Vegetační kořenové čistírny

Úvod: Přírodní způsoby čištění znečištěných povrchových a odpadních vod

Přírodní způsoby čištění odpadních vod využívají  přírodě blízké samočisticí procesy, které probíhají v půdním, vodním a mokřadním prostředí. Vegetace, půda, vodní a mokřadní prostředí se podílejí na čistícím procesu vytvářením vhodného filtračního, sedimentačního a sorpční prostředí a současně zajišťují podmínky pro rozvoj mikroorganismů, podílejících se na čisticím procesu. Rostliny využívají zpřístupněné živiny (nutrienty), především dusík, fosfor a draslo k tvorbě biomasy. Stručný přehled jednotlivých přírodních způsobů čištění je uveden v tab. 7.1.

Přírodní způsoby čištění nacházejí uplatnění zejména při čištění splaškových odpadních vod z decentralizovaných domů, skupin domů, hotelů, rekreačních, restauračních zařízení a letních táborů, menších obcí obvykle do 500 obyvatel, při čištění odpadních vod ze školních zařízení, a to zejména při velmi kolísavém zatížení a sezónním provozu. Podle složení odpadních vod jsou tyto způsoby použitelné i pro čištění odpadních vod z dílen, malých průmyslových závodů, k čištění průsakové vody ze skládek komunálního odpadu, organicky nízkozatížených zemědělských odpadních vod, erozními smyvy znečištěných povrchových vod a dočištění odpadních vod.

Limitní možnosti využití přírodních způsobů čištění

Pro přírodní způsoby čištění jsou nepoužitelné odpadní vody s vysokým obsahem organického znečištění a zvýšeným výskytem tuků, olejů, derivátů ropy, extrémně kyselé a zásadité důlní a průmyslové odpadní vody, odpadní vody obsahující toxické látky překračující mez toxicity, nadlimitním obsahem tenzidů, pesticidů, radioaktivních látek, odpadní vody z nemocnic, veterinárních zařízení, kafilérií aj.

Přednosti přírodních způsobů čištění spočívají v ekologickém charakteru čistírenského zařízení, v možnosti příznivého začlenění do životního prostředí, v poměrně jednoduchém technologickém provedení, v nižších provozních nákladech, srovnatelných investičních nákladech s umělou (strojní) čistírnou, nízké potřebě energií, možnostech nárazového přetížení balastními vodami, poměrně rychlém zapracování a dobrém čistícím účinku v krátké době po zahájení provozu, poutání části dusíku a fosforu vegetací, schopností krátkodobého i dlouhodobého přerušení provozu, čištění organicky nízko zatížených odpadních vod, které není možno čistit umělými způsoby, u závlah v ekonomickém efektu spočívajícím ve zlepšení úrodnosti půd a tím i k výraznému zvýšení výnosů zemědělských plodin.

Nedostatky přírodních způsobů čištění převážně nespočívají v technologii přírodních způsobů čištění, ale v nevhodném řešení odlehčovacích komor při jednotné stokové síti, nekvalitním návrhu a tím nedostatečné funkčnosti mechanického stupně čištění, vytvářející podmínky rychlého zanášení (zakolmatování) filtračního prostředí a nádrží kalem.

Slabým místem je poměrně velká náročnost na plochu, nízká účinnost při odstraňování amoniakálního dusíku, v anaerobním filtračním prostředí kořenových čistíren. Problematika kyslíkového režimu a nitrifikace amoniaku byla výzkumně uspokojivě vyřešená zařízeními druhé generace (Šálek-Tlapák 2006 ,aj.).

K nejrozšířenějším přírodním způsobům čištění patří v ČR vegetační kořenové čistírny vod, půdní (zemní) filtry, biologické nádrže, zejména dočišťovací biologické nádrže (rybníky), v malém rozsahu závlahy čištěnými odpadními vodami. Z hlediska světového jednoznačně převládá závlaha čištěnými odpadními vodami.

