Kořenové čistírny

stručný průvodce technologií

mokřad - orobinec
mokřad - orobinec 3
kořenová čistírna - orobinec

Kořenové čistírny (lépe mokřadní / vegetační čistírny) jsou uměle vytvořené mokřadní biotypy určené pro čištění odpadních vod různého druhu.

Přirozené (přírodní) mokřady po staletí zajišťovaly čištění odpadních vod samy o sobě. Nicméně první mokřadní čistírna, která byla opravdu navržena za tím účelem, je až z roku 1901 z USA.

Počátky technologie jako takové jsou ale starší a sahají do Německa padesátých let. Tam,  při svých výzkumech na institutu Maxe Plancka, zjistila Kathe Seidel, že rostlina Schoenoplectus lacustris má schopnost odstraňovat organické i anorganické látky z kontaminované vody. Další studie prováděné Reinholdem Kickuthem v 60. letech daly základ konceptu tzv. metody čištění pomocí kořenové zóny (root zone method / process – více info zde a zde). Tyto studie zároveň vedly k prvním mokřadním systémům instalovaným v Německu v 70. letech a ve Velké Británii v letech 80.

Ačkoli je technologie kořenových čistíren odpadních vod poměrně jednoduchá, tak může poskytnout obdobné výsledky jako konvenční tzv. strojní čistírny. Kořenové čistírny nejsou totiž ze své podstaty nic jiného než biofilmový reaktor, který má však mnohem komplexnější ekosystém bakterií a jiných organismů podílejících se na čištění vody. Základním principem kořenových čistíren je tedy odstraňování znečištění pomocí bakterií žijících přisedle na filtračním materiálu. Kromě biologickcých procesů zde fungují také fyzikální (filtrace) a chemické (absorpce) procesy čištění vody.

Jedna z hlavních výhod tohoto systému čištění odpadní vody je, že ke svému provozu potřebuje velmi málo elektrické energie a často je dokonce možné takovou čistírnu provozovat úplně bez elektrické energie. Díky tomu, a díky nízkým nárokům na provoz a údržbu, jsou provozní náklady kořenových čistíren mnohem nižší než u konvenčních systémů.

Rozdělení kořenových čistíren

Kořenové čistírny se běžně dělí dle druhu rostlin, výskutu (hladiny) vody a směru jejího proudění. Bližší vysvětlení tohoto dělení naleznete níže.

dle druhu rostlin

s vynořenými rostlinami

kořenová čistírna s vynořenými rostlinami

Jedná se o nejběžnější druh kořenových čistíren jak v ČR tak i ve světě. Rostliny jsou zasazeny ve filtračním materiálu nebo substrátu a podstatná část rostliny vyčnívá nad povrch filtračního lože, případně nad povrch vodní hladiny.

s ponořenými rostlinami
kořenová čistírna s ponořenými rostlinami

Tento typ kořenových čistíren není příliš běžný a v podstatě se s ním v České republice nesetkáme v případech čištění komunálních vod. V širším slova smyslu je však takovou mokřadní čistírnou spousta rybníků a tůní, kde se vyskytují tyto druhy rostlin.

s plovoucími rostlinami

kořenová čistírna s plovoucími rostlinami

Kořenové čistírny s plovoucími rostlinami se vyskytují v podstatě jen v tropických a subtropických oblastech, ale ani v těchto oblastech nejsou nijak často zastoupeny. Z hlediska provozu a účinnosti se však dosud nepodařilo tomuto typu překonat běžné kořenové čistírny s vynořenými rostlinami.

dle vodní hladiny

s volnou hladinou

kořenové čistírny s volnou hladinou

Kořenové čistírny s volnou hladinou jsou nejpodobnější přirozeným mokřadům a běžným českým rybníkům. Tento typ je možné kombinovat se všemi druhy rostlin (viz rozdělení výše). Použí mokřadů s volnou hladinou je velmi různorodé a kromě sekundárního a zejména terciárního čištění odpadní vody se používají pro čištění srážkových vod, důlních vod, splachů ze zemědělských ploch a různých dalších průmyslových činností. Mokřady s volnou hladinou patří mezi nejvíce extenzivní typy kořenových čistíren a bez použití provzdušňování nebo jiných intenzifikačních metod jsou tedy  tyto mokřadní čistírny nejvíce náročné na plochu.

