Hygienizuje solární sušárna čistírenský kal?

Solární sušení může snížit hmotnost čistírenského kalu (ČK) na cca 25 %, což může přímo redukovat náklady na jeho přepravu, odstranění anebo jeho další využití. S tím spojenou otázkou je potenciální hygienizace ČK, se kterou lze na rozdíl od tepelných sušáren v praxi jen těžko automaticky počítat. Výzkum hygienizace solárním sušením se proto jeví jako vysoce atraktivní téma. První plnohodnotnou solární sušárnou ČK je instalace na čistírně odpadních vod (ČOV) Mariánské Lázně, kde také proběhla první fáze tohoto výzkumu. Přestože se jedná o jednu z chladnějších lokalit, byly získány atraktivní výsledky poukazující na hygienizační potenciál solární sušárny a také na vhodnost věnovat uvedenému tématu další výzkumné úsilí.

1. Úvod

Solární sušárny ČK se už i v České republice (ČR) stávají atraktivněji vnímanou technologií oproti minulosti, a to nejen v souvislosti s často skloňovanými tématy, jako jsou taxonomie ve vodním hospodářství a energetická náročnost jednotlivých technologických prvků ČOV. Technologie solárního sušení může snížit hmotnost ČK na cca 25 %, což může přímo redukovat náklady na jeho přepravu k dalšímu využití nebo odstranění [1]. Nedořešenou otázkou je však hygienizace ČK, se kterou lze na rozdíl od tepelných sušáren v praxi jen těžko automaticky počítat. Ověřování stupně hygienizace pomocí aplikace technologie solárního sušení se proto jeví jako atraktivní téma aplikovaného výzkumu. První plnohodnotná solární sušárna ČK v ČR je instalovaná na ČOV Mariánské Lázně a zároveň představuje teoreticky ideální „výzkumný polygon“. Přestože se jedná v rámci území ČR o jednu z chladnějších lokalit, byly během testování získány slibné výsledky, a to díky součinnosti provozovatele – společnosti Chebské vodovody a kanalizace (CheVaK) – a výzkumného centra AdMaS Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně.

Zároveň je vhodné připomenout, že z hlediska energetické účinnosti je obvykle efektivnější separovat z ČK vodu mechanickým způsobem, než pomocí odparu (tj. pro odvodnění ČK např. prostřednictvím odstředivky) [2]. Pokud tedy dosáhneme co nejvyššího podílu mechanického odvodnění ČK, vylepšíme kapacitu solární sušárny a současně napomáháme potenciálnímu procesu hygienizace ČK sušením. Stupeň hygienizace, tedy hodnoty sledovaných mikrobiologických ukazatelů, jsou totiž často přímo úměrné podílu vlhkosti v ČK.

2. Materiály a metody

2.1. ČOV Mariánské Lázně s instalovanou solární sušárnou

Testovaným materiálem byl odvodněný a vysušený ČK z komunální ČOV Mariánské Lázně, která má kapacitu cca 20 000 EO. ČOV byla uvedena do provozu po rekonstrukci v roce 1989. Je vybavena anaerobním vyhníváním ČK s plynovým hospodářstvím [3]. V současnosti (léto 2024) se jedná stále o jedinou ČOV v ČR s instalovanou a trvale provozovanou solární sušárnou ČK. Sušárna byla dimenzována na zpracování 2 000 t odvodněného ČK za rok při vstupní sušině 20,0 %, přičemž průměrná výstupní sušina je projektována na 85,0 % [4]. Vlivem omezení turistického ruchu ve městě je však v posledních letech dávkováno do sušárny výrazně nižší roční množství ČK, což přináší určitou volnost při řízení provozu sušárny, využitelnou mj. pro výzkumné aktivity.

