Kořenové čistírny. rekapitulace a budoucnost v České republice.

Kořenové čistírny odpadních vod jako alternativní čistírenská technologie, založená na přirozeném a pomalém čištění odpadních vod, se v rámci téměř celé České republiky setkávají s častými problémy, doprovázenými často nedostatečnou čistící účinností. Výzkumné práce v posledním pětiletí rozklíčovaly nejčastější problémy v oblasti kořenových čistíren. Výsledkem jsou nové přístupy, nová řešení a uspořádání. Čistící účinnost je srovnatelná s jinými technologickými zařízeními: v Rakousku dosahují na odtoku z kořenové čistírny koncentrace CHSKCr < 40 mg/l, BSK5 < 2 mg/l, NL < 2 mg/l, N-NH4+ < 0,1 mg/l. Nejmodernější kořenová ČOV v České republice dosahuje CHSKCr < 20 mg/l, BSK5 < 7 mg/l, NL < 6 mg/l (amoniakální dusík se v současné době pozvolna zlepšuje, cílem jsou rakouské hodnoty). Nové výsledky z výzkumu v oblasti septiků ukazují také výrazně vyšší účinnosti ve srovnání se štěrbinovými usazovacími nádržemi. Nejnovější výsledky dosahují u septiku účinnost CHSKCr = 78 %, BSK5 = 75 %, NL = 94 %. Nový směr, jak navrhovat moderní kořenové čistírny, je jasný – spojit všechny výsledky, technologie a ověřená řešení v jeden celek. Navrhnout kořenovou čistírnu, která odstraní nejen dosud uváděné CHSKCr, BSK5 a NL, ale také N-NH4+, Ncelk a Pcelk tak, aby byla konkurenceschopným řešením.

Úvod

Od roku 1989, kdy se v České republice začaly projektovat a realizovat první kořenové čistírny, se začal vyvíjet i pohled na tento alternativní způsob čištění odpadních vod. Nepříznivou roli ve formování odborných názorů hrál fakt, že řada čistíren je od prvopočátku špatně navržena, případně nevhodně provozována. Stejně jako v jiných oblastech, i v případě špatně fungující kořenové čistírny se negativní informace šíří podstatně rychleji než pozitivní, což k popularitě kořenových čistíren příliš nepřispívá. Pravdou ovšem zůstává, že zejména na Moravě je perfektně fungujících kořenových čistíren stále velice poskrovnu.

Kořenové čistírny byly a jsou dodnes považovány za „špatně navržené“ nebo „špatně fungující“, především proto, že neodstraňují amoniakální dusík (N-NH4+). Drtivá většina stávajících kořenových čistíren v České republice nebyla nikdy navržena za účelem odstraňování N-NH4+. I samotný návrh dimenzí horizontálního filtru vychází pouze ze znečištění BSK5, naopak N-NH4+ není při návrhu zohledňován. Nepochopeným faktem je, že po kořenové čistírně do 500 EO dle NV 61/2003 Sb. by v podstatě nikdo neměl požadovat odstraňování N-NH4+. Resp. investor musí počítat s tím, že N-NH4+ nebude jeho čistírna odstraňovat. Nelze tedy technologii odsuzovat za něco, co neměla v „popisu práce“. Pakliže vzniká požadavek na odstraňování N-NH4+ (ze strany investora, správce toku, životního prostředí aj.), je potřeba řešit projektovou dokumentaci jinak, než jen jednoduchým systémem štěrbinová usazovací nádrž + horizontální kořenový filtr.

Obr. 1. Schéma horizontálního kořenového filtru – přítokové potrubí v levé části na povrchu (letní) a dole (zimní), voda protéká převážně v horizontálním směru k odtokovému potrubí (vpravo dole)

Obr. 2. Schéma vertikálního kořenového filtru – přítokové potrubí rozložené na povrchu (šedá barva), sběrná drenáž ve spodní části (oranžová), voda protéká převážně ve vertikálním směru

Ovšem pro dobrou inspiraci při řešení problémů není nutné chodit příliš daleko. Vzorem nám může být Rakousko, kde se na kořenové čistírny nedívají skrze prsty. Právě naopak, v Rakousku jsou kořenové čistírny plnohodnotným technickým řešením, které dokáže bez problémů konkurovat jiným typům čistíren odpadních vod. Nutno ale podotknout, že přístup ke kořenovým čistírnám je zde odlišný již od samotné projekce – používají jiná uspořádání kořenových polí, jiné technologické detaily řešení, jiné filtrační materiály apod. Proto je v poslední době našim cílem zajistit nápravu reputace v České republice inspirací v  zahraničí a doplnit ji výzkumnými výsledky a patenty. Cílem budoucích realizací kořenových čistíren by mělo být vždy hledání optimálního řešení, poučení se z předchozích chyb a každé nové řešení realizovat lépe a kvalitněji.

