Nakládání se srážkovými a čištěnými odpadními vodami u decentralizovaných staveb v lesním prostředí Jan Šálek Michal Kriška salek.j@centrum.cz kriška.m@fce.vutbr.cz Úvod do problematiky Komplexní řešení vodního hospodářství obytných staveb, rekreačních zařízení a menších provozních staveb v lesním prostředí, včetně využití bioodpadu, je velmi aktuálním problémem, vyžadujícím řešení. Komplexní řešení spočívá: v ekonomickém a zejména ekologickém a nakládání s vodou a bioodpady; v možnosti významných úspor při využití srážkových vod, čištěných a upravených odpadních vod; v možnosti využití tohoto způsobu u decentralizovaných staveb, které nelze napojit na vodovodní a stokovou síť, recipient apod. Druhy vod a bioodpadů U menších zařízení nacházejících se v lesním prostředí se setkáváme s těmito vodami: pitnou vodou, nečastěji ze studní; srážkovou vodou z odtoku dešťových srážek; šedou vodou z mytí, umývání, praní apod.; hnědou vodou ze sociálních zařízení; odpadními vodami z malých provozních zařízení. Z bioodpadů se jedná především: bioodpad z obytných, rekreačních, provozních zařízení; organický odpad z čistírny odpadních vod (zejména stabilizovaný kal) a výjimečně přímo ze sociálního zařízení; organický odpad ze zahrádky, travnatých ploch,parkových ploch rekreačních zařízení, ze zpracování dřeva apod. Příklad řešení vodního hospodářství obytného domu a malého rekreačního objektu v lese Při zpracování vodního hospodářství se vychází: a) Ze zhodnocení zdrojů vody b) Zjištění množství jednotlivých druhů vod c) Stanovení potřeby čištění d) Určení potřeby krátkodobé akumulace a vyrovnání e) Stanovení možností zpětného využití f) Vyhodnocení množství odpadních vod Zdroje a charakteristika pitné vody Hlavními zdroji pitné vody u individuálně stojících objektů v lesním prostředí, jsou studny, vrty, jímací zářezy, pramenné jímky apod. Potřeba vody na jednoho obyvatele závisí na vybavení obytného domu a rekreačního objektu a určuji ji příl.12 vyhlášky y č.42/2001 Sb. a pohybuje se při plném vybavení od 31 do 46 m 3. rok -1 na jednoho obyvatele Jakost pitné vody určuje vyhláška č.254/2004 Sb., která stanoví hygienické požadavky na pitnou a teplou vodu, vyhlášky č.187/2005 Sb. a č.293/2006 Sb. stanoví ukazatele fyzikální, chemické, biologické, speciální a ostatní. U domovních studní jakost ověřují autorizované laboratoře. Odběry podzemních vod studny a)vrtaná studna b) Kopaná, vypažená studna Vrtaná studna 1-šachtice,2-výtlačné potrubí, 3-ponorné čerpadlo, 4-obsyp Kopaná skružová studna 1-dlažba, 2- podsyp, 3-kryt, 4-skruže, 5-trávník, 6-jílové těsnění, 7-obsyp, 8-štěrk, 9- dno studny, 10- těsnění, 11-čerpací zařízení (podle ČSN 75 5115) 1
Srážkové vody množství a složení Srážkové vody jsou důležitou součástí vodního hospodářství drobných staveb, specifický roční srážkový odtok V se stanoví ze vztahu: V = 10-3. Φ r. H r ( m 3. r -1. m -2 ) kde φ r je redukovaný odtokový součinitel, H r -redukovaný roční srážkový úhrn (mm) po odečtení všech srážek menších než 1 mm za den Hodnoty vybraných součinitelů odtoku v různých podmínkách uvádí ČSN 75 6101; srážkoměrné údaje z měření na nejbližší srážkoměrné stanic je možné získat v Českém hydrometeorologickém ústavu Složení srážkových vod se stanoví individuálně pro konkrétní lokalitu, závisí na mnoha činitelích, uvedených na závěr citované publikace Dvoustupňová úprava srážkových vod a) Jednoduchá úprava na