Návrhové parametry, provozní zkušenosti a možnosti intenzifikace umělých mokřadů

Souhrn

Horizontálně a vertikálně protékané umělé mokřady se v České republice řadí mezi často využívané přírodě blízké způsoby čištění odpadních vod z malých obcí. Jsou tvořeny jedním nebo více filtračními poli zapojenými sériově nebo paralelně. Horizontálně protékané umělé mokřady bývají osázeny vhodnou mokřadní vegetací, nejčastěji rákosem obecným nebo chrasticí rákosovitou. Nezbytnou součástí těchto technologií je dobře fungující mechanické předčištění, které chrání filtrační náplň vlastního biologického stupně před ucpáváním nerozpuštěnými látkami.

Konstrukční uspořádání vertikálně a horizontálně protékaných umělých mokřadů včetně návrhových parametrů je velice důležité a může významně ovlivnit nejen účinnost čištění, ale také životnost. V současné době probíhá ve světě i u nás celá řada výzkumných prací, které se mimo jiné věnují problematice nových (alternativních) filtračních materiálů, problematice kolmatace umělých mokřadů, která je nejzávažnějším provozním problémem, a mnoha dalším problematikám.

Úvod

Mokřady jsou v různých částech světa využívány k čištění odpadních vod již od poloviny 20. století. Oblast umělých mokřadů je značně rozsáhlá, a proto je i názvosloví i množství vlastních konstrukčních uspořádání značně bohaté. Základní rozdělení umělých mokřadů pro čištění odpadních vod uvádí schéma na obr. 1.

Umělé mokřady dosahují zpravidla velmi vysokých účinností při odstraňování organického a mikrobiálního znečištění. Účinnosti čištění pro nutrienty (dusík a fosfor) jsou většinou nižší a značně rozkolísané. Účinnosti odstraňování nutrientů mohou být zvýšeny nastavením optimálního zatížení, využitím kolísání výšky hladiny odpadní vody v umělém mokřadu (pulzní plnění a prázdnění) nebo přidáním vhodných adsorpčních materiálů do náplně umělého mokřadu nebo do přídavného filtru umístěného na odtoku.

Čisticí procesy jsou ovlivňovány celou řadou faktorů, mezi které patří klimatické podmínky (teplota vody, teplota vzduchu a jeho vlhkost nebo sluneční radiace), hydrologické a hydraulické podmínky (průtok, hydraulické zatížení, doba zdržení, vlastnosti filtrační náplně nebo způsob proudění odpadní vody), vegetace (mohou se projevovat rozdíly mezi vegetačním a nevegetačním obdobím) apod.

Povrchově protékané umělé mokřady

Tato technologie není v České republice téměř využívána, ale pro úplnost ji zde uvádíme. Většinou představuje jednoduché usazovací nádrže s oddíly a nízkou vrstvou vody (20 až 40 cm) osázené mokřadní vegetací, jako jsou rákosy, orobince nebo skřípiny. Může docházet k mísení čištěné odpadní vody s vodou povrchovou nebo s vyčištěnými odpadními vodami. Doba zdržení bývá navrhována na minimálně 10 dní. Schéma je uvedeno na obr. 2.

Čisticí procesy v povrchově protékaných mokřadech zahrnují usazování nerozpuštěných látek, difuzi rozpuštěných nutrientů do sedimentu, mineralizaci organických látek, odčerpávání nutrientů mikroorganismy a vegetací, mikrobiální transformaci, fyzikálně-chemickou adsorpci a srážení.

Obr. 1. Základní rozdělení jednotlivých typů umělých mokřadů [1]
Fig. 1. The basic division of the different types of artificial wetlands [1]

Povrchově protékané umělé mokřady mohou dosahovat vysokých účinností čištění pro CHSK_Cr a BSK₅ (90 %) a pro mikrobiální znečištění (až 99 %), ale výrazně nižších pro dusík a fosfor (10 % až 15 %). Nízká účinnost odstraňování nutrientů je způsobena skutečností, že mnoho důležitých procesů, které se podílejí na jejich odstraňování, probíhá v sedimentu, zatímco nutrienty jsou přítomny v rozpuštěné formě v protékající odpadní vodě a jejich pronikání do sedimentu difuzí je velice pomalý proces. Pokud je ale s výškou hladiny v mokřadu uměle manipulováno a střídají se suché a mokré periody, může být účinnost odstraňování nutrientů až zdvojnásobena [2].

