Biologická čistírna odpadních vod resp. kořenová čistírna odpadních vod (KČOV)

Z údajů získaných z literatury a z internetu vyplývá, že finanční náklady na vybudování kořenové čistírny odpadních vod (KČOV) jsou téměř shodné s náklady na klasickou čistírnu, nebo jen nepatrně nižší. Velká výhoda však spočívá v nákladech na samotný provoz čistírny. Náklady na roční provoz kořenové čistírny se pohybují okolo 30% finančních prostředků vynaložených na chod klasické čistírny odpadních vod (ČOV). Jedná se hlavně o to, že KČOV nemá žádné elektrické zařízení a tím dochází k velkým úsporám elektrické energie. Další výhoda plyne také z faktu, že u kořenových čistíren odpadních vod není nutná trvalá obsluha.
Proto se ekonomicky příznivěji jeví pro malé obce místo klasické čistírny odpadních vod využití přírodních čistírenských procesů, jaké nabízí kořenová čistírna odpadních vod.

Obecný popis vegetačních kořenových čistíren
Základní princip těchto přírodních způsobů čištění odpadních vod spočívá ve využití přírodních procesů obdobných těm, které probíhají v mokřadech či vodních nádržích při využívání samočisticího biologického efektu. Využití těchto způsobů je velmi vhodné pro čištění odpadních vod pocházejících z venkovských sídelních útvarů a malých obcí. Mezi výhody patří jejich jednoduchost, nižší pořizovací náklady než u klasických ČOV, minimální provozní náklady a schopnost snadno se vyrovnat s nárazovým znečištěním a nestálým přílivem splašků. Nelze zapomenout ani na estetickou stránku, klasickou mechanicko-biologickou čistírnu odpadních vod lze jen těžko vhodně začlenit do vesnického krajinného rázu.
Kořenové čistírny odpadních vod jsou v podstatě umělé mokřady v nichž se při čištění odpadních vod uplatňuje řada fyzikálních, chemických a biologických procesů (sedimentace a filtrace, srážení, adsorpce a chemický rozklad, mikrobiální rozklad, rostlinný metabolismus). Mokřady mají schopnost transformovat a zadržovat látky a zlepšovat kvalitu odtékající vody. Vegetační čistírny dělíme do dvou základních skupin a to s horizontálním prouděním a s vertikálním prouděním. Nejrozšířenějším způsobem řešení vegetační čistírny je návrh s horizontálním podpovrchovým tokem. Základním principem tohoto způsobu čištění je horizontální průtok odpadní vody propustným filtračním ložem, které je osázeno vhodnými mokřadními rostlinami (rákos obecný, orobinec širokolistý, chrastice rákosovitá). Substrát musí být dostatečně propustný, aby nedocházelo k ucpávání a následnému povrchovému odtoku, při kterém se snižuje účinnost čištění. Při průchodu odpadní vody substrátem dochází k vysokému stupni odstraňování znečištění.

Příklad pro výpočet parametrů KČOV
Vlastním výpočtům parametrů vegetační kořenové čistírny musí předcházet výpočet potřeby pitné vody, množství splaškových odpadních vod a množství znečištění. Pro příklad výpočtu množství splaškových vod je uvažováno 1000 ekvivalent obyvatel (resp. populačním ekvivalentem - jedním ekvivalentním obyvatelem, což je míra znečištění vyjádřená organickým biologicky odbouratelným zatížením s pětidenní biochemickou spotřebou kyslíku 60g BSK5/den).

