Souhrn

V minulosti probíhal výzkum technologií čištění vody podle jiného klíče než nyní. Cílem bylo vedle dosažení co nejvyššího efektu čištění také snížení nákladů, zjednodušení stavebních postupů a mnohdy i obejití neznalosti know-how v cizině fungujících technologií. V některých případech šlo také o trend celosvětový (hlavně u čištění malých zdrojů znečištění), např. hledání náhrady v té době nefunkčních nebo neexistujících dmychadel malé velikosti jiným zdrojem vzduchu k provzdušování aktivačních nádrží. V článku připomínám tehdy vyvíjené technologické prvky a pokusím se vysvětlit, proč nešlo o zcela slepou uličku aplikovaného výzkumu, ale o víceméně seriózní hledání cest řešení problematiky nyní zcela bezproblémové. V článku tedy popisuji v té době běžný výzkum funkce pravoúhlých nádrží, koridorových ČOV a také aplikaci provzdušování pomocí ejektorů. Domnívám se, že pro odbornou veřejnost vystudovanou v minulých dvaceti letech jde o poznatky méně známé a snad i zajímavé.

Úvod

Cílem tohoto článku bylo původně připomenout i jinou odbornou činnost VÚV (nyní TGM) než hydrologické a hydrogeologické výzkumy, pro které byl ústav založen v roce 1919, a to konkrétně výzkum v oblasti technologie čištění odpadních vod. Problém je ovšem především v rozsahu sdělení a následně tedy ve výběru popisovaných témat. V letech 1945 až 1990 v tomto výzkumném odvětví ústavu probíhal výzkum různého rozsahu a zaměření. V Praze to byly tzv. Pokusné jednotky v Bubenči (u ÚČOV), kde probíhal dlouhodobý poloprovozní výzkum jak aktivačních procesů, tak i biofiltrace, v Ostravě probíhaly dlouhodobé výzkumy likvidace průmyslových odpadních vod z regionu, na pražském pracovišti výzkum čištění průmyslových odpadních vod různých typů a později v Praze i v Brně výzkum extenzivních postupů čištění odpadních vod (především v biologických rybnících a v tzv. kořenových ČOV).

Jak uvádím dále, v popisu metodiky nejsou k dispozici výzkumné zprávy a vlastně ani jiné podklady. Volba proto padla na dva výzkumné směry, u kterých se domnívám, že je vhodné připomenout, proč v tu dobu byl tento výzkum vůbec potřebný, aby při případném ohlédnutí do historie neměli ti, kdo to nepamatují dojem, že šlo o zbytečné práce nebo plýtvání časem. Výběr byl opět dán nedostatkem podkladů – jde o činnosti, kterých jsem se osobně zúčastnil, byť pouze jako řadový technik. Jiné práce, o kterých jsem pouze slyšel, např. výzkum složení shrabků na česlích ÚČOV Praha nebo vývoj poloprovozního modelu aktivační ČOV, jsem nemohl zařadit pro nedostatek podkladů, zvlášť mne to mrzí u výsledků měření kvality vody z odlehčovací komory pražské kanalizace před ÚČOV, kde jsem se podílel na plánu vzorkování i na vyhodnocení dnes zcela ztracených výsledků (měření v roce 1983–1984).

Metodika

Bohužel výsledky prací odboru čištění odpadních vod VÚV (ještě nikoli TGM) cca do roku 1990 nebyly digitalizovány a písemné podklady vzaly za své během povodně v roce 2002 jak v archivu knihovny VÚV, tak i příručním archivu (tehdy) sekce technologie vody. Nepodařilo se najít ani články v odborném tisku, nejspíše proto, že archiv časopisu VTEI byl podobně postižen jako archivy v ústavu. Vedle vzpomínek nejdůležitějším podkladem byly texty patentových přihlášek týkajících se dané problematiky tedy „hydropneumatického provzdušování aktivačních nádrží” a „výstavby koridorových ČOV”. Bohužel v množství odborných dobových fotografií, které se v ústavu zachovaly, se mi nepodařilo nalézt dokumentující tyto problematiky, a tak byly použity obrázky z internetové encyklopedie.