Zemní filtry

Zemní filtry, které jsou v podstatě ekvivalentem neosázených vertikálně protékaných umělých mokřadů, jsou v České republice využívány zejména jako malá domovní zařízení. Principem čištění je schopnost zrnitého materiálu podporovat fyzikální, chemické a biologické procesy probíhající při odstraňování znečištění obsaženého v protékající odpadní vodě. Hlavní roli hraje společenstvo mikroorganismů, žijící na povrchu náplně umělého mokřadu, které se podílí zejména na rozkladu organického znečištění. Zemní filtry jsou tedy v podstatě zařízení pro pomalou biologickou filtraci předčištěné odpadní vody.

Oproti horizontálně protékaným umělým mokřadům (kořenovým čistírnám) je hlavní rozdíl v množství kyslíku přítomného ve filtrační náplni. Zemní filtry pracují díky nezatopenému objemu nejčastěji v oxických až anoxických podmínkách, mohou tedy oproti horizontálně protékaným kořenovým čistírnám lépe odstraňovat amoniakální dusík. Dlouhodobě sledovaný zemní filtr vykazoval průměrnou účinnost odstraňování amoniakálního dusíku 78,5 % oproti prakticky nulové účinnosti u kořenové čistírny [4]. Podobné výsledky byly získány vyhodnocením dat z více sledovaných lokalit. Průměrná koncentrace amoniakálního dusíku se na přítoku do sledovaných kořenových čistíren pohybovala kolem 44 mg/l, průměrná účinnost odstraňování amoniakálního dusíku kolem 8,5 %, zatímco se průměrná koncentrace amoniakálního dusíku na přítoku do sledovaných zemních filtrů pohybovala kolem 38 mg/l a průměrná účinnost odstraňování amoniakálního dusíku kolem 57 % [5].

Obr. 2. Schéma umělého povrchově protékaného mokřadu [3]
Fig. 2. Scheme of surface flow constructed wetland [3]

Zemní filtry jsou vhodné pro čištění běžných a zředěných komunálních odpadních vod. Nehodí se k čištění odpadních vod s velkým množstvím obtížně usaditelných minerálních částic a organického znečištění. Takové vody způsobují rychlé zanášení filtrační náplně (kolmataci). Z tohoto důvodu je velmi důležité dostatečně kvalitní a dobře fungující mechanické předčištění, které by mělo být nedílnou součástí každého umělého mokřadu.

Pro správnou funkci a vyhovující účinnost odbourávání organického znečištění mikrobiálním biofilmem je žádoucí převaha mikroorganismů žijících v prostředí s volným kyslíkem, tedy v oxických podmínkách. Proto musí být filtrační náplň co nejlépe provzdušněná. To je zajištěno vlastním konstrukčním uspořádáním, tedy nezatopenou filtrační náplní a také větráním tělesa zemního filtru. Oxické prostředí je žádoucí též pro činnost nitrifikačních bakterií. Účinnost odstraňování fosforu závisí především na volbě vhodné náplně zemního filtru a její sorpční kapacitě. Zatímco klasické materiály, jako je písek nebo drcené kamenivo, tuto schopnost nemají, materiály s vysokým obsahem oxidů hliníku a/nebo železa přispívají ke zvýšení účinnosti odstraňování fosforu v zemních filtrech.

Konstrukční uspořádání

Zemní filtry lze navrhnout na jednotné nebo oddílné kanalizaci, ale pouze za mechanickým (primárním) stupněm čištění, popř. jako dočišťovací stupeň za biologickým (sekundárním) stupněm čištění, tedy za klasickou čistírnou odpadních vod. Jednoduché schéma je znázorněno na obr. 3.

Horní úroveň filtračního tělesa musí být vodorovná, celý objem filtrační náplně by měl mít konstantní mocnost a homogenitu. Těleso zemního filtru musí být od okolního prostředí vodotěsně odděleno. Rozvodné potrubí se ukládá do štěrkového obsypu. Sběrný drén je nutné opatřit odvětrávacím potrubím, které by mělo být vyvedeno nejméně 0,5 m nad úroveň terénu a opatřeno vhodnou clonou bránící znečištění odvětrávacího a sběrného potrubí vnosem předmětů zvenčí (prach, stébla trávy, listí apod.). Výška filtračního lože by se měla pohybovat od 0,6 m do 1,0 m. Délka jedné větve přítokového a odtokového potrubí by neměla překročit 30 m. Potrubí by mělo být opatřeno otvory s celkovou plochou nejméně 50 cm² na 1 m délky. Výškový rozdíl nátoku a výtoku bývá obvykle volen 1,2 m.

