoru,
tak spotřeba páry. Spotřebu energie je možné optimalizovat tak, že se mění průtok a dávkování rozpouštědla,
do ventilátorů se instalují regulační klapky nebo se do nich instalují motory s regulovatelnými otáčkami
[cww/tm/71].
Ekonomika
typ nákladů
investice
[na 1000 Nm3/h]
provozní náklady
utility
spotřebovávaný
materiál
a
1
GAC
5000-10000 EUR 1
240000 EUR 1
600-1300 EUR na
tunu GAC
zeolit
polymer
poznámky
bez regenerace
včetně regenerace a
včetně likvidace
3
zařízení pro 1000 Nm /h
[cww/tm/70]
Faktory ovlivňující náklady [cww/tm/71]:
faktory
průtok emisí
adsorpční účinnost rozpouštědla, koncentrace
rozpouštědla
typ rozpouštědla
rozpustnost rozpouštědla
směsi rozpouštědel
dávkování rozpouštědla
přítomnost nečistot
snadnost desorpce rozpouštědla
vliv/následky
celkové rozměry systému, požadované dodávky
ze sítí
množství potřebného adsorbentu
výběr adsorbentu
složitost následných separačních technik (přímo
úměrná rozpustnosti), energetická náročnost
separačních technik (přímo úměrná)
složitost následných separačních technik (přímo
úměrná), energetická náročnost separačních
technik (přímo úměrná)
spotřeba medií (páry) v adsorpčním / desorpčním
cyklu a rychlost degradace adsorbentu
omezuje životnost adsorbentu
teplota desorpce
Využití pro modernizaci [cww/tm/71]:
GAC
zeolit
polymer
Za předpokladu, že je dostupný dostatečný prostor, je dodatečná montáž adsorpčního systému do
stávajícího výrobního procesu obecně možná. Prostorová náročnost jednotky kontinuální
adsorpce/desorpce je zhruba 25 % prostorové náročnosti adsorpčního systému se dvěma loži.
190
Kapitola 3
3.5.1.4 Mokré pračky pro odstranění plynů
Popis
Mokré praní (nebo adsorpce) je přenos hmoty mezi rozpustným plynem a rozpouštědlem – často vodou – při
jejich vzájemném kontaktu. Fyzikálnímu praní se dává přednost kvůli rekuperaci chemikálií, zatímco
chemické praní se omezuje na odstranění a snižování obsahu plynných složek. Fyzikálně chemické praní je
mezi nimi. Složka je rozpuštěna v adsorpční kapalině a zapojuje se do reverzibilní chemické reakce, která
umožňuje rekuperaci plynných složek [cww/tm/132].
Procesy praní pro čištění odpadních plynů se používají především pro:
•
•
•
odstranění plynných znečišťujících látek, např. halogenvodíků, SO2, amoniaku, sirovodíku nebo
těkavých organických rozpouštědel
odstranění SO2 nebo halogenvodíků
určité typy praček také odstraňují prach (viz. Sekce 3.5.3.4).
Podle znečišťujících látek, které je nutno odstranit, se používá několik následujících pracích kapalin:
•
•
•
•
•
•
•
voda pro odstranění rozpouštědel a plynů, jako jsou halogenvodíky nebo amoniak s hlavním cílem
tyto znečišťující látky rekuperovat a opět použít
zásadité roztoky pro odstranění kyselých složek, jako jsou halogenvodíky, oxid siřičitý, fenoly,
chlór; také se používá jako druhý prací stupeň pro odstranění reziduálních halogenvodíků po prvním
stupni vodní absorpce; odsíření bioplynu
zásadité oxidační roztoky, tj. alkalické roztoky s chlornanem sodným, oxidem chloričitým, ozónem
nebo peroxidem vodíku
roztoky kyselého siřičitanu sodného, odstraňují zápach (např. aldehydy)
roztoky Na2S4 pro odstraňování rtuti z odpadních plynů
kyselé roztoky odstraňující amoniak a aminy
roztoky monoetanolaminu a dietanolaminu, vhodné pro absorpci a rekuperaci sirovodíku.
V provozu jsou různé druhy praček, např.:
•
•
•
•
•
pračka s vláknitou náplní
pračka s pohyblivým ložem
pračka s vrstvou výplně
pračka s děrovanými patry
sprchová věž.
Jejich výběr závisí na:
• požadované efektivitě výkonnosti
• spotřebě energie
• činidlech
• vlastnostech toku odpadních plynů.
Optimální konstrukce pracích systémů, které mají dosahovat nízkých výstupních koncentrací zahrnuje
vysokou spolehlivost, automatický provoz a protiproud kapalin a plynů. Pračky jsou obvykle provozovány
s předřazeným chlazením (např. rozprašovací komory nebo zhášedla) aby došlo ke snížení teploty
přiváděného plynu a současnému nasycení toku plynu, čímž se zabrání omezení míry adsorpce a vypařování
rozpouštědla. Taková doplňková zařízení vykazují malou tlakovou ztrátu.
•
Pračka s vláknitou náplní
Pračka s vláknitou náplní (pračka s vláknitým ložem) sestává z komory s přívodem plynu a jeho
odtahem, která obsahuje rohože z vláknitého výplňového materiálu, který je sprchován kapalinou.
191
Kapitola 3
Tyto jednotky mohou být konstruovány buď pro horizontální nebo vertikální tok plynů. Typické
vláknité materiály jsou sklo, plasty a ocel. Používají se pro odstranění kyselých složek
(fluorovodíku, chlorovodíku, kyseliny sírové a kyseliny chromové) a organických/anorganických
sloučenin z odpadních toků plynů.
Ucpávání trysek, ucpávání vláknitých loží a jejich nedostatečné zvlhčování může způsobovat
problémy.
Toky odpadních plynů se před tím, než vstoupí do praček s vláknitou náplní často chladí, aby došlo
ke kondenzaci co největšího množství kapaliny obsažené v plynu a zvětšení obsažených
aerosolových částic kondenzací. Předřazenou filtrací se obvykle z proudu plynů odstraňují větší tuhé
znečišťující látky před tím, než vstoupí do pračky [cww/tm/110].
•
Pračky s pohyblivým ložem
Pračky s pohyblivým ložem sestávají ze zón s pohyblivou náplní, obvykle tvořenou plastovými
kuličkami. V plášti nádoby jsou podpůrné rošty, na kterých je umístěn materiál náplně, přívody a
odvody pracího roztoku a omezovač aerosolů. Pračky s pohyblivým ložem se používají pro
odstraňování oxidu siřičitého, fluorovodíku a zápachu. Také se používají k čištění odpadních plynů,
které obsahují prach a mohou působit inkrustace. Typické zařízení je na Obrázku 3.56 [cww/tm/79].
Obrázek 3.56: Pračka s pohyblivým ložem
•
Pračky s pohyblivým ložem jsou naplněny plastovými koulemi s malou hustotou, které se volně
pohybují mezi podpůrnými rošty. Tyto pračky nejsou tak náchylné k ucpávání, protože sférické, duté
plastové koule jsou udržovány stále v pohybu a fluidní. Pohyblivé náplňové kolony jsou vůči
ucpávání odolné. Tento stálý pohyb a hladký povrch koulí zabraňuje vzniku inkrustace na náplni.
Pračky s náplní
Pračky s náplní sestávají z vnějšího pláště, který obsahuje lože z různě tvarovaného materiálu náplně
na podpůrných roštech, zařízení pro rozstřikování kapaliny, přívody a odvody kapaliny a omezovač
aerosolů. U vertikální konstrukce (věže s náplní) prochází tok plynu komorou směrem vzhůru (proti
proudu kapaliny). Jsou nejpoužívanějšími absorbéry plynů, kterými se omezuje znečištění. Pračky s
náplní s vhodnými činidly se používají pro absorpci oxidu siřičitého, kyseliny chromové, sirovodíku,
amoniaku, chloridů, fluoridů a VOC. Typický příklad je na Obrázku 3.57 [cww/tm/79].
Pračky s náplní nejsou kvůli jejich ucpávání vhodné pro vypírání tuhých znečišťujících látek.
Obvykle se jejich použití omezuje na případy, kdy je obsah tuhých znečišťujících látek nižší, než 0,5
g/Nm3. Závažným problémem u praček s náplní je ucpávání a tvoření povlaku, protože náplň je
192
Kapitola 3
obtížněji přístupné a čistitelné, než je tomu u ostatních konstrukcí praček. Proto by mělo být před
pračku s náplní zařazeno oddělené velmi účinné zařízení pro snižování obsahu tuhých znečišťujících
látek.
Obrázek 3.57: Pračka s náplní
•
Pračky s děrovanými patry
Pračky s děrovanými patry sestávají z vertikální věže s několika horizontálními perforovanými
(kloboučkovými nebo sítovými) patry. Kousek nad otvory v patrech jsou umístěné přepážky. Tyto
pračky se obvykle používají při absorpci kyselin, oxidu siřičitého a zapáchajících látek. Příklad je na
Obrázku 3.58 [cww/tm/79].
Patrové pračky nejsou vhodné pro pěnivé kapaliny. Pokud se obsah VOC snižuje absorpcí, pak
pračky s náplní jsou obvykle úspornější, než pračky patrové. Avšak při požadavku na vnitřní
chlazení nebo tam, kde by malý průtok nedostatečně zvlhčoval náplň, je konstrukce s děrovanými
patry upřednostňována před pračkami s náplní.
Patrové pračky se obvykle používají pro jejich vysokou účinnost a snadnou údržbu. Obvykle se
konstruují tak, aby obsluze zajistily přístup ke každému patru a tak se poměrně snadno čistí a
udržují. Výška kolony a množství materiálu náplně a /nebo počet kovových pater, společně
s poklesem tlaku v koloně, obvykle určuje průtok odpadních plynů. Tlaková ztráta je určujícím
faktorem pro výběr pračky a v tomto ohledu se pračky s děrovanými patry dobře srovnávají
s ostatními metodami čištění plynů na základě poměru účinnost/cena. Při vysokém průtoku patrové
věže vykazují větší poklesy tlaku a mají větší zádrže kapaliny.
193
Kapitola 3
Obrázek 3.58: Pračka s děrovanými patry
Chemické absorpce škodlivých plynných znečišťujících látek jako jsou oxid siřičitý, chlór a
sirovodík, je možné dosáhnout stykem proudu vzduchu s vhodnými chemikáliemi na patrech.
Kolonám s náplní se však v případě přítomnosti kyselin a jiných korozívních materiálů dává
přednost před patrovými věžemi, protože jejich věž může být vyrobena z laminátu, PVC nebo jiného
levnějšího nekorodujícího materiálu.
•
194
Sprchové věže
Sprchové věže (nebo sprchové pračky) sestávají z rozprašovacích trysek na vrcholu věže, kterými
vstupuje prací kapalina a přívodu plynu u dna. Proud odpadních plynů obvykle prochází věží vzhůru
proti proudu kapaliny. Sprchové věže se obvykle používají k odstranění kyselých a zapáchajících
plynů. Příklad je na Obrázku 3.59 [cww/tm/79].
Kapitola 3
Obrázek 3.59: Sprchová věž, (a) protiproudá, (b) souproudá
Problémy může způsobovat ucpávání rozprašovacích trysek.
Sprchové věže jsou tradičním uspořádáním mokrých praček, které se používají proto, aby umožnily
kontakt plynů se sorbentem. Přenos hmoty je však u nich nejnižší a tak se obvykle omezují na
odstraňování vysoce rozpustných plynů.
Typický rozsah koncentrací znečišťujících látek je 100 až 10000 mg/Nm3. Sprchové věže jako
mokré pračky nejsou tak náchylné k zanášení jako pračky s náplní, ale aby zachytily jemné tuhé
znečišťující látky, vyžadují velmi vysoké poměry kapalina/plyn (>31/m3).
Pokud mají být adsorbované plyny rekuperovány, je nutný dodatečný stupeň desorpce. Obvyklou metodou
desorpce/rekuperace organického obsahu je destilace, nebo přehánění vodní parou (stripování), kdy dochází
k přenosu obsažených plynů zpět do plynné fáze. Pokud se rekuperace provádí stripováním, pak se oddělený
plyn následně kondenzuje a jímá. Kondenzát se buď použije znovu přímo v procesu nebo se například
destilací rozdělí na jednotlivé složky. Stripování i destilace probíhají při sníženém tlaku proto, aby bylo
možné snížit teplotu a minimalizovat riziko rozkladu organických sloučenin [cww/tm/71].
Typický systém absorpce / desorpce je na Obrázku 3.60 [cww/tm/71]. Podtlaková desorpce popsaná na
Obrázku 3.60 není případem obecným, ale je to jedna z možností. Usnadňuje vaření prací kapaliny
(rozpouštědly), ale je u ní náročnější kondenzace.
195
Kapitola 3
Obrázek 3.60: Typický systém absorpce / desorpce
Použití
Absorpce je velmi rozšířenou technikou rekuperace surovin a/nebo produktů pro separaci a čištění plynů,
které obsahují vysoké koncentrace VOC, zvláště takových sloučenin, které jsou rozpustné ve vodě – jako
jsou alkoholy, aceton nebo formaldehyd. Využívání absorpce jako primární čistící techniky organických par
je podřízeno dostupnosti vhodného rozpouštědla, s vysokou schopností rozpouštět plyn, s nízkým tlakem par
a nízkou viskozitou.
Jako koncová technika snižující emise se praní plynů obvykle zavádí pro anorganické sloučeniny, spíše než
pro VOC. To, zda je vhodnou technikou snižování znečištění, závisí na:
•
•
•
•
•
rekuperační hodnotě znečišťující látky
nákladech na zbavování se odpadních vod
požadované účinnosti odstraňování znečišťujících látek
koncentraci znečišťující látky v přiváděném odpadním plynu
dostupnosti vhodného rozpouštědla / chemického činidla
Absorpce se zlepšuje:
•
•
•
•
větším kontaktním povrchem
vyššími poměry kapalina/plyn
vyššími koncentracemi v tocích plynů
nižší teplotou.
Nízké výstupní koncentrace v plynech se obvykle vyžadují pro nebezpečné VOC, což má za následek
neprakticky vysoké absorpční věže, dlouhé kontaktní časy a vysoké poměry kapalina/plyn, které mohou být
nákladově neefektivní. Mokré pračky jsou proto efektivnější v případě snižování obsahu nebezpečných VOC
spolu s jinými zařízeními, jako jsou GAC adsorbéry (viz, Sekce 3.5.1.3) nebo pece na spalování odpadních
plynů (viz. Sekce 3.5.2.4 a 3.5.2.5).
196
Kapitola 3
Limity a omezení použití jsou:
průtok plynu [Nm3/h]
teplota [°C]
tlak
obsah znečišťujících
látek [g/Nm3]
tuhé znečišťující látky
[mg/Nm3]
limity /omezení
50-500000 1
1800-170000 (pračka s vláknitou náplní) 2
900-130000 (pračka s náplní) 3
1700-130000 (pračka s děrovanými patry) 4
2500-170000 (sprchová věž) 5
5-80 (obvyklá) 1
<60 (pračka s vláknitou náplní) 2
4-38 (pračka s náplní, pro omezování plynných znečišťujících látek) 3
4-38 (pračka s děrovanými patry, pro omezování plynných znečišťujících látek) 4
4-38 (sprchová věž, pro omezování plynných znečišťujících látek) 5
10-40 (alkalicko-oxidační praní) 1
30 (odsíření bioplynu) 1
(vysoká teplota plynu může vést ke značným ztrátám prací kapaliny odpařením)
atmosférický
0,2-11 (pračka s vláknitou náplní) 2
450 (pračka s náplní) 3
1
[cww/tm/70]
[cww/tm/110]
3
[cww/tm/113]
4
[cww/tm/111]
5
[cww/tm/114]
2
Výhody a nevýhody
Výhody
Obecně
široké použití
•
velmi vysoká účinnost
•
kompaktní zařízení díky výhodnému
•
poměru kapacity a objemu
jednoduchá a robustní technologie
•
snadná údržba
•
jen málo součásti citlivých na únavu
•
zvládá i hořlavé a výbušné plyny/prachy
•
s malým rizikem
může chladit i horké plyny
•
zvládá aerosoly
•
může neutralizovat korozívní plyny a
•
prach
Pračky s náplní
nízká až střední tlaková ztráta
•
plastové pračky nebo pračky ze skelných
•
laminátů (FRP) mohou fungovat ve
vysoce korozívních prostředích
vysoce efektivní přenos hmot
•
schopnost jímat plyny i tuhé znečišťující
•
látky
nízké investiční náklady
•
malé prostorové nároky
•
Nevýhody
Obecně
odtahovaná voda a ztráty odpařením se musí
•
nahrazovat vodou nebo zředěnými
chemikáliemi
odpadní vodu je kvůli nahrazování prací
•
kapaliny nutné čistit
mnohé aplikace vyžadují kondicionační
•
činidla (např. kyseliny, zásady, oxidanty,
změkčovadla)
prach, odstraněný jako kal, je nutné čistit buď
•
pro opětovné použití nebo likvidační operace
pro montáž střechy vyžaduje nosné konstrukce
•
pro venkovní montáž vyžaduje ochranu proti
•
zamrznutí (podle podnebí)
materiál náplně je citlivý na zanášení prachem
•
nebo tuky
možná koroze
•
zachycené tuhé znečišťující látky mohou být
•
kontaminovány a nerecyklovatelné
odpadní plyn může vyžadovat nový ohřev,
•
aby se zabránilo viditelné (parní) vlečce z
výdechů
Pračky s náplní
náchylné k ucpávání lože
•
poměrně nákladná údržba, ve srovnání
•
s ostatními technikami praní
FRP konstrukce je citlivá na vyšší teploty
•
poměrně vysoké náklady na údržbu
•
197
Kapitola 3
Výhody
Nevýhody
Pračky s děrovanými patry
přizpůsobivost provozním podmínkám
•
(změnám průtoku)
univerzálnost v případě malých průtoků
•
plynů, mohou fungovat i s malým
průtokem kapaliny
v jedné jednotce zajišťuje absorpci a
•
rovněž jímání prachu
zlepšuje styk plynu s vhodnou suspensí
•
pro odstranění SO2
jednoduchá údržba a provoz
•
Sprchové věže
malá tlaková ztráta
•
FRP konstrukce odolává i vysoce
•
korozívnímu prostředí
malá spotřeba energie
•
nízké investiční náklady
•
téměř se neucpává
•
poměrně prostorově nenáročná
•
schopná jímat plyny i tuhé znečišťující
•
látky
Pračky s děrovanými patry
ukládání prachu kolem ventilů a/nebo na patrech
•
vyšší náklady než u ostatních mokrých praček
•
•
•
•
•
Sprchové věže
malá účinnost přenosu hmoty
malá účinnost odstraňování jemných částic
FRP konstrukce je citlivá na vyšší teploty
vysoké provozní náklady
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
alkoholy
fluorovodík
chlorovodík
kyselina chromová
amoniak
aminy
oxid siřičitý
fenoly
sirovodík
anorganické sloučeniny
VOC
a
účinnost
[%]
do 95 1
>99 1
a
>99 1
>99,9 c
>99 1
80-99 d 2
>90
90-95 1
80->99 h 5
95-99 d,f,h 2,3,5
70->90 f,g 3,4
úroveň emisí
3 b
[mg/Nm ]
pouze až 100 1
<50 1
<1 1
<50 1
<10 1
<0,1-1 1
<1 1
<1 1
<40 1
vysoká vstupní koncentrace
nízká vstupní koncentrace
c
3
3
vstupní koncentrace 25 g/Nm amoniaku, výtoková koncentrace <10 mg/Nm
d
sprchová věž, několik činidel
e
může dosahovat >99 %
f
pračka s náplní
g
pračka s vláknitou náplní
h
pračka s děrovanými patry
1
[cww/tm/70]
2
[cww/tm/114]
3
[cww/tm/113]
4
[cww/tm/110]
5
[cww/tm/111]
b
198
poznámky
voda
voda
zásada
voda
zásada
voda
kyselina
kyselina
zásada
zásada
zásada
Kapitola 3
Vlivy do více prostředí
Hlavní zdroje medií a spotřebovávané materiály/energie v absorpčních systémech jsou [cww/tm/71]:
spotřebovávaný materiál/energie
množství
prací voda
chemikálie (kyselé, alkalické, oxidanty)
desorpční zařízení:
chladící voda kondenzátoru,
pára pro parní vyvařování 30-40 kg/1000 m3
odpadního plynu (pára 120°C)
energie [kWh/1000 Nm3]
0,2-1 2
tlaková ztráta [kPa]
1
2
0.4-0.8 1
poznámky
závisí na použití,
nezahrnuje desorpci
závisí na použití
[cww/tm/71]
[cww/tm/70]
Obvykle vyžaduje dodatečné zpracování recirkulující kapaliny v závislosti na její degradaci (např.
obsažených nerozpustných pevných látkách) a ztrátách odpařením.
Při praní vzniká odpadní voda, která se musí čistit, pokud se prací kapalina s tím, co obsahuje nepoužívá
jinak. Vhodné čištění představuje desorpce obsaženého odpadního plynu, která se provádí vždy, když je
rekuperace plynu cílem praní. Desorpce může způsobovat emise do ovzduší a je třeba brát v úvahu její
spotřebu energie.
Monitorování [cww/tm/79]
Účinnost pracího systému se určuje monitorováním koncentrací plynných znečišťujících látek před a po
praní. Oxid siřičitý se obvykle monitoruje infračervenými analyzátory; mokré chemické metody se používají
na halogenvodíky. VOC se měří jako celkové množství uhlíku, kromě tuhých znečišťujících látek, s použitím
detektoru ionizace plamene. Kvalitativní analýza emisí se provádí na základě odběru vzorků ve vhodných
místech a jejich následnou analýzou GC/MS. Účinnost snižování obsahu zapáchajících emisí se určuje po
odběru vzorků ve vhodných místech a jejich následnou olfaktometrickou analýzou.
Dále je nutné pravidelně měřit:
•
•
•
•
•
tlakovou ztrátu v pračce, aby se zjistily provozní anomálie, které by mohly vyžadovat zásah údržby
nátok doplňující vody do pračky
průtok recyklované vody
průtok činidla
v určitých případech pH, teplotu, elektrickou vodivost a ORP.
Mokré pračky vyžadují pravidelnou kontrolu, která má zjistit případné poškození zařízení, např. korozi nebo
ucpání. Pračka by proto měla by být dobře přístupná. Důležité je rychlé zjištění provozních poruch a
dostatečné vybavení vypouštěcích výdechů absorpčního zařízení hlásiči, které zajišťují upozornění na
poruchu zařízení.
Pro automatické řízení zařízení se obvykle používá systém programovatelného logického regulátoru (PLC)
nebo digitální počítačový systém (DCS) (např. při nastaveném hodnotách pH a ORP, optimalizovaných pro
vysokou absorpci plynu). Je k dispozici program, který umožňuje předem určit optimální provozní
parametry, tj. cirkulaci a potřebu páry pro dané složení odpadního plynu. To je výhodné především tam, kde
se očekávají velké výkyvy toku plynů a/nebo koncentrace rozpouštědla.
199
Kapitola 3
Za předpokladu, že je instalováno automatické vypnutí a v regulačním systému jsou nastavené poplachové
hlásiče např. pro nízký průtok kapaliny nebo ztrátu podtlaku, je činnost ze strany obsluhy zařízení
minimální.
Požadavky na údržbu by měly být malé. Omezují se především na pravidelné kontroly desorpčního systému
s ohledem na kvalitu desorpce, která je klíčovým faktorem ovlivňujícím výkonnost absorpce, a zařízení
s pohyblivými částmi [cww/tm/71].
Ekonomika
typ nákladů
Vláknitá náplň
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady
[na 1000 Nm3/h]
nákladová efektivnost
[na tunu znečišťující
látky za rok]
Pohyblivé
lože
náklady
Pračka s náplní
600-1800 USD
6200-33500 USD
1000-21100
USD 1
40-710 USD 1
9300-42300 USD
1
2
2
0,24-1,09 USD 2
Pračka s patry
Sprchové
věže
1300-7000 USD 500-2200 USD
3
4
1500-42000
3
USD
51-1300 USD 3
800-28100
4
USD
28-940 USD 4
1
[cww/tm/110]
[cww/tm/113]
3
[cww/tm/111]
4
[cww/tm/114]
2
Faktory ovlivňující náklady [cww/tm/71]:
faktory
Objemový průtok emisí
Požadovaná účinnost rekuperace
Účinnost absorpce v rozpouštědle
vliv/následky
Celkové rozměry systému, požadované utility
Výška prací kolony
Rychlost recirkulace prací kapaliny a tím
požadavky na čerpání
Výběr prací kapaliny
Složitost následných separačních technik (přímo
úměrná rozpustnosti), energetická náročnost
separačních technik (přímo úměrná)
Složitost následných separačních technik (přímo
úměrná), energetická náročnost separačních
technik (přímo úměrná)
Rozsah desorpce a následná spotřeba utilit (páry)
Typ rozpouštědla
Rozpustnost rozpouštědla
Směsi rozpouštědel
Dávkování rozpouštědla
Degradace prací kapaliny
Velký podíl odtahu znečištěné kapaliny a tím
vysoké náklady na čištění a/nebo likvidaci
Teplota desorpce
Snadnost desorpce rozpouštědla
Možnost využití pro modernizace [cww/tm/71]:
Vláknitá náplň
Pohyblivé lože
Lože náplně
Patra
Sprchové věže
Za předpokladu, že je dostupný dostatečný stavební prostor, je dodatečná montáž absorpčního systému do
stávajícího výrobního procesu poměrně snadná. Pro zlepšení provozu rekuperačního zařízení je možné také
doplnit stávající systém absorpce lepšími strukturami náplní a/nebo kapalinami.
