Umelé mokrade (konštruované močiare)

   Princíp

Umelé mokrade využívajú na čistenie prechádzajúcej vyčerpanej podzemnej vody prirodzené geochemické a biologické procesy v umelo skonštruovanom ekosystéme. Pri čistení se uplatňujú geochemické a fyzikálno-chemické procesy prebiehajúce v skonštruovanej aktívnej vrstve substrátu (filtrácia, ionovýmena, adsorpcia, absorpcia, zrážanie, chemické reakcie atď.), ako aj činnosť mikroorganizmov a rastlín (degradácia, transformácia, akumulácia) (US EPA, 1995a; ITRC, 2003).

   Použiteľnosť

Umelé mokrade je možné použiť na čistenie čerpaných podzemných vôd pri odstraňovaní niektorých organických látok, napr. prchavých chlórovaných uhľovodíkov, chlórbenzénu (Kassenga, 2003; Kassenga et al., 2003; Kassenga et al., 2004), kovov (napríklad z kyslých banských vôd), uhľovodíkov, výbušnín či anorganických látok (napr. dusičnany, fosfor v rôznych formách, sírany atď.) (ITRC, 2003; Kadlec a Wallace, 2008).

   Základná charakteristika

Konštruované močiare sú umelý ekosystém napodobňujúci podmienky prírodných močiarov. Najčastejšie ich tvorí plytká vyhĺbenina naplnená zaplaveným štrkom/pieskom, pôdou a organickým materiálom, v ktorých sa nachádzajú močiarne rastliny (napr. Typha, Juncus, Scirpus a pod.). Úprava vôd závisí od dynamiky biochemických interakcií v priebehu prúdenia kontaminovanej vody cez konštruovaný močiar. Ak je močiar skonštruovaný umelo, je možné úmyselne zefektívniť špecifické procesy vhodné na odstránenie určitej kontaminácie vody. Technologické a ekologické dôvody viedli k rozhodnutiu radšej používať úpravy a procesy v skonštruovaných močiaroch ako čisto prírodné ekosystémy (Wildeman a Updegraff, 1997).

Podľa spôsobu prietoku vôd cez systém je možné rozoznávať skonštruované močiare s povrchovým tokom a močiare s podpovrchovým tokom (obr. 4.2.36). Močiare s podpovrchovým prúdením sa môžu rozdeliť na močiare s vertikálnym a horizontálnym prúdením (Kadlec a Knight, 1996; DeBusk, 1999; ITRC, 2003; Kadlec a Wallace, 2008). Konštruované močiare je možné rozdeliť aj podľa druhu vegetácie, typu močiarnej náplne a pod.

Výrazným znakom močiarov s povrchovým tokom je existencia voľnej hladiny vody. Väčšinou sa využívajú ako tretí stupeň čistenia odpadových vôd (Kadlec a Wallace, 2008), t. j. zvyčajne býva najskôr zaradený iný stupeň čistenia (napr. bioreaktory) a funkciou močiara s povrchovým tokom je len dočistenie vôd na výtoku z predchádzajúcich stupňov. Pri použití tohto typu močiarov na primárne čistenie nebezpečných znečisťujúcich látok existuje zvýšené riziko expozície pre ľudí (resp. faunu žijúcu v okolí).

V močiaroch s horizontálnym podpovrchovým tokom je hladina vody pod povrchom systému a prúdi prevažne horizontálne. Systém je naplnený priepustným médiom s rôznym zložením (štrk, kamenivo, pôda, organická hmota atď.).

Močiare s vertikálnym prúdením majú viacero variantov konštrukcie (Kadlec a Knight, 1996). Často sa využíva cyklické napúšťanie čistenej vody na povrch močiara a odtiaľ voda postupne vertikálne preniká cez priepustné vrstvy smerom k spodnej drenážnej vrstve. Rôzne konštrukčné typu umožňujú prevzdušňovať čistenú vodu, resp. zachovávať redukčné prostredie v závislosti od dominantnej povahy biochemických procesov (Kadlec a Wallace, 2008). Správna konštrukcia močiara s vertikálnym prúdením umožňuje čistiť vysoko zaťažené odpadové vody.

