Abstrakt

V tomto článku je představena datová sada uvádějící hodnoty šedé vodní stopy pro vypouštěné vody z čistíren odpadních vod v České republice. Šedá vodní stopa je kvalitativní ukazatel převádějící vypouštěné znečištění na objem vody potřebný k jeho naředění na koncentrace neškodné pro životní prostředí. Informace o šedé vodní stopě jednotlivých zdrojů znečištění jsou využitelné všemi subjekty zabývajícími se hodnocením jakosti vod, vodní stopou, dopadem lidské činnosti na životní prostředí, udržitelností užívání vodních zdrojů apod. Proto byly analyzovány údaje o čistírnách odpadních vod evidovaných ve vodní bilanci podle vyhlášky č. 431/2001 Sb., za období 2002 až 2018 a stanovena vodní stopa znečištění přitékajícího do čistíren i odtékajícího z čistíren odpadních vod.

  • Dataset: https://zenodo.org/record/4602864
  • Licence: Creative Commons Attribution 4.0 International

Článek se souvisejícím výzkumem

ANSORGE, L., STEJSKALOVÁ, L., DLABAL, J. Effect of WWTP size on grey water footprint – Czech Republic case study. Environmental Research Letters. 15(10), 104020. 2020. ISSN 1748-9326. Dostupné z: doi: 10.1088/1748-9326/aba6ae

Souhrn

Koncept vodní stopy byl představen v roce 2002 [1] a dnes je jedním z rozšířených nástrojů pro hodnocení udržitelnosti užívání vodních zdrojů [2]. Vodní stopa patří do rodiny environmentálních stop [3], které umožňují podívat se na problémy užívání přírodních zdrojů z jiné perspektivy. Šedá vodní stopa je kvalitativní ukazatel převádějící vypouštěné znečištění na objem vody potřebný k jeho naředění na koncentrace neškodné pro životní prostředí [4]. Informace o šedé vodní stopě jednotlivých zdrojů znečištění jsou využitelné všemi subjekty zabývajícími se hodnocením jakosti vod, vodní stopou, dopadem lidské činnosti na životní prostředí, hodnocením udržitelnosti využívání vodních zdrojů apod. Proto byly analyzovány údaje o čistírnách odpadních vod (ČOV) evidovaných ve vodní bilanci podle vyhlášky č. 431/2001 Sb., a stanovena hodnota jejich šedé vodní stopy za období 2002 až 2018. Časová řada zachycená v datové sadě popisuje vývoj vypouštěného znečištění i míru, jakou čistírny odpadních vod přispívají k odstranění produkovaného znečištění. Datová sada již byla použita k analýzám na úrovni jednotlivých čistíren [5–7], dílčích povodí [8] i České republiky [9, 10]. Datová sada může sloužit k dalšímu hodnocení opatření spojených s implementací příslušných směrnic EU a výzkumu v oblasti vodní stopy, udržitelného užívání vod a hodnocení dopadů lidské činnosti na životní prostředí.

Popis dat

Datová sada je tvořena jedním textovým souborem s oddělovači ve formátu csv, který obsahuje údaje popsané v tab. 1. Jako oddělovač desetinných míst je použita tečka. Datová sada je tvořena třemi dílčími částmi. První dvě představují primární data, tj. data převzatá z vodní bilance, třetí část obsahuje hodnoty šedé vodní stopy a dalších doplňujících ukazatelů. První část datové sady zahrnuje údaje pro identifikaci jednotlivých vypouštění, druhá část datové sady obsahuje údaje o vypouštěném množství znečišťujících látek a množství znečištění přitékajícího do ČOV. Třetí část pak vypočítané údaje o šedé vodní stopě jednotlivých sledovaných látek i celé ČOV, jak na odtoku z ČOV, tak na přítoku do ČOV. Datová sada obsahuje i kontrolní údaje o tom, zda nedochází v některé čistírně k nárůstu šedé vodní stopy pro jednotlivé ukazatele. Dále též kontrolu, zda jsou k dispozici údaje o přitékajícím a odtékajícím množství látky determinující šedou vodní stopu; to je důležitý údaj pro hodnocení efektu ČOV na snížení produkovaného znečištění.

Tab. 1. Struktura datové sady

Experimentální design, materiály a metody

Z dat o odběrech a vypouštění, jež má VÚV TGM od státních podniků Povodí (na základě vyhl. č. 431/2001 Sb.) k dispozici a jsou uložena v databázi HEIS VÚV (zároveň jsou tato data každoročně zveřejněna ke stažení na portále ISVS-voda), byly z databáze vybrány údaje o vypouštění z ČOV za období 2002 až 2018 (primární data). Jednotlivé záznamy o ČOV byly vybrány na základě údaje o existenci ČOV a následné ruční validaci pomocí identifikace čistírny v názvu vypouštění.

Datové pole „Produkce znečištění“ bylo stanoveno na základě porovnání hodnoty redukce šedé vodní stopy jednotlivých ukazatelů – datová pole s koncovkou „_VSre“. Pokud žádné z datových polí redukce šedé vodní stopy nedosahuje záporných hodnot, pak datové pole „Redukce znečištění“ má hodnotu „Ano“, v opačném případě hodnotu „Ne“.

