Technologie vertikálních filtrů s vegetací pro čištění odpadních vod
Jednou z možných technologií pro čištění odpadních vod jsou kořenové čistírny, které využívají fyzikální, chemické a biologické procesy probíhající v půdě či mokřadech. Od počátku uvedení kořenových čistíren do provozu v České republice je stále diskutován problém jejich funkčnosti a čistící účinnosti.
Schopnost účinně čistit odpadní vodu je podmíněna jednak kvalitním mechanickým předčištěním a správným provozováním celého sytému, ale především volbou typu a uspořádáním filtračním polí, které tvoří hlavní čistící stupeň. Technologie vertikálních filtrů má velký potenciál zlepšit reputaci kořenových čistíren v České republice.
Kořenové (vegetační) čistírny jsou technologií pro čistění odpadních vod, na kterou se často nahlíží jako na nespolehlivou a neúčinnou. Schopnost účinně čistit odpadní vodu je podmíněna nejen správným provozováním celého sytému, ale především volbou typu filtračních polí. V České republice je na většině kořenových čistírnách zařazen jako hlavní čistící stupeň horizontální filtr, který při správném návrhu sice může dosahovat dobré čistící účinnosti v parametrech NL, BSK5 a CHSKCr, avšak na rozdíl od vertikálních filtrů nelze u něj předpokládat odstranění amoniakálního znečištění. V porovnání se zahraničím jsou vertikální filtry v České republice teprve novou technologií, která však dosahuje velmi dobrých výsledků i v reálném provozu. Důkazem toho jsou výsledky z největšího vertikálního filtru provozovaného na KČOV Dražovice pro 850 EO.
1. Úvod
Problematika využití vertikálních filtrů na vegetačních čistírnách odpadních vod je velmi důležitá, protože pozitivně mění pohled na funkčnost a čistící účinnost tohoto typu čistíren a v mnoha případech je staví do konkurenceschopnosti k dalším typům čistírenských technologii. Bohužel, v České republice není tento typ technologie dostatečně rozšířený, a i na nově projektované vegetační čistírny často pohlíženo s despektem. Cílem tohoto článku je seznámit se zahraničními zkušenostmi s vertikálními filtry a s jednou z prvních aplikací vertikálního filtru na původní KČOV v obci Dražovice, která ukazuje, jak výrazně může změna typu filtračního pole změnit čistící účinnost celého systému.
Vegetační čistírny, častěji známé jako kořenové čistírny (KČOV), jsou technologií pro čištění odpadních vod využívající procesy, které se uplatňují v přirozených mokřadech (Kadlec a Wallace, 2009). Zejména v zahraničí jsou kořenové čistírny prosazovány pro svoji dobrou čisticí účinnost, nízké náklady na provoz a údržbu. Oproti jiným zemím, jako je například Rakousko, USA nebo Francie (Langergraber a Weissenbacher, 2017), není popularita kořenových čistíren v České republice příliš velká. Negativní postoj odborníků k této technologii je zapříčiněn špatnou zkušeností s jejich provozováním a často i nízkou čisticí účinností starých čistírenských objektů tohoto typu. Nutno podotknout, že zahraniční výzkum za posledních 15 let zdokonalil proces čistění na kořenových čistírnách natolik, že mohou bez problému konkurovat jiným typům čistíren odpadních vod, velkou zásluhu mají právě vertikální filtry (Langergraber a Weissenbacher, 2017). Aplikace zahraničních poznatků na stávající i nově budované KČOV v České republice může přispět ke zlepšení jejich reputace. Nutno podotknout, že pozitivní výsledky z tuzemských výzkumů rozšířily povědomí o kořenových čistírnách s vertikálními filtry natolik, že se projektanti stále častěji zaměřují na zařazení tohoto filtru do technologické linky KČOV. Bohužel, ne každý projektant umí vertikální filtr správně navrhnout. Přitom pouze správně nadimenzovaný a provozovaný vertikální filtr je zárukou kvalitní čisticí účinnosti.
2. Kořenové (vegetační) čistírny odpadních vod
2.1 Popis technologie KČOV a základní dělení filtračních polí
V České republice jsou kořenové čistírny odpadních vod používány od přelomu 80. a 90. let 20. století (Šálek, 1999) především pro čištění komunálních odpadních vod malých producentů do 500 EO, výjimečně i do 2 000 EO. V současnosti je v provozu okolo 500 komunálních kořenových čistíren (Vymazal, 2015). Většina takto projektovaných KČOV má zpravidla podobné technologické uspořádání jednotlivých čistících stupňů. Primární předčištění je tvořeno česlemi, za nimiž je umístěn některý z typů sedimentačních nádrží, např. štěrbinová usazovací nádrž, pro zachycení nerozpuštěných látek. Dle potřeby (druh kanalizace, kontinuita provozu, charakter odpadních vod) bývá kořenová čistírna doplněna lapákem písku, odlehčovací komorou nebo jinými čistírenskými či kanalizačními objekty. Hlavním, často i posledním stupněm čištění, jsou filtrační pole, většinou osázená mokřadní vegetací, na kterých probíhají čistící procesy, které slouží k odstranění organického znečištění (Vymazal, 2002.).