spádovém sítu b) Náročnější úprava na spádovém sítu, usazovací nádrži a pískovém filtru UN usazovací nádrž, ČA čerpací agregát Zjednodušené schéma úpravy srážkových vod Těsněný půdní filtr na úpravu srážkových vod s podzemní akumulační nádrží Pozn.: Případná hygienizace se zajistí UV zářičem 1-přívodní potrubí srážkové vody, 2-filtrační materiál, 3-filtrační obsyp, 4-perforované potrubí, 5-těsnění jímky, 6-vsakovací průleh, 7-spojovací a revizní šachtice, 8-vstup do akumulační nádrže, 9- akumulační nádrž Otevřená těsněná akumulační nádrž s odběrem vody na závlahy a vsakovacím perforovaným potrubím při přebytku srážkové vody Akumulace srážkových vod pro domovní využití s čerpacím zařízením a tlakovou nádrží 1-zásobní prostor, 2-retenční prostor, 3- zemní těsněná nádrž, 4- výpustné zařízení s pneumatickým čepovým uzávěrem, 5-šachtice-sací jímka, 6-závlahový čerpací agregát, 7-vsakovací perforované potrubí 1-přívod upravené srážkové vody, 2-akumulační nádrž, 3,4,5-vstupy, 6- výtlačné potrubí, 7-železobetonová jímka, 8-čerpací zařízení s tlakovou nádrží,9-vstupní žebřík, 10-bezpečnostní přeliv 2
Možnosti využívání a hospodaření se srážkovými vodami Možnosti využívání srážkových vod: k úhradě evapotranspirace vegetace zelených střech; po úpravě a hygienizaci ke splachování na WC, praní prádla, zálivku, čištění; k závlaze travnatých ploch, rychlerostoucích dřevin; k napájení okrasných a víceúčelových vodních nádrží; k mytí domovních komunikací, lesnické techniky aj.; k umělé infiltraci a zvyšování zásob podzemních vod. Způsob úpravy srážkových vod se stanoví individuálně, podle jednotlivých nároků na kvalitu Využití srážkových vod na zelených střechách Nová metoda uspořádání zelené střechy podle návrhu pracovníků Ústavu pozemního stavitelství FAST VUT Brno Využití srážkových vod k napájení drobných vodních nádrží Využití srážkových vod infiltrací ke zvyšování zásob podzemní vody Malá vodní nádrž s břehovou infiltrací Malá akumulační nádrž napájená srážkovými vodami Suchá infiltrační nádrž (průleh) h výška vodního sloupce (0,2 až 0,4m), d hloubka uložení zdánlivě nepropustného podloží P ř í k a d Vsakovací podzemní potrubí a vsakovací studny a) Vsakovací perforované podzemní potrubí b) Vsakovací studny Malé vodní nádrže s retencí a infiltračním pásem a umělý mokřad na dočištění a evapotranspiraci srážkových vod Malá vodní nádrž se stálým a retenčním prostorem a s napojením na filtrační zónu Uspořádání vsakovacího potrubí s předřazenou usazovací nádrží s vertikálním prouděním Vsakovací studna h-hloubka akumulačního prostoru, 1- přívod srážkové vody, 2- studna, 3-štěrkový podsyp Řízený umělý mokřad 1-přívod srážkových vod,2-šachtice, 3- rozdělovací žlábek, 4-rozdělovací potrubí, 5-jímka, 6-těsnění,7- filtrační materiál, 8-vegetace, 9- odběrné potrubí, 10-dlužový přeliv, 11-šachtice, 12-lávka, 13- odpad, 14-šachtové přelivy, 15- kamenná patka s obráceným filtrem 3
