CZ33388U1 - Terciární filtr pro odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče z odpadní vody - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká oblasti čištění odpadních vod, konkrétně terciárního filtru pro odstraňování farmaceutických látek a/nebo látek osobní péče z odpadní vody, tzv. PPCPs pharmaceuticals and personal care products.

Dosavadní stav techniky

Z hlediska ochrany vodních ekosystémů a zdrojů pitné vody získávají v současné době stále na větším významu látky se specifickým účinkem, které jsou součástí léků, čistících a kosmetických přípravků, dostávající se do vody až po jejich použití. Takové látky jsou obecně označovány PPCPs - Pharmaceuticals and Personal Care Products neboli léčiva a produkty osobní péče. Tyto látky jsou v klasické mechanicko-biologické čistírně odpadních vod neboli COV odstraňovány s nedostatečnou účinností nebo se pouze sorbují v aktivovaném kalu a jeho skládkováním se zpětně uvolňují do životního prostředí a povrchových či podzemních vod.

V odpadních vodách je výskyt těchto látek přímo úměrný množství, které je na daném území prodáno. V životním prostředí byly nalezeny prakticky ve všech složkách prostředí a téměř na všech místech planety. Podstatné je, že léčiva mají značnou biologickou aktivitu, jsou vyráběny tak, aby postihovaly specifické systémy v organismu, jako jsou receptory, enzymy apod. Mohou tedy již v malém množství výrazně zasahovat do fungování populací, kupříkladu ryb a narušovat tak funkce ekosystému. Léčiva jsou různě odolná vůči životnímu prostředí, některé látky jsou lehce odbouratelné, jiné látky jsou stálejší a rozpouští se ve vodě či v tucích. Lipofilní látky, tedy látky rozpustné v tucích, se v životním prostředí obtížně rozkládají a snadno se začleňují do potravních řetězců. Odstraňování farmaceutických látek a produktů osobní péče z odpadní vody lze provádět např. pomocí kořenových čistíren odpadních vod. Velkou nevýhodou těchto čistíren je obrovská rozloha potřebná pro obyvatele a také jejich bioakumulace v rostlinách, jež vyvolává potřebu další likvidace rostlinné biomasy (např. spalováním).

Další z možností odstraňování nežádoucích látek v procesu čištění odpadních vod je využití procesu adsorpce. Adsorpcí se nazývá děj, při kterém se ze směsi látek rozpuštěných ve vodě vážou molekuly některých z nich snadněji a pevněji k povrchu tuhé fáze, tzv. adsorbentu než jiné. Jako adsorbenty se využívají přírodní a syntetické materiály amorfní nebo mikrokrystalické struktury. Je to např. granulované nebo práškové aktivní uhlí, aktivní oxid hlinitý, silikagel, molekulární síta z přírodních či syntetických hlinitokřemičitanů s velmi pravidelnou strukturou velmi jemných pórů a syntetické pryskyřice. Adsorpce se často provádí ve vznášené vrstvě zrnitého absorbentu, která může být v kapalině promíchávána. Nevýhody zařízení využívajících promíchávaných absorbentů spočívají zejména v tom, že dochází ke snadnému mechanickému poškození hybných částí zařízení, tedy míchadel, lopatek apod., a také v nutnosti časté výměny či dokonce ztráty adsorbentu z důvodu jeho nedostatečnému nasycení, při kterém nedochází k účinnému odstranění mikropolutantů. Použití adsorbentu jako je např. práškové aktivní uhlí ve fluidní vrstvě je nevýhodou také potřeba jeho odstranění z čištěné vody pomocí dalších separačních procesů.

Úkolem technického řešení je proto odstranit nedostatky výše uvedených známých řešení a vytvořit terciární filtr pro odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče z odpadní vody, které by efektivně a s nízkými náklady na provoz dekontaminovalo odpadní vodu s obsahem výše uvedených látek. Systém navrhovaného terciárního filtru by měl být co možná nej variabilnější, aby bylo možné ho přizpůsobovat konkrétním požadavkům na proces odstraňování PPCPs z odpadní vody.