Nezbytnou podmínkou dobré funkce zemního filtru je rovnoměrné rozdělení přitékající odpadní vody po celé jeho ploše a také dostatečný přístup vzduchu do porézních vrstev. Vlastní tvar filtru nehraje tak důležitou roli.

Návrhové parametry

Plocha zemního filtru by se měla pohybovat v rozmezí od 3 m²/EO do 6 m²/EO, v Belgii je v průměru navrhována plocha 3,8 m²/EO [7], v Dánsku 3,2 m²/EO [8], v Rakousku normy pro navrhování jednostupňových vertikálně protékaných umělých mokřadů uvádějí plochu 4 m²/EO, pro dvoustupňové systémy potom plochu 2 m²/EO [9], v Německu je požadována minimální plocha > 2,5 m²/EO.

Obr. 3. Schéma zemního filtru [6]
Fig. 3. Scheme of unplanted vertical flow constructed wetland [6]

Legenda: V – výška nádrže, Vn – výška nastavení sběrné šachty, Vv – výška ode dna nádrže do vstupního potrubí, Vp – výška vrstvy pískové náplně, D – délka nádrže,
Š – šířka nádrže
Legend: V – height of the tank, Vn – height of setting collection shaft, Vv – height from the tank bottom into the inlet conduit, Vp – height of the layer of sand filling,
D – length of the tank, Š – width of the tank

V závislosti na velikosti zrn filtrační náplně se pro mechanicky předčištěné odpadní vody volí hydraulické zatížení v rozmezí od 0,10 m³/(m².den) do 0,18 m³/(m².den) a pro biologicky vyčištěné odpadní vody potom v rozmezí od 0,15 m³/(m².den) do 0,20 m³/(m².den) [10].

Dalším důležitým návrhovým parametrem je látkové zatížení, které závisí na složení přitékající odpadní vody, stupni jejího předchozího čištění, výšce a druhu filtrační náplně a požadované účinnosti čištění. Látkové zatížení (BSK₅) se u vertikálně protékaných umělých mokřadů volí v rozmezí od 10 g/(m².d) do 40 g/(m².d).

Horizontálně podpovrchově protékané umělé mokřady

Kořenové čistírny odpadních vod, také nazývané vegetační kořenové čistírny, půdní filtry s vegetací nebo horizontálně protékané umělé mokřady patří v České republice hned po biologických nádržích k nejvíce rozšířeným typům přírodě blízkých (extenzivních) způsobů čištění odpadních vod z malých obcí. Od roku 1989 do současnosti jich bylo postaveno zhruba 250 ve velikosti od několika EO do 1 000 EO. Princip čištění je velice podobný jako u zemních filtrů, ale rozdíl je v množství kyslíku přítomného ve filtrační náplni. Protože je u kořenových čistíren celý objem filtračního tělesa zatopen odpadní vodou, pracují většinou v anaerobních až hluboce anaerobních podmínkách. Anaerobní mikroorganismy využívají při respiraci namísto kyslíku řadu terminálních akceptorů kyslíků, jako jsou dusičnany, manganičité a železité ionty nebo sírany, v závislosti na hodnotě oxidačně-redukčního potenciálu [11]. S ohledem na anaerobní podmínky většinou dosahují nižších účinností odstraňování amoniakálního dusíku než zemní filtry.

Konstrukční uspořádání

Kořenové čistírny s horizontálním podpovrchovým prouděním musí obsahovat rozvodnou a sběrnou zónu. Mohou být konstruovány jako jediné kořenové pole nebo více polí zapojených buď paralelně, nebo sériově. Výška filtrační náplně se nejčastěji volí v rozmezí od 0,6 m do 1,0 m podle místních podmínek. Její zrnitost závisí především na hydraulickém zatížení a na složení přitékající odpadní vody. Při jednostupňovém uspořádání se doporučuje použít oblé říční kamenivo nebo tříděný štěrk frakce 4 mm až 8 mm, při sériovém zapojení je vhodné u prvního stupně volit zrnitost 8 mm až 16 mm a ve druhém stupni potom zrnitost 4 mm až 8 mm [10]. I při jednostupňovém uspořádání je vhodné v nátokové zóně použít kamenivo frakce 8 mm až 16 mm, aby byla co nejvíce omezena možnost rozvoje kolmatace. Naše zkušenosti ukazují, že volba vhodné frakce kameniva je velice důležitá.

