Využití umělých mokřadů pro nakládání se splachovými vodami - možnosti intenzifikace a regulace Tereza Hudcová 1, Jan Vymazal 2, Miloš Rozkošný 3, Michal Kriška-Dunajský 4 1 Dekonta,a.s., Dřetovice 109 273 42, Stehelčeves, Česká republika; e-mail: hudcova@dekonta.cz; 2 Česká zemědělská univerzita v Praze, Fakulta životního prostředí, Kamýcká 129, 165 21 Praha 6, Česká republika; 3 Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M., pobočka Brno, Mojmírovo náměstí 16, 612 00 Brno; 4 Vysoké učení technické v Brně, Žižkova 17, Veveří, 60200, Brno, Česká republika. Souhrn Příspěvek je zaměřen na možnost využití třístupňové technologie zahrnující mechanické předčištění, biologický stupeň a terciární stupeň představující variantně vsakovací zařízení či akumulaci k čištění splachových vod pocházejících z dopravní infrastruktury a zpevněných ploch v průmyslových areálech. Technologie umožňuje variabilní uspořádání zohledňující proměnlivost míry znečištění a množství splachových vod a reflektuje tak potřebu ekologické a ekonomické udržitelnosti. Součástí návrhu technologie je mokřadní pásmo zahrnující aerobní a anaerobní stupeň, jehož eliminační účinnost vůči kontaminantům je v testovacím režimu navyšována aktivní inokulací vybranými bakteriálními kmeny, mokřadní vegetací a reaktivními náplňovými materiály. Navazující stupeň pak představuje vsakovací zařízení s omezením kolmatace, včetně systému regulace hladiny vody v objektu a technologie umožňující retenci vody v krajině s cílem minimalizace negativních vlivů zastavěných ploch a s možností jejího dalšího využití in situ. Klíčová slova: umělé mokřady, splachové vody, mechanické předčištění, biologický stupeň čištění, vsak. Úvod Kontaminace půdního a vodního prostředí provozem a zimní údržbou dopravní infrastruktury popisují již studie a vědecké práce z 90. let. Povrchové smyvy z komunikací obsahují Cd, Cu, Ni, Zn, Hg, ropné látky a jejich deriváty, chloridy, apod., z nichž Cd, Pb, Hg, Ni jsou zařazeny v seznamu prioritních a prioritních nebezpečných látek dle směrnice EU 2000/60/ES. Smyvy z dálnic byly v Irsku označeny za významný zdroj kontaminace pro recipienty na základě sledování koncentrací Cd, Cu, Pb, Zn, 16 PAU a TOL na 42 lokalitách; Desta et al. (2007). K čištění splachů z odvodňovaných ploch je možné využít následující způsoby: - zachycení hrubých nečistot česlemi; - oddělení pevných minerálních látek sedimentací; - oddělení látek rozdílné hustoty pomocí gravitačních odlučovačů (např. odlučovačů lehkých kapalin); - filtrace vody přes vhodný filtrační materiál; - odbourávání přírodními procesy. Například v Německu se k záchytu a čištění smyvů užívají betonové nádrže v kombinaci s navazujícím zasakováním vod přes půdní filtry. Přečištěná voda je pak volně zasakována do okolního prostředí; Hilliges et al. (2013). V ČR je odvodnění řešeno na některých prvcích dopravní infrastruktury, kdy dochází pouze k záchytu a odsazení smyvů. Je však známo, že až 47 % smyvů je zasakováno do travnatého pásu podél komunikace. V případě zimní údržby je až 97 % chloridů aplikovaných na komunikaci vsakováno do půdního a horninového prostředí. Využití filtračního prostředí uměle budovaných mokřadů jednoduchých konstrukcí určených pro čištění infrastrukturních splachů je testováno v zahraničí. V podstatě se jedná nádrž vyplněnou filtračním materiálem a osázenou makrofyty. Směrnice DWA-A 138 uvádí zásady návrhů dalších zařízení pro
