TECHNOLOGIE ÚPRAVY A ČIŠTĚNÍ VOD
zdroj: ÚH AV ČR
Řešitel: doc. RNDr. Martin Pivokonský, Ph.D.
Zúčastněná pracoviště: UH, UCHP, UIACH, UT
Vzhledem ke klimatickým změnám, znečišťování životního prostředí a zároveň rychle rostoucí lidské populaci je kladen stále silnější tlak na získání kvalitní pitné vody i ze zdrojů, jejichž kvalita je problematická. Složení surové vody, ze které je pitná voda získávána, se v současné době výrazně mění a vyrobit kvalitní pitnou vodu je stále složitější. Problémy způsobuje především masivní rozvoj vodního květu, který se vyskytuje po stále delší část roku, a to i na místech, která doposud vodnímu květu odolávala. Nadměrný výskyt skupin mikroorganismů tvořících vodní květ (sinice a řasy) způsobuje sekundární znečištění vody organickými látkami – označovanými jako AOM (algal organic matter), které následně zatěžují technologie pro úpravu vody. Vedle AOM způsobují nemalé problémy úpravnám vody také antropogenní mikropolutanty – pesticidy, léčiva, prostředky osobní péče, perfluorované sloučeniny atd. Z uvedených důvodů je zapotřebí optimalizovat stávající a vyvíjet nové technologie, a to jak na úpravnách, tak i na čistírnách odpadních vod, které pro řadu uvedených mikropolutantů představují vstup do vodních ekosystémů. Tato snaha na vědeckém poli však musí být provázena i snahou aplikační, která se neobejde bez úzké a intenzivní spolupráce mezi výzkumnými pracovišti na jedné straně a úpravnami a čistírnami vody na straně druhé tak, aby byl možný rychlý přenos nejnovějších odborných poznatků do vodohospodářské praxe.
Mikroplasty a jejich odstraňování během úpravy pitné vody (populárně naučné přiblížení tématiky)
Odstraňování manganu při úpravě pitné vody adsorbentem na bázi TiO2 (populárně naučné přiblížení tématiky)
Aktivity tématu Technologie úpravy a čištění vod
» Autonomní systém řízení úpravy vody
Aktivita je řešena v podobě dvou souběžných pracovních balíčků – experimentálního a matematického. V rámci experimentálního balíčku bude zvolen jeden konkrétní technologický uzel experimentální úpravny vody, na kterém budou v průběhu roku sbírána data o intenzitě produkce, vlastnostech vstupní vody, účinnosti předchozích výrobních stupňů, kvalitě vyrobené vody a technologických parametrech uzlu. V matematickém balíčku se počítá s vytvořením hybridního systému kombinujícího neuronové sítě a semi-empirický model sledovaného uzlu. Spojením prvku umělé inteligence s fyzikálně podloženým modelem procesu vznikne tzv. „physics-informed neural network“. Ta má potenciál i na relativně malém vzorku trénovacích dat z podchytit klíčové aspekty procesu a poskytovat tak relevantní predikce budoucího vývoje systému. Aktivita má značný aplikační potenciál.
» Modelování růstu vloček při úpravě vody
Koagulace a flokulace jsou klíčové procesy při úpravě pitné vody. Nežádoucí látky – koloidní částice, organické látky, řasy, bakterie a produkty jejich metabolismu – jsou fyzikálně‐chemickými procesy shlukovány do makroskopických útvarů – vloček. Ty jsou následně odstraňovány filtrací, usazováním, či flotací. Pro stanovení optimálních podmínek flokulace v úpravně jsou běžně využívány tzv. sklenicové zkoušky, kdy se v dobře míchané nádobě sledují vlastnosti vloček v závislosti na dávkách chemikálií a intenzitě míchání. Hydrodynamické podmínky úpravny se však od homogenních podmínek sklenicových zkoušek značně liší jak v řádové změně měřítka, tak i nerovnoměrném rozložení sil, chemikálií a zárodečných vloček v objemu nádrže. Není tak jasné, zda podmínky určené jako optimální v laboratorních experimentech zůstávají optimálními i pro skutečnou úpravu vody.
Cíle aktivity jsou dvojí: (i) kombinací laboratorních a poloprovozních experimentů s metodami výpočetní mechaniky tekutin (CFD) sestavit fyzikálně smysluplný a spolehlivý model růstu vloček v průtočném míchaném flokulačním reaktoru; (ii) vybudovat spolehlivou metodiku přenosu výsledků laboratorních experimentů do měřítka reálné úpravny pitné vody. Plánované laboratorní experimenty sledují vliv chemických a hydrodynamických podmínek – pH, koncentrace činidel, intenzity a doby působení gradientu rychlosti ‐ na tvar, velikost a rychlost růstu vloček. Výsledky těchto experimentů povedou k formulaci populačně‐bilančního modelu (PBM) flokulace. Účelem poloprovozních experimentů a CFD simulací je analýza hydrodynamických podmínek – proudových polí, rozložení koncentrací a gradientů rychlosti, trajektorií rostoucích vloček ‐ v průtočné nádobě. Kombinací PBM a CFD simulace bude následně vytvořen model flokulace v podmínkách průtočné poloprovozní flokulace.