200
Kapitola 3
3.5.2 Operace a procesy snižování obsahu VOC a anorganických sloučenin
3.5.2.1 Biologická filtrace
Popis
Tok odpadních plynů prochází ložem organického materiálu, jako je rašelina, vřes, kompost, nebo některým
z inertních materiálů, jako je jíl, dřevěné uhlí nebo polyuretan, a je biologicky oxidován přirozenými
mikroorganismy na oxid uhličitý, vodu a biomasu.
Biofiltr ukazuje Obrázek 3.61 [cww/tm/79].
Obrázek 3.61: Konstrukce biofiltru
Biofiltry je možné rozdělit na:
•
•
otevřené biofiltry
uzavřené biofiltry.
Otevřený biofiltr se skládá z vrstvy porézního biofiltračního materiálu, který je podložen sítí potrubí,
dodávajícího do filtru znečištěný vzduch. Tyto filtry vyžadují dlouhou dobu zdržení a proto bývají větší. Je
možné je používat při malých průtocích plynu. Možným řešením jsou víceúrovňové biofiltry, u nichž několik
nad sebou uložených vrstev snižuje potřebu větší plochy. V oblastech se studeným podnebím (mráz) je
vhodnost použití otevřených biofiltrů omezena.
Uzavřený biofiltr obsahuje vrstvu materiálu, která obsahuje vhodné mikroorganismy a je umístěna pod
rozvodným systémem, který do filtru rovnoměrně dodává znečištěný odpadní plyn. Plyn je poháněn
elektrickými ventilátory a prochází filtrem shora dolů nebo naopak. Ventilátor, ventilační systém a materiály
konstrukce biofiltru by měly minimalizovat korozívní účinky odpadního plynu, přebytečného kondenzátu a
prachu/kalu.
Většina používaných biofiltrů jsou filtry s otevřeným ložem, které jsou méně nákladné než filtry uzavřené,
jsou ale také méně účinné. Přednost by měla být proto dávána uzavřeným filtračním systémům
s regulovaným přívodem znečištěného a výstupem odpadního plynu. Lze předpokládat, že otevřené filtrační
systémy v mnoha případech neumožňují dostatečné odstranění emisí a často k dosažení celkového
požadovaného snížení množství VOC jejich technologické vlastnosti nevyhovují. Uzavřené technologicky
náročné biofiltry mohou být vylepšeny tak, že budou dosahovat velkého snížení obsahu xenobiotických
sloučenin.
Mikroorganismy jsou uzavřené v nehybné vrstvě. Výška filtračního materiálu se pohybuje mezi 0,5-1,5 m
s maximálně dvěma až třemi vrstvami. Měrné zatížení filtračního lože bývá v rozmezí 100 až 500 Nm3/h na
m2 povrchu filtru. Bilance vlhkosti je obvykle velmi kritická (vyžaduje se relativní vlhkost kolem 95 % a
201
Kapitola 3
více). Reguluje se předřazeným zvlhčovačem nebo pračkou plynů, občas v kombinaci se zvlhčováním
filtračního materiálu. Relativní vlhkost filtračního materiálu by měla být nižší než 60 %, aby se zabránilo
jeho zanášení. V oblastech, kde teplota klesá výrazně pod 0 °C by zvlhčovací zařízení mělo být chráněno
proti zamrznutí.
Aplikace s příliš ohřátými odpadními plyny nad 35 °C vyžadují jejich chlazení buď smícháním se vzduchem
nebo zařazením pračky plynů či tepelného výměníku. Mokré praní může být použito pro předčištění s cílem
snížit nadměrný obsah tuhých znečišťujících látek, vlastního obsahu znečišťujících látek, i těch
znečišťujících látek, které nelze filtrovat biologicky.
Doba zdržení, umožňující efektivní snížení např. zápachu, závisí na koncentraci znečišťujících látek. Měla
by se pohybovat zhruba mezi 30 až 45 sekundami.
Kvalita materiálu a provozu biofiltračního zařízení by měla chránit proti korozi. Je třeba vhodně odstraňovat
zkondenzovanou vodu z potrubí [cww/tm/46].
Typický proces biologické filtrace je na Obrázku 3.62 [cww/tm/64]. Mokrá pračka je zde jako předčišťující
zařízení.
Použití
Biofiltrace se používá v chemickém a petrochemickém průmyslu i v zařízeních na čištění odpadních vod. Je
technikou, která odstraňuje snadno biologicky odbouratelné složky, jako např. aminy, uhlovodíky, sirovodík,
toluen, styren a zapáchající látky. Je vhodná pro nízké koncentrace znečišťujících látek, které jsou dobře
rozpustné ve vodě. Obvykle však není vhodná pro odpadní toky, které obsahují mnoho různých a/nebo
proměnlivých znečišťujících látek. Dále, metan se biofiltry neodstraňuje, protože jeho potřebná retenční
doba je příliš dlouhá a zařízení by bylo velmi rozměrné.
Obrázek 3.62: Typický proces biologické filtrace
202
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
průtok plynu [Nm3/h]
teplota [°C]
tlak
koncentrace kyslíku
relativní vlhkost [%]
obsah prachu, mazacích tuků, mazadel
koncentrace uhlovodíků [mg/Nm3]
amoniak
koncentrace zápachu [ou/Nm3]
koncentrace toluenu [mg/Nm3]
koncentrace styrenu [mg/Nm3]
sloučeniny obsahující N, S nebo Cl
klimatické podmínky
1
limity / omezení
100-400 na m2 povrchu filtru 1, max. do 200000
15-40 2
55, s termofilními bakteriemi
atmosférický 2
V úrovni okolního prostředí 1
>95, téměř nasycená vodou 1
způsobuje ucpávání (zanášení), proto vyžaduje předčištění 3
200-2000 2,4
• může snížit účinost rozkladu uhlovodíků
• může se rozkládat na N2O
20000-200000 2
20-500 2
50-500 2
mohou okyselovat a deaktivovat biofiltr bez záchytné kapacity, což
znamená zvýšení frekvence výměny
mráz, déšť a vysoké okolní teploty mají vliv na materiál filtru a
snižují účinnost
[cww/tm/64]
[cww/tm/70]
3
[cww/tm/132]
4
komentář
2
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
Nevýhody
jednoduchá konstrukce
v kombinaci s adsorpcí a absorpcí je
vhodná i pro velmi málo rozpustné složky
vysoká účinnost na biologicky
odbouratelné sloučeniny, např. zapáchající
látky
•
•
•
•
•
vysušené vrstvy rašeliny a kompostu je
obtížné znovu navlhčit
prostorově poměrně náročná konstrukce
musí se zabránit otrávení a překyselení
biomasy
výkyvy průtoku plynu velmi ovlivňují
výkonnost
náplň je citlivá na ucpávání prachem
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
uhlovodíky
toluen
styren
zápach
1
Výkonnost [%]
75-95 1
80-95 1
80-90 1
75-95 1
úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
1
>5
>5 1
>10 1
>5000 ou/Nm3 1
poznámky
zápach z biofiltru 200-500 ou/Nm3
[cww/tm/70]
Účinnost biofiltrace značně závisí na složení toků odpadních plynů.
203
Kapitola 3
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál
filtrační materiál a
chemikálie (živiny, zásadité a
alkalické sloučeniny pro úpravu pH)
voda
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
množství
poznámky
5 l/1000 Nm3 1
<1 1
0,5-2 1
a
doba životnosti filtračního materiálu závisí na zatěžování překyselením, otravou, úbytkem, a obvykle není delší
než 1 rok
[cww/tm/70]
1
V případě otevřených biofiltrů musí být filtrační materiál pravidelně překopáván a občas nahrazován.
Odpadní plyn může v loži vytvářet kanálky, čímž se snižuje účinnost biofiltru. Protože ne všechny VOC,
které procházejí biofiltrem, jsou biologicky rozložitelné, může být filtrační materiál naplněn nebezpečnými
znečišťujícími látkami a je nutné jej likvidovat jako odpad (spalováním). Voda, vyluhovaná z filtračního
materiálu, může obsahovat organická rezidua a je nutné ji také likvidovat. Uzavřené filtry vodní výluh
obvykle recirkulují.
Monitorování
Bilance vlhkosti musí být hlídána velice pečlivě, protože je pro funkci biofiltru velice důležitá.
Účinnost může být určena vyhodnocováním vstupních a výstupních plynů, přičemž vhodná metoda závisí na
znečišťujících látkách, které mají být odstraněny. Je nutné pravidelně kontrolovat pH vody vylouhované
z filtrační vrstvy.
Ekonomika
typ nákladů
náklady
5000-20000 EUR 1
[na 1000 Nm3/h]
4000-180000 ATS 2
[na m3 filtru]
2
10000-20000 ATS
investiční náklady
provozní náklady
a
práce
Media ze sítí
spotřebovávaný materiál
údržba b
a
poznámky
1h týdně na filtr +
2 dny za rok 1
200 EUR na m3 filtračního materiálu 1
5000-300000 ATS 2
<1000 ATS c 2
3
kapacita za rok na 1000 Nm /h
za rok
c
3
kapacita za rok na 1000 Nm /h
1
[cww/tm/70]
2
[cww/tm/46]
b
Provozní náklady a náklady na údržbu jsou nízké, protože se nespotřebovává žádné palivo ani chemikálie.
Náklady ovlivňují:
•
•
•
•
•
204
průtok plynů
koncentrace znečišťujících látek v odpadních plynech
typ složky odpadních plynů
požadovaná účinnost
povaha filtračního materiálu.
Kapitola 3
3.5.2.2 Biologické praní
Popis
Biologické praní je kombinací mokrého praní plynů (absorpce) (viz. Sekce 3.5.1.4) a biologického rozkladu,
přičemž prací voda obsahuje populaci mikroorganismů, které jsou vhodné pro oxidaci škodlivých složek
plynů. Tyto mikroorganismy jsou rozptýlené ve vodě. Proto jsou podmínky používání biopraček následující:
•
•
musí umožnit vypírání složek odpadních plynů
vyprané složky musí být v aerobních podmínkách biologicky odbouratelné.
Biopračka je na Obrázku 3.63 [cw/tm/132].
Obrázek 3.63: Typická biopračka
a) absorbér, (b) cirkulace aktivovaného kalu, (c) aktivační nádrž
Konstrukce bioreaktoru je založena na aktivovaném kalu nebo nosiči aktivovaného kalu (podrobnosti v Sekci
3.3.4.3.1). Směs vody a kalu je recirkulována zpět do reaktoru. Absorbované znečišťující látky se rozkládají
v aeračních kalových nádržích. Prací věž by měla být konstruována tak, aby zajišťovala reakční dobu
alespoň 1 sekundu, v závislosti na obsažených znečišťujících látkách.
Biopračky jsou často inokulovány (očkovány) aktivovaným kalem z např. biologické čistírny odpadních vod.
Podle složení odpadních plynů bude dosaženo požadované úrovně výkonnosti biopračky až po několika
týdnech přizpůsobování. Inokulace kulturami připravenými ve fermentorech se provádí především v případě
znečišťujících látek, které obsahují síru (merkaptany, sirovodík, dimethylsulfid, atd.) nebo chlór (chlorové
deriváty metanu nebo etanu) [cww/tm/70].
Typický proces biologického praní je na Obrázku 3.64 [cww/tm/64].
205
Kapitola 3
Obrázek 3.64: Typický proces biologického praní
Odpařování doprovázené mineralizací a dávkováním živin a/nebo neutralizačních činidel, obvykle způsobuje
zvyšování obsahu solí v absorbentu. Tento efekt může brzdit biologický proces i přesto, že bylo zjištěno, že
stabilní rychlost biologického odbourávání je možné udržet i při koncentraci solí odpovídající vodivosti až
5000 µS/cm [cww/tm/53].
Opatření, která zabraňují nadměrnému tvoření solí, jsou např.:
•
•
•
dostatečné odtah absorbentu a současné přidání čerstvé vody
provoz se změkčenou vodou
sycení přiváděných plynů parou.
Sloučeniny, které obsahují síru, chlór a/nebo dusík způsobují okyselení (tvorbu sírových, chlorovodíkových
nebo dusičných kyselin), což je regulováno úpravou pH.
Bylo zjištěno, že vhodná doba zdržení absorbentu je 20-40 (maximálně) dní.
Použití
Biopraní se používá v chemickém a petrochemickém průmyslu i v zařízeních čistících odpadní vody. Je
technikou, která odstraňuje snadno biologicky odbouratelné složky, jako je amoniak, aminy, uhlovodíky,
sirovodík, toluen, styren a zapáchající látky. Je vhodné pro nízké koncentrace znečišťujících látek, které se
snadno rozpouští ve vodě.
Typické a osvědčené použití biopraček je uvedeno v Tabulce 3.14 [cww/tm/53].
206
Kapitola 3
Odstranění
Nádrže s aktiv.
kalem biolog.
čistíren
Výroba enzymů
Výroba látek
k odorizaci
plynů
Gumárenský
průmysl
Úprava
odpadních
barev
Výroba
methioninu
Výroba s
polymerizací
Plyny
z nebezpečných
skládek
odpadků
zápachu
X
Alifatické
Aromatické Sloučeniny Sloučeniny Sloučeniny Freony H2S NH3 Éterické
uhlovodíky
síry
oleje
uhlovodíky
kyslíku
dusíku
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Tabulka 3.14: Typická použití biopraček
Použitelnost biologického praní pro skupiny sloučenin je [cww/tm/53]:
Velmi vhodné
Alkoholy (methanol, ethanol, butanol,
glykol, diglykol, butyl glykol)
Aldehydy a ketony (formaldehyd,
acetaldehyd, aceton, MIBK)
Karboxylové kyseliny a jejich estery
(kyselina octová, kyselina propionová,
octan n-butylnatý, octan ethylnatý,
methyl-metakrylát, ester kyseliny
glykolové)
Fenoly (fenol, krezol)
Heterocyklické sloučeniny síry
Merkaptany
Aminy
Heterocyklické sloučeniny dusíku
Chlorofenoly
Sirovodík
Celkem vhodné
Naftalen
Thioétery (sulfidy)
Amoniak
Nevhodné
Alifatické uhlovodíky (methan,
pentan, hexan, uhlovodíky s delším
řetězcem, acetylén, atd.,
cyklohexan)
Aromatické uhlovodíky (benzen,
toluen, xylen, styren), kromě
naftalenu
Étery ( tetrahydrofuran, dietyléter,
dioxan)
Sulfid uhličitý
Nitroderiváty
Freony (methylendichlorid,
ethylentrichlorid, perchloretylen,
1,1,1-trichlorethan,
1,2-dichlorethan, VCM),
kromě chlórfenolů
Limity a omezení použití:
průtok plynu [Nm3/h]
teplota [°C]
tlak
koncentrace mikroorganismů
VOC-koncentrace odpadního plynu
koncentrace amoniaku
koncentrace zápachu [ou/Nm3]
limity / omezení
1000-3000 Nm3/h na m2 povrchu kolony 1
15-40 2
30-35 (optimální) 3
atmosférický 2
>15 g/l sušiny 3
100-2000 mg/Nm3 2,3
50-200 mg-Nm3 2
>20000 2
1
[cww/tm/64]
[cww/tm/70]
3
[cww/tm/53]
2
207
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
•
Nevýhody
•
vysoké koncentrace je možné omezit díky
vysoké mikrobiální přeměně
vhodné i pro vysoké koncentrace sloučenin
síry, chlóru a/nebo dusíku
•
•
•
•
tvorba biomasy, která se musí likvidovat
jako odpad a může způsobovat blokování
cirkulační vody
špatně rozpustné složky se obtížně
odstraňují
fluktuace např. koncentrací v průtoku plynu
značně ovlivňují výkonnost
vodní výluh je nutné čistit
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Parametr
VOC
amoniak
zápach
1
Výkonnost [%]
80-90 1
80-95 1
70-80 1
3
Úroveň emisí [mg/Nm ]
Poznámky
[cww/tm/70]
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
chemikálie (živiny, alkalické
sloučeniny pro úpravu pH)
voda
aktivovaný kal
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
množství
poznámky
0,2-0,5 1
0,2-0,5 1
[cww/tm/70]
Díky biologickým procesům které v biopračce probíhají, se koncentrace solí v cirkulační vodě zvyšuje a
musí proto být čas od času vypuštěna. Tuto odpadní vodu je nutné čistit, nebo se jí zbavit jiným způsobem.
Přebytek aktivovaného kalu musí být likvidován podle obsažených znečišťujících látek, nebo produktů
rozkladu, např. spalováním.
Z nádrží na cirkulační vodu se může příležitostně uvolňovat zápach, takže může být potřeba jímat znečištěný
vzduch a odvádět jej do zařízení k čištění.
Monitorování
Účinnost závisí na chemické analýze nebo vyhodnocení zápachu plynů na vstupu a výstupu. Proces vyžaduje
regulaci pH.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3]
provozní náklady
práce
utility
spotřebovávaný materiál
1
[cww/tm/70]
208
náklady
5000-15000 EUR 1
poznámky
½ dne týdně 1
Kapitola 3
3.5.2.3 Biologické skrápění
Popis
Biologické skrápění probíhá za podobných podmínek jako biologické praní. Mikroby jsou však na rozdíl od
biologického praní uchycené na nosných elementech. Princip procesu je na Obrázku 3.65.
Obrázek 3.65: Průtokové schéma procesu biologického prosakování
V reaktoru s biologickou skrápěnou vrstvou cirkuluje kontinuálně vodní fáze vrstvou inertního materiálu.
Tato náplň sestává z objemného materiálu nepravidelných tvarů, např. kroužků, sedélek, atd. nebo
strukturovaných náplní. Při výběru materiálu náplně je nutné se v každém jednotlivém případě ujistit, že i
v případě očekávaného vytvoření nadměrného množství kalu nebude reaktor ucpaný dlouho. Povrchové
vlastnosti by měly zajišťovat pevné přichycení biofilmu. Znečišťující látky v odpadním plynu a kyslík jsou
absorbovány do vodní fáze a transportovány do biofilmu, kde probíhá biologická přeměna. Kvalita přenosu
hmoty z plynu do kapalné fáze a eliminační výkonnost reaktoru zásadně závisí na velikosti zvlhčeného
povrchu náplně. Pro dosažení optimálních výsledků odstraňování, tj. maximalizací velikosti zvlhčeného
povrchu, by měla být kapalná fáze rovnoměrně rozložena po povrchu biofilmu [cww/tm/53].
Imobilizace biomasy i tvorba biofilmu jsou obvykle přirozeně regulovaným procesem, který začíná po
naočkování vodní fáze. Kontinuálně cirkulující kapalná fáze funguje jako zásobník nezbytných živin pro
mikroby. Současně se z reaktoru vymývá přebytečný aktivovaný kal a reakční produkty, které mohou
209
Kapitola 3
fungovat jako inhibitory jako je např. chlorovodík při rozkladu metylendichloridu. Ve vodní fázi je nutné
kontrolovat základní podmínky jako pH, hromadění živin a solí [cww/tm/53].
Stejně jako u biologického praní i zde se zvyšuje obsah solí v absorbentu. Opatření, která mají předcházet
tvoření přebytečných solí, jsou např.:
•
•
•
odpovídající odtahování absorbentu a současné přidání čerstvé vody
provoz s měkčenou vodou
prosycení přiváděných odpadních plynů parou.
Zařízení biologického prosakování je znázorněno na Obrázku 3.66.
Obrázek 3.66: Typické zařízení biologického prosakování
Použití
Použití biologického skrápění je srovnatelné s biologickým praním. Menší rozdíly je možné nalézt
v chemické podstatě znečišťujících látek pro které jsou obě techniky čištění vhodné.
Použitelnost biologického prosakování na skupiny sloučenin je [cww/tm/53] (srovnej s odpovídající tabulkou
v Sekci 3.5.2.2):
210
Kapitola 3
Velmi vhodné
alkoholy (methanol, ethanol, butanol,
glykol, diglykol, butyl glykol)
aldehydy a ketony (formaldehyd,
acetaldehyd, aceton, MIBK)
karboxylové kyseliny a jejich estery
(kyselina octová, kyselina propionová,
kyselina máselná, octan n-butylnatý,
octan etylnatý, metyl-metakrylát, ester
kyseliny glykolové)
fenoly (fenol, krezol)
merkaptany
aminy
heterocyklické sloučeniny dusíku
dichlormethan, 1,2-dichlorethan,
chlórfenoly
sirovodík
Celkem vhodné
styren, naftalen
heterocyklické sloučeniny síry
sulfid uhličitý
trichlorethan, VCM
Nevhodné
alifatické uhlovodíky
(methan, pentan)
perchloretylen,
1,1,1-trichlorethan
Limity a omezení použití:
teplota [°C]
tlak
koncentrace mikroorganismů
VOC-koncentrace odpadního plynu
[mg/Nm3]
koncentrace amoniaku [mg/Nm3]
koncentrace zápachu [ou/Nm3]
koncentrace sirovodíku
[mg/Nm3]
koncentrace merkaptanu
[mg/Nm3]
1
2
3
limity / omezení
15-40 1
30-35 (optimální) 2
atmosférický 2
>15 g/l sušiny 3
400-2000 1,2
100-400 1
>20000 1
50-200 1
5-100 1
[cww/tm/64]
[cww/tm/70]
[cww/tm/53]
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
biologický rozklad absorbovaných složek
vhodné pro střední koncentrace
okyselujících složek obsahujících síru,
chlór a dusík
umožňuje malé úpravy pH
Nevýhody
•
•
•
fluktuace podmínek průtoku na vstupu plynu
značně ovlivňují výkonnost
špatně rozpustné složky se obtížně
odstraňují
je nutno zabránit toxickým a vysokým
koncentracím okyselujících látek
211
Kapitola 3
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Parametr
VOC
amoniak
zápach
sirovodík
merkaptany
sirouhlík
Účinnost [%]
80-95 1
80-95 1
70-90 1
80-95 1
70-90 1
98-99 2
styren
80 2
VCM
99 2
1
2
3
Úroveň emisí [mg/Nm ]
Poznámky
koncentrace na vstupu
100 mg/Nm3
koncentrace na vstupu
asi 160 mg/Nm3
koncentrace na vstupu
do to 100 mg/Nm3
[cww/tm/70]
[cww/tm/53]
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
chemikálie (živiny, kyselé sloučeniny
pro úpravu pH)
voda
aktivovaný kal
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
množství
poznámky
<1 1
0,1-1 1
[cww/tm/70]
Díky biologickým procesům, které při biologickém skrápěníní probíhají, se koncentrace solí v cirkulační
vodě zvyšuje a musí proto být čas od času vypuštěna. Tuto odpadní vodu je nutné čistit, nebo se jí zbavit
jiným způsobem.
Přebytek aktivovaného kalu musí být likvidován podle obsažených znečišťujících látek, nebo produktů
rozkladu, např. spalováním.
Z nádrží na cirkulační vodu se může příležitostně uvolňovat zápach, takže může být potřeba jímat znečištěný
vzduch a odvádět jej do zařízení k čištění.
Monitorování
Účinnost systému biologického prosakování závisí na dávkách plynu a výstupních koncentracích. Složení
absorpční voda by měla být monitorována kontinuálním měřením těchto parametrů [cww/tm/53]:
•
•
•
•
212
pH
teploty
koncentrace kyslíku
vodivosti.
Kapitola 3
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3]
provozní náklady
náklady
5000-20000 EUR 1
práce
utility
spotřebovávaný materiál
1
poznámky
½ dne týdně 1
[cww/tm/70]
3.5.2.4 Termální oxidace
Popis
Termální oxidace je oxidací spalitelných plynů a zapáchajících látek, obsažených v toku odpadních plynů.