Jednotlivé typy konštruovaných močiarov spolu s inými technológiami čistenia vôd vytvárajú zvyčajne stupňovitý sanačný systém.

Pri navrhovaní a realizácii konštruovaných močiarov je nutné vziať do úvahy najmä typ a množstvo kontaminantu, hydrogeochémiu ošetrovaných vôd, geologický podklad, predpokladaný prietok a požadovanú kapacitu. V močiaroch prebieha množstvo geochemických a biochemických procesov v aeróbnych aj anaeróbnych podmienkach. Jednotlivé procesy často na seba nadväzujú a podmieňujú celkovú efektívnosť systému. Správnym návrhom a realizáciou je možné optimalizovať systém konštruovaného močiara vzhľadom na efektívne odstraňovanie cieľových kontaminantov (ITRC, 2003).

Jednou z významných aplikácií konštruovaných močiarov je čistenie odpadových vôd s vysokým obsahom kovov, napr. kyslých banských vôd. Ako hlavné mechanizmy odstraňovania kovov z kyslých banských vôd (napr. Fe a Mn) pomocou močiarov je možné uviesť:

•          formovanie a vyzrážanie hydroxidov kovov,

•          formovanie sulfidov kovov,

•          organické komplexotvorné reakcie,

•          katiónová výmena na miestach so záporným nábojom,

•          priama sorpcia na živé rastliny.

Ďalšie mechanizmy zahŕňajú neutralizáciu karbonátmi, sorpciu na materiál substrátu, sorpciu kovov na riasový materiál a mikrobiologickú redukciu hydroxidov Fe a sulfátov. Výber a návrh vhodného systému je založený na chemickom zložení a množstve kyslých banských vôd, lokálnej topografii a charakteristike miesta (Hyman a Watzlaf, 1995).

V súčasnosti sa často používajú dva spôsoby konštrukcie močiarov:

•          aeróbne močiare, v ktorých sa používajú rastliny druhu Typha a iné močiarne rastlinné druhy v plytkých (< 30 cm), relatívne nepriepustných sedimentoch zložených z pôdy, ílov alebo banského odpadu,

•          anaeróbne močiare, v ktorých sa používajú rastliny druhu Typha a iné močiarne rastlinné druhy v hlbších podmienkach (>30 cm) v priepustných sedimentoch zložených z pôdy, machu, hubového kompostu, pilín, hnoja, sena alebo iných druhov organických zmesí, často podložených vápencom alebo zmiešaných s ním.

Aeróbne močiare sa používajú ako zberné nádrže na prevzdušňovanie kyslých banských vôd, ktoré je potrebné na vyzrážanie kovov. Voda musí mať dostatočnú alkalitu, pretože procesy zrážania vytvárajú aciditu, ktorá sa musí neutralizovať. Vyzrážané hydroxidy Fe a Mn sa buď usadzujú v močiari, alebo odchádzajú s prúdom.

Rozsiahly povrch hladiny a pomalé prúdenie podporujú oxidáciu a hydrolýzu kovov. To spôsobuje vyzrážanie hydroxidov Fe, Al a Mn a sorpciu kovov na týchto hydroxidoch. Rozsah odstránenia kovov závisí od koncentrácie kovov vo vode, obsahu kyslíka, pH a alkality v banských vodách, prítomnosti aktívnej mikrobiologickej biomasy a od času, ktorý voda zostáva v močiari.

