Snížení koncentrace mikropolutantů v odpadní vodě prostřednictvím pevného uhlíkatého produktu mikrovlnné torefakce

Mikrovlnná torefakce je zástupce termálních procesů transformace odpadu do podoby dalších produktů, mezi které patří mimo jiné i pevný uhlíkatý produkt - biochar. Biochar je velmi všestranný produkt, který lze použít pro různé účely. Prezentovaný pokus popisuje využití biocharu ve filtračních kolonách, který je možné využít jako filtrační materiál. Cílem tohoto pokusu bylo redukovat znečištění ve formě vybraných rozpuštěných mikropolutantů v syntetické odpadní vodě. Výsledky pokusu ukazují, že biochar má schopnost odstraňovat sledované mikropolutanty, v tomto případě vybraná léčiva, z odpadních vod, ovšem jeho účinnost je značně závislá na typu sledovaných léčiv a pohybuje se v průměru kolem 35 %. V současné době je transformace odpadu do podoby materiálu velmi aktuální, a to nejenom pro možnosti transformace rozmanitého organického odpadu pro následné snížení mikropolutantů v odpadních vodách na odtoku z čistíren odpadních vod.

Michal Úterský, Petra Zdeňková, Pavlína Landová, Tomáš Macsek, Jakub Raček, Petr Hlavínek

Úvod

Nejčastějším zdrojem kontaminace vodního ekosystému farmaceutickými látkami jsou čistírny odpadních vod (ČOV), jejichž účinnost pro odstranění mikropolutantů, tedy zejména léčiv, je zanedbatelná, proto je nutné do čistícího procesu na ČOV zařazovat nové technologie pro odstranění tohoto znečištění [1] [2].

Klasické postupy čištění (mechanické a biologické), které se dnes využívají na většině ČOV, však nepostačují k odstranění léčiv z odpadní vody (OV), a proto vyčištěná voda odcházející do recipientu není z tohoto pohledu dostatečně vyčištěna. Koncentrace léčiv se pohybují v rozmezí ng∙l^-1 až μg∙l^-1. Proto je nutné navrhnout nové pokročilé technologie, které sníží množství mikropolutantů na odtoku z ČOV. V současné době se mnoho vědců a technologů zabývá zlepšením a vytvořením nových technologických procesů, které by dokázaly odstranit mikropolutanty z OV.

V budoucnu lze předpokládat zpřísnění legislativy z pohledu sledovaných parametrů na odtoku v ČOV, která se s vysokou pravděpodobností zaměří i na limity mikropolutantů ve vypouštěných OV z ČOV. Tato změna legislativy bude vyžadovat nutnost zapojení i třetího stupně čištění OV, který by dokázal účinně a efektivně toto znečištění mikropolutanty odstranit. Technologií pro odstranění mikropolutantů z OV je několik a filtrace přes biochar jako jeden z produktů mikrovlnné torefakce je jedním z nich.

Testování biocharu z mikrovlnné torefakce jako filtračního média probíhalo v laboratoři vědeckého centra AdMaS Vysokého učení technické v Brně. Byly použity frakce 1-2 a 2-4 mm biocharu pro odstranění vybraných léčiv z připravených syntetických OV. Pro zjištění účinnosti snížení koncentrace mikropolutantů přes filtrační médium byla testována tato vybraná léčiva: sulfathiazol, sulfamethazin, sulfamethoxazol, erythromycin, azithromycin, clarithromycin, roxithromycin, ketoprofen, naproxen, diclofenac a ibuprofen. Pro samotný filtrační pokus byl použit biochar vyrobený v prototypu mikrovlnnou torefakcí z pelet průměru 6 mm vyrobených různých odpadních dřevin.

Materiály a metody

Zařízení mikrovlnné torefakce

Aplikovaný výzkum mikrovlnné torefakce odpadu probíhá ve výzkumném centru AdMaS při použití unikátní technologie nízkoteplotní mikrovlnné torefakce (označované také dle odborné literatury jako nízkoteplotní pyrolýza) v reaktoru se systémovými komponenty s procesem depolymerizace organické části biologického materiálu v podtlakovém režimu a ve full-scale měřítku.

Princip mikrovlnného ohřevu spočívá v účincích rychle se měnícího mikrovlnného záření, díky němuž dochází k rozkmitání molekul materiálu, což vede k nárůstu teploty. Dielektrické materiály obsahující uhlík mají dobrou schopnost absorbovat mikrovlnné záření a převést ho na tepelnou energii. Takové absorbenty mikrovlnného záření totiž obsahují minimum nosičů náboje, a tak při expozici mikrovlnnému záření přenesou dále jen jeho nepatrný podíl a naprostou většinu z něj absorbují a převedou na tepelnou energii[5].