1.1 Vegetační kořenové čistírny, čisticí procesy, zásady uspořádání

Obr. 7.11 Malá vegetační kořenová čistírna

Vegetační kořenové čistírny (VKČ) patří mezi tzv. přírodní (někdy nazývané také „extenzivní“) technologie (viz tab. 7.1). Jedná se o uměle budované zemní filtry osázené mokřadní vegetací (nejčastěji rákos obecný, chrastice rákosovitá, orobince) s definovaným filtračním prostředím, tzv. kořenovým filtrem (také nazývaným „kořenové pole“)- obr. 7.11. Základním principem tohoto způsobu čištění je tedy průtok odpadní vody substrátem, který je osázen mokřadní vegetací. Substrát musí být dostatečně propustný, aby nedocházelo k jeho ucpávání a následnému povrchovému odtoku. Při průchodu odpadní vody substrátem dochází k čištění, které se uskutečňuje komplexem chemických, fyzikálních a biologických procesů. U vegetačních kořenových čistíren voda proudí filtrem horizontálně, případně vertikálně. Schematické řezy jednotlivými variantami filtrů uvádění následující obr. 7.12 a 7.13.

Obr. 7.12 Řez kořenovým filtrem s horizontálním prouděním a odtokovou regulační šachticí

Obr. 7.13 Řez filtrem s mokřadní kořenovou vegetací a vertikálním prouděním

1.1.1 Použití vegetační kořenové čistírny a čistící účinek

Jak vyplývá z charakteru VKČ jsou velmi vhodným řešením biologického čištění odpadních vod zejména při přerušovaném provozu zdroje odpadních vod (rekreační objekty, chalupy, letní tábory), při velkém kolísaní koncentrace a množství odpadních vod a při přítoku zředěných odpadních vod, např. z jednotné kanalizace

Nerozpuštěné látky jsou odstraňovány především fyzikálními procesy filtrace a sedimentace. Organické látky jsou odstraňovány převážně mikrobiální aerobní i anaerobní respirací, koloidní částice pak mohou být odstraňovány z odpadní vody filtrací, sedimentací nebo adsorpcí.

V určité míře dochází k odstraňování dusíku, a to procesy amonifikace, nitrifikace, denitrifikace. Odstraňování fosforu probíhá zejména vázáním fosforu na filtrační materiál a zachycený kal a odběrem biomasou mokřadní vegetace. Bylo pozorováno i odstraňování dalších škodlivin z odpadní vody (těžké kovy, tenzidy, specifické organické látky, aj.). Výrazně je snižováno bakteriální znečištění.

Ze souhrnu zjišťovaných dlouhodobých účinností VKČ v České republice vyplývá, že VKČ jsou velmi efektivní při odstraňování organických a nerozpuštěných látek (Vymazal, 1995; Šálek, Tlapák, 2006; Rozkošný, 2008; Mlejnská a kol., 2009; Vymazal, 2009). Uvedenými autory bylo zjištěno, že koncentrace těchto látek na odtoku bývají pod maximálními přípustnými hodnotami, které stanoví Nařízení vlády 63/2001 Sb. ve znění novely 23/2011 Sb.

Vegetační kořenové čistírny s kořenovými filtry s horizontálním podpovrchovým prouděním vody (trvale naplněné filtry) však nejsou příliš efektivní při odstraňování amoniaku (nedostatek kyslíku ve filtračním loži) a fosforu (běžně používané kamenivo má malou schopnost srážet či sorbovat fosfor) - (Prokešová, 2010). Při použití materiálů se zvýšenou sorpční schopností (např. termicky expandované jíly, vysokopecní struska) však lze eliminaci fosforu výrazně zlepšit. V tom případě je nutné systém navrhnout tak, aby bylo možné relativně jednoduše vyměňovat sorpční materiál (využití gabionů, pytlů, apod. - Kršňák, Douša, 2011).

Dosavadní výzkumy ukazují, že hlavním procesem eliminace fosforu z odpadní vody při průchodu kořenovými filtry VKČ, je sorpce na filtrační materiál a také i na zachycené kalové částice. Během vegetačního období se na snižování množství fosforu v odpadní vodě podílí i odběr vegetací.