retenci a zasakování dešťových vod a povrchových smyvů. Návrh je založen na kvantitativních parametrech. Podobně i nová česká norma ČSN 75 90 10 poskytuje informace zaměřené na množství splachové vody a kvalitativní hledisko je řešeno pouze okrajově, jelikož v době vzniku nebyl dostatek údajů o dosahovaných dlouhodobých účinnostech odstranění znečištění různými typy objektů vhodných pro vsakování. I jednoduché konstrukce umělých mokřadů prokazují vysokou účinnost zadržení polutantů obsažených v povrchovém smyvu. Na sledovaných zařízeních byly dosahovány dlouhodobé průměrné účinnosti: 69 % pro nerozpuštěné látky, 97 % pro usaditelné látky, 90 a více procent pro kovy (Cd, Cu, Ni, Pb a Zn). Rovněž byla prokázána vazba kovů na nerozpuštěné látky a jako převládající čisticí mechanismy byly stanoveny sedimentace a filtrace. Nicméně je však otázkou zpětné uvolňování těchto polutantů do prostředí, nakládání s materiály z objektů, případně i nakládání se sorbenty po vyčerpání jejich sorpční kapacity. V rámci výzkumných prací jsou sumarizovány podklady pro stanovení životnosti a zásad údržby objektů a zařízení, které jsou předmětem výzkumu a vývoje. Potenciál má také testování dalších materiálů různé druhy strusek, hlinitokřemičitany, atd. V případě retenčních a vsakovacích průlehů byly v zahraničí prokázány jejich dlouhodobé možnosti využití i k čištění povrchových smyvů, včetně eliminace těžkých kovů. Potenciál využití malých vodních nádrží pro zachycení a čištění povrchových smyvů, včetně provozu v zimních obdobích byl ověřen pouze v malé nádrži s volnou hladinou, kde zejména v zimních obdobích hraje významnou roli přítomnost ledové pokrývky na hladině. V letních obdobích pak výskyt a nežádoucí rozvoj biomasy řas, který může vést k druhotné kontaminaci odtékajících vod, ale také i ke kolmataci půdy a vsakovacího prostředí. V zahraniční literatuře je uváděn nedostatek podkladů k dimenzování zařízení pro management povrchových smyvů a hodnocení dopadů odtékajících vod na recipienty. Pozornost je věnována i této problematice s cílem ověřit využitelnost zmíněných materiálů pro odstranění znečištění z povrchových smyvů a definování optimálních vlastností vhodných materiálů a zásad jejich využití. Vliv na změnu hydraulických charakteristik filtračního prostředí a mobilitu kovů má také používání chemických prostředků při údržbě komunikací, parkovišť a odstavných ploch (při solení). V důsledku solení, ale také v důsledku smyvu prachu dochází ke změnám zrnitostního složení, pórovitosti, a tím i hydraulické vodivosti filtračního prostředí. Již po krátkém období se často projevují kolmatační procesy. Správnou volbou filtračního prostředí a vhodnou údržbou lze eliminovat značné množství kovů v odtoku. Studie intenzifikace retenční nádrže pro odvodnění komunikace D3 0309/III, BOREK-ÚSILNÉ Studie intenzifikace obsahuje aplikovaný návrh nové třístupňové technologie čištění splachových vod, který bude umístěn do stávajícího návrhu retenční nádrže. Nová technologie zahrnuje obecně mechanické předčištění, biologický stupeň a terciální stupeň představující variantně vsakovací zařízení či akumulaci. Navrhovaná technologie umožňuje variabilní uspořádání zohledňující proměnlivost míry znečištění a množství splachových vod a reflektuje tak potřebu ekologické a ekonomické udržitelnosti. Tento návrh intenzifikace řeší aplikaci této technologie na stávající navrhované řešení nakládání se splachovými vodami z dálničního provozu. Stávající řešení Stávající návrh řešení je uvažován jako kombinace bezpečnostní nádrže BN2, retenční nádrže se stálým nadržením hladiny 0,5m o objemu 3960m 3 a mokřadní plochou osázenou slanomilnými rostlinami. Navržené stálé nadržení 0,5m může způsobovat estetické a ekologické provozní problémy. V mělké nadržené zóně dojde ve vegetačním období k nárůstu biomasy a vodních organismů. Biomasa bude následně za dešťových průtoků vyplavována do recipientu a tím bude docházet k jeho zatížení. Případné osídlení otevřené vodní plochy chráněnými vodními živočichy by mohlo znesnadnit provozování retenční nádrže z ekologického pohledu. Mokřad umístěný na odtoku z retenční nádrže je velmi pozitivní řešení, které má za následek navýšení bezpečnosti provozu retenční nádrže s ohledem na životní prostředí. Následná úprava stávajícího projektu tento mokřad neuvažuje, protože je navržena účinnější mokřadní plocha uvnitř retenční nádrže.