- 1 CZ 33388 U1

Podstata technického řešení

Vytyčený úkol je řešen pomocí terciárního filtru pro odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče PPCPs z odpadní vody podle tohoto technického řešení. Terciární filtr zahrnuje separační jednotku opatřenou vstupem odpadní vody a výstupem vyčištěné odpadní vody. Podstata technického řešení spočívá v tom, že separační jednotka je tvořena alespoň dvěma adsorpčními nádržemi s adsorpčními náplněmi vytvořenými z granulovaného aktivního uhlí, přes které protéká předčištěná odpadní voda.

Výhodou použití granulovaného aktivního uhlí v procesu adsorpce v nehybné vrstvě zrnitého materiálu je minimální produkce dalších odpadních produktů a potřeby jejich další separace z čištěné odpadní vody, stabilita procesu v závislosti na aplikované filtrační rychlosti případně doby kontaktu a úspora místa z hlediska potřeby umístit do terciárního filtru adsorpční nádrž s odpovídajícím objemem, a tím i dobou zdržení potřebnou pro účinnou sorpci zájmových mikropolutantů.

Před separační jednotkou musí být předřazen separační stupeň pro odstranění nerozpuštěných látek. Optimálním řešením je předřazení membránové filtrace, např. membránový bioreaktor, mikrofiltrací, ultrafiltrace. Zařízení membránové separace je napojeno na vstup odpadní vody do separační jednotky.

Adsorpční nádrže lze provozovat paralelně čili každou adsorpční nádrž zvlášť či v sérii.

V sériovém uspořádání úpravo váná/čištěná voda protéká z jedné adsorpční nádrže do druhé, čímž by mělo docházet postupnému vyčerpání sorpční kapacity použitého granulovaného aktivního uhlí, což umožňuje jeho postupnou výměnu po vyčerpání adsorpční kapacity v jednotlivých adsorpčních nádržích. Lze předpokládat, že bude též docházet k různému stupni sorpce PPCPs v jednotlivých adsorpčních nádržích řazených za sebou.

V jednom výhodném provedení jsou adsorpční nádrže propojeny se vstupem odpadní vody paralelně přes paralelní nátokové potrubí a zároveň jsou propojeny s výstupem vyčištěné vody paralelně přes paralelní odtokové potrubí. Při paralelním uspořádání prochází odpadní voda každou adsorpční nádrží zvlášť a následně odtéká z terciárního filtru výstupem odpadní vody.

Dalším rozšiřujícím doplněním této technologie je možnost vložení UV lampy a dávkování oxidačních činidel (jako je peroxid vodíku H2O2 či ozon O3) pro proces pokročilé oxidace pro účinnější odstranění PPCPs. Paralelní nátokové potrubí je tedy s výhodou opatřeno UV lampou, které v kombinaci s vhodným oxidačním činidlem rozšiřuje předúpravu odpadní vody při nátoku odpadní vody do adsorpčních nádrží. Paralelní odtokové potrubí je taktéž s výhodou opatřeno UV lampou, které v kombinaci s vhodným oxidačním činidlem napomáhá koncovému dočištění, resp. dezinfekci a hygienizaci vyčištěné odpadní vody, čímž se zvýší její zdravotní nezávadnost pro její další použití, jako je např. zavlažování či další aplikace vyžadující takto hygienicky zabezpečenou recyklovanou odpadní vod, případně může být voda poté použita i jako voda užitková například pro splachování toalet apod.

Vzhledem k paralelnímu uspořádání adsorpčních nádrží lze kdykoli v průběhu odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče z odpadní vody vyřadit z provozu kteroukoli adsorpční nádrž z důvodu vyčištění adsorpční nádrže, regeneraci adsorpční náplně, výměny adsorpční náplně apod. bez nutnosti přerušení celého procesu odstraňování těchto nežádoucích látek z odpadní vody, který tím pádem může být kontinuální. Množství natékající odpadní vody je elektronicky měřeno a dle požadavků lze volit průtok buď ručně přímo na místě, nebo dálkově, a to změnou výkonu podávacího čerpadla nátoku.