Obr. 3. Známé projevy kolmatace – privilegované povrchové toky (vlevo) a ucpaný filtrační materiál (vpravo)

Obr. 4. Regenerovaný materiál – projev mineralizace při pulzním vypouštění filtru (vlevo) a úplné vypláchnutí sedimentu po ročním rozprostření do tenké vrstvy (vpravo), vystaveno působení srážek

Názory na KČOV

Odborná veřejnost se za posledních 20 let zformovala do dvou názorových skupin, které se v pohledu na kořenové čistírny (dále jen KČOV) zásadně rozchází. Za vším nejspíše stojí velice jednoduchá technická řešení, která vykazují nízkou čistící účinnost v odstraňování amoniakálního dusíku ve srovnání s čistírnami založenými na aktivačním procesu. První zmínky o účinnostech KČOV uváděl již v roce 1994 prof. Vymazal [18], z pozorování 28 kořenových čistíren v České republice vyplývala účinnost odstranění N-NH4+ = 31,3 %. V praxi při konfrontaci daného zařízení potom dochází k častým a nepříjemným výměnám názorů. Nutno přiznat, že obě strany mají částečně pravdu. Ti, kteří odmítají povolovat realizace nových kořenových čistíren, vychází především z reálných výsledků, které jsou kořenové čistírny schopny dosahovat (ukázka fungujícího, ale senzoricky nevhodného řešení, obr. 5). K argumentům v neprospěch kořenových čistíren patří především tyto:

• nedostatečná čistící účinnost kořenové čistírny;
• nevhodné klimatické podmínky pro kořenovou čistírnu;
• kořenová čistírna neodstraňuje amoniakální dusík;
• kořenové filtry se ucpávají;
• nejde o nejlepší dostupnou technologii (BAT).

Obr. 5. Rozporuplná praxe – odtok z horizontální KČOV plnící emisní standardy NV 61/2003 Sb., doprovodný zápach a viditelné příznaky fekálního znečištění

V opozici výše zmíněných odpůrců stojí průkopníci, zastánci a většinou ekologicky zaměření projektanti. Ti se dlouhá léta snaží ve svých projektech a technických zprávách prosadit kořenové čistírny, jejichž vysokou čistící účinnost podkládají těmito závěry:
• rostliny dodávají potřebný kyslík do odpadní vody svým kořenovým systémem;
• rostliny odebírají přítomné živiny z odpadní vody;
• rostliny tvoří tepelnou izolaci proti zamrzání v zimním období
• a další argumenty o estetickém působení čistírny jako celku, ekologickém charakteru čistírny, vytvoření ekosystému, životního prostředí pro obojživelníky, vodní ptactvo apod.

Mezi oběma názorovými skupinami stojí Ústav vodního hospodářství krajiny Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně. Toto pracoviště, které má dlouholetou tradici ve výzkumné, výukové, vývojové i konzultační činnosti, soustředící se na oblast přírodních způsobů čištění odpadních vod, posunulo díky několika výzkumům a užitným vzorům za posledních 5 let celou oblast problematiky kořenových čistíren výrazným krokem vpřed. Za největší úspěch našeho řešitelského kolektivu považujeme reálné výsledky, které ukazují, že na odtoku z kořenové čistírny lze dosáhnout vyšší kvality vody, než je často kvalita vody v samotném recipientu (malém potoce), do něhož je vyčištěná voda odváděna.

Pakliže přichází řeč na čistící účinnost, je na místě zmínit požadavky na odtokové parametry z kořenové čistírny odpadních vod. Pozvolna se stává zarytým faktem, že aglomeraci větší než 500 EO není vhodné řešit pomocí kořenové čistírny, protože není schopna dlouhodobě plnit požadavky na kvalitu vyčištěné vody. Nicméně naše výzkumné výsledky přináší takové uspořádání kořenových čistíren odpadních vod, které dokáže dosáhnout následujících čistících účinností: CHSKCr = 90–95 %, BSK5 = 85–90 %, NL = 94–98 %, N-NH4+ = 85 %, Ncelk = 85 %, Pcelk = 80 % (bez ohledu na velikost čistírny, tj. pro 5 EO i 1000 EO). Hodnoty korespondují s výsledky, které uvádí kolektiv autorů [19] na vícestupňové testovací kořenové čistírně. Pro dosud nevěřící uvádíme vyjádření v koncentrační jednotce: přítokem je průměrná hodnota CHSKCr = 800 mg/l, NL =100 mg/l, N-NH4+ = 60 mg/l, odtok z čistírny CHSKCr < 40 mg/l (obr. 7), BSK5 < 30 mg/l , NL < 5 mg/l (obr. 8), N-NH4+ < 10 mg/l během celého roku (obr. 9). Nemluvě o možnostech odstraňování fekálních bakterií pomocí vertikálních kořenových filtrů – účinnosti se pohybují např. u koliformní bakterie = 95% odstranění, Escherichia coli = 92%, Fekální bakterie = 84% [9].