Směs znečišťujících látek se vzduchem nebo kyslíkem se v peci zahřívá nad samozápalnou teplotu a vysoká
teplota se udržuje dostatečně dlouho na to, aby se dokončilo spálení na oxid uhličitý a vodu. Účinnost a
rychlost spalovacího procesu jsou ovlivněny časem, teplotou (kolem 200-400 °C nad bodem vzplanutí),
vířivým pohybem (míchání) a dostatkem kyslíku. Tyto faktory určují základní konstrukční parametry
systémů oxidace VOC. Speciální podmínky může vyžadovat potlačování vzniku (nebo de-novo syntézy)
dioxinů, pokud plyn obsahuje halogenované VOC, přestože obvykle dochází při spalování toků plynných
odpadů ke vzniku pouze nepatrného množství dioxinů:
•
•
•
•
doba zdržení ≥1 s [cww/tm/118 a 120]
teplota ≥1100 °C [cww/tm/118 a 120]
obsah kyslíku >3 %
rychlé chlazení kouřových plynů po spalování a jejich prohnání „rekombinačním oknem“ tvorby
dioxinů.
Pro odstraňování halogenvodíků je nutné instalovat další zařízení, např. alkalické pračky.
V provozu je několik typů termálních oxidátorů:
•
přímý tepelný oxidátor, který se skládá ze spalovací komory a není vybaven rekuperací tepla ze
spalin
•
rekuperační termální oxidátor s následujícím pořadím stupňů [cww/tm/132]:
- znečištěný vzduch vstupuje do oxidátoru obvyklým přívodem přes škrticí klapku a prochází
do rekuperační komory
- dále prochází keramickou matricí tepelného výměníku, která zvyšuje teplotu plynu na
oxidační teplotu
- následně vstupuje do spalovací komory, v níž hořáky udržují teplotu 800 °C, uvolněné teplo
snižuje spotřebu paliva pro pomocné hořáky
- nato opouští spalovací komoru průchodem druhou keramickou matricí tepelného výměníku
a předává tepelnou energii k opětovnému použití při předehřátí dalšího cyklu
- čistý odpadní plyn je výpustným ventilem vypuštěn k do atmosféry
Díky poměrně vysoké teplotě prostoru spalování, velkému přebytku vzduchu a malému ovlivnění plamenem,
tvoří se jen malé množství oxidu uhelnatého a NOx.
Tento systém je vhodný především pro odpadní plyny s vysokými objemovými průtoky (až 200 Nm3/s).
Obvykle dosahuje 90-97 % rekuperace tepla (předehřátí odpadního plynu) [cww/tm/132].
213
Kapitola 3
Příklady systémů rekuperační termální oxidace jsou schématicky znázorněny na Obrázku 3.67
[cww/tm/132]:
Obrázek 3.67: Schémata různých systémů rekuperačního spalování
Rekuperátor s fixním ložem, B) Spalovací výměník (combu-changer), C) Ljungstromův rekuperátor, D)
rekuperátor s pohyblivým ložem
214
•
rekuperační termální oxidátor se skládá ze spalovací komory, předehřívače odpadního plynu a je-li
to vhodné, sekundárního tepelného výměníku rekuperace energie, kde je teplo neustále předáváno do
předehřívače. Tento systém je vhodný především pro odpadní plyny s nízkým objemovým průtokem
(<14 Nm3/s). Obvykle dosahuje 50-80 % tepelné rekuperace [cww/tm/132]
•
plynové motory a/nebo parní kotle [cww/tm/133] s 57-67 % rekuperací energie. Odpadní plyn se
spaluje v motoru a je-li třeba, přidává se přírodní plyn. Následné generátory vyrábí elektřinu. Motor
obsahuje katalyzátor zvláště pro oxidaci oxidu uhelnatého. K motoru je přiřazen parní kotel, který
využívá odpadní teplo výfukového plynu pro výrobu páry. Napájecí voda přiváděná do kotle je
předehřívána chladící vodou motoru. Při nízkých teplotách spalování vzniká jen malé množství NOx.
Výfukový plyn vycházející z motoru prochází oxidačními katalyzátory, které snižují obsah oxidu
uhelnatého.
Kapitola 3
Konstrukční kritéria systémů termálních oxidátorů závisí především na povaze odpadního plynu, která určuje
podmínky spalování. Některé z nejdůležitějších součástí jsou:
•
Hořáky
Některé typy hořáků jsou popsány v Tabulce 3.15 [cww/tm/79].
hořák
dělený hořák
vlastnosti
umožňuje lepší promíchání paliva a spalovacího vzduchu a horkých plynů
s obtokovým vzduchem. Tím dochází ke zkracování plamenů a prodloužení doby
zdržení. Mohou se však používat pouze čisté plyny a plynná paliva. Má omezený
provozní rozsah (poměr mezi maximálním a minimálním výkonem), může
vyžadovat spalovací vzduch s vysokým obsahem kyslíku.
jednoduchý hořák
levnější než dělené hořáky
hořák s předmícháním
zajišťuje účinné spalování, ale může spalovat pouze plynné palivo a čistý vzduch
difúzní hořák
spaluje kapalné i plynné palivo a čistý i znečištěný vzduch
vířivý hořák
zajišťuje účinné spalování a krátký plamen, ale vyžaduje ventilátor, schopný
dodávat přetlak 500 mm vodního sloupce, má malý provozní rozsah a ucpává se
olejový hořák
delší plameny, dražší, vyžaduje více údržby, má omezený provozní rozsah a
celkově není tak čistý, jako plynový hořák.
Tabulka 3.15: Typy hořáků
•
Směšovací sekce [cww/tm/79]
Dobrého smíchání lze dosáhnout:
- přirozenou difúzí mezi vířícími toky
- srážkou toků plynů v určitém úhlu
- změnami směru toku, zaoblenými rohy nebo průchodem přes deflektory.
•
Spalovací komora [cww/tm/79]
Podmínky dimenzování spalovací komory:
- průměr musí umožňovat turbulentní tok
- komora musí být dostatečně velká aby pojmula (také) plamen bez jeho zhášení
- její délka je určena součtem délky plamene a délky potřebné k promíchání spalovací směsi
- komora musí odolávat teplotě a korozi
- materiál musí vydržet časté tepelné roztahování a smršťování.
•
Předčištění odpadních plynů [cww/tm/79]
Předčištění před vstupem do termálního oxidátoru je nutné v případech:
- kondenzace vodí páry z vlhkého odpadního plynu
- odstraňování pevných a kapalných znečišťujících látek
- koncentrace (např. GAC nebo zeolitovou adsorpcí a následnou desorpcí) pro snížení celkového
objemu plynu, který má být v oxidátoru čištěn
- předehřátí, které snižuje spotřebu paliva.
•
Bezpečnostní vybavení [cww/tm/79]
Nutná bezpečnostní zařízení jsou:
- ochrana proti zpětnému zášlehu, např. pojistka proti prošlehnutí plamene zpět s paralelními deskami,
pojistky proti prošlehnutí plamene s vícenásobnou mřížkou a/nebo vodní uzávěry.
- pročištění hořáku při spuštění termálního oxidátoru
- uzavření průtoku plynu v případě zhasnutí plamene
- omezení špičkových teplot.
215
Kapitola 3
Použití
Termální oxidátory se používají ke snížení emisí z téměř všech zdrojů VOC, včetně odvětrání reaktorů,
výdechů v destilacích, zpracování rozpouštědel a operací probíhajících v pecích (ovens), sušárnách a
rotačních pecích. Dokáží se vyrovnat s malými fluktuacemi průtoku, ale velké fluktuace vyžadují použití
polního hořáku. Pokud jsou odpadní plyny na vstupu znečištěné málo, může být spotřeba paliva vysoká a
termální jednotky jsou proto nejvhodnější pro menší provozy se středně až velmi velkým obsahem VOC
v odpadních plynech. Termální oxidátory se používají pro snižování obsahu VOC v mnoha průmyslových
procesech, jako jsou např.:
•
•
•
•
•
•
•
skladování a nakládání / vykládání ropných produktů a dalších těkavých organických kapalin
čištění nádob (železničních cisteren, cisternových vozů, tankerů)
technologické odvětrávání v průmyslu vyrábějícím syntetické organické chemikálie
výroba barev
výroba pryže a polymerů
natírání měkkých materiálů vinylickými a urethanovými polymery
zařízení (provozy) pro skladování a zbavování se (čištění) nebezpečných odpadů.
Limity a omezení použití [cww/tm/70]:
typický průtok plynu [Nm3/h]
teplota [°C]
koncentrace VOC v odpadním plynu
doba zdržení [s]
látky
limity / omezení
900-86000 (přímý a rekuperační termální
1,2
oxidátor)
90-86000 (rekuperační termální oxidátor) 3
750-1000 4
980-1200 s nebezpečnými složkami 1,2,3
<25 % LEL 1,2,3
0,5-2 5 (závisí na teplotě)
žádné látky, které by mohly vytvářet
korozívní sloučeniny při používání
plynových motorů parních kotlů
1
[cww/tm/120]
[cww/tm/119]
3
[cww/tm/118]
4
[cww/tm/132]
5
[cww/tm/64]
2
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
216
Vysoká a stálá účinnost
jednoduchý princip
spolehlivý provoz
rekuperační a regenerační oxidace má
vysokou tepelnou účinnost, snižující
spotřebu paliva a tím i emisí oxidu
uhličitého
umožňuje výrobu odpadního tepla nebo
páry integrovat do procesu
Nevýhody
•
•
•
•
emise oxidu uhelnatého a oxidů dusíku
riziko vzniku dioxinů při spalování
sloučenin chlóru
VOC obsahující síru a/nebo halogenidy
vyžadují čištění kouřových plynů
spotřeba doplňkového paliva, alespoň při
spouštění a koncentrace VOC pod bodem
vzplanutí
Kapitola 3
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
Účinnost [%]
regenerační
95-99 2
neupravený
98->99,9 1
25-99,9 1
50-99,9 1
VOC
TZL10
3
parametr
neupravený
VOC
poznámky
rekuperační
98-100 a 3
25-99,9 3
50-99,9 3
Úroveň emisí [mg/Nm ]
regenerační
<1-20 b
ropné a uhel. produkty
chemické a příbuzné
produkty
poznámky
rekuperační
objem kyslíku
3 v-%
a
>99,9999 %
nízké úrovně nebezpečných látek, vysoké úrovně méně nebezpečných
[cww/tm/120]
2
[cww/tm/119]
3
[cww/tm/118]
b
1
Účinnost snižování obsahu VOC je u termální oxidace vyšší než u oxidace katalytické.
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
Spotřebovávaný materiál/energie
palivo pro spouštění a
nesamozápalné podmínky a
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
a
rozsah samozápalu pro VOC 1-10 g/Nm
[cww/tm/70]
2
[cww/tm/96]
Množství
Poznámky
3-8 1,2
1-5 1
31
1
Kromě emisí oxidu uhličitého jsou v odpadních plynech i stopy oxidu uhelnatého a NOx, v závislosti na
složení surového odpadního plynu a provozu termálního oxidátoru. Obsah oxidu uhelnatého se snižuje např.
vhodným katalyzátorem; odpovídající množství NOx se může dočistit (viz. Sekce 3.5.4.2). Obsah síry a
halogenů vyžaduje další čištění kouřových plynů např. vodním, nebo alkalickým praním (viz. Sekce 3.5.1.4)
absorbujícím halogenvodíky, vstřikováním vápna (viz, Sekce 3.5.4.1) absorbujícího oxid siřičitý nebo GAC
adsorpcí (viz Sekce 3.5.1.3) pro odstranění dioxinů, pokud není slučování/přeskupování dioxinů zabráněno
již při spalování. Přítomnost organokřemičitých sloučenin může způsobit jemnou dispersi amorfního oxidu
křemičitého, který pak vyžaduje odstranění vhodnou technikou filtrování. Při dalším čištění plynů mohou
vznikat odpadní vody, které je nutné také čistit, např. sedimentací (viz. Sekce 3.3.4.1.2) nebo neutralizací.
Monitorování
[cww/tm/79]
Překročení zadaných hodnot u následujících monitorovaných parametrů je signalizováno jako alarm:
•
•
•
•
•
•
teplota spalování
koncentrace VOC
koncentrace oxidu uhelnatého
tlak
přívod zkondenzovaného (zkapalněného?) plynu
přívod stlačeného vzduchu.
217
Kapitola 3
Dalším důležitým sledovaným parametrem je obsah kyslíku v kouřovém plynu, který informuje o
podmínkách spalování. Je zvláště důležitý při termální oxidaci halogenových sloučenin.
Účinnost systému při snižování obsahu znečišťujících látek může být určena monitorováním koncentrace
VOC a/nebo zápachu před a za termálním oxidátorem. VOC může být měřeno jako celkové množství uhlíku
pomocí detektoru ionizace plamene. Kvalitativní analýza emisí se určuje odběrem vzorků ve vhodných
místech a jejich následnou analýzou GC/MS. Účinnost snižování obsahu zapáchajících emisí se určuje
pomocí odběru vzorků ve vhodných místech a jejich následnou olfaktometrickou analýzou.
Hořáky mají být pravidelně kontrolovány a v případně nutnosti je třeba je čistit. Pokud se na nich rychle
tvoří usazeniny, je třeba učinit preventivní opatření. Odpadní plyny, před tím než vstoupí do hořáku, mohou
vyžadovat účinné předčištění. Pokud jsou usazeniny způsobeny uhlíkem, může to naznačovat, že používaný
poměr odpadní plyn/palivo je špatný a musí být zkontrolováno nastavení regulátoru.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3]
neupravený
2800-59000 USD 1
10000-40000 EUR 2
roční provozní náklady 24000-45000 USD 1
[na 1000 Nm3]
práce
0,5 dny týdně
utility
spotř. materiál
nákladová efektivnost
[na tunu znečišťující
440-3600 USD 1
látky za rok]
náklady
regenerační
24000-89000 USD 3
20000-30000 EUR 2
131000-174000 FIM 5
2400-5900 USD 3
6500 FIM 5
2 dny týdně
110-210000 USD 3
poznámky
rekuperační
8900-77000 USD 4
10000-50000 EUR 2
2800-14800 USD 4
110-2200 USD 4
1
[cww/tm/120]
[cww/tm/70]
[cww/tm/119]
4
[cww/tm/118]
5
[cww/tm/96]
2
3
Faktory ovlivňující náklady [cww/tm/80]:
faktory
objem čištěných odpadních plynů
výhřevnost odpadního plynu
teplota spalování
Přístrojové vybavení
možnosti rekuperace tepla
instalační požadavky (vnitřní, vnější, úroveň
terénu, povrch střechy, atd.)
vliv/následky
rozměry spalovací komory
konstrukce spalovacího zařízení, požadavek
podpůrného paliva
konstrukční materiály
Pece a kotle se mohou v případě, že se teplota a doba zdržení pohybují ve správném rozsahu, používat
k termální oxidaci VOC. To může představovat zajímavou možnost tam, kde jsou pece či kotle již
instalovány.
3.5.2.5 Katalytická oxidace
218
Kapitola 3
Popis
Katalytické oxidátory pracují podobně jako termální oxidátory, pouze s tím rozdílem, ze plyn po průchodu
plamenem prochází ložem katalyzátoru. Katalyzátor zintenzivňuje oxidační reakce a umožňuje konversi při
nižších reakčních teplotách, než je tomu u oxidace termální. Katalyzátory proto umožňují používání menších
oxidátorů. Princip je znázorněn na Obrázku 3.68 [cww/tm/79].
Obrázek 3.68: Princip katalytické oxidace
Odpadní plyn se před vstupem do lože katalyzátoru předehřívá pomocnými hořáky na teplotu zhruba 300500 °C. Maximální konstrukční výstupní teplota z katalyzátoru je obvykle 500-700 °C [cww/tm/116].
Systémy katalytické oxidace se dělí podle metody kontaktu plynu s katalyzátorem. Používají se jak fixní, tak
i fluidní lože.
Katalytické oxidátory s fixním ložem mohou využívat monolitický katalyzátor nebo náplňovou vrstvu
katalyzátoru. Monolitický katalyzátor je porézní pevný blok, který obsahuje paralelní, nekřížící se kanály,
vyrovnané ve směru toku plynu. Jeho výhodou je minimální opotřebení díky tepelnému roztahování /
smršťování během spouštění / zastavování a díky nízkým celkovým tlakovým ztrátám. Náplňová vrstva
katalyzátoru sestává z částic uložených buď v trubce nebo na mělkých patrech, kterými plyn prochází.
V porovnání s monolitickým katalyzátorem je v tomto případě tlaková ztráta vysoká a částice katalyzátoru
mají tendenci se při ohřívání / chlazení lože katalyzátoru v omezeném prostoru během spouštění /
zastavování díky teplotnímu roztahování rozpadat.
Výhodou fluidního lože katalytických oxidátorů je velmi vysoká intenzita přenosu hmoty přesto, že celková
tlaková ztráta je o něco vyšší, než je tomu u monolitu. Další výhodou fluidních loží je vysoký přestup tepla
do lože v porovnání s obvyklým součinitelem přenosu tepla. Další výhodou je jejich větší tolerance k tuhým
znečišťujícím látkám v toku plynu, než je tomu u fixního lože nebo monolitických katalyzátorů. Je tomu tak
díky konstantnímu opotřebovávání fluidních pelet (pellets) katalyzátoru, které napomáhá stálému
odstraňování tuhých znečišťujících látek z okolí katalyzátorů. Nevýhodou je postupná ztráta katalyzátoru
oděrem.
Katalyzátory pro oxidaci VOC jsou obvykle drahé kovy, např. platina, paladium a rhodium, uložené na
keramickém materiálu nebo kovu, nebo základní kovy, uložené na keramických peletách, jednotlivé oxidy
kovů nebo jejich směsi, často uložené na mechanicky pevném nosiči, jako např. oxidy mědi, chrómu,
manganu, niklu, kobaltu, atd.
219
Kapitola 3
Katalyzátory, jako jsou oxidy chrómu/hliníku, oxid kobaltu a oxidy mědi/manganu se používají pro oxidaci
plynů, které obsahují sloučeniny chlóru. Katalyzátory obsahující platinu jsou aktivní při oxidaci VOC
obsahujících síru, zatímco v přítomnosti chlóru se deaktivují.
Značný vliv na životnost katalyzátoru může mít přítomnost katalytických jedů nebo maskovacích
(zaslepujících) činidel v toku odpadních plynů, např. tuhých znečišťujících látek nebo reaktivních
chemikálií. Otrava maskováním může být vratná (reverzibilní), například potahování povrchu katalyzátoru
oleji nebo tuky snižuje jeho účinnost, ale vrstva může být zvýšením teploty spálena. Pro určité chemikálie
však otrava katalyzátoru vratná není. Takovými katalytickými jedy jsou např.:
•
•
•
•
•
rychle působící inhibitory, např. fosfor, bismut, arzén, antimon, olovo, rtuť, způsobují nevratný
pokles katalytické aktivity, jehož rychlost závisí na koncentraci a teplotě
pomalu působící inhibitory, např. železo, cín, křemík, které způsobují nevratný pokles aktivity, ale
katalyzátor toleruje vyšší koncentrace, než v případě rychle působících inhibitorů
reverzibilní inhibitory, např. síra, halogeny, zinek, způsobují – dle katalyzátoru – vratné navrstvení
povrchu aktivního katalyzátoru v rozsahu, které odpovídá teplotě a koncentraci
povrch maskující látky např. organické pevné látky, které způsobují reverzibilní potažení aktivních
povrchů
látky erodující a maskující aktivní povrch katalyzátoru, např. inertní částice, které způsobují
povrstvení aktivních povrchů a zároveň erozi katalyzátoru v takovém rozsahu, který odpovídá
velikosti tuhých znečišťujících látek, obsahu zrn a rychlosti plynu [cww/tm/80].
Pro termální oxidaci se používá několik typů oxidátorů:
•
•
•
přímý katalytický oxidátor
regenerační katalytický oxidátor
rekuperační katalytický oxidátor.
Obvyklé provozní podmínky katalytických oxidátorů jsou např.:
•
•
•
•
•
•
•
preferovaným podpůrným palivem je přírodní plyn (při potřebě podpůrného paliva)
vhodným hořákem je dělený hořák
komory vyrobené z nerezavějící oceli nebo oceli uhlíkové
sekce hořáku s dostatečnou délkou umožňující rovnoměrný tok a rozložení teplot na povrchu
katalyzátoru
rovnoměrný profil objemového průtoku přes povrch katalyzátoru
odpadní plyn procházející ložem katalyzátoru v „pístovém toku“ s minimálním zpětným mícháním
(axiálním promícháváním?)
obvyklá doba zdržení 0,3-0,5 sekund.
Stejně jako u termální oxidace i zde je nutné nějaké předčištění odpadního plynu, např. kondenzace vodní
páry z vlhkých odpadních plynů, odstranění pevných látek a kapalin a – což je typické pro katalytický
systém – odstranění katalyzátorových jedů. Bezpečnostní požadavky jsou téměř shodné s termální oxidací
(viz. Sekce 3.5.2.4).
Katalytická oxidace by měla být navržena tak, aby usnadňovala odstranění (vyjmutí?) katalyzátoru kvůli
čištění nebo výměně.
Příklad regenerační katalytické oxidace je na Obrázku 3.69 [cww/tm/132].
220
Kapitola 3
Obrázek 3.69: Regenerační katalytický oxidátor
1) přívod znečištěného plynu, 2) lože keramického materiálu akumulujícího, 3) vrstva katalyzátoru, 4)
spalovací komora, výstupní vrstva katalyzátoru, 6) regenerační komora, 7) výfukové potrubí, 8) propojovací
potrubí
Použití
Katalytická oxidace se používá pro snižování z různých stacionárních zdrojů. Hlavním zdrojem emisí jsou
VOC z odpařování rozpouštědla a katalytická oxidace se široce využívá v mnoha průmyslových sektorech
v této kategorii. Příklady z chemických a příbuzných sektorů jsou:
•
•
•
•
stáčecí stanice hromadné nakládky benzínu
odvětrávání procesů v průmyslu, vyrábějícím syntetické organické chemikálie
pryžové produkty a výroba polymerů
výroba polyethylenu, polystyrenu a polyesterových pryskyřic.
Katalytická oxidace je nejvhodnější pro systémy s nižšími objemy odpadních plynů, pokud jejich typ a
koncentrace VOC kolísají jen málo a tam, kde se nevyskytují katalytické jedy nebo jiné ucpávající
znečišťující látky. Další složky, jejichž obsah je nutné snížit, jsou oxid uhelnatý a do určité míry tuhé
znečišťující látky, přestože ty vyžadují speciální provozní zařízení.
Limity a omezení použití:
typický průtok plynu [Nm3/h]
teplota [°C]
koncentrace VOC v odpadním plynu
doba zdržení [s]
1
2
3
limity / omezení
1200-86000 (přímý a regenerační katalytický
1,2
oxidátor)
90-86000 (rekuperační katalytický oxidátor) 3
300-500 před katalyzátorem
500-700 za katalyzátorem
<25 % LEL 1
0,3-0,5 (závisí na objemu lože katalyzátoru)
[cww/tm/116]
[cww/tm/119]
[cww/tm/118]
221
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Nevýhody
•
kompaktnější než termální oxidace
vyžaduje nižší teploty a méně přídavného
paliva než termální oxidátory
z atmosférické fixace vzniká málo nebo
žádné NOx (asi 20-30 % množství
vzniklého při termální oxidaci)
katalyzátor současně snižuje obsah CO
v odpadním plynu
je trvale, vysoce a spolehlivě výkonný
rekuperační a regenerační oxidace jsou
vysoce tepelně účinné, snižují spotřebu
doplňkového paliva a emise oxidu
uhličitého
umožňuje výrobu zbytkového tepla nebo
páry integrovat do procesu
malé nebo žádné požadavky na izolaci
menší riziko požáru ve srovnání
s termálním oxidátorem
nižší účinnost rozkladu VOC než u termální
oxidace
systém je citlivý na změny výhřevnosti
plynu
riziko vzniku dioxinů při spalování
sloučenin chlóru
všechny katalyzátory jsou citlivé na otravu,
ucpávání a potlačení katalytické aktivity
tuhé znečišťující látky musí být často
odstraněny jako první
opotřebované katalyzátory, které nemohou
být rekuperovány musí být likvidovány
•
•
•
•
•
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
neupravený
95 1
98-99 a 1
25-99,9 1
50-99,9 1
VOC
TZL10
CO
zápach
parametr
VOC
80-95
účinnost
[%]
regenerační
90-99 2
poznámky
rekuperační
ropné a uhel. produkty
chemické a příbuzné produkty
>98 b 2
3
3
úroveň emisí [mg/Nm ]
< 1-20 c
poznámky
a
vyžaduje větší objemy katalyzátorů a/nebo vyšší teploty
katalyzátory na bázi vzácných kovů
c
nízké úrovně nebezpečných látek, vysoké úrovně méně nebezpečných
1
[cww/tm/116]
2
[cww/tm/119]
3
[cww/tm/70]
b
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
palivo pro spouštění a nesamozápalné
podmínky a
[Nm3 metanu na 1000 Nm3]
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
a
1
autothermický rozsah pro VOC 1-2 g/Nm
[cww/tm/70]
31
množství
poznámky
0-100
1-2 1
1-5 1
3
(regenerační systém) a 3-5 g/Nm (rekuperační systém)
Emise do životního prostředí obsahují stopy oxidu uhelnatého a, díky poměrně nízké teplotě ve srovnání
s termální oxidací, malé množství NOx. Dosažitelné úrovně emisí jsou 15 mg/Nm3.
