Miloš Rozkošný ¹⁾, Jan Šálek ²⁾, Michal Kriška²⁾

¹⁾ Výzkumný ústav vodohospodářský TGM, v.v.i., Mojmírovo nám. 16, 612 00, Brno, milos_rozkosny@vuv.cz, Tel. +420 541126318
²⁾ Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství krajiny, Veveří 95, 602 00, Brno, salek.j@centrum.cz, kriska.m@fce.vutbr.cz, Tel. +420 541147778

ÚVOD

Přírodní způsoby čištění odpadních vod využívají přirozené, přírodě blízké samočisticí procesy, které probíhají v půdním, vodním a mokřadním prostředí. Vegetace, půda a vodní prostředí se přímo podílejí na čistícím procesu, zejména tím, že tvoří vhodné filtrační, sedimentační a sorpční prostředí, vytvářející příznivé podmínky pro rozvoj mikroorganismů, podílejících se na čisticím procesu (Kadlec et al., 2000; Rozkošný, 2008; Šálek a Tlapák, 2006; Vymazal, 1995). Rostliny využívají uvolněné a zpřístupněné živiny (nutrienty), především dusík a fosfor, k tvorbě biomasy, kterou je možné dále využívat (Čížková et al., 2003). Přehled jednotlivých přírodních způsobů čištění a možnosti jejich využití uvádí Tab. 1. (Podrobněji viz. Šálek a Tlapák, 2006). Přírodní způsoby čištění nacházejí uplatnění zejména při čištění splaškových odpadních vod z domácností, hotelů, rekreačních, restauračních zařízení a letních táborů, menších obcí obvykle do 500 obyvatel, při čištění odpadních vod ze školních zařízení, škol v přírodě a stravovacích zařízení (Simon et al., 2006). Významné je využití výše uvedených způsobů čištění k dočištění odpadních vod, zde se především uplatňují stabilizační nádrže a závlaha čištěnými odpadními vodami; nepoužitelné jsou k čištění odpadních vod s vysokým obsahem organického znečištění, olejů, derivátů ropy, extrémně kyselých a zásaditých vod a odpadních vod obsahujících toxické látky překračující mez toxicity, nadlimitním obsahem tenzidů, pesticidů, radioaktivních látek apod. (Šálek a Tlapák, 2006).

 Tab. 1 Přehled využití přírodních způsobů čištění

Článek je zaměřen na shrnutí poznatků z průzkumu kořenových čistíren odpadních vod (KČOV) napojených na obce od 100 do 1000 EO se zaměřením na posouzení vlivu mechanického předčištění odpadních vod na funkčnost těchto čistíren a na posouzení hydraulického a látkového zatížení. 

METODIKA PRÁCE

V následující tabulce Tab. 2 jsou uvedeny hodnoty návrhových parametrů a základní charakterizace podrobně sledovaných kořenových čistíren odpadních vod. Tyto čistírny byly podrobně sledovány v letech 2000 až 2010 (Rozkošný, 2008; Simon et al., 2006; Rozkošný, Šálek, Kočková, 2002). Interval vzorkování byl 1 měsíc. Odebírány byly slévané vzorky. Odběrové profily byly umístěny tak, aby bylo možné posoudit čistící účinek jednotlivých stupňů čištění (tzn. na přítoku, za usazovací nádrží, za filtračními kořenovými poli, na odtoku). Čistírna realizovaná v lokalitě „A" byla hodnocena včetně s dočišťovacím stupněm - stabilizační nádrží.

Tab. 2 Charakterizace sledovaných čistíren

Legenda:        

Č        jemné ručně stírané česle      LP        horizontální lapák písku
SEPT   septik                                  ŠN        štěrbinová nádrž
ZUN    zemní usazovací nádrž          DUN     dešťová zdrž
KMN   nádrž typu KMN                     DBN     dočišťovací biologická nádrž
Rákos - Phragmites australis (rákos obecný)

Na vybraných lokalitách byly sledovány usazovací nádrže následujících typů:

• velkoobjemový septik (určený pro přibližně 600 EO)
• biologický tříkomorový septik (pro přibližně 250 EO)
• jednoduchá zemní usazovací nádrž shorizontálním prouděním (pro přibližně 150 EO)
• typizovaná usazovací nádrž shorizontálním prouděním typu KMN (pro250 a480 EO)
• typizovaná štěrbinovou nádrž (pro přibližně 800 EO)

