Kvalita odpadní vody v závislosti na množství kyslíku

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

Kvalitu odpadní vody ovlivňuje velké množství faktorů. Zásadní je samozřejmě charakter odpadní vody, který souvisí s místem jejího vzniku. Další důležitý faktor představuje samotná stoková sít a příslušné objekty, a to hned z několika hledisek, dále pak teplota okolního prostředí, doba zdržení odpadní vody v kanalizaci a další.

Je-li kvalita odpadní vody špatná, pak negativně ovlivňuje stokovou síť, kanalizační objekty i čištění odpadních vod na čistírnách. Tento článek je zaměřen především na množství kyslíku v odpadní vodě, který právě úzce souvisí s její kvalitou. Oxidačně-redukční potenciál (ORP) je veličina, která charakterizuje kvalitu vody právě z hlediska množství kyslíku.

2. Popis současného stavu

V této kapitole je shrnuta teoretická část související s problematikou vlivu kyslíku na kvalitu odpadní vody.

Oxidačně-redukční reakce

Redoxní reakce (oxidačně-redukční) souvisí s oxidací a redukcí částic pomocí přenosu elektronů a jejich průběh je na sobě závislý. Není možné, aby probíhala jedna reakce bez druhé, a proto je redoxní systém charakterizován látkou v oxidované a redukované formě. Oxidovaná látka předává určité množství elektronů, které redukovaná látka musí přijmout [1].

Tyto reakce jsou nedílnou součástí čistírenských procesů, protože právě díky nim dochází k rozkladu organické hmoty. O směru oxidačně-redukčních reakcí rozhoduje afinita (přitažlivost) látky k elektronům. Lze ji popsat i pomocí oxidačně-redukčního potenciálu (ORP) [2].

Oxidačně-redukční potenciál (ORP)

Oxidačně-redukční potenciál je elektrický potenciál vytvořený na platinové elektrodě, která je ponořená do roztoku s látkou v oxidovaném i redukovaném stavu. Jednotka tohoto potenciálu je Volt, respektive mV [2].

Oxidačně-redukční potenciál je důležitou veličinou, která má vliv na chemické i biochemické procesy ve vodách. Oxidačně-redukční potenciál vod se pohybuje v rozmezí −500 mV až +500 mV. Ideální hodnota ORP pro čištění odpadních vod je okolo 400 mV [3].

Tento potenciál je měřený pomocí ORP sond. Na trhu se jich vyskytuje velké množství. Většinou měří více veličin, kromě oxidačně-redukčního potenciálu i pH vody, koncentraci rozpuštěného kyslíku nebo teplotu.

Typy prostředí dle množství kyslíku

Mikroorganismy potřebují biogenní prvky a energii pro samotný růst. Pro zajištění čistírenských procesů je zapotřebí vhodné prostředí, které se u jednotlivých fází čištění odpadních vod liší. Podle koncentrace rozpuštěného kyslíku v odpadních vodách lze toto prostředí charakterizovat a pojmenovat.

Prostředí, ve kterém je přítomný molekulární kyslík, se nazývá oxické nebo aerobní. Kyslík se zde stává konečným příjemcem elektronů. Při těchto podmínkách probíhá oxidace a na čistírnách odpadních vod je to charakteristické prostředí pro nitrifikaci [2]. ORP v tomto případě nabývá kladných hodnot [3].

Pokud je kyslík přítomen pouze ve formě vázané, pak se jedná o prostředí anoxické. Takové prostředí zajišťují sloučeniny dusíku. Konečným akceptorem elektronu je dusitanový a dusičnanový dusík. Tyto podmínky jsou charakteristické pro denitrifikaci [2]. ORP se pohybuje od 150 mV po 250 mV. Ve starší literatuře se mnohdy uváděly hodnoty od −50 mV po 50 mV, ty však byly vztaženy k chloridostříbrné elektrodě [3].

Anaerobní prostředí je pak takové, kde se kyslík nevyskytuje v molekulární formě, ani ve formě NO³⁻ nebo NO²⁻ [1]. Elektrony jsou akceptovány organickou látkou, která je z části oxidována a z části redukována [2]. Hodnoty ORP se v anaerobních podmínkách pohybují v záporných číslech, většinou kolem −300 mV. Toto prostředí je vhodné pro vznik sulfanu [3].