-2cz 33388 U1

Vyčištěná voda je s výhodou po průtoku adsorpční náplní z aktivního uhlí akumulována v průtočné zásobní nádrži vyčištěné vody, ze které je podle provozní potřeby odebírána voda na praní adsorpčních náplní uvnitř adsorpčních nádrží. Nadbytek vody, který není spotřebováván na praní lze buď vypouštět do recipientu, nebo dále využívat například pro zavlažování přilehlých pozemků.

V dalším jiném výhodném provedení jsou adsorpční nádrže propojeny se vstupem odpadní vody sériově přes sériové nátokové potrubí a zároveň jsou propojeny s výstupem vyčištěné vody sériově přes sériové odtokové potrubí. Při sériovém uspořádání protéká odpadní voda postupně všemi třemi adsorpčními nádržemi za sebou skrz adsorpční náplně z aktivního uhlí, tudíž proces odstraňování nežádoucích látek z odpadní vody je důkladný a účinnost adsorpce se zvyšuje.

Sériové nátokové potrubí je s výhodou opatřeno UV lampou, které v kombinaci s vhodným oxidačním činidlem jako je peroxid vodíku nebo ozón rozšiřuje předúpravu odpadní vody při nátoku odpadní vody do adsorpčních nádrží. Sériové odtokové potrubí je taktéž s výhodou opatřeno UV lampou, které v kombinaci s vhodným oxidačním činidlem napomáhá koncovému dočištění, resp. dezinfekci a hygienizaci vyčištěné odpadní vody. Vzhledem k sériovému uspořádání adsorpčních nádrží lze kdykoli v průběhu odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče z odpadní vody vyřadit z provozu kteroukoli adsorpční nádrž z důvodu vyčištění adsorpční nádrže, regeneraci adsorpční náplně, výměny adsorpční náplně apod. bez nutnosti přerušení celého procesu odstraňování těchto nežádoucích látek z odpadní vody, který tím pádem může být kontinuální.

Součástí terciárního filtru je přečerpávací zásobní nádrž odpadní vody, která přitéká z membránové filtrace a je autonomně čerpána vstupem odpadní vody adsorpčních nádrží s aktivním uhlím. Zásobní nádrž odpadní vody je vybavena bezpečnostním přepadem pro ochranu proti přetečení. Voda je z této zásobní nádrže čerpána řízeným čerpadlem nátoku, aby mohl být regulován průtok čištěné odpadní vody podle potřeby, do paralelního nátokového potrubí a/nebo sériového nátokového potrubí.

Vyčištěná voda je za adsorpčními nádržemi s aktivním uhlím jímána do akumulační zásobní nádrže odpadní vody. Takto akumulovanou vodu, lze využít pro praní neboli regeneraci adsorpčních náplní. Nadbytek akumulované vody je možno dále využít či vypouštět do recipientu. Ze zásobní nádrže vyčištěné vody je vyústěn výstup vyčištěné vody a je do ní vedeno paralelní odtokové potrubí a/nebo sériové odtokové potrubí. Pro praní zrnitých adsorpčních náplní je v terciárním filtru zapojen i zdroj pracího vzduchu, jako je např. dmychadlo.

Ve výhodném provedení je každá adsorpční nádrž opatřena alespoň jedním bezpečnostním přelivem s bezpečnostním potrubím vyvedeným vně adsorpční nádrže a zaústěným do odpadní nádrže, která je přivedena do kanalizace. Každá adsorpční nádrž je s výhodou konstruována jako pravoúhlá nádrž s tzv. mezidnem a adsorpční náplň na bázi aktivního uhlí je uspořádána ve vnitřním prostoru válce na perforovaném filtračním dně.