Při posuzování byly hodnoceny základní ukazatele čistícího procesu, kterými jsou konduktivita, pH, změny obsahu rozpuštěného kyslíku, ukazatele nerozpuštěné látky (NL), biochemická spotřeba kyslíku (BSK₅), chemická spotřeba kyslíku dichromanem (CHSK-Cr), amoniakální dusík (N-NH₄⁺), dusičnanový dusík (N-NO₃^-) a celkový fosfor (P_c). Dále byla sledována závislost koncentrací ukazatelů organického znečištění, forem dusíku, celkového fosforu, chloridů, síranů a fyzikálně-chemických ukazatelů jakosti vod (koncentrace kyslíku, pH a konduktivita) na množství odpadních vod přitékajících na čistírnu (vyjádřeno aktuálním průtokem v době vzorkování) a vzájemné závislosti mezi jmenovanými ukazateli. Jako podpora pro vyhodnocení vzájemných závislostí byly spočteny korelační koeficienty také metodou parciální korelace.

Byla posouzena vzájemná korelace naměřených hodnot datových souborů z odběrových profilů:

• přítok na KČOV
• přítok na kořenová pole ~ odtok z usazovací nádrže
• odtok zkořenových polí ~ přítok do dočišťovací biologické nádrže
• odtok zdočišťovací biologické nádrže ~ odtok zKČOV)

 VÝSLEDKY

Hodnocení látkového a hydraulického zatížení

Z výsledku analýz látkového zatížení sledovaných čistíren je patrné, že v průměru není ani jedna zatěžována množstvím, které odpovídá projektovým předpokladům. Avšak při výskytu extrémních hodnot mohou být čistírny i krátkodobě přetíženy (Rozkošný, 2008). Např. extrémní hodnoty koncentrace NL vyšší jak 400 mg.1^-1, resp. 1000 mg.1^-1, byly čistícím procesem eliminovány na hodnoty 25 a 45 mg.1^-1. Koncentrace BSK₅ 320, 375 a 500 mg.1^-1 naměřené na přítoku byly sníženy na koncentrace 100, 80 a 20 mg.1^-1 (hodnoty byly vybrány z analýz provedených na sledovaných čistírnách).

V následujících tabulkách Tab. 3 a 4 jsou uvedeny hodnoty vypočteného látkového zatížení filtračních kořenových polí pro základní ukazatele a rozsah hydraulického zatížení filtračních kořenových polí čistíren na lokalitách „A" a „D" na základě dat získaných během období monitoringu. Jsou zde také uvedeny i hodnoty návrhového látkového a hydraulického zatížení, podle kterých byly filtrační kořenová pole projektována.

Tab. 3 Hydraulické a látkové zatížení lokalita „A" - průměrné hodnoty

Tab. 4 Hydraulické a látkové zatížení lokalita „D" - průměrné hodnoty

Výsledky korelační analýzy potvrdily závislost hodnot konduktivity a koncentrací amoniakálního dusíku na množství odpadních vod (což souvisí zřejmě s naředěním odpadních vod balastními vodami - závislost je negativní, tzn. s nárůstem průtoku klesá množství amoniaku v odpadní vodě). Dále byly potvrzeny vzájemné korelační vztahy pro koncentrace nerozpuštěných látek, BSK a CHSK a také je určitá závislost mezi ukazateli organického znečištění, chloridy a celkovým fosforem. (Rozkošný, 2008)

Srovnání rozsahu hodnot hydraulického zatížení kořenových polí za dobu sledování dané čistírny. Zatížení bylo vypočítáno z průtoků, zjištěných pomocí konsumpčních křivek měrných přelivů, osazených na přítoku (na konci lapáku písku), nebo zjištěných přímým měřením množství vody za čas (pouze lokalita „F"). Uveden je rozsah minimální (min) a maximální (max) hodnoty hydraulického zatížení a průměr (avg) za dobu sledování čistírny, a to pro vegetační a nevegetační období (říjen - březen). Podstatně vyšší maximální hodnoty hydraulického zatížení v nevegetačním období oproti hodnotám z vegetačního období byly zaznamenány na lokalitách „A" a „F", a to v důsledku zejména táním sněhu a vyššími srážkami v jarním období. Průměrné hodnoty ve vegetačním a nevegetačním období se na čistírnách příliš nelišily s výjimkou lokality „F" (8x vyšší hodnota než pro vegetační období) a také lokality „D", kde byl zjištěn průměrný průtok v nevegetačním období asi o 70 % vyšší než ve vegetačním období.

