Každý devátý člověk na planetě nemá v blízkosti svého domova přístup k čisté vodě. A situace se neustále zhoršuje. Zachrání technologie čištění a recyklace vody lidstvo?
Podle odhadů OSN bude v roce 2050 na Zemi žít 9,8 miliardy lidí. Klimatické změny, stejně jako rozvoj zemědělství a průmyslu k uspokojení potřeb stále rostoucí populace, povedou k vážnému omezení dostupných vodních zdrojů. Podle výzkumného projektu WaterAid žije již 60 % světové populace v oblastech, kde dodávky vody nemohou nebo brzy přestanou uspokojovat poptávku. Vodní krize je nejakutnější na Blízkém východě, ve střední Asii a severní Africe. V horizontu prognózy do roku 2040 se Rusko nachází v zóně nízkého a středního rizika.
Foto: World Resources Institute
Hlavní trendy na trhu
Vyspělé i rozvojové země čelí jednomu společnému problému – rostoucímu objemu průmyslových a komunálních odpadních vod. To zase povzbuzuje vývojáře z různých zemí k hledání nových a stále pokročilejších technologií čištění vody. Tradiční metody čištění zahrnuje použití adsorbentů, reverzní osmózu, iontovou výměnu a elektrostatické srážení. Jejich nevýhodou je vysoká cena, špatná znovupoužitelnost a nízká účinnost. Navzdory pokroku dosaženému ve vývoji nových technologií za poslední desetiletí je jejich použití omezené především kvůli materiálovým vlastnostem a ceně. Podle analytické agentury Mordor Intelligence byl v roce 2020 celosvětový trh s technologiemi na čištění vody odhadován na 50,5 miliardy USD. Do roku 2026 bude trh růst přibližně o 7 % ročně kvůli rychle ubývajícím zdrojům sladké vody po celém světě. Roste také poptávka ze strany developerů ložisek břidlicových uhlovodíků, výrobců biopaliv atd.
Pandemie COVID-19 měla negativní dopad na trh. Ale také to vedlo ke vzniku nové technologie, která dokáže detekovat koronavirus v odpadních vodách. Metoda měří přítomnost SARS-CoV-2 RNA genetického materiálu (ribonukleové kyseliny) v lidských výkalech v systému sběru odpadních vod. Studie v Nizozemsku prokázaly vztah mezi množstvím virového materiálu v odpadních vodách a počtem případů infekce v dané oblasti a pomohly sledovat epidemiologickou situaci a vývoj virů. Tato technika byla také testována v roce 2020 ve více než 40 státech Ameriky a na University of Arizona pomohla zabránit propuknutí koronaviru, kde byli identifikováni dva asymptomatičtí lidé. Uveďme pět nejinovativnějších, podle našeho názoru, technologií čištění vody.
1. Oddělení membrán
Jedná se o starou a oblíbenou metodu čištění vody od nečistot a škodlivin. Existuje mnoho technologií, které fungují jako filtr: propouštějí vodu přes film s mikroskopickými otvory. Voda prochází skrz a částice nečistot ulpívají na membráně. Moderní membránové separační metody, jako je reverzní osmóza (odstraňuje částice i o velikosti 0,001-0,0001 mikronu – soli tvrdosti, sírany, dusičnany, sodné ionty, barviva atd.), dokážou vyčistit vodu od 99,5 % nečistot. Ale k tomu musí být velikost pórů menší než mikron. Hlavní nevýhodou technologie jsou vysoké náklady na údržbu (membrány se často ucpávají).
2. Ozáření
Jak název napovídá, tento proces spoléhá na vystavení odpadních vod radiaci, aby se zničily organické znečišťující látky. Zdroje záření sahají od gama záření po ultrafialové světlo. K dezinfekci se běžně používá ozařování, ale některé metody, jako je ionizační ozařování, v kombinaci s přídavkem ozonu nebo peroxidu vodíku, zlepšují účinnost rozkladu organických kontaminantů, včetně pesticidů a fenolů. Moderní UV systémy ošetření nabízejí použití LED lamp. Nyní se takové lampy začínají aktivně zavádět v sektoru veřejných služeb a jsou také používány NASA v kosmickém vývoji agentury.