s podpovrchovým průtokem
kořenové čistírny s podpovrchovým průtokem

Kořenové čistírny s podpovrchovým průtokem jsou nejrozšířenějším typem mokřadních čistíren jak ve světě, tak v České republice. Voda zde protéká pouze pod povrchem filtrační náplně a není zde tedy otevřená vodní hladina. To je důležité zejména z hygienických a estetických důvodů. Odpadá zde také problém s případným množením komárů a jiných nežádoucích druhů organismů. Jasnou výhodou je také velký užitečný povrch filtrační náplně pro nárůst biofilmu. Kořenové čistírny s podpovrchovým průtokem mají tedy většinou větší účinnost než mokřady s volnou hladinou.

dle směru průtoku vody

s horizontálním průtokem

Kořenová čistička FYTOHOR

Kořenové čistírny s horizontálním průtokem jsou nejrozšířenějším typem kořenových čistíren jak u nás, tak ve světě. Je to dáno také tím, že u mokřadů s volnou hladinou (ať už s jakýmkoli druhem rostlin) se v podstatě jiný směr proudění vody nevyužívá (ze zcela praktických důvodů nesmyslné realizace takového záměru bez efektu). Problém u horizontálního proudění vody mokřadem je zejména v zajištění co nejvíce uniformního rozdělení (laminárního proudění) vody na přítoku i na odtoku (viz obrázek na pozadí). V opačném případě může docházet k vytváření tzv. zkratových proudů, které snižují dobu zdržení vody v nádrži a tedy i účinnost čištění. Druhým problémem je vysoké počáteční zatížení znečištění pouze na malé části z celkové plochy filtru (na přítoku v rozvodné zóně), což může vyvolat problémy se zanášením filtrační náplně.

s vertikálním průtokem
Kořenová čistička FYTOVER

Vertikální proudění vody je možné v podstatě jen u podpovrchově protékaných filtrů s vynořenými rostlinami. Proudění je možné oběma směry, tedy shora dolů i zdola nahoru, ale první způsob je častější. U tzv. přílivových kořenových čistíren je možno identifikovat oba dva směry proudění. Filtrační pole kořenové čistírny může být prosté souvislé vodní hladiny i plně zatopené, přičemž první možnost je opět častější a plně zatopené vertikálně průtočné filtrační pole lze nalézt v podstatě jen u aktivně provzdušňovaných kořenových čistíren. Absence souvislé vodní hladiny totiž umožňuje mnohem lepší přístup vzduchu do volných pórů ve filtrační náplni a díky tomu i účinnější čištění odpadní vody. Vertikální proudění většinou vyžaduje tzv. dávkové napouštění vody na rozdíl od kontinuálního přítoku u kořenových čistíren s horizontálním prouděním. Voda je pomocí rozvodného potrubí distribuována po celé ploše filtračního pole kořenové čistírny a u dna (případně při povrchu) sbírána drenážním odtokovým potrubím.

Výše uvedené rozdělení typů kořenových čistíren dle třech základních hledisek, lze samozřejmě dále kombinovat a získat tak velký počet různých druhů kořenových čistíren. V následující sekci tedy uvádíme základní přehled těchto různých druhů kořenovek.

druhy kořenových čistíren

Kořenová čistička FYTOHOR

kořenová čistírna s horizontálním podpovrchovým průtokem (horizontal subsurface flow wetland)

  • Jedná se o nádrž izolovanou od okolí vyplněnou filtračním materiálem (štěrkem různých frakcí) a osázenou mokřadní vegetací.
  • Využívá se zejména pro sekundární (za předčištěním) nebo terciární (dočištění) čištění odpadní vody (V podmínkách ČR však již často nevyhovuje normám).
  • Pracuje zejména v anaerobním režimu – aerobní prostředí je omezené -> nitrifikace většinou nedostatečná. Snížení celkového dusíku je malé. Redukce organických a nerozpuštěných látek je většinou bezproblémová.
  • Vyžaduje dobré předčištění např. v septiku, anaerobním reaktoru apod.
  • Voda natéká do filtru kontinuálně a protéká horizontálně se stálou hladinou vody 5-10 cm pod povrchem štěrku.
  • Je to relativně jednoduchý typ k výstavbě a provozu bez potřeby elektrické energie.
  • Vyžaduje minimálně 5-10 m² na jednoho ekvivalentního obyvatele (EO).

