CZ2014669A3

CZ2014669A3 - Způsob odstraňování kontaminantů a sloučenin dusíku a fosforu z odpadní vody a kořenová čistírna k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ2014669A3
Application number: CZ2014-669A
Authority: CZ
Inventors: Petr Soudek; Tomáš Vaněk; Tereza Hudcová
Original assignee: Ústav experimentální botaniky AV ČR, v. v. i.; DEKONTA, a.s.
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-04-06
Also published as: CZ308297B6

Abstract

Řešení se týká způsobu odstraňování kontaminantů a sloučenin dusíku a fosforu z odpadní vody za pomoci rostlin, při kterém se jako čistící rostliny použijí okrasné rostliny, které se vyberou ze skupiny rostlin vhodných k řezu, zahrnující zejména astru čínskou (Callistephus chinensis), jiřinu (Dahlia sp.), kanu indickou (Canna indica), člunatec (Cymbidium sp.), střevíčkovec (Paphiopedilum sp.), růži (Rosa sp.), chryzantému (Chrysanthemum sp.), kosatec (Iris sp.), slunečnici (Helianthus annus), kornoutici africkou (Zantedeschia aethiopica), strelícii královskou (Strelitia reginae), toulitku (Anturium sp.) a balkonové rajče (Lycopersicon lycopersicum), jejichž kořenovým systémem se nechá odpadní vody čistit po dobu 2 až 3 týdnů. Čistírna je tvořená izolovanou nádrží (1, 11) naplněnou zrnitým substrátem (17), v němž jsou rostliny osazené a řádně zakořeněné s plošnou hustotou odpovídající nejvýše jejich přirozené plošné hustotě, a má přítok (16) kontaminované vody a odtok (15) přečištěné vody osazený s výhodou čerpadlem (3).

Description

Oblast techniky

Tento vynález se týká způsobu odstraňování kontaminantů a sloučenin dusíku a fosforu z komunální odpadní vody a kořenové čistírny k provádění tohoto způsobu, která je tvořena izolovanou nádrží vyplněnou zrnitým substrátem, ve kterém jsou osazené rostliny a která je vybavená přítokem znečistěné vody a odtokem vyčištěné vody.

Dosavadní stav techniky

S rozvojem průmyslu a nástupem jeho produktů začala nabývat na významu eutrofizace, která, na rozdíl od té přirozené, vzniká vlivem činností člověka tím, že narušuje koloběh dusíku a fosforu, což je odborníky považováno za jeden ze tří hlavních následků přetvarem Země lidmi, viz např. Vitousek P.M. (1994) Beyoud global warning: ecology and global change. Ecology 75,1861-1876.

Eutrofizace má mnoho negativních účinků na vodní ekosystémy. Snad nej viditelnějším důsledkem je šíření řas, které může proměnit vodu v kalně zelenou plochu pokrytou zelenou vrstvou řas. Tento zvýšený růst řas a také vodního plevele může snižovat kvalitu vody a je v rozporu s využitím vody pro rybolov, rekreaci, průmysl, zemědělství a jako pitné vody. Rozšíření řas má za následek úhyn rostlin a přemnožení bakterií rozkládajících tuto rostlinnou hmotu, při které bakterie spotřebovávají kyslík rozpuštěný ve vodě. Výsledkem pak muže být nedostatek kyslíku, který způsobuje úhyn ryb. Eutrofizace může vést ke ztrátě přírodních stanovišť, jako jsou úkryty z vodních rostlin ve sladkých a mořských vodách, a také korálových útesů podél tropického pobřeží. Eutrofizace také hraje roli při ztrátě vodní biodiverzity (Carpenter S„ Caraco N.F., Correll D.L., Howarth R.W., Sharpley A.N., Smith V.H. (1998) Nonpoint pollution of surface waters with phosphorus and nitrogen. Issues m

Ecology 3,1-12).

K narušení přirozeného kolobéhu fosforu a dusíku a k následnému hromaděni těchto prvku v podzemních a povrchových vodách dochází zejména kvůli vypouštění nevyčištěných splašků a kvůli vyplavováni nadbytečných živin ze suchozemského prostředí. Naprostá většina velkých čistíren odpadních vod v ČR není vybavena III. stupněm čištěni, ph kterem dochází k odstraňování anorganického fosforu. Zpráva integrovaného registru znečištění za rok 2004 uvádí, že 44, 5% hlášeného znečištěni vod fosforem pochází z kategorie nakládaní s odpady, tedy ze splašků, které obsahují množství fosfátů z pracích a mycích prostředků.