222
Kapitola 3
Životnost katalyzátoru je asi dva roky i více. Poté musí být rekuperován nebo likvidován jako chemický
nebo dokonce nebezpečný odpad.
Pokud oxidované VOC obsahují síru a/nebo halogeny, je možné očekávat další emise oxidu siřičitého a/nebo
halogenvodíků. Ty je potřebné odstraňovat vhodnými technikami.
Monitorování
[cww/tm/79]
Aby bylo možno regulovat podmínky spalování, měla by být monitorována teplota lože, tlaková ztráta na
loži, teplota spalování a obsah oxidu uhelnatého a kyslíku v odcházejících odpadních plynech.
Účinnost systému při snižování obsahu látek může být určena monitorováním koncentrace VOC a/nebo
zápachu před a za termálním oxidátorem. VOC je možné měřit jako celkové množství uhlíku s použitím
detektoru ionizace plamene. Kvalitativní analýza emisí se určuje odběrem vzorků ve vhodných místech a
jejich následnou analýzou GC/MS. Účinnost snižování obsahu zapáchajících emisí se určuje odběrem vzorků
ve vhodných místech a jejich následnou olfaktometrickou analýzou.
Je nutné pravidelně kontrolovat hořáky a v případně nutnosti je čistit. Pokud se na nich rychle tvoří
usazeniny, je třeba učinit preventivní opatření. Odpadní plyny předtím, než vstoupí do hořáku, mohou
vyžadovat účinné předčištění. Pokud usazeniny způsobuje uhlík, může to naznačovat používání špatného
poměru odpadní plyn/podpůrné palivo a potřebu zkontrolovat nastavení regulátoru.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[per 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady
[per 1000 Nm3/h]
pracovní síla
síťová provozní media
spotřební materiál
nákladová efektivnost
[na tunu znečišťující
látky za rok]
neupravený
14000-58000 USD1
10000-80000 EUR 2
2800-21000 USD 1
náklady
regenerační
24000-89000 USD 3
30000-40000 EUR 2
3600-12000 USD 3
0,5 dne týdně
2 dny týdně
440-3600 USD 1
150-26000 USD 3
poznámky
rekuperační
1
[cww/tm/116]
[cww/tm/70]
3
[cww/tm/119]
2
Faktory ovlivňující náklady [cww/tm/80]:
faktory
průtok odpadních plynů
výhřevnost odpadního plynu
požadovaná účinnost rozkladu rozpouštědla
vliv/následky
rozměry spalovací komory
konstrukce spalovacího zařízení, požadavek
podpůrného paliva
objemová rychlost a následně požadované
množství katalyzátoru
typ katalyzátoru
Přístrojové vybavení
typ tepelného výměníku
instalační požadavky (vnitřní, vnější, úroveň
terénu, povrch střechy, atd.)
223
Kapitola 3
3.5.2.6 Spalování v polních hořácích
Popis
Spalování je oxidační proces s vysokou teplotou, který se používá ke spalování spalitelných složek
odpadních plynů z průmyslových procesů. Existují dva typy hořáků (fléry):
•
•
zvýšené polní hořáky
pozemní polní hořáky.
Zvýšené polní hořáky, které jsou běžnější, mívají větší kapacitu, než pozemní. Odpadní plyn se přivádí
svislou rourou, vysokou 10 až 100 metrů, a na vrcholu této roury se spaluje. Plamen je vystaven
atmosférickým vlivům (větru, srážkám). Hořáky se obvykle projektují s velkou kapacitou (stovky tun za
hodinu) a lépe vyhovují většímu kolísání toku plynů.
Typický systém zvýšeného polního hořáku (viz. Obrázek 3.70 [cww/tm/143]) se skládá z [cww/tm/143]:
Obrázek 3.70: Typický systém zvýšeného polního hořáku [cww/tm/143]
•
•
•
•
•
•
sběrná komora plynu a potrubí, svádějící plyny z jednotlivých provozů
odlučovač (oddělovací buben) pro odstranění a skladování kondenzovatelných plynů a unášených
kapalin
ochranná ucpávka, vodní uzávěr nebo přívod čisticího plynu zabraňující zpětnému zášlehu plamene
jedno- či více-hořáková jednotka a roura hořáku
vedení zapalovacího plynu a zapalovač směsi odpadního plynu a vzduchu
je-li potřeba, zajištění externí průtokové podpory (vstřikování páry nebo stlačený vzduch) pro
bezkouřové hoření.
Jako čisticí plyn lze použít přírodní plyn, topný plyn, inertní plyn nebo dusík.
V případě pozemních polních hořáků probíhá hoření při zemi. Liší se složitostí a skládají se buď
z konvenčních hořáků s horizontálním vyústěním spalin bez krytů, nebo z více hořáků v krytech ze
žáruvzdorné oceli. Ty jsou navrženy pro menší kapacitu (desítky tun za hodinu) a zpracovávají základní
224
Kapitola 3
množství spalitelných plynů, které vznikají ve všech jednotlivých zdrojích napojených na spalovací systém
za běžného provozu. To se týká především úniků z bezpečnostních ventilů a všech spouštění (najíždění) a
zastávek.
Velký průměr pozemního hořáku umožňuje použití více hořáků. Proto pozemní hořák umožňuje
přizpůsobení kolísání množství spalovaného plynu tím, že se použije vhodný počet hořáků. Tím se zlepšují
podmínky spalování a výsledkem je vyšší účinnost spalování.
Nový typ pozemního polního hořáku pracuje jako povrchový spalovací systém s předsměšováním
(uzavřený hořák), kde předem smíchaný plyn se vzduchem hoří na prodyšném médiu. Prodyšné médium je
z několika vrstev kovových vláken a odolává teplotám do 1300 °C. Plyn je přiváděn do směšovací trubice u
dna spalovacího systému, která nasává potřebné množství vzduchu pro stechiometrické spalování.
Dosahované poměry plynu a vzduchu se pohybují mezi 1:12 a 1:19. V difuzéru na konci směšovací trubice
dohází ke snížení rychlosti směsi a vzestupu tlaku, čímž dochází ke zvýšení účinnosti směšovací trubice a
vytvoření statického tlaku, který protlačuje plyn prodyšným médiem. Směs plynů z difuzéru vstupuje do
předmíchací komory a prochází prodyšným médiem, kde se zapaluje zapalovacím hořákem. Spalování
probíhá pouze přímo nad prodyšným médiem. Uzavřená spalovací zóna zabraňuje úniku tepla a světla z
hoření. Tuto techniku znázorňuje Obrázek 3.71 [cww/tm/153].
Obrázek 3.71: Základní součásti uzavřeného spalovacího zařízení
Vláknitý podklad je stále chlazen tokem plynu a vzduchu. Kovová vlákna se ochlazují rychle, protože mají
v poměru ke svému objemu velký povrch. To také zabraňuje zpětnému zášlehu plamene. I při nejnižším
průtoku je předmíchaný proud dostatečný na to, aby podklad chladil, takže teplota na straně s předmícháním
nepřesahuje 150 °C [cww/tm/153].
Jeden modul obsahuje šest hořáků ve dvou blocích (oddílech?) zády k sobě (back to back), s celkovou
kapacitou 90 MW pro přírodní plyn (Wobbeho číslo = 47,8 MJ/Nm3). Plamen je cloněn a poté směrován
izolačními stěnami směrem vzhůru. Minimalizuje se tepelné vyzařování do okolí a zvýšení okolní teploty je
nižší než 5 K [cww/tm/153].
225
Kapitola 3
Dokonalé spalování vyžaduje dostatek spalovacího vzduchu a dobré promíchání vzduchu s odpadním
plynem. Kouř může být způsoben složkami obsaženými ve spalovaném plynu a množstvím a rozložením
spalovacího vzduchu. Odpadní plyny, které obsahují metan, vodík, oxid uhelnatý a amoniak, obvykle hoří
bez kouře. Kouř způsobují odpadní plyny, které obsahují těžké uhlovodíky, např. parafíny vyšší než metan,
olefiny a aromatické látky. Průmysl obvykle vyžaduje, aby množství bezkouřových plynů tvořilo 10-15 %
pro zvýšené polní hořáky a 100% pro polní hořáky pozemní. Externí podpora průtoku se používá pro
potlačování kouře. Je to např.:
•
•
•
•
pára, jejíž přetlak dosahuje až 0,7 MPa, obvykle používaná ve velkých lokalitách, kde je pára snadno
dostupná
vzduch, vhodný pro aplikace požadující malé a poměrně levné zařízení
vysokotlaký plyn, který je velmi drahý
voda, dodávaná s přetlakem 2 MPa, vhodná tam, kde je jí dostatek ve velkém množství.
Pozemní polní hořáky obvykle externí podporu nepotřebují.
Výhřevnost odpadních plynů, které mají být spáleny, musí kvůli dokonalému spálení být alespoň 11
MJ/Nm3, jinak je nutné přidávat pomocné palivo. Pomocné teplo je někdy vyžadováno i případě, že
výhřevnost spalovaných plynů je dostatečná. V případě dusíku vázaného v palivu bude spalování amoniaku
s výhřevností 13,6 MJ/Nm3 vyžadovat vyšší teplo pro minimalizaci vzniku NOx.
Průmyslové lokality často používají integrovaný spalovací systém, tj. kombinaci pozemního hořáku
s optimální konstrukcí pro toky odpadních plynů za běžného provozu a zvýšeného polního hořáku pro
vysoké průtoky v případě havárií a provozních poruch.
Různé druhy polních hořáků jsou na Obrázku 3.72 – Obrázku 3.74 [cww/tm/64].
Obrázek 3.72: Hořák s tyčovým injektorem
226
Kapitola 3
Obrázek 3.73: Stíněný hořák
Obrázek 3.74: Komorový (muflový) hořák
Použití
Polní hořáky nacházejí široké využití v naftařském, plynárenském a petrochemickém průmyslu pro likvidaci
přebytečných spalitelných plynů a par, pokud není možné je opět použít, nebo recyklovat. VOC z výdechů
odvětrávání, čerpadel a kompresorů se jímají a svádí do spalovacího systému. Důležitou funkcí hořáků je
prevence výskytu nežádoucích velkých objemů hořlavých plynů, což je bezpečnostní opatření nebo opatření
pro případ havárií. Technicky jsou všechna místa chemického závodu kde by mohlo dojít ke vzniku
spalitelných plynů napojena na spalovací systém. Hořáky však běžně nejsou pravidelně používány jako
kontinuální opatření. Je možné je použít i pro spalování odpadních plynů z kanalizace / vyhnívacích nádrží.
V případě, že odpadní plyny neobsahují toxické složky, se pozemní polní hořáky častěji používají pro běžné
spalování, zatímco zvýšené polní hořáky se používají obvykle při haváriích a pro odlehčení spalování.
Pozemní polní hořáky – na rozdíl od polních hořáků zvýšených – se nedokážou vyrovnávat s kolísáním toku
plynu. Pokud k takovému kolísání může docházet, je nutné je kombinovat se zvýšenými polními hořáky.
Jak bylo sděleno [cww/tm/153], pozemní typ polního hořáku s předmícháním se dá použít i pro toxické a
nebezpečné plyny, např. pro směsi plynů s obsahem sirovodíku.
227
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
typický objemový průtok plynu
teplota spalování [°C]
doba zdržení ve spalovací komoře
[s]
rozsah tlaků [přetlak kPa]
limity / omezení
0-1800000 Nm3/h 1 (horní limit pro zvýšené
hořáky)
600-210000 Nm3/d (Wobbeho číslo v rozsahu
3
15-52 MJ/Nm ) pro pozemní hořáky typu
povrchového předmíchaného spalování
>800 2
900-1260 °C (pozemní hořáky typu
povrchového spalování s předmícháním)
1-2 2
0-0,73 (pozemní hořáky typu povrchového
spalování s předmícháním)
koncentrace VOC v odpadním plynu 0-100 % LEL s bezpečnostním inženýringem 2
0-50 % LEL bez bezpečnostního inženýringu 2
obsah kyslíku po spalování
>5 % 3 (komorový (muflový?) hořák
rychlost plamene [m/s]
0-20 3 (pro prevenci zpětného zápalu)
1
2
3
[cww/tm/117]
[cww/tm/132]
[cww/tm/64]
Výhody a nevýhody
Výhody
Obecně
účinně snižují přebytky spalitelných a
•
nerecyklovatelných plynů nebo náhle
vzniklé velké objemy plynů
využitelné pro regulaci přerušovaných
•
nebo kolísavých toků plynů
Nevýhody
•
•
•
•
Zvýšené polní hořáky
rychlé a bezpečné vypuštění velkého
•
objemu odpadních plynů
pohotovostní zařízení pro havarijní
•
případy
Pozemní polní hořáky
spolehlivé zapalování (menší ovlivnění
•
větrem)
flexibilní; zvládá kolísání toku plynu
•
v menším rozsahu
•
•
•
•
•
Pozemní polní hořáky s povrchovým
spalováním s předmícháním
dokonalé spalování
•
modulární systém pro rychlou a snadnou
•
přepravu
široký rozsah provozních podmínek
•
(1:30 s Wobbeho číslem 15-52 MJ/Nm3)
přímé spuštění při plné kapacitě bez
•
požadované doby rozběhu
nízké emise NOx
•
umožňuje rekuperaci energie
•
malé emise světla a tepla
•
Dosažitelné úrovně emisí / třídy výkonnosti
228
•
•
Obecně
mimo plamen nedochází ke snížení obsahu
znečišťujících látek (SOx, NOx, oxid uhelnatý,
halogenidy vodíku)
vyžaduje potlačování kouře
teplo vzniklé při spalování se nedá rekuperovat
vysoké náklady na dodatečnou instalaci
Zvýšené polní hořáky
obtěžuje světlem
•
obtěžuje hlukem
•
obtížné zpracovávání malých toků
•
tvoření usazenin (koksu) může způsobit
•
ucpání vrcholu hořáku
Pozemní polní hořáky
omezená kapacita
nezvládá větší kolísání toku plynu, vyžaduje
kombinaci s zvýšeným hořákem
při poruchách vyšší zdravotní a bezpečnostní
riziko
potenciálně omezená účinnost kvůli špatné
kvalitě paliva
obtěžuje zápachem
Pozemní polní hořáky s povrchovým spalováním s
předmícháním
nová technologie, není proto ještě celosvětově
vyzkoušena
vysoké náklady v porovnání s konvenčními
hořáky
Kapitola 3
parametr
VOC
NOx
zvýšený polní hořák
3
Účinnost [%]
úroveň emisí [mg/Nm ]
a1
>98
80-86 3
400 (200 ppm)
NO
uhlovodíky
(včetně BTEX)
CO
hluk
a
pozemní polní hořák
3
Účinnost [%] úroveň emisí [mg/Nm ]
a2
> 99
99,9 c 3
400 (200 ppm)
11,6 (3,9 ppmv) b,c
8,6 (2,9 ppmv) b,c
<2,8 (<1 ppmv) b,c
73 dB(A) b,d
3 1
při optimálních podmínkách: výhřevnost odpadního plynu >11 MJ/Nm , při malých průtocích a malé výhřevnosti se dosahuje
malých účinností spalování
b
systém povrchového spalování s předmícháním
c
upraveno na 3 % O2
d
v 50 m v podmínkách volného pole
1
[cww/tm/117]
2
[cww/tm/84]
3
[cww/tm/153]
Dosažitelné úrovně emisí uvedené v tabulce uvádějí likvidaci látek, znečišťujících ovzduší (VOC a
uhlovodíků) spalováním. Emise způsobené spalováním v polních hořících udávají ostatní parametry (NO a
NOx). V případě spalování se neinstaluje žádné zařízení pro čištění odcházejícího plynu, proto není obvykle
možné snižovat obsah znečišťujících látek, které vznikají spalováním plynů s obsahem síry a/nebo halogenů,
tj. NOx, oxid uhelnatý, saze atd. Z těchto důvodů nejsou pozemní hořáky vhodné pro toxické a nebezpečné
plyny. Slučovací / rekombinační reakce dioxinů není procesem upřednostňována kvůli tomu, že hořáky
nemají „rekombinační okno“ ani kovové povrchy, působící jako katalyzátory.
Výkonnost snižování množství odpadních plynů spalováním v polních hořácích jak je uvedena v Tabulce
nahoře platí pouze v optimálních podmínkách. Rozsah výkonnosti při neoptimálních podmínkách se
pohybuje mezi 0-98% [cww/tm/84], což znamená, že spalování je velmi citlivé na změny uvedených
podmínek. Tím se stává pro každodenní použití velmi nespolehlivou technikou.
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
Potlačování kouře (pára, vzduch, voda,
přírodní plyn)
zapalovací plyn pro pomocné zapalování
(propan nebo butan)
Proplachovací plyn (dusík nebo palivo)
pro udržení přetlaku v systému
pomocný plyn
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
množství
poznámky
[cww/tm/64]
Se spalováním jsou spojeny i hlukové emise. Nejdůležitějšími zdroji hluku jsou [cww/tm/94]:
• vstřikování látek, potlačujících kouř
• spalovací proces
• ventily.
Každé spalování s přítomností páry vytváří hluk, díky vysokotlakým parním tryskám a injektorům a
spalovací hluk spojený s uhlovodíky. Vysokotlaká pára vytváří vysokofrekvenční hluk, který je
nejnebezpečnější pro lidi a také zlepšuje účinnost spalování, čímž zvyšuje uvolňování energie a intenzitu
hoření, což opět znamená vyšší hluk vznikající spalováním. Hluk ze spalování je obvykle nízkofrekvenční ve
srovnání s hlukem výdechů při vířivém míchání odpadních plynů se vzduchem.
229
Kapitola 3
Důležitým environmentálním problémem je potlačování hluku a proto by mělo ovlivnit i projekční řešení
hned v jeho prvních fázích. Hluku je možno zabránit např.:
• snížením nebo zeslabením vysokofrekvenčního hluku parní trysky využitím vícekanálových parních
injektorů, které naopak mohou zvyšovat tvoření usazenin (spečenin?) v podmínkách s nízkým
tlakem; důležitá je konstrukce clony, která by se vyrovnala s posledně zmíněnou nevýhodou
• usazení injektorů tak, že se proudy páry budou křížit a tak se omezí hluk míchání
• zvýšení účinnosti potlačování lepšími a účinnějšími formami regulace
• snížení přetlaku páry na méně než 0,7 MPa
• použití tlumiče na parní injektor jako akustické clony
• použití dmýchaných hořáků nebo uzavřených pozemních hořáků.
Další vlivy jsou:
• obtěžování světlem zvýšených polních hořáků
• obtěžování zápachem způsobeným nedostatečným spalováním (především u pozemních polních
hořáků).
Je třeba uvést, že spalování se v chemickém průmyslu podílí na velkém počtu požárů a explozí, jak to
dokládá zpráva francouzského Ministerstva životního prostředí (oddělení analýzy rizik a průmyslového
znečištění). Výsledky je možné nalézt v databázi AIDA, kterou zmíněná organizace spravuje.
Monitorování [cww/tm/94]
Průtok média, potlačujícího kouř do vrcholku hořáku je nutné kontrolovat kvůli zajištění jeho dostatečného
množství, ne však většího, než je třeba k potlačení kouře. To je možné provádět třemi různými způsoby:
• skupinou termočlánků pro alespoň 1000 °C
• pozemním infračerveným detektorem (čidlem?)
• definovaným řízením průtoku spalovaného plynu, podle poměru průtoku potlačovacího média
k průtoku spalovaného plynu. Průtok se obvykle reguluje regulačními ventily nebo v případě
hořáků s dmýchaným vzduchem změnou sklonu lopatek ventilátoru, rozteče lopatek na vstupu nebo
rychlosti dmychadla.
Přísnější monitorování vyžadují pozemní hořáky kvůli zdravotním a bezpečnostním rizikům, která
představují.
Podstatná je rychlá reakce regulačního systému, především elektronickým přenosem regulačních signálů
mezi obvykle vzdálenými tělesy hořáků a jejich velínem. Je třeba zvážit instalaci monitoru, který by
umožňoval sledovat hořák, aby se v případě potřeby umožnilo ruční ovládání přívodu média, potlačujícího
kouř.
Zařízení monitorující provoz zapalovacího hořáku zahrnuje:
• termočlánky (ale pozor na chybné signály)
• přímou kontrolu pomocného plamene (např. sledování na monitoru)
• infračervené sledování (pozor: voda pohlcuje infračervené záření), občas doplněné vizuálním
sledováním kvůli pohlcování infračerveného záření vodou
• měření intenzity světla
• měření UV záření
• čidla ionizace
• poplach poklesu tlaku
• regulace průtoku čistícího proplachovacího plynu.
Zařízení má stále sledovat přítomnost pomocného plamene.
Ekonomika
typ nákladů
230
zvýšený polní hořák
pozemní polní hořák
poznámky
Kapitola 3
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
provozní náklady
[na 1000 Nm3/h]
nákladová efektivnost
[na tunu regulované
znečišťující látky za rok]
1
8300-560000 USD 1
420-36500 USD
1
14-6400 USD 1
[cww/tm/117]
Hořáky by měly mít vrcholový průměr 2,5 cm až 2,3 m, spalovat 100 % spalitelné odpadní plyny
s výhřevností zhruba 17 MJ/Nm3 a být v provozu 1 až 100 hodin za rok. Hořáky u spodní hranice
investičních a provozních nákladů mají vyšší kapacitu průtoku (asi 300000 Nm3/h) při průměru vrcholu do
2,3 m a pracují 100 i více hodin za rok. Hořáky s vyššími náklady mají kapacitu průtoku nižší (asi 36
Nm3/h), vrcholové průměry 2,5 cm a jsou v provozu méně než 10 hodin za rok.
Protože jsou hořáky především bezpečnostními zařízeními, které zpracovávají krátkodobé průtoky (obvykle
při zhoršení podmínek nebo havarijních únicích z výroby) spíše než zařízeními, která by měla čistit
kontinuální toky plynů, není vhodné srovnávat jejich nákladovou efektivnost s ostatními zařízeními, které
omezují emise. Náklady na tunu omezované znečišťující látky velice závisí na počtu provozních hodin za
rok. Málo používané hořáky mají na tunu znečišťující látky vyšší náklady, než hořáky používané častěji, u
kterých jsou tyto náklady nižší.
3.5.3 Techniky rekuperace a snižování obsahu tuhých znečišťujících látek
Mezi tuhé znečišťující látky patří prach, těžké kovy a jejich sloučeniny, aerosoly, mlha a saze, které
v chemickém průmyslu můžeme nalézt nejčastěji v odpadních plynech, v kouřových plynech a ve
znečištěném vzduchu. Tuhé znečišťující látky (prach) a těžké kovy (a/nebo jejich sloučeniny) můžeme
v odpadních plynech z výroby nalézt v případě, že se zpracovávají, vznikají a/nebo skladují pevné a sypké
sloučeniny. Dále jsou i v kouřových plynech či znečištěném vzduchu ze spaloven, např. z jednotek výroby
energie nebo spalování odpadu. Aerosoly a mlha vznikají např. při reakcích a zpracovávání výrobních směsí.
Obvyklé systémy čištění jsou popsány v následujících kapitolách.
3.5.3.1 Separátor
Popis
Proud odpadního plynu prochází komorou, ve které dochází k separaci prachu, aerosolů a/nebo kapiček
z plynu vlivem gravitace / setrvačnosti hmoty, přičemž účinek separace se zvyšuje snížením rychlosti plynu
pomocí konstrukčních prvků, např. deflektory, lamelami nebo drátěnou síťovinou.
Konstrukce by měla zajistit rovnoměrnou rychlost v celém objemu nádoby. Nerovnoměrné toky mají na
účinnost negativní vliv. Použití vnitřních překážek v inerciálním separátoru umožňuje separaci při vyšších
rychlostech. To ve srovnání s usazovací komorou umožňuje zmenšení pracovního objemu separátoru.
Stinnou stránkou je zvýšení tlakové ztráty.
Použití
Separátor se obvykle instaluje jako předřazený stupeň před různými systémy prachových filtrů, praček,
chladících věží atd. Používá se např. jako prevence proti unášení prací kapaliny vyčištěným odpadním
plynem a/nebo pro odstranění abrazivních tuhých znečišťujících látek. Nedá se použít pro odstraňování
tuhých znečišťujících látek z kouřových plynů.
