Terénní testování prototypu separátoru k dočištění srážkových vod

Souhrn

Článek shrnuje poznatky získané v rámci řešení výzkumného projektu „Technologie separace specifických polutantů ze srážkových vod“ (TH03030223), který se zabýval čištěním srážkových vod ze zpevněných ploch a komunikací zatížených nerozpuštěnými látkami (NL), polycyklickými aromatickými uhlovodíky i těžkými kovy. Projekt si kladl za cíl vyvinout účinnou technologii, která by uvedené polutanty ze srážkových vod separovala. Testování separačního zařízení v modelovém a následně poloprovozním měřítku na dvou lokalitách prokázalo svoji účinnost při záchytu NL. Provedenými zkouškami zařízení byl potvrzen předpoklad, že odstraněním NL se zásadně sníží také odtokové koncentrace polyaromatických uhlovodíků a těžkých kovů. Použití separátoru k dočištění srážkových vod tak přispívá ke snížení zátěže povrchových nebo podzemních vod dalšími polutanty, zejména polycyklickými aromatickými uhlovodíky a těžkými kovy.

Úvod

Jeden z významných potenciálních zdrojů kontaminace povrchových a podzemních vod v urbanizovaném území představují vody odtékající při srážkách z komunikací a zpevněných ploch (dálnice, silnice, parkoviště, obratiště automobilů). Splachovaný silniční sediment obsahuje různé částice a materiály, včetně anorganického i organického znečištění, jako jsou nerozpuštěné látky (NL), těžké kovy (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb a Zn) a polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU). Těžké kovy a PAU ve srážkovém splachu pocházejí ze spalování pohonných hmot, opotřebení částí automobilů (brzdy, pneumatiky, koroze), vozovky a dalších zdrojů. Tyto látky se hromadí na povrchu vozovky v důsledku jejího pravidelného používání a následně jsou odplavovány při srážkách do kanalizace a případně recipientu [1–3]. Splachované znečištění je jak z hlediska množství, tak i konkrétního složení v jednotlivých případech velmi různorodé a závisí na více faktorech. Mezi nejvýznamnější patří účel využití plochy a míra jejího zatížení. Při samotném splachu závisí také na proměnlivých přírodních podmínkách (počasí), zejména na intenzitě srážek, jež souvisí s následným odtokem vody a odnosem znečištění. Důležitým faktorem je i počet bezdeštných dnů před splachem, tedy doba, po kterou se znečištění na ploše kumuluje [3, 4]. Tyto předpoklady potvrzují Lee a kol. [3], kteří ve své studii uvedli, že největší míru znečištění na zkoumané ploše zaznamenali při nejintenzivnější srážce a současně nejdelším počtu bezdeštných dní (6 dní). Li et al. [5] ve své práci uvádějí, že koncentrace částic v odtoku klesá s dobou trvání srážky. Podobné závěry byly dosaženy i v našich dříve provedených simulovaných srážkových splaších, kde byla sledována koncentrace NL, PAU a těžkých kovů v první a páté minutě simulovaného splachu ze zpevněných ploch. Výsledky prokázaly, že již mezi těmito časy významně klesá množství NL a zároveň se snižuje koncentrace PAU a těžkých kovů [6]. V literatuře bylo publikováno mnoho vhodných postupů ke snížení PAU a těžkých kovů ze srážkových vod, např. sedimentace, filtrace [1] nebo koagulace kombinovaná s flokulací [4]. Separace NL se jeví jako významný proces ke snížení znečistění [1]. Výběr vhodné technologie pro konkrétní aplikaci vychází z míry zatížení a s tím souvisejícím znečištěním zvolené plochy, dále z požadované kvality vyčištěné vody, eventuálně možnosti jejího dalšího využití a investičních nákladů [7].