Kořenová čistička FYTOVER

kořenová čistírna s vertikálním podpovrchovým průtokem (vertical subsurface flow wetland)

  • Jedná se o nádrž izolovanou od okolí vyplněnou filtračním materiálem (štěrkem různých frakcí) a osázenou mokřadní vegetací.
  • Využívá se zejména pro sekundární (za předčištěním) nebo terciární (dočištění) čištění odpadní vody.
  • Pracuje v aerobním režimu -> možná úplná nitrifikace. Bez následné denitrifikace není možné významně redukovat celkový dusík. Snížení organických i nerozpuštěných látek je většinou výborné.
  • Vyžaduje dobré předčištění např. v septiku, anaerobním reaktoru apod.
  • Voda je rozváděna po celém povrchu filtračního pole a je dávkována (nenatéká kontinuálně). Voda se dávkuje buďto pomocí speciálních výpustí (sifon, plovák), nebo pomocí čerpadla.
  • Bez potřeby elektrické energie pouze při dostatečném převýšení mezi nátokem z předčištění a výtokem z filtračního pole (min. cca 1,5 m).
  • Je to složitější typ k výstavbě, ale stále jednoduchý k provozu i při použití čerpadla (minimální spotřeba el. energie).
  • Vyžaduje 3-4 m² na jednoho EO pro běžné komunální vody.
kořenová čistírna s volnou hladinou

kořenová čistírna s volnou hladinou (free surface flow wetland)

  • Jedná se o nádrž izolovanou od okolí s volnou hladinou vody (tedy bez filtračního materiálu) a osázenou mokřadní vegetací.
  • Využívá se zejména pro sekundární (za předčištěním) nebo terciární (dočištění) čištění odpadní vody.
  • Pracuje v různých režimech dle hloubky vody. Mělké nádrže (do 30 cm) mají dobrý aerobní režim. V hloubce a u dna ve všech případech je režim hlavně anaerobní. Snížení organických i nerozpuštěných látek je většinou výborné.
  • Je možno účinně odstraňovat i fosfor bez použití speciálního filtračního materiálu nebo chemického srážedla. Je k tomu potřeba akorát dostatečná plocha mokřadu.
  • Voda natéká do mokřadu kontinuálně a protéká horizontálně.
  • Je to relativně jednoduchý typ k výstavbě a provozu bez potřeby elektrické energie.
  • Vyžaduje minimálně 10 m² na jednoho ekvivalentního obyvatele (EO).
  • Je to obdoba stabilizačních / biologických nádrží. Parametry však většinou bývají jiné.
  • Hojně je tento typ kořenové čistírny v různých modfikacích využíván zejména pro čištění průmyslových odpadních vod.
  • Speciálním typem je tzv. integrovaná mokřadní čistírna (viz níže).
hybridní kořenová čistírna

hybridní kořenové čistírna (hybrid constructed wetland)

  • Jedná se o nádrže izolované od okolí a (ne)vyplněné filtračním materiálem (štěrkem různých frakcí) a osázené mokřadní vegetací.
  • Využívá se zejména pro sekundární (za předčištěním) nebo terciární (dočištění) čištění odpadní vody.
  • Hybridní kořenové čistírny jsou tvořeny různou kombinací výše (někdy i níže) uvedených kořenových čistíren. Jsou tedy kombinací všech jejich výhod, aby bylo možno dosáhnout co nejvyšší účinnosti kořenových čistíren kombinací různých procesů.
  • Nejčastější kombinace bývá využití filtračního pole s vertikálním průtokem (aerobní režim -> nitrifikace) doplněného filtr. polem s horizontálním průtokem (anaerobní režim -> denitrifikace). Je možné ještě zařadit i mokřad s volnou hladinou pro dočištění, nebo jím úplně nahradit filtr. pole s horizontálním průtokem.
  • Méně časté je využití obrácené (tedy horizontální průtok -> vertikální průtok), protože pro dobrou účinnost této hybridní čistírny při odstraňování dusíku je potřeba recirkulovat odpadní vodu. V České republice se však bohužel, zcela nesmyslně, navrhuje tento typ bez potřebné recirkulace.
  • Bez potřeby elektrické energie pouze při dostatečném převýšení mezi nátokem z předčištění a výtokem z filtračního pole (min. cca 1,5 m).
  • Je to složitější typ k výstavbě, ale stále jednoduchý k provozu i při použití čerpadla (minimální spotřeba el. energie).
  • Potřebná plocha se různí – obecně však platí, že je vždy menší než prostý součet ploch uvedených typů čistíren.
Kořenová čistička FYTOFRAN

francouzský systém kořenové čistírny (french system reed beds)