Údaje ze zprávy o Dunaji z roku 2005 říkají, že na celkovém umělém vstupu dusíku do Dunaje se podílí zemědělství 39 % a zdroje ze sídel 27 %. V případě fosforu připadá 53 % na zdroje ze sídel a 32 % na zemědělství, viz Hrázský Z., Šafarěíková S. (eds) (2006) Živiny v krajině. DAPHNE ČR - Institut aplikované ekologie, 1-16.

Přítomnost fosforu ve vodě není považována pro lidi i zvířata za přímo toxickou, a proto nebyly pro fosfor stanoveny žádné normy pro pitnou vodu. Jakákoli toxicita způsobená přítomností P ve sladké vodě je nepřímá, prostřednictvím stimulace toxických řas nebo v důsledku vyčerpání kyslíku. Naproti tomu znečištění dusičnany představuje přímé ohrožení zdraví člověka a dalších savců. Dusičnany ve vodě jsou při vysokých koncentracích toxické a jsou spojeny s toxickými účinky na hospodářská zvířata, a také s tzv. „Modráním kojenců“ (methemoglobinémie). EPA stanovila maximální limity pro dusičnany v pitné vodě na 10 miligramů na litr, aby ochránila děti mladší 3 až 6 měsíců věku. Tato věková skupina je nejvíce citlivá, protože bakterie, které žijí v trávicím traktu dítěte, mohou redukovat dusičnan na dusitan, který pak oxiduje hemoglobin a snižuje schopnost krve přenášet kyslík. U skotu může být dusičnan redukovaný na toxický dusitan a způsobovat podobné typy anémie stejně tak jako potraty. Úroveň 40-100 miligramů dusičnanů na litr pitné vody je v živočišné výrobě považována za rizikovou, pokud krmivo pro zvířata má nízký obsah dusičnanů a je obohacené vitaminem A (Carpenter S., Caraco N.F., Correll D.L., Howarth R.W., Sharpley A.N., Smith V.H. (1998) Nonpoint pollution of surface waters with phosphorus and nitrogen. Issues in Ecology 3,1-12).

Odstranění těchto kontaminantů je v poslední době hojně studováno. Zhang et al. (Zhang Z., Rengel Z., Meney K. (2008) Interactive effects of N and P on growth but not on resource allocation of Canna indica in wetland microcosms. Aquatic Botany 89, 317-323) se zabývali příjmem dusíku a fosforu v mokřadních mikrokosmech pomocí kaný. Stejně tak studovali Wu et al. (Wu H„ Zhang J„ Li C„ Fan J„ Zou Y. (2013) Mass balance study on phosphorus removal in constructed wetland microcosms treating polluted river water. Clean - Sod, Air, Water 41(9), 844-850) odstranění fosforu pomocí Trema orientalis, Phragmites australis, Schoenoplectus validus a Iris pseudacorus. Dynamika akumulace dusíku, fosforu a uhlíku ve filtračním materiálu horizontálního podpovrchového mokřadu osázeného převážně rostlinami Phragmites australis a Scirpus sylvaticus byla studována kolektivem autorů Vohla et al. (Vohla C„ Alas R., Nurk K„ Baatz S., Mander Ú. (2007) Dynamics of phosphorus, nitrogen and carbon removal in a horizontal subsurface flow constructed wetland. Science of the Total Environment 380, 66-74).

Žádná z citovaných studií však nevede k prakticky využitelnému a efektivnímu návrhu způsobu čištění a zařízení kjeho realizaci, které by navíc dovolilo ekonomické zhodnocení používaných rostlin.

Na druhou stranu jsou z praxe známé kořenové čistírny, které využívají pro čištění odpadních vod vhodné rostliny a jejich schopnost transportovat kontaminanty do svého organismu a zabudovat je do buněk. Jakmile tyto rostliny svoji čistící schopnost ztratí a odumřou, likvidují se.

Úkolem předloženého vynálezu je tedy popsané nedostatky stavu techniky odstranit a navrhnout takové řešení, kdy by použité rostliny plnily během svojí čistící funkce například i funkci dekorativního zahradního prvku a/nebo přinášely ekonomický efekt.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky stavu techniky do značné míry odstraňuje a vytčený úkol řeší způsob odstraňování kontaminantů a sloučenin dusíku a fosforu z odpadní vody za pomoci rostlin podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se jako rostliny použijí okrasné rostliny.