Metody a způsoby zajištění vsaku do půdy úpravou povrchové vrstvy U chodníků, domovních dvorků, odstavných ploch a příjezdových cest se docílí vsaku srážkových vod použitím: a) drnového zpevnění kvalitním udržovaným trávníkem; b) štěrkového zpevnění, případně kombinaci se zatravněním; c) zpevněním pouze pojízdných pásů, okolí zůstává zatravněné; d) dlažbou z vegetačních tvárnic; e) dřevěnou dlažbou a dřevěnými rošty; f) porézní dlažbou, kombinací se zatravněnými mezerami; Nezbytnou podmínkou je propustné podloží, do potřebné hloubky zakleslá hladina podzemní vody a dostatečně velký prostor na infiltrující vodu. Zvýšená hladina podzemní vody infiltrující srážkovou vodou nesmí negativně ovlivňovat okolní objekty, ani způsobovat jakékoliv formy podmáčení. Odvodnění chodníků zpevněných dvorků a místních komunikací v okolí domu Vsakovací drény pod chodníkem Vsakovací perforované potrubí Vsakovací průlehy Přímý však do propustného půdního prostředí s dostatečně zakleslou hladinou podzemní vody Šedé odpadní vody Šedé odpadní vody tvoří odpadní voda z umývání, sprchování, koupání, praní prádla. Čištění a úprava šedých vod se navrhuje dvou až třístupňově,vyčištěné a upravené odpadní vody se využívají k splachování WC a čištění chodníků a domovních komunikací, hygienizují se UV-zářením Využití čištěných (upravených) šedých vod Čištěné (upravené) šedé vody se akumulují v samostatné akumulační nádrži a využívají se k těmto účelům: a) Splachování WC b) Čištění znečištěných ploch, zejména chodeb, chodníků, dvorků aj. c) Po chemické úpravě a hygienizaci jsou použitelné i na praní Existují metody a způsoby čištění, které dokáží upravit šedé vody na kvalitu odpovídající užitkové vody, tyto metody využívají mimo jiné membránové technologie a jsou doposud velmi nákladné. Potřebné čištění odpadních vod drobných, individuálně stojících decentralizovaných staveb a zařízení před dalším využitím Potřebné čištění odpadních vod před dalším využitím spočívá v zachycení hrubších a jemných suspendovaných látek, tuků a olejů,organického znečištění, tenzidů aj. znečištění.k tomuto účelu se nejmenších a malých zařízení používají: a) Biologické septiky v kombinaci s přírodními způsoby čištění (vegetační kořenové čistírny, půdní filtry, biologické nádrže, bioreaktory, nádrže s akvakulturami aj.) b) Mechanické stupně čištění (jemné česle, lapák tuku (písku), usazovací nádrže s min. 2 hodinovým zdržením c) Umělé (strojní) mechanicko-biologické čistírny ( aktivační, diskové, mikrofiltrace aj.) Podrobnější popis je předmětem samostatného referátu. Čištění odpadních vod v biologickém septiku 1-přívod odpadní vody, 2-norná stěna a sítový koš,3-odkalovací potrubí, 4- nádržní prostor, 5kalový prostor, 6-přepážky zabraňující úniku kalu, 7-výtok 4
Recirkulace vody v rámci vodního hospodářství decentralizovaného zařízení Prvořadým úkolem je maximální možná recirkulace vody v rámci decentralizovaného zařízení, která spočívá v těchto opatřeních: ve zpracování podrobného plánu vodního hospodářství objektu; v hledání možností opětovného využití vody v rámci řešeného objektu; ve výrazném snížení množství odpadních vod, pro které není okamžité využití. Infiltrace čištěných odpadních vod Novela zákona č. 254/2001 Sb. č.150/2010/sb.v příznivých podmínkách hydrogeologických připouští, na základě posouzení jejich vlivu na životní prostředí, vypouštění čištěných vod do půdního prostředí, prováděcí vyhláška se připravuje. Infiltrační zařízení musí se nacházet mimo ochranná pásma vodních zdrojů, odpadní vody nesmí obsahovat nebezpečné, závadné látky, nezbytný je podrobný hydrogeologický průzkum, který určí realizovatelnost zařízení. Uspořádání jednoduchého infiltračního zařízení Těsněný půdní filtr s následným využitím čištěné odpadní vody 1-přívod čištěné odpadní vody 2-regulační šachtice 3-infiltrační potrubí s obsypem 4-regulační šachtové přelivy 5-větrací komínky 6-filtrační materiál 7-travnatý povrch půdního filtru 1-rozdělovací šachtice, 2 a 7-větrací komínek, 3-půdní filtr s vegetací a bez vegetace, 4-filtrační prostředí, 5-rozdělovací potrubí, 6-odběrné potrubí, 8-revizní šachtice Propojení dvou biologických nádrží (BN) a kombinace kořenové čistírny s biologickou nádrží Uspořádání malé kořenové čistírny s vegetací a bez vegetace, kombinovaná kořenová čistírna s dočisťovacími nádržemi u rekreačního objektu Foto: RNDr.Z.