Obr. 1 Rozsah hodnot hydraulického zatížení kořenových polí během vegetačního (veg) a nevegetačního (nev) období na sledovaných čistírnách 

Hodnocení vlivu mechanického předčištění na čistící účinek

Velkoobjemový septik. KČOV s tříkomorovým biologickým septikem pracujícím jako usazovací nádrž s anaerobní stabilizací kalu byla sledována na lokalitě „D". Výsledky dosahovaného čistícího účinku na stupni mechanického předčištění (horizontální štěrbinový lapák písku a tříkomorový biologický septik) jsou uvedeny v následující tabulce Tab. 5. Pro porovnání jsou uvedeny i výstupní průměrné koncentrace vybraných ukazatelů na odtoku z biologického stupně čištění (kořenových polí), který tvoří zároveň odtok z čistírny. Přítok odpadní vody na tuto čistírnu byl během dvouletého sledování zaznamenán v rozmezí 0,2 až 5,9 l.s^-1 (průměrná hodnota 2,3 l.s^-1; medián 1,7 l.s^-1). Objem usazovacího prostoru septiku je 76 m³. Vypočtená hodnota doby zdržení je 3,6 hod pro maximální naměřený průtok a 9,3 hod pro vypočtený průměrný průtok. Teoretická doba zdržení vody pro návrhový denní průměrný průtok 1,5 l.s^-1 je 13,8 hod.

Tab. 5 Výsledky sledování funkce stupně mechanického předčištění s biologickým septikem

Lokalita „D"

Koncentrace nerozpuštěných látek je téměř ve všech případech o 60 % vyšší na odtoku. Z 22 měření byly 4 hodnoty v rozmezí 80 až 100 mg.l^-1, 14 hodnot bylo v rozmezí 100 až 150 mg.l^{-1 a 4 hodnoty byly v rozmezí 150 až 200 mg.l-1}. 

Podrobný výzkum štěrbinových nádrží byl uskutečněn na lokalitě „A". Mechanický stupeň čištění zde tvoří ručně stírané česle, štěrbinový lapák písku a štěrbinová nádrž. Výsledky šetření jsou uvedené v tabulce Tab. 6. Čistící účinek mechanického stupně čištění se štěrbinovou nádrží je v tomto případě pro organické znečištění a nerozpuštěné látky nízký - dlouhodobé průměrné hodnoty jsou okolo 14 %. Přítok odpadní vody na tuto čistírnu byl během dlouhodobého sledování zaznamenán v rozmezí 0,5 až 19,2 l.s^-1 (průměrná hodnota 2,4 l.s^-1; medián 1,9 l.s^-1). Objem usazovacího prostoru nádrže je 22 m³. Vypočtená hodnota doby zdržení je 0,3 hod pro maximální naměřený průtok a 2,5 hod pro vypočtený průměrný průtok. Teoretická doba zdržení vody pro návrhový denní průměrný průtok 1,8 l.s^-1 je 1 hod.

Tab. 6 Výsledky sledování funkce stupně mechanického předčištění se štěrbinovou nádrží

Lokalita „A"

Čistící účinek usazovací nádrže typu KMN s bočními vyhnívacími komorami určenými pro anaerobní stabilizaci kalu byl sledován na lokalitě „B". Výsledky sledování potvrzují zkušenosti získané také na jiných KČOV (např. lokalita „E"), kde je mechanické předčištění odpadních vody prováděno kombinací horizontální lapák písku a usazovací nádrž typu KMN. Výsledky sledování účinnosti čištění z lokality „B" jsou uvedeny v tabulce Tab. 7. Pro porovnání jsou opět uvedeny průměrné koncentrace vybraných ukazatelů na odtoku z KČOV, který tvoří odtok z kořenových polí. Přítok odpadní vody na tuto čistírnu byl během dvouletého sledování zaznamenán v rozmezí 0,2 až 4,6 l.s^-1 (jeho průměrná hodnota 1,1 l.s^-1; medián 0,8 l.s^-1). Objem usazovacího prostoru septiku je 50 m³. Vypočtená hodnota doby zdržení je 1,6 hod pro maximální naměřený průtok a 12,6 hod pro vypočtený průměrný průtok. Teoretická doba zdržení vody pro návrhový denní průměrný průtok 4,2 l.s^-1 je 0,9 hod.