Celý terciární filtr je vybaven ovládacím rozvaděčem, který je s výhodou navržen tak, aby bylo možné celý terciární filtr sledovat a ovládat dálkově přes internet. Uživatel může s výhodou volit podle potřeby i typ adsorpční náplně, tedy typ granulovaného aktivního uhlí, podle vlastních provozních potřeb a preferencí.

Výhody terciárního filtru pro odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče z odpadní vody podle tohoto technického řešení spočívají zejména v tom, že odstraňuje výše uvedené polutanty z odpadní vody rychle, s nízkými náklady a s vysokou účinností, přispívá k rozvoji systému recyklace a znovuvyužití odpadní vody a zároveň jde cestou snižování antropogenních emisí znečišťujících látek zatěžujících životní prostředí.

-3 CZ 33388 U1

Objasnění výkresů

Uvedené technické řešení bude blíže objasněno na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje schéma terciárního filtru, obr. 2 znázorňuje tabulku s charakteristikou použitého aktivního uhlí, obr. 3 znázorňuje tabulku hodnot pro modelové nastavení parametru EBCT.

Příklad uskutečnění technického řešení

Schéma terciárního filtru 1 pro odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče z odpadní vody podle tohoto technického řešení je znázorněno na obr. 1. Odpadní voda přečerpávaná z technologické linky biologické čistírny odpadních vod prochází před vstupem do čistící jednotky nejprve přes membránový bioreaktor, tedy zařízení 25 membránové separace. Zařízení 25 membránové separace slouží pro odstranění zbytkových nerozpuštěných látek, jako je např. aktivovaný kal, a představuje první předúpravu odpadní vody vstupující do terciární úpravy odpadní vody. Následně odpadní voda natéká přes vstup 2 odpadní vody, který je zaústěn do zásobní nádrže 14 odpadní vody o objemu 0,75 m³ vyrobené z polyethylenu. Ze zásobní nádrže 14 odpadní vody vede paralelní nátokové potrubí 11 a sériové nátokové potrubí 20, které jsou opatřeny čerpadlem 29 nátoku pro pohánění odpadní vody do čistící jednotky. Průtok odpadní vody paralelním nátokovým potrubím 11 a sériovým nátokovým potrubím 20 je sledován průtokoměrem 30, který je řízen nezobrazenou řídící jednotkou sledující a upravující průtok odpadní vody celým terciárním filtrem 1. Na paralelním nátokovém potrubí 11 a sériovém nátokovém potrubí 20 je dále upevněna UV lampa 24 představující další předúpravu protékající odpadní vody založené na aplikaci UV záření na odpadní vodu v kombinaci s oxidačním činidlem H2O2 a O3.

Čistící jednotka je tvořena třemi adsorpčními nádržemi 3, 4, 5, které jsou vzájemně uspořádané paralelně nebo sériově. V jiném příkladu provedení však jich může být paralelně nebo sériově uspořádáno i více. Každá adsorpční nádrž 3, 4, 5 je vytvořena ve tvaru pravoúhlé nádrže s tzv. mezidnem, v jejíž horní části je uspořádán bezpečnostní přeliv 27 a v jehož spodní části je uspořádáno perforované dno, na kterém je uložena adsorpční náplň 7 tvořena granulovaným aktivním uhlím. Základní charakteristika použitého granulovaného aktivního uhlí je znázorněna v tabulce na obr. 2. Adsorpční náplň 7 má plochu 0,08 m² a výška vrstvy je 0,9 m. Průtok odpadní vody pro odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče z odpadní vody může být regulován a variabilně provozován při různých filtračních rychlostech. Regulace průtoku odpadní vody adsorpčními nádržemi 3, 4, 5 je možno provádět manuálně regulačním kohoutem a regulací otáček podávacího čerpadla 29 nátoku. Možné režimy nastavení filtrační rychlosti vf (m-h¹) resp. EBCT (min) jsou uvedeny v tabulce na obr. 3.