  • Jedná se vlastně o speciální typ čistírny s vertikálním průtokem, kdy jsou filtrační pole s různou frakcí štěrku zařazena za sebou.
  • Je to jeden z mála typů kořenových čistíren, který nepotřebuje žádné předčištění (vyjma česlí), protože první filtrační pole fungují zároveň jako vegetační kalová pole.
  • Na začátku jsou zařazena 2 – 3 pole s hrubším štěrkem, které se pravidleně střídají v provozu po 3 – 7 dnech. Pak následují 2 filtrační pole, které jsou již klasické s jemným filtračním materiálem. Tyto pole se také pravidelně střídají v provozu.
  • Voda je rozváděna po celém povrchu filtračního pole a je dávkována (nenatéká kontinuálně). Voda se dávkuje buďto pomocí speciálních výpustí (sifon, plovák), nebo pomocí čerpadla.
  • Bez potřeby elektrické energie pouze při dostatečném převýšení mezi nátokem z předčištění a výtokem z filtračního pole.
  • Vyžaduje 2-3 m² na jednoho EO pro běžné komunální vody.

aktivně provzdušňovaná kořenová čistírna

aktivně provzdušňovaná kořenová čistírna (activly aerated / forced aeration wetland)

  • Jedná se o nejmodernější typ kořenové čistírny, který se ve své podstatě již velmi blíží konvečním způsobům čištění.
  • Možností návrhu je vícero a často jsou v dnešní době patentově chráněné.
  • Je to nejúčinější typ z hlediska redukce organického znečištění a amoniakálního dusíku. Pro odstraňování celkového dusíku se dá provzdušňování nastavit tak, aby docházelo i k denitrifikace (rozdělení na zóny, případně provoz jako sequenced batch reactor reaktor).
  • Provzdušňovat je možné filtrační pole s horizontálním i vertikálním (v případě zatopení) průtokem i s volnou hladinou.
  • Vždy vyžaduje elektrickou energii pro provoz dmychadel (popřípadě větrnou). Spotřeba energie je však nižší než u aktivačního procesu (cca 0,1-0,2 kWh/m3 oproti 0,6 kWh/m3).
  • Je to složitý typ pro návrh i výstavbu – není vhodný pro svépomocnou realizaci ani nezkušené firmy.
  • Vyžaduje cca 0,5 m² na jednoho EO pro běžné komunální vody.

přílivová kořenová čistírna

přílivová kořenová čistírna (tidal flow / fill and drain wetland)

  • Velmi moderní typ kořenové čistírny s vysokou účinností a tedy i s potřebou malé plochy.
  • Čistírna pracuje v cyklu, kdy jsou střídavě zaplavována dvě filtrační pole. Tím dochází k provzdušňování filtračního materiálu a k řízenému hladovění bakterií a zejména ke střídání biochemickým procesů (aerobní / anaerobní prostředí)
  • Možností návrhu je vícero a často jsou v dnešní době patentově chráněné.
  • Velmi vysoká účinnost z hlediska odstraňování dusíku i organického znečištění.
  • Vždy vyžaduje elektrickou energii pro provoz čerpadel. Spotřeba energie je však nižší než u aktivačního procesu (cca 0,1-0,2 kWh/m3 oproti 0,6 kWh/m3) – více zde.
  • Je to složitý typ pro návrh i výstavbu – není vhodný pro svépomocnou realizaci ani nezkušené firmy.
  • Plocha není v současné době nijak přesně stanovena, ale je možno se pohybovat pod 1 m2.
kořenová čistírna s vynořenými rostlinami

integrovaná mokřadní čistírna (integrated constructed wetland)

  • Jedná se o nádrže izolované od okolí pokud možno pouze místním materiálem a osázenou mokřadní vegetací (bez filtrační náplně).
  • Využívá se zejména pro primární a sekundární čištění odpadní vody.
  • Ze všech různých typů kořenových čistíren se nejvíce blíží přirozeným mokřadům, respektive simuluje zejména litorální pásmo nádrží a vodních ploch.
  • Funguje v anaerobním i aerobním režimu díky malé hloubce vody (max. 30 cm).
  • Voda natéká do filtračního pole kontinuálně.
  • Bez potřeby elektrické energie .
  • Je to realitivně jednoduchý typ pro výstavbu za použití místních materiálů.
  • Vyžaduje 15-20 m² na jednoho EO pro běžné komunální vody.