Vliv kovů na znečištění ovzduší a umělé mokřady jako řešení

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.

Typy umělých mokřadů a jejich využití

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.

Konstrukční uspořádání vertikálně a horizontálně protékaných umělých mokřadů včetně návrhových parametrů je velice důležité a může významně ovlivnit nejen účinnost čištění, ale také životnost. 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.

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.

Povrchově protékané umělé mokřady mohou dosahovat vysokých účinností čištění pro CHSKCr 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.

Čtěte také: Čističky odpadních vod pro domácnosti

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.

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.

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). 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.

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

Čtěte také: Životní Prostředí a jeho Znečištění

Kořenové čistírny odpadních vod

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].

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.

Těleso kořenové čistírny musí být, stejně jako u zemního filtru, od okolního terénu vodotěsně odděleno. Nesmí docházet k průsakům odpadních vod do vod podzemních. 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. Kořenové čistírny mohou přecházet až do hluboce anaerobních podmínek, možným řešením pro zvýšení přísunu kyslíku do filtru je pulsní plnění a prázdnění [13]. 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.

Hybridní systémy

V některých případech jsou využívány kombinace vertikálních a horizontálních systémů, případně dalších typů umělých mokřadů, které jsou označovány jako „hybridní“. 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. 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 %. 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 %, CHSKCr potom zpravidla kolem 80 %.

Čtěte také: Druhy dopravy a znečištění vody

Procesy probíhající 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.

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. Z chemických procesů jsou nejvýznamnější oxidačně-redukční pochody, které souvisejí s množstvím kyslíku přítomného ve filtračním prostředí. 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.

Filtrační náplně umělých mokřadů

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. 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.

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.

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-PTM (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.

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 CHSKCr, nerozpuštěné látky) v přitékající odpadní vodě [28], hydraulickém zatížení [30], zrnitostním složení porézního filtračního prostředí, jeho struktuře a textuře, době provozu zařízení apod.

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.

tags: #dopady #kovů #ekocis #na #znečištění #ovzduší

Oblíbené příspěvky:

• Udržitelnější řešení pro odpad
• Využívání odpadu v ČR
• Platba za odpad: Co potřebujete vědět
• Bezpečná likvidace střešních šindelů
• Ohrožené druhy hmyzu