Filtry kořenových čistíren jsou uměle budované mělké stavební jámy, hydraulicky izolované od podloží, následně vyplněné filtračním materiálem s definovanými hydraulickými vlastnostmi, většinou se celosvětově používá praný štěrk nebo písek, přičemž ve filtračním prostředí se realizují procesy čištění odpadní vody komplexem chemických, fyzikálních a biologických procesů (Kadlec a Wallace, 2009). Jelikož je povrch osázen mokřadní vegetací, jedná se společně s filtrační náplní o složité prostředí, které je závislé na hydraulických, chemických i biologických procesech a jevech, jenž se v něm realizují a navzájem se ovlivňují. Problematika filtrů je o to komplikovanější, že tyto jsou dále děleny na základě různých parametrů, například v závislosti na směru proudění na horizontální nebo vertikální či dle stavu nasycení odpadní vodou na nasycené nebo nenasycené (Kadlec a Wallace, 2009; Šálek, 1996). V praxi se setkáváme s různými typy uspořádání, velikostí a druhy filtračních polí. Nejčastěji však převažují horizontálně protékaná nasycená filtrační pole (Kriška a Němcová, 2016).
Obr. 1. Schéma horizontálního filtru (horizontálního filtračního pole) – voda je přiváděna přívodním potrubím na povrch filtru, skrz filtrační materiál (zpravidla štěrk frakce 8/16 nebo 16/32 mm) protéká v horizontálním směru, z filtru vytéká pomocí odtokové potrubí umístěného ve spodní částí filtru. Ve filtru je držena stálá hladina odpadní vody.
Obr. 2. Schéma vertikálního filtru (vertikálního filtračního pole) – odpadní voda je na povrch filtru přiváděna pomocí distribučního potrubí. Přítok vody není kontinuální, ale je realizován v jednotlivých dávkách (pulzech). Voda protéká filtrační vrstvou (praný štěrkopísek frakce 0/4 mm) a následně je z filtru odváděna pomocí sběrného potrubí. Filtr není zatopen vodou.
Některé kořenové čistírny mají i terciální stupeň čištění, který zpravidla zabezpečují biologické nádrže. Léta používaný systém horizontálních filtrů, kterým je předřazeno často ne příliš kvalitní mechanické předčištění, může částečně zajistit splnění limitních koncentrací ve sledovaných ukazatelích CHSKCr, BSK5 a NL (Vymazal, 2009). Problém nastává v případě požadavku na odstranění amoniakálního znečištění (ukazatel N-NH4+), který jsou ze zákona povinny plnit především KČOV pro více jak 500 EO (Nařízení vlády č. 401/2015 Sb.). Pro zajištění procesu nitrifikace na kořenových čistírnách je třeba zařadit do technologického uspořádání vertikální filtr (Kriška a Němcová, 2016). Úspěch vertikálních filtrů souvisí s dobrou účinností při odstraňování NL (90 %), CHSKCr (90 %), efektivní nitrifikací (90% odstranění N-NH4+) (Molle a kol., 2006).
2.2 Technologie vertikálních filtrů pro KČOV nad 50 EO
Vertikální filtry (vertikální kořenová pole nebo také vertikální filtrační pole) jsou v České republice poměrně novou technologií, která se především v rámci výzkumných projektů testuje přibližně 10 let. Teoretická znalost tohoto typu filtračního pole kořenové čistírny je v naší literatuře známa řadu let a možnost použití vertikálních filtrů na kořenových čistírnách byla zmíněna v několika tuzemských publikacích (Šálek, 1999; Kriška a kol., 2014), avšak praktický a aplikační výzkum související s jejich návrhem, provozováním a vyhodnocením je aktuálním tématem řešeným teprve od roku 2011 (Kriška a kol., 2014). Samotná projekce a realizace kořenových čistíren s vertikálními filtry je otázkou posledních 5 let. Prosadit realizaci nového typu kořenových čistíren s vertikálními filtry naráží v praxi na skutečnost, že orgány dotčené stavebním řízením nemají často ponětí o rozdílu mezi jednotlivými typy filtrů, a tak kategoricky zamítají výstavbu nové kořenové čistírny, aniž by byli otevřeny diskusi. Přitom výsledky z Rakouska, ale i z tuzemských čistíren s vertikálními filtry ukazují, že se jedná o spolehlivé funkční systémy. Právě sousední Rakousko je inspirací správného návrhu a provozování vertikálních filtrů. Zde jsou vertikální filtry velmi populární a takřka vytlačily filtry horizontální (Langergraber a Weissenbacher, 2017).