Žáková,CSc 1-ochranná geotextilie, 2-těsnicí fólie, 3,4-vícevrstvý filtrační materiál z vhodného kameniva, 5-vegetace, 6-hrázka, R1 a R2 aerobní biologické nádrže 1-přívod odpadní vody, 2-biologický septik, 3- vtok do VKČ, 4-filtrační prostředí s vegetací, 5-výstupní obrácený filtr, 6-aerobní dočišťovací BN,7-výtok z BN, 8-revizní a recirkulační šachtice, 9- odpad Vegetační kořenová čistírna Dočišťovací malá vodní nádrž rybníček 5
Příklad uspořádání malé dočišťovací biologické nádrže Provzdušovací kaskáda s přečerpáním Dočišťovací biologická nádrž s provzdušovací kaskádou Využití čištěných odpadních vod závlahou plodin Při závlaze odpadními vodami se využívá vodní a hnojivá hodnota čištěných odpadních vod při jejich současném dočištění. K závlaze se využívají výlučně čištěné odpadní vody, u malých decentralizovaných staveb jsou to biologické septiky, malé umělé (strojní) a přírodní čistírny. Při závlaze je třeba dodržet hygienické směrnice, ochranné (karenční) lhůty a ochranné vzdálenosti. V případě potřeby se čištěné odpadní voda hygienizují UVzářením. Zavlažují se především travnaté porosty, rychlerostoucí dřeviny, větrolamy aj. Odpadní vody se využívají k závlaze především ve vegetačním období, výjimečně v předvegetačním. Výpočet potřeby závlahové vody Uspořádání závlah odpadními vodami Potřeba vody M V ve vegetačním období M V = k z ( V c.r 1 α.s v.r 2 W z.r 3 W k ) kde k Z je ztrátový součinitel, V C - vláhová potřeba rostlin, α-součinitel využitelnosti dešťových srážek za vegetační období S V, W Z - zásoba vody v půdě na počátku vegetačního období, W K - využitelné množství vzlínající podzemní vody, r 1,r 2,r 3 - redukční součinitelé Potřeba vody M MV pro mimovegetační závlahy M MV = 100 k MV [(Θ PK Θ M )h MV - 10 α MV H SMV + Z ] kde k MV je ztrátový součinitel v mimovegetačním období, Θ PK - polní vodní kapacita půdy, Θ MV - vlhkost půdy, h MV - hloubka navlažení v mimovegetačním období, α MV -součinitel využitelnosti srážek v mimovegetačním období, H SMV - množství srážek za mimovegetační období, Z - ztráty vody Podrobnosti uvádí ČSN 75 0424 Potřeba vody pro doplňkovou závlahu a publikace citované v závěru Odběr vody pro závlahu čištěnými odpadními vodami probíhá buď ve vegetačním období, nebo celoročně. Nezbytnou součástí závlahových zařízení je vyrovnávací, nebo akumulační nádrž. Vyrovnávací nádrž slouží ke krátkodobému vyrovnání ve vegetačním období. Akumulační nádrž se navrhuje při využívání závlah v rámci celoročního bezodtokého uspořádání. Potřeba vody pro závlahy se počítá pro směrodatně vlhký rok, obvykle s 80 % zajištěním. K čerpání vody se používají malé čerpací odstředivé agregáty, nejčastěji s elektromotorickým pohonem. Rozvod vody se řeší podpovrchovým přívodním, rozvodným a rozdělovacím potrubím. Zavlažuje se všemi závlahovými způsoby, postřik, podpovrchová závlaha, mikrozávlahy, výtopa, podmok aj. Čištění ve vegetační kořenové čistírně a dočištění závlahou a čištění v biologické nádrži a dočištění závlahou Uspořádání podpovrchové závlahy OV-odpadní vody SV-srážkové vody A-akumulace Č A čerpací agregát, Š1,Š2,Š3 regulační uzávěry 6