Druhou metodou je hydrooptická technologie. Umožňují vícenásobné využití energie fotonů, protože ultrafialové paprsky se odrážejí od stěn křemenné komory. To zvyšuje účinnost dávky UV pro zabíjení komplexních virů, jako je koronavirus nebo adenovirus.
Artur Dushenko, hlavní inženýr společnosti VODACO, Rusko: „Viry a bakterie vstupující do nádrží s odpadní vodou se následně mohou dostat do veřejných vodovodních systémů ve stejné nádrži. Moderní systémy dezinfekce činidel používající chlornan sodný nebo kapalný chlór nejsou schopny neutralizovat všechny bakterie, protože mnohé z nich, jako je Cryptosporidium nebo Giardia (cryptosporidium nebo lamblia. – Trendy RBC), jsou odolné vůči chlóru stejně jako komplexní formy virů – adenovirus a koronavirus (jako nápadný příklad – SARS-CoV-2). UV dezinfekční systémy založené na technologii HOD UV poskytují dávku dopadu na tyto mikroorganismy 120 mJ/cm2 a vyšší – to je nezbytná podmínka pro neutralizaci viru, zničení řetězce RNA a inhibici schopnosti zotavení. V Rusku je norma expozice omezena na legislativní úrovni – 30 mJ/cm2.“
3. Čištění nanočásticemi
Lidé již dlouho používali látky, jako je dřevěné uhlí, k čištění vody pomocí adsorpce. Čištění nanočástic využívá stejnou mechaniku, ale s nanočásticemi. Různé typy nanomateriálů – kovové nanočástice, nanosorbenty, bioaktivní nanočástice, nanofiltrační (NF) membrány, uhlíkové nanotrubice (CNT), zeolity a jíl – se ukázaly jako účinné materiály pro čištění odpadních vod. Jejich použití eliminuje pesticidy a těžké kovy ve vodě. Uhlíkové nanotrubice jsou také považovány za průlomovou technologii pro odsolování mořské vody na pitnou. Hlavní nevýhodou technologie je cena.
4. Bioaugmentace
Metoda organického čištění zahrnuje přidání směsi mikroorganismů do vody, která ničí a odstraňuje kontaminanty. Mezi tyto mikroorganismy patří enzymy a neškodné bakterie, které přirozeně rozkládají znečišťující látky, jako jsou oleje nebo uhlíkové produkty. Ale bioaugmentace může ovlivnit ekosystém mikroflóry a v důsledku toho narušit proces čištění. Tuto technologii tedy zatím nelze využít k získávání pitné vody.
Bacilli. Používá se při rafinaci oleje k odstranění chinolinu (Foto: Mauritius Images / Science Source / Nano Creative)
5. Bioaugmentace membrán
Membránové bioreaktory (MBR) jsou hybridní technologií, která zahrnuje membránovou separaci a bioaugmentaci. Odpadní voda po biologickém čištění pomocí aktivovaného kalu je přiváděna do nádoby zvané bioreaktor. Tato nádrž obsahuje membrány, které oddělují odpadní vodu na dva proudy – aktivovaný kal, který se znovu používá k biologickému čištění, a čistou vodu. Dva hlavní typy MBR na trhu jsou vakuové (neboli gravitační) průtokové systémy a tlakové systémy. Vakuové systémy jsou ponořeny do vody a mají membrány instalované buď uvnitř bioreaktorů nebo v následné nádrži. Druhým typem MBR, kde je průtok řízen tlakem, jsou systémy vložek ve zkumavce umístěné mimo bioreaktor. Výhodou membránové bioaugmentace je malá plocha pro biologické ošetření. Reaktory MBR zvyšují kapacitu zpracovatelských zařízení, aniž by zvětšovaly plochu konstrukcí.
Membránové bioreaktory pro čištění odpadních vod (Foto: American Association of Membrane Technologies)
- Mechanická úprava zahrnuje rošty, lapače písku, usazovací nádrže včetně lisování a promývání odpadů (dodatečný vstup organických látek do odpadních vod) a předfermentaci surového kalu ve fázi usazování (nárůst těkavých mastných kyselin).
- Biologická léčba je založena na schématech UCT (University of Cape Town Technology) a JHB (University of Johannesburg Technology).
- K odstranění fosfátů se používá chemické ošetření. Použitým činidlem je síran hlinitý.