Těleso kořenové čistírny musí být, stejně jako u zemního filtru, od okolního terénu vodotěsně odděleno. Nesmí docházet k průsakům odpadních vod do vod podzemních. Schéma kořenové čistírny je uvedeno na obr. 4.

Obr. 4. Schéma kořenové čistírny [12]
Fig. 4. Scheme of horizontal flow constructed wetland [12]

Předčištěná odpadní voda by měla být rozdělena rovnoměrně po celé šířce nátokové zóny, aby byl na maximální možnou míru omezen vznik kolmatace filtrační náplně. Velmi důležitá je pravidelná údržba a čištění rozvodného potrubí. Často je využíváno rozvedení pomocí drenážní trubky, do které je přiváděna odpadní voda z šachtice na jedné straně kořenového pole. Tento způsob ale nemusí zaručit rovnoměrný průtok odpadní vody po celém profilu nátokové hrany a může docházet k lokálnímu přetížení a kolmataci části kořenového pole. Navíc je obtížné delší rozvodné potrubí čistit, a proto by mělo být na konci kořenového pole vyvedené nad povrch filtračního materiálu. Rozvodné potrubí musí mít dostatečně velké otvory pro výtok vody, otvory do velikosti 2 cm se mohou poměrně rychle ucpat.

Kořenové čistírny mohou přecházet až do hluboce anaerobních podmínek, možným řešením pro zvýšení přísunu kyslíku do filtru je pulsní plnění a prázdnění [13]. Tím může být zvýšena účinnost odstraňování amoniakálního dusíku z přitékající odpadní vody.

Návrhové parametry

Plocha kořenových polí by se měla pohybovat kolem 5 m²/EO, ve světě se většinou navrhuje plocha v rozmezí od cca 3 m²/EO do cca 10 m²/EO. Terénním průzkumem bylo zjištěno, že skutečná hodnota je podstatně vyšší než 5 m²/EO, neboť se poměr skutečného a návrhového zatížení velice často pohybuje v rozmezí 0,3 až 0,6 [5].

Látkové zatížení (BSK₅) se u horizontálně protékaných umělých mokřadů volí v rozmezí od 6 g/(m².d) do 10 g/(m².d) [5].

Hybridní systémy

V některých případech jsou využívány kombinace vertikálních a horizontálních systémů, případně dalších typů umělých mokřadů, které jsou označovány jako „hybridní“ (viz obr. 5). Účelem kombinace těchto systémů je dosáhnout co nejlepšího čisticího účinku, a to zejména pro dusík. V prvním, vertikálně protékaném umělém mokřadu (oxické až anoxické podmínky), dochází k nitrifikaci amoniakálního dusíku obsaženého v přitékající odpadní vodě ve vysokých koncentracích až na dusičnany. Ve druhém, horizontálně protékaném umělém mokřadu (anoxické až anaerobní podmínky), dochází k denitrifikaci dusičnanů až na plynný dusík.

Autoři Ye a Li [14] uvádějí účinnost čištění 83 % pro amoniakální i celkový dusík, velice podobnou účinnost pro celkový dusík (79 %) uvádějí i autoři Ayaz a kol. [15] pro hybridní umělý mokřad s recirkulací. Účinnost čištění 84 % pro amoniakální dusík a 60 % pro celkový dusík uvádějí autoři Masi a Martinuzzi [16] pro hybridní systém tvořený horizontálním a vertikálním podpovrchově protékaným umělým mokřadem. Autoři Herrera Melián a kol. [17] dokonce uvádějí účinnost odstraňování amoniakálního dusíku 88 %. Všechny tyto výsledky velice dobře ilustrují, že vhodně zvolená kombinace vertikálně a horizontálně protékaného umělého mokřadu může významnou měrou přispět ke zvýšení účinnosti odstraňování amoniakálního a celkového dusíku z čištěných odpadních vod.

