Variantní testování čištění a rekuperace tepla šedých odpadních vod

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

1. Úvod

Role udržitelného hospodaření s vodou a tepelnou energií se z hlediska ochrany životního prostředí ve světě neustále zvyšuje. Přičemž efektivní rekuperací tepla z odpadní vody lze ušetřit až 40 % celkové tepelné energie vyrobené v domácnostech, která představuje zdroj tepla opětovné využití energie pro jiné účely. [2] V rámci projektu „Získávání a využití teplené energie z odpadní vody v kombinaci s využitím vyčištěné vody“ je v současné době v laboratorních podmínkách na AdMaS VUT v Brně testována kombinace dvou technologických přístupů rekuperace tepla z odpadní vody společně jejím variantním vyčištěním na dvou technologických linkách a znovuvyužitím jako zdroje pro nepitné účely.

Předmětem testování jsou technologické (TG) celky složené ze sprchového koutu (zdroj šedé odpadní vody, dále ŠV), horizontálního tepelného výměníku ve vaničce sprchového koutu, pískové filtrace, membránové filtrace a spirálového tepelného výměníku v reaktoru membránové filtrační jednotky.

Cílem testování je ověření účinnosti čištění šedé vody (ČŠV) technologickým postupem s pískovou a membránovou filtrací (MBR – membránový bioreaktor) a ZZTOV pomocí tepelného výměníku ve sprchové vaničce (decentralizovaný systém) a spirálovým tepelným výměníkem v reaktoru membránové filtrační jednotky (centralizovaný systém). Na základě laboratorního testování je sestaven prototyp jednotky: tepelný výměník v kombinaci s technologií čištění odpadní vody pro testování v reálných podmínkách rodinného domu. Využití těchto technologií bude optimalizováno s ohledem na minimalizaci nákladů na jejich instalaci a maximalizaci účinnosti zpětného zisku tepelné energie z OV. Cílem řešení projektu je technologický výrobek určený pro zpětné získávání tepelné energie (ZZTOV) z odpadních vod (v kombinaci s čištěním odpadních vod pro další využití.

Předmětem tohoto příspěvku je představení metodických postupů při řešení projektu a variantním testování technologie čištění a rekuperace tepelné energie z ŠV.

2. Metodický postup testování

Laboratorní testování vyžaduje nejen návrh TG celků a vypracování projektové dokumentace, ale také stanovení metodického postupu pro zajištění provozuschopnosti testovací jednotky, definici sledovaných parametrů, četností a pokynů pro odběry vzorků a přístupu pro zpracování dat. Tato kapitola představuje stručný souhrn těchto pokynů.

Testovací kolo

Pro účely testování bylo definováno Testovací kolo (TK) s N-počtem (N ≥ 5) sprchovacích cyklů (SC), které je dále charakterizováno konkrétní variantou zapojení TG celků. Po uplynutí každého TK je proveden fyzikální a chemický rozbor vzorků ŠV na přítoku ČŠV a vyčištěné bílé vody.

Sprchovací cyklus krátký (SCK) je definován spotřebou vody 40 l a představuje 1/2 sprchovacího cyklu. Při maximálním průtoku vody 8 l‧min⁻¹ úspornou sprchovou hlavicí je délka sprchovacího cyklu stanovena na 5 min.

Sprchovací cyklus dlouhý (SCD) je definován spotřebou vody 80 l a představuje 1 sprchovací cyklus. Při maximálním průtoku vody 8 l‧min⁻¹ úspornou sprchovou hlavicí je délka sprchovacího cyklu stanovena na 10 min

Základní technologické a ovládací prvky

Pro zajištění kontinuálního provozu v rámci testování TG celků je v sestavě instalován sprchový kout s horizontálním trubkovým tepelným výměníkem AS-ECOshower tray a MBR s integrovaným spirálovým výměníkem vč. dmychadla, přečerpávací jednotka se zaústěním na svíčkový filtr, pískový filtr, UV lampa, a především kompaktní ultrazvukové měřiče a tepelná čidla.