Podle hodnot oxidačně-redukčního potenciálu uvedených v Tab. 1 lze tato prostředí také rozdělit. Hodnoty v Tab. 1 jsou v přepočtu ke standardnímu potenciálu vodíkové elektrody.

Faktor 1: Stav kanalizačního systému

Další faktor ovlivňující kvalitu odpadní vody je samotný návrh kanalizačního systému a jeho celková délka. Správný návrh by měl zajistit rychlé a bezpečné odvedení odpadních vod z domácností a průmyslových podniků. Vlivem stáří, nedodržených postupů při výstavbě nebo působením okolního prostředí (například otřesy od vozidel, prorůstání kořenů stromů apod.) může docházet k poškození kanalizačních systémů. To způsobuje snížení průtočnosti profilu stoky, infiltraci odpaní vody do půdního prostředí, tvorbu sedimentů a překážek. Sedimenty pak často zahnívají, vznikají anaerobní podmínky a tím i další zdroj zápachu.

Faktor 2: Charakter odpadní vody

V každém kanalizačním řádu i v NV č. 401/2015 Sb. jsou uvedeny látky a jejich koncentrace, které není možné do kanalizace vypouštět. Dodržování těchto dokumentů je pak věc druhá. Průmyslové podniky je musí také respektovat a v případě nutnosti odpadní vodu před vypouštěním do kanalizace předčistit.

Z Tab. 2 je patrné, že na kvalitě odpadní vody se podílí i způsob jejího odvádění. Gravitační kanalizace je z hlediska negativního vlivu na vypouštěné odpadní vody nejpříznivější. Pokud se v rámci kanalizačního sytému objevují čerpací stanice, pak představují možný zdroj zhoršení kvality vody.

Alternativní způsoby odkanalizování zapříčiňují horší kvalitu odpadní vody, což dokazují vyšší hodnoty koncentrací všech základních ukazatelů znečištění (také Tab. 2). Kvůli delší době zdržení a vyššímu počtu čerpacích stanic je pro vznik anaerobních podmínek více náchylná především tlaková kanalizace.

Faktor 3 a 4: Teplota a pH

Zákon č. 254/2001 Sb. považuje za odpadní vodu takovou, u které došlo ke změně vlastností ve složení, ale i teplotě. Především vyšší teplota odpadní vody (například vypouštěné chladící vody apod.) je schopna zapříčinit vznik dalších nežádoucích reakcí a procesů. Hodnota rozpuštěného kyslíku s rostoucí teplotou klesá, což je patrné z následující Tab. 3. Zároveň dochází ke zvýšené spotřebě kyslíku pro biologické procesy a tím je podpořen vznik anaerobního prostředí.

S teplotou odpadní vody souvisí i pH a množství a druhy bakterií a mikroorganismů. Odpadní vody běžné kvality vykazují mírně alkalické pH (7–8) [5]. Většina chemických, fyzikálně-chemických a biologických procesů je touto hodnotou ovlivněna.

Faktor 5: Doba zdržení

Velký vliv na kvalitu odpadní vody a množství kyslíku v ní má především doba zdržení v kanalizačním systému. To souvisí s celkovou délkou kanalizace a s kanalizačními objekty. Zdrojem těchto problémů jsou často čerpací stanice, ve kterých dochází k akumulaci odpadní vody.

Ideální doba zdržení v ČS je do 2 hodin. Při delším zdržení je zapotřebí brát v potaz další okolní vlivy a objekt kontrolovat. Dle normy ČSN EN 16932-1 by doba zdržení neměla být delší než 8 hodin. Pokud se odpadní voda zdržuje v objektech déle, pak je zapotřebí navrhnout speciální opatřením [6]. Pro zlepšení nebo udržení kvality odpadní vody je důležité správné nastavení spínání čerpadla.