V případě využití solární sušárny s příčným přehrabávačem instalované v ČOV Mariánských Lázních je možné využít dva různé provozní režimy: i) sušení v dávkovém režimu a ii) provozně atraktivnější sušení s kontinuálním provozem:

• dávkový provozní režim: celá sušící hala je zavezena jednou velkou dávkou odvodněného ČK, který je následně prohrabáván a obracen den po dni trvání sušení. Po dosažení požadovaného stupně vysušení je celá sušící hala pomocí nakladače vyprázdněna a opět naplněna čerstvým odvodněným ČK. Zdržení ČK v sušárně je logicky v létě kratší než v zimě, v souladu se sezónním úhrnem slunečního záření. Odvodněný ČK produkovaný během sušícího cyklu musí být dočasně skladován mimo sušící halu,
• kontinuální provozní režim: umožňuje odvodněný ČK na jednom konci do sušárny dávkovat a postupně jej dopravit na opačný konec, a to ve formě granulátu. Stroj během procesu sušení prohrabává, obrací a dopravuje ČK k „suchému“ konci haly krok za krokem. Doba zdržení ČK je v létě kratší než v zimě. V zimě je kal akumulován uvnitř sušící haly, přičemž je neustále obracen a prohrabován, a tím udržován v aerobních podmínkách [5].

2.2. Sledované mikrobiologické znečištění jako parametr stupně hygienizace

Mikrobiologické znečištění (patogeny) představují jakékoliv choroboplodné zárodky, zejména viry, bakterie, nebo jiné mikroorganismy [6]. Právní úprava v ČR (konkrétně vyhláška MŽP č. 273/2021 Sb., případně další právní dokumenty, na které se odkazuje) udává povinnost sledovat v závislosti na způsobu využití, zpracování, či odstranění ČK následující níže popsané patogeny: Salmonella, enterokoky a Escherichia coli.

Salmonella: Nejdůležitějšími faktory pro přežití Salmonelly je teplota a vlhkost. Vyšší teplota a nižší vlhkost nesvědčí žádnému z druhů Salmonella. Salmonelly jsou střevní patogeny člověka, domácích zvířat, divoké zvěře a ptactva. U lidí jsou to původci břišního tyfu, paratyfu a septikémie. Šíření probíhá kontaminovanými potravinami a vodou, náhodným požitím i prostřednictvím aerosolů. Vyskytují se běžně v odpadních i povrchových vodách a mohou pronikat i do vod podzemních a pitných [7].

Enterokoky: Enterokoky představují indikátor fekálního znečištění způsobující různá onemocnění močového systému, bakterémii a endokarditidu. Ta jsou léčitelná. Dále mohou způsobovat pálení očí, dýchací obtíže, kožní vyrážky a gastrointestinální, kožní a respirační infekce. Enterokoky jsou schopny se množit při teplotách 10–45 °C a jsou rezistentní vůči antibiotikům. Vyskytují se v gastrointestinálním traktu lidí a zvířat, dále ve zdrojích jako jsou půda, povrchové vody a nezpracované rostlinné a živočišné produkty. Biologický stupeň ČOV je nemusí odstranit, proto je někdy navrhováno pro jejich odstranění doplnění terciálního stupně, např. v podobě UV dezinfekce [7].

Escherichia coli: Způsobují sekundární infekce, průjmy, infekce močového ústrojí, nozokomiální nákazy vč. septikemie a meningitidy. Vedou ke vzniku vážného průjmového onemocnění někdy gradujícího až v hemolyticko-uremický syndrom s letálním koncem, k čemuž stačí i malá infekční dávka. Nejrozšířenějším ze skupiny E. coli je sérotyp O157:H7 především ze střevního traktu dobytka. Nákaza se přenáší často např. nedostatečně tepelně upraveným hovězím masem, fekálně znečištěnou vodou, hnojem apod [7].

Limity hodnot sledovaných ukazatelů mikrobiálního znečištění i samotné ukazatele se liší nejen v závislosti na lokálně platné legislativě, různé ve světovém měřítku i ve státech Evropské unie (EU), ale i na způsobu dalšího nakládání s ČK. Příkladem budiž spalování ČK, které samo o sobě na rozdíl od zemědělské aplikace logicky nevyžaduje hygienizaci žádnou.

Limity, kterých je pro provozovatele žádoucí dosáhnout, určuje v českých podmínkách především Vyhláška MŽP č. 273/2021 Sb. o podrobnostech nakládání s odpady, která uvádí limity mikrobiologických ukazatelů uvedené v tabulce 15 (zde jako tab. 1) a v § 61, odstavci 2 říká:

„Na zemědělskou půdu mohou být použity pouze kaly, které

a) splňují mikrobiologická kritéria stanovená pro kal kategorie I nebo II v tabulce č. 38.1 v příloze č. 38 k této vyhlášce a

b) nepřekračují mezní hodnoty koncentrací vybraných rizikových látek a prvků stanovené v tabulce č. 38.2 v příloze č. 38 k této vyhlášce.“ [8].