Nové řešení Aplikace nové technologie zahrnuje doplnění stávajícího řešení o biologický stupeň čištění, který zahrnuje vybudování aerobního a anaerobního mokřadu, jehož eliminační účinnost vůči kontaminantům bude navýšena aktivní inokulací vybranými bakteriálními kmeny a mokřadní vegetací. Aerobní zóna bude tvořena mokřadním mělkým přítokovým korytem tl. 0,3m a šířky 1,6m, které bude vyplněno struskou Dekontam-P15 (Dekonta, a.s. fr. 16/32) a osázeno Chrasticí rákosovitou v počtu 6ks/m 2. Strusková náplň bude inokulována vybranými bakteriálními kmeny (viz. technologie BIOSAL). Anaerobní zóna je umístěna na dno navrhované retenční nádrže o tl. 0,6m se stálým nadržením hladiny 0,5m, která bude vyplněna praným drceným kamenivem fr. 16/32 a osázena po 2000ks Chrasticí rákosovitou, Rákosem obecným, Zblochanem vodním, Orobincem širokolistým, Skřípinou jezerní a Kosatcem žlutým. Dno takto upravené nádrže se bude chovat jako suchý poldr, takže nedojde k negativním vlivům mělkého nadržení viz. výše. Současně ale bude výparem podporovat eliminaci zvýšeného teplotního režimu v okolí dálnice. Dalším pozitivním faktorem tohoto řešení je navýšení účinnosti odbourávání zbytkových znečištění ve splachových odpadních vodách, které se sice nevyskytují v nebezpečných koncentracích, ale pokud lze zamezit jejich šíření do vod povrchových a podzemních za dosažení ekologické a ekonomické udržitelnosti, tak to význam má. Při provozování takto navržené konstrukce se předpokládá 1x ročně kosení mokřadní vegetace a následné kompostování. Pravidelné vybírání sedimentů z bezpečnostní nádrže BN2, aby nedocházelo k nepatřičnému vyplavování do filtrační náplně. Jiné provozní nároky konstrukce nevyžaduje. Obr. 1: Celková situace intenzifikace retenční nádrže pro odvodnění komunikace D3 0309/III, BOREK - ÚSILNÉ
Obr. 2: Aerobní a anaerobní kořenový filtr Pro podmínky ČR potvrdily výsledky výzkumu v ČR prováděném na ploše parkoviště, že k účinnému odstranění kovů a PAU mohou významně napomoci vsakovací objekty, v jejichž filtračním prostředí dochází k záchytu těžkých kovů a eliminaci PAU a ropných látek, účinnost je ovlivněna typem filtračního prostředí, hydrologickými podmínkami, změnami ph a způsobem údržby. Z těchto důvodů je třeba modelově otestovat v podmínkách ČR životnost a nároky na údržbu vsakovacích objektů. Cílem řešení je i vývoj a testování objektů pro vsakování vod s minimálním rizikem kolmatace. Technologie BIOSAL Tato technologie byla navržena pro ex-situ sanaci zemin, podzemních, povrchových i odpadních vod kontaminovaných polycyklickými aromatickými uhlovodíky (PAU) a nepolárními extrahovatelnými látkami (NEL) v prostředí o vysoké salinitě. Jedná se o biologickou metodu čištění kontaminovaných materiálů využívající biodegradačního potenciálu biopreparátu BIOSAL tvořeného pěti aerobními bakteriálními kmeny Pseudomonas veronii; Pseudomonas stutzeri atyp.; Cupriavidus metallidurans; Tetrathiobacter kashmirensis; Shewanella haliotis.