Zadržování mikrobiálního znečištění je vysoké, pro koliformní a termotolerantní koliformní baktérie se eliminace pohybuje většinou rozmezí 2-3 řádů (Rozkošný, 2008, Mlejnská a kol., 2009). Podrobné sledování několika VKČ v létech 1999-2010 prokázalo průměrné snížení výskytu fekálně koliformních (termotolerantních) a koliformních bakterií o 98 % a potvrzena byla vysoká účinnost odstranění veškerého bakteriálního znečištění bez sezónních výkyvů v rozmezí 95–99 %.

Vliv vegetace (makrofyt) na průběh čistících procesů, včetně odběru živin, závisí na druhu a zdravotním stavu porostu, jeho hustotě a zapojení, charakteru rozvoje biomasy, růstové fázi – aktuální části ročního období (Čížková, 1992; Květ a kol., 2003).

Publikované výsledky rozsáhlých průzkumů spojených s hodnocením účinnosti čištění realizovaných VKČ s horizontálním prouděním vody v kořenovém filtru uvádí následující průměrné účinnosti (Vymazal, 1995; Šálek a Tlapák, 2006; Rozkošný, 2008; Mlejnská a kol., 2009; Vymazal, 2009):

Při použití sorbentu se výrazně zvýší účinnost odstranění amoniakálního dusíku a fosforu z odpadní vody. Toho se využívá zejména během nevegetačního období, pokud jsou nepříznivé podmínky, zejména nízká teplota přitékající vody.

Pro vegetační kořenovou čistírnu s kořenovými filtry s vertikálním prouděním vody jsou uváděny účinnosti čištění ještě vyšší, včetně amoniakálního dusíku (až 66 %) a fosforu (až 60 %) – např. Šálek, Tlapák, 2006.

V současnosti probíhají výzkumy zaměřené na intenzifikaci čistícího účinku kořenových filtrů, zejména pro odstraňování dusíku, a to pomocí pulzního plnění a nebo prázdnění, využitím přídavné aerace (Kriška, Rozkošný, Šálek, 2011). Toto uspořádání lze realizovat umístěním násosky, resp. elektricky ovládaného uzávěru, do šachtice na odtoku čištěné odpadní vody z filtračního pole VKČ. Jiným řešením je kaskádové uspořádání více menších filtrů, které však vyžaduje svažitý terén. Při kaskádovém uspořádání může být také provedena úprava přítoku odpadních vod doplněním o vyrovnávací nádrž s elektroventilem. Podrobnosti těchto zařízení jsou uvedeny v Šálek, Tlapák (2006) a pro zařízení na malých domovních VKČ v Šálek, Žáková, Hrnčíř (2008).

Řešením může být i návrh kompaktní kombinace části kořenového filtru s horizontálním kontinuálním prouděním a části s vertikálním prouděním s pulzním plněním (Kršňák, Douša, 2011). Řešení v oblasti efektivního odstranění fosforu během procesu čištění odpadních vod v horských oblastech přináší pro malé ČOV možnost využití vhodných filtračních materiálů, poutajících fosfor výraznější mírou, než běžně používané přírodní materiály (Kriška, Rozkošný, Šálek, 2011). Mezi často diskutovanou otázku související s provozem VKČ patří zajištění dostatečné funkčnosti v zimním, tedy nevegetačním, období. V klimatických podmínkách České republiky lze za toto období považovat část roku od poloviny října až do konce března, podle období růstu vegetace makrofyt. Bylo prokázáno, že účinnost čištění pro nerozpuštěné látky, organické znečištění (BSK5, CHSK), fosfor a mikrobiální znečištění je v nevegetačním období (v zimě) prakticky obdobná účinnosti ve vegetačním období (Rozkošný a Mlejnská, 2010). Pro amoniakální dusík je nutné počítat s horším čistícím účinkem v nevegetačním období, nicméně to ale nemusí znamenat neplnění povolených hodnot na odtoku, musí s tím však být počítáno při zpracování projektové dokumentace.

VKČ lze v podmínkách České republiky úspěšně provozovat i ve vyšších nadmořských výškách. Žáková a Žák (2005) uvádí příklady domovních čistíren 600 – 700 m n.m. (Kořenov-Polubný; Dolní Černá Studnice), které jsou v provozu již od první poloviny devadesátých let.