» Antimon ve srážkové vodě z komunikací
Aktivita se zabývá sledováním výskytu a chemických forem (specií) antimonu ve srážkové vodě z komunikací, zachycených v retenčních nádržích. Cílem aktivity je získat informaci o koncentracích a proměnách specií Sb v retenčních nádržích pro posouzení, do jaké míry tyto nádrže a splachy z komunikací obecně představují riziko kontaminace přírodních. Součástí aktivity je validace analytické metody pro stopová speciační stanovení Sb a identifikace vhodných lokalit a protokolu pro testování.
» Speciace arsenu a germania ve vodárenských nádržích
Aktivita se zabývá sledováním chemických forem (specií) arsenu a germania ve stopových koncentracích ve vodárenských nádržích v průběhu roku. Unikátní analytické postupy vyvinuté nedávno na UIACH umožňují simultánní stanovení specií As na úrovni µg-ng/L zároveň se sub-ng/L koncentracemi specií Ge. Cílem aktivity je získat informaci o koncentracích specií As a Ge ve vodárenských nádržích, jejich vzájemných přeměnách a ročním cyklu ve vztahu ke geologicko-biologickým poměrům ve vodním ekosystému. Takováto data nejsou v současnosti dostupná, jsou však potřebná, zejména s ohledem na zvyšující se uvolňování těchto prvků a jejich specií do životního prostředí v důsledku lidské činnosti a využívání moderních technologií.
» Monitoring vedlejších produktů desinfekce a studium jejich tvorby
Cílem aktivity je zhodnotit potenciál organických látek produkovaných fytoplanktonem pro tvorbu vedlejších produktů desinfekce (tzv. DBP – disinfection by-products), objasnit mechanismus a minimalizovat jejich vznik. V první fázi jsou vyvíjeny metody na stanovení DBP, konkrétně trihalometanů a halogenderivátů kyseliny octové (THM – trihalomethanes a HAA – haloacetic acids) pomocí plynové a kapalinové chromatografie s hmotnostní detekcí (GC-MS a LC-MS). V laboratorním měřítku jede studován potenciál tvorby DBP především na modelové vodě s obsahem organických látek extrahovaných z různých druhů fytoplanktonu a to v jednotlivých krocích úpravy (pre-oxidace, koagulace, post-oxidace, adsorpce na aktivním uhlí, desinfekce). Ve druhé fázi pak budou odebírány vzorky vody na vodárnách a to rovněž v různých stupních úpravy. Oproti jiným studiím tak získáme reálný odhad vzniku halogenovaných látek v procesu úpravy pitné vody, kdy je v ideálním případě většina jejich prekurzorů odstraňována již během procesu. Cílem je rozklíčovat vliv aplikovaných konvenčních i pokročilých technologií a definovat optimální postup úpravy vody při současné minimalizaci výskytu DBPs. Hlavním záměrem je postupně zmonitorovat aktuální situaci v rámci ČR, a to pro jednotlivé THM a HAA a nikoliv pouze pro v současné chvíli legislativně sledovaný chloroform a sumu THM, a dát vznik celostátní monitorovací síti vedlejších produktů desinfekce, případně poskytnout návrhy legislativní úpravy Vyhlášky č. 252/2004 Sb. kterou se stanoví hygienické požadavky na pitnou a teplou vodu a četnost a rozsah kontroly pitné vody.
» Odstranitelnost manganu pomocí nově syntetizovaného adsorbentu na bázi oxidu titaničitého
Cílem aktivity je vyvinutí nové metody odstraňování manganu, studie popisující účinnost a princip odstraňování manganu pomocí adsorbentu na bázi TiO2 a návrh jeho reálné aplikace při úpravě pitné vody. Součástí výstupu bude i kompletní charakterizace povrchů nově syntetizovaného TiO2, získány budou zejména následující parametry: velikost BET povrchu, distribuce mesopórů, objem mikro- a mesopórů.
Očekávaným přínosem nové metody odstraňování manganu je snížení ekonomických nákladů na úpravu pitné vody a zachování její vysoké kvality, protože probíhá při hodnotách pH blízkých běžnému procesu úpravy vody. Aktuálně používané metody vyžadují přísnou kontrolu pH, za kterého k odstraňování manganu dochází, což přináší v běžné praxi pro řadu úpraven vody problémy.