Obr. 1 Schéma zapojení technologických prvků do TG celků, legenda schéma je vlevo nahoře

Technologické celky jsou kombinaci ventilů, ultrazvukových průtokoměrů a teploměrů, manometrů a teplotních čidel po celé trase. Podle schématu zapojení celku (Obr. 1), má každý prvek své označení písmenem nebo číslem. Přečerpávací jednotka čerpá odpadní vodu z vaničky sprchového koutu variantně na pískový filtr (Obr. 2 vlevo) nebo do MBR (Obr. 2 vpravo).

Obr. 2 Vlevo fotografie sprchového koutu a pískového filtru testovacího celku, vpravo detail provzdušňování MBR, fotografie pořízené na AdMaS VUT v Brně

Odběry a rozbory vzorků

V rámci jednotlivých variant zapojení TG celku je testována účinnost ČŠV, pro jejíž vyhodnocení je prováděn fyzikální, chemický a mikrobiologický rozbor.

Testované ukazatele jsou rozděleny do dvou skupin (A, B) dle tabulky Tab. 1, jejichž analýza je prováděna z jednoho společného vzorku na Fakultě chemické VUT v Brně.

Po odebrání vzorků je však nutné okamžitě provést jejich analýzu a stanovit pH [–], teplotu [°C], redox potenciál U [mV], salinitu [–], konduktivitu [μSꞏcm⁻¹] a specifický odpor [Ωꞏcm]. Pro analýzu těchto ukazatelů je využíván laboratorní měřič s pH a ORP elektrodami a vodivostní elektrodovou celou.

3. Varianty testování technologických celků

Sprchový kout se zabudovaným výměníkem odvádí šedou vodu do přečerpávací jednotky, která následně distribuuje OV přes svíčkový filtr variantně na čištění pomocí:

• pískového filtru (ČŠV PF);
• membránové jednotky s integrovaným spirálovým výměníkem (MBR jednotka – ČŠV MBR).

Rozdělovací prvek obou větvích je řešen pomocí kulových ventilů. Ty jsou propojeny reakční pákou pro zajištění průchodnosti systému.

ČŠV PF: OV je dopravována do distribučního potrubí, které má za spodu ve stejné rozteči „vypouštěcí“ otvory. Díky tomuto systému vstupuje odpadní voda do pískového filtru rovnoměrně po celé ploše filtru. Následně protéká odpadní šedá voda přes sorpční náplň. Součástí pískového filtru je odtoková komora pro odběr vzorků.

ČŠV MBR: V reakční nádrži je osazen membránový modul, v jehož spodní části je zaústěn aerační systém. Nad membránovým modulem je umístěno čerpadlo, které podtlakem odsává vodu přes membrány a odvádí již vyčištěnou vodu do odtokového potrubí. Impulz odtahu je dán plovákovým senzorem. Za výtlakem z nádrže je umístěno odběrné místo.

Vyčištěná bílá voda dále ústí do odpadu přes lopatkový vodoměr a následnou UV lampu zajišťující tzv. terciární čištění – hygienizaci. Za UV lampou je umístěné, v systému poslední, odběrné místo pro porovnání kvality bílé vody po terciálním čištění.

V testovacím režimu je dále uvažováno se třemi způsoby přívodu pitné a teplé užitkové vody do sprchy. Pomocí kulových ventilů je voda usměrňována na požadované nastavení. Ve všech způsobech zapojení je sledován průtok a teplota pomocí kompaktního ultrazvukového měřiče. Jednotlivé způsoby zapojení přívodu pitné a teplé užitkové vody jsou v rámci TG celku označeny barevnými šipkami následovně:

• přívod pitné vody bez rekuperace tepla;
• přívod přes horizontální sprchový výměník tepla;
• přívod přes spirálový výměník tepla s možností trasy přes horizontální sprchový výměník tepla.

Přívod pitné vody bez rekuperace

Základním nastavením je přímý přívod vody z řadu do elektrického bojleru. Trasa tohoto přívodu je označena bílými šipkami s černým obrysem (Obr. 3 vlevo). Ostatní větve jsou uzavřeny kulovými ventily pro zajištění správného toku média.