Představený výzkum cílí na dosažení hygienizace kategorie I. Proto byly sledovány ukazatele Salmonella, Enterokoky a Escherichia coli.

Představený výzkum byl zaměřen na ověření dosaženého stupně hygienizace dle Kategorie I. definované Vyhláškou MŽP č. 273/2021 Sb. Proto byly sledovány ukazatele Salmonella, enterokoky a Escherichia coli.

Solární sušení je rozšířené po celém světě a účinnost odparu a dosažení stupně hygienizace ČK jsou závislé na klimatických podmínkách. Nejen proto výzkumné centrum AdMaS pracuje na zahájení dalšího navazujícího výzkumu (např. v kooperaci s místními a zahraničními organizacemi). V takovém případě by bylo vhodné sledovat parametry hygienziace také např. dle americké EPA.gov, která mimo Salmonellu dále sleduje:

• Helminth ova nr./g DS (vajíčka tasemnic) v jednotkách ks / g sušiny;
• Enteric viruses PFU/g (plag forming units/g);
• Fecal coliforms MPN/g or Salmonella MPN/4g (most propable nr./g) [9].

V ČR se však doposud nepodařilo zajistit analýzy všech výše uvedených ukazatelů v souladu s metodickými požadavky EPA. Proto vedle uvedených Salmonella, enterokoků a Escherichia coli doposud nebyly sledovány ještě ukazatele americké EPA.

Tab. 1. Mikrobiologická kritéria pro použití kalů na zemědělské půdě dle Vyhlášky MŽP č. 273/2021 Sb. [8]

Poznámka: V případě kalů kategorie I lze místo enterokoků stanovit přítomnost Escherichia coli.

2.3. Metodika řešení a odběru vzorků

Doba odběru vzorků vysušeného ČK ze sušící haly hraje klíčovou roli pro detailnější posouzení hygienizace ČK mj. proto, že solární sušárna pracuje v ročním cyklu. Půdorysná pozice odběrů v případě kontinuálního provozu (technologie v ČOV Mariánských Lázních tento režim umožňuje) hraje taktéž významnou roli. Sledovaná dávka vstupního odvodněného ČK v sušící hale setrvá v řádu měsíců. Pro detailní a závazné posouzení mechanismů hygienizace solárním sušením při kontinuálním provozu je tak nezbytné sledovanou dávku označit a odebírat z ní vzorky postupně při jejím průchodu sušárnou. Pro takový postup výzkumné centrum AdMaS v rámci popisovaného výzkumu již vyvinulo metodický postup. Vzhledem k časovému omezení navázanému na financování projektu však byla uplatněna zjednodušená metodika.

S ohledem na provozní podmínky proběhlo vzorkování ve smyslu stanovení hygienizace ČK solárním sušením na lokalitě ČOV Mariánské Lázně v období únor–červen 2023, tj. celkem 5 měsíců, sledování vybraných parametrů průběhu sušení. Postupně proběhly tři rozsáhlé série odběrů vzorků (23. 2. 2023, 9. 5. 2023 a 5. 6. 2023), pro které byl uplatněn poziční systém (rozmístění odběrů po délce) zohledňující postupný prostup ČK sušárnou. Body odběrů jsou znázorněny na obr. 1.

Obr. 1. Schéma odběrů vzorků z haly 2 dne 23. 2. 2023

Vzorky byly odebírány cca 100 mm pod povrchem vrstvy ČK a 1 m od stěn (betonové dráhy) na obou stranách a pak uprostřed šířky skleníku. Značení místa odběru dle schématu na obr. 1 bylo uplatněno v případě všech odběrů vzorků sledovaných v rámci tohoto výzkumu. Vzorky byly odebírány do sterilních vzorkovnic pomocí lopatek vyrobených z PET materiálu (zvlášť pro každý odběr), tak aby nemohlo dojít ke kontaminaci jednoho vzorku zbytkem jiného vzorku, který ulpěl na lopatce. Jedna z těchto lopatek je zachycena na fotografii z odběru vzorku H1 102-2 (obr. 3). Mimo vysušený ČK byl odebírán i vzorek odvodněného ČK, a to přímo za výhozem z dopravníku šnekového odvodňovacího lisu (viz obr. 2).

