Recyklace vody a druhotných surovin z průmyslových odpadních vod

Abstract

Průmyslové odpadní vody (POV) představují v Evropské unii 55 % z celkového objemu vyprodukovaných odpadních vod, což odpovídá více než 25,5 mil. m3 ročně. Tyto odpadní proudy často obsahují významné množství znečištění, které zatěžuje vodní ekosystémy. Vzhledem k vysoké variabilitě složení POV napříč jednotlivými průmyslovými odvětvími je nezbytný individuální přístup k jejich recyklaci a zpracování. Dizertační práce se v úvodu věnuje komplexní analýze problematiky POV v kontextu současných environmentálních výzev, legislativy, produkce, zpracování a možností recyklace. Po tomto nezbytném teoretickém základu je pozornost věnována dvěma typům průmyslových provozů – bioplynovým stanicím (BPS) a průmyslovým prádelnám. Cílem dizertační práce je návrh technologických konceptů pro recyklaci vody a druhotných surovin z těchto vybraných provozů. V případě BPS byl navržen a experimentálně ověřen koncept založený na vakuovém odpařování, stripování amoniaku a srážení struvitu. Vakuové odpařování umožnilo účinné zahuštění fugátu a více než 99% snížení organického znečištění v získávaném destilátu, který obsahoval až 94 % amoniaku. Ten byl následně stripováním úspěšně separován ve formě koncentrovaného amonného roztoku za vzniku čisté vody vhodné k opětovnému využití. Koncentrát z odpařování byl využit ke srážení struvitu jako vícesložkového hnojiva. Účinnost srážení dosahovala 51 %, i když průměrný obsah struvitu ve vzorcích činil pouze 2,2 %hm. Výsledky naznačují, že již samotné zahuštění fugátu přispívá ke stabilizaci odpadního proudu, zvyšuje jeho agronomickou hodnotu a snižuje objem o více než 45 %, což zefektivňuje logistiku a snižuje náklady na přepravu. V části zaměřené na průmyslové prádelny byla provedena komparace keramických membránových technologií (mikrofiltrace a ultrafiltrace) s vakuovým odpařováním (AGEV, MSF). Účinnost obou metod byla ověřena na reálné odpadní vodě z velkokapacitního provozu. Zatímco membránové procesy dosáhly odstranění více než 98 % nerozpuštěných látek, vzhledem ke zbytkovému organickému znečištění (CHSK až 290 mg·dm) a vysoké vodivosti (přes 800 µScm1) nejsou výstupní permeáty vhodné pro opětovné použití v máchacím kroku. Naproti tomu vakuové odpařování dosáhlo stabilní účinnosti i při variabilním složení vstupní vody a více než 90% odstranění znečištění. Výsledný destilát obsahoval méně než 60 mg·dm CHSK a vodivost nižší než 20 µScm1. Na základě těchto výsledků byl navržen koncept recyklace vody založený na integraci vakuového odpařování. Technicko-ekonomické hodnocení a případová studie reálného provozu kvantifikovaly potenciální úspory ve výši až 600 000 Kč ročně na vodném a stočném, přičemž návratnost investice se odvíjí zejména od ceny vody. Prezentované výsledky mohou přispět k udržitelnému hospodaření s vodními zdroji a podporují principy cirkulární ekonomiky v sektoru BPS i průmyslových prádelen. Získaná data rovněž představují vhodný základ pro environmentální hodnocení (např. LCA) a ESG reporting v souladu s požadavky směrnice CSRD.

Industrial wastewater (IWW) accounts for 55% of the total volume of wastewater produced in the European Union, corresponding to more than 25,5 million m3 per year. These waste streams often contain significant amounts of pollution that burden aquatic ecosystems. Due to the high variability in the composition of IWW across industrial sectors, a tailored approach to their treatment and recycling is necessary. The doctoral thesis begins with a comprehensive analysis of IWW in the context of current environmental challenges, legislation, production, treatment and recycling technologies. Following this necessary theoretical background, attention is given to two types of industrial plants - biogas plants (BGPs) and industrial laundries. The aim of the doctoral thesis is to propose technological concepts for the recovery of water and secondary raw materials from these selected industrial sectors. In the case of BGPs, a treatment concept based on vacuum evaporation, ammonia stripping and struvite precipitation was proposed and experimentally verified. Vacuum evaporation enabled effective liquid digestate thickening and more than 99% reduction of organic pollutants in the obtained distillate, which contained up to 94% of the total ammonia. The ammonia was subsequently successfully separated by stripping in the form of concentrated ammonium solution, producing clean water suitable for reuse. The evaporation concentrate was further used to precipitate struvite as a multi-nutrient fertiliser. While the precipitation efficiencies reached 51%, the average struvite content in the final product was only 2,2 wt.%. The results suggest that the liquid digestate thickening alone contributes to the waste stream stabilisation, increasing its agronomic value and reducing the total volume by more than 45%, which improves logistics and reduces transport costs. In the part focused on industrial laundries, ceramic membrane technologies (microfiltration and ultrafiltration) were compared with vacuum evaporation (AGEV, MSF). The efficiency of both methods was verified on real wastewater from a high-capacity laundry plant. While the membrane processes achieved a removal of more than 98% of suspended solids, due to residual organic contamination (COD up to 290 mg·dm) and high conductivity (over 800 µScm1), the output permeates are not suitable for reuse in the rinsing laundry step. In contrast, vacuum evaporation demonstrated consistent performance even with variable feed water composition and achieved over 90% pollutant removal. The resulting distillate contained less than 60 mg·dm COD and a conductivity below 20 µScm1. Based on these findings, a water recycling concept based on the integration of vacuum evaporation was proposed. A techno-economic evaluation and a real-plant case study quantified potential savings of up to CZK 600 000 annually in water and sewerage charges, with the investment payback period mainly dependent on water price. The presented results may contribute to sustainable water resource management and support the principles of circular economy in BGPs and industrial laundries. Moreover, the obtained data provide a suitable basis for environmental assessments (e.g., LCA) and ESG reporting in accordance with the requirements of the CSRD.