Podle vynálezu je výhodné, vyberou-li se okrasné rostliny ze skupiny zahrnující např. astru čínskou (Callistephus chinensis), jiřinu (Dahlia sp.), kanu indickou (Canna indica), člunatec (Cymbidium sp.), střevíčkovec (Paphiopedilum sp.), růži (Rosa sp.), chryzantému (Chrysanthemum sp.), kosatec (Iris sp.), slunečnici (Helianthus annus), komoutici africkou (Zantedeschia aethiopica), strelícii královskou (Strelitzia reginae), toulitku (Anturium sp.) a keříčkové balkónové rajče nebo ráče býčí srdce (Lycopersicon lycopersicum).

Jako rostliny pro realizaci způsobu se tak použijí okrasné rostliny, jejichž prodej může generovat ekonomický profit.

Jako nádrž, v níž probíhá odstraňování sloučenin dusíku a fosforu a dalších kontaminantů z kontaminované vody, lze použít jakýkoliv vhodný kontejner splňující odpovídající technické parametry, v němž lze uvedené rostliny pěstovat.

S výhodou lze použít kořenovou čistírnu, která sestává z jednotlivých kontejnerů, např. 12 kontejnerů o celkovém objemu 0,8 m³, naplněných Keramzitem o běžné zrnitosti 5-20 mm, nebo může být tvořena jednotlivými kontejnery s otvory pro hydroponické košíčky naplněné Keramzitem o běžné zrnitosti 5-20 mm.

U způsobu čištění podle vynálezu je vhodné, aby proudění kontaminované vody probíhalo vertikálně, tj. kontaminovaná voda se přiváděla na vrchní stranu kořenového systému rostlin a voda vyčištěná se odváděla zdola.

Kořenová čistírna na odstraňování kontaminantů a sloučenin dusíku a fosforu z odpadních vod podle vynálezu má izolovanou nádrž naplněnou zrnitým substrátem, ve kterém jsou osazené rostliny, a je vybavená přítokem kontaminované odpadní vody a odtokem přečištěné vody a její podstata spočívá v tom, že rostliny jsou řádně zakořeněné okrasné rostliny.

Podle vynálezu je výhodné, je-li nádrž čistírny tvořená kontejnerem nebo soustavou kontejnerů.

Nádrž čistírny může být také tvořená umělou lagunou vyloženou geotextilií a nepropustnou fólií, která je v oblasti dna pokrytá pod zrnitým substrátem vrstvou říčního písku.

Je výhodné, je-li plocha osázená okrasnými rostlinami nejvýše plocha nádrže a plošná hustota rostlin odpovídá nejvýše jejich přirozené plošné hustotě.

Podle vynálezu je výhodné, je-li zrnitý substrát tvořený Keramzitem o zrnitosti 5-20 mm, který je prorostlý kořeny rostlin a obsahuje přirozeně se vyskytující symbiontní mikroorganismy těchto rostlin. Vrstva zrnitého substrátu má s výhodou hloubku alespoň 70 cm.

Výhodné je, je-li odvod přečištěné vody uspořádaný v horizontálním odstupu od přívodu kontaminované vody a vertikálně pod jeho úrovní. Odvod přečištene vody muže byt osazeny čerpadlem pro přečerpávání přečištěné vody zpět do přívodu nebo odčerpávání vyčištěné vody.

Jako okrasné rostliny se podle vynálezu s výhodou použijí rostliny vhodné k řezu a prodeji.

Je samozřejmé, že okrasné rostliny se nechají řádně zakořenit v čisté vodě a ponechá se čas pro vytvoření potřebné mikroílóry na kořenovém systému rostlin. Pro správné zakořenění rostlin je doporučeno vysadit rostliny tak, aby vodní hladina nebyla výše než kořeny. Pouze řádně zakořeněné rostliny mohou účinně pracovat. Doba od vysazení rostlin po spuštění čistícího procesu je závislá na klimatických podmínkách a obsahu dalších kontaminantů ve vodě, které mohou proces ovlivňovat.

Kořenová čistírna bez řádně zakořeněných rostlin a ustaveného vztahu mezi rostlinami a mikroflórou nemůže efektivně pracovat. Takto vytvořená čistírna je schopná provozu celoročně, pokud je provozována v temperovaném skleníku, i když v zimních měsících dochází vlivem poklesu slunečního osvitu k poklesu účinnosti a výnosu řezaných květin.

