Předčištění a úprava vysoce zatížené povrchové vody z komunikací. Několikastupňový postup ze Švýcarska

11. 9. 2013

Lamelový odlučovač a vrstva písku slouží k oddělení částic. Adsorbční vrstva slouží k zadržení rozpuštěných těžkých kovů, a je umístěna pod písčitou vrstvu a spočívá v jedné části SABA s Ferosorpu (hydroxid železitý), v jiné ze zeolitu. Je nutné rozdělení do dvou nádrží, protože zeolit nemůže být používán v zimě, jelikož při zvýšeném obsahu soli v povrchových vodách z komunikací opět uvolňují předtím sorbované těžké kovy. K ověření výkonnosti jednotlivých stupňů postupu u jedné ze tří typově stejných SABA provedeno monitorováním.

Úvod

Povrchová voda z velmi frekventované silnice je nadměrně zatížena škodlivými látkami. U rozšířených staveb dálnic musí být proto zacházeno s povrchovými vodami z komunikací, dříve než je odtok odveden a zasakován. Dnes je ve Švýcarsku na to často využito zarostlých retenčních filtrů. Povrchová voda z komunikací je čištěna tímto procesem tak, že protéká humózní vrstvou z porostlé vrchní vrstvy. Humózní vrstva spojuje více mechanismů pro zadržení škodlivých látek, jako filtrace a adsorpce nebo případně biologický rozklad. Proto je humózní vrstva účinnou bariérou pro znečištěnou povrchovou vodu z komunikací. Nevýhodou porostlých retenčních filtračních nádrží je však malá odvodňovací schopnost od 1 do 2 litrů na čtvereční metr za minutu, což podmiňuje větší oblast vsakování. Větší vsakovací plochy nejsou však u hodně projektů výstavby dálnic dostupné. Proto musí být použito vysoce zatížené postupy nebo bariérové systémy. V porovnání k přirozeným procesům jako např. porostlé retenční filtrační nádrže, umožňují vysoce zatížené postupy vyšší specifické hydraulické zpracování a potřebují k tomu menší plochu. Avšak dnes ještě není prokázána jejich výkonnost při odstraňování škodlivých látek ve vysoko technickém zařízení. Náš článek popisuje nové technické kombinace postupů, jejich vědecké základy a také jejich monitorování k přezkoušení.

Povrchová voda z komunikací

Povrchová voda z komunikací s frekventované silnice obsahuje mnohé škodlivé látky, které mají při zaústění do recipientu za následek problematické důsledky pro životní prostředí. Hlavní škodlivé látky jsou těžké kovy (zinek, olovo, měď, kadmium, chrom) a polycyklické aromatické uhlovodíky (PAK). Většina částí těchto látek je uložena na částečky a jen relativně malá část se nachází v rozpuštěné formě (Tab.1). Hlavní pozornost čištění povrchových vod z komunikací spočívá tedy na oddělení (separaci) částic (sedimentace / filtrace). Z dodatečným zadržením především rozpuštěných těžkých kovů a látek díky adsorpci nebo biologickému odbourání je dosažen další čistící efekt. Nápor škodlivých látek v povrchových vodách, který je třeba zpracovat v zařízení (úpravně) povrchových vod (SABA), ukazuje zřetelné rozdíly v časovém průběhu. Je proto nezbytné, pokud možno veškeré spadlé srážky v zájmové oblasti upravovat v zařízení. Realizované zařízení v Kanton Uri přibližně zpracuje 95% veškerých srážek.