231
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
3
průtok odpadních plynů [Nm /h]
obsah prachu
rozměr tuhých znečišťujících látek
teplota
1
2
limity / omezení
1
100-100000
bez omezení
>TZL10, lépe >TZL50 2
obvykle kolem 540 °C, ale závisí na materiálu nádoby 2
[cww/tm/70]
[cww/tm/108]
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
Nevýhody
•
bez pohyblivých součástí
velmi malá tlaková ztráta
vhodné pro vyšší teploty
•
nízká účinnost odstranění zvláště malých
částic tuhých znečišťujících látek
nevhodné pro malém rozdílu měrných
hmotností plynu a tuhých znečišťujících
látek
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
10-90 1
TZL
kapičky
1
účinnost [%]
úroveň emisí
[mg/l]
100 1
poznámky
závisí na jejich velikosti
v odlučovačích kapek
[cww/tm/70]
Vlivy do více prostředí
spotřebovávaný materiál/energie
voda (případný systém čištění deflektorů
nebo lamel)
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
množství
100-200 l/m2 1
<0.5 1
poznámky
pouze pro ventilátor
[cww/tm/70]
Separované tuhé znečišťující látky a/nebo separované kapičky tvoří reziduum, které je potřeba likvidovat
v případě, že není možné je znovu použít / recirkulovat. Separované tuhé znečišťující látky mohou být
kontaminovány toxickým a nebezpečným obsahem podle toho, z jakého zdroje pochází. To je třeba zvážit
s ohledem na další čištění nebo likvidaci.
Ekonomika
Investiční náklady jsou nízké, ale protože je separátor obvykle integrován do ostatních systémů, není možné
uvést žádné částky, které by byly nějak užitečné.
3.5.3.2 Cyklón
Popis
Cyklóny využívají setrvačnosti částic tuhých znečišťujících látek k jejich odstranění z proudu plynu,
využitím setrvačných odstředivých sil, obvykle v kónické komoře. Pracují na principu dvojitého víru uvnitř
tělesa cyklónu. Přiváděný plyn je uváděn do kruhového pohybu cyklónem směrem dolů poblíž vnitřního
povrchu trubice cyklónu. U dna se plyn otáčí a krouží směrem vzhůru středem roury a vrchem vychází ven.
232
Kapitola 3
Tuhé znečišťující látky v proudu plynu jsou odstředivou silou rotujícího proudu vzduchu tlačeny směrem na
stěny cyklónu, ale proti nim působí fluidní odporová síla plynu, procházejícího cyklónem a z něj ven. Velké
částice tuhých znečišťujících látek se ke stěnám dostanou a hromadí se v zásobníku u dna, zatímco malé
částice opouštějí cyklón společně s odcházejícím plynem.
Mokré cyklóny jsou vysoce účinné proto, že se v nich do proudu plynu rozstřikuje voda. Tím se zvyšuje
hmotnost částic tuhých znečišťujících látek a odstraní se i jemný materiál.
Existují dva typy cyklónů. Cyklóny se zpětným tokem a přímým průtokem [cww/tm/79]:
•
Cyklón se zpětným tokem (viz. Obrázek 3.75 [cww/tm/79]), který je nejběžnější, se skládá z:
- válcového tělesa pláště s kónickou spodní částí
- zásobníku jímajícího prach
- přívodu vzduchu, tangenciálního nebo axiálního
- výstupů.
Obrázek 3.75: Cyklón se zpětným tokem
•
Cyklón s přímým průtokem (viz. Obrázek 3.76 [cww/tm/79]) je vybaven pevnými nebo
pohyblivými turbínovými lopatkami. Přiváděný plyn tvoří spirálu a zatímco se čistý vzduch
soustředí kolem středové osy, tuhé znečišťující látky se hromadí poblíž stěn.
233
Kapitola 3
Obrázek 3.76: Cyklón s přímým průtokem
Použití
Cyklóny se používají ke snižování obsahu tuhých znečišťujících látek a to především TZL >10 µm. Existují
však dokonce cyklóny, které jsou účinné i pro TZL2.5 [cww/tm/107].
Samostatně používané cyklóny obvykle požadavkům na čistotu ovzduší nevyhovují. Proto se používají pro
předčištění před dražšími dočišťovacími zařízeními, např. tkaninovými filtry (viz. Sekce 3.5.3.5) nebo
elektrostatickými odlučovači (viz. Sekce 3.5.3.3). Široce se využívají po rozprašovacím sušení, po drcení,
mletí (broušení) a kalcinaci. Průmyslové jednotky, které spalují fosilní paliva, (kotle) obvykle používají
několikastupňové cyklóny, které pracují s vyšší účinností než cyklón jediný a dokáží separovat i TZL <2,5
µm.
Limity a omezení použití:
průtok odpadního plynu [Nm3/h]
obsah prachu [g/Nm3]
velikost částic
teplota
1
2
limity / omezení
1-100000 1.2, (samostatný cyklón)
do 180000 2 (vícenásobné paralelní cyklóny)
1-16000 2
<TZL2,5 - <TZL200 2
závisí na materiálu nádoby, může být >1200 °C 1
[cww/tm/132]
[cww/tm/107]
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
jednoduchost instalace
rekuperace surovin
bez pohyblivých součástí a proto malé
požadavky na údržbu a nízké provozní
náklady
suchý provoz (jímání, odpad), kromě
mokrých cyklónů
poměrně malé prostorové nároky
Nevýhody
•
•
•
•
•
poměrně nízké účinnosti separace, především
pro TZL <10 µm
cyklóny s přívodem v ose není možné použít
pro tuhé znečišťující látky, které by příliš
narušovaly nebo ucpávaly přívodní lopatky
nezpracují lepkavý ani mazlavý materiál
u mokrého cyklónu emise do odpadních vod
hluk
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Cyklóny mají větší účinnost při vyšším obsahu znečišťujících látek za předpokladu, že se zařízení nezahltí.
Vyšší obsah znečišťujících látek je obvykle spojen s konstrukcí pro vyšší průtoky [cww/tm/107].
Různá účinnost cyklónů je funkcí velikosti částic tuhých znečišťujících látek a konstrukce cyklónu. Zvyšuje
se [cww/tm/107] s:
•
•
•
•
•
•
•
234
velikostí částic a/nebo měrnou hmotností
vstupní rychlostí
délkou tělesa cyklónu
počtem oběhů plynu v cyklónu
poměrem průměru tělesa cyklónu/průměru výstupu plynu
obsahem prachu
hladkostí vnitřní stěny cyklónu.
Kapitola 3
Účinnost jímání se snižuje [cww/tm/107] s:
•
•
•
•
zvýšením viskozity plynu
zvýšením hustoty plynu
zvětšením oblasti přívodu
únikem vzduchu do prachového výstupu.
parametr
TZL
TZL10
TZL5
TZL2,5
1
konvenční
70-90 1
30-90 1
0-40 1
účinnost [%]
vysoce účinný vysoký průtok
80-99 1
80-99 1
1
60-95
10-40 1
1
90
20-70 1
0-10 1
poznámky
multi-cyklón
80-95 1
[cww/tm/107]
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál
voda (mokrý cyklón)
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
2
množství
poznámky
0,25-1,5 1
0,5-1 2
1-1,5 2
2-2,5 2
jednotky s nízkou účinností (vysoký průtok)
konvenční
jednotky s vysokou účinností
[cww/tm/64]
[cww/tm/107]
Tuhé znečišťující látky tvoří reziduum a je třeba je likvidovat. Jeho množství závisí na množství tuhých
znečišťujících látek v odpadním plynu. Podle toho, co je jejich zdrojem, mohou být separované tuhé
znečišťující látky kontaminovány toxickými a/nebo nebezpečnými látkami.
Provoz cyklónů je významným zdrojem hluku. Ten je třeba omezit, např. zakapotováním zařízení.
Monitorování
[cww/tm/79]
Emise materiálu, podle nichž by se dala hodnotit výkonnost cyklónu, je možné určit monitorováním
koncentrace tuhých znečišťujících látek v odpadním plynu, použitím izokinetické vzorkovací sondy, nebo
měřidla založeného např. na opacitě pro UV záření/světlo, beta záření nebo nárazech částic.
Požadavky na údržbu jsou u cyklónů malé. Měla by být umožněna snadná pravidelná kontrola cyklónu
z hlediska eroze (abraze) nebo koroze. Tlakový spád v cyklónu je pravidelně monitorován a systém odvodu
prachu se kontroluje kvůli ucpávání.
235
Kapitola 3
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady
[na 1000 Nm3/h]
nákladová efektivnost
[na tunu znečišťující látky
za rok]
1
2
náklady
samostatný konvenční
multi-cyklóny
cyklón
1200-1500 USD 1
1100-1400 USD 1
2
900 EUR
700-7800 USD 1
450-750 USD 1
2
200 EUR
0,45-460 USD 1
poznámky
0,32-50 USD 1
[cww/tm/107]
[cww/tm/70]
U konvečních samostatných cyklónů se předpokládané průtoky pohybují mezi 1800 a 43000 Nm3/h, obsah
tuhých znečišťujících látek mezi 2,3 a 230 g/Nm3 a účinnost jejich odstranění kolem 90 %. U multi-cyklónů
se předpokládané průtoky pohybují mezi 36000 a 180000 Nm3/h při stejném obsahu tuhých znečišťujících
látek a účinnosti.
Pravidlem je, že menší jednotky, čistící odpadní plyn s nižší koncentrací tuhých znečišťujících látek, jsou
dražší (specificky, na jednotku průtoku a na množství odstraňovaných znečišťujících látek) než velké
jednotky, které čistí odpadní plyny s vysokou koncentrací tuhých znečišťujících látek.
3.5.3.3 Elektrostatický odlučovač (ESP)
Popis
ESP je zařízení snižující obsah tuhých znečišťujících látek, které využívá elektrických sil k tomu, aby se tuhé
znečišťující látky, unášené odpadním plynem, přemístily na desky kolektoru. Unášené tuhé znečišťující látky
jsou při průchodu korónou, v které jsou plynné ionty, nabity elektrickým nábojem. Elektrody ve střední čáře
toku jsou pod vysokým napětím a vytváří elektrické pole, které způsobuje zachycení částic tuhých
znečišťujících látek na stěnách kolektoru. Požadované pulzní stejnosměrné napětí se pohybuje v rozsahu 20100 kV.
Existuje několik typů ESP:
•
•
•
•
suchý deskový ESP
suchý trubkový ESP
mokrý deskový ESP
mokrý trubkový ESP.
V případě suchého deskového ESP (viz. Obrázek 3.77 [cww/tm/79]) prochází odpadní plyn horizontálně a
paralelně k vertikálním deskám plechu. Elektrody s vysokým napětím jsou dlouhé dráty, které jsou zatížené
(napnuté?) a zavěšené mezi deskami. Odpadní plyn musí při průtoku jednotkou projít postupně kolem
každého drátu.
V případě trubkového ESP (viz. Obrázek 3.78 [cww/tm/79]) odpadní plyn prochází vertikálně vodivými
trubkami, obvykle mnoha paralelními trubkami. Elektrody s vysokým napětím jsou dlouhé dráty, které
vychází z rámu v horní části ESP a prochází osou každé trubky.
236
Kapitola 3
Obrázek 3.77: Wire-plate ESP
Obrázek 3.78: ESP typu „drát v trubce“
V suchém ESP jsou zachycené tuhé znečišťující látky různými mechanickými prostředky oklepávány
z kolektorů. Tím dochází k jejich uvolnění a padají do výsypky. Oklep však může způsobit odmrštění
některých částic tuhých znečišťujících látek zpět do proudu plynu. Tuhé znečišťující látky, které jsou tak
opět unášeny z poslední části ESP pak nemohou být znovu zachyceny a opouští jednotku. Část odpadního
plynu může také procházet kolem nabíjecích zón. Proto se instalují přepážky, které mají zabránit obtoku
nabíjecí zóny a smíchat obtékající plyn s hlavním proudem plynu.
237
Kapitola 3
Suchý trubkový ESP může být čištěn akusticky pomocí sonických houkaček. Narozdíl od deskového ESP,
nemá trubkový žádné cestičky, kudy by bylo možné obtéci oblast usazování, avšak nerovnoměrnosti pole
mohou způsobit, že se některé částice tuhých znečišťujících látek nenabijí.
V případě mokrých ESP jsou kolektory splachovány buď periodicky nebo průběžně ostřikováním vodou a
výsypky jsou nahrazeny odvodňovacím odváděcím systémem. Odtok kapaliny se jímá a čistí. Mokrý ESP
potřebuje zdroj vody, která by se průběžně nebo v intervalech vstřikovala nebo rozstřikovala u vrchních
konců kolektorových trubek. Tento prací systém nahrazuje oklepávací nebo akustický mechanismus, který se
obvykle používá u suchých ESP. Voda s odplavenými tuhými znečišťujícími látkami odtéká do zásobníku,
odkud se odčerpává či odvádí. Část kapaliny může být z důvodů snížení spotřeby vody recirkulována.
ESP bývají jedno- či dvoustupňové. V případě jednostupňového ESP má elektrické pole, které vytváří
korónový výboj, za úkol také přitahovat a tak odstranit nabité částice tuhých znečišťujících látek, s nabitím i
vybitím v jediném zařízení. U dvoustupňového ESP dochází k nabití a odstranění tuhých znečišťujících látek
v oddělených elektrických polích, z nichž to druhé je pouze elektrostatické.
Základní rozdíl mezi jedno- a dvou-stupňovým ESP je na Obrázku 3.79 [cww/tm/79].
Obrázek 3.79: Schématický nákres jednostupňového a dvoustupňového ESP
Jedním ze základních provozních parametrů je specifická (poměrná?) záchytná plocha (SCA) – poměr
povrchu sběrných elektrod k průtoku plynu. Vyšší SCA odpovídá lepší vyšší účinnosti, ale vyžaduje větší
kolektory. SCA se obvykle pohybuje mezi 40-160 s/m.
Systémy se zvýšeným rizikem, např. výbuchu nebo požáru, musí být vybaveny bezpečnostními prvky, např.
explozním poklopem nebo sprinklerovým hasicím systémem.
Použití
238
Kapitola 3
ESP se používá k odstraňování tuhých znečišťujících látek do velikosti 2,5 µm a menších i nebezpečných
látek, znečišťujících ovzduší, např. většiny kovů (se zaznamenatelnou výjimkou rtuti).
Oblasti použití v chemickém průmyslu a příbuzných odvětvích:
odvětví
kotle
výroba chemikálií (např. kyseliny sírové)
rafinérie
spalování
typ ESP
suchý deskový
suchý a mokrý deskový, suchý a mokrý trubkový
suchý deskový
suchý deskový, suchý a mokrý trubkový
Mokré ESP se používají tam, kde nevyhovuje varianta suchá, např.:
•
•
•
•
•
vlhké a lepkavé materiály
hořlavé / výbušné směsi
materiál s velkým měrným odporem
při požadavku vyšší účinnosti
k omezení kyselých mlh.
Jednostupňový ESP se používá ve velkých složitých systémech čištění kouřových plynů, např. v jednotkách
pro výrobu energie a spalovnách odpadů, jako zařízení pro snížení obsahu prachu a popílku. Jelikož jsou
těžké kovy a jejich sloučeniny také součástí prachu, odstraňují se společně s ostatními tuhými znečišťujícími
látkami. Je vhodný i pro separaci aerosolů a mlh.
Dvoustupňový ESP se používá k odstranění prachových TZL a olejových mlh. Je alternativou povrchové
filtrace (HEPA filtru). Používá se tam, kde je potřeba čistit malé toky odpadních plynů (<25 Nm3/s) a velké
dávky submikronových částic tuhých znečišťujících látek, např. kouř nebo olejovou mlhu.
Limity a omezení použití:
obvyklý průtok odpadních plynů
[Nm3/h]
teplota
[°C]
obvyklý obsah prachu
[g/Nm3]
měrný odpor
[Ω cm]
velikost částic
limity / omezení
360000-1800000 (suchý deskový) 1
1800-180000 (suchý trubkový) 2
180000-900000 (mokrý deskový) 3
1800-180000 (mokrý trubkový) 4
do 700 (suchý ESP) 1,2
<80-90 (mokrý ESP) 3,4
2-110 (deskový) 1,3
1-10 (trubkový) 2,4
5 x 103 – 2 x 1010 1,3
(suchý ESP)
>TZL1,0 (suchý ESP)
1
[cww/tm/125]
[cww/tm/124]
3
[cww/tm/127]
4
[cww/tm/126]
2
Výhody a nevýhody
Výhody
Nevýhody
239
Kapitola 3
•
•
•
vysoká účinnost i pro malé
částice
vhodné i pro velké rozsahy teplot,
tlaků a průtoku plynů
nízká ztráta tlaku, proto i nižší
spotřeba energie
mokrý ESP odstraňuje i lepivé
částice a také vysoce odolné nebo
výbušné prachy.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
riziko výbuchu suchého ESP
separační kapacita závisí na měrném odporu částic
tuhých znečišťujících látek (suchý ESP)
v případě vysokých rychlostí plynu, nevhodného
oklepu nebo chudých plynů problém opětovného
unášení částic
koroze v horní části drátů kvůli netěsnostem (unikání
vzduchu?) a kondenzaci kyselin, problém také ESP
citlivé na zachování správného geometrického
nastavení, např. drátů vybíjecích elektrod
citlivé na kolísání podmínek v proudu plynu (průtoku,
teploty, velikosti částic a složení plynů, obsahu
tuhých znečišťujících látek)
poměrně vysoké prostorové nároky
požadavek vysoce kvalifikovaného personálu
speciální bezpečnostní opatření proti úrazu vysokým
napětím
suchý ESP se nedoporučuje k odstraňování lepivých
nebo vlhkých částic
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Rozměry ESP jsou hlavním faktorem pro určování účinnosti. Další parametry, které ovlivňují účinnost, jsou:
•
•
•
•
měrný odpor prachu
složení prachu a plynu
teplota
rozložení částic tuhých znečišťujících látek podle velikosti.
parametr
celkem TZL
TZL10
TZL2,5
účinnost [%]
99,0-99,2 1
99,0-99,2 2
1
97,0-99,4
97,1-99,2 2
1
96,0-99,2
97,4-99,2 2
3
úroveň emisí [mg/Nm ]
poznámky
parametr
prach
poznámky
suchý ESP
5-15
mokrý ESP
u dobře navržených ESP s vhodnými rozměry
1
[cww/tm/125]
2
[cww/tm/127]
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál
voda (mokrý ESP)
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
2
množství
0,5-2 1
0,05-0,3 1,2
0,5
poznámky
jednostupňový ESP
dvoustupňový ESP
[cww/tm/64]
[cww/tm/70]
U suchých ESP se separované tuhé znečišťující látky odstraňují jako reziduum; u mokrých ESP odstraněné
tuhé znečišťující látky odchází s proplachovací vodou, která se čistí jako voda odpadní.
240
Kapitola 3
Podle zdroje ze kterého tuhé znečišťující látky pochází, mohou být kontaminovány, např.dioxiny a/nebo
těžkými kovy a jejich oxidy v případě spalování. Tento typ tuhých znečišťujících látek může být klasifikován
jako nebezpečný odpad, který je třeba odstranit odpovídajícím způsobem.
Monitorování [cww/tm/79]
Emise materiálu, podle nichž by se dala hodnotit výkonnost ESP, je možné určit monitorováním koncentrace
tuhých znečišťujících látek v odpadním plynu, použitím izokinetické vzorkovací sondy, nebo měřidla
založeného např. na opacitě pro UV záření/viditelné světlo, na beta záření nebo nárazu částic. Je také třeba
monitorovat proud a napětí v ESP, intenzitu oklepávání a teplotu. Odvod prachu z výsypky vyžaduje údržbu
proti ucpávání aby se nepřeplnil a nezpůsobil zkratování ESP.
ESP vyžaduje pravidelnou kontrolu, která by zjišťovala jakékoli opotřebení, např. korozi, elektrod, izolantů
nebo systému oklepávání. Proto by měl být umožněn volný přístup k ESP, avšak v rámci bezpečnostních
norem.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady
[na 1000 Nm3/h]
nákladová efektivnost
[na tunu znečišťující
látky za rok]
náklady
suchý deskový
8500-28000 USD 1
mokrý deskový
18000-36000 USD 2
3500-27000 USD 2
suchý trubkový
18000-120000
USD 3
2800-5600 USD 3
mokrý trubkový
35000-180000
USD 4
4200-7000 USD 4
2400-24000 USD 1
45-280 USD 1
60-600 USD 2
55-950 USD 3
90-950 USD 4
1
[cww/tm/125]
[cww/tm/127]
3
[cww/tm/124]
4
[cww/tm/126]
2
Náklady mohou být v případě tuhých znečišťujících látek, vyžadujících vysokou úroveň regulace nebo
konstrukci ESP ze speciálních materiálů, např. z nerez oceli nebo titanu, podstatně vyšší. Menší jednotky
s méně koncentrovanými odpadními plyny nebudou obecně tak nákladově efektivní jako velké jednotky,
které čistí vysoce koncentrované plyny.
3.5.3.4 Mokrá pračka prachu
Popis
Mokré vypírání prachu (tuhých znečišťujících látek) je variantou mokrého praní plynů (viz.Sekce 3.5.1.4),
které využívá stejných nebo obdobných technik k tomu, aby se společně s plynnými sloučeninami snížil i
obsah tuhých znečišťujících látek, nebo tyto byly rekuperovány. Obvykle se používají následující pračky:
•
•
•
•
Pračka s vláknitou náplní
Viz. Sekce 3.5.1.4. Je vhodná především pro plynné znečišťující látky. Co se týká tuhých
znečišťujících látek, omezuje se na jemné a/nebo rozpustné tuhé znečišťující látky, aerosoly a mlhy.
Nerozpustné a/nebo hrubé tuhé znečišťující látky vláknité lože ucpávají.
Pračky s pohyblivým ložem
Viz. Sekce 3.5.1.4.
Patrové pračky
Viz. Sekce 3.5.1.4. Používají se především pro odstraňování tuhých znečišťujících látek.
Sprchové věže
Viz. Sekce 3.5.1.4. Používají se především pro odstranění tuhých znečišťujících látek. Sprchové věže
se neucpávají tak, jako pračky s náplní, ale vyžaduje vysoké poměry kapalina/plyn (>3 l/m3), aby
zachytily jemné tuhé znečišťující látky.
241
Kapitola 3
•
Pračky s nárazovým čisticím efektem a separací unášené kapaliny
Pračky s nárazovým čisticím efektem obsahují mechanismus, který urychluje vstupní proud plynu
proti hladině kapaliny a separátoru zachycené a unášené kapaliny. Obvykle se nehodí pro aplikace
transferu hmot např. odstranění stop plynů. Vhodnější jsou pro silné či slabé toky plynů a mají menší
tlakové ztráty než difúzní pračky.
Příklad uvádí Obrázek 3.80 [cww/tm/79].
Obrázek 3.80: Pračka s nárazovým čisticím efektem a separací unášené kapaliny
•
Difúzní (Venturiho) pračky
Charakteristickým rysem difúzní pračky je zúžené potrubí – difuzér – které zvyšuje rychlost plynu.
Kapalina vstupuje do pračky a tvoří na stěnách vrstvu, která se atomizuje proudem plynu v difuzéru.
Podobně je tomu u ejektorových difúzních praček, kde se kapalina rozprašuje do difuzéru. Difúzní
pračky jsou vysoce účinné pro tuhé znečišťující látky, protože jsou vhodné i pro submikronové
částice tuhých znečišťujících látek. Mohou se využívat i pro odstranění stopových plynů, a
především reaktivních kašovitých směsí. Příklad je na Obrázku 3.81 [cww/tm/79].
S touto technologií je spojen jeden problém. Jde o erozi způsobenou vysokými rychlostmi plynu.
Difuzér je obvykle opatřen vnitřní odolnou ohnivzdornou vrstvou, aby odolával obrušování
částicemi tuhých znečišťujících látek. Zaplavené koleno umístěné za difuzérem omezuje opotřebení
abrazivními částicemi tuhých znečišťujících látek. Difuzér je vyroben z nekorodujícího materiálu,
navrženého pro maximální životnost. Konečná volba materiálu závisí např. na:
•
•
•
•
teplotě
abrazivitě
korozi
působení chemikálií
Účinnost se zvyšuje s rychlostí plynu a poklesem tlaku. Několik difúzních praček umožňuje regulovat
rychlost světlostí difuzéru.
Difúzní pračky obvykle nevyžadují předčištění odpadních plynů. V jistých případech je odpadní plyn
chlazen, a to v případech, kdy by mohla vysoká teplota poškodit materiál pračky.
242
Kapitola 3
Pokud odpadní plyn obsahuje jak tuhé znečišťující látky, tak plyny, které je třeba odstranit, pak se jako
předčišťující zařízení používají difúzní pračky, které odstraňují tuhé znečišťující látky. Tím se zabrání
ucpání následných zařízení, např. praček se zhutněným ložem.
Obrázek 3.81: Difúzní (Venturiho) pračka
Použití
Viz. Tabulka 3.16.
243
244
5
3
2
[cww/tm/110]
[cww/tm/111]
[cww/tm/114]
4
[cww/tm/112]
1
0,2-11
zátěž tuhými
znečišťujícími
3
látkami [g/Nm ]
1
<60
1
1800-170000
teplota [°C]
průtok plynu
3
[Nm /h]
1
zachycují jemné a/nebo
rozpustné tuhé
znečišťující látky
eliminátory mlhy pro
zachycení kapalných
aerosolů,
anorganických
(+látek?) a VOC
regulují emise aerosolů
v průmyslu vyrábějícím
chemikálie, plasty,
asfalt, kyselinu sírovou,
nátěry
omezená acceptance
for zachycení prachu
Vláknitá náplň
pohyblivé lože
bez limitů
4-38 (plyny)
2
4-370 (prach.č.)