Pro správnou funkci čistírny je nezbytné znát charakteristiky kontaminované vody a obsah kontaminantů, protože účinnost systému je závislá na výchozích hodnotách koncentrací látek obsažených ve vodě. Z tohoto důvodu se v průběhu čistění udržuje pH v rozmezí 7-8. Při překročení mezních hodnot může dojít ke snížení účinku čištění nebo v krajním připadne k odumření rostlin.

Přehled obrázků na výkresech

Pro snazší pochopení bude vynález v následujícím textu podrobněji popsán a vysvětlen za pomoci příkladů a připojených výkresů, na kterých představuje:

obr. 1 - schéma uspořádání kořenové čistírny vybavené čerpadlem a zásobní nádrži, obr. 2a - schematický pohled na kořenovou čistírnu provedenou jako umělá laguna shora, obr. 2b - podélný vertikální řez kořenovou čistírnou z obr. 2a a obr. 2c - příčný vertikální řez kořenovou čistírnou z obr. 2a vedený v rovině procházející trubkou pro odvod vody.

Příklady provedení vynálezu Příklad 1

Odstraňování kontaminantů (nutrientů) v laboratorním měřítku

V laboratorních podmínkách se odstraňování sloučenin dusíku a fosforu z kontaminované směsi provádí tak, že se k živnému mediu přidá roztok dusíkatých nebo fosfátových solí obvykle v sadě koncentrací do jejich konečné koncentrace pokrývající rozpětí pětinásobku běžné koncentrace v živném médiu (viz. tabulka č.l). Bylo zjištěno, že sloučeniny dusíku a fosforu jsou efektivně akumulovány v hydroponických kulturách vyšších rostlin jako např. Canna Míca nebo Lycopmicon lycopersieum v průběhu několika dní.

Tabulka č.l: Pětinásobek koncentrace sloučenin dusíku a fosforu v živném mediu.

sloučenina	[g/l]
NaH₂PO₄.2H₂O	1,67
Na₂HPO₄ · 12H₂O	0,27________
NaNO₃	1,94
NH₄C1	1,33
NH4NO₃__________	0,91

Příklad 2

Odstraňování kontaminantů (nutrientů) ve velkém měřítku

Odstraňování sloučenin dusíku a fosforu ve velkém měřítku se provede tak, že se jako nádrž 1 čistírny připraví 12 kontejnerů o celkovém objemu 0,8 m³ s výpustnými ventily nezbytnými pro výměnu vody, naplněných zrnitým substrátem 17, např. Keramzitem o zrnitosti 5-20 mm a osázených okrasnými rostlinami a zásobní nádrž 2 vody o objemu 1 m . Po zakořenění rostlin v čisté vodě po dobu minimálně jednoho měsíce byla k rostlinám přičerpávána čerpadlem 3 voda ze zásobní nádrže 2 o celkovém objemu 0,26 m³ rychlostí 0,1 m³/h s kontaminací, a to ve výchozí koncentraci 20 - 80 mg/1 dusičnanů, 3-12 mg/1 amonných iontů a 2 - 5 mg/1 fosforečnanů, a to na povrch kontejneru. Vyčištěná voda byla odváděna ze dna kontejneru zpět do zásobní nádrže 2. Po jednom dnu byla koncentrace látek v kontejneru čistírny resp. nádrži 1 a v zásobní nádrži 2 vyrovnaná a v následujících týdnech dochází k jejímu snižování. Kontaminující látky byly z kontaminované vody zcela odstraněny v průběhu jednoho týdne.

Příklad 3

Odstraňování kontaminantů (nutrientů) ve velkém měřítku v umělé laguně.