Obr. 2. Odběr odvodněného ČK za šnekovým lisem

Obr. 3. Odběr vzorku H1 102-2 9. 5. 2023

V některých výjimečných případech nebylo respektováno schéma odběrů dle obr. 1. Konkrétně šlo o místa, která byla v dané době fyzicky nedostupná (prostředek haly s vlhkým ČK), odvodněný ČK ze zmiňovaného šnekového lisu a také např. vizuálním odhadem vysoce vysušený ČK z haly č. 1. Obr. 4 zachycuje vysušený ČK v hale H2 působící vizuálně dobře vysušeným dojmem.

Obr. 4. Příkladně vysušený ČK před odběrem v hale H2 9. 5. 2023

2.4. Použité analytické metody

Jak již bylo zmíněno výše, bylo přistoupeno ke sledování ukazatelů Salmonella, Escherichia colli a enterokoky a jejich stanovení dle legislativních požadavků ČR a dle příslušných norem ČSN, na které legislativa přímo odkazuje. Analýzy jednotlivých vzorků ČK prováděla externí akreditovaná laboratoř ALS Czech Republic a to konkrétně těmito metodami:

Salmonella

• Metoda CZ_SOP_D06_04_307 mimo kap. 9.1.2 (ČSN EN ISO 6579, AHEM č. 1/2008). Průkaz bakterií rodu Salmonella kultivací.
• S-SALM = Detekční metoda prokazující přítomnost bakterií rodu Salmonella. Vzorek je nejprve smíchán s tlumivou peptonovou vodou, kde dojde k pomnožení všech přítomných mikroorganismů. Následující den se pomnožený vzorek převede do dvou selektivních tekutých médií, kde dojde k pomnožení a selekci Salmonel. Posledním krokem je naočkování na dvě selektivní půdy Xylose Lysine Deoxycholate agar (XLD agar) a Hektoen Enteric (HE) Agar.

Presumptivně pozitivní kolonie mají černý střed a průhledný okraj. Konfirmace probíhá pomocí dalších chromogenních půd a biochemických testů.

Escherichia coli

• Metoda CZ_SOP_D06_04_324 (AHEM č. 1/2008, ČSN ISO 16649-2). Stanovení počtu termotolerantních koliformních bakterií a Escherichia coli kultivací.
• S-EC = Kultivační metoda stanovující počet kolonií bakterií Escherichia coli. Napipetovaný vzorek se přímo zalije médiem Tryptone Bile X-Glucuronide (TBX-) Agar. Narostlé kolonie mají výrazně modrou až modro-zelenou barvu.

Enterokoky

• CZ_SOP_D06_04_325 (AHEM č. 1/2008, ČSN EN ISO 7899-2). Stanovení počtu enterokoků kultivací.
• S-ENTCO = Kultivační metoda stanovující počet kolonií bakterií Enterococci. Kultivace se provádí přímým výsevem na selektivní půdu Slanetz-Bartley. Narostlé presumptivně pozitivní kolonie jsou červeně až kaštanově růžové barvy. Následně se konformují pomocí žluč-eskulin-azidového agaru, kde mají tříslově hnědou až černou barvu.

Z výzkumných důvodů byly sledovány i další ukazatele, jako podíl sušiny, podíl organických látek, ekotoxicita, celkový organický úhlík (TOC), těžké kovy TK, halogenové organické sloučeniny (AOX), N, C, S, H, polyaromatické uhlovodíky (PAU), polychlorované bifenyly (PCB) aj. Mimo podíl sušiny a organiky je však většina z uvedených doplňujících ukazatelů pro ověření stupně hygienizace ČK irelevantní, proto zde nejsou dále hlouběji zmiňovány ani vyhodnocovány.

3. Výsledky a diskuze

Výsledky vyhodnocení sledovaných mikrobiologických ukazatelů uvádí tabulka 2. Je vhodné doplnit ještě podíl sušiny, který však nebyl sledován u všech vzorků. U vzorku 98-2 odebraného dne 5. 6. 2023 laboratorní sušící váhy výzkumného centra AdMaS stanovily podíl sušiny ve vzorku na hodnotě 85,59 % +/- 1,49 %, což odpovídá plánované výstupní sušině ze sušárny.