Výsledky a diskuse

Hydropneumatické provzdušování aktivačních nádrží

Aktivační nádrže pro dobrou funkci vyžadují dostatečný přísun kyslíku k provozu aerobních pochodů při čištění odpadních vod a zároveň také dokonalé promíchávání celého obsahu nádrže. Toho je (i bylo) třeba dosáhnout aeračním zařízením. V zahraničí i u nás bylo od počátku využíváno systému pneumatické aerace, tzn. provzdušování stlačeným vzduchem rozvedeným po dně nádrží. V sedmdesátých letech probíhaly v zahraničí i u nás pokusy (i provozní) s provzdušováním nádrží přímo kyslíkem, ale technická náročnost a vysoká provozní cena nedovolily (alespoň ve VÚV, existoval návrh na provoz kyslíkové aktivace na pražské ÚČOV!) tento postup v praxi realizovat.

Pokud jde o vlastní aeraci stlačeným vzduchem, její účinnost závisí na velikosti bublin plynu vypouštěných z rozvodů v nádrži, platí totiž, že čím menší jsou bubliny při stejném objemu dmychaného plynu (vzduchu nebo kyslíku), tím větší je celkový povrch bublin, a tedy i objem kyslíku přestupujícího do vody a využitelného při aktivačním procesu. Problém u nás i v zahraničí byl v tom, že v tu dobu kladené rozvody s nejužšími průduchy, tzv. jemnobublinná aerace, se velmi snadno zanášely a účinnost aktivace při stejných nákladech rychle klesala. Při nezbytné údržbě pak bylo nutné vypustit celou nádrž a po dobu oprav na poměrně dlouhou dobu odstavit celou nebo velkou část aktivace z provozu.

Jako alternativa vznikly mechanické aerátory – původní horizontální (tzv. Kessenerovy kartáče) a pak vertikální. Rozdíl byl především ve způsobu provzdušování aktivační nádrže, tedy buď šlo o ve výši hladiny vody umístěný a samozřejmě částečně ponořený válec s hřebenem vířícím aktivační směs, anebo o míchadlo opět částečně ponořené do nádrže kolmo na její hladinu. Přestože efekt přestupu kyslíku ani dokonalost promíchání aktivace nebyla tak vysoká jako u dokonalé pneumatické aerace (srovnatelné hodnoty měla spíše středobublinná či hrubobublinná aerace), viz tabulka 1, provozní výhody mnohdy převážily.

Zde je třeba upozornit na fakt, že horizontální aerátory byly zahraniční vynález a jejich první aplikace u nás je spojena s „urban legendou“, že při realizaci první z ČOV, na které byly aplikovány, se nepodařilo vzhledem k neznalosti „know-how“ dosáhnout toho, aby byla celá aktivace promíchávána a výsledkem byla nefunkční ČOV. Později nicméně tento postup aerace byl opakovaně využíván na mnoha ČOV především pro možnost (v případě dostatku náhradních dílů) rychlé opravy aerace bez nutnosti vypouštět a tedy dlouhodobě odstavit aktivační nádrž z provozu. Pokud jde o mechanické aerátory vertikální, v ČSFR probíhal jejich vývoj i výroba (šlo o původně upravená průmyslová míchadla vyráběná v Sigmě Olomouc) a provozní problémy s jejich aplikací nebyly.

Dalším dobovým problémem byl u pneumatické aerace nedostatek použitelných zdrojů stlačeného vzduchu pro menší a hlavně nejmenší ČOV. Kdo někdy musel dlouhodobě poslouchat, třeba při stavbách na silnici chod kompresoru, ten si umí představit, že tento zdroj stlačeného vzduchu byl pro malé či dokonce domovní ČOV velmi nevhodný, zvláště v noci a ve svátek, pokud je ČOV blízko bytové zástavby.

Protože zvláště u malých ČOV, vzhledem k jejich urychlované výstavbě v 80. letech minulého století (viz druhá část tohoto článku), probíhal vývoj urychleně a aplikace mechanických aerátorů nebyla vždy vhodná, hledaly se i jiné cesty.

Jako jedno z řešení vznikl typ aerace hydropneumatické. Princip je známý, nicméně bylo jej možno i patentovat pro provzdušování aktivace [2].

V podstatě jde o využití principu trkače či ejektoru, kdy je tekutina nasávána tlakem vzniklým na zúženém profilu proudící tekutiny, viz obr. 1. Ovšem přisávané medium je plyn (tedy vzduch). Efekt aerace byl u tzv. injektorů samozřejmě nižší než u jemnobublinné aerace, ale srovnatelný s menšími mechanickými aerátory, a na rozdíl od nich zajišťoval při vhodné instalaci dokonalé promíchávání aerační nádrže. To bylo dáno tím, že injektor, tedy čerpadlo fungující jako zdroj přisávaného vzduchu zároveň čerpalo obsah nádrže a udržovalo ho ve vznosu, pokud byly dobře nastaveny podmínky hydrauliky nádrže.