1.1.2 Návrh vegetační kořenové čistírny (VKČ) - základní návrhové parametry

1.1.2.1 Kořenové filtrační pole s horizontálním prouděním

ČSN 75 6402 (ČOV do 500 EO) popisuje návrhové parametry VKČ jen velice obecně a uvádí návrh potřebné plochy podle zatížení 6-10 g BSK₅ m^-2 d^-1 u horizontálně protékaných polí.

Kořenové čistírny jsou navrhovány podle následujícího vztahu, který je odvozen z rovnice kinetiky prvního řádu pro odstraňování BSK₅ za předpokladu pístového toku (Vymazal, 1995, Šálek, Tlapák, 2006; Rozkošný, 2008):

A_h = Q_d(ln C_o - ln C) / K_BSK5

kde

Evropská směrnice z roku 1990 doporučuje pro čištění městských splaškových vod hodnotu reakční konstanty K_BSK = 0,1 m d^-1, což většinou dává návrhovou plochu kořenových polí 5 m²/EO. Tato hodnota se ukázala jako velmi vhodná. Průměrná návrhová plocha VKČ v České republice je 5 m² EO^-1. Analýzou 624 VKČ pro čištění splaškových vod po celém světě byla zjištěna průměrná hodnota 0,122 m d^-1 (pro BSK₅ na přítoku na kořenová pole > 40 mg l^-1) – Vymazal a kol., 2008. Pro účinné odstraňování amoniaku a fosforu je nutné volit reakční konstantu výrazně nižší – cca 0,025 m.d-1 (Vymazal a kol., 2008), případně zvolit VKČ s kořenovým filtrem s vertikálním prouděním s pulzním plněním, nebo prázdněním. Vymazal (2009) uvádí účinnost odstranění amoniakálního dusíku v 53 kořenových čistírnách provozovaných v České republice za období 1989 – 2007 průměrně 34 %. Jako důvod této nízké účinnosti uvádí především anaerobní podmínky ve filtračních polích. Prokešová (2010) prokázala, že optimální hloubka snížení hladiny při pulzním plnění, nebo prázdnění, z hledisky zvýšení koncentrace kyslíku ve vodě, je 0,43 m, což se projeví zvýšením koncentrace kyslíku o 3 - 5 mg/l. Při šetřeních provedených autory byla optimální hloubka pro provedení impulsního prázdnění a plnění stanovena v rozmezí 0,4 – 0,6 m.

Optimální dimenze celé VKČ a speciálně kořenového filtru pomáhá zajistit vhodný předběžný průzkum, který poskytne informace o množství vody spotřebované ve zdroji odpadních vod a informace o kvalitě těchto vod. Podrobnosti o vlivu průzkumu na návrhové parametry VKČ uvádí (Rozkošný, 2008 a 2011).

1.1.2.2 Kořenové filtrační pole s vertikálním prouděním

Návrhové parametry kořenových filtrů s vertikálním prouděním podrobně uvádí (Šálek a Tlapák, 2006). Důležitým parametrem je hydraulické zatížení – v případě nejčastěji používaného kameniva – písku frakce 2 – 4 mm, je doporučované rozmezí 0,03 – 0,06 m³/m² za den. Výška filtrační náplně má být 0,9 – 1,5 m. Rychlostní konstanty úbytku znečištění byly zjištěny 0,055 – 0,16 m/d pro BSK₅ a 0,027 – 0,11 m/d pro amoniakální dusík.

1.1.3 Uspořádání vegetační kořenové čistírny

1.1.3.1 Vegetační kořenové čistírny s horizontálním podpovrchovým prouděním

Realizace vlastního kořenového pole spočívá především ve vytvoření zemní jímky, a to těžené, případně částečně budované v násypu. Jak dno, tak i stěny nádrže musí být řádně zhutněny, aby nedocházelo k dodatečným deformacím. Izolace pole je zpravidla praktikována uložením plastové izolační fólie. U menších polí se často používá fólie tloušťky 1 až 1,5 mm, u větších filtračních polí jsou podstatně výhodnější těsnicí fólie z PE-H tloušťky 1,5 až 2 mm. Na zhutněný a popřípadě podsypaný podklad se umístí ochranná geotextílie, na kterou se uloží např. hydroizolační folie s odolností proti UV záření, ozonu a stárnutí, pro teploty od -45 °C do 130 °C, a která se opět překryje ochrannou geotextílií. Folie je v přesazích vodotěsně spojena, je vytažena až nad provozní hladinu a zakončena zahrnutím do terénu svahu či překryta drnem či obkladem z kamenů.