Výzkumný projekt s názvem „Technologie separace specifických polutantů ze srážkových vod“ (TH03030223) se zaměřil na odstraňování znečištění ze srážkových vod odtékajících ze zpevněných ploch. Cílem projektu bylo vyvinout prototyp separačního zařízení, jež by bylo specializováno na odstraňování především NL a na ně navázaného znečištění, zejména PAU a těžkých kovů, a ve kterém by probíhalo předčištění srážkových vod před jejich vsakováním do podzemních vod, vypouštěním do vod povrchových, případně před jejich dalším možným využitím [6]. Navržené a v poloprovozních podmínkách ověřené zařízení je založeno na separaci co největšího podílu NL. K jeho návrhu bylo využito matematického modelování proudění vody. V rámci řešení se předpokládalo, že vyvíjený separátor bude osazen jako podzemní objekt, který se nebude čistit po každé srážce. Separační prostor bude trvale zatopen vodou. Po začátku srážky se tedy zařízení nebude plnit, ale voda začne rovnou odtékat. Zařízení neslouží k transformaci (zploštění) průtoků při dešťové srážce. Zachycené NL se usazují u dna a přepážka, umístěná těsně nade dnem, brání jejich opětovnému vyplavování při další srážce. Množství zachycených látek se bude postupně zvyšovat. Po zaplnění kalové části zařízení bude potřeba provést vyčištění separátoru, aby nedošlo k vyplavování zachyceného znečištění, a tím ke snižování účinnosti zařízení. Naplnění kalové části je individuální a závislé na podmínkách dané lokality (typ odvodňované plochy, prašnost, provoz a další), proto je nezbytné provádět průběžné měření množství kalu. V rámci projektu nebyla doba naplnění sledována, jelikož se jedná o dlouhodobé měření. Prototyp zařízení byl testován v poloprovozních podmínkách nad úrovní terénu.

Metodika

V rámci řešení projektu byly nejprve provedeny analýzy simulovaných dešťových splachů ze zpevněných ploch. Navazující fáze projektu byla zaměřena na zpracování a analýzu výsledků splachů a provedení matematického modelování, na jejichž základě bylo přistoupeno k vývoji modelu separačního zařízení k odstranění NL a jeho odzkoušení v laboratorních podmínkách v závislosti na velikosti frakce a průtoku. Návrh a optimalizace prototypu zařízení vycházely z hydrodynamického modelování a výsledků laboratorního zkoušení. Zařízení bylo konstruováno tak, aby byl co nejvhodněji využit celkový objem separátoru a nedocházelo ke zkratovému proudění. Jedním z hlavních aspektů při návrhu konstrukce, za účelem nejúčinnější sedimentace, byla délka trajektorie a její čas. Dále byl kladen důraz na způsob provozování a ekonomiku provozu a také na investiční a výrobní náklady vyvinutého zařízení. Výsledky laboratorních fází projektu již byly publikovány dříve [8]. Tento příspěvek se zabývá závěrečnou fází projektu, tedy terénním testováním prototypu separátoru s návrhovým průtokem 1 l·s^-1 (viz obr. 1 a 2), v poloprovozních podmínkách.

Obr. 1. Vizualizace prototypu separačního zařízení
Fig. 1. Visualization of a prototype separation device

Obr. 2. Detail prototypu separačního zařízení
Fig. 2. Detail of a prototype separation device

Simulované splachy (při třech zvolených průtocích) byly provedeny na dvou lokalitách. Hodnoty průtoků vycházely z matematického modelování proudění v zařízení. Z provozních důvodů bylo na začátku řešení projektu zvoleno, že měření i další testování se bude provádět při simulovaném dešti, tedy omytím zpevněné plochy pitnou vodou z hydrantu po dlouhodobějším období beze srážek. Simulace srážky probíhala tak, aby celá plocha byla skrápěna co možná nejrovnoměrněji a mohlo být regulováno množství průtoku zařízením. Mezi jednotlivými testy nebyl prototyp čištěn, pouze vypuštěn, aby mohl být přemístěn a uskladněn. Pro testování se předpokládal termín po období jednoho až dvou týdnů bez dešťů i krátkodobých přeháněk (konkrétně specifikováno v kapitole Výsledky a diskuze).

Na obou měřených lokalitách bylo zařízení zkoušeno postupně při těchto průtocích (Q):

• Snížený průtok 0,5 l·s^-1
• Nominální průtok 1 l·s^-1
• Maximální průtok 1,5 l·s^-1

Intenzita oplachu povrchu vozovky pitnou vodou z hydrantu (simulace srážky) byla regulována tak, aby odpovídala zkoušenému průtoku. Přítok do prototypu byl regulován a kontrolován průtokoměrem. Těsně před započetím testu byl odebrán prostý vzorek vstupní vody z hydrantu, ve kterém byly stanoveny NL při 105 °C (slepý pokus).