Výpočet vypouštěného znečištění (datová pole s koncovkou „_L“) byl proveden podle rovnice 1:

Kde є P {BSK, CHSK, NL, RAS, N_NH4, N_ANORG, P_CELK, BSK5_PRO, CHSK_PRO, NL_PRO, RAS_PRO, NNH4_PRO, NANORG_PRO, P_CELK_PRO}

Výpočet šedé vodní stopy (datové pole „max VS“ a „max VS_PRO“) byl proveden podle rovnice 2:

Kde GWFi (datová pole s koncovkou „_VS“ a „_PRO_VS“) je šedá vodní stopa látky i, která se stanoví podle rovnice 3:

Kde Li je množství vypouštěného znečistění, cmax,i je maximální povolená koncentrace znečišťující látky i v toku, cnat,i je přirozená koncentrace znečišťující látky i v toku. Rozdíl cmax,i – cnat,i je označován jako asimilační kapacita toku [11]original samples were taken from trout farms in the Kabkian River, south-western Iran, and the pollution exports are calculated in first step. In the second step, river is modelled for determining the local-oriented water quality standards. Finally, total multiple-pollutant GWF is determined. Here, equations are developed for considering dissolved oxygen (DO. Pro ukazatel cmax,i byly použity hodnoty uváděné v ČSN 75 7221 pro II. třídu jakosti vody a pro ukazatel cnat,i hodnoty pro I. třídu jakosti vody dle ČSN 75 7221. I. třída jakosti vody je v ČSN 75 7221 popsána jako stav povrchové vody, jenž nebyl významně ovlivněn lidskou činností a při kterém ukazatele jakosti vody nepřesahují hodnoty odpovídající běžnému přirozenému pozadí v tocích. II. třída jakosti vody je definována jako stav povrchové vody, jenž byl ovlivněn lidskou činností tak, že ukazatele jakosti vody dosahují hodnot, které umožňují existenci bohatého vyváženého a udržitelného ekosystému.

Pro ukazatel rozpuštěné anorganické soli nejsou v literatuře uváděny hodnoty pro stanovení asimilační kapacity, proto byla hodnota asimilační kapacity rozpuštěných anorganických solí odvozena na základě úvahy, že RAS jsou podmnožinou rozpuštěných látek. Hodnota asimilační kapacity pro RAS byla stanovena na úrovni ¾ asimilační kapacity rozpuštěných látek dle ČSN 75 7221. Hodnoty použité pro výpočet vodní stopy uvádí tab. 2.

Tab. 2. Hodnoty asimilační kapacity použité pro výpočet v mg/l
BSK5CHSKCrNLRAS

N-NH4

NanorgPcelk
210101500,22,80,1

Hodnoty datových polí „ukazatel“, „ukazatel2“, „ukazatel_PRO“ a „ukazatel2_PRO“ byly stanoveny pomocí funkcí MS Excel INDEX a POZVYHLEDAT.

Datové pole „VS/RM“ uvádí poměr mezi vypočítanou hodnotou vodní stopy (datové pole „max_VS“) a objemem vypouštěných odpadních vod (datové pole „RM“).

Datové pole „Ukazatel2_je_v_PRO?“ je typu boolean. Jedná se o kontrolní datové pole, které bylo vypočteno pomocí funkce MS Excel INDEX. Toto pole uvádí, zda znečišťující látka s nejvyšší vodní stopou na odtoku z ČOV má evidovánu hodnotu znečištění na přítoku do ČOV. Pokud tomu tak není a hodnota „Ukazatel2_je_v_PRO?“ = 0, pak nemá smysl počítat údaje o redukci šedé vodní stopy na ČOV, neboť by byl výsledek ovlivněn chybějícími daty. Obdobně datové pole „Ukazatel2_PRO_je_na_odtoku?“ uvádí, zda znečišťující látka s nejvyšší vodní stopou na přítoku do ČOV má evidovánu hodnotu znečištění na odtoku z ČOV. Opět pro záznamy s nulovou hodnotou nemá smysl počítat redukci šedé vodní stopy na ČOV z důvodu ovlivnění hodnoty chybějícími daty.

Datové pole „redukce“ uvádí rozdíl mezi hodnotou vodní stopy na odtoku z ČOV (datové pole „max_VS“) a na přítoku do ČOV (datové pole „max_VS_PRO“). Hodnota byla stanovena pouze pro záznamy, u nichž jsou datová pole „Ukazatel2_je_v_PRO?“ = 1 a „Ukazatel2_PRO_je_na_odtoku?“ = 1. Obdobně byl proveden výpočet datového pole „efektivita“, které uvádí, o kolik % se změnila vodní stopa na odtoku vůči vodní stopě na přítoku podle rovnice 4:

Datové pole „VaK“ bylo vyhodnoceno na základě kódů OKEČ a CZ-NACE. Hodnou VaK = 1 nabývá datové pole, pokud kód CZ-NACE začíná číslicí „36“, „37“ nebo „8411“ nebo kód OKEČ začíná číslicí „90“ nebo „7511“. Hodnou VaK = 2
nabývá datové pole, pokud kód CZ-NACE = „410010“ nebo OKEČ = „410010“. Hodnou VaK = 3 nabývá datové pole, pokud kód CZ-NACE začíná číslicí „01“, „02“ či „03“ nebo OKEČ začíná číslicí „01“, „02“ či „05“.