Vlastní náplň se ukládá tak, aby nebyla narušena mechanizací. Pojíždění těžké mechanizace po povrchu je vyloučeno. V případě přirozeného výskytu málo propustných jílů (hydraulická vodivost zeminy <10^-8 m/s) je lze využít jako těsnicí bariéru.

Jako filtrační materiály jsou nejvhodnější plavené říční štěrkopísky s oválnými zrny, převážně křemičitého původu, drcené lomové kamenivo. Provozní zkušenosti ukázaly, že není dobré používat různé frakce filtračního materiálu, protože je poté velmi obtížné zajistit homogenní hydraulickou propustnost lože. V současné době se pro filtrační lože využívají hrubozrnné materiály (štěrk, kačírek, drcené kamenivo) se zrnitostí minimálně 4–8, resp. 8–16 mm. Pro rozvodné a sběrné zóny se nejčastěji používá makadam (hrubé kamenivo frakce nad 100 mm) a doporučuje se velikost kameniva > 100 mm. Celý kořenový filtr se po nasypání filtračního materiálu zaplaví a povrch se zarovná vodorovně podle hladiny vody.

1.1.3.2 Uspořádání vegetační kořenové čistírny s vertikálním prouděním

Vertikální kořenový filtr je obdoba kořenového filtru horizontálního, pouze směr proudění vody je svislý. Filtrační materiál zemních filtrů bývá jemnější než u horizontálních KF. V praxi se často využívá, a je doporučován písek, a to frakce 0 – 4 mm. Pro správnou funkci vertikálního filtru je důležitý výškový rozdíl mezi přítokem a odtokem z filtru. Vzhledem k tomu, že hlavním procesem probíhajícím ve filtru jsou chemické a biologické procesy, je třeba jej co nejlépe chránit před částicemi, které by mohly způsobit ucpání. Z tohoto důvodu je velmi důležité kvalitní mechanické předčištění. Nezbytnou podmínkou dobré funkce filtru je rovnoměrné rozdělení odpadní vody po celé ploše povrchu a přístup vzduchu do filtračních vrstev. Obvyklý a doporučovaný je obdélníkový tvar vertikálního filtru s delším rozměrem ve směru rozvodného potrubí.

1.1.3.3 Rozvod vody

Odpadní vody jsou ve VKČ distribuovány většinou pomocí plastových potrubí (PVC, PE aj.). Kvůli požadavkům na výškové uspořádání čistírny ve vztahu k přítoku a zaústění odtoku nejsou potrubí ukládána do nezámrzné hloubky. Promrzání zamezí tepelně izolační obsyp. Rozdělovací potrubí má za úkol rovnoměrně rozdělit mechanicky předčištěnou odpadní vodu po celé šířce vtokové části filtru (obou typů). Velmi důležitá je pravidelná údržba a čištění rozdělovacího potrubí a výtokových otvorů.

Existuje mnoho druhů rozvodu odpadní vody. Jedním z nich je přivedení odpadní vody do středu nátokové hrany a odtud je několika samostatnými trubkami vyveden výtok do těžiště jednotlivých pásů. Regulace je řešena kolínky v rozdělovací šachtě. Rozvod je veden nad úrovní pole a obsypán štěrkem použitým v rozvodné zóně. Tím je zajištěn bezproblémový přístup k vyústění jednotlivých trubek. Uvedeným způsobem lze dosáhnout rovnoměrného rozložení přítoku např. do 3–9 výtoků, které stačí vyčistit cca jedenkrát za rok.