Při paralelním uspořádání adsorpčních nádrží 3, 4, 5 je paralelní nátokového potrubí 11 jedním svým koncem zaústěné do zásobní nádrže 14 odpadní vody a druhým koncem rozděleno do tří větví 10, 12, 13. První větev 10 paralelního nátokového potrubí 11 představuje vstup čištěné vody do první adsorpční nádrže 3, druhá větev 12 paralelního nátokového potrubí 11 představuje vstup čištěné vody do druhé adsorpční nádrže 4 a třetí větev 13 paralelního nátokového potrubí 11 představuje vstup čištěné vody do třetí adsorpční nádrže 5. Odpadní voda tedy rovnoměrně natéká vstupy čištěné vody do všech adsorpčních nádrží 3, 4, 5, protéká skrz adsorpční náplň 7 aktivního uhlí a vyčištěná vytéká výstupy čištěné vody z adsorpčních nádrží 3, 4, 5. Výstup čištěné vody z první adsorpční nádrže 3 je napojen na první větev 15 paralelního odtokového potrubí 16, výstup čištěné vody z druhé adsorpční nádrže 4 je napojen na druhou větev 17 paralelního odtokového potrubí 16 a výstup čištěné vody z třetí adsorpční nádrže 5 je napojen na třetí větev 18 paralelního odtokového potrubí 16. Každá větev 15, 17, 18 paralelního odtokového potrubí 16 je opatřena průtokoměrem 30. Paralelní odtokové potrubí 16 je opatřeno UV lampou

-4cz 33388 U1 a následně je přes paralelní bezpečnostní přeliv 31 zaústěné do zásobní nádrže 19 vyčištěné vody. Zásobní nádrž 19 odpadní vody je opatřena výstupem 6 vyčištěné vody, která je zbavena všech nežádoucích látek, zejména léčiv a/nebo látek osobní péče.

Při sériovém uspořádání adsorpčních nádrží 3, 4, 5 je sériové nátokové potrubí 20 jedním svým koncem zaústěné do zásobní nádrže 14 odpadní vody a druhým koncem vedeno na vstup čištěné vody do první adsorpční nádrže 3. Mezi první adsorpční nádrží 3 a druhou adsorpční nádrží 4 je uspořádáno první propojovací potrubí 21 napojené na výstup čištěné vody z první adsorpční nádrže 3 a vstup čištěné vody do druhé adsorpční nádrže 4. Mezi druhou adsorpční nádrží 4 a třetí adsorpční nádrží 5 je uspořádáno druhé propojovací potrubí 22 napojené na výstup čištěné vody z druhé adsorpční nádrže 4 a vstup čištěné vody do třetí adsorpční nádrže 5. Výstup čištěné vody z třetí adsorpční nádrže 5 je napojen na sériové odtokové potrubí 23, které je opatřeno průtokoměrem 30, UV lampou 24 a následně je přes sériový bezpečnostní přeliv 32 zaústěné do zásobní nádrže 19 vyčištěné vody. Odpadní voda tedy natéká postupně nejprve do první adsorpční nádrže 3, následně do druhé adsorpční nádrže 4 a poté do třetí adsorpční nádrže 5. Dochází tedy k velmi důkladnému a efektivnímu odstranění nežádoucích látek z odpadní vody.

Každá adsorpční nádrž 3, 4, 5 je opatřena vstupem 8 pracího vzduchu, který je napojen na dmychadlo 26. Potrubí pro vedení pracího vzduchu z dmychadla 26 do vstupu 8 pracího vzduchu je opatřeno průtokoměrem 30. Každá adsorpční nádrž 3, 4, 5 je dále opatřena vstupem 9 prací vody, která je vedena potrubím ze zásobní nádrže 19 vyčištěné vody. Zásobní nádrž 19 vyčištěné vody má objem 0,75 m³ a je vytvořena z polyetylénu. Vyčištěná voda zároveň slouží jako prací voda, která společně s pracím vzduchem napomáhá regeneraci aktivního uhlí a společně proudí opačným směrem než čištěná odpadní voda, tedy směrem zespoda nahoru. K tomu je hnána čerpadlem 33 prací vody napojeným na nezobrazenou řídící jednotku. Pro zajištění nepřetečení obsahu každé adsorpční nádrže 3, 4, 5 jsou uvnitř každé adsorpční nádrže 3, 4, 5 uspořádány dva bezpečnostní přelivy 27, které jsou vyvedeny vně adsorpční nádrž 3, 4, 5 pomocí bezpečnostního potrubí 34, které je zaústěné do odpadní nádrže 28. Bezpečnostní potrubí 34 umožňuje bezpečný odtok přebytečné vody do kanalizace, která by se mohla v adsorpčních nádržích 3, 4, 5 hromadit a způsobit škody v technologické lince.