Jedná se o běžný koncept zapojení sprcha + boiler bez využití odpadního tepla. V rámci projektu slouží daná dispozice k získání základních údajů pro srovnávání účinností jednotlivých tepelných výměníků.

Přívod přes sprchový výměník tepla

Černě označená trasa přivádí pitnou vodu z řadu přes horizontální výměník (Obr. 5 uprostřed). Předehřátá voda je následně přiváděna variantně:

• A: přímo do zdroje tepla – elektrického bojleru;
• B: přímo do baterie;
• C: kombinace variant A i B.

U varianty A je uzavřený ventil před šedou šipkou s černým obrysem směřující do termostatické sprchové hlavice. Otevřena je tedy pouze černými šipkami označená trasa.

V případě varianty B je uzavřena část trasy se černými šipkami za úrovní šedé šipky s černým obrysem. Varianta C by měla zajišťovat nejefektivnější využití tepelného horizontálního výměníku. V této variantě jsou otevřeny, jak černá, tak šedá s černým obrysem.

Přívod přes spirálový výměník tepla (s možností kombinace se sprchovým výměníkem tepelné energie)

Trasa směřující do spirálového výměníku je označena šedými šipkami (Obr. 5 vpravo). Nejprve se pitná voda z řadu předehřívá ve výměníkové spirále umístěné v membránové jednotce čistící šedou odpadní vodu.

Předehřátá voda je přiváděna variantně:

• D: přímo do zdroje tepla – elektrického bojleru;
• E: přímo do baterie (šedá šipka s černým obrysem);
• F: kombinace variant D i E.

U varianty D je uzavřený ventil před šedou šipkou s černým obrysem šipkou směřující do termostatické sprchové hlavice. Otevřena je tedy pouze černými šipkami označená trasa. V případě varianty E je uzavřena část trasy se černými šipkami za úrovní zelené šipky. Varianta F by měla zajišťovat nejefektivnější využití spirálového tepelného výměníku.

Další výměníková trasa přívodu pitné vody do spirálového výměníku vede v kombinaci přes horizontální výměník trasou označenou kombinací šedých a černých šipek. Za horizontálním výměníkem je kombinovaně předehřátá voda následně přiváděna variantně:

• G: přímo do zdroje tepla – elektrického bojleru;
• H: přímo do baterie (šedá šipka s černým obrysem);
• I: kombinace variant G i H.

Obr. 3 Variantní zapojení systému rekuperace v rámci TG celků (vlevo bílá trasa, uprostřed černá trasa, vpravo šedá trasa), fotografie pořízené na AdMaS VUT v Brně

4. Závěr

Aplikace technologie znovuvyužití odpadní vody představuje ekonomické a ekologické hospodaření s vodou s významnou úsporou pitné vody a tepelné energie. Příspěvek popisuje průběh laboratorního testování technologických celků zahrnujících variantní zapojení technologie čištění a rekuperace tepla z odpadní vody v prostorách AdMaS VUT v Brně. Na základě výsledků z testování je navržen a sestaven prototyp zařízení kombinující oba přístupy k znovuvyužití odpadní vody, který je dále testován v reálném provozu.

Poděkování

Tento článek byl vytvořen s finanční podporou TA ČR v rámci řešení projektu TJ02000190 Získávání a využití tepelné energie z odpadní vody v kombinaci s využitím vyčištěné vody a finanční podporou Vysokého učení technického v Brně v rámci řešení standardního specifického projektu FAST-S-20-6314 Vybrané problémy vodního hospodářství měst a obcí.

Použité zdroje

1. ČSN EN 16147. Tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory – Zkoušení, hodnocení výkonnosti a požadavky na značení jednotek pro teplou užitkovou vodu. Česká technická norma (ČSN), 2018.
2. ŠEVELA, Pavel. Zpětné získávání tepla z odpadní vody – ZZTOV: Principy a doporučení pro plánování pro lokální jednotky. In: Asionále 2018 [online]. 12. 4. 2018, s. 10