Ve světě už došlo ke změně paradigmatu a na odpadní vodu se začíná pohlížet ne jako na odpad, ale jako na surovinu. Odpadní voda obsahuje organické látky, tepelnou a kinetickou energii, což představuje potenciální zdroje využitelné zdroje energie. Čistírny odpadních vod často nejsou provozovány v optimálním energetickém režimu. Tento režim lze vyladit např. optimalizovanou spotřebou jednotlivých elektrických spotřebičů, změnami v technologii, využíváním tepelné energie pomocí tepelných čerpadel na vytápění objektů či technologických procesů nebo zvýšení produkce bioplynu [1].VZÁJEMNÝ VZTAH VODY A ENERGIEVoda a energie jsou dvě nejzákladnější složky moderní civilizace. Všichni si umíme představit, že bez vody lidstvo nemůže existovat a bez energie není možné produkovat potraviny a zabezpečit ani základní lidské potřeby. Voda je nezbytným médiem pro získávání energie a naopak energie je nezbytná pro zajištění dosažitelnosti a kvality vody. Vzhledem k velmi úzkému vztahu mezi vodou a energií, je zřejmé, že s obojím musí být zacházeno integrovaným způsobem a nelze se zaměřovat pouze na jednu část. Integrovaným přístupem je myšleno, že celý je třeba nahlížet na celý systém včetně zdrojů pitné vody, spotřebu a produkce energií, čištění odpadních vod a jejich opětovné využívání. Integrované systémy vyžadují spolupráci specialistů jednotlivých oborů, tudíž je potřeba více využívat interdisciplinární komunikace nejen vědců a inženýrů technických oborů, ale také ekonomů, politiků i sociálně zaměřených pracovníků [2].ENERGETICKÝ POTENCIÁL ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VODSnížení nákladů za energii se v současné době stává hlavní prioritou pro provozovatele vodohospodářských a čistírenských infrastruktur. Pokles růstu ekonomiky, vzrůstající cena a spotřeba energie a stále přísnější nároky na kvalitu vyčištěné odpadní vody jsou jedny z hlavních faktorů vedoucích k tlaku na energetickou optimalizaci v našem oboru. Zatímco v zemích s nedostatkem vody je normální vyčištěnou odpadní vodu recyklovat a zároveň optimalizovat spotřebu energie s využitím alternativních zdrojů energie, u nás panuje poměrně konzervativní přístup. Tento koncept je detailně rozpracován v tzv. „městech budoucnosti“ (z anglického Cities of Future) [3] a zahrnuje vedle optimalizace nakládání s energií např. i recyklaci vyčištěné odpadní vody nebo recyklaci nutrientů.Odpadní voda obsahuje organické látky, anorganické látky, tepelnou a kinetickou energii, jejíž množství je zhruba 9x vyšší než je potřeba na její čištění [4, 5]. Paradoxně ačkoliv odpadní voda obsahuje takové množství energie, tak na valné většině čistírně je nutno energii na vyčištění odpadní vody ještě dodat. Proto je potřeba provést na čistírně bilanci energetických vstupů a výstupů, což může v praxi znamenat schéma znázorněné na Obr.1.

Obr. 1: Schéma energetických vstupů a výstupů na ČOVNa čistírnách dochází k mnoha procesům vzájemné konverze mezi jednotlivými typy energií a to jak při jejich tvorbě, tak při jejich spotřebě a spolu s využitím údajů na Obr.2 a identifikací možných externích zdrojů lze potenciál energetických úspor na čistírnách definovat následujícími způsoby:- optimalizace přístrojového vybavení na čistírně- recyklace energie- získávání energie z biomasy- využití obnovitelné energieSpotřeba energie patří mezi významné provozní náklady na čistírnách odpadních vod a tvoří ca. 15 – 30 % nákladů na větších čistírnách a 30 – 40 % na menších čistírnách [6]. Většina čistíren odpadních vod byla navržena především za účelem maximální účinnosti čištění a provozní náklady nebyly při návrzích čistíren příliš zohledňovány. V současné době se na čistírnách používají stále pokročilejší technologie, a to jak za účelem odstraňování „nových“ polutantů jako jsou např. endokrinní disruptory, tak i za účelem recyklace vyčištěné odpadní vody. Tyto technologie (např. pokročilé oxidační procesy nebo membrány) mívají zpravidla vyšší energetické nároky, a proto je zde mnohem vyšší snaha optimalizovat energetický management na čistírnách.

