Kořenové čistírny druhé generace

Abstrakt

Náplní příspěvku je představení možností intenzifikace novostaveb a revitalizace starších KČOV. Veškeré nové objekty, nebo úpravy starších objektů vznikaly na základě provedených výzkumů, provozních zkušeností za 20let provozu v podmínkách ČR a požadavků vodoprávních orgánů. 

Úvod

Téměř veškeré starší kořenové čistírny odpadních vod (KČOV), jsou v ČR navrhovány s horizontálně podpovrchově protékanými kořenovými filtry, z nichž část má pouze jedno kořenové pole. V počátcích navrhování KČOV v ČR měly největší váhu odhady, zkušenosti z klasických čistírenských technologií, KCOV v cizině a pokusy. Tyto zkušenosti a poznatky z minulých desetiletí nám v dnešní době otevírají cestu k hlubšímu pochopení funkce KČOV a ověření tehdy předpokládaného průběhu čistících procesů v umělých mokřadech. Tento příspěvek obsahuje úpravy KČOV, které pomáhají řešit vzniklé nedostatky dříve navrhovaných systémů KČOV. Úpravy se týkají jak zdokonalení účinnosti stávajících objektů v systému, tak i navrhování prvků nových, začleněných do konceptu KČOV “DRUHÉ GENERACE“. Dále jsme vypracovali možné technologické postupy a jejich ekonomické charakteristiky pro předpokládané stavební úpravy, které by mohla obsahovat částečná nebo generální rekonstrukce starších a budoucích KČOV.

Minimalizace kolmatace kořenových polí

Mnohé KČOV starší než 10 let mají již zakolmatovanou vtokovou část kořenových filtrů v řádech několika metrů. Z funkčního pohledu nejde ovšem o problém, který by výrazně snižoval čistící účinnost jako takovou, protože naopak na povrchu zakolmatované části dojde k prokysličení přetékající odpadní vody, která se po několika metrech opět zaklesne pod povrch kořenového filtru a dojde teoreticky (není měřením prokázané) k drobné intenzifikaci čistícího procesu ve vegetačním období a k drobnému úbytku účinnosti vlivem ochlazení OV v zimníMim období. Zakolmatováním však dojde k vedlejším nepříznivým vlivům, kterým se snažíme při návrhu KČOV vyhnout a to k intenzivnějšímu zápachu a množení mokřadního hmyzu. Nepřijatelný rozsah kolmatace je nutné řešit, jakmile trvale klesne hodnota účinnosti čištění KČOV. Příčiny zakolmatování vtokové části se dají vyhodnotit jako dvě zásadní. První příčinou může být poddimenzované mechanické předčištění (malé odlehčení dešťových vod, malá kapacita usazovacích objektů - lapáku písku, štěrbinové nádrže, biologického septiku). Druhou příčinou může být přílišné zatížení vtokové části a navržené malé frakce kameniva v nátokové zóně prvního kořenového filtru.

Zvýšení účinnosti odlehčovacích komor

Většina KČOV postavených na jednotných kanalizacích má pro odlehčení dešťových průtoků navrženou pouze odlehčovací komoru. Pokud není odlehčovací komora vyrobena se zvláštní úpravou, odlehčí dešťový průtok na cca 20 - 40 l/s, což v porovnání s Qhmax = cca 1-4 l/s u malých obcí (odpovídá cca 100-500 EO), není stále snadno uchopitelné pro funkční objekty mechanického předčištění (lapák písku a doba zdržení v usazovacím objektu). Proto v případech, kde můžeme přelivnou hranu odlehčovací komory umístit alespoň s 0,5m převýšením oproti nátoku do dalšího objektu a současně můžeme ztratit dalších cca 15-20 cm spádové výšky, je možné navrhnout vírový regulátor, který je schopen díky svým hydraulickým vlastnostem odlehčené průtoky dále zregulovat na cca 10 l/s. Odhad ceny pořizovacích nákladů na objekt vírového regulátoru je cca 250 000Kč.