Princip funkčnosti kořenových čistíren, ze kterého vychází všechny nové poznatky, by se dal shrnout do jednoduché úvahy: Čištění odpadních vod v případě klasických čistíren, založených na aktivačním procesu, probíhá za pomoci mikroorganismů, především bakterií.

Obr. 6. Vertikální kořenový filtr – pohled na povrchově rozložené rozdělovací potrubí

Pokud není zajištěn optimální stav, nevyhovující životní podmínky pro bakterie způsobí nižší účinnost čistírny a z toho plynoucí provozní problémy s dodržováním odtokových parametrů. Obdobně je tomu tak u kořenových čistíren. Pokud nebudou pro bakterie přítomné v kořenových filtrech nastaveny vhodné životní podmínky, nelze očekávat čistící účinnost, která by posouvala kořenovou čistírnu do konkurenceschopné kategorie. Například pokud se jedná o kořenovou čistírnu založenou na anaerobních procesech (horizontální kořenový filtr, viz obr. 1), není možné očekávat účinné odstraňování amoniakálního dusíku. A naopak, pokud je kořenová čistírna založena na aerobních procesech (vertikální kořenový filtr pulzně skrápěný, viz obr. 2 a 6), lze očekávat účinné odstranění amoniakálního dusíku i během zimního období [6, 8, 17], protože se v podstatě jedná o určitou analogii vůči skrápěným biofiltrům, ve kterých nitrifikace probíhá v dostatečné míře. Zásadním rozdílem oproti biofiltrům jsou však nároky na mechanické předčištění a zejména hydraulické zatížení plochy filtru.

Důležité je také si uvědomit, že při prioritním požadavku na vysokou účinnost kořenové čistírny není na místě volit tradiční systém zapojení soustavy usazovací štěrbinová nádrž – horizontální kořenový filtr. Taková soustava není schopna při napojení na splaškovou kanalizaci v dostatečné míře odstranit amoniakální dusík [15]. Jaká je situace v České republice? Jako příklad uvažujme malou čistírnu pro méně než 500 EO, u níž standardně nevzniká požadavek na sledování odtokové koncentrace N-NH4+. Teoreticky je tedy možné uvažovat o návrhu kořenové čistírny podle tradičního systému zapojení mechanické předčištění + horizontální filtr. Nicméně svědomí projektanta nebo instituce, která povoluje takováto extrémně jednoduchá zařízení, musí počítat s tím, že vyčištěná odpadní voda bude v lepším případě vyhovovat jen legislativou daným požadavkům (CHSKCr, BSK5, NL), u ostatních parametrů (NH4+, Pcelk…) nebude nikdy dosahovat vysokých účinností odstranění. Na místě je pak řečnická otázka: Je vhodnější realizovat kořenové čistírny, které sice plní parametry dané platným legislativním nařízením, ale u dalších hodnot nedosahují dobrých výsledků, nebo raději navrhnout kořenovou čistírnu odpadních vod, která spolehlivě odstraní všechny formy dusíku, celkový fosfor i organické znečištění, ale za cenu změny tradiční technologie řešení?

Právě s odkazem na nařízení vlády č. 61/2003 Sb., které stanovuje emisní standardy a v podstatě umožňuje projektantům navrhovat extrémně jednoduché kořenové čistírny, se uzavírá cesta a motivace k návrhům kvalitnějších řešení kořenových čistíren, které by mohly konkurovat jiným technologiím. Přitom podle různého typu uspořádání jednotlivých filtračních polí se může účinnost kořenové čistírny např. u parametru N-NH4+ pohybovat v rozsahu 0–85 %. Povolovací orgán v současné době může u projektové dokumentace jen odhadovat, jaká hodnota znečištění na odtoku bude po realizaci čistírny odtékat.

Metodický pokyn k nařízení vlády č. 229/2007 Sb. pro oblast komunálních čistíren popsal samostatnou metodiku pro nejlepší dostupné technologie (BAT) v oblasti zneškodňování městských odpadních vod, kde jsou kořenové čistírny zahrnuty jako „zelené technologie“ nevhodné již pro kategorii 500–2 000 EO. Po celé období platnosti metodiky je však v kategorii „zelená technologie“ považována za kořenovou čistírnu právě soustava mechanické předčištění + horizontální kořenový filtr. Přitom podle našich výzkumných výsledků jsou nové soustavy kořenových čistíren (kombinace s vertikálními kořenovými systémy) svými odtokovými parametry srovnatelné s kategorií „nízko zatěžovaná aktivace doplněná o terciální stupeň čištění včetně srážení fosforu“ (vysvětleno níže).