S odstraňováním organického znečištění a nerozpuštěných látek v těchto systémech nebývá většinou problém (stejně jako u kořenových čistíren a zemních filtrů), účinnost odstraňování BSK₅ a nerozpuštěných látek se zpravidla pohybuje kolem 90 %, CHSK_Cr potom zpravidla kolem 80 %. Ke zvýšení účinnosti odstraňování fosforu použitím hybridních systémů (pokud není použito speciálních náplní) nedochází.

Čisticí procesy v umělých mokřadech

Jak již bylo zmíněno u jednotlivých typů umělých mokřadů, probíhají v nich procesy fyzikální, fyzikálně-chemické, chemické a biologické [19, 20]. Mezi nejvýznamnější fyzikální procesy patří filtrace a sedimentace. Rychlost filtrace souvisí se zrnitostním složením filtračního materiálu, strukturou, texturou, efektivní pórovitostí, složením odpadních vod a zejména závisí na obsahu nerozpuštěných látek přítomných v přitékající odpadní vodě. U umělých mokřadů ale filtrace a sedimentace není žádoucím procesem čištění, protože přispívá ke kolmataci.

Mezi nejvýznamnější fyzikálně-chemické procesy patří vazba řady látek na sorpční komplex filtračního materiálu (amoniak, vápník, hořčík, sodík, draslík aj.). Obzvláště důležitá je vazba fosforu na sloučeniny železa, manganu nebo hliníku. U umělých mokřadů jsou tyto fyzikálně-chemické procesy žádoucí, vhodnou volbou filtračního materiálu lze významně ovlivnit účinnost odstraňování fosforu.

Z chemických procesů jsou nejvýznamnější oxidačně-redukční pochody, které souvisejí s množstvím kyslíku přítomného ve filtračním prostředí. Vedle toho dochází i k rozkladu nebo syntéze nových sloučenin.

Mezi nejvýznamnější biologické procesy patří bakteriální a rostlinný metabolismus. Různorodá směs aerobních a anaerobních bakterií je zapojena do rozkladu organických látek a cyklu nutrientů v umělých mokřadech. Průběh jednotlivých procesů závisí především na množství biologicky rozložitelného materiálu a na množství přítomného kyslíku. Fungovat mohou následující skupiny bakterií: desulfurikační (redukují oxidované formy síry na sirovodík), denitrifikační (redukují dusičnany na dusitany a až plynný dusík), proteolytické (utilizují bílkoviny), amonizační (rozkládají organické dusíkaté látky na amoniak), amylolytické (štěpí škrob a nižší cukry na organické kyseliny), nitrifikační (oxidují amonné ionty na dusitany až dusičnany).

Filtrační materiály umělých mokřadů

Základní poznatky

V umělých mokřadech je možné využít celou řadu více či méně vyzkoušených filtračních náplní, některé se používají buď přímo jako náplň filtračních kořenových polí, nebo jako náplň dočišťovacích filtrů umístěných na odtok z umělých mokřadů. Při volbě náplně umělého mokřadu velice záleží na složení čištěné odpadní vody, protože v některých případech může docházet a dochází k velice rychlému ucpávání.

Filtrační náplň je jednou ze tří základních součástí umělého mokřadu a její výběr je pro jeho správnou funkci zásadní. Kromě poskytování fyzické podpory pro růst rostlin a povrchu pro růst mikroorganismů podporuje filtrační náplň sedimentaci a filtraci znečišťujících látek. Některé druhy náplní navíc přispívají ke zvýšené sorpci amoniakálního dusíku nebo fosforu. Patří k nim zejména sekundární produkty z uhelného průmyslu, vysokopecní struska apod. [21].

Mezi mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti samotného filtračního materiálu patří zejména [22, 23]: zrnitost, struktura a textura zrn, odolnost a mrazuvzdornost materiálu, chemické složení (podíl železa, hliníku a manganu), obsah vyluhovatelných částic (minerálních i organických), měrná a objemová hmotnost, hydraulická vodivost, pórovitost, dostupnost materiálu (cena, transportní vzdálenost).