Podobně jako u horizontálních filtrů je nutné přiváděnou odpadní vodu důkladně předčistit pomocí sedimentační nádrže s dostatečnou dobou zdržení (ČSN 75 6402, 2017). Objekt vertikálního filtru je stavební jámou, která řádně izolovaná od okolního terénu, naplněna vhodným filtračním materiálem a opatřena technologií distribučního sběrného potrubí. Odpadní voda je čištěna při průchodu tímto filtrem.
Pohyb odpadní vody ve vertikálních filtrech se teoreticky může realizovat ve dvou směrech – shora dolů anebo naopak, zdola nahoru (Šálek, 1999). V praxi se nejčastěji využívají vertikální filtry protékané shora dolů, především s důvodu udržení nenasyceného prostředí ve filtrační vrstvě, za účelem zabezpečení realizace procesu nitrifikace, která je podmínkou pro odstraňování amoniakálního dusíku (Molle a kol., 2006; Vymazal a Březinová, 2014). Proudění zdola nahoru zajistí vodu s obdobnými parametry jako horizontálně protékané filtry, ale vzhledem k náročnosti realizace a náchylností k zakolmatování filtračního prostředí u dna filtru nejsou celosvětově využívány (Kriška a Němcová, 2016).
Obr. 3. Složení jednotlivých vrstev vertikálního filtru
Oproti horizontálním filtrům je technologie vertikálních filtrů náročnější na dimenzování, výstavbu i provozování, především z důvodu dodržení rovnoměrné distribuce odpaní vody na povrch filtračního pole a dostatečného prokysličení odpadní vody při průchodu filtračním materiálem (Kadlec a Wallace, 2009; Molle a kol., 2006). Doporučeno je přivádět odpadní vodu na filtrační pole v určitých dávkách, tak aby nedošlo k nasycení filtrační vrstvy a mohlo být zaručeno aerobní prostředí a proces nitrifikace. Důležité je také nepřekročit hydraulické a látkové zatížení navrženého filtračního pole (Langergraber a Weissenbacher, 2017). Rozměry filtru, tzn. plocha, vychází z denního množství znečištění CHSK a hydraulického zatížení, zpravidla se uvažuje s plochou do 4 m2/EO (ČSN 75 6402). Velmi důležitý je i výběr materiálu, který bude ve filtru použitý (Kadlec a Wallace, 2009). Mokřadní vegetace plní na filtru několik funkcí, tak jak byly popsány výše. Důležitá je především role kořenového systému jako nosiče bakterií (Zhao a kol., 2012), nicméně nezanedbatelná je funkce ochrany potrubí proti UV záření, vytvoření tepelného izolantu během zimního období, apod.
Dodržením všech podmínek správného dimenzování lze předcházet provozním problémům. U vertikálních filtrů hrozí především riziko kolmatace materiálu, z důvodu použití jemného materiálu jako filtrační vrstvy, anebo jeho přesycení odpadní vodou, v okamžiku nevhodně zvoleného hydraulického zatížení či špatné technologie dávkování a distribuce odpadní vody na povrch filtru (Kadlec a Wallace, 2009; Molle a kol., 2006; Chazarenc a kol., 2003).
Obr. 4. Síť distribučního potrubí pro dávkování odpadní vody na povrch vertikálního filtru
Vertikální filtry, které jsou vhodně zapojeny do technologické linky kořenové čistírny, mohou dosahovat velmi vysokých čisticích účinností v odstranění znečištění pro ukazatele NL, CHSKCr, BSK5 a především N-NH4+ (Molle a kol., 2006; Vymazal, 2005). Koncentrace amoniakálního znečištění na odtoku ze správně fungujícího filtru mohou dosahovat velmi nízkých hodnot. Vyjádřeno ukazatelem N-NH4+, uvádí Vymazal (Vymazal, 2005) hodnoty pod 1 mg∙l−1, u některých vertikálních filtrů byly odtokové koncentrace N-NH4+ dokonce kolem 0,1 mg∙l−1. V dalších sledovaných parametrech mohou být odtokové koncentrace pro NL < 2 mg∙l−1, BSK5 < 2 mg∙l−1, CHSKCr < 40 mg∙l−1, Pcelk < 1 mg∙l−1 (Vymazal, 2005; Kadlec a Wallace, 2009). V tabulce Tab. 1 jsou uvedeny legislativní požadavky pro přípustné znečištění odpadních vod na odtoku z čistíren odpadních vod pro kategorii do 500 EO a 500–2000 EO, vegetační čistírny se zpravidla nebudují pro více jak 2000 EO.