Zařízení bylo instalováno na volných plochách zvolených lokalit jako nadzemní nádrž. Hlavním důvodem byla nutnost přesouvání prototypu mezi lokalitami a především nebylo možné v daných lokalitách zařízení zabudovat pod úroveň terénu ani uskladnit na ploše do další série testování. Lokality byly zvoleny s ohledem na odlišný způsob používání.

Splachy byly provedeny na dvou zvolených lokalitách:

• Lokalita 1: plocha, kde se otáčejí nákladní automobily
• Lokalita 2: plocha, na níž pravidelně parkují nákladní vozidla

Obr. 3. Pohled na splach – lokalita 1
Fig. 3. View of the run-off – locality 1

Zkoumaná plocha byla postřikována vodou z hydrantu tak, aby bylo rovnoměrně skrápěno celé vytyčené území, z něhož voda stékala k vybrané kanalizační vpusti (obr. 3 a 4). Na vpusti byl vyjmut poklop, ucpávkou utěsněn odtok do kanalizace (obr. 5) a stékající voda byla ihned ze vpusti kalovým čerpadlem přiváděna do přítokové části prototypu. Přítoková hadice byla osazena průtokoměrem s regulovatelným uzávěrem. Pohled na testování je znázorněn na obr. 6. Na základě zpracování hydrodynamického matematického modelování a zkušeností z pilotní fáze testování prototypu v laboratorních podmínkách byla navržena celková délka zkoušení 15 minut. Program odběru vzorků reflektoval předpoklad, že největší množství NL je ze zpevněné plochy spláchnuto v první fázi deště a poté se množství NL již snižuje. Vzorky na stanovení PAU, těžkých kovů a NL byly odebírány na přítoku a odtoku do prototypu současně jako prosté vzorky přímo do vzorkovnice v 1., 3., 9. a 15. minutě. Stanovení NL vycházelo z postupu vypracovaného na základě normy ČNS EN 872.

Obr. 4. Pohled na splach – lokalita 2
Fig. 4. View of the run-off – locality 2

Obr. 5. Pohled na utěsněnou vpusť (lokalita 2)
Fig. 5. View of a sealed drain (locality 2)

Obr. 6. Pohled na testování – lokalita 2
Fig. 6. View of the testing – locality 2

Obr. 7. Průměrné koncentrace NL na přítoku a odtoku – porovnání obou lokalit
Fig. 7. Inflow and outflow suspended solids average concentrations – comparison between localities 1 and 2

Obr. 8. Průměrné koncentrace významných PAU na přítoku a odtoku – lokalita 1
Fig. 8. Average concentrations of significant PAH in influent and effluent – locality 1

Obr. 9. Průměrné koncentrace významných PAU na přítoku a odtoku – lokalita 2
Fig. 9. Average concentrations of significant PAH in influent and effluent – locality 2

Výsledky a diskuze

Je známo, že se zvyšující se intenzitou srážky roste i intenzita splachu a mohou se potenciálně odplavit i větší části znečištění, takže teoreticky by mělo platit, že čím větší je intenzita srážky, tím větší znečištění na přítoku může být. Nicméně vzhledem k uplatněné metodice experimentů, kdy byly používány simulované srážky na lokalitách, nebylo možné dosáhnout vždy stejných počátečních podmínek (stejný počet bezdeštných dnů, stejné zatížení plochy sledovanými látkami). Pro řešení projektu byl za bezdeštný den považován takový den, jehož denní úhrn srážek nepřesahoval 0,25 mm (aby nedocházelo k odtoku znečištění do kanalizace). Rozdíly v počátečních koncentracích NL jsou patrné z výsledků na obr. 7, kdy jejich nejvyšší koncentrace byla detekována při průtoku 1 l·s^-1.

V rámci terénního testování bylo nejvíce bezdeštných dní zaznamenáno před prvním splachem (Q 0,5 l·s^-1), tento splach se prováděl 8. den beze srážek, druhý splach (Q 1 l·s^-1) 7. den a třetí splach (Q 1,5 l·s^-1) se uskutečnil 4. bezdeštný den. Také mezi prvním a druhým splachem byla větší prodleva (70 dní) než mezi druhým a třetím splachem (19 dní). Z tohoto důvodu je obtížné, ne-li nemožné, porovnávat vstupní koncentrace znečištění mezi sebou.