Obr.2: Průměrné provozní náklady na 98 čistírnách v Rakousku [7].Efektivní a ekonomický systém čištění odpadních vod by měl být proto v kontextu energetických úspor a udržitelného rozvoje založen na těchto hlavních cílech:- minimalizace množství energie potřebné na čištění odpadních vodo volba vhodného typu technologieo výměna přístrojového vybavenío volba předčištění- zajištění energeticky soběstačného čištění odpadních vodo produkce energie z kalůo recyklace energieo energie z obnovitelných zdrojůo využití energeticky méně náročných technologií- ochrana recipientu a životního prostředío snižování odtokových koncentrací polutantůo zvyšování kvality kalů aplikovaných na půduo minimalizace množství vznikajících odpadů a ukládání na skládkyo odstraňování mikroplutantů- snižování celkové stopy zařízení (carbon footprint, zápach, zastavěná plocha apod.)o čištění vzduchu, zachytávání aerosolůo Využívání vznikajícího CO2o výběr technologie s menšími požadavky na zastavěnou plochu- umožňovat recyklaci energie, nutrientů, vodyo recyklace makronutrientů (hlavně fosforu)o znovuvyužívání vodyo využívání dostupné energie nesené vodouOptimalizace přístrojového vybavení zpravidla vyžaduje provedení energetického auditu na čistírně. V mnoha provozech je měřena spotřeba elektrické energie, nicméně s daty se nepracuje a shromažďují se data pouze proto, aby byla. Data a jejich vyhodnocení, jsou nesmírně důležité pro kontrolu systému (spotřeba elektrické energie) a v předcházení mnoha havárií (např.: pokud vidíme zvýšenou spotřebu, je něco v nepořádku a můžeme hledat příčinu). Po provedení energetického auditu následují zpravidla následující kroky:- analýza výměny spotřebičů za spotřebiče se stejným výkonem, ale nižší spotřebou energie, kdy se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu, jak je vidět i na Obr.3. Řešením je pak nahrazení stávajících přístrojů nízkoenergetickými spotřebiči- optimalizace řízení procesu – opět se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu. S výhodou lze použít jednoduché modelovací systémy [8, 9] a na základě těchto dat upravit chod jednotlivých spotřebičů dle skutečné potřeby výkonu, například pomocí frekvenčních měničů, popřípadě výměnou zastaralých spotřebičů za spotřebiče s vyšší účinností.

Obr.3: Průměrné procentuální rozdělení spotřeby energie na čistírně o velikosti 100 000 EO [6]Jak je i z grafu patrné největší důraz by měl být kladen na optimalizaci aerace. Významných energetických úspor může být dosaženo výměnou aeračního systému, instalací senzorů a sond (např. kyslíkových sond) za účelem automatického řízení dodávky vzduchu nebo instalací dmychadel s frekvenčními měniči nebo optimalizovaným automatizovaným systémem řízení dodávky vzduchu, případně i jiné úsporné strategie jako vypínání dodávky vzduchu při nízkém průtoku nebo zatížení na čistírně, nicméně tyto provozní zákroky by měly být ošetřeny nejprve nejlépe dynamickou počítačovou simulací ve specializovaném software (např. [8, 9]), aby nedošlo neuváženým zákrokem ke skokovému zhoršení v kvalitě odtékající vyčištěné odpadní vody. Druhým místem, kde leží největší potenciál úspor, jsou čerpací stanice, ačkoliv zde je potenciál úspor ve značné míře závislý na reliéfu krajiny a typu přítoku na čistírnu.Ačkoliv míchání není na prvních dvou místech energetické náročnosti procesů, i jej lze optimalizovat za účelem úspor. Nižší spotřebu než klasická míchadla mají hyperbolická nebo pulzní hrubobublinná míchadla [10, 11].Mimo výše zmíněné inovativní technologie úspor u největších spotřebičů energie je nutné zanalyzovat i biologické procesy. Potřeba odstraňování nutrientů vedla totiž k dalším energetickým nárokům zejména na aeraci. Tudíž se jeví slibné některé novátorské technologie, např. deamonifikace prostřednictvím anaerobní oxidace amoniaku, tzv. proces Anammox [12]. Proces potřebuje zhruba 25 % kyslíku v porovnání s klasickým biologickým odstraňováním dusíku prostřednictvím nitrifikace a denitrifikace a zároveň jeho účinnost není závislá na přítomnosti organického uhlíku. Nicméně procesy typu Anammox vyžadují pro svoji správnou funkci specifickou biomasu a specifické provozní podmínky.Pravidelné provádění energetického auditu, benchmarkingu čistíren a navržení „energetických BATů“ jsou základní kroky, které by měly vést k energetickým úsporám vyplývajícím z optimalizace přístrojového vybavení na čistírnách odpadních vod. Byla provedena důkladná studie na evropských čistírnách, která prokázala, že bez výrazných investičních nákladů lze uspořit 10 – 15% celkových nákladů na energii tímto způsobem [6]. Celkově lze říci, že v průměru lze dosáhnout úspor okolo 20 % oproti stávajícímu stavu, přirozeně s vyššími úsporami u větších čistíren.RECYKLACE ENERGIEV současné době existují v některých zemích (např. Švýcarsko, Německo, Norsko) již