| Legislativní požadavky dle NV č. 401/2015 Sb. | Kategorie ČOV (EO) | CHSKCr [mg∙l−1] | BSK5 [mg∙l−1] | NL [mg∙l−1] | N-NH4+ [mg∙l−1] | Ncelk [mg∙l−1] | Pcelk [mg∙l−1] | ||||||
| p | m | p | m | p | m | p | m | průměr | m | průměr | m | ||
| < 500 | 150 | 220 | 40 | 80 | 50 | 80 | – | – | – | – | – | – | |
| 500–2 000 | 125 | 180 | 30 | 60 | 70 | 70 | 20 | 40 | – | – | – | – | |
| Koncentrace získané na odtoku z vertikálních filtrů uváděné v odborné literatuře | < 40 | < 2 | < 2 | 0,1 | < 1 | ||||||||
Zpřísňující se legislativa a zvyšující se nároky na kvalitu vyčištěných odpadních vod kladou na provozovatele KČOV požadavky zefektivnění jejich čisticí účinnosti. Na základě známých poznatků o účinnosti vertikálních filtrů je ideálním řešením pro nefungující kořenové čistírny změna horizontálního režimu proudění na vertikální nesaturované proudění nebo doplnění systému horizontálních polí o vertikálně protékaný filtr (Kriška a Němcová, 2016).
2.3 Vertikální filtry v Rakousku
Technologie vertikálních filtrů má svůj původ i široké uplatnění v Rakousku (Langergraber a Weissenbacher, 2017). Povrchové a podpovrchové horizontální filtry jsou postupně nahrazovány více účinnými vertikálními filtry. Nejvíce se zde osvědčila varianta dvou sériově zapojených vertikálních filtrů (Langergraber a Weissenbacher, 2017). Podobně, jak bylo uvedeno v předchozí kapitole, důraz je kladen na kvalitní návrh samotného vertikálního filtru, který je podmíněn přiváděním odpadní vody na filtr v jednotlivých dávkách, zabezpečením nenasyceného prostředí v prostředí filtru, vhodnou skladbou filtrační vrstvy a osázení mokřadními rostlinami. Všechny tyto podmínky pro správný návrh a realizaci vertikálních filtrů jsou zahrnuty v rakouské normě ÖNORM B 2505, 2009, z níž částečně vychází kapitola o vertikálních filtrech v nově aktualizované normě ČSN 76 3402 ze září 2017.
Obr. 5. Vertikální filtr na kořenové čistírně odpadních vod pro 100 EO v Rakousku. Vzrostlá vegetace Phragma Australis (vlevo), technologie rozvodného potrubí pro distribuci vody (vpravo).
3. KČOV Dražovice
V České republice lze technologií vertikálních filtrů stále označovat jako novou, i přesto, že se lze setkat s několika realizacemi, které princip vertikálního filtru využívají. Projektů, které počítají s výstavbou komunálních kořenových čistíren s novým typem vertikálního filtru je již několik desítek, ovšem dlouhý proces schvalování a výstavby ještě neumožňuje prezentovat konkrétní výsledky při čištění odpadních vod. Aktuálně největší provozovaná komunální kořenová čistírna s vertikálním filtrem je KČOV Dražovice s kapacitou 850.
3.1 Přestavba původního filtru na vertikální
Kořenová čistírna odpadních vod v Dražovicích se dlouhodobě potýkala s problémem při plnění požadavku na odstraňování amoniakálního dusíku (Němcová a Kriška, 2016). S 850 ekvivalentními obyvateli se tato čistírna, dle NV 401/2015 Sb., řadí do kategorie čistíren pro 500–2 000 EO, která je povinna dodržovat emisní standardy pro BSK5, CHSKCr NL a N-NH4+. Řešením problémů čistírny byla inovativní změna jednoho ze stávajících horizontálních filtračních polí na technologii vertikálního filtru s vegetací. Návrh řešení vertikálního filtru, jeho výstavba i monitoring provozu se staly předmětem výzkumu Ústavu vodního hospodářství krajiny, Fakulty stavební VUT v Brně (Pumprlová Němcová, 2017; Pumprlová a Kriška, 2017).
Inovativnost navrženého řešení vertikálního filtru nespočívá jen v jeho velikosti, ale i v použitých technologiích pro dávkování odpadní vody nebo využití skladby filtrační vrstvy dle vzoru rakouské normy. Výzkumné práce byly zaměřeny i na výběr vhodného materiálu hlavní filtrační vrstvy, na provedení samotné rekonstrukce, kdy byla zachována část horizontálního filtru (drenážní systém) a zejména na technologii dávkování odpadní vody na povrch filtru. Výstavba a zařazení vertikálního filtru do technologické linky čistírny probíhala ve dvou etapách. V roce 2016 byla vybudována a uvedena do provozu první polovina vertikálního filtru o ploše 800 m2. Po jeho úspěšném otestování byla na konci roku 2018 výstavba druhé poloviny vertikálního filtru, který byl v roce 2019 kompletně dokončen a uveden do provozu. Celková plocha filtračního pole po dobudování druhé části je 1600 m2.
Obr. 6. Letecký pohled z roku 2016 na první polovinu nově vybudovaného vertikálního filtru (namísto původního třetího horizontálního filtru) na KČOV pro 850 EO v obci Dražovice. Filtr je zatím bez mokřadní vegetace. Vlevo – půdorysný pohled na vertikální filtr, ze kterého voda odtéká do stabilizační nádrže. Vpravo – pohled na vertikální filtr, kterému předchází dva paralelně zapojené horizontální filtry.