Pohled na rozložení zaznamenaného znečištění (zde reprezentováno NL) v průběhu vlastního splachu prezentují tab. 1 a 2. Oproti očekávání, že s postupem času se budou koncentrace NL v přítoku snižovat, je v těchto výsledcích patrná určitá anomálie u lokality 1, kdy se množství NL ke konci splachu při nejnižším průtoku zvyšovalo. To je pravděpodobně ovlivněno nerovnoměrným zatížením plochy znečišťujícími látkami, kdy se část znečištění mohla spláchnout později. V dalších dvou měřeních a na obou lokalitách již podle předpokladu koncentrace NL s přibývajícím časem klesá. Hodnoty koncentrací v odtoku ze separačního zařízení mají opačnou tendenci, tedy se s postupem času zvyšují, což je dáno dobou zdržení znečištění v separátoru. Z výsledků je také patrné, že průtok, který bude v reálu odpovídat intenzitě srážky, má vliv na separační účinnost zařízení. Při vyšším průtoku se zhoršují podmínky pro sedimentaci NL, jež se vyplavují ve vyšší míře v porovnání s výsledky dosaženými při nižších průtocích. Ze zařízení se vyplavují zejména hůře sedimentující malé částice (< 0,09 mm), což bylo na tomto zařízení již dříve odzkoušeno v laboratorních podmínkách [8].

Tab. 1. Hodnoty NL stanovené na přítoku a odtoku na lokalitě 1
Tab. 1. Suspended solids concentration values determined in influent and effluentat locality 1

Tab. 2. Hodnoty NL stanovené na přítoku a odtoku na lokalitě 2
Tab. 2. Suspended solids concentration values determined in influent and effluentat locality 2

Tab. 3. Srovnání koncentrací těžkých kovů na přítoku a odtoku na lokalitě 1 – průměrné koncentrace za celý test
Tab. 3. Comparison of heavy metals concentrations in influent and effluent at locality 1 – average concentrations measured during the testQ [l·s^-1]

Tab. 4. Srovnání koncentrací těžkých kovů na přítoku a odtoku na lokalitě 2 – průměrné koncentrace za celý test
Tab. 4. Comparison of heavy metals concentrations in influent and effluent at locality 2 – average concentrations measured during the test

Tab. 5. Srovnání koncentrací PAU na přítoku a odtoku na lokalitě 1 – průměrné koncentrace za celý test
Tab. 5. Comparison of PAH concentrations in influent and effluent at locality 1 – average concentrations measured during the test

Tab. 6. Srovnání koncentrací PAU na přítoku a odtoku na lokalitě 2 – průměrné koncentrace za celý test
Tab. 6. Comparison of PAH concentrations in influent and effluent at locality 2 – average concentrations measured during the test

Tab. 7. Pearsonův korelační koeficient; výstup pro NL a těžké kovy
Tab. 7. Pearson correlation coefficient; output for suspended solids and heavy metals

Tab. 8. Pearsonův korelační koeficient; výstup pro NL a PAU
Tab. 8. Pearson correlation coefficient; output for suspended solids and PAH

Ze všech uvedených výsledků (tab. 1 až 6) je patrné, že lokalita 1 byla více zatížena sledovaným znečištěním než lokalita 2. K rozdílům v kumulovaném znečištění dochází pravděpodobně vlivem většího zatížení lokality 1 při manipulaci nákladních aut (otáčení, krátkodobé stání s mnohdy nastartovaným motorem).