V rámci výzkumu byly mikrovlnou torefakcí podrobeny pelety z různodruhového dřevěného odpadu. Výsledky uvedené v tomto článku byly prováděny v malé poloprovozní jednotce zobrazené na Obr.1 s kapacitou 10 kg∙pokus^-1. Výzkum mikrovlnné technologie je zaměřen zejména na depolymerizaci lignocelulózní biomasy, kde další pokusy jsou prováděny na velké poloprovozní jednotce v Obr. 3 s kontinuálním provozem a s kapacitou cca 80 kg sušeného organického materiálu za hodinu provozu.

Uvedené jednotky pracují na stejném principu, tj. absolutní pracovní podtlak cca 600 hPa zajištěný vývěvou, ohřev pomocí mikrovlnného záření přes magnetrony 3 kW a frekvencí 2,45 GHz. Nízkoteplotní mikrovlnná torefakce pracuje v našem případě v podtlaku a při teplotě do 300 °C. Odsávané pyrolýzní výpary procházejí přes chladič, kde dochází ke kondenzaci a ke tvorbě pyrolýzního oleje. Nezkapalněné látky, jako např. aromatické uhlovodíky, jsou jako pyrolýzní plyn z důvodu zajištění čistoty okolního ovzduší spalovány hořákem.

Filtrační médium

Testované pelety biocharu, vyrobené torefakcí z dřevěných pelet, byly pro potřeby filtračního pokusu rozdrceny a na frakce1-2 mm a 2-4 mm. Drcení probíhalo na čelisťovém drtiči BB 200 od firmy Retsch. Po potřebném nadrcení, byly odděleny jednotlivé frakce, a to pomocí laboratorních sít. Použitá síta byla ve velikosti 4, 2 a 1 mm. Síty oddělené frakce 1-2 a 2-4 mm bylo nutné zbavit prachových částic propráním biocharu pomocí pitné vody a následně vysušen při okolní teplotě.

Příprava filtračních zkoušek

V akumulační nádrži byl v pitné vodě namíchaný roztok se sledovanými léčivy a v předem stanovených koncentracích, které se přibližně vyskytují na odtoku z ČOV. Následně byla takto připravená syntetická OV čerpána do filtrační/ch kolon/y (po trase, kde 2x dochází k oddělení části proudu a jeho vrácení do akumulační nádrže, a to z důvodu lepší regulace průtoku na filtračních kolonách). Následně byl nastaven konstantní průtok, který byl zjištěný objemovou metodou. Na základě průtoku, objemu filtrační vrstvy a pórovitosti byla vypočtena kontaktní doba čištěné OV s filtrační náplní. Pro účely zjištění koncentrací po filtraci byly odebrané vzorky na odtoku z filtrů.

Všechny odebrané vzorky byly podrobeny chemické analýze na Fakultě chemické, Vysokého učení technického v Brně.

Filtrační kolony jsou zobrazeny na fotografii Obr. 4 a schéma těchto kolon je zobrazeno na Obr. 5. Filtrační kolony byly s loženy z následujících komponentů: průměr použitých kolon byl 50 mm, tloušťka stěn 2x4 mm, světlý průměr kolon 42 mm. Výška filtrační náplně byla 0,81 m, 1,07 m a 1,46 m.

Výsledky pokusu

Na základě koncentrací sledovaných léčiv před a po filtraci byly v tabulkách Tab. 1 a Tab. 2 vyhodnoceny procentuální účinnosti odstranění jednotlivých léčiv na základě kontaktní doby. Z výsledků je zřejmé, že testovaný biochar má schopnost v relativně velké míře sorbovat sledované mikropolutanty z vodního roztoku. Je patrné, že účinnost odstranění je přímo závislá na době kontaktu se sorbentem v podobě biocharu. V rámci chemických rozborů však byly pozorovány velké rozdíly mezi jednotlivými účinnosti odstranění a dobou zdržení. Jako jeden z možných faktorů zde vstupuje délka filtračního pokusu. Také je pravděpodobné, že došlo k ucpání póru biocharu při předchozích filtračních dobách a tím byl následující pokus ovlivněn. Pro potvrzení této hypotézy je nutno experimentálně ověřit pokles účinnosti odstranění v čase při konstantní době kontaktu, tedy např. 48 hodinová filtrace při konstantní době kontaktu a odebrání vzorku každé 2 hod.