Obr. 7. Letecký pohled z roku 2019 na dokončený vertikálního filtru (dostavba druhé části vertikálního filtru) na KČOV pro 850 EO v obci Dražovice. Vlevo – půdorysný pohled na vertikální filtr, kde lze jasně identifikovat první část vybudovanou v roce 2016, nyní již se vzrostlou vegetací, a nově dobudovanou druhou část, která ještě není osázena. Vpravo – pohled na nově dobudovanou druhou polovinu vertikálního filtru.
Původní technologické uspořádání čistírny z 90. let 20. stol., vycházející z jednotné koncepce pro návrh kořenových čistíren v České republice (mechanické předčištění + horizontální filtry + stabilizační nádrž), bylo nedostačující a neschopné zajistit nízké odtokové koncentrace amoniakálního dusíku. Od uvedení do provozu v roce 2000 až do rekonstrukce provedené v roce 2016 bylo technologické upořádání čistících stupňů čistírny neměnné. Cílem rekonstrukce v roce 2016 byla změna technologie biologického čištění odpadní vody na jednom z vegetačních filtrů. Samotné mechanické předčištění zůstalo i po rekonstrukci v původní podobě, kdy za odlehčovací komorou je umístěno mechanické předčištění skládající se z jemných česlí, lapáku písku a štěrbinové usazovací nádrže. Biologický stupeň čistění původně zabezpečovala trojice paralelně zapojených horizontálních filtrů s vegetací. Jako terciální stupeň dočištění je stále využívaná stabilizační biologická nádrž. Původní zapojení technologických stupňů, tak jak je popsáno výše, zabezpečovalo splnění požadavků na odtokové koncentrace pouze v parametrech CHSKCr, BSK5 a NL.
Obr. 8. Vertikální filtr na KČOV v Dražovicích. Vlevo – jarní měsíce roku 2017, před vysázením mokřadní vegetace. Vpravo – konec léta 2017, se vzrostlou mokřadní vegetací.
Průtok odpadní vody na KČOV Dražovice je v bezdeštném období přibližně 2,5 l∙s−1, vlivem jednotné kanalizace je průtok výrazně závislý na dešťových událostech, a proto při intenzivních deštích dochází k navýšení průtoku i přes 10 l∙s−1. Maximální hydraulické zatížení vertikálních filtrů je 150 l/m2/den. Jedním z důvodů rozšíření původního vertikálního filtru z roku 2016 na současnou velikost byla jeho přetíženost při větších průtocích, respektive původní filtr nedokázal při zajištění požadavku na dodržení maximálního hydraulického zatížení pojmout veškeré průtoky, a tak bylo přistoupeno k jeho rozšíření na současnou velikost. Podstatným argumentem pro provozovatele byla skutečnost, že původní vertikální filtr dosahoval velmi dobrých čisticích účinností, a proto bylo žádoucí zajistit, aby i při větších průtocích bylo zajištěno, že všechna odpadní voda bude přiváděna na vertikální filtr. Z původních 800 m2 se tedy vertikální filtr rozšířil v roce 2019 na plochu 1600 m2.
3.2 Monitoring vertikálního filtru
V rámci výzkumného projektu z let 2017–2018 byla sledována koncentrace N-NH4+ a CHSKCr na přítoku a odtoku z původního vertikálního filtru (první polovina z roku 2016), a také na přítoku do stabilizační biologické nádrže. Vzorky odpadní vody na vertikálním filtru jsou odebírané jako bodové v intervalu cca 14 dnů, monitoring probíhá nepřetržité, od uvedení KČOV do provozu (prosinec 2016) až do současnosti (2018). Chemická analýza odebraných vzorků je prováděna spektrofotometricky.
Odpadní voda, která je přiváděna na vertikální filtr, je předčištěna na technologických objektech – česle, lapák písku, štěrbinová usazovací nádrž, horizontální filtr s vegetací. Odtok z vertikálního filtru je ta část odpadní protékající KČOV, která byla čerpána a dávkována na vertikální filtr. Přítok do stabilizační nádrže je směs vody, která prošla vertikálním filtrem a odpadní vody, která z důvodů dodržení hydraulického zatížení filtru nebyla na vertikální filtr přiváděna.