Nešlo tedy o zcela zcestný postup. Využití bylo možné také u menších diskontinuálních ČOV, tedy v případě potřeby chodu nádrže po určitou dobu z denního cyklu v anaerobním režimu (biologické odstraňování dusíku a fosforu). Hlavní předností byla jednoduchá instalace a výměna zařízení bez vypouštění nádrže, dokonce (opět při dostatku náhradních dílů) i rychlejší než u mechanických aerátorů (čerpadlo se dalo vytáhnout z nádrže poměrně jednoduše a vyměnit za provozuschopné).

Přestože tato hydropneumatická technologie provzdušování byla v ČSFR využívána v několika typech malých ČOV a při poloprovozním výzkumu technologie biologického odstraňování fosforu z odpadních vod, v okamžiku kdy bylo dosaženo rozhodujícího pokroku ve výrobě dmychadel s malým výkonem a především při instalaci jemnobublinné aerace s možností samočištění rozvodu pod hladinou, byl tento technologický postup opuštěn a zapomenut. Souviselo to také s otevřením hranic po roce 1990 i pro licence technologií v oblasti životního prostředí, kdy zahraniční firmy – provozovatelé podniků VaK a ČOV pochopitelně upřednostnily vlastní osvědčené technologie.

Tabulka 1. Srovnání výkonu (oxygenačních kapacit) jednotlivých typů aerace podle Zahrádky [1]

Koridorové ČOV a odsávané dosazováky

V sedmdesátých letech minulého století vznikla iniciativa nejprve snad ze senzorických estetických důvodů, což bylo následováno i legislativní iniciativou, potřeba vybudovat čistírny odpadních vod u všech větších měst. V tu dobu platný „vodní zákon” předepisoval výstavbu ČOV u všech nově stavěných aglomerací s tím, že u stávajících existovaly výjimky, které měly mnohdy velmi dlouhou platnost (např. ČOV v Kolíně, Ústí nad Labem i v dalších okresních i krajských městech přišly na řadu s výstavbou až po roce 1990). Paradoxně tak v některých případech byla postavena ČOV pro sídliště dříve než pro celou aglomeraci (Sezimovo Ústí – Tábor), nebo ve vsi při výstavbě nového domu se stavěla domovní čistírna jen pro tento dům.

Přes tato omezení bylo plánováno a postaveno velké množství velkých a středních ČOV, a to v poměrně krátkém časovém období. Protože hospodářství socialistického státu vyžadovalo stavební kapacity i jinde a naléhavěji, např. vojenská letiště, dálnice a silnice a konec konců i obytná sídliště (s novými budovami okresních výborů KSČ, ale i s množstvím sportovních hal), vznikl i trend vymýšlet pro ČOV úsporná řešení z hlediska spotřeby stavebního materiálu, především betonu. U malých ČOV šlo především o tzv. „balené ČOV” vyráběné KPS Brno, nebo o prefabrikované válcové ČOV dodávané Vítkovickými železárnami (tedy plechové nádrže). Cílem u velkých ČOV bylo minimalizovat náklady stavby, což představovalo stavět jednoduše. Tedy nikoli nádrže s kruhovým půdorysem, ale nádrže s půdorysem podélným. V zahraničí samozřejmě už takto postavené čistírny existovaly, problém byl, že nebyly dostatečně známy podmínky jejich provozu, především pokud jde o funkci dosazovacích nádrží (tedy sedimentaci lehkého aktivovaného kalu). Proto probíhal výzkum chování aktivovaného kalu v pravoúhlých nádržích a následně i ověřování výsledků výzkumu v provozním měřítku.

Obr. 1. Průřez injektorem

V té době oficiální výzkum provozu aktivačních nádrží ve světě i u nás (především „v primárním centru tohoto výzkumu”, tj. na VŠCHT v Praze) byl zaměřen směrem k tzv. kompartizaci nádrží – jejich rozdělení na za sebou položené oddělené části s různým zatížením a tedy i vlastnostmi kalu, i ve VÚV Praha byl na toto téma patentován postup, tzv. kombinovaná aktivace [3]. Proti tomu však vznikl námět protikladný – koridorové čistírny odpadních vod.