Tab. 7 Výsledky sledování funkce stupně mechanického předčištění s nádrží typu KMN

Lokalita B

Zemní usazovací nádrže. U malých čistíren odpadních vod obcí do 100 až 200 EO je možné v příznivých podmínkách navrhnout dvojici zemních těsněných usazovacích nádrží. Usazovací nádrže pracují střídavě, jedna je v provozu, druhá se odvodňuje. Doba zdržení, podle zkušeností z SRN, se navrhuje min. 3 dny (Šálek a Tlapák, 2006). Použití malých zemních usazovacích nádrží bez usměrňovacích staveb, s nepravidelným vyklízením, postrádajících norné stěny zabraňující úniku vzplývavého kalu, se nedoporučuje a čistící účinek jednotlivých nádrží je nízký, rovněž je zde nebezpečí vzplývání a vyplavování kalu, což dokumentuje Obr. 2.

Sedimentační proces v těchto nádržích je ovlivňován řadou negativních činitelů a jevů:

• absencí usměrňovacích staveb, nerovnoměrností proudění, vznikem zkratových proudů,
• vzplýváním a únikem (odtokem) plovoucího kalu,
• obtížným vyklizením kalu (pokud je pouze jedna nádrž, která je stále v provozu).

 Obr. 2 Malá zemní usazovací nádrž zarostlá vláknitými řasami

ZÁVĚR

Přírodní způsoby čištění odpadních vod včetně kořenových čistíren odpadních vod jsou alternativním řešením k umělým způsobům čištění odpadních vod malých producentů. Z výsledků průzkumu KČOV vyplynuly tyto hlavní zjištěné problémy spojené s jejich navrhováním, údržbou a provozem: nedostatečný návrh a provoz objektů mechanického předčištění vod s dopadem na kolmataci kořenových polí, nesprávně projektovaný a často nedostatečně udržovaný rozvod vody na kořenová pole, nevhodně provedená regulace hladiny v kořenových polích (pomocí dlužových stěn) a problematické, nedostačující) zajištění stabilního odstraňování amoniakálního dusíku u větších čistíren. Určité nedostatky přírodních způsobů čištění nespočívají ve vlastní metodě čištění, ale v chybném vyřešení oddělování srážkových vod u jednotné stokové sítě, v nekvalitním mechanickém čištění, podceňování potřeby kvalifikované obsluhy.

Hodnoty hydraulického a látkového zatížení často neodpovídají projektovým předpokladům, což se projevuje v účinnosti čištění, v případě hodnocení čistíren na základě naměřených koncentrací sledovaných ukazatelů znečištění vod.

Z výsledků šetření funkce usazovacích nádrží jednoznačně vyplývá, že velkoobjemový septik klasického provedení je nefunkční a naopak nárazově výrazně zhoršuje kvalitu odpadní vody. Velkoobjemový septik u silně znečištěných odpadních vod byl hlavní příčinou zakolmatování filtračních polí kořenové čistírny.

Příčiny nedostatečné funkce je možné shrnout takto:

• z NL obsažených vodpadních vodách tvoří značnou část produkty zpracování ovoce avinné révy; jedná se o materiál, který pozvolna sedimentuje a snadno se vyplavuje se při zvýšených průtocích,
• usazený kal při anaerobním vyhnívání snadno vzplývá a je vyplavován zvelkoobjemového septiku do filtračních polí,
• odkalování velkoobjemového septiku je problematické, septik je uzavřen pevným stropem a vybaven několika vstupními otvory, které neumožňují plynulé arovnoměrné odčerpání kalu fekálními vozy. Vseptiku zůstává při odkalování značná část rozrušeného kalu, který je rovněž vyplavován,

Na nedostatečné funkci zařízení se částečně projevuje i nevhodné uspořádání přepážek, nedostatek norných stěn a řada dalších nedostatků.

Kombinovaná mělká nádrž typu KMN s oddělenými, po bocích umístěnými vyhnívacími (stabilizačními) prostory se neosvědčila. Usazovací prostor se obtížně odkaluje a vyhnívací kalové prostory se nedají dostatečně vyprázdnit. Výsledky našich průzkumů prokazují neuspokojivý čisticí účinek, který je nízký a vlastní provoz obtížně zvládnutelný - Obr. 3.