Pro představu o charakteru odpadní vody lze uvést výsledky monitoringu KČOV, který si nechává obec, jakožto provozovatel, zpracovávat akreditovanou laboratoří. Vzorky pro analýzu jsou odebírány každý měsíc na přítoku do KČOV (před česlemi) a na odtoku z KČOV (odtok ze stabilizační nádrže). Průměrné roční koncentrace v roce 2017 pro sledované ukazatele odpadní vody na přítoku do KČOV byly: NL = 59,2 mg∙l−1, BSK5 = 113,1 mg∙l−1, CHSKCr = 326,3 mg∙l−1, N-NH4+ = 60,9 mg∙l−1 a Pcelk = 6,4 mg∙l−1. Koncentrací na odtoku z KČOV: NL = 11,5 mg∙l−1, BSK5 = 9,5 mg∙l−1, CHSKCr = 54,9 mg∙l−1, N-NH4+ = 17,1 mg∙l−1 a Pcelk = 3,4 mg∙l−1. Důležité je zmínit, že voda odtékající z filtrů (horizontálních i vertikálního) je přiváděna do stabilizační biologické nádrže, která během roku ne vždy přispívá ke zvýšení čisticí účinnosti celé KČOV.
| BSK5 [mg∙l−1] | CHSKCr [mg∙l−1] | NL [mg∙l−1] | N-NH4+ [mg∙l−1] | Pcelk [mg∙l−1] | |
|---|---|---|---|---|---|
| Přítok na KČOV | 113,1 | 326,3 | 59,2 | 60,9 | 6,4 |
| Odtok z KČOV | 9,5 | 54,9 | 11,5 | 17,1 | 3,4 |
3.3 Výsledky
Odtokové koncentrace odpadní vody za rok 2017 a část roku 2018 z vertikálního filtru s vegetací, viz Obr. 7, ukazují velmi dobré výsledky při odstranění amoniakálního dusíku (N-NH4+). Podobně dobrých výsledků je dosaženo i při odstranění organického znečištění, vyjádřeného ukazatelem CHSKCr, Obr. 8. Hodnoty N-NH4+ na odtoku z filtru jsou od měsíce dubna 2017 nižší než 3,7 mg∙l−1 a pro CHSKCr méně než 20 mg∙l−1. Tyto výsledky poukazují na schopnost vertikálních filtrů bezpečně odstraňovat amoniakální znečištění, jak prokázala řada výsledků ze zahraničních provozů, tak i z tuzemských studií.
Na grafu zobrazujícím koncentrace N-NH4+, Obr. 7, lze pozorovat vyšší hodnoty na odtoku z vertikálního filtru pro zimní období (12/2016–03/2017), než je tomu pro další měsíce, navíc údaje pro měsíc únor 02/2017 nejsou uvedeny, z důvodu odstavení provozu vertikálního filtru v tomto měsíci. Tyto výsledky jsou zapříčiněny několika faktory. Každý filtr kořenové čistírny vyžaduje po svém uvedení do provozu určitý čas na „zapracování“, tzn. vytvoření biofilmu – nárůstu bakterií, které zabezpečující čistící proces. Tato doba je závislá mimo jiné na teplotních podmínkách, kdy nízké zimní teploty významně zpomalují tento proces. Navíc v okamžiku uvedení vertikálního filtru do provozu, nebyly zcela dokončeny technologické úpravy: chyběly poklopy dávkovacích šachet, jejichž absence způsobila ochlazení odpadní vody, a také nebylo filtrační pole osázené vegetací, která v zimních měsících působí jako izolant. Výše zmíněné skutečnosti mohly zapříčinit nižší účinnost vertikálního filtru v prvních týdnech jeho provozu.
Shodou okolnosti došlo v měsíci lednu 2017 k výpadku elektřiny, která vyřadila z provozu čerpadla přivádějící odpadní vodu do dávkovacích šachet, odkud je rozváděna na povrch filtračního pole. Odpadní voda v dávkovacích šachtách, které stále nebyly v prosinci 2016 z technologického hlediska dokončeny, přestala proudit. Odpadní voda zůstala v dávkovacích šachtách zdržena namísto 4 hodin téměř 2 dny a při extrémně nízkých teplotách v měsíci lednu 2017, kdy průměrná teplota vzduchu v měsíci lednu byla −5,6 °C, což je téměř 4 °C pod dlouhodobým průměrem −1,7 °C (ČHMÚ), došlo k jejímu zamrznutí. Z tohoto důvodu byl vertikální filtr odpojen a jeho provoz byl na dobu 6 týdnů přerušen. Na odstaveném vertikálním filtru nebyly odebírány vzorky pro analýzu, což je důsledkem absence dat za měsíc únor 2017.
Po dokončení všech technologických úprav a zapracování filtru bylo následující zimní období (2017/2018) z hlediska provozu bez problémové. Nedošlo k žádným závadám a účinnost vertikálního filtru se nijak neodlišovala od předchozích měsíců, viz výsledky v měsíci 11/2017 a 12/2018 na Obr. 9 a Obr. 10. Vertikální filtr byl pro toto období pozorování hydraulicky i látkově zatížený dle původního návrhu (max. 15 gCHSK/m2/den a 150 l/m2/den). Jak již bylo uvedeno, z důvodu vyšších průtoků čistírnou, není na něj nebyla dávkována veškerá odpadní voda. Kapacita současné plochy vertikálního filtru je nedostačující pro větší (dešťové) průtoky. Na základě vysoké čisticí účinnosti již vystavěného vertikálního filtru, se provozovatel rozhodl rozšířit plochu vertikálního filtru tak, aby veškerá odpadní voda, protékající čistírnou mohla být na vertikální filtr přiváděna.