Odstraňování sloučenin dusíku a fosforu ve velkém měřítku v umělé laguně 1_£, jejíž příklad provedení ukazují obrázky 2a až 2c, se provede tak, že se připraví jáma o rozměrech (š/d/h) 3 x 5 x 0,5 (0,8) m a objemu cca 10 m³ se svažujícím se dnem od hloubky 0,5 do 0,8 m. Ta se vystele geotextilií 12 a fólií 13 pro zahradní jezírka, dno se převrství 70 až 100 mm říčního písku 14, ustaví se plastové přívodní a odběrové trubky přítoku resp. odtoku 16,15 o průměru 0,5 m pro promíchávání a čerpání vody a pak se umělá laguna H naplní substrátem 17, např. Keramzitem o zrnitosti 5-20 mm, a osází okrasnými rostlinami, které nejsou na obrázcích znázorněny. Po zakořenění rostlin v čisté vodě po dobu minimálně jednoho měsíce byla voda vyčerpána a k rostlinám přičerpána kontaminovaná voda o celkovém objemu 3 m s kontaminací ve výchozí koncentraci 20 - 80 mg/1 dusičnanů, 3-12 mg/1 amonných iontů a 2 - 5 mg/1 fosforečnanů. Každý den byla voda promíchávána ponorným čerpadlem 3 uloženým v plastové odběrové trubce odtoku 15 o průměru 0,5 m tak, aby voda kontaminovaná byla přiváděna na povrch a voda vyčištěná odváděna ze dna laguny 11Kontaminující látky byly z kontaminované vody zcela odstraněny v průběhu jednoho týdne.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob odstraňování kontaminantů a sloučenin dusíku a fosforu z odpadní vody za pomoci rostlin, vyznačující se tím, že se jako čistící rostliny použijí okrasné rostliny, jejichž kořenovým systémem se nechá kontaminovaná voda čistit nebo cirkulovat po dobu 2 až 3 týdnů v závislosti na výchozích koncentracích polutantů a požadovaných výstupních koncentracích, načež se po vyčištění voda odpustí.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se jako rostliny použijí čerstve vysazené okrasné rostliny nebo okrasné rostliny, které již byly k čištění použity, ale stále ješte jsou schopné kontaminovanou vodu čistit, které se vyberou ze skupiny zahrnující zejména astru čínskou (Callistephus chinensis), jiřinu (Dahlia sp.), kanu indickou (Canna Mica), člunatec (Cymbidium sp.), střevíčkovec (Paphiopedilum sp.), růži (Rosa sp.), chryzantému (Chrysanthemum sp.), kosatec (Iris sp.), slunečnici (Helianthus annus), komoutici africkou (Zantedeschia aelhiopica), strelícii královskou (Strelilzia reginae), toulitku (Aniurium sp.) a balkónové rajče (Lycopersicon lycopersicum).
3. Kořenová čistírna k odstraňování kontaminantů a sloučenin dusíku a fosforu z odpadni vody, která má izolovanou nádrž (1; 11) naplněnou zrnitým substrátem (17), ve kterém jsou osazené rostliny, a je vybavená přítokem (16) odpadní kontaminované vody a odtokem (15) přečištěné vody, vyznačující se tím, že rostliny jsou řádně zakořeněné okrasné rostliny.
4. Kořenová čistírna podle nároku 3, vyznačující se tím, že nádrž (1) je tvořená kontejnerem nebo soustavou kontejnerů.
5. Kořenová čistírna podle nároku 3, vyznačující se tím, že nádrž (1) je tvořena umelou lagunou (11) vyloženou geotextilií (12) a nepropustnou fólií (13), která je v oblasti dna pokrytá pod zrnitým substrátem (17) vrstvou říčního písku (14).
6. Kořenová čistírna podle nároků 3 až 5, vyznačující se tím, že plocha osázená okrasnými rostlinami je nejvýše plocha nádrže (1; 11) a plošná hustota rostlin odpovídá nejvýše jejich přirozené plošné hustotě.
7. Kořenová čistírna podle nároků 3 až 6, vyznačující se tím, že zrnitý substrát (17) o zrnitosti 5-20 mm, s výhodou Keramzit, je prorostlý kořeny rostlin a obsahuje přirozeně se vyskytující symbiontní mikroorganismy těchto rostlin.
8. Kořenová čistírna podle kteréhokoli z nároků 3 až 7, vyznačující se tím, že propustná vrstva zrnitého substrátu (17) má s výhodou hloubku alespoň 70 cm.
9. Kořenová čistírna podle nároků 3 až 8, vyznačující se tím, že odtok (15) přečištěné vody je uspořádaný v horizontálním odstupu od přítoku (16) kontaminované vody a vertikálně pod jeho úrovní.
10. Kořenová čistírna podle nároků 3 až 9, vyznačující se tím, že odtok (15) přečištěné vody je osazený čerpadlem (3) pro přečerpávání přečištěné vody zpět do přítoku (16) nebo odčerpávání vyčištěné vody.
11. Kořenová čistírna podle nároků 3 až 10, vyznačující se tím, že použité okrasné rostliny jsou rostliny vhodné k řezu a následnému prodeji.