aplikace na recyklace energie. Podle německé směrnice DWA M 114 [13] může být v Německu, ca. 10 % budov vytápěno pomocí energie z odpadní vody [10].Zařízení na recyklaci tepelné energie sestávají ze dvou částí: tepelný výměník a tepelné čerpadlo. Výměník se umisťuje přímo do kanalizace a získává energii (teplo) z ní. Obecně lze identifikovat tři místa na kanalizaci, kde lze recyklaci tepla provádět:- recyklace tepla v přívodní kanalizaci před čistírnou. Výhodou je, že spotřebitelé tepelné energie budou blízko odběrovým místům. Nicméně snížení teploty odpadní vody může mít negativní vliv na účinnost čištění odpadních vod na čistírnách. Nevýhodou je rovněž výrazné kolísání v objemech přiváděné odpadní vody, čímž může být ovlivněna efektivita přenosu tepla. Umístění tepelných výměníků může rovněž komplikovat rutinní údržbu v kanalizacích (vysokotlaké čištění, inspekce, apod.), což vede k alternativnímu přístupu umisťování tepelných výměníků na obtocích a ne v hlavním přívodním potrubí.- recyklace tepla na odtoku z čistíren odpadních vod. Výhodou bezesporu je, že snížením teploty odpadní vody není dotčena účinnost čištění odpadních vod. Další výhodou rovněž je, že přítok vyčištěné odpadní vody je téměř konstantní. Nevýhodou je, že potenciální spotřebitelé tepla nejsou zpravidla v okolí odběrových míst.- recyklace tepla uvnitř budov. Teplota odpadní vody je poměrně vysoká a výhodou je, že spotřebitelé tepla jsou zpravidla poblíž. Nevýhodou je malý a kolísavý přítok odpadní vody. Nicméně lze s úspěchem využít kombinaci tohoto přístupu s prvně jmenovaným a teplo odebírat na přívodní kanalizaci v městské zástavbě. V zahraničí jsou oblíbené systémy HVAC (z anglického Heat, Ventilation and Air-Conditioning system, tj. systém vytápění, ventilace a klimatizace), které využívají odpadní teplo z kanálů pro zahřívání budov v zimě a jejich chlazení v létě. Systém může být aplikován nejen v obytných nebo kancelářských budovách, ale i ve školách, nemocnicích nebo krytých bazénech.Nicméně je třeba podotknout, že smysluplná a účinná recyklace tepla nelze být provedena ve všech případech. Podle Lorenze [14] musí být splněny následující předpoklady:- minimální bezdeštný přítok 15 L/s (tj. aplikovatelné ca. od 5 000 – 10 000 EO)- tepelný potenciál v přitékající odpadní vodě (průměrná teplota v zimě by neměla poklesnout pod 10 °C)- přítomnost spotřebitelů tepla poblíž odběrových míst- konkurenční zdroje energie, např. vytápění- neovlivnění funkce přívodní kanalizace a čistírny odpadních vodTento poslední bod je velice důležitý, protože účelem kanalizačních systémů má být především ochrana životního prostředí. Výrazným snížením teploty vyčištěné odtékající vody z čistírny můžeme negativně ovlivnit ekosystémy v recipientu. Stejně baktérie odpovědné za biologické odstraňování nutrientů (zejména dusíku) jsou extrémně citlivé na nižší teploty, kdy se jejich aktivita zpomaluje a bezprostředně tím ohrožuje potřebnou účinnost odstranění dusíkatého znečištění. Z tohoto pohledu je nutné, aby aplikace tepelných výměníků vedla vedle energetických úspor i ke stejné efektivitě čištění odpadních vod.Potenciální energie vznikající gravitační silou padající nebo proudící odpadní vody může vyrábět energii pomocí turbín. Množství vyrobené energie závisí jak na objemu vody, tak na příp. rozdílu nadmořských výšek. Ačkoliv tento způsob výroby energie je velice spolehlivý a ekologický (neprodukuje žádné skleníkové plyny), tak jeho aplikace je velice omezená, protože potřebný průtok je na čistírnách pouze řádově ve stovkách tisíc ekvivalentních obyvatel a větších a zároveň v České republice je minimum čistíren, kde by šlo využít energie padající odpadní vody, ať už znečištěné nebo vyčištěné. Aplikace na využití potenciální energie se soustřeďují výhradně na místech odtoku vyčištěné odpadní vody z čistírny. Podle DWA M 114 [13] jsou doporučené metody výroby potenciální energie turbíny, hydrodynamická zařízení (např. Archimédův šroub) a vodní lopatková kola.ZÍSKÁVÁNÍ ENERGIE Z BIOMASYV současné době je přebytečný kal z čistíren odpadních vod považován za odpad, ačkoliv je velice slibným zdrojem energie – viz Obr.4. Kal obsahuje organické látky, dusík a fosfor a tudíž je zajímavý např. pro aplikaci v zemědělství. Chemická energie vázaná v přitékající organické hmotě je současnými technologickými uspořádáními čistíren postupně s větším či menším užitkem spotřebována. Na usazovacích nádržích zachytíme ca. třetinu přitékající CHSK do primárního kalu, která lze následně využít na tvorbu bioplynu. Proto by mělo být z energetického hlediska v našem zájmu zachytit na usazovácích co možná nejvíce. Zatímco ca. 10 % CHSK opouští čistírnu v odtoku, tak její hlavní část je pomocí heterotrofní respirace přeměněna na CO2 a zbytek se využije na tvorbu biomasy přebytečného aktivovaného kalu.