Při centrálním plánování úspor během výstavby ČOV měli pracovníci vývoje nápad, jak ušetřit ještě více než pouhým zpodélněním nádrží na ČOV. Představte si nádrž zcela bez příček, ve které je pouze technologickým vybavením vytvořena část usazovací, aktivační a dosazovací, to byl původní patentovaný postup [4]. Jako technologické vybavení usazovacích a dosazovacích nádrží měly sloužit lehké plovoucí mosty s odsávacím zařízením, které sbíraly sedimentovaný kal ze dna (obr. 2 je pouze ilustrační, fotografie plovoucích mostů dosazovacích nádrží zmizely při povodních). Návrh při realizaci byl velmi výhodný nejen úsporou materiálu, ale stavební jednoduchostí – v podstatě byla třeba jen jedna stavební jáma, ve které byly vybudovány dva paralelní žlaby a mezi nimi pracovní koridor na rozvod vody, kalu a vzduchu. Vlastní realizace nebyla tak jednoduchá, protože bylo přece jen třeba rozdělit jednotlivé technologické prostory původně jen přepážkami z plechu, nakonec tenkými příčkami, v patentové přihlášce se předpokládal přechodový prostor bez technologie mezi jednotlivými technologickými prvky, který ovšem zbytečně zvětšoval obestavěný prostor (tedy i cenu stavby). Původní návrh také předpokládal, že dojde k velké úspoře spádu tedy i ke zvětšení objemu nádrží. Nakonec tomu tak úplně nebylo – voda do kopce nechtěla téci a odtokové potrubí na první z takto postavených ČOV (v Mostě) bylo třeba snížit, aby spád umožnil průtok čistírnou. Ze stejného důvodu bylo třeba rozdělit byť velmi tenkou stěnou od sebe jednotlivé nádrže, a to kvůli nutnosti provozovat mosty odsávající kal vodorovně (při délce nádrže 10 m a více je spád vzniklý průtokem vody už patrný).

Základním problémem, který se vyskytuje při sedimentaci aktivovaného (tedy relativně lehkého) kalu v pravoúhlé nádrži, je tzv. hustotní proud. Tento jev lze docela pěkně demonstrovat na sklenici vody, do které po stěně vlijeme hustší kapalinu (třeba ovocný sirup). Proud sirupu po dopadu na dno se po něm rozlije a u opačné strany sklenice se odrazí a stoupá (samozřejmě zředěný) k hladině. Podobně se chová i aktivovaný kal – má tendenci proudit u zadní strany nádrže směrem vzhůru a i když není ve stejné koncentraci jako ve vtoku nebo na dně, jde o výrazné zhoršení kvality vyčištěné odpadní vody. Navržené opatření bylo odtokové žlábky v dosazovací nádrži umístit dál od stěn a odebírat vodu s kvalitou neovlivněnou hustotním prouděním. Bylo třeba ověřit jak daleko je třeba žlábky zaslepovat, aby nedocházelo k hydraulickému přetížení přepadových hran dosazováků a následně ke zhoršení jejich funkce z tohoto důvodu.

Ověření funkce pravoúhlých dosazovacích nádrží vyžadovalo však vymyslet postup, kterým by za provozu bylo možné zjistit nakolik je vliv hustotního proudu v nádrži ovlivněn vzdáleností od rozdělovací příčky a kde tedy bude nejvhodnější omezit odtok unikajícího vločkového mraku (tedy lehkého podílu aktivovaného kalu) z nádrže. Cílem bylo odebrat na několika (co nejvíce) místech v nádrži ve stejnou dobu vzorek nerozpuštěných látek k rozboru, a to zároveň z několika hloubek nádrže. Proto bylo třeba vymyslet a zprovoznit zařízení, které by odběr vzorků podle tohoto principu umožnilo.

Obr. 2. Most dosazovací nádrže

Protože chybí příslušná obrazová dokumentace, následující popis se může zdát dosti toporný, vychází nicméně z textu patentové přihlášky [5]. Odběrové zařízení sestává z tyče, na níž jsou pomocí přestavitelných úchytů připevněny válcové nádobky, z níž každá je vybavena gumovým balonkem opatřenou vzduchovou trubicí a otvorem pro plnící zátku, kterou prochází plnící trubice, přičemž gumový balonek je uchycen v otvoru zátky pomocí plnící zátky a vzduchové trubice všech nádobek na tyči jsou navzájem propojeny se společnou odvzdušovací hadicí. To je popis odběrového zařízení v jednom místě nádrže – zároveň jich mohlo být nainstalováno až osm při jednom odběru. Vlastní odběr probíhal tak, že před spuštěním odběráku do nádrže byl z nádobek vývěvou odsán vzduch a po ponoření v okamžiku společného odběru byly všechny odvzdušovací hadice naráz uvolněny a po vytažení tyčí z nádrže byl z nádobek odebrán vzorek k rozboru.