Vzhledem k tomu, že v Petrohradu není nedostatek vody, město nemá ani opětovné použití vyčištěné vody, ani neplánuje používat takové technologie.“
Nutnost skrze hnus
Opětovné použití odpadních vod pro zavlažování a jiné nepitné účely se stalo běžnou záležitostí a je tomu tak již po desetiletí. Například v Izraeli se téměř 90 % odpadních vod země znovu využívá v zemědělství.
K čištění odpadních vod na pitnou vodu je zapotřebí spolehlivé technologické schéma, které zahrnuje minimálně pět stupňů. Austrálie, Singapur, Namibie, Jižní Afrika, Kuvajt, Belgie, Velká Británie a USA (Kalifornie a Texas) znovu využívají upravenou odpadní vodu v kvalitě pitné. V těchto zemích se vyčištěná voda používá k doplňování podzemních nebo povrchových vodních zdrojů (přehrad).
Říční voda používaná v různých městech jako pitná voda obsahuje velké objemy odpadních vod. Recyklovaná voda je pitná, ale někteří lidé se nemohou ubránit znechucení. Čas od času se po celém světě konají kampaně na překonání psychologických bariér. Zakladatel Microsoftu Bill Gates tak vypil sklenici tekutiny, která byla zpracována z lidských výkalů na pitnou vodu pomocí Omniprocessor technologie Nadace Billa a Melindy Gatesových. A francouzská společnost Veolia rozjela v Česku společný projekt s pivovarem Čížová, který vařil pivo z recyklovaných odpadních vod.
Lidské tělo obsahuje více než 50 % vody. Kvalita konzumované tekutiny má proto na naše zdraví významnou roli. Voda obsažená v lidském těle se od běžné vody liší, svou strukturou připomíná spíše led. Uvedení spotřebované kapaliny do tohoto stavu provádí tělo nezávisle. Pokud pravidelně konzumujete nekvalitní vodu, může to vyvolat nevratné negativní procesy ve vývoji těla. Například škodlivé nečistoty mohou změnit buněčnou strukturu, a tím způsobit předčasné stárnutí.
Co může způsobit znečištění vody?
Škodlivé látky se mohou do vody dostat přirozeně nebo v důsledku lidské činnosti. Celkem je zde více než 400 zdrojů umělého znečištění.
Obvykle je lze rozdělit do několika skupin:
- Fyzikální, například v důsledku radiačního znečištění;
- Chemické – pesticidy, kovy, olej;
- Biologické – různé mikroorganismy a bakterie.
Přírodními zdroji kontaminace sladkých vod jsou nejčastěji podzemní vody, které obsahují vysoký obsah minerálních látek, a také mořská voda, která se dostává do podzemních zdrojů. Podzemní i nadzemní vody jsou náchylné ke znečištění. První možnost je nejnebezpečnější, protože v tomto případě voda bez čištění přes studny a studny končí k dispozici lidem. Je třeba počítat i s tím, že kontaminovaná voda se může šířit od zdroje znečištění na desítky kilometrů.
Jaký vliv má neupravená voda na lidský život?
V závislosti na druhu a množství nečistot může být voda využívána lidmi pro potravinářské a domácí účely. Ale kvůli zhoršení její kvality je vhodné používat vodu bez nečistot. Podívejme se na několik nejoblíbenějších typů znečištění vody a také na důsledky lidské spotřeby takové vody:
- Suspendované látky nerozpustné ve vodě (písek, jíl atd.). Taková voda má zakalenou barvu a je nevhodná pro použití k různým účelům;
- Přírodní a člověkem vyrobené organické látky, například produkty rozkladu a živočišný odpad, kyseliny, olej. Taková voda se vyznačuje nepřirozenou barvou a zápachem a je nevhodná ke konzumaci;
- Bakterie a mikroorganismy. Vzhledem k tomu, že vizuálně se taková voda jeví jako čistá a průhledná, lze jejich přítomnost detekovat pouze v laboratoři. Výsledkem pití takové vody jsou střevní infekce, otravy atd.;
- Soli vápníku a hořčíku ve velkém množství. Neustálá konzumace takové vody může vést k usazování kamenů;
- Mangan a železo. Při neustálé konzumaci takové vody se zvyšuje riziko kardiovaskulárních onemocnění;
- Amoniak, dusičnany. Ve vysokých koncentracích mohou způsobit rakovinu;
- Sirovodík. Tato voda má nepříjemný zápach a je nevhodná k použití.