Reálné problémy kořenových čistíren

Problém kořenových čistíren tedy není v neschopnosti dosahovat vysokých čistících účinností. Negativní roli v jejich neprospěch hraje fakt, že se v České republice často v rámci nových projektů kořenových čistíren objevují neověřená řešení, s nadsázkou lze říci „pokusní králici“. Taková řešení z rukou některých projektantů zaručují, že vznikne další čistírna, která bude vykazovat provozní problémy. Anebo druhým častým případem je situace, kdy projektanti často navrhují řešení, plnící pouze limity pro vypouštění, sledované danou kategorií počtu EO. Pracoviště ÚVHK se podílelo jako spoluřešitel na vyřešení problému s nefungujícími kořenovými čistírnami v rámci několika výzkumných projektů. Mezi nejzásadnější nedostatky kořenových čistíren, na které se výzkumné práce zaměřovaly, patřily zejména:

• problematika kolmatace a následné regenerace filtračního materiálu;
• odstraňování N-NH4+;
• problematika kalového hospodářství (v tomto článku není blíže popsáno).

Po ukončení projektů vyvstala navíc ještě otázka odstraňování fosforu, kterou se v současné době intenzivně zabýváme. Je potřeba podotknout, že kořenová čistírna napojená na splaškovou kanalizaci se standardními koncentracemi Pcelk není vzhledem k době zdržení odpadní vody schopna snížit koncentrace Pcelk pouze pomocí přítomných mokřadních rostlin. Při požadavku vysoké účinnosti odstranění Pcelk na cílové hodnoty v oblasti 1,5–2,0 mg/l, vzniká potřeba systém doplnit o chemické srážení fosforu. Kořenová čistírna odpadních vod bez doplnění o chemické srážení fosforu není schopna odstraňovat celkový fosfor s vysokou účinností. Nicméně opět při nahlédnutí do tabulky emisních limitů platí povinnost odstraňování fosforu pro ČOV nad 2 000 EO a jak bylo uvedeno výše, nad 2 000 EO v České republice nepatří mezi nejlepší dostupnou technologii, proto téměř logicky kořenová čistírna nebude jako „zelená technologie“ povolena.

Ve světě je situace jiná, např. v Moldávii byla v roce 2013 uvedena do provozu kořenová čistírna odpadních vod pro 22 000 EO (resp. 4 600 m3/den).

Kolmatace – ucpávání filtrů

Předně je potřeba upozornit: nejprve se musí řešit příčina kolmatace, až potom následky. Nikdy ne v opačném případě, jak tomu v praxi bývá.

Kolmatace, tedy proces povrchového ucpávání filtračního materiálu, skrze který protéká mechanicky předčištěná odpadní voda, je jedním z nejviditelnějších problémů kořenových čistíren. Kolmatace u filtrů nastává za předpokladu, že mechanicky předčištěná odpadní voda s sebou unáší nerozpuštěné látky a tyto drobné části se pozvolna usazují při výrazném zpomalení proudění. U kořenových čistíren se jedná o okamžik, kdy mechanicky předčištěná voda opouští rozdělovací potrubí, uložené na povrchu kořenového filtru. V důsledku dlouhodobého a zároveň pozvolného procesu následuje postupná akumulace těchto plovoucích částic [16], postupně se snižuje pórovitost, propustnost, odpadní voda vytváří privilegované toky na povrchu kořenového filtru (obr. 3). V extrémních případech může dojít až k vytvoření povrchového proudění, přičemž odpadní voda začíná vsakovat do filtrační náplně až u samotného odtoku. Nastávají tedy silné zkratové proudy, zkrácení doby zdržení na minimum, a tedy zhoršení čistící účinnosti. Zahraniční autoři prokázali významný vliv zakolmatovaného vertikálního filtru na výslednou čistící účinnost, zejména ve znečištění, vyžadujícím pro odbourání přítomnost kyslíku: CHSKCr, BSK5, N-NH4+ [21, 22].

Je také potřeba zdůraznit, že kolmatace hrozí všem typům filtrů ve všech oblastech, uvažujících o proudění vody skrze pórovitý materiál. Přirozeně, že čím jemnější materiál (frakce) je použit jako filtrační náplň, tím vyšší náchylnost na ucpání filtr vykazuje. S odkazem na níže popsané vertikální pulzně protékané filtry je tedy nutné upozornit, že tyto filtry jsou více náchylné na kolmataci než horizontální filtry (max. zrno většinou do 16 mm) právě vzhledem k menším frakcím použitého filtračního materiálu (zrno do 4,0 mm). Vertikální filtry nemohou z tohoto důvodu být umístěny za štěrbinovou usazovací nádrží, ale musí mít předřazen správně hydraulicky vyřešený vícekomorový septik (dražší a složitější řešení), u kterého lze předpokládat vyšší účinnost v odstranění nerozpuštěných látek.