 

Úpravy štěrbinových nádrží

Návrhy a úpravy mechanického předčištění, by měly alespoň oddálit kolmataci kořenových filtrů. V případě poddimenzovaného usazovacího objektu (štěrbinové nádrže, dále jen ŠN) je možné rozšířit ŠN o další objekt s potřebným objemem usazovacího a kalového prostoru. Případně pouze doplnit průtočné žlaby o norné stěny a filtrační síta.

Dále je vhodné štěrbinovou nádrž doplnit o lapák tuků, ropných látek a olejů. Nerozpuštěné plovoucí látky lze fixovat hydrofobním textilním sorbentem, který bude umístěn před nornou stěnou z PP desky (polypropylenu), do hloubky 10cm. Fixace již rozpuštěných látek bude provedena pomocí speciálního textilního sorbentu z PP, který bude uložen do rašlových pytlů. Z těchto pytlů je vytvořena norná stěna do hloubky cca 30cm pod hladinu. Po vyčerpání sorpční kapacity sorbentu jsou tkaniny vyměněny za nové, použité jsou skladovány v nepropustných nádobách a poté spalovány, nebo uloženy na biodegradačních polích. Vyčerpaná sorpční kapacita je zřetelná při pohledu na sorbenty. Cena této úpravy činí cca 25 000Kč.

Úpravy a návrhy složení frakcí v kořenových filtrech

Jednou z mála věcí, které můžeme v přírodním čistícím procesu ovlivnit, je složení frakcí náplně v kořenovém filtru. Složení filtrační náplně může významně ovlivnit dobu její kolmatace, účinnost čištění, obnovení přirozené průtočnosti při částečné kolmataci vtokové části, nebo při vzniku zkratových proudů. Pro oddálení kolmatace nátokové části KF je vhodné za rozdělovací zónu (fr.64-128mm) umístit zónu přechodovou (fr.32-64mm), která zvýší akumulační kalový prostor v nejvíce zatížené části KF. Pro obnovení průtoku v celém objemu KF je možné vybudování infiltračních pásů, které lze umístit několik metrů za přechodnou zónu, nebo do poloviny KF v případě podélné délky menší než 20m. Pro efektivnější využití čistícího procesu je u KF, jejichž podélná délka je větší než 20m, možné rozdělení rozdělovací zóny do nátokové části KF a do poloviny KF. Tato úprava vychází z provedeného výzkumu účinnosti odstraňování BSK5 v závislosti na délce filtrační dráhy, kdy nejefektivnější účinnost odstraňování BSK5 probíhá do délky cca 8m. Dále tato úprava řeší
možnost dodržet délku nátokové hrany pro úzké stavební parcely. Současně také obnoví požadovanou průtočnost v případě vzniku zkratových proudů.

Odstraňování amoniaku

Vertikální kořenový filtr s impulsním plněním

Jedná se o nutný objekt pro KČOV nad 500EO, který lze zrealizovat s gravitačním průtokem při převýšení terénu min. 3m. V jiných případech je nutné zapojit solární čerpadla. Jde o vertikální kořenový filtr s impulsním plněním. Výzkumy ukázaly, že při impulsním plnění se nasaje do pískového lože O2 a přiVer pozvolném prázdnění dochází k nitrifikaci na filtrační náplni. V následném horizontálním kořenovém filtru bude docházet k denitrifikaci. Vertikální filtr může být rozdělen samostatné části z důvodů jejich průběžné regenerace. Pořizovací náklady VKF jsou cca 2600 Kč/m2.