Specifická potřeba vody v bytovém fondu je dle ČSN 75 6401 navrhována 150 l/os/den. Potřeba vody pro občanskou a technickou vybavenost u venkovských obcí do 1000 obyvatel je 20 l/os/den.
Výpočet množství odpadních vod
٠ Průměrný denní bezdeštný přítok odpadní vody
Q24= 1000 * (150 + 20)= 170000 l/den = 170 m3/den = 7,08 m3/h
٠  Maximální denní bezdeštný přítok odpadní vody
Qd= Q24 * kd = 170 * 1,5 = 255 m3/den = 10,63 m3/h = 2,95 l/s
kde kd je koeficient denní nerovnoměrnosti
٠  Maximální hodinový bezdeštný přítok odpadní vody
Qh= (Q24 * kd*kh)/24 = (170 * 1,5 * 2,2)/24 = 23,38 m3/h = 6,49 l/s
kde kh je koeficient hodinové nerovnoměrnosti.
Splašková kanalizace musí být navržena pro odvedení dvojnásobného maximálního hodinového průtoku splašků, tedy 46,76 m3/h.
Výpočet znečištění splašků na přítoku do čistírny odpadních vod
Výchozí hodnotou k určení průměrných hodnot přitékajícího znečištění v odpadních vodách je průměrný bezdeštný denní přítok Q24. Předpokládané hodnoty specifické produkce znečištění na 1 obyvatele za den jsou 60 g BSK5 a 55 g nerozpuštěných látek (NL).
٠  Výpočet koncentrace BSK5 na přítoku do čistírny odpadních vod
Q24= 170 m3/den
BSK5= 1000 * 60 = 60 000 g/den
60 000 g BSK5 / 170 m3/den = 352,94 g BSK5/m3
٠ Výpočet koncentrace NL na přítoku do čistírny odpadních vod
Q24= 170 m3/den
NL= 1000 * 55 = 55 000 g/den
55 000 g NL / 170 m3/den = 323,53 g NL/ m3
Specifické organické znečištění splašků je 352,94 g/ m3 a znečištění nerozpuštěnými látkami je 323,53 g/ m3.
Výpočet odstranění BSK5 a NL v kořenové čistírně
Použité rovnice určují přibližné množství odstraněných organických a nerozpuštěných látek ve vegetační kořenové čistírně.
٠ Účinnost odstranění organických látek
c = 0,09 * c0 + 1,95
c = 0,09 * 352,94 + 1,95
c = 33,7 mg/l
٠  Účinnost odstranění nerozpuštěných látek
c = 0,07 * c0 + 4,88
c = 0,07 * 323,53 + 4,88
c = 27,5 mg/l
Odhadovaná koncentrace organických látek na odtoku z vegetační kořenové čistírny je
33,7 mg/l BSK5 a 27,5 mg/l NL.