» Odstranitelnost mikroplastů konvenční úpravou vody
Cílem téta aktivity je v laboratorním měřítku posoudit účinnost odstraňování mikroplastových částic konvenčním procesem úpravy vody, tedy koagulací a následnou separací sedimentací a filtrací. Zároveň budou objasněny mechanismy odstraňování mikroplastů. Za těmito účely budou provedeny standardní experimentální pokusy. K posouzení účinnosti koagulace bude provedena série sklenicových zkoušek pro zjištění optimálních podmínek odstraňování mikroplastů. Na tyto pokusy pak budou navazovat experimenty, které posoudí separaci vytvořené suspenze sedimentací a filtrací. Dále bude zjišťována účinnost separace mikroplastů pouze prostou filtrací různými materiály (filtrační písek, filtralite). Bez tohoto výzkumu nebude možné proces odstraňování nijak optimalizovat ani vyvíjet technologie nové.
V rámci aktivity vzniká studie, která jako první přináší srovnání dvou různých typů technologie úpravy vody pro odstraňování mikroplastů. Unikátnost studií také spočívá v tom, že popisuje výskyt mikroplastů v reálných podmínkách povodí toků v ČR. Například z povodí řeky Úhlavy jsou porovnávány výsledky a účinnost odstraňování mikroplastů z relativně málo antropogenně ovlivněného horního toku řeky (ÚV Milence) a značně zatíženého dolního toku (ÚV Plzeň). V rámci řešení studie jsou zlepšovány postupy techniku sběru, zpracování, kvantifikace a stanovení jednotlivých typů mikroplastů ve vodných vzorcích.
» Optimalizace provozních podmínek úpravy vody pro jednostupňovou a dvoustupňovou separaci suspenze
Poloprovozní model úpravy vody v Kutné Hoře zdroj: ÚH AV ČR
V rámci aktivity je řešena kompletní optimalizace chemických parametrů koagulace, tedy dávky koagulačního činidla a hodnoty pH, na surové vodě z nádrže Vrchlice,
Sklenicová zkouška (jar test) zdroj: ÚH AV ČR
kterou upravuje úpravna vody U Sv. Trojice v Kutné Hoře. Tyto optimalizace jsou nejprve prováděny klasickým laboratorním postupem pomocí sklenicových optimalizačních testů (jar tests, viz obr.). Zároveň je optimalizován proces míchání s ohledem na separaci v laboratorních podmínkách. Cílem je přenesení výsledků pří do provozu úpravny vody. Jako mezistupeň jsou podmínky míchání testovány na poloprovozních modelech instalovaných v laboratoři ÚH přímo na úpravně vody U Sv. Trojice v Kutné Hoře, kterou provozuje Vodohospodářská společnost Vrchlice-Maleč, a. s. Tyto testy probíhají v průběhu celého roku tak, aby byla zachycena zimní i letní kvalita surové vody, která se zásadním způsobem liší. Výsledná zpráva bude popisovat optimalizaci technologických postupů tvorby a separace suspenze pro jednostupňovou a dvoustupňovou úpravu vody. V rámci aktivity jsou analyzovány postupy i na dalších úpravnách pitné vody (ÚV Myslivny, ÚV Tlumačov), pro které jsou navrhovány optimalizace jejich technologických postupů.
» Vícefázové procesy při zpracování vody
Aktivita se zaměřuje na vícefázové systémy různého typu (kapalina-plyn, kapalina-tuhá fáze, kapalina-plyn-tuhá fáze), které jsou součástí technologií využívaných jak při výrobě pitné vody (úpravny vod), tak při čištění vody odpadních (čistírny vod). Díky své velké složitosti jsou pojímány zejm. empiricky, kdy dlouhodobá osobní zkušenost experta je nezastupitelným nástrojem pro jejich zvládnutí a úspěšné řízení. Cílem je rozklíčovat komplexitu vodařských dějů na jednodušší procesy a ty popsat pokud možno exaktně a vědecky. Pozornost je zaměřena na dvě typické třífázové operace: flotaci a aeraci, které jsou analyzovány na nově vyvíjené flotační koloně, sloužící ke studie mechanismu interakce bublin a částic s ohledem na tvorbu stabilních flotovatelných vloček.
» Optimalizace metody UHPLC-MS/MS pro detekci perfluorovaných látek
Cílem této aktivit je zhodnocení výskytu nových kontaminantů ze skupiny perfluorovaných látek (PFCs – z angl. perfluorinated compounds) ve zdrojích pitných vod a povrchových vodách obecně. Probíha validace metody pro stanovení okolo 30 zástupců těchto látek, které jsou nejčastěji používány v technologických aplikacích a detekovány ve vodních ekosystémech. Pozornost je zaměřena na optimalizaci kvantitativní metody na bázi UHPLC-MS-MS, která bude v rámci AV21 využívána jak pro stanovování PFCs v různých typech vod, tak pro dekontaminační experimenty. Zároveň je pozornost zaměřena na využití metody GC-MS pro těkavější zástupce PFCs, kdy tato metoda nalezne využití v dekontaminačních studiích a umožní sledování i transformačních produktů. Metody budou připraveny pro různé matrice (surová voda, pitná voda, přečištěná voda apod.) a následně se provede monitoring zdrojů pitných vod a rovněž vod upravených, což umožní zhodnocení vlivu úpravárenské technologie na ně.