Základní uspořádání zařízení

Tyto 3 zařízení (obr. 1) jsou uspořádány novou kombinací postupu, která byla vyvinuta díky firmě André Rotzetter + Partneři AG (Baar, Švýcarsko) (obr.2). Tří stupňová kombinace postupu se skládá z  oddělení částic a adsorpční vrstvy, které je realizováno ve 2 krocích. Oddělení částic nastává jednak v lamelovém odlučovači a na druhé straně v pískové vrstvě. Rozpuštěné těžké kovy jsou zdržovány aktivní adsorpční vrstvou, která je vložena pod vrstvu písku. V usazovací nádrži se zadržují větší usaditelné částice (>20-30µm) ale stejně jako olej a jiné plovoucí látky. Tím je následující retenční filtrační nádrž chráněna před častému zanášení (kolmatování). Druhá retenční filtrační nádrž, která je skládána z jedné kombinované pískové- a adsorpční vrstvy, filtruje drobné částečky (<20 µm) z povrchových vod a adsorbuje rozpuštěné látky. Retence v této nádrži, která vzniká díky filtračnímu odporu, redukuje hydraulické zatížení odtoků. Akumulace vody k tomu umožňuje úpravu většího množství vody. V obou retenčně filtračních částí nádrží je nastaveno vypouštění, které naběhne u kompletně naplněné nádrže. V tomto případě přetížení, je vypouštěná voda vyčištěná už jen díky činnosti sedimentace v lamelovém odlučovači. Odtok usazovací nádrže a retenčně filtrační nádrže je dálkově řízen, automatickým uzavíratelným ventilem, aby zachytil možné množství (Leckamengen) z rušivého pádu (Störfällen).

Usazovací nádrž

První čistící stupeň je oddělení částic v usazovací nádrži, kombinované s oddělením plovoucích látek. Částice povrchových vod z komunikací jsou těžce usaditelné (obr.3). Zvláště částice zatížené škodlivými látkami mají uspořádání podle velikosti pod 60µm. K usazení těchto jemných částic, je potřeba dosáhnout zatížení povrchu v usazovací nádrži v okolí v rozsahu pod 1 m/h. Zařízení se zatížením povrchu >10 m/h (běžný odlučovač oleje) jsou neúčinné pro zadržování zatížení škodlivých látek částic. Protože prostor třetího zařízení bylo silně omezeno, byla usazovací nádrž vyrobena z betonové konstrukce a vybavena lamelovými svazky (obr. 4 a  5). Lamely zvětšují účinnou usazovací plochu nádrže a snižují tím povrchové zatížení zhruba o desetinásobek. Výkonnost nádrže je tím podobná 10x většímu povrchu vody. Voda protéká zdola nahoru v 60° sklonu lamelových úrovní. Lamelové výplni je tímto zkrácena usazovací cesta pevných látek, protože ty musí klesat až do jednotlivých lamelových úrovní, aby byly zadrženy. Usazený kal je periodicky odtažen sacím vozem a zlikvidován. Voda, která protékala lamelami, je následně v perforovaném odtokovém potrubí zachycena a dále vedena k následující retenčně-filtrační nádrží.

Retenční filtrační nádrž

Druhý čistící stupeň zařízení je zadržení částic v retenční filtrační nádrži (obr. 6 a  7). Částice, které prošly k usazovací nádrži, mohou být zadrženy už jen ve filtraci. V každém zařízení byly zhotoveny dvě retenční filtrační nádrže. Obě nádrže můžou být provozovány buď společně, nebo každá jednotlivě. Skladba filtru se skládá z písku, adsorpčního materiálu a povrchové vrstvy z drti (obr. 8). Zadržení částic probíhá hlavně na povrchu filtru. Nejvyšší vrstva odfiltruje většinu částeček a musí být odpojena (oloupána) a čištěna po 3-4 letech. Jemnější částice jsou zadržovány v horní oblasti vrstvy písku. Pro zařízení v Kanton Uri byl použit lapák písku se zrnitostí od 0-4mm (obr. 9). Z realizovaným dvojstupňovým oddělením částic je odstraněno už 70-90% těžkých kovů a PAK z povrchových vod z komunikací. V průběhu času se filtr zanese, když akumuluje zadržené látky ve filtračním tělese. Počítá se s životností kolem 20let, než musí být vyměněno veškeré těleso filtru. Třetí a poslední stupeň čištění v těchto zařízeních je adsorpce rozpuštěných těžkých kovů. Je realizována v adsorpční vrstvě pod filtrem písku. Adsorpční materiál musí vykazovat dobrou hydraulickou vodivost, vysokou adsorpční kapacitu, rychlé pohlcení látek a selektivitu vůči těžkým kovům a má být k tomu co možná cenově výhodný. Pro obě části nádrže byly použity dva různé adsorpční materiály. Jednak byl použit hydroxid železitý ( Ferrosorp), který má velmi velkou adsorpční kapacitu, ale je také poměrně drahý. V druhé části nádrže je použit zeolit, který má redukovanou, ale přesto dostatečnou adsorpční kapacitu. Vzhledem k malému výkonu zeolitu byla zvýšena tloušťka vrstvy tohoto materiálu oproti hydroxidu železitém o 50%.