Detailní uspořádání podpovrchové závlahy čištěnými odpadními vodami L rozchod rozdělovacího perforovaného potrubí, h hloubka uložení rozdělovacího potrubí, H hloubka zdánlivě nepropustného podloží Mikrozávlahy čištěnými odpadními vodami 1-přívodní potrubí, 2-rozvodné potrubí,3-rozdělovací potrubí, 4- zavlažovací potrubí s kapkovači a) Závlaha odpadními vodami, vytváření zóny kapilárně zavěšené vody b) Závlaha odpadními vodami nad zdánlivě nepropustným podložím Zavlažovaná plocha Závlaha dřevin čištěnými odpadními vodami 1-rotační bubnové síto,2-sací jímka s čerpadlem, 3-odpadní potrubí, 4-recirkulační potrubí, 5-rozvodné potrubí, 6-rozdělovací potrubí, 7-zavlažovací brázdy Bezodtoké soustavy Řada malých ČOV drobných decentralizovaných staveb, které nemají možnost přímého zaústění čištěných odpadních vod do recipientu hledá možnost jak ekologicky a ekonomicky naložit s těmito vodami. Jednou z možností je bezodpadové využívání čištěných odpadních vod, resp. jejich převod evaporací, nebo evapotranspirací do ovzduší, zcela výjimečně, u nejmenších producentů jejich infiltrace do podzemních vod. Využití biologických nádrží a řízených mokřadů k evaporaci čištěných odpadních vod Evaporační biologické nádrže plnící funkci dočišťovací a evaporační V podstatě se jedná o tři použitelné způsoby: a) Evaporace čištěné odpadní vody z hladiny plochých mělkých biologických, okrasných, dočišťovacích nádrží. b) Evapotranspirace čištěné odpadní vody v řízených mokřadech s makrofyty. c) Kombinace výše uvedených dvou metod, kterými jsou mělké nádrže a mokřady. Problematika se řeší ve dvou alternativách: a) Bezodtoká uspořádání, určená pro rekreační zařízení provozovaná ve vegetačním období. b) Bezodtoká zařízení při celoročním provozu a produkci čištěných odpadních vod. Evaporační nádrže jsou určené k převedení čištěných odpadních vod výparem do ovzduší Zajišťují současně dočištění čištěných odpadních vod Jsou použitelné v teplých oblastech ČR s vysokým výparem a nízkými srážkami Jejich využití je především pro zařízení využívaná v létě Orientační stanovení průměrného denního výparu z vodní hladiny 7
Evapotranspirace z umělých řízených mokřadů Bilanční rovnice W PP +W PoP +S R -W ET -W Z =0 W PP - povrchový přítok W PoP podpovrchový přítok S R srážky snížené o intercepci W ET evapotranspirace W Z voda v pórech W PO, W PoP, W INF jsou nulové Odtoky z těsněného mokřadu Kombinace s malou vodní nádrží s mokřadní a vodní vegetací Sdružené soustavy tvoří: a) Kombinace nádrží s mokřadní vegetací b) Využití litorální zóny s mokřadní vegetací c) Spojení nádrže s mokřadem d) Kombinace akumulační nádrže s řízeným mokřadem Podmínky pro využití kalů na zemědělské půdě - vyhláška MŽP č.382/2001sb. Zapravení do půdy během 48 hodin Aplikace na pozemky, kde je doložená potřeba dodání živin Maximální roční množství 5 (10) t na 1 ha v průběhu 3 (5) let Limitovaná dodávka N do 70% potřeby rostlin Minimální obsah sušiny 5% (radlicové aplikátory), 18 % (rozmetadla) Limitní koncentrace vybraných prvků v půdách a kalech Dodržení mikrobiologických kritérií Odvodnění a zpracování kalu v kalových polích (lagunách) mokřadními rostlinami Přednosti daného řešení: - Vysoká transpirace mokřadních rostlin - Vysoký