Objekt se zeolitovou (Klinoptilovou) náplní

Využití vlastností klinoptilotitu, které spočívají v iontovýměnné adsorpci N-NH4 s téměř 100% účinností a možnosti regenerace náplně pomocí roztoků NaCl o koncentraci cca 20g/l či NaOH o koncentraci podstatně vyšší, je velmi lákavé, ale nevýhody tohoto procesu nejsou bohužel zanedbatelné. Dle laboratorních výzkumů, které nebyly zatím ověřeny na poloprovozním zařízení, je adsorpční schopnost klinoptilotitové náplně velmi dobrá, ale její sorpční kapacita již tak dobrá není.  Klinoptilotitová náplň o objemu 1m3 upraví cca 150m3 odpadní vody na odtokovou koncentraci N-NH4 15mg/l z odpadní vody odtékající z KČOV o koncentraci N-NH4 30mg/l. Pro 100EO vydrží náplň o objemu 1m3 na dobu cca 7dní. Po naplnění sorpční kapacity je nutné náplň o objemu 1m3 regenerovat a to prací vodou o objemu 11m3 s alkalickým roztokem NaCl o koncentraci 20kg NaCl / m3 prací vody. Při regeneraci pomocí NaOH může dojít ke značnému úbytku objemu náplně (až 30%) z důvodů rozpuštění vlivem silného roztoku NaOH. Amoniak se z regeneračního roztoku odstraní aerací v zásaditém prostředí v podobě NH3, což je provázeno silným zápachem a bude případně nutné systém doplnit o vhodný pachový filtr. Spotřeba materiálu pro provozování, vysoké nároky na obsluhu a velká produkce nevhodného odpadu činí tento objekt zatím nevhodným pro praktické využití.

Odstraňování fosforu

Objekty se struskovou náplní

Využití struskových náplní v KČOV je možné při zvážení několika faktorů, které smysluplné využití podmiňují. Po zvolení dodavatele strusky je nutné udělat rozbor vybrané struskové náplně. Zvolená struska nesmí obsahovat nebezpečné koncentrace látek, které by se uvolňovaly do odpadní vody, musí být vhodná pro uložení do zeminy, protože po naplnění sorpční kapacity, nebo při revitalizaci KF je nutné se struskou ekonomicky naložit. Ze všech druhů strusek se jeví jako vhodná struska z metalurgické výroby železných kovů, která je využívána jako zásypový materiál. Zdržení uložení této strusky do zásypu o cca 1-3 roky a naplnění její sorpční kapacity fosforem se jeví jako ekologicky velmi přijatelné řešení. Struska bývá levnější (vliv dopravy) než štěrkové náplně a proto je za výše uvedených podmínek možné její využití jako filtrační náplně, která po dobu vyčerpání sorpční kapacity adsorbuje velký podíl fosforu. Po vyčerpání sorpční kapacity může plnit funkci pevného nosiče jako štěrková náplň. Strusku doporučujeme umístit pod nejnižší provozní hladinu v KF (cca 600mm) s ohledem na snížení negativního vlivu působení mrazu. Pro kontinuální odstraňování fosforu je možné strusku umístit například do sběrné zóny KF a pravidelně obměňovat, nebo vytvořit samostatný objekt za KF, který bude upraven na pravidelnou výměnu struskové náplně po naplnění její sorpční kapacity. Doporučujeme navrhnout tento objekt na cyklus výměny 1-3 roky. V současné době probíhá výzkum, ze kterého by mohly vzejít orientační návrhové parametry pro navrhování struskových objektů.

Chemické srážení fosforu

Další možností odstraňování fosforu, které lze realizovat téměř v každém případě, je srážení fosforu pomocí vhodného srážedla pro konkrétní situaci a koncentrace P v přečištěné odpadní vodě na odtoku z KČOV. Srážení může být realizováno v samostatné nádrži, odkud bude přebytečný kal likvidován dle konkrétní potřeby a možností.

Využití fosforu

Další možností odstraňování fosforu je jeho využití pro řízené pěstování biomasy řas, které z důvodu celoročního provozu musí být umístěné do solárního skleníku nebo jiného uzavřeného a částečně vytápěného objektu. Biomasa se musí pravidelně sklízet, ale předpokládá se její využití z pohledu nutričního zdroje cenných látek.

Revitalizace KČOV

V současné době připravujeme podrobnější článek o možnostech revitalizací stávajících KČOV. Revitalizace KČOV může zahrnovat úpravy dešťového odlehčení, mechanického předčištění, rozdělení odpadních vod do KF s úpravou složení filtrační náplně a další drobné úpravy dle specifických požadavků. V této části je vpracováno technologické a ekonomické vyhodnocení úprav nevyhovujících náplní kořenových filtrů. Před realizací úpravy je potřeba vyhodnotit rozsah případné kolmatace a určit velikost části filtrační náplně nutné k výměně. Předpokládá se maximální rozsah významnější kolmatace do ½ KF. V případě odstranění pouze zakolmatované části s povrchovým průtokem by se jednalo o části do cca 6m od vtoku.