Obr. 9. Průměrné koncentrace N-NH4+ v jednotlivých měsících v letech 2016–2018, sledované na přítoku do vertikálního filtru a na odtoku z vertikálního filtru
Obr. 10. Průměrné koncentrace CHSKCr v jednotlivých měsících v letech 2016–2018, sledované na přítoku do vertikálního filtru a na odtoku z vertikálního filtru
V druhé polovině roku 2018 byly zahájeny stavební práce k rozšíření vertikálního filtru, dokončeny byly v první polovině roku 2019. V roce 2018 byl ukončen výzkumný projekt monitoringu vertikálního filtru, a proto k se o účinnosti finální podoby vertikálního filtru můžeme přesvědčit pouze z komplexních výsledků vyhodnocení čisticí účinnosti celé KČOV. Nejedná se tedy o sledování účinnosti pouze vertikálního filtru, jako tomu je na Obr. 9 a Obr. 10. Na hodnoty odtokových koncentrací ukazatelů N-NH4+ (Obr. 11) a CHSKCr (Obr. 12) mají vliv všechny objekty na čistírně, zejména stabilizační biologická nádrž, zařazená za vertikálním filtrem, která je i posledním objektem čistírny. Ta za jistých okolností může negativně ovlivnit kvalitu vody (úhyn a rozklad rostlinné biomasy, teplotní stratifikace apod.).
Přesto, že uvedení druhé poloviny vertikálního filtru do provozu bylo provázeno drobnými technickými problémy (závady na pulzních vypouštěčích i čerpadlech), které mohly ovlivnit výslednou účinnost, lze konstatovat, že čistírna dosahuje velmi dobrých výsledků pro sledované parametry CHSKCr i N-NH4+. Shrnutí zkušebního provozu, který byl ukončen v měsíci květnu tohoto roku ukazuje, že čistírna splňuje stanovené limitní hodnoty a účinnost čištění odpadních vod je na dobré úrovni, což ukazují i průměrné hodnoty čisticí účinnost pro sledované ukazatele znečištění uvedené v tabulce Tab. 2. Dosahované účinnosti čištění u limitovaných ukazatelů splňují požadavky nařízení vlády č. 401/2015 Sb. v platném znění, pro předepsané minimální účinnosti čištění ve stanovené kategorii ČOV.
| Ukazatel znečištění | BSK5 | CHSKCr | N-NH4+ | NL | Pcelk |
| Čisticí účinnost (%) | 97,6 | 86,7 | 86,7 | 88,0 | 46,5 |
Konkrétní hodnoty koncentrace na přítoku a odtoku z KČOV Dražovice pro ukazatele znečištění odpadní vody CHSKCr a N-NH4+ stanovené při pravidelném měsíčním monitoringu jsou graficky zobrazeny na obrázcích Obr. 11 a Obr. 12.
Obr. 11. Průměrné koncentrace N-NH4+ v jednotlivých měsících v letech 2019–2020, sledované na přítoku a na odtoku z KČOV Dražovice
Obr. 12. Průměrné koncentrace CHSKCr v jednotlivých měsících v letech 2019–2020, sledované na přítoku a na odtoku z KČOV Dražovice
4. Závěr
Jak ukazuje uvedená rešerše, technologie vertikálních filtrů, která je v zahraničí běžně uplatňovaná při výstavbě kořenových čistíren odpadních vod, zaručuje kvalitní vyčištění odpadní vody. Přestože je, oproti horizontálním filtrům, jejich návrh a výstavba složitější, stále poskytují výhody kořenových čistíren, jakými jsou nízké provozní náklady či minimální obsluha provozu. Odtokové koncentrace vyčištěné odpadní vody z KČOV, kde byly použity vertikální filtry, mohou dosahovat výsledků, které jsou srovnatelné s jinými typy čistírenských technologií.
I tuzemské výzkumné práce zamřené na návrh, realizaci a především dlouhodobý monitoring čisticí účinnosti ukazují, že po zapracování, vykazuje tento typ vegetačního filtru vysokou čisticí účinnost. Konkrétním příkladem je KČOV Dražovice pro 850 EO, na které byl v roce 2016 vybudován nový vertikální filtr namísto původního horizontálního filtru. V roce 2018 byla technologie vertikálního filtru rozšířena. Monitoring čistící účinnosti ukazuje, že na odtoku z tohoto vertikálního filtru lze dosahovat vysoké čistící účinnosti pro amoniakální znečištění (ukazatel N-NH4+) < 10 mg∙l−1, takovýchto výsledků by nebylo možné s původním uspořádáním horizontálních filtrů nikdy dosáhnout. Podobně i v ostatních sledovaných parametrech vykazuje vertikální filtr mnohem lepší čisticí účinnosti.