Obr. 5. Schéma hybridního systému [18]
Fig. 5. Scheme of hybrid system [18]

Vlastnosti filtračních materiálů, zejména hydraulická vodivost, se během provozu umělých mokřadů mění. Propustnost filtračního lože je ovlivňována zhutněním materiálu (údržba i přirozené sesedání), prorůstáním kořeny a ukládáním stařiny mokřadní vegetace, vyčerpáním sorpční kapacity filtrační náplně a kolmatací volných pórů nerozpuštěnými minerálními a organickými látkami [24]. Ukládání stařiny mokřadní vegetace je podle našich praktických zkušeností závažným problémem. Po několika letech provozu může mocnost takto vytvořené vrstvy dosáhnout až 20 cm, uložený materiál se navíc postupně rozkládá a může významně přispět ke kolmataci filtrační náplně.

Alternativní materiály

V současné době probíhá ve světě i u nás celá řada experimentů, při kterých jsou využívány zejména náplně, které jsou schopny ve větší či menší míře adsorbovat dusík nebo fosfor. Patří mezi ně struska, zeolity nebo bauxit. Struska z metalurgické výroby železných kovů se jeví jako vhodná náplň a to i proto, že je levnější než štěrkové náplně a je schopná adsorbovat značný podíl fosforu z přitékající odpadní vody. Po vyčerpání sorpční kapacity může plnit roli pevného nosiče, stejně jako štěrková náplň. Nevýhodou je cyklus výměny struskové filtrační náplně, který se pohybuje v rozmezí 1 až 3 roky v závislosti na sorpční kapacitě a koncentraci fosforu v přitékající odpadní vodě. Pro přírodní zeolity je charakteristická schopnost odstraňovat rozpuštěný amoniakální dusík přítomný v odpadní vodě. Nejběžnější a nejčastěji používaný přírodní zeolit je klinoptilolit, který se vyznačuje velmi dobrou adsorpční schopností. Nevýhodou ale je jeho malá sorpční kapacita, proto se musí poměrně často regenerovat. Díky vysokému obsahu oxidů hliníku a železa je možné použít i bauxit, který vykazuje vysokou účinnost při odstraňování fosforu. Jako filtrační náplň do umělých mokřadů je ale bauxit zatím využíván jen velmi zřídka, častěji se používá v přídavných filtrech instalovaných na odtok z kořenových polí [25]. Zkušenosti s použitím dočišťovacího filtru naplněného zeolitem a zjištěné průměrné účinnosti odstraňování amoniakálního dusíku a fosforu popisují autoři Gikas a Tsihrintzis [26]. Autoři Suliman a kol. [27] porovnávali využitelnost dvou materiálů uzpůsobených k sorpci dusíku a fosforu, kterými byly materiál LWA (light weight aggregates) typu Filtralite-P^TM (keramzit) a lasturový písek, který je přírodní (je tvořen uhličitanem vápenatým a v menším množství uhličitanem hořečnatým). Autoři Li a kol. [21] testovali celkem osm různých filtračních materiálů, kterými byly zeolit, antracit, jílová břidlice, vermikulit, keramická filtrační náplň, struska z výroby oceli, štěrk a bio-keramika. Tyto studie ukazují, že by volba filtračního materiálu neměla být podceňována, protože může významnou měrou přispět k odstraňování nutrientů z čištěných odpadních vod.

Kolmatace umělých mokřadů

U horizontálně a vertikálně protékaných umělých mokřadů je kolmatace poměrně častým jevem. Jde o souhrn fyzikálních, chemických a biologických procesů [28–32], které vedou nejen ke snížení propustnosti filtračního lože, tzn. hydraulické vodivosti a porozity zrnitého materiálu [33], ale také významně ovlivňují přenos kyslíku ze vzduchu do vody [34–36]. Tyto skutečnosti mají za následek významný pokles schopnosti systému čistit odpadní vodu [37]. Jde o ucpávání porézního filtračního prostředí nerozpuštěnými látkami, především jemnými zemitými a organickými částicemi z povrchových smyvů a kalem vyplavovaným ze stokové sítě a mechanického stupně čištění [23], dalšími příčinami mohou být nevhodně řešené dešťové oddělovače, nevhodně zvolený (většinou příliš jemný) materiál filtrační vrstvy nebo pronikání sekundárního znečištění z předřazené biologické nádrže zejména v letním období [38]. Rozsah kolmatace závisí na množství látek (vyjádřeno ukazateli CHSK_Cr, nerozpuštěné látky) v přitékající odpadní vodě [28], hydraulickém zatížení [30], zrnitostním složení porézního filtračního prostředí, jeho struktuře a textuře, době provozu zařízení apod. Pokud je kolmatace v pokročilejším stádiu, může docházet až k zaplavování povrchu umělého mokřadu čištěnou odpadní vodou (viz obr. 6).