V tab. 3 a 4 je přehled analyzovaných kovů z obou lokalit. Jsou zde uvedeny průměrné koncentrace za celou dobu testu z přítoku a odtoku ze separačního zařízení. Výsledky jsou uvedeny pro všechny tři testované průtoky. Z kovů na obou lokalitách nejvíce dominovaly koncentrace zinku, které mnohonásobně převyšovaly koncentrace ostatních kovů. Vyšších hodnot dále dosahovaly měď a olovo. Pro výpočet průměrů u hodnot pod mezí stanovitelnosti byla použita metoda podle vyhlášky č. 98/2011 Sb., kdy se hodnota pod mezí stanovitelnosti nahrazuje její polovinou. Suma PAU uvedená v tab. 5, 6 a 8 zahrnuje všechny analyzované PAU: naftalen, acenaften, fluoren, fenanthren, antracen, fluoranthen, pyren, benzo(a)anthracen, chrysen, benzo(b)fluoranthen, benzo(k)fluoranthen, benzo(a)pyren, benzo(g,h,i)perylen, dibenzo(a,h)anthracen a indeno(1,2,3,c,d)pyren. V tab. 5 a 6 (pro lepší názornost i obr. 8 a 9) jsou uvedeny průměrné koncentrace významných PAU. Stabilně se v analyzovaných vzorcích vyskytovaly nejvyšší koncentrace fluoranthenu a pyrenu. Nejvyšší koncentrace kovů i PAU byly analyzovány stejně jako u NL při druhém splachu (Q 1 l·s^-1).

Již výše uvedené výsledky naznačují, že koncentrace NL, těžkých kovů a PAU spolu souvisejí. Tato souvislost byla otestována jednoduchou lineární regresí a korelačním Pearsonovým koeficientem R². V tab. 7 a 8 jsou uvedeny hodnoty R² mezi NL a těžkými kovy a mezi NL a PAU. U těžkých kovů i PAU se hodnoty pohybují kolem 0,8, což značí silnou lineární závislost mezi koncentrací NL a PAU a mezi koncentracemi NL a testovanými těžkými kovy. Čím byla ve vzorku stanovena vyšší koncentrace NL, tím byly stanoveny i vyšší koncentrace sledovaných těžkých kovů, popřípadě PAU. Na obr. 10 je graficky znázorněn vztah mezi NL a těžkými kovy z pohledu lineární regrese. Koeficient determinace u těžkých kovů dosahuje hodnoty 0,679. Z toho vyplývá, že stanovené koncentrace kovů bylo možno lineární regresí vysvětlit z 67,9 % pomocí naměřených koncentrací NL. U PAU (obr. 11) to lze vysvětlit z 69,3 %.

Na základě získaných výsledků jsme ověřili, že separací NL se významně snižuje znečištění těchto vod PAU a těžkými kovy. V literatuře se však objevují i názory, že u těchto látek dochází nejen k adsorpci na pevné částice, ale také k agregaci a tvorbě shluků [6, 9, 10].

Obr. 10. Grafické znázornění vztahu mezi koncentracemi NL a PAU (suma všech PAU)
Fig. 10. Graphical relation between suspended solids and PAH concentrations (the sum of all PAH)

Obr. 11. Grafické znázornění vztahu mezi koncentracemi NL a těžkých kovů (suma všech těžkých kovů)
Fig. 11. Graphical relation between suspended solids and heavy metals concentrations (the sum of all heavy metals)

Závěr

Zvolený způsob řešení na počátku projektu vycházel z předpokladu, že významná část PAU a těžkých kovů je sorbována na pevných částicích, a odstranění NL je tak významným nástrojem k omezení vstupu PAU do vodního prostředí. Vyvinuté separační zařízení bylo odzkoušeno v pilotní fázi v modelovém měřítku, následně byla provedena série testování prototypu v terénních podmínkách na dvou lokalitách. Lokality představovalo parkoviště a zpevněná plocha s denním využíváním vozidly silniční dopravy. Prototyp zařízení byl testován při třech zvolených průtocích (0,5 l·s^-1, 1 l·s^-1 a 1,5 l·s^-1). Při simulaci srážkových splachů vybraných ploch bylo potvrzeno, že PAU a těžké kovy se dominantně vyskytují ve vzorcích s NL a že nejvíce těchto látek je smyto na začátku trvání srážkové činnosti. Výsledky dosažené naším šetřením byly v souladu s výše citovanými zahraničními studiemi. Silná lineární závislost mezi koncentrací NL a PAU a mezi koncentracemi NL a testovanými těžkými kovy byla potvrzena Pearsonovým korelačním koeficientem, jehož hodnota oscilovala kolem 0,8. Zjištěné závěry byly použity jako podklad pro následné komerční uplatnění separačního zařízení.

Poděkování

Článek vznikl řešením výzkumného projektu „Technologie separace specifických polutantů ze srážkových vod“ (TH03030223). Projekt byl realizován za finanční podpory Technologické agentury České republiky.

Příspěvek prošel lektorským řízením.