Vertikální filtry s vegetací mají velký potenciál využití při rekonstrukci stávajících kořenových čistíren odpadních vod a měly by se stát nezbytným technologickým stupněm na nově vznikajících KČOV. Projektanti vegetačních čistíren jsou o této skutečnosti již přesvědčeni, doufejme, že k podobným závěrům dojdou i úředníci.
Poděkování
Výsledky publikované v tomto článku vznikly v rámci výzkumnému projektu FAST-J-18-5294 Numerický model vertikálního filtru s využitím softwaru HYDRUS CWM1 a FAST-J-17-4530.
Reference
- KADLEC, Robert H. a Scott D. WALLACE. Treatment wetlands. 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, c2009. ISBN 978-1-56670-526-4.
- KRIŠKA DUNAJSKÝ, M., NĚMCOVÁ, M., Kořenové čistírny – rekapitulace a budoucnost v České republice, Vodní hospodářství. 2016, č. 2, s. 14–20. ISSN: 1211-0760
- LANGERGRABER, G., WEISSENBACHER, N. Survey on number and size distribution of TWs in Austria. Water Sci Technol 75(10), 2309-2315. 2017.
- MOLLE, P., LIÉNARD, A., GRASMICK, A., IWEMA, A. Effect of reeds and feeding operations on hydraulic behaviour of vertical flow constructed wetlands under hydraulicoverloads. Water Research. 2006, 2006 40(3), 606–612
- NĚMCOVÁ, M.; KRIŠKA-DUNAJSKÝ, M. Development of constructed treatment wetlands in Czech Republic for five years term. In SGEM Conference Proceedingsc. International multidisciplinary geoconference SGEM. Ecology, Economics, Education and Legislation. 51 Alexander Malinov Blvd., 1712, Sofia, Bulgaria: STEF92 Technology Ltd., 2016. s. 225–232. ISBN: 978-619-7105-66-7. ISSN: 1314-2704.
- PUMPRLOVÁ NĚMCOVÁ, M. 2017. Intenzifikace kořenové čistírny odpadních vod pro 850 EO. In Sborník abstraktů JUNIORSTAV 2017. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2017. s. 1–8. ISBN: 978-80-214-5462- 0.
- PUMPRLOVÁ NĚMCOVÁ, M.; KRIŠKA-DUNAJSKÝ, M. Performance of vetical flow constructed treatment wetland for 850 PE: reconstruction and first year of operation. In 10th International Workshop on Nutrient Cycling and Retention in Natural and Constructed Wetland. Třeboň: ENKI, o.p.s, Třeboň, 2017. s. 54–56. ISBN: 978-80-905483-3- 6.
- ŠÁLEK, J. Navrhování a provozování vegetačních kořenových čistíren. Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 54 s. ISBN 80-86153-037-0. 1999.
- VYMAZAL, J. Constructed wetlands for wastewater treatment in the Czech Republic: two case studies. In: Pries, J (Ed.), Treatmenr Wetlands for Water Quality Improvement. CH2M Hill Canada, Waterloo, Ontario, pp. 107–144. 2002.
- VYMAZAL, J., 2005. Horizontal sub-surface flow and hybrid constructed wetlands systems for wastewater treatment. Ecol. Eng. 25, 478–490.
- VYMAZAL, Jan, Tereza BŘEZINOVÁ a Milan KOŽELUH. Occurrence and removal of estrogens, progesterone and testosterone in three constructed wetlands treating municipal sewage in the Czech Republic. Science of The Total Environment. 625–631. 2015
- ZHAO, Y. J., LI, J.H., WANG, Z.F., YAN, C., WANG, S.B., ZHANG, J.B. (2012) Influence of the plant development on microbial diversity of vertical-flow constructed wetlands.
- ÖNORM B 2505- Kläranlagen – Intermittierend beschickte Bodenfilter („Pflanzenkläranlagen“). 2009.
- ČSN 75 6402 Čistírny odpadních vod do 500 ekvivalentních obyvatel. 2017.
- NAŘÍZENÍ VLÁDY 401/2015 Sb. o ukazatelích a hodnotách přípustného znečištění povrchových vod a odpadních vod, náležitostech povolení k vypouštění odpadních vod do vod povrchových a do kanalizací a o citlivých oblastech. 2015.
- Historicka data. Chmi [online]. [cit. 2018-05-29]. Dostupné z:
http://portal.chmi.cz/historicka-data/pocasi/uzemni-teploty#
In the Czech Republic, the constructed wetlands (CWs) have been used as wastewater treatment technologies since 1989. They are usually designed for small communities to 500 PE exceptionally to 2 000 PE. At present, about 300 CWs are in operation in the Czech Republic. Majority of them are designed with horizontal subsurface flow, while vertical subsurface flow (VF) constructed wetlands are still rarely used. Compared to abroad, vertical filters (beds) in the Czech Republic are only a new technology. Proof of this are the results from the largest vertical filter operated at CW Dražovice for 850 PE. The technology of vertical filter has great potential to improve the reputation of constructed treatment wetlands in the Czech Republic.