Ke kolmataci filtračního prostředí dochází nárazovým uvolněním těchto částic, např. při přívalových deštích nebo významnějších srážkových událostech, nebo hydraulickým přetěžováním [7] nebo pozvolným zakolmatováním, které způsobuje především nevhodná konstrukce usazovacích nádrží (mechanického předčištění), nebo jejich nesprávné provozování a údržba, např. nedostatečně časté vyvážení usazeného kalu [39].

Pokročilá kolmatace vyžaduje sanaci zakolmatované náplně, a tak limituje životnost celého systému, proto je cílem zabránit intenzivní kolmataci a předčasnému ucpání filtračního lože umělých mokřadů. K hlavním opatřením, která významně omezují rozsah a průběh kolmatace, patří rekonstrukce dešťových oddělovačů, minimalizace erozních smyvů, instalace funkčních lapáků písku a usazovacích nádrží, rovnoměrné rozdělení mechanicky předčištěné odpadní vody po celé šíři filtračního lože, navrhování postupného přechodu zrnitostního složení filtrační náplně, pravidelné časně jarní odstraňování zbytků vegetačního pokryvu apod. [40].

Nakládání s odpady z umělých mokřadů

Jedním z možných způsobů nakládání s odpady z extenzivních čistíren (kaly, kolmatovaný filtrační materiál, makrofytní vegetace kořenových filtrů) je kompostování. Jak vyplývá z dlouhodobého sledování kalů z objektů mechanického předčištění extenzivních čistíren, nepřekračuje jejich kontaminace rizikovými prvky a látkami a mikrobiálním znečištěním limitní hodnoty dané vyhláškou č. 382/2001 Sb. [41]. Mikrobiální znečištění kalů je však poměrně proměnlivé v závislosti na míře jejich stabilizace. Pro dosažení větší stability je vhodné více hlídat probíhající procesy, případně zvolit mezistupeň stabilizace kalů před jejich použitím v zemědělství [42, 43]. Jednou z možností je právě kompostování [43, 44]. Tento proces přináší pozitivní změny vstupních materiálů a snižuje míru jejich kontaminace.

Možnost uplatnění kalů v zemědělství však také závisí na dohodě mezi provozovateli čistíren a zemědělsky hospodařícími subjekty. V obdobích, kdy není zájem ze strany těchto subjektů o kaly, je nutné jejich vyvážení na jiné komunální ČOV s kalovým hospodářstvím. To je pro provozovatele finančně náročnější.

Obr. 6. Důsledek kolmatace přítokové zóny umělého mokřadu
Fig. 6. Clogging consequence

Výsledky pokusného kompostování odpadů z extenzivních čistíren prokázaly vedle výrazného snížení mikrobiálního zatížení i obsah poměrně velkého množství makroelementů využitelných vegetací při aplikaci výsledného produktu na zemědělskou půdu. Pozornost je však nutné věnovat obsahu těžkých kovů, protože ke snížení jejich obsahu kompostováním prakticky nedochází, výsledný obsah je výsledkem poměru míchání jednotlivých složek a při aplikaci je nutné mít informace o obsahu těchto kovů v půdě.

Intenzifikace umělých mokřadů

Jak již bylo uvedeno v předcházejícím textu, mezi možné způsoby intenzifikace čisticích procesů probíhajících v umělých mokřadech patří využití pulzního plnění a prázdnění kořenových filtrů, které přispívá ke zvýšení koncentrace kyslíku přítomného ve filtrační náplni, a tím ke zvýšení účinnosti odstraňování amoniakálního dusíku. Dále je to použití alternativních filtračních materiálů (ať již přímo v tělese umělého mokřadu nebo v přídavném filtru umístěném na odtoku z něj), které mohou ve zvýšené míře sorbovat dusík nebo fosfor.