2
2
bez limitů
4-38 (plyny)
3
4-370 (prach.č.)
3
2500-170000
3
zachycení ≤TZL10,
≤TZL2,5, TZLHAP
anorganické kouře,
výpary, plyny, VOC
často jako součást
odsíření kouřových
plynů
omezené použití pro
jemné tuhé
znečišťující látky
zachycení ≤TZL10,
≤TZL2,5, TZLHAP (látky
znečišťující ovzduší
ve formě částic)
anorganické kouře,
výpary, plyny, VOC
1700-130000
sprchové věže
Patrové pračky
do výše 23
4
do výše 150
1700-90000
4
4
zachycení TZL10,
TZL2
používá se při výrobě
a balení léčiv, výrobě
chemikálií, pryže,
plastů, keramiky,
hnojiv
regulované procesy
zahrnují sušičky,
vařáky, drtící a
brousící operace,
sprejování, větrání,
skladování materiálu
1-115
4-370
5
5
720-100000
5
zachycení ≤TZL10,
≤TZL2,5, až po
submikrony
regulace emisí z tepla a
proudu, průmyslových,
komerčních a
institucionálních kotlů
spalujících uhlí, olej
(naftu?), dřevo a
kapalné odpady
regulují zdroje emisí
v chemickém a jemu
příbuzném průmyslu
obvykle používané při
požadavku vysoké
účinnosti odstranění
jemných tuhých
znečišťujících látek
Nárazové se separací Difúzní (Venturiho)
Kapitola 3
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
Nevýhody
Obecně
odstraňují hořlavý a výbušný prach jen
•
s malým rizikem
chladí horké plyny
•
umožňují neutralizaci plynů,
•
způsobujících korozi
současně odstraňují prach i anorganické
•
sloučeniny
Obecně
odpadní kapalina může představovat
•
problém znečištění vody
zachycený vyprodukovaný odpad je mokrý
•
vyžaduje ochranu proti zamrznutí
•
zachycené tuhé znečišťující látky mohou
•
být kontaminované a nerecyklovatelné
odpadní plyn může vyžadovat nový ohřev,
•
aby se zabránilo viditelné (parní) vlečce
Pračky s vláknitou náplní
velmi pravděpodobně problémy s korozí
•
ne zcela vhodné pro zachycování tuhých
•
znečišťujících látek, pouze pro jemné
a/nebo rozpustné tuhé znečišťující látky
Patrové pračky
velmi pravděpodobné problémy s korozí
•
Pračky s vláknitou náplní
zvládnou mlhy
•
poměrně nízká tlaková ztráta
•
Patrové pračky
jedna jednotka zajišťuje absorpci plynu
•
i zachycení prachu současně
zvládají mlhy
•
účinnost kolísá
•
zlepšují kontakt plynu a suspense
•
činidla při odstraňování SO2
Sprchové věže
zachycují jak tuhé znečišťující látky, tak
•
plyny
téměř se neucpává
•
poměrně prostorově nenáročná
•
poměrně malá tlaková ztráta
•
FRP konstrukce odolává i vysoce
•
korozívnímu prostředí
Pračky nárazové se separací zachycené kapaliny
zvládají mlhy
•
poměrně vysoká rychlost recirkulace
•
vody
kolísavá účinnost
•
Difúzní (Venturiho)pračky
zvládají mlhy
•
malé nároky na údržbu
•
konstrukčně jednoduché a snadno
•
instalovatelné
kolísavá účinnost
•
odstraňují i reaktivní plynné znečišťující
•
látky
neucpávají se
•
Sprchové věže
malá efektivita přenosu hmoty
malá účinnost odstraňování jemných částic
tuhých znečišťujících látek
FRP konstrukce je citlivá na vyšší teploty
•
•
•
Pračky nárazové se separací zachycené kapaliny
velmi pravděpodobné problémy s korozí
•
Difúzní (Venturiho) pračky
velmi pravděpodobné problémy s korozí
poměrně vysoká tlaková ztráta zvyšující
spotřebu energie; hlučnost způsobuje vysoká
rychlost plynu v difuzéru
omezení na tuhé znečišťující látky a plyny
•
s vysokou rozpustností
•
•
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Výkonnost pracích technik velmi závisí na rozměrech zachycovaných tuhých znečišťujících látek a aerosolů.
Výkonnosti (účinnosti) uvádí Tabulka 3.17.
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávaný materiál a energie uvádí Tabulka 3.17.
Při používání technik mokrého praní prachu je nutné používat přídavná zařízení pro separaci suspenzí.
Separovaný prach je kontaminován podle toho, odkud pochází, např. prach ze spalování může obsahovat
dioxiny a/nebo těžké kovy a jejich oxidy. Takový typ prachu by měl být klasifikován jako nebezpečný odpad
a v souladu s tím i likvidován.
245
Kapitola 3
parametr
TZL
VOC
SO2
HCl
HF
NH3
spotř.materiál
prací voda
[l/Nm3]
energie
3
[kWh/1000 Nm ]
tlaková ztráta
[kPa]
typ nákladů
investiční
náklady
na 1000 Nm3/h]
roční provozní
náklady
[na 1000 Nm3/h]
nákladová
efektivita
[na tunu
znečišťujících
látek]
a
vláknitá náplň
70->99 1
70->99 (mlhy) 1
pohyblivé
lože
třídy výkonnosti [%]
patrová
sprchová věž
50-99 2
80->99 2
70->99 3
50-95 3
80->99 3
Nárazové se
separací
Difúzní
(Venturiho)
80-99 4
70->99 5,7
90 7
90 7
94-99 8
94-99 8
spotřeba materiálu/energií
>3 3
0,5-5 6
1-2 6
<0,5-6 6,7
1,5-2,8 6
2,5-20 6,7
náklady
1300-7000 USD 2 500-2200 USD 3
2800-10000 USD 4
1000-21100 USD 1
1500-41100 USD
800-28100 USD
2200-42000 USD 4
40-710 USD 1
51-1300 USD 2
28-940 USD 3
88-1400 USD 4
1900-17000
5
USD
5000 EUR a,7
2400-70000
USD 5
b
84-2300 USD 5
600-1800 USD 1
2
3
3
při kapacitě 10000 Nm /h, u větších kapacit růst koeficientem 0,3
EUR [2500+ 100 x (průtok/1000)]
1
[cww/tm/110]
2
[cww/tm/111]
3
[cww/tm/114]
4
[cww/tm/112]
5
[cww/tm/115]
6
[cww/tm/132]
7
[cww/tm/70]
8
[cww/tm/138] výroba umělých hnojiv, kyselina fosforečná jako prací kapalina
b
Pračky způsobují hluk, který je třeba vhodně omezit, například uzavřením zařízení do akustického krytu.
246
Kapitola 3
Monitorování [cww/tm/70]
Emise hmoty podle nichž lze hodnotit výkonnost mokré pračky je možné určit monitorováním koncentrace
tuhých znečišťujících látek v proudu odpadních plynů izokinetickou vzorkovací sondou, nebo měřicím
přístrojem založeným např. na nepropustnosti UV záření/světla, na beta záření nebo na nárazu částic.
Důležitá je také pravidelná kontrola tlakového spádu v pračce, poměru průtoku kapaliny/činidla a tlaku na
vstupu. Je také potřebné pravidelně kontrolovat poměr kapaliny a plynu, rychlost proplachové kapaliny a pH.
Mokré pračky je třeba pravidelně kontrolovat z hlediska poškození např. korozí nebo ucpáním. Do pračky by
měl být snadný přístup.
Ekonomika
Rozsah nákladů mokrých praček prachu uvádí Tabulka 3.17. Přibližné náklady jsou založeny na
předpokládaném vstupním zatížení tuhými znečišťujícími látkami kolem 7 g/Nm3. V případě aplikací,
vyžadujících dražší materiály rozpouštědla nebo metody čištění, mohou být náklady podstatně vyšší, než
uvedené náklady. Pravidlem je, že menší jednotky, čistící málo-koncentrované toky odpadních plynů, budou
dražší (na jednotku průtoku) než velké jednotky čistící velký průtok znečišťujících látek.
3.5.3.5 Látkový (tkaninový) filtr
Popis
Odpadní plyn prochází hustě tkanou nebo plstěnou látkou, která zachycuje tuhé znečišťující látky tím, že je
prosívá, nebo jiným mechanismem. Látkové (tkaninové) filtry mohou mít formu plochy (jedna vrstva)
vložek nebo pytlů (nejobvyklejší) s mnoha jednotlivými filtračními jednotkami ve skupině. Filtrační koláč
prachu, který na filtru vzniká, může účinnost filtru ještě zvýšit.
Provozní podmínky do značné míry určují volbu tkanin. Některé běžně používané tkaniny uvádí Tabulka
3.18.
název
vlákniny
polyester
akrylový kopolymer
m-aramid
polyfenylensulfid
etylenchlorotrifluoroethen
polytetrafluorethen
polyimid
sklo
nerezová ocel
keramika
odolnost
proti
kyselinám
dobrá
dobrá
dobrá
výborná
výborná
výborná
dobrá
velmi dobrá
dobrá
velmi dobrá
zásadám
vyhovující
vyhovující
dobrá
výborná
výborná
výborná
dobrá
vyhovující
výborná
dobrá
stálá provozní
teplota ve
vlhkém teplu
[°C]
94
110
177
190
177
260
240
260
550
760
stálá
provozní
teplota
[°C]
132
120
200
190
177
260
260
260
550
760
maximální
teplotní
špička
[°C]
150
130
240
232
190
290
280
290
600
1204
materiál
podporuje
hoření
ano
ne
ne
ne
ne
ne
ne
ne
ne
ne
Tabulka 3.18: Běžně používané tkaniny
Praktické použití tkaninových filtrů vyžaduje použití velkých ploch tkaniny aby se zabránilo nepřijatelné
tlakové ztrátě na tkanině. Nepřijatelná tlaková ztráta může poškodit uložení filtru, což by způsobilo nestálé
emise prachu. Velikost čistící stanice na plyn s pytlovými filtry dané jednotky závisí na volbě poměru
objemového průtoku vzduchu k ploše tkaniny (poměr a/c). Tento a/c poměr se určuje podle zatížení a
charakteristik a použité metody čištění. Vysoká zátěž tuhými znečišťujícími látkami bude vyžadovat větší
247
Kapitola 3
sběrnou komoru, aby se zabránilo tvoření příliš těžkých prachových koláčů, což by znamenalo přílišnou
tlakovou ztrátu.
Intenzita a frekvence čištění jsou důležitými proměnnými při určování účinnosti. Časté nebo intenzivní
čištění filtru sníží jeho účinnost, protože prachový koláč může mít značný podíl na schopnosti tkaniny
odstraňovat jemné částice tuhých znečišťujících látek. Pokud je odstraňování příliš řídké nebo neúčinné, pak
bude tlaková ztráta velká.
Obvyklé typy tkaninových filtrů, podle metody jejich čištění, jsou:
•
tkaninový filtr čištěný zpětným proudem (protiproudem) vzduchu, který využívá jemnější, ale
občas méně účinné mechanismy čištění, než mechanické chvění (oklepávání). Pytle mají obvykle
otevřené dno, uzavřený vršek a prach se zachytává uvnitř či vně pytlů. Pro čištění se odpojí, čistí se
průchodem čistého vzduchu v opačném směru a prachový koláč odpadává do výsypky (zásobníku?).
Typický cyklus čištění trvá méně než 5 minut na jedno oddělení. Čištění protiproudem vzduchu se
samostatně používá pouze v případech, kdy se prach z tkaniny uvolňuje snadno. V mnoha případech
se však používá společně s oklepáváním, pulsací nebo zvukovým čištěním houkačkami.
•
tkaninový filtr čištěný mechanickým chvěním (oklepáváním) s jednoduchým a účinným čistícím
mechanismem. Odpadní plyn vstupuje do přívodního potrubí, které je vybaveno deflektorem do
které naráží velké částice tuhých znečišťujících látek, padají do výsypky a tím se z plynu odstraní.
Zatížený plyn je proháněn přes rozdělovací desku ve s otvory ve spodní části komory do
jednotlivých filtračních pytlů, prochází zevnitř ven a částice se přitom zachycují na vnitřním povrchu
pytle. Vršky pytlů jsou připevněny k chvějící se tyči, která se svým rychlým pohybem tyto pytle
vyklepává a tak je čistí.
•
tkaninové filtry čištěné pulsací využívají poměrně nové metody, která čistí vysoké objemy prachu,
probíhá při stálém poklesu tlaku a prostorově je méně náročná, než ostatní typy tkaninových filtrů. Je
možné je používat pouze jako externí zařízení pro zachycování pachu. Pytle jsou u dna uzavřené,
otevřené na vrchu a podporované (přidržované?) vnitřními úchytkami. Zatížený plyn prochází do
pytlů z venku, s využitím difuzérů zabraňujících poškození pytlů velkými částicemi tuhých
znečišťujících látek, přičemž se částice zachycují na vnější straně pytlů a padají do výsypky. Čištění
tlakovým impulsem znamená vhánění krátkých dávek (0,03-0,1 sekundy) vysokotlakého (0,4-0,8
MPa) vzduchu do pytlů. To umožňuje nepřerušovaný průtok čištěného odpadního plynu, který se
nemusí kvůli čištění přerušovat. Plstěné, tj. netkané materiály se pro toto čištění používají proto, že
k dosažení vysoké účinnosti nepotřebují prachový filtrační koláč. Tkané materiály obvykle po čištění
tlakovým impulsem propouští příliš mnoho prachu.
Akustické čištění (houkačky) se používá stále častěji pro zlepšení účinnosti filtrů s mechanickým chvěním a
s protiproudem vzduchu. Využívají vysokého tlaku vzduchu (0,3-0,6 MPa). Zvukové čištění výrazně snižuje
zbytkový obsah prachu na pytlích a snižuje i tlakovou ztrátu ve filtrační látce o 20-60 %, stejně jako
mechanické namáhání pytlů a tak prodlužuje jejich životnost.
Pokud plyn obsahuje kyselé látky, může docházet ke korozi filtrů a materiálu komory, zvláště při teplotách
pod rosným bodem. Vhodné filtrační tkaniny jsou uvedeny v Tabulce 3.18.
Blízkými příbuznými tkaninových filtrů jsou:
• Kompaktní filtry, které jsou známé jako filtry kazetové nebo obálkové filtry a jsou verzí filtrů
tkaninových. Rozdíl je v kompaktnosti uložení filtračního materiálu. Je pletený, např. jako
harmonika, aby se specifická filtrační plocha zvýšila. Úspora prostoru je však u tohoto typu filtru
částečně anulována nižším zatížením tkaniny.
248
Kapitola 3
•
Zlepšený kompaktní filtr, známý také jako sintamatický, filtr se sintrovanými lamelami nebo
Spirotova trubice, je další verzí tkaninového filtru. Skládá se z porézního sintrovaného materiálu
a prvků pleteného filtru, v případě filtrů sinamatických nebo se sintrovanými lamelami, což zajišťuje
jeho delší životnost a snižuje náklady na údržbu.
Teplota plynu by se měla pohybovat nad rosným bodem každé z jeho složek, protože jinak by se filtr ucpával
a filtrování by se zastavilo. Proto by měla být čistící stanice s pytlovými filtry tepelně izolována a
příležitostně podle potřeby vyhřívána.
Systémy se zvýšeným rizikem např. výbuchu nebo požáru, musí být vybaveny takovými bezpečnostními
zařízeními, jako jsou explozní dvířka nebo samočinné hasící zařízení. Na přívodní straně filtru by měl být
výbuchový uzávěr, který se otevírá do bezpečného prostoru mimo budovu. V případě horkých tuhých
znečišťujících látek z kotlů nebo pecí může být potřebné instalovat lapák, který by zabraňoval požáru i
poškození tkaniny. Je nutné zabránit tvorbě a šíření jisker či plamenů.
Použití
Tkaninové filtry se používají především k odstranění tuhých znečišťujících látek, menších než 2,5 µm, a
nebezpečných látek, znečišťujících ovzduší ve formě částic (TZLHAP), jako jsou např. kovy (kromě rtuti).
V kombinaci se vstřikováním (včetně adsorpce, vstřikování suchého vápna / bikarbonátu sodného a
vstřikování polosuchého vápna) před čistící stanicí s pytlovými filtry, je možné je použít i pro odstranění
specifických plynných znečišťujících látek.
Tkaninové filtry jsou vhodné k zachycování tuhých znečišťujících látek s elektrickým měrným odporem buď
příliš nízkým, nebo naopak příliš vysokým pro ESP a tak jsou vhodné pro zachycování popílku z uhlí
s nízkým obsahem síry nebo popílku s vysokým obsahem nespáleného uhlíku. Zařazením čistící stanice s
pytlovými filtry za ESP se dosahuje velmi nízkých emisí tuhých znečišťujících látek.
Pokud odpadní plyn obsahuje poměrně velké částice tuhých znečišťujících látek, je možné tkaninovým
filtrům předřadit mechanické kolektory, např. cyklóny, ESP, nebo sprchové chladiče a tím snížit zatížení
tkaninových foltrů, zvláště v případě vysokých vstupních koncentrací.
Limity a omezení použití:
typický průtok odpadních plynů
[Nm3/h]
limity / omezení
300-1800000 1
viz Tabulka 3.18
vyšší než rosný bod každé z kondenzovatelných složek, jinak dochází
k zanášení
<70 (zlepšený kompaktní filtr) 2
tlak
v rozsahu –6,4 a +6,4 kPa kolem atmosférického tlaku 1
obsah prachu
1-23 (obvykle) 1
3
[g/Nm ]
0,1-230 1
vlastnosti tuhých znečišťujících látek lepivý prach se z pytlů odstraňuje obtížně a proto je třeba se mu vyhnout
poměr a/c a
≤1 3 (protiproud vzduchu)
[m/min]
<0,5 3 (mechanické chvění)
1-1,5 (2,0) 3 b (pulsní proud)
teplota
[°C]
a
doporučeno pro zajištění spolehlivého provozu (viz. výše)
vyšší hodnota pro speciální uspořádání
1
[cww/tm/123]
2
[cww/tm/70]
3
osobní informace
b
Výhody a nevýhody
Výhody
•
tkaninové filtry obecně mají vysokou
účinnost v případě hrubých i jemných
Nevýhody
•
neumožňuje vstup mokrého nebo lepivého
prachu
249
Kapitola 3
•
•
•
•
tuhých znečišťujících látek
účinnost a tlaková ztráta průběžně
čištěných filtrů zůstává velkými výkyvy
vstupní zátěže prachem prakticky
nedotčena
prach se separuje nasucho bez další
spotřeby, je možné jej znovu použít
v předchozím procesu
zbytkové emise jsou na vstupní koncentraci
v podstatě nezávislé
poměrně jednoduchá obsluha
•
•
•
odstranění koláče z tkaniny může bránit
statická elektřina
riziko výbuchu
možné požáry čistící stanice s pytlovými
filtry v případě horkých tuhých
znečišťujících látek z pecí nebo oddělování
pyroforických (samovznětlivých) materiálů
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Při dané kombinaci konstrukce filtru a separovaného prachu je koncentrace tuhých znečišťujících látek na
výstupu z tkaninového filtru téměř konstantní, zatímco celková účinnost má tendenci měnit se podle obsahu
tuhých znečišťujících látek. Tkaninové filtry je proto možné považovat za zařízení s konstantním výstupem,
spíše než s konstantní účinností.
parametr
TZL
tkaninový filtr
účinnost [%] úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
1
1
99-99,9
2-10
1a2
kompaktní filtr
účinnost [%] úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
2
1-10
zlepšený kompaktní filtr
účinnost [%] úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
2
<1
a
keramický filtr
[cww/tm/123]
2
[cww/tm/70]
1
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný
materiál/energie
filtrační tkanina
[m2 na 1000 Nm3/h]
materiál ochranné vrstvy tkaniny
(příležitostně)
stlačený vzduch [na 1000] a
pro 0,3-0,6 MPa (sonic horn)
pro 0,4-0,8 MPa (pulsní proud)
energie [kWh/1000 Nm3]
množství
11-17
2-2,5 1
0,2-1,2 2
0,5-2,0
0,5-2,5 2
0,5-1,8 1
5-50
3
poměr a/c 1-1,5 m/min
pro lepivý nebo statický prach,
nebo jako ochrana tkaniny
tlaková ztráta [kPa]
a
poznámky
čištění filtru
tkaninový filtr
kompaktní a zlepšený kompaktní
filtr
keramický filtr
3
Nm /h stlačeného vzduchu na 1000 Nm /h plynu
1
[cww/tm/70]
2
[cww/tm/64]
Jediným reziduem je separovaný prach, případně smíchaný s předem naneseným ochranným materiálem.
Podle toho, z jaké zdroje prach pochází, může být znečištěn např. dioxiny a/nebo těžkými kovy a jejich
oxidy ze spalování. Tento typ prachu by měl být klasifikován jako nebezpečný odpad a podle toho i
likvidován.
Monitorování [cww/tm/79]
Pečlivě by měla být monitorována výkonnost a údržba. Emise hmoty, které určují výkonnost tkaninových
filtrů, je možné určit monitorováním koncentrace tuhých znečišťujících látek v proudu odpadních plynů
250
Kapitola 3
izokinetickou vzorkovací sondou, nebo měřením, založeným např. na nepropustnosti UV záření/světla,
triboelektrickém toku, beta záření nebo nárazu částic tuhých znečišťujících látek.
Důležitá je také pravidelná kontrola teplotního a tlakového spádu v prachovém filtru. Tlakový spád je
používán pro určení nutného čistícího cyklu. Prachové filtry je třeba pravidelně kontrolovat z hlediska
poškození tkaniny nebo komory. Do filtru by měl být snadný přístup. Každá čistící stanice s pytlovými filtry
by měla být vybavena systémem detekce úniků s hlásičem.
Ekonomika
Životnost filtračního materiálu je kolem 5 let v případě tkaninového a kompaktního filtru a 8 let v případě
zlepšeného kompaktního filtru.
typ nákladů
protiproud vzduchu
1
investice [na 1000
5300-50000 USD
3
c4
30000-55000 EUR
Nm /h]
1
plus sonic horm
300-400 USD
1
plus protiproudé
600-1200 USD
zařízení
roční provozní
1
4000-16000 USD
náklady [na 1000
3
4
d
Nm /h]
nákladová efektivnost
1
58-372 USD
[na tunu znečišťující
látky]
a
2500 EUR+300 x průtok/1000
b
350 EUR + 240 x průtok/1000
c
keramický filtr
d
350 + 300 x průtok/1000
1
[cww/tm/123]
2
[cww/tm/121]
3
[cww/tm/122]
4
[cww/tm/70]
mechanické
chvění
2
4500-42000 USD
300-400 USD
--
2
2600-14000 USD
41-334 USD
2
náklady
pulsní proud
3700-15000 USD
kompatktní
3
1000-4000 EUR
3
a
4
zlepšený
kompaktní
4
2500-4000 EUR
--2
3200-14000 USD
46-293 USD
4
b
4
3
Odhad ceny předpokládá konvenční konstrukci v typických provozních podmínkách a nezahrnuje přídavná
zařízení, např. ventilátory nebo vzduchotechnické potrubí. Náklady závisí primárně na objemovém průtoku a
obsahu a druhu znečišťujících látek v odpadním plynu. Malé jednotky čistící plyny s nízkým obsahem
znečišťujících látek obecně nebudou tak nákladově efektivní, jako velké jednotky, které čistí plyny s velkou
zátěží. Uvedené náklady se týkají průtoků mezi 3500 až 1700000 Nm3/h a zátěže 9g znečišťujících látek na
Nm3.
Náklady na systém zvýší znečišťující látky, které vyžadují vysokou úroveň čištění nebo pytle či čistící
jednotku ze speciálních materiálů.
3.5.3.6 Katalytická filtrace
Popis
Katalytická filtrace je odstraňování plynných složek doprovázené separací tuhých znečišťujících látek. Je
možné ji přirovnat k provozu tkaninových filtrů (viz. Sekce 3.5.3.5). Rozdíly jsou ve filtračních materiálech.
Katalytický filtr je naplněn katalyzátorem (systém titan/vanad), který rozkládá znečišťující látky katalytickou
reakcí v plynné fázi. Separovaný prach bude odstraněn a likvidován odděleně.
Katalytický filtr se skládá z pěnové polytetrafluorethenové (ePTFE) membrány, lepené na katalytický
plstěný substrát. Do plstěného substrátu je vložený katalyzátor. Instaluje se v modulech do čistící stanice s
pytlovými filtry viz Obrázek 3.82 [cww/tm/85] tak, aby se dal snadno namontovat ve stávajících podnicích.