Návrhové parametry vegetační kořenové čistírny
Základní návrhové parametry filtračního tělesa jsou plocha, objem, hydraulické zatížení a doba zdržení. Údaje potřebné pro výpočet základních návrhových parametrů jsou převzaty z literatury Čištění odpadních vod v kořenových čistírnách.
Hloubka filtračního lože 0,8 m je zvolena s ohledem na použitou emerzní mokřadní vegetaci tak, aby bylo zajištěno prorůstání kořenových systémů celou hloubkou lože. Sklon filtračního lože je navržen vodorovný, aby ho bylo možno v případě potřeby zaplavit (např. pro potlačení nežádoucích plevelů).
٠ Plocha kořenového pole
A = Q24 * (lnc0 – lnc) / KBSK, kde
Q24 = průměrný denní přítok odpadní vody (m3/den),
c0, c = průměrná denní koncentrace BSK5 v přitékající a odtékající vodě (mg/l),
KBSK = reakční konstanta, 0,1 m/den.
A = 170 * (ln352,94 – ln33,71) / 0,1
A = 3992,5 m2
Plocha kořenového pole pro 1000 obyvatel je 3992,5 m2. Výsledná specifická plocha na jednoho ekvivalentního obyvatele je 3,99 m2.
٠  Objem filtračního prostření vegetační čistírny
V = A * d, kde
A = plocha kořenového pole (m2),
d = hloubka lože (m), navrženo 0,8 m.
V = 3992,5 * 0,8
V = 3194 m3
٠  Hydraulická doba zdržení odpadní vody ve filtračním prostředí
t = V * n / Q24= A *d * n / Q24, kde
n = pórovitost zemního lože, zvoleno 0,35.
t = 3992,5 * 0,8 * 0,35 / 170
t = 4,4 dne
٠ Příčný průřez filtračního lože
Sp = Q24 / kf * i, kde
kf = hydraulická vodivost substrátu (m/den), 500 m/den,
i = hydraulický sklon (-), 1.
Sp = 170 / 500 * 1
Sp = 0,34 m2
٠  Hydraulické zatížení
LH = Q24 / A
LH = 170 / 3992,5
LH = 0,043 m/d = 43 mm/d
Obecně se velikost hydraulického zatížení plochy vegetačního tělesa doporučuje v rozmezí 30 až 50 mm/d.
Vlastní uspořádání kořenové čistírny
Mechanický stupeň předčištění odpadních vod
Důležitým prvkem pro úspěšné použití kořenových čistíren je kvalitní předčištění odpadních vod, které rozhodujícím způsobem ovlivňuje životnost filtračního lože a snižuje možnost jeho zakolmatování. Uspořádání mechanického stupně budou tvořit česle a štěrbinová nádrž s nornými stěnami.
Česle
Jsou navrženy ručně stírané, jemné o světlosti mezi česlicemi 20 – 25 mm, osazené na celou šíři usazovacího žlabu štěrbinové nádrže. Zachycené shrabky se budou vyvážet na skládku.
Lapák tuku není navržen samostatný, pro tento účel budou sloužit norné stěny štěrbinové nádrže.
Štěrbinová nádrž
Je navržena pro separaci nerozpuštěných látek a vyhnívání kalu. Nádrž je rozdělena na dvě etáže. Usazovací prostor v horní části nádrže je tvořen usazovacími žlaby. Dno žlabu je opatřeno podélnou štěrbinou, kterou usazující kal propadá do vyhnívacího prostoru dolní části nádrže. Nádrž je opatřena nornou stěnou na zachycení tuků a olejů. Ze štěrbinové nádrže musí být zajištěno pravidelné odčerpávání kalu.

Biologický stupeň čištění odpadních vod
Mechanicky předčištěná odpadní voda vtéká do vlastní vegetační kořenové čistírny, kterou tvoří filtrační kořenové pole osázené mokřadní vegetací.
Z důvodu optimálního rozvedení odpadní vody na celou plochu filtračního pole je navrženo rozdělení tohoto pole na čtyři plochy. Ty jsou řazeny v kombinaci paralelního a sériového zapojení tak, aby bylo možné jejich nezávislé provozování.
Vegetační kořenovou čistírnu bude tvořit rozdělovací šachta, těleso vegetační kořenové čistírny a regulační šachta. Voda z mechanického stupně čištění přitéká do rozdělovací šachty, odkud je rozdělována do jednotlivých filtračních těles rozdělovacím perforovaným potrubím. Rozdělovací potrubí je uloženo v rozvodné zóně tělesa. Přes ochranný minerální filtr voda protéká do hlavní části filtračního tělesa (vlastní filtrační lože osázené rostlinami). Ve sběrné zóně na konci tělesa je voda sbírána sběrným potrubím, které je opět chráněno přechodovým minerálním filtrem. Přes regulační šachtu, v níž je možno určovat výšku hladiny vody ve filtračním loži, odtéká vyčištěná voda do recipientu.