Kolmatovanou filtrační náplň umělých mokřadů není třeba vždy vyměňovat, jako alternativní cesta se jeví in-situ aplikace roztoků chemikálií, jako je roztok roztoku hydroxidu sodného, chlornanu sodného, kyseliny chlorovodíkové nebo speciálně připraveného detergentu [45]. Autoři uvádějí, že se efektivní porozita i infiltrační rychlost nejrychleji a nejvíce zlepšovala při použití roztoku chlornanu sodného (ustálení po 5 dnech aplikace). Při použití vodovodní vody jako srovnávacího roztoku se efektivní porozita téměř neměnila a rychlost infiltrace jen velmi nepatrně stoupala. Proteiny a polysacharidy byly rozpouštěny hlavně roztokem hydroxidu a chlornanu sodného. Anaerobně vytvořený plyn uložený v pórech byl nejlépe uvolňován roztokem kyseliny chlorovodíkové. Autoři rovněž uvádějí, že kolmatace byla podstatně redukována a aplikované roztoky neměly dlouhodobý negativní vliv na rostliny a biofilm umělého mokřadu, ale po aplikaci těchto přípravků nutně následovalo období cca 1 měsíce regenerace biofilmu filtračního lože. Další možností je využití bakteriálně-enzymatických přípravků, které významnou měrou snižují rozsah kolmatace filtračních náplní, a tím přispívají ke zprůchodnění a zvýšení účinnosti čištění umělých mokřadů [37, 46, 47]. Po opakované aplikaci bakteriálně-enzymatického přípravku (vegetační sezona 2013 a 2014) se účinnost čištění v dotčeném kořenovém poli zvýšila pro CHSK_Cr z 74 % na 84 %, pro BSK₅ z 83 % na 92 %, pro nerozpuštěné látky z 91 % na 94 %, pro amoniakální dusík z 6 % na 17 % a pro celkový dusík z 19 % na 24 %. Tyto výsledky ukazují, že aplikace vhodně zvoleného preparátu může významně přispět ke zvýšení propustnosti kolmatované náplně umělého mokřadu a ke zvýšení účinnosti čištění.

Závěr

Kvalita odtékající vyčištěné odpadní vody z dobře fungujícího umělého mokřadu může dosahovat kvality vyčištěné odpadní vody z mechanicko-biologické čistírny odpadních vod a může tak vyhovovat požadavkům nařízení vlády č. 61/2003 Sb., v platném znění. Vyčištěnou odpadní vodu tak lze vypouštět do recipientu nebo do veřejné kanalizace. Pokud není v blízkosti žádný vodní tok ani veřejná kanalizace, je pro jednotlivé rodinné domy nebo rekreační objekty vhodným řešením vsakování vyčištěných odpadních vod do půdních vrstev, tedy vypouštění do podzemních vod.

Umělé mokřady ke svému provozu nevyžadují elektrickou energii, mají minimální nároky na speciální technologické prvky, jejich provozování je jednoduché, na rozdíl od klasických aktivačních čistíren jim nevadí výraznější výkyvy v hydraulickém a látkovém zatížení a jsou vhodné i pro čištění odpadních vod s nízkými koncentracemi organického znečištění (BSK₅ pod 30 mg/l). Mezi hlavní nevýhody patří vysoké nároky na plochu, nízká účinnost odstraňování amoniakálního dusíku a fosforu, technologická neovladatelnost procesu čištění a také kolmatace filtračního prostředí, která je hlavním provozním problémem.

V současné době probíhá ve světě i u nás celá řada výzkumných projektů zabývajících se umělými mokřady a možnostmi jejich intenzifikace. Jak ukazují tyto výzkumy, je možné ovlivnit jejich funkčnost a účinnost čištění zařazením mnohdy jednoduchého prvku do stávající technologie. V případě nového návrhu by měla být věnována pozornost dostatečnému dimenzování nejen biologického stupně, ale zejména mechanického předčištění. Pokud to podmínky dovolují, je vhodné zvolit hybridní uspořádání nebo alespoň pulzní plnění a prázdnění, aby bylo podpořeno odstraňování amoniakálního dusíku.

Mnoho dalších informací naleznete v nové monografii „Optimalizace provozu a zvýšení účinnosti čištění odpadních vod z malých obcí pomocí extenzivních technologií“ autorského kolektivu Mlejnská, Rozkošný, Baudišová.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl v rámci projektu TA02020128 – Výzkum možností optimalizace provozu a zvýšení účinnosti čištění odpadních vod z malých obcí pomocí extenzivních technologií, který je řešen s finanční podporou TA ČR v rámci programu Alfa.