V reálných situacích je popsáno různými autory několik metod, cílených na regeneraci filtračního materiálu. Možnosti řešení problému zahrnují jak strojní praní materiálu, tak dávkování specifických chemikálií (roztok NaOH, NaClO, HCl aj.), metody rozprostření do tenké vrstvy mimo filtrační pole (obr. 4 vpravo) apod. Pro účely tohoto článku vybíráme dva postupy – jeden efektivní, ale nákladný a druhý efektivní a současně investičně nenáročný. Oběma metodám musí předejít úprava mechanického předčištění taková, aby dále nebyly vyplavovány plovoucí částice.

Následně je možné přistoupit k řešení problému:

Vytěžení filtrační náplně – tímto přístupem se řeší situace v případě, že se nehledá ekonomicky výhodnější řešení. Nakládání s ucpaným materiálem probíhá na základě analýzy (zejména koncentrace těžkých kovů) jako s nebezpečným odpadem, vzhledem k rozsahu a náročnosti je vytěžování doslova noční můrou každého provozovatele. Pravda je ale taková, že na základě popsaných fyzikálních zákonů procesu kolmatace je její projev pouze povrchový. U horizontálně protékaných kořenových filtrů probíhá kolmatace často jen do hloubky 10–20 cm (podle zrnitosti materiálu, řešení a uspořádání mechanického předčištění, charakteru odpadní vody, koncentrace znečištění, specifického průtoku filtrem). Situaci stačí řešit odtěžením svrchní vrstvy a regenerací materiálu (přirozená mineralizace kalu). Nicméně jakákoli manipulace s filtračním materiálem (na 1 EO přibližně 2–5 m3) je pro provozovatele velice nákladná a pokud je k ní přistoupeno, musí být zohledněna také ve stočném. S ohledem na stanovenou životnost horizontálního filtru se může jednat o navýšení v částce 4–10 Kč/m3. V České republice proběhla řada případů výměny filtračního materiálu (např. obec Zbenice, Olší nad Oslavou, Moraveč, Břehov). Záleží na dané situaci, ale v odtokové zóně může i po deseti a více letech provozu být přítomno minimum sedimentu [20]. Nicméně jsou známy i případy (Němčičky, Rudíkov, Hostětín, Dražovice), které mají zakolmatovanou téměř celou plochu horizontálního filtru. Odtěžení sedimentu a svrchní vrstvy filtračního materiálu může být levnou záležitostí, ale naopak se může také ukázat, že provozovatel musí vynaložit vysoké částky v řádu několika desítek tisíc.

Změna režimu provozu horizontálního filtračního pole – pokud odpadní voda protéká dle výše popsaného způsobu, tedy povrchově po zakolmatované filtrační náplni, je logické, že neprotéká filtračním materiálem. Současně podpovrchová vrstva (hlouběji než 20 cm) není zanesená, resp. je nevyužitá, póry vyplňuje nepohybující se odpadní voda. V případě, že se filtrační pole úplně vypustí snížením odtokového potrubí (resp. přelivné hrany), je vyplněna podpovrchová vrstva vzduchem a zároveň je sediment odvodněn, resp. zvyšuje se jeho pórovitost. V důsledku dojde k prokysličení anaerobní vrstvy a částečné mineralizaci povrchové zakolmatované vrstvy (obr. 4 vlevo). Pokud se následně opět zvýší odtoková přelivná hrana, dojde v závislosti na intenzitě přítoku k vyplnění celého využitelného prostoru filtračního materiálu. Při opakování popsaného cyklu „vypuštění a napuštění“ nastává změna režimu provozování filtru, jde o pulzně vypouštěný horizontální kořenový filtr. Postupně se mění kyslíkové poměry ve filtru (z anaerobního prostředí se stává anoxické), voda dosahuje delší doby zdržení (musí vyplnit všechny vzdušné póry), uvolňují se povrchové ucpané vrstvy (mineralizací se z kalu stává substrát vizuálně podobný kompostovému substrátu). V neposlední řadě se zlepšuje čistící účinnosti v parametrech, které vyžadují pro odstranění (rozklad) vzdušný kyslík, tj. BSK5, CHSKCr, N-NH4+. Provozně se mění téměř vyrovnaný průtok kořenovým filtrem na pulzní odtok. Odpadní voda se z filtru vypouští automaticky v okamžiku dosažení maximální úrovně hladiny ve filtračním poli. Odtok přitom probíhá až do okamžiku dosažení minimální úrovně hladiny, při které je odtok automaticky uzavřen. Proces vypuštění je přitom velice intenzivní (např. Q = 10–15 l/s), proces napouštění je naopak pozvolný – závislý na velikosti filtru, pórovitosti a přítoku. Přechod na takový typ uspořádání vychází provozně výhodněji než předchozí varianta odtěžování materiálu. Výsledkem je zároveň zvýšení čistící účinnosti CHSKCr, BSK5 a N-NH4+.