Důsledky anaerobního prostředí

Anaerobní prostředí má za následek vznik sulfanové koroze cementových materiálů, vznik nadměrného zápachu a znesnadňuje čištění odpadních vod na čistírnách. Tyto problémy často souvisí s vyššími teplotami během léta, ztěžují provozování stoky a zkracují životnost materiálů. Při poškození kanalizačního systému je pak nutná častější obnova stoky. Níže jsou popsány dva hlavní důsledky anaerobních podmínek, které souvisí se stokovou sítí.

Biogenní síranová koroze

V odpadních vodách, které vykazují značně záporné ORP, může docházet k oxidaci sloučenin síry na sírany a redukčními reakcemi pak vzniká sulfan. Ten poškozuje vlhká, ale nezatopená místa potrubí, šachet a dalších objektů s cementovým pojivem. Sulfidická síra je pomocí bakterií oxidována až na kyselinu sírovou. Tím dochází ke značnému snížení pH a poškození konstrukcí [3]. Na následujícím Obr. 2 je viditelné značné poškození touto korozí na pouze 10 let starých šachtách, do kterých je zaústěna tlaková kanalizace (předávací šachty).

Zápach

Nedostatek kyslíku v odpadních vodách způsobuje značný zápach na stokové sítí, což může být mnohdy nepříjemnou záležitostí pro samotné obyvatele. Vlivem různých reakcí vznikají v kanalizaci nežádoucí plyny, jejichž druh a množství je ovlivněno mnoha faktory. Nejznámější z nich je již zmíněný sirovodík, který má charakteristický pach po zkažených vejcích.

Vnímání zápachu je velmi individuální. U kanalizací se ze zápachem pojí právě sulfan. Jeho koncentrace se při měření udává v jednotkách ppm (parts per million). Vyhláška č. 415/2012 Sb. udává přepočet. Konkrétně 10 mg m⁻³ by mělo odpovídat 7,1 ppm [7].

3. Metodika

Bylo provedeno měření oxidačně-redukčního potenciálu v čerpací stanici na konci obce, která nemá svou vlastní čistírnu odpadních vod. V obci žije asi 4 000 obyvatel, jsou tam dva průmyslové podniky a kanalizace je jednotná. Sonda byla nainstalována za mechanické předčištění na nátoku do čerpací stanice. Měření probíhalo na konci měsíce srpna (celkem 8 dní), kdy se teploty vzduchu pohybovaly i nad 30 °C. Při měření byla použita sonda HQ40D od firmy Hach [8].

4. Výsledky

V Obr. 3 je zpracovaný graf z výše popsaného měření. V grafu je zobrazen záznam z ORP sondy umístěné na přítoku do ČS v průběhu osmi srpnových dnů.

V Tab. 4 jsou číselně shrnuty naměřené hodnot veličin ORP a teploty. Je zde uvedena průměrná hodnota oxidačněredukčního potenciálu i teploty, medián ORP i teploty a maximální i minimální záporná hodnota ORP a k ní příslušná teplota odpadní vody (naměřená ve stejném okamžiku).

5. Diskuse

Průměrné a extrémní hodnoty jsou více specifikovány v Tab. 4. Za 8 dní měření se ani jednou nedostala hodnota ORP do kladné oblasti. Nejvíc se přiblížila zápornou hodnotou −167,4 mV. Nejvíce záporná hodnota pak dosáhla −530,7 mV. Z naměřených hodnot je patrné, že odpadní voda je již na přítoku do ČS anaerobní a není v ní tedy přítomen žádný kyslík. Způsobuje to především odkanalizování rozsáhlé oblasti, částečné odkanalizování města tlakovou kanalizací, čerpací stanice na stoce a špatný stav kanalizační sítě.

Předcházení vzniku anaerobních odpadních vod a možná řešení

Při správném návrhu a výstavbě kanalizace a souvisejících objektů by odpadní voda neměla být anaerobní. Důležitý je také řádný provoz a pravidelná kontrola celého systému.