Hodnoty, kolikrát se snížila vodní stopa na odtoku z ČOV pro jednotlivé látky (datová pole s koncovkou „_VSre“), byly vypočteny z koncentrací znečišťujících látek na přítoku do ČOV a odtoku z ČOV podle rovnice 5:

Kde x є R {BSK, CHSK, NL, RAS, N_NH4, N_ANORG, P_CELK}

Pokud údaj o koncentraci znečišťující látky na přítoku nebo odtoku chyběl nebo byl nulový, pak nebyla hodnota snížení vodní stopy počítána a datové pole zůstalo prázdné.

Veškeré výpočty byly provedeny v tabulkovém procesoru MS Excel 2016. Prázdná datová pole znamenají, že údaje nebyly vyplněny ve zdrojových datech (pro primární data) nebo že vypočítané pole nebylo počítáno (např. z důvodu chybějících údajů pro výpočet).

Využití a omezení datové sady

Datová sada obsahuje primární údaje, pomocí nichž a s využitím tab. 2 v tomto článku je možno provést kontrolu vypočítaných údajů. Využití datové sady je omezeno těmito faktory:


  1. Dostupnost a kvalita primárních dat – v rámci importu primárních dat je prováděna kontrola jejich konzistence a ve spolupráci s poskytovateli dat datová sada vyčištěna. Přesto však nelze vyloučit možné chyby. Zároveň není možno doplnit chybějící data, neboť tato data často nejsou poskytovateli dat ani sbírána. Toto omezení pak má dopad zejména na výpočet redukce šedé vodní stopy na ČOV, neboť pokud je hodnota vodní stopy na vstupu a výstupu z ČOV determinována jinou znečišťující látkou a údaje o jedné z těchto látek chybějí na jednom z „konců“ ČOV, mohlo by dojít ke zkreslení skutečného efektu ČOV.

  2. V několika případech dochází k nárůstu šedé vodní stopy na ČOV. Tento jev není chybou provozu ČOV, ale vyjádřením dopadu fyzikálně a biologicko-chemických procesů na ČOV, kdy jednotlivé formy látek se mohou v rámci procesu čistění odpadních vod měnit na jiné. Tím může v některých případech docházet k nárůstu množství vypouštěné konkrétní znečišťující látky oproti množství přitékajícímu na ČOV.

  3. Použité hodnoty asimilační kapacity (tab. 2) významně ovlivňují hodnoty šedé vodní stopy. S ohledem na geografické omezení datové sady na území ČR byly použity hodnoty vyplývající z české normy ČSN 75 7221. V odborné literatuře (např. [6, 12]) je popsána řada jiných přístupů ke stanovení hodnot asimilační kapacity, které povedou k jiným výsledkům. Vzhledem k principu výpočtu (rovnice 3) má volba asimilační kapacity zásadní dopad na hodnoty vodní stopy [13, 14] current and future nutrient loads in river basins using the Global NEWS model. We present water pollution levels (WPLs a jako rozhodující se mohou ukázat znečišťující látky, jež sice nejsou vypouštěny ve velkých množstvích, ale mají velmi nízkou asimilační kapacitu [10].

  4. Primární data nepostihují všechny ČOV v České republice, ale pouze vypouštění odpadních vod spadající pod vodní bilanci. Chybí tak zejména malé ČOV s vypouštěním do 500 m3/měsíc, resp. 6 000 m3/rok. Údaje o těchto malých zdrojích je možno získat např. v rámci majetkové a provozní evidence podle zákona č. 274/2001 Sb. Jak ukázal provedený výzkum [10], je vliv těchto malých ČOV na celkovou šedou vodní stopu v ČR minimální.

Etické ujednání

Autoři deklarují, že při pořizování datové sady nebyly prováděny pokusy na zvířatech ani nebyly využity lidské subjekty či údaje ze sociálních médií. Údaje v datové sadě jsou anonymizovány.

Příspěvek jednotlivých autorů – CRediT

  • Libor Ansorge – konceptualizace, metodika, formální analýza, výzkum, psaní (původní návrh)
  • Lada Stejskalová – formální analýza, výzkum, ověření, psaní (recenze a úpravy)
  • Jiří Dlabal – správa dat, ověření, psaní (recenze a úpravy)

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři prohlašují, že nemají žádné známé konkurenční finanční zájmy nebo osobní vazby, které by měly či mohly být vnímány jako střet zájmů nebo by ovlivnily dílo uvedené v tomto článku.

Poděkování

Vznik článku a datové sady byl podpořen z Institucionálních prostředků na rozvoj výzkumné organizace – Výzkumného ústavu vodohospodářského T. G. Masaryka v rámci interního grantu 3600.52.01/2020.

Příspěvek prošel lektorským řízením.