Proces kolmatace se vyskytuje téměř u všech kořenových čistíren odpadních vod v České republice, protože je při stávajících uspořádání technologie čištění neodvratný. Ukazuje se, že u kořenových čistíren nastávají projevy kolmatace z několika příčin:

• nevhodně navržená odlehčovací komora – na jednotné kanalizaci, špatná řešení bez hydraulických výpočtů, stejné návrhy pro různé situace;
• nevhodně provozované odlehčovací komory – snaha provozovatelů o zjednodušení provozu a provozní úspory pramenila z kutilské úpravy v odlehčovacích komorách (zvýšení přelivné hrany);
• poddimenzované mechanické předčištění – štěrbinové usazovací nádrže mohou být méně účinné vzhledem ke krátké době zdržení;
• zanedbané odkalování usazovací nádrže – podle provozního řádu čistírny odkalování 1–4x ročně, při zaplnění usazovací nádrže je kal vyplavován na filtrační pole.

Při extrémních projevech kolmatace není provozovatel schopen dodržovat odtokové limity. Čistírny se zbytečně rekonstruují a často se revitalizují nevhodně. Na takovéto čistírny se pak právem ukazuje jako na odstrašující případy, spojující se s větou „kořenová čistírna nefunguje“.

Obr. 7. Srovnání průběhu znečištění CHSK (mg/l) u HKF a VKF (u VKF přechod na pulzní skrápění v květnu 2014)

Obr. 8. Srovnání průběhu znečištění NL (mg/l) u HKF a VKF (u VKF přechod na pulzní skrápění v květnu 2014)

Obr. 9. Srovnání průběhu znečištění N-NH4+ (mg/l) u HKF a VKF (u VKF přechod na pulzní skrápění v květnu 2014)

Regenerace filtračního materiálu

Výše popsaný proces kolmatace vedl v mnoha situacích provozovaných kořenových čistíren k potřebě regenerace filtračního materiálu. V rámci výzkumných prací jsme hledali nejvhodnější řešení, nejefektivnější metodu a postup, který by vedl k nápravě a regeneraci filtračního materiálu. Postupně jsme testovali rozprostření filtračního materiálu do vrstvy o různé výšce. Výsledky ukázaly, že při tomto postupu dochází vlivem změny kyslíkového režimu nejprve k mineralizaci (materiál je rozprostřen bez přítomné hladiny odpadní vody). Následně pak mineralizovaný kal prosakuje vlivem klimatických činitelů do hloubky 5–10 cm. Povrchová vrstva je vlivem působení deště téměř bez přítomného kalu. Pro postupné odstranění v celém profilu by musela být každá vrstva postupně odhrnována, což je sice efektivní, ale nákladné – tedy nereálné.
Obdobné biochemické procesy jako při odtěžování zakolmatovaného materiálu nastávají při výše popsaném pulzním vypouštění horizontálního filtru:

• povrchová ucpaná vrstva je postupně mineralizována;
• materiál se uvolňuje, zvyšuje se propustnost;
• voda postupně vsakuje blíže k přítoku;
• původně usazený anaerobní kal přestává pro svůj rozklad spotřebovávat kyslík;
• bez nutnosti manipulace s materiálem je problém vyřešen;
• investičně výhodnější než vytěžování filtru.

Odstraňování amoniaku

V čem mají provozovatelé na základě dlouhodobých pozorování kořenových čistíren pravdu, je problém s amoniakálním dusíkem. Přísun kyslíku do odpadní vody prostřednictvím mokřadních rostlin je nedostatečný. Nelze tedy uvažovat v rovině: klasická kořenová čistírna „si poradí“ s amoniakem, protože filtrační kořenová pole jsou osázena mokřadními rostlinami. Pod slovem klasická je přitom skryta výše uvedená soustava, která je použita u většiny kořenových čistíren v České republice: mechanické předčištění – horizontální kořenový filtr.

