Provoz městské čistírny odpadních vod patří mezi energeticky náročné procesy. Špinavá voda přitéká na čistírnu nepřetržitě, jedná se tedy o kontinuální provoz čistírny, kdy se pouze využívaná kapacita průběžně reguluje. V době rostoucích cen energií a důrazu na snižování emisí se tak energetická efektivita čistíren stává klíčovým tématem.
V současnosti se připravuje implementace nové evropské směrnice o čištění městských odpadních vod do české legislativy. Ta přináší řadu nových požadavků, mimo jiné i postupné směřování k energetické neutralitě čistíren. To znamená, že by si čistírna měla být schopna vyrobit takové množství energie, které potřebuje ke svému provozu. Jaké jsou možnosti a kde lze z odpadní vody energii získat?
Kde čistírna potřebuje nejvíce energie?
Pojďme si nejprve udělat představu, kde je elektrická energie na čistírně potřeba nejvíce. Spotřeba elektřiny závisí na velikosti čistírny, od které se následně odvíjí použité technologie i potřebná kvalita vyčištěné vody. Největší část energie se obvykle spotřebuje na:
- aeraci (provzdušňování aktivačních nádrží s mikroorganismy),
- čerpání vody a kalu,
- míchání,
- odvodňování kalu.
Na fotografii jsou aktivační nádrže stávající vodní linky ÚČOV v Praze.
Právě aerace představuje největší náklady. Mikroorganismy, které v biologickém stupni odstraňují znečištění, potřebují kyslík. Jeho dodávání pomocí dmychadel však vyžaduje značné množství elektrické energie.
Nejčastější zdroj energie: bioplyn
Energie v odpadních vodách je obsažena právě ve znečištění, které v čistírnách odstraňujeme. Nejrozšířenějším způsobem výroby energie na větších čistírnách je produkce bioplynu z kalu.
Kal vzniká při biologickém čištění z organických látek z vody, které se odstraňují pomocí společenství mikroorganismů. Mikroorganismy průběžně odstraňují organické látky z vody a nabývají na své velikosti. Takto vznikající kal obsahuje velké množství energie ukryté pravé v organických látkách. Proto se využívá anaerobních reaktorů bez přístupu kyslíku, kde se produkuje z organických látek bioplyn. Bioplyn obsahuje především methan, ale také další uhlovodíky a oxid uhličitý. Následně se spaluje v kogeneračních jednotkách, které vyrábějí elektřinu a teplo. Vyrobenou elektřinu je možné využít přímo na čistírně nebo prodat do sítě, teplo se využívá například pro ohřev anaerobních reaktorů. U větších čistíren může takto vyrobená energie pokrýt významnou část jejich roční spotřeby.
Zušlechtění bioplynu na biometan
V některých velkých čistírnách se bioplyn dále upravuje na biometan. Ten má podobné vlastnosti jako zemní plyn a lze jej vtláčet do plynárenské sítě nebo využít jako palivo pro dopravu. Tím se energetický potenciál odpadních vod využívá ještě efektivněji a čistírna se stává součástí širší energetické infrastruktury.
Termické využití kalu: spalování, pyrolýza a zplyňování
Kromě anaerobní digesce existují i další způsoby, jak z kalu získat energii. Ty mohou být využívány samostatně nebo právě v návaznosti na anaerobní stupeň.
Spalování
Kal je pro další použití nejprve nutné vysušit. Po vysušení lze kal spalovat při vysokých teplotách. Tím se výrazně sníží jeho objem a vzniká teplo. U větších provozů se vyplatí využít vzniklou tepelnou energii ve formě páry pro výrobu elektřiny.
Pyrolýza
Pyrolýza je proces, při kterém dochází k termickému rozkladu kalu se sníženým přístupem nebo bez přístupu kyslíku. Výsledkem je směs plynných látek a kapalných produktů nebo pevného uhlíkatého zbytku. Vzniklý plyn lze energeticky využít a pevný zbytek může mít další využití například v zemědělství.
Zplyňování
Obdobným procesem k pyrolýze je zplyňování, při kterém jsou organické látky kalu termicky rozkládány za řízené dodávky vzduchu. Opět vzniká plyn (jen s trochu jinýmém složením), který lze dále spalovat nebo využít pro výrobu energie.
Termické procesy jsou technicky náročnější, ale představují směr budoucího vývoje především u větších provozů.
Další doplňky pro zisk energie
Energetická soběstačnost čistíren není založena pouze na kalovém hospodářství. Energetickou bilanci lze dále zlepšit pomocí doplňkových zdrojů, například:
- fotovoltaických elektráren instalovaných na střechách budov nebo na volných plochách v areálu,
- tepelných výměníků využívajících teplo zahřátého kalu vystupujícího z anaerobního stupně k ohřevu vstupujícího kalu,
- tepelných čerpadel odebírajících teplo přitékající odpadní vody na čistírnu,
- malých vodních turbín, pokud je k dispozici dostatečný spád přítokového potrubí.
Tyto prvky sice samy o sobě obvykle nepokryjí celou spotřebu energie, ale významně přispívají k celkové bilanci.
Čistírna jako součást energetické budoucnosti
Moderní čistírny odpadních vod už nejsou jen koncovým článkem vodního cyklu. Postupně se mění v zařízení, která dokážou z odpadní vody získávat energii i další cenné suroviny a nové legislativní požadavky tento trend ještě urychlují.
Energetická neutralita tak nepředstavuje pouze technický cíl, ale i symbol změny přístupu. Z místa, kde se likviduje odpadní voda, se stává místo, kde vznikají nové zdroje.
Autorka: Péťa Pešavová