Pro zlepšení kvality odpaní vody a odstranění výše popsaných problémů by bylo vhodné přistoupit k dávkování vybraných chemikálií nebo k provzdušňování odpadní vody, což probíhá v šachtách nebo v čerpacích stanicích. Prvně je důležité na síti vytipovat místo, kde odpadní voda ztrácí požadovanou kvalitu. Pokud by to byla jedna z čerpacích stanic na stokové sítí (ještě před místem našeho měření), pak případně přenastavit četnost spínání čerpadla nebo právě sem osadit kompresor či dávkování chemikálie. Určitě je vhodné při použití jakýchkoli opatření měřit hodnoty ORP (případně i sulfanu), aby bylo zřejmé, zda mají zvolené metody dostačující účinnost.

Při výběru chemikálií je rozhodujícím faktorem často cena, způsob skladování a manipulace, účinnost odstranění sulfanu a jeho celková koncentrace. Aby se zápach nešířil z odpadní vody dál vzduchem, odstraňuje se většinou pomocí biofiltrů s různými náplněmi, praček vzduchu, adsorpcí nebo maskováním [9]. Provzdušňování se využívá především na tlakových částech potrubí nebo v ČS. Pokud ale přitékající voda vykazuje anaerobní vlastnosti, pak je snaha o zlepšení její kvality pomocí kompresoru zbytečná [9].

6. Závěr

Každý provozovatel kanalizace by měl znát problematická místa na stokové síti a předcházet tak komplikacím, které mohou v rámci odvádění odpadních vod vznikat. Vždy je lepší jakýmkoli problémům přecházet než řešit případné následky. Odstranění nadměrného zápachu a udržení dobré kvality odpadní vody není vždy jednoduchou záležitostí a často jsou tyto kroky i finančně nákladné.

Z článku vyplývá, že dlouhé zdržení odpadních vod v kanalizačním systému způsobuje několik problémů a je potřeba se jimi zabývat. Provozovatel by měl určitě zavést některá ze zmíněných opatření a zlepšit tak kvalitu odpadní vody. Tím zajistí delší životnost kanalizačního systému a zabrání vzniku nepříjemného zápachu, který se šíří městem především v letních měsících.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci standardního projektu FAST-S-20-6314 „Vybrané problémy vodního hospodářství obcí“.

Použité zdroje

1. MALÝ, Josef a Jitka MALÁ, c2006. Chemie a technologie vody. 2., dopl. vyd. Brno: ARDEC. ISBN 8086020509.
2. ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD JAKO NÁSTROJ K OCHRANĚ ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ V ZEMĚDĚLSKÉ PRAXI A NA VENKOVĚ: Ministerstvo zemědělství ČR [online]. In: . Brno 2007, s. 58 [cit. 2020-11-18]. Dostupné z:
   https://eagri.cz/public/web/file/26962/cisteni_odpadnich_vod.pdf
3. PITTER, Pavel. Hydrochemie. 4., aktualiz. vyd. Praha: Vydavatelství VŠCHT Praha, 2009. ISBN 978-80-7080-701-9.
4. HLUŠTÍK, P.; RACLAVSKÝ, J. Water quality comparison for various drainage systems for 2000 equivalent population. In Advances in Environmental Engineering 2019. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Bristol, UK: IOP Publishing, 2020. s. 1–6. ISSN: 1755-1315.
5. PYTL, Vladimír. Příručka provozovatele čistírny odpadních vod. 2. vyd. Líbeznice: Medim pro SOVAK ČR, c2012. ISBN 978-80-87140-26-0.
6. ČSN EN 16932-1, Venkovní systémy stokových sítí a kanalizačních přípojek – Čerpací systémy Část 1: Obecné požadavky. Praha: Český normalizační institut, 1998.
7. Vyhláška č. 415/2012 Sb., vyhláška o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší.
8. ŽÍLA, Radim Možnosti odstranění zápachu na stokové síti. Brno, 2018. 95 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí. Vedoucí práce doc. Ing. Petr Hluštík, Ph.D.
9. HLUŠTÍK, Petr, Ivo KORYTÁŘ, Stanislav MALANÍK a Petr HLAVÍNEK. Eliminace zápachu ze stokové sítě. Vodovod.info [online]. 30. 9. 2017 [cit. 2018-12-04]. Dostupné z:
   https://www.vodovod.info/index.php/kanalizace-a-cov/378-eliminace-zapachu-zestokovesite#.YYme47qLqHt