Prokazatelně lepších výsledků, než v případě horizontálně protékaného kořenového filtru, dosahuje vertikální kořenový filtr pulzně skrápěný (dále pouze VKF, obr. 6), realizovaný za přísnějších podmínek a provozovaný na základě relativně složitějších pravidel. Ano, mezi prvními vlaštovkami se objevují i případy s téměř nulovou účinností v odstraňování N-NH4+, tento fakt je téměř vždy způsoben nevhodným návrhem. Naše výsledky z testování v poloprovozních podmínkách jsou uvedeny v tab. 1. Po vizuální stránce jsou si vertikální a horizontální filtry velice podobné. Materiálním složením, výškou filtrační vrstvy, hydroizolací a mokřadními rostlinami jsou na první pohled k nerozeznání od horizontálních filtrů. Avšak rozdíl je patrný ve složitějším řešení rozdělovacího potrubí a akumulační šachtě s pulzním odtokem odpadní vody, které jsou v tomto případě nutnostmi, bez kterých VKF není schopen dosáhnout vysoké účinnosti v odstraňování N-NH4+.

Tab. 1. Průměrná a maximální dosažená účinnost čištění (%)
1) Hodnoty převzaty z řešení „nejmodernější septik“ + filtr 1 m2/EO, testovaného v laboratoři VÚV TGM, v.v.i (Jelínková a Plotěný, 2015)
2) Nízká účinnost ve srovnání se zahraniční literaturou je dána použitím méně vhodného filtračního materiálu

Ve světě se nejedná o novou technologii, nicméně v České republice bylo první provozní zařízení testováno teprve v letech 2014–2015 na kořenové čistírně v obci Kotenčice (výzkumný projekt MPO: Biostream). VKF jsou v průběhu posledních deseti let v zahraničí úspěšně používány pro čištění odpadních vod pro méně než 4000 EO. Jejich úspěch souvisí s dobrou účinností při odstraňování NL (90%), CHSKCr (90 %), efektivní nitrifikací až 90% odstranění N-NH4+ [7, 13]. Nicméně pro odstranění fosforečnanů je účinnost nízká, kolem 20 až 30 % [12], což je ovlivněno zejména nepřítomností technologie chemického srážení fosforu.

Správně realizovaný a provozovaný vertikální filtr, jak ukazují i naše vlastní výsledky, je schopen i v zimním období obstát ve všech sledovaných parametrech (VKF i v zimě odstraňuje amoniakální dusík pod 10 mg/l). Již při realizaci je však potřeba dodržet několik pravidel:

• není možné zapojit VKF za štěrbinovou usazovací nádrží. Filtr vyžaduje vícekomorový septik s dobou zdržení min. 5 dní;
• mezi mechanickým předčištěním a VKF musí být osazena akumulační šachta, jejíž vnitřní objem zajistí pulzní napouštění filtru v 5–10 denních dávkách;
• v šachtě před VKF mít být osazeno automatické vypouštěcí zařízení, zajišťující intenzivní odtok odpadní vody do rozdělovacího potrubí (do 5 EO lze aplikovat místo vypouštěče čerpadlo);
• VKF musí mít velice precizně provedeno rozdělovací potrubí (popis pravidel je obsáhlý a rozsahově náročný, pro každou situaci specifický a unikátní).
• VKF má jinou skladbu filtračního materiálu – jde o více vrstev praného štěrku

Z uvedeného na první pohled může vyplývat, že VKF bude investičně náročnější. Vzhledem k vyšší účinnosti však nevyžaduje tak vysoký plošný záběr jako HKF. Pokud vychází VKF investičně hůře, musí si investor vybrat – buď nebude odstraňovat N-NH4+ , anebo bude – za cenu, která je např. v milionové investici o několik desítek tisíc vyšší.

Na jednom vybraném VKF (ČOV Kotenčice), který byl sledován a provozně optimalizován od poloviny roku 2012 v rámci výzkumného projektu, proběhlo postupně několik technických úprav [15]. V tomto období je nově postaven podle [2] v kombinaci s rakouskou ÖNORM B 2505:2009. V polovině roku 2014 byl změněn systém napouštění odpadní vody zapojením pulzního vypouštěče. Změna v odtokové koncentraci amoniakální dusíku je pozorovatelná na obr. 9. Ve sledovaném období nepřesáhla koncentrace N-NH4+ na odtoku z filtru hodnotu 10 mg/l. Pro srovnání výsledků uvádíme průměrnou odtokovou koncentraci N-NH4+ u VKF = 7,6 mg/l, za stejné období paralelně zapojený HKF vykazuje hodnotu N-NH4+ = 26,6 mg/l.

Výhody vertikálního kořenového filtru ve srovnání s filtrem horizontálním:

• menší půdorysná velikost (běžně max. 4 m2/EO);
• vyšší účinnost odstraňování N-NH4+ (až 90 %);
• změna anaerobního prostředí na aerobní (ve filtru nevzniká hladina odpadní vody);
• odtoková voda s kladnými hodnotami ORP (nezmění se hydrobiologie toku).