Princip metody Základní princip předkládané technologie vychází ze schopnosti bakterií rodů Pseudomonas veronii; Pseudomonas stutzeri atyp.; Cupriavidus metallidurans; Tetrathiobacter kashmirensis a Shewanella haliotis využívat PAU a NEL jako zdroj uhlíku a energie pro svůj růst. Díky tomu jsou pak tyto látky eliminovány z kontaminované matrice. Ve znečištěných lokalitách lze často pozorovat výskyt mikroorganismů adaptovaných na přítomný kontaminant. Jejich koncentrace v prostředí však nebývá dostatečně vysoká k účinnému odstranění daných polutantů. To je zapříčiněno několika možnými důvody: (i) nedostatek minerálních živin, (ii) nedostatek vhodného elektronového akceptoru (např. O 2 ) v případě aerobních pochodů), (iii) velmi nízká rozpustnost kontaminantu ve vodě, (iv) zvýšená salinita prostředí. Právě zvýšená salinita prostředí může představovat významný problém v biodegradačních procesech, neboť značně ovlivňuje rychlost metabolismu mikroorganismů a tedy i celkovou rychlost biodegradace. Uváděná metoda pracuje s kmeny, které jsou osmotolerantní či halofilní a vyznačují se schopností degradace PAU a NEL. Hlavním cílem metody je zvýšit koncentraci těchto kmenů v sanovaném materiálu na nejvyšší možnou mez a rovněž tak znásobit celkovou metabolickou aktivitu na maximum. Degradační proces pak probíhá výrazně vyšší rychlostí než v případě mikroorganismů, které nejsou schopné růst při zvýšené koncentraci solí. Díky tomu je technologie určena k sanaci lokalit, charakteristických vysokou salinitou jako jsou např. vody a půdy kontaminované ropnými látkami, oleji apod.. Využití extrémofilních organismů navíc přispívá k celkové stabilitě sanačního postupu a ke snížení kontaminace nežádoucími organismy. Závěr Návrh intenzifikace umělých mokřadů pro nakládání se splachovými vodami vychází z poznatků získaných při laboratorních a poloprovozních experimentech prováděných v rámci grantového projektu TAČR Vývoj technologií pro čištění srážkových smyvů z komunikací a jiných zpevněných ploch (TA03030400). Návrh zahrnuje podklady pro realizaci a ověření komplexní technologii čištění splachových vod pocházejících z dopravní infrastruktury a zpevněných ploch v průmyslových areálech na třístupňovém poloprovozním zařízení a doplnění chybějících podkladů pro dimenzování zařízení tohoto typu včetně návrhu a realizace vsakovacího zařízení včetně dimenzionálních parametrů. Aplikace halofilního biopreparátu pro mikrobiální degradaci ropných látek a zbytků paliv pak umožňuje zmírnění či úplnou eliminaci negativních vlivů zatěžujících splachové vody a následně životní prostředí v rámci mokřadního systému čištění odpadních vod. Novost navrhovaného řešení spočívá zejména ve variabilitě finálního řešení reflektujícího konkrétní situaci či požadavky uživatele. Inovující je definování míry intenzifikace čistících procesů se zachováním minimálních nákladů na provoz a údržbu. Použitá literatura Desta, M.B., Bruen, M., Higgins, N. a Johnston, P., 2007. Highway runoff quality in Ireland. J. Environ. Monitor. 9: 366-371. Hilliges, R., Schriewer, A. a Helmrich, B., 2013. A three-stage treatment system for highly polluted urban road runoff. J. Environ. Manage. 128: 306-312. Poděkování Vývoj technologií pro čištění srážkových smyvů z komunikací a jiných zpevněných ploch je realizován díky finanční podpoře poskytnuté Technologickou agenturou České republiky v rámci programu Alfa projektu Wetland TA03030400.