Musí být dbáno, aby se již předem adsorbované těžké kovy ze zeolitu rozpustily, když je zavedena přesolená povrchová voda z komunikací do zařízení. V selektivní řadě zeolitu stojí Na+ (sůl: NaCl) nad těžkými kovy. Proto musí být nádrž zeolitu v zimě uvedena mimo provozu. U hydroxidu železitého se tento problém nestává. Vlastnost filtračního materiálu byla zjištěna předběžně díky laboratorní pokusu na EAWAG. Zaústění vody do retenční filtrační nádrže nastává na několika místech podél okraje nádrže, aby byl filtr rovnoměrně zatížen. Vsakovací vedení pod vertikálním průtočným tělesem filtru, je uspořádán také nad celkovou plochu. Retenční filtrační nádrže jsou proti spodní vodě neprostupné.

Monitorování

Tento třístupňový kombinovaný postup je použit poprvé k vysoko technickému čištění vysoce zatížené povrchové vody z komunikací. Proto je detailně přezkoumána výkonnost jednotlivých stupňů procesu. Na největším ze tří zařízení (Attinghausen) je přezkoumáno monitorování z intenzívním přezkoušení. Zařízení je k tomuto účelu vybaveno průtokoměrem, odběry vzorků, sondou zákaloměru a sondou měrné vodivosti.

Zhodnocení výkonu

Zařízení v Attinghausenu je v provozu od května 2006. Dosavadní výsledky ukazují, že 95% přivedených vod mohly být zcela ošetřeny. Dosud testovaný Ferosorp - retenčně filtrační nádrž odstraňuje veškeré nerozpuštěné látky (GUS) stejně jako těžké kovy účinně z povrchových vod z komunikací (Obr. 10). Výkonnost retenčně filtrační nádrže ze zeolitu – nemůže být posuzována pro nedostatek chybějících dat. Do dubna 2008 jsou dosažené výsledky zobrazeny v detailu na obr. 11. a  v obr. 12 ve tvaru činnostních stupňů.

Dobře k vidění jsou velmi nepatrné GUS- hodnoty v odtoku SABA, které počáteční (zavádějící) 20mg/l můžou bezproblémově zadržet. Jeden velmi dobrý čistící výkon je dosažen také pro zinek, měď a uhlovodíky, přičemž zinek dokonce překročil cíl kvality. Koncentrace mědi může být rovněž podstatně redukována, těsně přesáhne cílovou kvalitu. Koncentrace odtoku niklu, olova a chromu jsou nízké, avšak také při nepatrné koncentraci přítoku.

Důsledky a vyhlídky

Zvolený technický postup a dimenzování SABA Atttinghausenu se prokazuje dosud úspěšně, aby obzvláště GUS, měď a zinek, ale také PAK efektivně odstranily z povrchových vod z komunikací. Dohromady bylo přes 95% povrchových vod vedeno přes Ferrrosorp - retenčně-filtrační nádrž, jehož hydraulická propustnost není dosud podstatně snížena. Důvod vidíme v předčištění lamelovým odlučovačem.

Ačkoliv cílová kvalita v nařízení ochrany vod se nedají chápat jako počáteční (zavádějící) podmínky, může být tudíž ukázáno na základě dosavadních poznatků, že pro situace s vysokým požadavkem na čištění a omezeným prostorem je k dispozici nový proces úpravy, které je vedle vysoké výkonnosti poměrně nenáročný v provozu a údržbě.

Výsledky k tomu ukazují, že je smysluplné, výkonnost od nových typů k zařízení k úpravě povrchových vod z komunikací se stanovuje pomocí monitorování. Z toho mohou být další stejné zařízení optimalizovány a tím být také ušetřeny náklady. Úspěšné monitorování stanoví předem spolupráci se všemi účastníky.

Ing. Oldřich Pírek

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k seminářům ASIO, spol. s r.o. „Srážkové a šedé vody aneb „colors of water““ (leden,únor 2013).