Největší nevýhodou je nutnost napojení na vícestupňové mechanické předčištění (dražší), které ovšem zajistí prevenci proti kolmatačním projevům, současně umožní zmenšení plošné náročnosti vertikálních kořenových filtrů.

Závěr

S nadsázkou je možné konstatovat, že kořenové čistírny odpadních vod mají za sebou určitou etapu, na jejímž konci stojí dva tábory vodohospodářských odborníků. Na jedné straně jsou to správci toků a orgány životního prostředí, kteří jsou na základě provozních zkušeností přesvědčeni o neúčinnosti kořenových čistíren. Naproti nim stojí zastánci z řad projektantů, kterým, byť se snaží zahrnout do projektových dokumentací nejnovější ověřené poznatky, nejsou jejich čistírny povoleny k realizaci. Častou, neoficiální reakcí ze strany státní správy je v takové situaci „zase další nefungující kořenovka“.

Cíle našich výzkumů, které byly ukončeny v roce 2014 a 2015, se soustředily na objasnění problémů, ověření předpokladů a důvodů, proč jsou v České republice s kořenovými čistírnami nekončící komplikace. Dalším krokem, jak posunout vědecké a výzkumné výsledky do praxe, je využít možnosti transferu technologií, který by oslovil projektanty a projekční firmy. Právě spolupráce s projektanty, kteří budou realizovat projekty zahrnující nejnovější poznatky, stejně tak informování jednotlivých orgánů povodí a životního prostředí jsou naše největší cíle. A to především z toho důvodu, aby tyto instituce věděly, jak se k problematice kořenových čistíren postavit, jak poznat špatný projekt, co očekávat za problémy a na druhou stranu, aby kvalitní projekty kořenových čistíren nebyly zbytečně zamítány. Jestliže v Rakousku dosahují na odtoku z kořenových čistíren hodnot BSK5 < 2 mg/l, CHSKCr = 42 mg/l, N-NH4+ < 0,1 mg/l, NL < 2 mg/l (vlastní fotoarchív z exkurze Rakousko, vzorek vyčištěné odpadní vody 2014-09-02), u nových kořenových čistíren se pokusíme dosáhnout výsledků ještě lepších (zapojením chemického srážení fosforu). Oponenti samozřejmě mohou hned namítat argumenty „když chcete srážet fosfor, to už můžete rovnou postavit aktivační čistírnu“. Nutno je však uvědomit si, že dávkovač srážedla lze zapojit i na fotovoltaický ostrovní systém (investice do 20 tis Kč). Tzn., celá čistírna tak může pracovat bez nutnosti napojení na elektrickou rozvodnou síť za výrazně nižších provozních nákladů.. Následně při provozování kořenové čistírny se samozřejmě ukáže, že když je správně navržená, je i provozně velice výhodná – žádná ze součástí kořenové čistírny se nemůže porouchat, tzn. stočné 6 Kč/m3 (bez odpisů), ve většině našich případových studií vychází do 10 Kč/m3.

Pravidla pro návrh vertikálního kořenového filtru je sice možné zahrnout ve stručné formě do několika poznámek v rámci odborného článku, nicméně samotný návrh vhodného řešení je velice složitou záležitostí. V současné době má naše pracoviště k dispozici vlastní vyvinutý software, který podle návrhových parametrů (přítok, koncentrace, dispozice pozemku, četnost automatického dávkování apod.) porovnává celkem 75 variant dispozičních řešení kořenových filtrů. Hodnoticími kritérii jsou jak optimální provozní podmínky, tak zohlednění ekonomické náročnosti apod. Znamená to tedy, že kořenová čistírna má vždy pouze jedno řešení. Zároveň je k dispozici kalibrovaný předpovědní model, vycházející z reálného „chování“ kořenové čistírny v obci Kotenčice. Pomocí předpovědního modelu jsme schopni (v součinnosti s optimalizací technologického uspořádání) odhadnout s chybou 10 % odtokové koncentrace znečištění. Můžeme tedy poměrně úspěšně stanovit odtokové parametry z kořenové čistírny, kdy je samotná čistírna ještě ve fázi projektové dokumentace.
Věříme, že se v posledních letech pohled na kořenové čistírny postupně mění k lepšímu, a že i na základě výsledků získaných z vědeckých prací na Ústavu vodního hospodářství krajiny budou kořenové čistírny v budoucnu uznávanou a konkurenceschopnou technologií pro čištění odpadních vod.

Michal Kriška
Miroslava Němcová
Ústav vodního hospodářství krajiny
Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně
Veveří 95 602 00 Brno
kriska.m()fce.vutbr.cz

Literatura/References