Výměna šterkové náplně

Je uvažováno kompletní odstranění potřebné plochy kolmatované části KF a nahrazení novým praným kamenivem stejných nebo upravených frakcí. Přípravou pro stavební práce je odebrání a vyhodnocení směsného vzorku těženého kameniva pro určení druhu odpadu. Obsahem stavebních prací je vypuštění KF, odstranění stávajícího porostu mokřadních rostlin, vytěžení stávajícího kameniva s ponecháním vrstvy cca 100mm a odvezení na příslušnou skládku ( lze uložit na mezideponii pro pozdější využití na zpevnění komunikací apod.), doprava a uložení nového kameniva, napuštění KF a provedení nového osázení KF. Cena stavebních prací, která je stanovena položkovým rozpočtem s uložením materiálu na skládku do 10km, činí 2400Kč/m2 filtrační náplně.

Výhody
- zaručená kvalita nové filtrační náplně
- velmi rychlé provedení
- vhodné technologicky pro většinu KČOV

Nevýhody
- vyšší náklady v případě nevhodného úložiště staré náplně

Vymrznutí štěrkové náplně

Je uvažováno vyjmutí potřebné plochy kolmatované části KF, uložení přes zimní období na odvodněnou plochu, ruční propláchnutí kameniva po zimním období a zpětné uložení do KF. Obsahem stavebních prací je vypuštění KF, odstranění stávajícího porostu mokřadních rostlin, upravení a zpevnění úložné plochy, položení 50mm vrstvy písku vysvahované do štěrbinové nádrže, položení hydroizolační fólie o tl.1,5mm, uložení vytěženého kameniva ve vrstvě max. 300mm na geotextílii, ruční opláchnutí uloženého kameniva tlakovou vodou po zimním období, uložení náplně do KF, napuštění KF a provedení nového osázení KF, odstranění nebo uložení hydroizolační vrstvy. Cena stavebních prací, která je stanovena položkovým rozpočtem pro provedení stavební firmou, činí 2500Kč/m2 filtrační náplně.

Výhody
- lze provést zcela svépomocí

Nevýhody
- potřeba velké upravené plochy pro uložení kameniva
- dlouhá doba celého procesu
- nevhodné pro KČOV s jedním kořenovým polem

Praní štěrkové náplně

Je uvažováno vyprání potřebné plochy kolmatované části KF. Přípravou pro stavební práce je vyhodnocení vhodného zdroje pro prací vodu (vodní tok, přečištěná voda, cisterna). Prací vodu je vhodné v procesu používat opakovaně v uzavřeném cyklu. Obsahem stavebních prací je vypuštění KF, odstranění stávajícího porostu mokřadních rostlin, doprava a instalace pračky kameniva, vytěžení stávajícího kameniva s ponecháním vrstvy cca 100mm, uložení na mezideponii, pro následný prací proces, praní kameniva a uložení vypraného kameniva na mezideponii, uložení vypraného kameniva do KF, napuštění KF a provedení nového osázení KF.

Cena stavebních prací, která je stanovena položkovým rozpočtem pro provedení stavební firmou, činí 1200Kč/m2 filtrační náplně.

Výhody
- velmi rychlé provedení
- cenově nejdostupnější

Nevýhody
- nelze svépomocí
- doprava a pronajmutí pračky kameniva

Závěr

Obecně je projektování KČOV o něco obtížnější než využití současných možností v nabízených typových technologiích, ale odměnou za to je pokaždé originální a přirozené vodní dílo, které šetří energii, peníze producentům odpadních vod a životní prostředí při realizaci stavby i jejím provozování.

Poděkování

Děkujeme všem, kteří se u nás snaží tento přírodní způsob čištění jakýmkoliv způsobem podporovat. Převážně děkujeme prof. Janu Šálkovi, Doc. Janu Vymazalovi a Ing. Petru Pelikánovi za mnohé konzultace, které nám pomohli k rychlejší orientaci v této problematice.