Z pohledu na výsledné hodnoty procentuálního odstranění vybraných léčiv je zřejmé, že biochar má schopnost sorbovat léčiva na strukturu porézní uhlíkatou strukturu. Celkové průměrné odstranění léčiv ze syntetické OV byla kolem 35 %. Jak ale dále můžeme pozorovat, některé léčiva jsou snáze sorbovatelná na filtrační médium, než jiná. U skupin léčiv uvedených v Tab. 2: erytromycin, azithromycin, clarithromycin a roxithromycin byla zbytková léčiva po filtraci pod mezí detekce, a proto byla účinnost odstranění stanovena na 100 %.

Tab. 1 Účinnost odstranění sledovaných léčiv v závislosti na kontaktní době od 1,5 do 7,5 minut na biocharu frakce 2-4 mm

Tab. 2 Účinnost odstranění sledovaných léčiv v závislosti na kontaktní době od 2,7 do 10,5 minut na biocharu frakce 1-2mm

Závěr

Z pokusu vyplývá, že produkt mikrovlnné torefakce – biochar má sorpční vlastnosti schopných adsorpce sledovaných mikropolutantů. V rámci pokusu bylo dosaženo úplné nebo částečné odstranění sledovaných léčiv s trendem vyššího odstranění při delších dobách zdržení. Nekonzistentnost některých výsledků může pocházet z nižší sorpční kapacity testovaného média, která nebyla v rámci tohoto pokusu zkoumána a je předmětem dalších pokusů. Obecně ale lze konstatovat, že využívání produktů mikrovlnné torefakce by mohlo být použito i pro filtraci odpadních vod například ve třetím stupni čištění na ČOV.

Literatura

1. PITTER, P. Hydrochemie. 4. aktualizované vydání. Praha. VŠCHT Praha. 2009. 592 s. ISBN 978-80-7080-701-9.
2. BATT, A.L., BRUCE, I.B., AGA, D.S. Evaluating the vulnerability of surface waters to antibiotic contamination from varying wastewater treatment plant discharges. Envirinmental Pollution. 2006. vol. 142. no. 2. s. 295 – 302. ISSN 0043-1354.
3. SANTOS, Lúcia H.M.L.M., A.N ARAÚJO, A. PENA, C. DELERUE-MATOS a M.C.B.S.M. MONTENEGRO. Ecotoxicological aspects related to the presence of pharmaceuticals in the aquatic environment. In: Http://citeseerx.ist.psu.edu [online]. Porto, Portugal: elsevier, 2010 [cit. 2018-03-18]. Dostupné z: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.459.2638&rep=rep1&type=pdf
4. Petra Zdeňková Využití produktů mikrovlnné pyrolýzy. Brno, 2017. 55 s., Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí. Vedoucí práce prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., MBA
5. JONES, D.A., LELYVELD, T.P., MAVROFIDIS, S.D., KINGMAN, S.W., MILES, N.G.: Microwave heating application in environmental engineering – a review, School of Chemical Environmental and Mining Engineering, University of Nottingham, University Park, Nottingham, NG7 2RD, UK.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I".

Autoři

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.,  Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno, Česká republika

Bc. Petra Zdeňková, Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno, Česká republika

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, Ústav chemie a technologie ochrany životního prostředí, Purkyňova 118, Královo Pole, 61200, Brno

Ing. Tomáš Macsek, Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno, Česká republika

Ing. Jakub Raček, Ph.D., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno, Česká republika

prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno, Česká republika

Recenze

Článek byl recenzován. Recenze jsou uloženy v redakci.

Bibliografiická citace

Úterský, M., Zdeňková, P., Macsek, T., Raček, J., Hlavínek, P. Snížení koncentrace mikropolutantů v odpadní vodě prostřednictvím pevného uhlíkatého produktu mikrovlnné torefakce. Vodovod.info - vodárenský informační portál[online]. 11.10.2018, 10/2018, [cit. 2018-10-11]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.

English Summary

Microwave retreat is a representative of the thermal processes of waste transformation into other products, including among others the solid carbon product - biochar. Biochar is a very versatile product that can be used for various purposes. The present experiment describes the use of a biocharge in filter columns which can be used as a filter material. The aim of this experiment was to reduce contamination in the form of selected dissolved micro-pollutants in synthetic wastewater. The results of the experiment show that the biochar has the ability to remove the monitored micropolutans, in this case the selected drugs, from the waste water, but its efficacy is highly dependent on the type of drugs studied and ranges on average about 35%. Currently, the transformation of the waste into the form of the material is very topical, not only for the possibility of transformation of a variety of organic waste for the subsequent reduction of the micro-fuels in the waste water at the outflow from the sewage treatment plants.