251
Kapitola 3
Obrázek 3.82: Čistící stanice s katalytickými filtry, včetně vzorkovací řady (sampling train)
Použití
Katalytická filtrace se používá pro separaci tuhých znečišťujících látek a eliminaci nebezpečných
znečišťujících látek z plynné fáze. Hlavní znečišťující látky, pro které se tato technologie používá, jsou
dioxiny a furany (PCDD a PCDF). Mohou však být odstraněny i další znečišťující látky, např.
polyaromatické uhlovodíky (PAH), polychlorované benzeny (PCBz), polychlorované bifenyly (PCB), VOC
a chlorované fenoly (PCP).
Limity a omezení použití:
doporučený rozsah stálé
provozní teploty
obsah amoniaku
obsah oxidů síry
vlhkost
rychlost filtrace
nebezpečné látky
160-260 °C a
limity / omezení
<200 ppm
<50 ppm
5-35 %
48-84 m/h
deaktivace arzénem, draslíkem, vápníkem, sírou
a
Horní limit teplotního rozsahu je dán stálou maximální provozní teplotou filtračního média (260 °C).
Doporučená maximální provozní teplota je 250 °C aby se zabránilo špičkovému přehřátí. Spodní limit
teplotního rozsahu je dán teplotou, při které spolehlivě dochází k rozkladu dioxinů a furanů.Testováním se
určila teplota 155 °C.
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
252
rozklad nebezpečných plynných sloučenin bez
kontaminovaných reziduí
snížení celkového množství vypouštěných
Nevýhody
•
•
omezení maximální provozní
teploty na 260 °C
ač filtr odstraňuje organické látky
Kapitola 3
•
•
•
•
•
nebezpečných znečišťujících látek do životního
prostředí
snadno modernizovatelná (dodatečně montovatelná)
bez dalších nákladů na provoz a údržbu
bez dalšího pevného odpadu, který je nutno likvidovat
beze změn standardních provozních postupů
náklady srovnatelné s použitím práškového
aktivovaného uhlí
obecně a speciálně dioxiny a
furany, je při všech teplotách,
doporučena minimální stálá
provozní teplota 155 °C pro
spolehlivý rozklad dioxinů a
furanů; při nižších teplotách se
adsorbují na katalyzátor
Dosažitelné úrovně emisí / třídy výkonnosti
parametr
prach
PCDD/PCDF (TEQ)
a
1
účinnost [%]
>99 a,1
úroveň emisí
< 1 mg/Nm3 1
<0,004-0,040 ng/Nm3 1
<0,075 ng/Nm3 1
poznámky
typická
spalovny odpadu
zjištěno až 99,8 %
informace od výrobce
Vlivy do více prostředí
Separovaný prach, popílek případně smíchaný se sorbentem kyselého plynu je jediným reziduem, které
vyžaduje likvidaci. Filtrovaný prach obsahuje až o 90 % méně dioxinů a furanů, než při použití
aktivovaného uhlíku. Tento prach se obvykle klasifikuje jako bezpečný odpad.
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál/energie
materiál filtru
katalyzátor
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
množství
poznámka
životnost filtru a katalyzátoru je
obvykle 5 let i více
Monitorování [cww/tm/79]
Pečlivě by měla být monitorována výkonnost a údržba. Emise hmoty, které určují výkonnost filtrů, mohou
být určeny pomocí monitorování koncentrace tuhých znečišťujících látek v proudu odpadních plynů
izokinetickou vzorkovací sondou nebo měřením, založeným např. na opacitě pro UV záření/světlo, beta
záření nebo nárazu částic tuhých znečišťujících látek. Aktivita katalyzátoru může být monitorována
testováním každého jednotlivého filtru vyjmutého z čisticí stanice. Pokud je důvodné podezření na pokles
aktivity katalyzátoru, je možné provést monitorování dioxinů a furanů vzorkováním v komíně.
Důležitá je také pravidelná kontrola teplotního a tlakového spádu v pytlovém filtru. Tlakový spád se využívá
pro určení začátku čistícího cyklu. Pytlové filtry mají být pravidelně kontrolovány není-li poškozena tkanina
nebo komora. Filtr by měl být snadno přístupný.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady [na kapacitu 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady [na kapacitu1000 Nm3/h]
náklady
poznámky
253
Kapitola 3
3.5.3.7 Dvoustupňový prachový filtr
Popis
Dvoustupňový prachový filtr obsahuje drátěnou síťovinu, která je filtračním materiálem. V prvním stupni se
tvoří filtrační koláč a vlastní filtrace probíhá ve stupni druhém. Druhý stupeň se čistí v závislosti na tlakovém
spádu ve filtru. Systém se pak přepíná mezi dvěma stupni (stupeň první se stává druhým a naopak).
Mechanismus odstranění zachyceného prachu je integrován do systému. Prach padá na dno komory, odkud
se musí odstraňovat. Příklad je na Obrázku 3.83 [cww/tm/70].
Protože drátěná síťovina může být zatížena více než látkový filtr, vyžaduje menší filtrační plochu (tj. méně
filtračního materiálu). Tato výhoda je však obvykle eliminována dvěma stupni systému.
Obrázek 3.83: Dvoustupňový prachový filtr
Speciální variantou je filtr s kovovou síťovinou s procesem obnovovaného koláče, který je zobrazen na
Obrázku 3.84 [cww/tm/168]. Tento filtr je navržen tak, aby se odstranila ztráta filtrační účinnosti filtru po
jeho čištění tím, že se obnoví základní koláč před vřazením vyčištěného filtru zpět do toku plynu. Za
normálního provozu pracuje filtr pouze s některými komorami, zatímco ostatní jsou v záložním režimu
(např. tři komory jsou v provozu a čtvrtá je v záloze). Filtr takto pracuje do okamžiku signalizace čistícího
cyklu. Nyní se zapojuje již vyčištěná komora(y) s obnoveným koláčem. Komora(y) vyžadující čištění
je(jsou) odpojena(y) a pulsně se čistí, zatímco prach se hromadí v zásobníku u dna. Čištění je skončeno a
plyn obsahující prach je recirkulován přes právě vyčištěný filtr bez toho, že by byl odtahován. Tento režim
umožňuje obnovení plného filtračního koláče na vyčištěném filtru zatímco ostatní komory se používají jako
záložní filtry likvidující úniky. Po dokončení obnovy koláče přechází komora(y) do záložního režimu, aby
mohla nahradit další, které vyžadují čištění.
254
Kapitola 3
Obrázek 3.84: Filtr s kovovou síťovinou s obnovou koláče
Systém se zvýšeným rizikem např. výbuchu a požáru, musí být vybaven bezpečnostními zařízeními, jako
např. explozními uzávěry nebo požárními sprinklery.
Použití
Dvoustupňový prachový filtr se používá především pro odstraňování tuhých znečišťujících látek.
V kombinaci se vstřikovacími systémy (včetně adsorpce, vstřikování polosuchého vápna) může být použit i
pro odstranění určitých plynných znečišťujících látek.
Limity a omezení použití:
typický průtok odpadních plynů [Nm3/h]
teplota [°C]
tlak
obsah prachu [g/Nm3]
1
do 75000 na modul 1
přibližně do 500
atmosférický 1
bez omezení
limity / omezení
[cww/tm/70]
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
•
•
•
•
•
•
vysoká účinnost odstranění tuhých
znečišťujících látek
umožňuje rekuperaci pevných látek
vypouštěný vzduch je znovu využitelný
jako vstupní vzduch
modulární konstrukce
nevyžaduje speciální filtrační materiál;
celoocelová konstrukce
zatížení filtru vyšší než látkového či
kompaktního
odolný vůči požárům
umožňuje rekuperaci tepla (při provozu za
vyšších teplot)
Nevýhody
•
•
•
•
při použití za okolních teplot má vyšší
náklady ve srovnání s látkovými a
kompaktními filtry (neplatí pro vysoké
teploty)
časté přepínání mezi dvěma odděleními
(běžný dvoustupňový filtr)
v prašném prostředí vyžaduje řízení
ventilů
nebezpečí výbuchu
255
Kapitola 3
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Emise tuhých znečišťujících látek z dvoustupňového prachového filtru s drátěným pletivem jako filtračním
médiem jsou prakticky nezávislé na vstupní zátěži.
parametr
TZL
1
úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
1
≈1
poznámky
prakticky nezávisí na vstupu
[cww/tm/70]
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný
materiál/energie
materiál filtru (drátěná síťovina
nebo síto)
stlačený vzduch (0,3-0,7 MPa)
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
množství
poznámky
čištění filtru
1,5 1
0,5-2,5 1
[cww/tm/70]
Jediným reziduem jsou separované tuhé znečišťující látky. Jejich množství závisí na množství obsaženém
v přiváděném plynu. Podle toho, z jaké zdroje prach pochází, může být znečištěn např. dioxiny a/nebo
těžkými kovy a jejich oxidy ze spalování. Tento typ prachu by měl být klasifikován jako nebezpečný odpad a
podle toho i likvidován.
Monitorování [cww/tm/79]
Pečlivě by měla být monitorována výkonnost a údržba. Emise hmoty, které určují výkonnost
dvoustupňových prachových filtrů, mohou být určeny monitorováním koncentrace tuhých znečišťujících
látek v proudu odpadních plynů izokinetickou vzorkovací sondou, nebo měřením, založeným např. na
opacitě pro UV záření/světlo, na beta záření nebo měření nárazů částic tuhých znečišťujících látek.
Důležitá je také pravidelná kontrola teplotního a tlakového spádu v tkaninovém filtru. Tlakový spád se
využívá pro určení začátku čistícího cyklu. Tkaninové filtry mají být pravidelně kontrolovány, není-li
poškozena tkanina nebo komora. Filtr by měl být snadno přístupný.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady
roční náklady na pracovní sílu
utility [na 1000 Nm3/h]
a
1
náklady
30000 EUR 1
a
2000 EUR 1
350 EUR 1
poznámky
založeno na systému s 1700
Nm3/h
about 1,5 hodiny týdně
celkové roční provozní náklady jsou 2000 EUR + 350 EUR x průtok/1000
[cww/tm/70]
3.5.3.8 Absolutní filtr (HEPA – filtr) 2
2
High Efficiency Particle Air Filter (vzduchový filtr částic s vysokou účinností)
256
Kapitola 3
Popis
Filtračním médiem je papír nebo zplstěné skelné vlákno s vysokou hustotou. Odpadní plyn prochází
filtračním médiem, které tuhé znečišťující látky zachycuje. Prachový koláč, který se tvoří na filtračním
médiu, může zvyšovat jeho účinnost. Filtrační médium je skládané tak, aby zajišťovalo menší poměr a/c
(průtoku k povrchu).
Nejčastějším konstrukčním řešením je komorová filtrační buňka a cylindrická (válcová) filtrační buňka.
V komorové buňce je skládané médium uloženo v pevném čtvercovém rámu ze dřeva či kovu. Vzduch
prochází zpředu na opačný konec filtru. Ve válcové filtrační buňce těsní médium na jednom konci kovové
víko. Vzduch prochází zvenku dovnitř filtru.
Filtr může být uchycen přímo v potrubí nebo samostatném pouzdru. V případě velkých částic tuhých
znečišťujících látek vyžaduje předfiltrování a proto jsou HEPA filtrační systémy obvykle konečnými stupni
systémů odstraňujících tuhé znečišťující látky.
Počet filtračních buněk použitý v jednotlivých systémech se určuje podle poměrem a/c, jehož volba je
založena na jmenovitých charakteristikách zatížení a tlakové ztrátě v médiu filtru. Praktické použití filtrů
s vláknitým médiem vyžaduje větší plochu média, což minimalizuje tlakovou ztrátu ve filtru. Použitá
papírová a netkaná média filtrů vykazují větší tlakovou ztrátu, než média tkaná v látkových filtrech. Proto se
HEPA filtry používají především pro nižší průtoky a nižší zatížení než čistící stanice plynů s pytlovými
filtry. Filtr je nutné vyměnit v případě poklesu průtoku filtračním systémem pod přijatelnou mez. Obvykle
se nečistí, protože by se při čištění mohlo médium filtru poškodit.
Použití
HEPA filtry se používají na submikronové částice tuhých znečišťujících látek o velikostech mezi 0,12 a 0,3
µm i pro nebezpečné látky, znečišťující ovzduší ve formě částic tuhých znečišťujících látek, např. většinu
těžkých kovů (kromě rtuti).
HEPA filtry jsou nejvhodnější v situacích, kdy se vyžaduje vysoká účinnost zachycení submikronových
částic tuhých znečišťujících látek a toxické a/nebo nebezpečné tuhé znečišťující látky není možné filtrovat
ostatními filtry, např. chemický nebo biologický materiál. Instalují se jako koncový prvek čistícího systému
po ostatních zařízeních, např. ESP nebo čistící stanici s pytlovými filtry.
průtok odpadních plynů [Nm3/h]
teplota
[°C]
tlak
obsah prachu
[g/Nm3]
relativní vlhkost
[%]
limity / omezení
100-3600 na modul 1,2
<200 2 (komerční HEPA)
<530 2 (keramická nebo skelná náplň (packing))
nad rosným bodem odpadního plynu
atmosférický 1
1-30 2
<2 3
<95 2
1
[cww/tm/70]
[cww/tm/106]
3
[cww/tm/64]
2
HEPA filtry vyžadují předfiltrování, které odstraní velké částice tuhých znečišťujících látek, např. cyklóny
nebo difúzními pračkami, které snižují obsah velkých částic, standardními čistícími stanicemi s pytlovými
filtry nebo kazetovými filtry, které odstraňují TZL >2,5 µm.
257
Kapitola 3
Výhody a nevýhody
Výhody
•
Nevýhody
umožňuje separaci velmi malých částic
tuhých znečišťujících látek
velmi vysoká účinnost při velmi nízkých
zbytkových emisích
výstupní vzduch je velmi čistý a
recirkulovatelný v rámci podniku
modulární struktura
necitlivý na malé fluktuace průtoku
odpadních plynů
poměrně snadná obsluha
obvykle nejsou potíže s korozí
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
péči je třeba věnovat nebezpečí výbuchu
vysoká náročnost na údržbu a častou
výměnu filtru
nevhodné v prostředí s vyšší vlhkostí
nevhodné pro plyny s vyšším obsahem
prachu
médium ze skelného vlákna není vhodné pro
plyny obsahující alkálie
Dosažitelné úrovně emisí / třídy výkonnosti
parametr
TZL
TZL0,01
TZL0,1
1
2
účinnost [%]
>99,99 2
>99,9999 2
3
úroveň emisí [mg/Nm ]
>0,0001 1
[cww/tm/64]
[cww/tm/106]
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný
materiál/energie
materiál filtru (např. papír, skelné
vlákno)
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
množství
poznámky
<0.1 1
0,05-0,25 1
[cww/tm/70]
Naplněné prvky filtru je nutno likvidovat jako odpad. Každý modul může absorbovat přibližně 1 kg prachu.
Monitorování [cww/tm/79]
Pečlivě by měla být monitorována výkonnost a údržba. Emise hmoty, jejichž pomocí se určuje výkonnost
absolutních filtrů, mohou být určeny monitorováním koncentrace tuhých znečišťujících látek v proudu
odpadních plynů izokinetickou vzorkovací sondou, nebo měřením, založeným např. na opacitě pro UV
záření/světlo, beta záření nebo měření nárazů částic tuhých znečišťujících látek.
Důležitá je také pravidelná kontrola teplotního a tlakového spádu v tkaninovém filtru. Pokud tlakový spád
dosáhne úrovně, kdy je bráněno správnému proudění vzduchu, musí být filtr vyměněn a zlikvidován.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady
roční náklady na pracovní sílu
utility [na 1000 Nm3/h]
258
náklady
1800-2400 USD 1
a2
2500 EUR 2
60-120 EUR 2
poznámky
liší se případ od případu
asi 2 hodiny týdně
Kapitola 3
a
celkové roční provozní náklady jsou 2500 + 60 x průtok/1000 [EUR]
[cww/tm/106]
2
[cww/tm/70]
1
3.5.3.9 Vzduchový filtr s vysokou účinností (HEAF)
Popis
HEAF je filtr s plochou vrstvou filtračního media, ve které se aerosoly shlukují a tvoří kapky. Vysoce
viskózní kapky zůstávají na tkanině filtru a případně ho ucpávají. Při dosažení zadané hodnoty rozdílu tlaků
musí být vrstva filtru vyměněna za novou a čistou, což může být provedeno bez přerušení provozu, protože
filtrační tkanina je navinuta na roli. Vyčištěný odpadní plyn odchází z čistícího zařízení do mlhového filtru,
který musí odstranit unášenou vrstvu (entrained layer) viskózních kapek.
Separátor kapek se používá pro kapky s nízkou viskozitou. Sekundární separátor kapek může být lamelový
(setrvačnostní) separátor nebo mlhový filtr.
Použití
HEAF se obvykle používají pro odstraňování aerosolů např. olejů, plastifikátorů a kondenzovatelných VOC.
Limity a omezení použití:
typický průtok odpadních plynů [Nm3/h]
tlak
1
limity / omezení
do 25000 1
atmosférický 1
[cww/tm/70]
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
Nevýhody
•
kontinuální proces
vhodný pro vysoce viskózní kapky
vysoká tlaková ztráta
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
parametr
kapky
aerosoly
1
účinnost [%]
99 1
99 1
poznámky
[cww/tm/70]
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný
materiál/energie
materiál filtru
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
množství
poznámky
<0.1 1
81
259
Kapitola 3
1
[cww/tm/70]
Je nutno likvidovat rezidua v naplněných filtračních rolích, které obsahují separované znečišťující látky ve
formě kapek, aerosolů a prachu. Musí být likvidována jako chemický nebo nebezpečný odpad a obvykle se
spalují.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady
[na 1000 Nm3/h]
na pracovní sílu
1
náklady
5700-8000 USD 1
3000 EUR 1
poznámky
asi 2,5 hodiny týdně
[cww/tm/70]
3.5.3.10 Mlhový filtr
Popis
Nejběžnější mlhové filtry (mlhové separátory, odmlžovače) jsou síťovinové polštáře Filtry se síťovinovými
polštáři obvykle obsahují tkaný nebo pletený materiál z kovového nebo syntetického monofilního vlákna
buď v náhodném nebo specifickém uspořádání a jde o filtraci tlustou vrstvou, která probíhá v celé tloušťce
filtru. Tuhé znečišťující látky zůstávají ve filtru dokud není nasycen a vyčištěn proplachováním. Pokud se
mlhový filtr používá k zachycování kapiček a/nebo aerosolů, pak je obvykle samočisticí, proplachovaný
kapalinou. Funkci těchto filtrů obvykle ovlivňuje rychlost dopadu částic na jejich povrch. Obvykle se jako
mlhové filtry požívají separátory se zkosenými deflektory.
Rozměry filtru závisí na průtoku plynů, obsahu nečistot na výstupu a zátěži filtru.
Mlhové filtry se konstruují tak, aby odstraňovaly tuhé znečišťující látky s určitými rozměry. Důležité je
jejich pravidelné praní kvůli možnosti ucpávání vysoce účinných drátěných polštářů. Pokud se praní
zanedbává, může dojít k ztuhnutí znečišťujících látek hluboko v polštářích a další proplachování polštářů je
neúčinné.
Většina mlhových filtrů má přístupové dveře, které umožňují čištění. Zvláštní péče by měla být věnována
zpětné montáži média do komory (pouzdra) a to proto, aby se zajistilo správné usazení a aby mezi médiem a
stěnou komory nebyly mezery. Kvůli vysoké tlakové ztrátě v síťovinové polštáři i malé mezery mohou
způsobovat obtékání odpadního plynu kolem filtračního polštáře.
Použití
Mlhové filtry se používají pro odstraňování mlhových znečišťujících látek, např. kapek a aerosolů. Pokud je
filtrační materiál čištěn přímo v zařízení, pak je možné je použít i na tuhé znečišťující látky rozpustné
v kapalinách. Kvůli ucpávání tyto filtry nejsou moc vhodné pro tuhé znečišťující látky a pro mastné výpary.
Chrání zařízení před pevnými/kapalnými tuhými znečišťujícími látkami a tak předchází opotřebování a tření
ložisek a krytů ventilátorů.
Mlhové filtry s vysokou účinností mohou být použity jako primární čistící zařízení. S ohledem na jejich
účinnost jsou stále schůdnější možností díky úspoře vody a ekonomice v mnoha procesech, při kterých
vznikají mlhy, např. výroba kyseliny sírové, sloučenin niklu, hydroxidu sodného, kyseliny dusičné a
sloučenin chrómu. Zkoušky vícestupňových mlhových filtrů snižujících emise mlh proběhly s dobrými
výsledky. Důvodem pro použití tohoto druhu filtrů je zachycení většiny tuhých znečišťujících látek na
prvním stupni, což chrání následné stupně, které jsou konstruovány k zachycení menších částic tuhých
znečišťujících látek. K tomu je dobrá tří až čtyř stupňová jednotka, která používá monofilní vlákno a
260
Kapitola 3
konfiguraci pórů jejichž průměr se od prvních stupňů postupně snižuje stupeň po stupni. Každý stupeň je
proplachován čerstvou vodou. Měly by se používat oddělené jímací komory každého stupně, zabraňující
průtoku nejkoncentrovanějších pracích vod do následných stupňů.
Jako sekundární zařízení se mlhové filtry široce používají v koncovém stupni mokrých praček, aby zabránily
strženému pracímu roztoku dostat se do čistého plynu, vypouštěného do ovzduší. Mlhový filtr je umístěn
v horní části kolony, kde zachycuje kapky, které se spojují a padají zpět do kolony. Konstrukce mlhového
filtru je velmi důležitá pokud má být dosaženo nízkých koncentrací znečišťujících látek (vysokých účinností
čištění) a pokud je potřebné snížit ztráty rozpouštědel v absorbérech, pračkách nebo destilačních zařízeních.
Limity a omezení použití [cww/tm/70]:
typický průtok odpadních plynů
[Nm3/h]
teplota [°C]
obsah prachu [mg/Nm3]
aerosoly
1
limity / omezení
do 150000 1
<170 1
<1 1
několik g/Nm3 1
[cww/tm/70]
Výhody a nevýhody
Výhody
•
•
Nevýhody
samočisticí systémy pro jímání kapalin
vhodné pro filtraci kapalinových aerosolů,
také jako primární zařízení
•
•
•
při čištění filtru vzniká kontaminovaná prací
kapalina
vysoká tlaková ztráta v případě tuhých
znečišťujících látek
riziko ucpávání
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnosti
parametr
prach
aerosoly
1
účinnost [%]
99 1
99 1
poznámky
[cww/tm/70]
Menší monofilní vlákna a užší póry v síťovinových polštářích zvyšují účinnost odstraňování menších částic
tuhých znečišťujících látek (1-3 µm), ale nadruhé straně jsou náchylnější k ucpávání a vyžadují větší péči a
údržbu. Nejúčinnější polštář má průměr vláken a pórů dostatečný pro minimalizaci ucpávání a funkční
kapacitu odvádění zachycené/proplachovací kapaliny. Toto uspořádání síťoviny obvykle vyhovuje pro
částice tuhých znečišťujících látek o průměru 5-10 µm.
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný
materiál/energie
materiál filtru
prací kapalina
energie [kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta [kPa]
1
množství
poznámky
pro čištění
2,5 1
9,0 1
normální
vysoké zatížení
[cww/tm/70]
261
Kapitola 3
Je nutno likvidovat zbytkové látky v prací kapalině, které obsahují odfiltrovaný prach a zatížený materiál
filtru. Prací kapalina musí být buď čištěna jako odpadní voda nebo likvidována jako odpad, např.
spalováním. Je-li mlhový filtr instalován po mokré pračce, je prací kapalina obvykle recirkulována do
pračky.
Monitorování
Tlaková ztráta vyžaduje monitorování v každém jednotlivém stupni vhodným měřením
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady
[na 1000 Nm3/h]
roční náklady na pracovní sílu
spotřebovávaný materiál
[na 1000 Nm3/h]
a
1
náklady
2300 EUR 1
a1
2500 EUR 1
250-600 EUR
poznámky
pro menší systémy do 2000
3
Nm /h
asi 2 hodiny týdně
celkové roční provozní náklady jsou [EUR] 2500 + 450 x průtok/1000
[cww/tm/70]
3.5.4 Techniky rekuperace a snižování obsahu plynných znečišťujících látek ve
kouřových plynech
Znečišťující látky v kouřových plynech z vysokoteplotních procesů (např. termální a katalytická oxidace) a
chemických procesů jsou tuhé znečišťující látky a plyny, např. oxid siřičitý, NOx, halogenvodíky a za
určitých podmínek dioxiny. Obsah tuhých znečišťujících látek a NOx v kouřových plynech se snižuje (viz.