Tab. 2. Mikrobiologické ukazatele

Červeně označené hodnoty v tabulce 2 ukazují NESPLNĚNÍ limitních hodnot mikrobiologických ukazatelů.

Tabulka 2 poukazuje na vysoký potenciál dosažení požadovaného stupně hygienizace ČK pomocí solární sušárny. Pouze červeně označené hodnoty nesplnily limitní ukazatele. Data v tabulce potvrzují, že úroveň redukce patogenů v ČK je přímo úměrná teplotě = ročnímu období a také podílu sušiny v ČK. Podnětem k dalšímu výzkumu je také skutečnost, že získané výsledky korespondují spíše s dávkovým provozním režimem sušárny, protože redukce hodnot mikrobiologických ukazatelů odpovídá spíše časovému vývoji než pozici dávky kalu po délce haly.

Výsledky tak zatím neurčují a ani nenaznačují zaručený způsob provozování solární sušárny, kterým je dosahováno jistého stupně hygienizace. Existuje předpoklad, že takové výsledky a návrh optimalizace provozu solární sušárny s ohledem na dosažení určeného stupně hygienizace by mohl přinést případný detailní navazující výzkum monitorující označenou dávku ČK při jejím postupném prostupu sušící halou. Výzkumné centrum AdMaS má již pro takový monitoring stanovený metodický postup odběru vzorků.

Zajímavé výsledky se podařilo získat spolupracujícímu Indickému technologickému ústavu v Roorkee, který provedl porovnání odvodněného ČK a vysušeného ČK ze solární sušárny na ČOV Lucknow [10]. Vzorky ČK byly analyzovány v souladu s US EPA 503 a výsledky byly porovnány s Class A Biosolid fertilizer (hnojivo tř. A). I přes značné vstupní zatížení ČK patogeny byly na výstupním vysušeném ČK zjištěny nedetekovatelné hodnoty ukazatelů požadovaných směrnicí EPA 503 (koliformní bakterie, salmonela a vajíčka tasemnic) [10]. Výše zmiňované výsledky budou předmětem detailnějšího vyhodnocení v samostatném výzkumném úkolu.

4. Závěr

Solární sušárny ČK představují zajímavé technické řešení pro úpravu ČK především v případě dostatečného půdorysného prostoru pro tuto technologii, přičemž úspora provozní energetické náročnosti ve srovnání s tepelnými sušárnami je významná. S ohledem na následující způsob nakládání s ČK je však pro provozovatele zásadní otázkou mimo dosažení požadované sušiny i dosažený stupeň hygienizace ČK pomocí solárního sušení.

Prezentované výsledky poukazují na značný potenciál této technologie dosahovat požadovaného stupně redukce patogenů. Nelze však automaticky počítat s hygienizací ČK pomocí solárního sušení, což ani projektant a ani dodavatel sušící technologie v praxi v současnosti nebudou garantovat. Řešitelský tým výzkumného centra AdMaS tak tímto představuje pro odbornou veřejnost atraktivní téma dalšího navazujícího výzkumu, jehož cíleným výstupem by mohl být určitý návod, který provozovatelům solární sušárny naznačí optimalizaci provozu technologie solárního sušení pro dosažení požadovaného stupně hygienizace.

V rámci odpovědi na již položenou otázku je možné konstatovat: ano, solární sušárna hygienizuje ČK, ale stupeň hygienizace a způsob provozování této technologie pro jeho dosažení je nezbytné ještě dlouhodobě sledovat a ověřit.

Poděkování: Tento článek byl vytvořen s finanční podporou MPO v rámci řešení inovačního voucheru č. CZ.01.1.02/0.0/0.0/20_358/0028233 „Koncepční posouzení hygienizace čistírenského kalu prostřednictvím solárního sušení“.

Literatura/References

Ing. Jan Ševčík, Ph.D., MBA (autor pro korespondenci)
doc. Ing. Jakub Raček, Ph.D.
Ing. Tomáš Chorazy, Ph.D.
prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., MBA
Vysoké učení technické v Brně
Fakulta stavební
Výzkumné centrum AdMaS
Purkyňova 651/139
612 00 Brno
xssevcikj1()vutbr.cz