Průmyslová využitelnost

Terciární filtr pro odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče z odpadní vody podle tohoto technického řešení lze využít jako terciární filtr v procesu čištění odpadních vod.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (11)

1. Terciární filtr (1) pro odstraňování léčiv a/nebo látek osobní péče z odpadní vody, zahrnující čistící jednotku opatřenou vstupem (2) odpadní vody a výstupem (6) vyčištěné vody, vyznačující se tím, že čistící jednotka je tvořena alespoň dvěma adsorpčními nádržemi (3, 4, 5) s adsorpčními náplněmi (7) z aktivního uhlí.

2. Terciární filtr podle nároku 1, vyznačující se tím, že adsorpční nádrže (3, 4, 5) jsou propojeny se vstupem (2) odpadní vody paralelně přes paralelní nátokové potrubí (11) a zároveň jsou propojeny s výstupem (6) vyčištěné vody paralelně přes paralelní odtokové potrubí (16).

-5 CZ 33388 U1

3. Terciární filtr podle nároku 2, vyznačující se tím, že paralelní nátokové potrubí (11) a paralelní odtokové potrubí (16) je opatřeno UV lampou (24).

4. Terciární filtr podle nároku 1, vyznačující se tím, že adsorpční nádrže (3, 4, 5) jsou propojeny se vstupem (2) odpadní vody sériově přes sériové nátokové potrubí (20) a zároveň jsou propojeny s výstupem (6) vyčištěné vody sériově přes sériové odtokové potrubí (23).

5. Terciární filtr podle nároku 4, vyznačující se tím, že sériové nátokové potrubí (20) a sériové odtokové potrubí (23) je opatřeno UV lampou (24).

6. Terciární filtr podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že vstup (2) odpadní vody je zaústěn do zásobní nádrže (14) odpadní vody, ze které je vedeno paralelní nátokové potrubí (11) a/nebo sériové nátokové potrubí (20).

7. Terciární filtr podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že výstup (6) vyčištěné vody je zaústěn do zásobní nádrže (19) vyčištěné vody, do které je vedeno paralelní odtokové potrubí (16) a/nebo sériové odtokové potrubí (23).

8. Terciární filtr podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že každá adsorpční nádrž (3, 4, 5) je opatřena vstupem (8) pracího vzduchu napojeným na dmychadlo (26) a vstupem (9) prací vody napojeným do zásobní nádrže (19) vyčištěné vody.

9. Terciární filtr podle některého z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že každá adsorpční nádrž (3, 4, 5) je opatřena alespoň jedním bezpečnostním přelivem (27) s bezpečnostním potrubím (34) vyvedeným vně adsorpční nádrže (3, 4, 5) a zaústěným do odpadní nádrže (28).

10. Terciární filtr podle některého z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že každá adsorpční nádrž (3, 4, 5) je vytvořena jako válec s kónickým dnem a adsorpční náplň (7) na bázi aktivního uhlí je uspořádána ve vnitřním prostoru válce na perforovaném dně.

11. Terciární filtr podle některého z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že dále zahrnuje zařízení (25) membránové separace ze skupiny: membránový bioreaktor, mikrofiltrace, ultrafiltrace napojené na vstup (2) odpadní vody.