Obr. 3 Usazovací nádrž KMN se vzplývavým kalem, který následně odtéká a kolmatuje filtrační pole

V praxi lze pro předčištění odpadních vod před přírodními způsoby čištění doporučit štěrbinové nádrže - Obr. 4. Nádrž tvoří dva prostory, horní usazovací a dolní vyhnívací. Oba prostory jsou od sebe odděleny štěrbinou. Při průtoku odpadní vody usazovacím prostorem padají usaditelné částice ke dnu a štěrbinou pak do vyhnívacího prostoru. Důležité je zachování minimální doby zdržení 2 hodiny.

K zabezpečení plynulé funkce se doplňují:

• nornou stěnou na zachycení tuků a olejů (pokud se nenavrhuje samostatný lapák tuku),
• krytem, aby nedocházelo kzarůstání hladiny usazovací nádrže řasami, které ucpávají výtokové otvory vrozdělovacím potrubí.

Vnitřní vybavení štěrbinových nádrží je vhodné zhotovit z plastů, aby se na hladkých šikmých stěnách usazovacího prostoru nezachycovaly nečistoty.

Obr. 4 Vývoj řas na nekryté štěrbinové nádrži znečištěných tukovými částicemi 

Dvojice zemních nádrží je použitelná spíše na zachycení povrchových smyvů, pokud plní funkci usazovacích nádrží, je nutné navrhnout dvě nádrže se střídavým provozem, kdy jedna nádrž je v provozu, druhá se odvodňuje a vyklízí. U domovních KČOV a podmíněně u KČOV do 200 EO lze využít i biologické septiky s více komorami, podrobnosti uvádějí Šálek-Žáková-Hrnčíř [2008].

LITERATURA

Čížková, H., Dušek, J., Edwards, K., Květ, J., Picek, T., Šantrůčková, H., Zemanová, K. Úloha rostlin ve vegetačních čistírnách. In: Šálek, J., Malá, E. (Eds.): Přírodní způsoby čištění odpadních vod III. VUT Brno, 2003. p. 41-44.

Kadlec, R. H., Knight, R. L., Vymazal, J., Brix, H., Cooper, P., Haberl, R. Constructed Wetlands for Pollution Control. Scientific and Technical Report No.8., IWA Publishing London. 2000. 151 cp.

Rozkošný, M., Šálek, J., Kočková, E. Poznatky z průzkumu malých usazovacích nádrží používaných u přírodních způsobů čištění odpadních vod. In: Šálek, J, Malá, E, Štencel, M. (Eds.) Stabilizační a dešťové nádrže. VUT FAST, Brno, 2002. p. 11-17.

Rozkosny, M. Salek, J. Kockova, E.,  Intenzification and optimalization of constructed wetlands design in the Czech  Republic. In: Wetland Systems. Avignon: IWA, ASTEE, 2004, CD - PC5DCO09, 4p. 9^thInternational Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control Avignon

Rozkošný, M., Kupec, P. Šálek, J., Kriška-Dunajský, M. Function of natural and costructed wetlands in the nutrient removal process with a focus on the amonia nitrogen. . In: International Symposium on Wetland Pollutand Dynamics and Control,  Ghent, 4.-8. September, 2005, s.279-280

Rozkošný, M. Hodnocení účinnosti vegetačních kořenových čistíren a návrhy zlepšení jejich funkce. Ph.D. Teze. s. 30, VUT Brno, Fakulta stavební, 2008

Simon, O. a kol. Výstupy řešení výzkumného záměru v roce 2006. Oddíl D: Vztahy krajina - voda. Výzkumný záměr MZP 0002071101. Praha: VÚV T.G.M., v.v.i., 2006. (depon in VÚV T.G.M.)

Šálek,J., Rozkošný,M. Kriška,M. Poznatky z průzkumu kořenových čistíren odpadních vod v moravských krajích a části kraje Vysočina. Zpráva pro MŽP. Brno:2008, 41 s.

Šálek,J., Tlapák,V. Přírodní způsoby čištění znečištěných povrchových a odpadních vod. Praha:  ČKAIT, 2006, 283 s.ISBN 80-86769-74-7

Šálek,J.,Žáková,Z., Hrnčíř,P. Přírodní čištění a využívání vody Brno: ERA, 115 s. ISBN 978-80-7366-125-0

Vymazal, J. Čištění odpadních vod v kořenových čistírnách. ENVI s.r.o., Třeboň. 1995. 147 p..

Poděkování
Příspěvek byl zpracován s podporou výzkumného záměru MZP0002071101.