Metody úpravy vody
Vzhledem k vysoké úrovni produkce, která je hlavním zdrojem znečištění vod, nemají vodní plochy čas se samy čistit. Proto se ve výrobě, ve vodárenských zařízeních a v čistírnách instalovaných doma používají různé metody čištění.
Lze je rozdělit do dvou velkých skupin:
- Destruktivní, zaměřené na ničení znečišťujících látek;
- Regenerační, které slouží nejen k odstranění nežádoucích faktorů, ale také k jejich extrakci pro další použití. Chemické prvky jsou totiž pro průmysl cennými surovinami.
Z hlediska použitých technik se rozlišují tyto metody:
- Mechanické;
- Fyzikální a chemické;
- Biologické.
Zvažte je podrobněji.
Mechanické metody čištění vody
Podstatou těchto metod je odsávání mechanických nečistot, které lze odstranit bez použití speciálních prostředků (hlína, písek, rez). Tyto metody zahrnují soubory opatření, včetně procesu cedění, usazování a filtrování. V tomto případě se čištění provádí přes filtry, ve kterých jsou instalovány filtrační materiály. Výběr materiálu závisí na stupni zakalení vody a přiváděných objemech. Proto typ vhodného zařízení určuje odborník.
Nejčastěji se používají dva typy filtračních médií:
- Napínání. Voda prochází porézním materiálem, který zachycuje částice větší než póry;
- Filmová filtrace. Tato metoda je spolehlivější, protože zachycují menší částice.
Metody mechanického čištění jsou nejlevnější. Jejich účinnost není absolutní, ale je odstraněno až 65 % nežádoucích nečistot. Je to výborná příprava na další čištění.
Fyzikálně-chemické metody
Tyto metody se používají k odstranění nejen kapalných a pevných částic, ale také plynů, organických a minerálních prvků. Používají se pro čištění odpadních vod ve velkých průmyslových odvětvích.
Existuje několik přístupů k těmto metodám:
- Koagulace. V tomto případě se do vody přidává koagulant – speciální látka, která se spojuje s malými částicemi v kapalině. V důsledku této reakce se tvoří sraženina, která může tvořit až 20 % celkového objemu. Poté se odstraní fyzikálními metodami;
- Flokulace, což je druh koagulace. Používá se ke zvýšení koagulačního účinku. V tomto případě dochází k rychlejší tvorbě sedimentu při menším použití koagulantu;
- Adsorpce. Podstatou metody je neutralizace nežádoucích nečistot jejich pohlcováním. K tomu se používá adsorbent, kterým prochází kontaminovaná voda. Účinnost této metody může dosáhnout 90%;
- Flotace. Tato metoda se používá k odstranění ropných produktů a olejů. Pro čištění se do kapaliny zavádějí bubliny plynu, které přitahují škodlivé látky. Poté bubliny vyplavou na povrch a vytvoří pěnu;
- Ultrafiltrace a reverzní osmóza. Filtrace se v tomto případě provádí pomocí membrán a vysokého tlaku;
- Použití elektrického proudu.
Podstata používání biologických metod
Podstatou metody je využití určitých živých organismů (heterotrofních mikroorganismů), které jsou schopny eliminovat nečistoty. Organické látky jsou pro ně zdrojem výživy. Účinnost metod biologického čištění závisí na stupni kontaminace a počtu mikroorganismů. Pokud je úroveň znečištění příliš vysoká, pak se mikroorganismy jednoduše nemohou vyrovnat se zátěží, nebudou mít čas se množit a kolonie jednoduše zemře.
Hladina vody je také důležitá, pokud je dodávána z artéského zdroje. Čím hlouběji teče, tím méně organické hmoty obsahuje.
Uvažované způsoby čištění vody jsou nejspolehlivější a lze je použít jak doma, tak ve výrobě. Z metod čištění domácnosti lze účinností srovnat pouze zmrazení. Tento proces je ale příliš pracný. Vaření a používání stříbra je nejen méně účinné, ale může mít i negativní vliv na lidský organismus.