odvodňovací účinek - Využívání vodní a hnojivé hodnoty kalů - Tvorba mohutné biomasy - Jednoduché konstrukční řešení - Nenáročný provoz kalových polí s vegetací - Výsledkem je kvalitní kompost Graf závislosti evapotranspirace na teplotě (Měření Ing.Jiří Šálek,PhD) Přírodní způsoby odvodnění kalů Evapotranspirace (m m) 45 40 35 30 25 20 15 10 Hodnota evapotranspirace v závislosti na teplotě Evapotranspirace M-3 orobinec-kovová nádrž 2004 Lineární (Evapotranspirace M-3 orobinec-kovová nádrž 2004) y = 2,0478x - 13,076 R 2 = 0,7241 Schéma uspořádání kalového hospodářství s mokřadními rostlinami pro rodinné domy 5 0 0 5 10 15 20 25 30 Průměrná denní teplota ( C) KČA kalový čerpací agregát 8
Schéma uspořádání kalových polí s mokřadními rostlinami A-počátek plnění B-konečná fáze plnění Uspořádání kalových polí s mobilním plastovým průhledným krytem (A) a bez (B) 1-kryt (fóliovník), 2-mokřadní vegetace,3-substrát,4-obrácený filtr,5-drén Návrhové parametry kalových nádrží Návrhové parametry: Potřebná plocha 0,30 až 0,60m 2 na 1 EO Počet kalových polí 6 až 10, minimálně 4 Hloubka kalových polí 1,00 až 1,4 m Těsnící fólie PE-HD 1,5 až 2 mm Přívod tekutého kalu potrubím Odvodňovací drenáž DN 100mm s filtračním obsypem Kompostování domovního bioodpadu Kompostování je aerobní termofilní biologický proces, jehož úkolem je rozložit biodegradabilní látky ve vybraných odpadech a převést je na stabilní humusové sloučeniny využitelné na zúrodnění půd. Termofilní režim vytváří dostatečně vysoké teploty nezbytné k zneškodnění plevelů a patogenních mikroorganizmů. Kompostováním se na jedné straně neškodně odstraní množství biologického odpadu a na druhé straně se vyrobí plnohodnotné hnojivo, kterým je možné částečně vyrovnávat negativní bilanci v organických hnojivech. Suroviny pro tvorbu kompostů Pro výrobu domovních kompostů se využijí: organický bioodpad, kterého produkuje každý obyvatel v průměru104 kg za rok; tekutý kal z domovních septiků, resp. odvodněný kal s rozloženými zbytky mokřadní vegetace; organický odpad (kůra, dřevní štěpky, tráva aj.); jiný vhodný kompostovatelný materiál neobsahující podle ČSN 46 5735 nadlimitní množství škodlivých látek Průběh aerobního kompostování Tři fáze zrání kompostů: Mezofilní fáze, při níž dochází k rozvoji mikroorganizmů a zvýšení teploty na 25 až 45 C při současném rozkladu jednoduchých organických látek Termofilní fáze, teplota t se termofilními i bakteriemi i zvyšuje na 45 až 70 C, dochází k rozkladu celulózy, ligninu a tvorbě humusu Třetí fází tvoří dozrávání kompostů, stabilizace humusových látek. Kompost je bez zápachu, hygienizovaný, plně využitelný jako hodnotné organické hnojivo 9
Závěr Řešení problematiky komplexního řešení vodního hospodářství obytných domů, rekreačních objektů a malých provozů v lese vyvolaly potřeby praxe. Předností tohoto řešení je možnost snadné kontroly, ekologický charakter zařízení, využití vodní hodnoty všech druhů vod, ochrana recipientů před eutrofizací, úspory na nákladných odpadech aj. objektech. Podrobnosti uvádějí: Šálek,J.,Tlapák,V. Přírodní způsoby čištění znečištěných povrchových a odpadních vod. ČKAIT Praha. 2006, 283.s. Šálek-Žáková-Hrnčíř Přírodní čištění a využívání vody Brno: ERA, 2008, 115 s. Publikace zaměřené na problematiku přírodních způsobů čištění a využívání vody a) Informační centrum ČKAIT Sokolská 15, 120 00 Praha b) Knihkupectví s odbornou literaturou 10