Konstrukční řešení
Z výše uvedených návrhových parametrů vyplývá, že vlastní biologický stupeň vegetační kořenové čistírny je rozčleněn na čtyři kořenové pole.
٠ Těleso kořenové čistírny
Těleso tvoří těsněná jímka naplněná filtračním materiálem a osázená rostlinami. Šířka rozvodné a sběrné zóny každé nádrže je 1,5 m. Rozvodná a sběrná zóna je od vlastního filtračního lože s vegetací oddělena přechodovými minerálními filtry.
Délka každé filtrační nádrže je 50 m, šířka je 20 m. Hloubka nádrže je 1,1 m, dno kořenových polí je navrženo vodorovné, okolní terén je 300 mm nad povrchem lože.
Vodotěsné oddělení tělesa kořenové čistírny od okolního prostředí bude zajišťovat nepropustná bariéra z PVC, PE nebo pružné pryžové fólie, oboustranně chráněné geotextilií.
٠ Náplň filtračního tělesa
Filtrační materiál pro porézní filtrační prostředí rozhoduje o výsledném čistícím účinku, vytváří prostředí pro růst rostlin, život mikroorganismů, zachycuje suspendované látky apod. Substrát musí být také dostatečně propustný, aby nedocházelo k ucpávání a následnému povrchovému odtoku. Filtrační materiály s vyšším obsahem vápníku, hliníku nebo železa zachycují ve větší míře zejména fosfor, a to až do zaplnění sorpční kapacity. Nejvhodnější jsou přírodní materiály-říční štěrkopísky s oválnými zrny. Výška náplně filtračního lože je 0,8 m.
Substrát filtračního lože je zvolen z jemného štěrku o zrnitosti 8mm, porezitě 0,35 a hydraulické vodivosti 500 m/den. Hloubka lože je navržena 0,8 m.
Rozvodná a sběrná zóna filtračního tělesa šířky 1,5 m je vyplněna hrubým kamenivem frakce 60 – 200 mm, které umožňuje dobré promíchávání po celém profilu nátokové hrany. Přechodové minerální filtry tvoří přechod mezi rozvodnou, sběrnou zónou a filtračním ložem. Vhodné je použití kameniva frakce 32 – 65 mm.
٠  Infiltrační pásy
K zabránění zakolmatování je návrh vegetační kořenové čistírny doplněn o dva pomocné infiltrační pásy, umístěné 1-2 m za vstupní rozdělovací pás. Dojde-li ke zakolmatování tohoto pásu, odpadní voda se soustředí do žlábku, kterým je přiváděna na infiltrační pásy. Tyto odpadní vodu rozdělí do filtračního prostředí. Po regeneraci vstupního rozdělovacího pásu, převezme tento znovu svou funkci.
٠  Rozvodné a sběrné systémy
K rovnoměrnému rozvádění odpadní vody po celé šířce vegetační kořenové čistírny budou použity rozdělovací PE potrubí o světlosti 100-200 mm, uložené na povrchu rozvodné zóny a zasypány kamenivem. Konce rozdělovacích potrubí jsou vyvedeny nad terén, což umožňuje jejich čištění. Sběrné PE potrubí, zabezpečující odtok z filtračních loží, je uloženo na dně lože. Sběrná drenáž je spojena s odtokovou šachtou.
٠  Rozdělovací a regulační objekty
K rozdělení a regulaci průtoku mechanicky předčištěné odpadní vody do jednotlivých filtračních těles slouží rozdělovací a regulační šachtice. Rozdělovací šachtice umožňují regulaci průtoků na jednotlivé filtrační lože. Regulační šachtice slouží k udržování hladiny ve filtračních ložích. K regulaci výšky hladiny v kořenovém poli budou sloužit flexibilní hadice.
٠  Vegetace
Pro kořenové pole čistírny je navrženo osázení rákosem obecným /Phragmites australis/, dosahujícím výšky až 4 m. Hustota výsadby je 6-8 sazenic na čtvereční metr. Velký objem podzemních částí rákosů zajistí prorůstání celého profilu filtračního lože. Zvýšení estetické hodnoty je možno docílit osázením okrajových částí čistírny doprovodnými kvetoucími rostlinami, např. kosatcem žlutým /Iris pseudacorus/.
٠ Ochranné pásmo
Minimální vzdálenost vegetační kořenové čistírny od soustavné bytové zástavby se doporučuje 50 m.

Schéma uspořádání jednotlivých stupňů a konstrukční řešení vegetační kořenové je zobrazeno na obr.2

Obr. Schéma uspořádání jednotlivých stupňů čištění v KČOV

Obr. Konstrukční řešení vegetační kořenové čistírny