Často je využíváno rozvedení jedním perforovaným potrubím, do kterého je přiváděna odpadní voda z rozdělovací šachtice (v případě více filtrů), nebo z objektu mechanického předčištění vod, na jedné straně filtru. To však nemusí zaručit rovnoměrný průtok odpadní vody po celém profilu nátokové hrany, a pokud odpadní voda přitéká jen na jednom místě, může docházet k lokálnímu přetížení a ucpávání filtru. Navíc je obtížné delší rozdělovací potrubí čistit, a proto by měly být nejen vyvedeny na konci nad povrch, ale doporučuje se umožnit i přístup ve střední části. Trubky jsou pak nejčastěji uloženy na povrchu a převrstveny hrubým kamením. Podle místních klimatických podmínek je třeba zvážit realizaci dvou rozdělovacích potrubí. Jedno pro běžný provoz umístěné při povrchu filtru, nebo lépe na povrchu, druhé ve větší hloubce, které bude určeno pro provoz v období s velkými mrazy.

Pro regulaci hladiny se nejvíce osvědčily regulační šachtové přelivy, které tvoří výškově nastavitelná flexibilní hadice (případně plastová trubka) zavěšená na nosné konstrukci a spodní částí připojená na výpustné potrubí. Regulace je plynulá a bezpečná. U flexibilních šachtových přelivů je nutno dbát na životnost zavěšení (doporučen je plastový řetěz) a pravidelné čištění přelivné hrany. Jiné poruchy se dosud nevyskytly. Výhodné je doplnění těchto zařízení základovou výpustí s plastovým šoupátkovým uzávěrem.

Regulační zařízení se obvykle u menších čistíren osazuje do šachtice vyrobené předem z vhodných plastů (polypropylen). Šachtice bývá obvykle průměru 60 – 100 cm, případně může mít čtvercový, nebo obdélníkový průřez. Šachtice se osazuje do výkopu na vrstvu podkladového betonu vyztuženého např. tzv. kari sítí, případně se provede obetonování s ohledem na výskyt hladiny podzemní vody. Možné je také osazení pouze na štěrkopískový podsyp, podle místních podmínek.

1.1.4 Zásady návrhu, výstavby a provozu vegetační kořenové čistírny

Pro výstavbu vegetační kořenové čistírny jsou důležité určité zásady. ČSN 75 6401 konstatuje, podle čeho se stanoví ochranné pásmo čistíren odpadních vod a jejích umístění vůči zástavbě. U malých domovních VKČ je však běžné umístění v těsné blízkosti obytných objektů (více viz kap. 9.).

Z hlediska návrhu, výstavby a provozu je třeba dodržet určité zásady:

• upravit půdorysné uspořádání objektu mechanického předčištění vod a filtrů tak, aby se co nejlépe přizpůsobily terénním podmínkám při dodržení návrhových parametrů a režimu proudění,
• zajistit rovnoměrné rozdělování a proudění vody ve filtrech, vyloučit možnost zanášení, intenzívní kolmatace a zbahnění povrchu,
• vhodným půdorysným návrhem vyloučit výskyt zkratových proudů ve filtrech,
• vyloučit nárazové zanášení filtrů povrchovými smyvy výstavbou záchytných příkopů a kanálů v jejich okolí (podle místní situace),
• zakrýt objekty mechanického stupně předčištění, regulační šachtici, případně další objekty,
• provádět pravidelnou kontrolu hladiny a množství kalu v objektech mechanického předčištění vod,
• provádět pravidelnou kontrolu odtoku (vizuální vzhled vody, zákal, zápach),
• zajistit pravidelnou údržbu zařízení, kosení trávy v okolí, ošetřování mokřadních porostů, v případě rákosu obecného a chrastice rákosovité pravidelně kosit, odstraňovat nežádoucí druhy z povrchu filtrů (např. kopřivy, nálety keřů a stromů).

Vegetační kořenová čistírna je stavba, jejíž životnost je dána převážně životností tělesa kořenového, nebo zemního, filtru, tj. cca 15-20 let i déle (dle dosavadních poznatků). Životnost KF je závislá na dodržování provozního řádu a pravidelné celkové údržbě vegetační ČOV (jedná se zejména o kontrolu stavu hladiny kalu v septiku). V případě havárie či nefunkčnosti KF lze vyměnit nefunkční část štěrkové náplně kořenových, nebo zemních filtrů a provést nové osázení mokřadními rostlinami.

Článek je ukázkou z obsahu knihy Voda v domě a na chatě z nakladatelství Grada.