Pikantnost postupu prací byla dána tím, co byly ty gumové balonky zač. Šlo o tzv. prezervativový odběrák. Přes občasný nedostatek tohoto materiálu na trhu šlo o nejlépe dosažitelný a i nejspolehlivější z hlediska pevnosti v tu dobu (70. léta dvacátého století) materiál v ČSFR. Vyskytl se ale problém s nákupem (i pro obyčejný pokus bylo třeba nejméně sto preservativů, pro delší sledování několikanásobně více), protože nákupčí ústavu je po prvé zkušenosti odmítala nakupovat (jinde než v maloobchodě to nešlo), museli se tím zabývat technici/čky
a řešitelé/ky příslušných výzkumných úkolů, a tím se nakonec problémy s nákupem vyřešily (člověk si zvykne na vše i na podezřívavé pohledy prodavačů a na údiv nad žádostí o razítko na účtu za tento materiál). Hůře se řešily problémy se skladováním tohoto spotřebního materiálu (šuplík plný těchto balonků a ještě spíše jeden nebo dva zapomenuté v kapse či kabelce mohl a i šokoval partnery výzkumníků či dokonce jejich dospívající děti).

Vlastní pokusy nebyly také bez dramatiky. Jednak docházelo vlivem někdy i poruchovostí materiálu při přípravě k odběru k porušení některého balonku a bylo třeba rychle znovu vystrojit celou odběrovou tyč a jednak při vlastní manipulaci se vzorky, které byly původně uvnitř preservativů – bylo třeba obratně balonek tzv. vydojit, což pro některé spolupracovníky byla dosti odporná práce. Tento problém byl odstraněn po určité době úpravou zařízení, kdy vzorek byl směřován do nádobky vyplněné nafouklým (a po odběru vypuštěným) balonkem (místo podtlaku byl do odběráku vháněn stlačený vzduch) a vzorek se z nádobek prostě přelil do vzorkovnic.

Výsledky získané při použití „prezervativového odběráku” byly využity k optimalizaci provozu velké skupiny ČOV s čtverhrannými dosazovacími nádržemi ať u podélné, nebo příčně protékanými. Řešením bylo obvykle zaslepení té části odtokových žlábků, která se nacházela na konci nádrže, tedy blízko vlivu hustotního proudu kalu. V praxi byl efekt opatření ověřen plno provozními pokusy na ČOV Klášterec nad Ohří a dlouhodobým sledováním dalších ČOV (Most, Benešov, Humpolec). V současné době, pokud by se vyskytla potřeba tak speciálního odběru vzorků, existuje patrně možnost nákupu odběrového zařízení s dobrou funkcí, ale tehdy šlo o skutečný vývoj.

Závěr

Tento článek nemohl postihnout veškerou činnost ústavu v oblasti technologie čištění odpadních vod. Cílem bylo připomenout existenci aplikovaného výzkumu v této oblasti na několika snad zajímavých případech a samozřejmě i oživit jména tehdejších výzkumníků i jinde než v rámci zpráv ústavu k jeho důležitým výročím. Jména jako Ing. Vladimír Zahrádka, Ing. Miroslava Písařová, Ing. Petr Soukup a RNDr. Alena Sladká si to zaslouží. Samozřejmě by byl zajímavý i článek o výzkumu technologií čištění průmyslových odpadních vod v Ostravské pobočce ústavu a v Praze týmy Ing. Dvořáka a Ing. Šedivého, Ing. Bunešové, RNDr. Hejzlara a dalších (např. Ing. Jan Mašát se stal v roce 2015 nositelem ocenění „Česká hlava“ za práce v 70. letech minulého století), netroufal jsem si pro nedostatek informací a i prostoru tyto činnosti do článku zařadit.

Na závěr si dovolím citovat z přednášky Ing. Erlebacha na FTPV VŠCHT (šlo o předmět Technologie čištění průmyslových odpadních vod v roce 1975): „Za zcela nový se v oboru pokládá jen ten postup, na jehož používání se v minulosti už zapomnělo,” což je tedy výzva pro nynější výzkumníky – je možné, že něco z dřívějších výsledků či postupů je i nyní použitelné (samozřejmě ve vhodné modernizující aplikaci).

Poděkování

Článek byl z podpory Ministerstva životního prostředí na výzkum určený VÚV TGM, v. v. i.