Sekce 3.5.3 pro tuhé znečišťující látky a Sekce 3.5.4.2 pro NOx). Je však možné rekuperovat chlorovodík i
oxid siřičitý. Čištění chlorovodíku i oxidu siřičitého obvykle probíhá dvoustupňově:
•
•
mokré praní vodou (viz. Sekce 3.5.1.4), při kterém vzniká koncentrovaná kyselina chlorovodíková
různé odsiřovací procesy (viz. Sekce 3.5.1.4 a 3.5.4.1) vedoucí k výrobě sádry nebo kyseliny sírové.
V následujících kapitolách jsou popsány obvyklé techniky čištění kouřových plynů v chemickém odvětví,
které doplňují mokré praní plynů (Sekce 3.5.1.4 a 3.5.3.4).
3.5.4.1 Vstřikování sorbentu jako techniky FGD 3 (odsiřování kouřových plynů)
Popis
Princip reakce odsiřování kouřových plynů vstřikováním sorbentu je zavedení a dobré rozptýlení reaktivní
látky do proudu odpadních plynů. Látka reaguje s SOx a tvoří pevné látky, které musí být dále z proudu
odpadního plynu odstraněny. Nejpoužívanější sorbenty jsou:
•
•
•
vápno
hydrouhličitan sodný (bikarbonát sodný)
uhličitan sodný (soda).
Volba sorbentu závisí na jeho dostupnosti. Ve většině případů jde o přirozeně se vyskytující látku, např.
vápenec, dolomit nebo hydratované sloučeniny, odvozené od uvedených surovin.
3
Flue Gas Desulphurisation (odsiřování kouřových plynů)
262
Kapitola 3
Tyto sorbenty jsou účinné i v případě odstraňování dalších kyselých plynů, zvláště chlorovodíku a
fluorovodíku. Pro rekuperaci těchto kyselých plynů je třeba předčistit odpadní plyn (mokré praní, viz.Sekce
3.5.1.4).
Technik vstřikování sorbentu jsou tři typy:
•
•
•
vstřikování suchého sorbentu
vstřikování polosuchého (nebo polomokrého) sorbentu
vstřikování mokrého vápenného mléka.
Při vstřikování suchého sorbentu je jemný práškový sorbent vstřikován buď do proudu kouřových plynů
nebo přidáván do reakční věže, což je účinnější metoda. Vstřikování sorbentu do proudu plnu je možné
provádět v různých pozicích, v závislosti na teplotě a podmínkách, při kterých je nejreaktivnější. To je
zobrazeno na Obrázku 3.85 [cww/tm/79].
Obrázek 3.85: Vstřikování suchého sorbentu pro odstranění oxidu siřičitého (pozice vstřikování)
Běžné pozice vstřikování a vhodné sorbenty jsou [cww/tm/79]:
•
•
•
•
vstřikování vápence do topeniště při teplotách mezi 1100 a 1250 °C
vstřikování hašeného vápna do tepelného výměníku při teplotách kolem 550 °C
vstřikování hašeného vápna za topeništěm při poměrně vysoké vlhkosti a teplotách o 5-15 °C
vyšších než nasycená teplota kouřového plynu
vstřikování sodných sloučenin např. hydrouhličitanu sodného za topeništěm, mezi tepelným
výměníkem a zařízením snižujícím obsah tuhých znečišťujících látek, v teplotním rozmezí 130-180
°C nebo, umožní-li to filtrační médium, až při 400 °C.
Při vstřikování polosuchého sorbentu se sorbent přidává ve formě suspenze nebo roztoku (kapek) do
reakční komory tak, že se kapalina v průběhu reakce stále odpařuje. Výsledkem je suchý produkt, který se
hromadí u dna komory nebo v zařízení snižujícím obsah tuhých znečišťujících látek. Tato technika je
vyobrazena na Obrázku 3.86 [cww/tm/79] s použitím tkaninového filtru (pro odstraňování tuhých
znečišťujících látek), který může být nahrazen ESP.
Polosuchý systém se skládá z:
263
Kapitola 3
•
•
•
•
rozprašovacího sušiče, tj. atomizéru a reakční komory (věže nebo potrubí se souproudým tokem
kapiček i kouřového plynu)
příslušného zařízení na přípravu sorbentu (vápenná kaše nebo roztoky (hydro)uhličitanu sodného)
zařízení zachycujícího tuhé znečišťující látky
zařízení recyklujícího tuhé znečišťující látky.
Obrázek 3.86: Rozprašovací nebo polosuchý systém odsiřování kouřových plynů
Při vstřikování mokrého sorbentu se SO2 odstraňuje z kouřových plynů v odsiřovacím absorbéru přímým
kontaktem s vodní suspenzí jemně mletého vápence (vápenné mléko) poté, co kouřové plyny opustily
zařízení snižující obsah tuhých znečišťujících látek a prošly tepelným výměníkem. Vypraný kouřový plyn
prochází odmlžovačem a je vypouštěn do ovzduší komínem nebo chladící věží. Reakční produkty se po
odtažení z absorbéru odvodňují a dále zpracovávají.
Proces je rozdělen na:
• absorpci SO2 prací kapalinou při pH 4-5,5 jejímž hlavním produktem je hydrosiřičitan vápenatý
[Ca(HSO3)2]
• oxidaci siřičitanu na síran
• krystalizaci vzniklého sádrovce (CaSO4 . 2H2O)
• separaci krystalů sádrovce z roztoku.
Technika je na Obrázku 3.87.
264
Kapitola 3
Obrázek 3.87: Mokrý systém odsiřování kouřových plynů: pračka s vápenným mlékem
Pevná fáze pracího cyklu je v principu sádrovcem s koncentrací 100-120 g/l. Moderní spalovací jednotky
zpracovávají dosti bohatou směs přičemž obsah kyslíku v kouřových plynech často nedostačuje pro úplnou
oxidaci siřičitanu a do jímky pračky je nutno dmýchat vzduch. Aby se zabránilo zanášení odtahu čistého
plynu jsou odsiřovací jednotky obvykle vybaveny odmlžovači.
Úroveň odsíření je určena poměrem kapaliny a plynu (L/G). Příčná turbulence mezi kapalinou a plynem
může být zvýšena vysokou rychlostí proudu plynu, čímž se zlepší přenos hmoty a následně i odsíření.
Souproudé jednotky na druhé straně charakterizuje kratší doba zdržení způsobená vysokými rychlostmi
plynu a tím i nižší úroveň odsíření.
Pro snížení koncentrace chloridu v prací kapalině pod 30 g/l se část kapaliny z procesu odděluje a odstraňují
se z ní těžké kovy a CHSK. Objem odtažené kapaliny se nahrazuje přidáním vápenného mléka.
Vyčištěné kouřové plyny opouští odsiřovací jednotku kouřových plynů více či méně nasycené. Aby se
zajistila vyšší teplota, než je teplota rosného bodu, je vyžadováno zařazení dohřívacího stupně (obvykle
rekuperačního plynového předehřívače) a dostatečný tah komína nebo chladící věže.
Vhodné techniky snižování obsahu suchých tuhých znečišťujících látek jak ze suchých, tak z polosuchých
systémů jsou ESP a tkaninové filtry. Při použití tkaninových filtrů musí být kouřový plyn obvykle ochlazen
buď tepelným výměníkem nebo chladícím vzduchem, aby se teplota udržela pod 200 °C (neplatí pro tkaniny
vhodné i pro vyšší teploty, např. keramické nebo kovové pletivo /síto).
Teplota, při níž se dosahuje nejvyšší účinnosti snižování obsahu znečišťujících látek se liší případ od případu
podle jednotlivých složek. Znečišťující látky v odpadních plynech mají navíc různou reaktivitu s rozličnými
sorbenty a mezi různými druhy dochází ke konkurenčním reakcím, zvláště pokud je poměr činidla a
kyselých plynů relativně nízký. Rozdílné absorpční rychlosti tedy závisí na specifickém množství
absorpčního činidla, složení odpadních plynů (znečišťujících látkách, vlhkosti, obsahu kyslíku) a reakční
teplotě. Rychlost absorpce, díky podstatě reakce plynu s pevnou látkou, velmi závisí na specifické aktivní
ploše povrchu absorbentu a době zdržení. Je proto obvykle nutné mít nad-stechiometrický podíl absorbentu.
Míry snížení obsahu např. HCl a SO2 velmi klesají s klesající teplotou a dosahují minima v rozsahu teplot
200 až 280 °C. Při teplotách pod 200 °C rychlosti snižování obsahu znečišťujících látek rostou a pro většinu
znečišťujících látek lze dosáhnout dobrých výsledků.
265
Kapitola 3
Použití
Vstřikování suchých a polosuchých sorbentů se běžně používá pro snížení emisí kyselých plynů. Suchá
varianta je vhodná i pro menší instalace nebo modernizační aplikace, kde mohou být investice do jiných
systémů velmi vysoké. Pro snížení emisí ostatních znečišťujících látek je možné do suchého sorbentu přidat
granulované aktivní uhlí (GAC).
Limity a omezení použití:
typický průtok odpadních
plynů [Nm3/h]
koncentrace SOx
koncentrace halogenvodíků
1
limity / omezení
10000-300000 (suchý sorbent)
až do 1000000 1 (polosuchý sorbent)
50-500000 1 (mokrý sorbent)
široký rozsah
široký rozsah
[cww/tm/70]
Výhody a nevýhody
Výhody
Nevýhody
Suchý sorbent
• nevyžaduje žádná zvláštní zařízení, poněvadž je
obvykle instalován systém odstranění prachu
• vysoká účinnost v případě instalace dobře
konstruované reakční komory nebo věže
• nízké investice v porovnání s ostatními systémy
Polosuchý sorbent
• poměrně jednoduchá montáž
• levnější než mokré praní
• bez odpadních vod
Suchý sorbent
• přidaný sorbent může při interakci
s popílkem způsobovat zanášení
povrchu tepelného výměníku
• vysoký přebytek sorbentu, který je nutno
likvidovat
Polosuchý sorbent
• malá výkonnost separace v reakční
komoře
• vlhkost může být rušivá v případě, že se
pro následné snížení obsahu tuhých
znečišťujících látek používá látkový filtr
Mokrý sorbent
• velmi vysoká účinnost
• kompaktní zařízení
• provoz při poměrně vysokých teplotách (50-80
°C)
• nepřímé monitorování stechiometrickým
dávkováním chemikálií (při regulaci pH)
• znovu využitelný produkt při použití vápna
(sádrovec)
Mokrý sorbent
• nárůst odpadní vody
• vysoká spotřeba vody v porovnání
s variantou suchou i polosuchou
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
Jak bylo zmíněno, závisí dosahované snížení obsahu znečišťujících látek na různých faktorech, včetně
teploty odpadního plynu, molárního poměru sorbentu a znečišťující látky a na disperzi sorbentu. Různé
účinnosti v různých podmínkách uvádí tabulky 3.19 až 3.22.
účinnost [%]
znečišťující látka
SO2
SO3
HCl
HF
ESP
kolem 400 °C
50
80
70
95
Zdroj: VDI Guidelines 2578, Nov. 1997
266
200-280 °C
10
90
35
95
pytlový filtr
130-240 °C
10
95
80
95
Kapitola 3
Tabulka 3.19: Třídy výkonnosti suché sorpce pro vápno při různých teplotách a systémech snížení
obsahu TZL (prachu)
molární poměr
Ca/S
1
2
3
míra snížení obsahu SOx [%]
130-140 °C
170-180 °C
30
22
50
40
70
55
Zdroj: Les techniques de désulfuration des procédés industriels, ADEME 1999
Tabulka 3.20: Míry snížení obsahu SOx suchou sorpcí vápnem při různých teplotách a molárních
poměrech Ca/S
molární poměr
Ca/S
1
1,5
2
míra snížení obsahu SOx
[%]
80
90
92
Zdroj: Les techniques de désulfuration des procédés industriels, ADEME 1999
Tabulka 3.21: Míry snížení obsahu SOx polosuchou sorpcí na vápno při různých molárních poměrech
Ca/S
znečišťující látka
míra snížení obsahu [%]
a
suchá sorpce
polosuchá sorpce
<50
90-95
90
50-75
>90
10-40
>85
SO2
SO3
HCl
HF
a
teplotní rozsah 300-400 °C
Tabulka 3.22: Míry snížení obsahu suché a polosuché sorpce na uhličitan sodný
Za normálních podmínek jsou dosažitelné úrovně emisí / výkonnost následující:
znečišťující
látka
SOx
HCl
HF
suchá sorpce
a
třída
úroveň emisí
3
výkonnost
[mg/Nm ]
[%]
40-80 1 b
<40
<10 2
<1 2
polosuchá sorpce
účinnost [%] úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
80->90 1,2
>99 1
<40
<10 2
<1 2
mokrá sorpce
účinnost [%] úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
90-97 c
<40 2
<10 2
<1 2
a
dosažitelné úrovně emisí; suchá sorpce se však obvykle pro tak nízké koncentrace nepoužívá; přednost může být dána
mokrému praní nebo sorpci
b
1
požití tkaninových filtrů může zvýšit účinnost odstranění asi o 10%
c
3
3
3
závisí na poměru L/G (90 % při 8 l/Nm , 95 % při 14 l/Nm , 97 % při 20 l/Nm )
1
[cww/tm/79]
2
[cww/tm/70]
Bylo sděleno, že použití uhličitanu i hydrouhličitanu sodného při polosuchých procesech má vliv na emise
NOx a optimální rozsah teploty pro hydrouhličitan sodný je 120 až 160 °C. Účinnost závisí na poměru
SO2/NOx. Míra snížení se zlepšuje vysokým poměrem a středně vysokými teplotami [BREF sklářského
průmyslu, 2000].
Vlivy do více prostředí
spotřebovávaný
materiál/energie
sorbent a
[Ca/S molární poměr]
suchá sorpce
3 a více (pro vápno)
množství
polosuchá sorpce
1,5-3 (pro vápno)
mokrá sorpce
<1,1 1
267
Kapitola 3
voda b
[l/Nm3]
energie
[kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta
[kPa]
-
0,027-0,04 2
závisí na systému
odstraňování prachu
závisí na systému
odstraňování prachu
13
8-20 c
2,5 3
a
hydrouhličitan sodný vyžaduje mnohem nižší přebytek
poměr L/G
c
3
3
3
8 l/Nm odpovídá 90 %, 14 l/Nm odpovídá 95 % a 20 l/Nm odpovídá 97% odsíření
1
[cww/tm/132]
2
[cww/tm/79]
3
[cww/tm/70]
b
V případě suché a polosuché sorpce je separovaný zbytek tvořen směsí původního sorbentu a reakčních
produktů, která by měla být likvidována v případě, že není možné ji rekuperovat nebo recyklovat. Obsahuje
všechny znečišťující látky, které nebyly při spalovacím procesu rozloženy, např. sloučeniny těžkých kovů
a/nebo dioxiny, podle toho, jaký je jejich obsah na vstupu do spalovacího zařízení. Někdy se prach částečně
recykluje.
Při mokré sorpci má zbytkový sádrovec vysokou čistotu (>99 % CaSO4 v sušině) [cww/tm/132] a může být
použit kdekoli.
Monitorování
[cww/tm/79]
Výkonnost systému vstřikování suchého a polosuchého sorbentu se ověřuje stanovením koncentrace
kyselého plynu a účinností snížení obsahu tuhých znečišťujících látek.
Teplota a tlaková ztráta (a poměr průtoku kapaliny/plynů při polosuché variantě) se ve (pytlovém) filtru
monitoruje pravidelně. Při použití ESP se monitorují elektrický proud a síla pole proto, aby se včas zjistila
každá porucha zařízení snižujícího obsah tuhých znečišťujících látek.
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady [na 1000 Nm3/h]
roční provozní náklady [na 1000 Nm3/h]
roční náklady na pracovní sílu
roční náklady na utility
suchá sorpce
náklady
polosuchá sorpce
a1
2500 1 b
150 EUR + sorbent 1
11000 EUR 1 c
d1
20000 EUR 1 e
250 EUR + sorbent 1
mokrá sorpce
a
celkové roční provozní náklady činí [EUR] 2500 + 300 x průtok/1000 + sorbent
asi 2 hodiny týdně
c
3
při 100000 Nm /h
d
celkové roční provozní náklady činí [EUR] 20000 + 400 x průtok/1000 + sorbent
e
asi 1 hodina týdně
1
[cww/tm/70]
b
3.5.4.2 Selektivní redukce NOx (SNCR a SCR)4
Popis
Součástí selektivní redukce NOx je vstřikování NH2-X sloučenin (s X = H, CN nebo CONH2) do toku plynů,
které redukují oxidy dusíku na dusík a vodu. Nejběžnějším redukčním činidlem je 25 % vodný roztok
amoniaku nebo čistý amoniak. Další reakční činidla jsou močovinové roztoky, dusíkaté vápno nebo
kyanamid.
4
Selective Non-catalytic Reduction a Selective Catalytic Reduction (selektivní nekatalytická redukce a selektivní katalytická
redukce)
268
Kapitola 3
Varianty redukce NOx jsou:
•
•
selektivní nekatalytická redukce (SNCR)
selektivní katalytická redukce (SCR).
Při SNCR se činidlo vstřikuje do oblasti, kde teplota kouřových plynů dosahuje 930 až 980 °C, kdežto
močovina se vstřikuje do oblasti s teplotou plynů mezi 950 až 1050 °C. Vstřikování se provádí po spalování
a před dalším čištěním. Hlavní parametry optimální účinnosti redukce jsou teplota, molární poměr NH3/NOx
a doba zdržení. Teploty, které jsou nižší, než bylo uvedeno výše, způsobují uvolňování nezreagovaného
amoniaku (ztrátu amoniaku); při teplotách, které značně převyšují uvedené hodnoty, amoniak oxiduje na
NOx. SNCR probíhá při molárním poměru NH3/NOx v rozsahu 0,5-0,9. Při vyšších poměrech (>1,2) může
také docházet k úniku amoniaku při vytváření aerosolů chloridu a síranu amonného, které prochází filtrem a
způsobují viditelné bílé vlečky kouře nad komínem. Doba zdržení a kvalita promíchání určují účinnost
reakce. Příliš krátká doba zdržení způsobí únik amoniaku.
Při SCR prochází plyny i vstřikované činidlo přes katalyzátor při teplotách mezi 200 – 500 °C, podle druhu
katalyzátoru. Životně důležitá je optimální směs, tj. molární poměr NH3/NOx, nad katalyzátorem. Molární
poměr se obvykle udržuje pod 1,1 aby se zabránilo případnému úniku amoniaku.
Podstatně nižší teploty ve rovnání s SNCR, umožňuje instalovat SCR po ostatních čistících zařízeních, jako
např. odstraňování prachu nebo odsiřování kouřových plynů. Při tomto „studeném“ Denox procesu se
přidává po odsiřování směs vzduchu (pro úpravu optimálního obsahu kyslíku) a amoniaku. Odsířené plyny
musí být znovu ohřáté na potřebnou reakční teplotu. Výhodou této procedury je, že protože nedochází
k adsorpci do prachu, vylučuje to možnost úniku amoniaku.
Zařízení SNCR a SCR sestává z:
•
•
•
•
•
skladovací nádrže vodného amoniaku (nebo jiných činidel)
odpařovače (zplynovače)
dodávky nosného plynu (páry nebo stlačeného vzduchu)
vstřikovacích trysek injektoru
lože katalyzátoru (u SCR).
Hlavní složky katalyzátorů jsou oxid titaničitý s vanadem, wolfram a sloučeniny molybdenu.
Existují i další techniky čištění oxidu siřičitého a NOx, které jsou buď po sobě následnými nebo souběžnými
operacemi, jako např. [cww/tm/50]:
•
•
Desonox proces, při němž se kouřový plyn, zbavený prachu míchá s amoniakem a prochází při 450
°C přes katalyzátor redukující NOx a následně přes katalyzátor přeměňující SO2 na SO3, čímž
dochází ke vzniku kyseliny sírové.
absorpce NO (90 % NOx v kouřových plynech tvoří NO) a SO2 cheláty (k navázání NO) v roztocích
bikarbonátu sodného a redox reakce komplexu oxidů dusíku se siřičitanem vedoucí ke vzniku
plynného dusíku.
Použití
SNCR i SCR se používají pro snížení obsahu oxidů dusíku pocházejících z procesů např. chemické výroby,
spalování nebo provozních topenišť. SCR umožňuje uspořádání s velkým/malým obsahem prachu a se
zbytkovým plynem
269
Kapitola 3
Limity a omezení použití:
limity / omezení
SNCR
>10000
v rozsahu g/Nm3 1
800-1100 (závisí na činidle)
atmosférický 1
1-2
<1,2
typický průtok plynů [Nm3/h]
koncentrace NOx
teplota [°C]
tlak
doba zdržení [s]
molární poměr NH3/NOx
1
SCR
do 1000000 1
v rozsahu g/Nm3 1
200-500 (závisí na katalyzátoru)
atmosférický 1
<1,1
[cww/tm/70]
Výhody a nevýhody
Výhody
Nevýhody
Obecně
•
Obecně
•
SNCR i SCR jsou obecně ověřené techniky
SNCR
•
•
•
•
při používání systémů s kapalným
amoniakem je nejdůležitější bezpečnost
SNCR
•
•
•
při správných podmínkách dosahuje dobré
redukce NOx
poměrně snadná montáž ačkoli vhodné
umístění injektorů vyžaduje dobré knowhow
ve srovnání s ostatními alternativami nízké
investiční náklady
nízká spotřeba energie
SCR
vysoké teploty
popílek obsahuje amoniak
mimo rozsah provozních podmínek (teploty,
poměru NH3/NOx, doby zdržení) dochází
k úniku amoniaku nebo zvýšeným emisím
NOx
SCR
•
•
•
•
•
velmi vysoká účinnost redukce NOx, vyšší
než u SNCR, a nižší emise NOx
redukuje NOx ze všech zdrojů, nejen
kouřových plynů
nízká teplota a tím nižší spotřeba energie
pro ohřev
díky nižšímu obsahu prachu nižší únik
amoniaku s popílkem než u SNCR
•
•
•
mimo rozsah provozních podmínek (teploty,
poměru NH3/NOx, doby zdržení) dochází
k úniku amoniaku, nižší účinnost rozkladu
NOx
je třeba zvažovat tlakovou ztrátu
vysoké prostorové nároky
poměrně vysoké investiční náklady ve
srovnání se SNCR
Dosažitelné úrovně emisí / výkonnost
SNCR
parametr
NOx (plynové
kotle/ohřívače)
NOx (kotle/ohřívače na
kapalné palivo)
NOx (z výroby kyseliny
dusičné)
NH3
270
SCR
účinnost
[%]
40-70
úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
150-200
účinnost
[%]
90-94
úroveň emisí
3
[mg/Nm ]
<20
40-70
150-300
90-94
55-150
-
-
80-97 1
74-100 3
<5 2
<5 2
Kapitola 3
1
nižší hodnota sdělená z Holandska, vyšší hodnota [cww/tm/137]
měření v Rakousku; hodnota pro nové katalyzátory, ale zvyšování emisí NH3 během stárnutí katalyzátoru
3
nižší hodnota hlášená z Holandska, vyšší hodnota [cww/tm/157 a]
2
Vlivy do více prostředí
Spotřebovávají se:
spotřebovávaný materiál
amoniak
[kg/t NOx odstraněného]
pára pro odpařování amoniaku
(z vodných roztoků)
energie
[kWh/1000 Nm3]
tlaková ztráta
[kPa]
1
2
množství
SNCR
570 1
SCR
370-450 1,2
-
0,1-1 1
[cww/tm/70]
nižší hodnota hlášená z Itálie
Životnost katalyzátoru se při obvyklých podmínkách pohybuje mezi 5-10 lety, nebo >10 let při čištění
čistých odpadních plynů, např. odpadního plynu z výroby kyseliny dusičné. Po uplynutí této doby
katalyzátor není možné regenerovat, ale výrobce jej obvykle recykluje.
Monitorování
Výkonnost systémů SNCR / SCR je možné monitorovat analýzou obsahu oxidů dusíku před a po čištění a
obsahu dusíku a kyslíku ve vypouštěném odpadním toku plynů.
Pravidelně se monitoruje teplota a tlaková ztráta (při SCR).
Ekonomika
typ nákladů
investiční náklady
[na 1000 Nm3/h]
provozní náklady
[na tunu odstraněných NOx]
1
2
náklady
SNCR
2300-3900 EUR 1
SCR
7500-32000 EUR 1
700-1200 EUR
500-5000 EUR 1,2
[cww/tm/70]
[komentář]
Parametrem nákladové efektivnosti je v případě SNCR spotřeba amoniaku nebo močoviny; v případě SCR to
je spotřeba katalyzátoru. Dodatečná montáž SNCR je poměrně snadná, protože není nutné instalovat nic
jiného, než součásti vstřikování a skladovací nádrž činidla. Dodatečná montáž SCR může znamenat radikální
úpravu stávajícího zařízení a je proto investičně nákladnější.
271