Pri navrhovaní a konštrukcii aeróbnych močiarov je kvôli ich úspešnému fungovaniu bezpodmienečne dôležité dodržanie nasledujúcich podmienok (Wildeman a Updegraff, 1997):

•          aeróbne odstraňovacie procesy sú úspešné, ak sa pH vody pohybuj okolo 5,5 a sú v nej zastúpené rozpustené karbonáty (v praxi sa dokázalo, že na zvýšenie pH a úpravu alkality je vhodné použiť vápencovú anoxickú drenáž),

•          vyzrážanie oxyhydroxidov Fe a Mn je primárny odstraňovací proces a ďalšia kontaminácia vôd kovmi sa odstraňuje sorpciou na tieto zrazeniny alebo vyzrážaním ako karbonáty,

•          pre úspešné fungovanie systému sú nevyhnutné rastliny, pretože dodávajú kyslík do vody a nahrádzajú organickú potravu; primárnym procesom je aj fotosyntéza, ktorá sa využíva pri zvyšovaní pH.

V anaeróbnych močiaroch sa využíva prúdenie vody cez priepustný substrát bohatý na organickú hmotu. Substrát použitý v močiari môže obsahovať vrstvu vápenca na dne alebo vápenec zmiešaný s organickým materiálom. Močiarne rastliny sa vysádzajú do organického substrátu. Takýto systém sa používa pri vodách s vysokou aciditou a s vysokým obsahom kovov v roztoku, kde alkalita musí byť generovaná v močiari.

V anaeróbnych podmienkach v močiaroch je dôležitých päť základných biogeochemických procesov:

•          hydrolýza biopolymérov extrabunkovými bakteriálnymi enzýmami – príkladom je hydrolýza celulózy (najhojnejšieho organického materiálu v rastlinách) na glukózu:

;

•          fermentácia – príkladom je formovanie etanolu a organických kyselín – napr. kyselina mliečna, pričom konečnými produktmi môžu byť aj oxid uhličitý a vodík (Reddy a DeLaune, 2008):

,

;

•          metanogenéza – vodík produkovaný počas fermentácie sa môže výhodne využiť pri metanogenéze (Reddy a DeLaune, 2008):

;

•          redukcia sulfátov (Kadlec a Knight, 1996) – táto reakcia poukazuje na využitie organickej hmoty ako redukčného činidla:

;

•          redukcia Fe – organická hmota sa môže využiť ako redukčné činidlo:

.

 

V etape fermentácie sa zvyčajne znižuje pH, naopak, sulfátová redukcia a metanogenéza zvyšuje pH. Baktérie redukujúce protóny, ktoré sú symbiotické s metanogénnymi baktériami, menia H⁺ na H₂ a ten sa používajú metanogénne baktérie na redukciu CO₂ na CH₄. V anaeróbnom močiarnom prostredí sulfátová redukcia a metanogenéza prebiehajú súčasne. Pretože Postgate (1979) uvádza, že aktivitu baktérií redukujúcich sulfáty limituje zvyčajne pH vyššie ako 5, organický materiál v konštruovaných močiarnych prostrediach sa musí vybrať tak, aby fermentácia nedominovala nad sulfátovou redukciou (Wildeman a Updegraff 1997).

Pri prevádzke pasívneho anaeróbneho systému treba počítať so sezónnym kolísaním odstránenia kontaminácie kovmi. Aktivita baktérií redukujúcich sulfáty sa znižuje s klesajúcou teplotou. Zistilo sa, že najdrastickejší pokles nastáva, keď teplota klesne na menej ako 10 ºC. To znamená, že v našich zemepisných šírkach v zimných mesiacoch klesá aktivita baktérií redukujúcich sulfáty a tým sa zhoršuje úprava vôd pritekajúcich do reaktora. Monitoring teploty a Eh spolu s koncentráciou Fe a sulfidov dáva určitý prehľad o zmenách aktivity baktérií redukujúcich sulfáty s teplotou. Zistilo sa, že v bioreaktoroch Eh narastá, ak teplota klesá, a to s malým časovým posunom. Monitoringom sa overilo, že pokles v hladine sulfidickej redukcie zodpovedá poklesu teploty a nárastu Eh (Wildeman et al., 1994).

Pri laboratórnych aj praktických pokusoch je dôležité uvedomiť si, že s dĺžkou činnosti močiara dochádza k zretiu systému. To znamená, že priamoúmerne s dĺžkou fungovania pasívneho systému narastá aj jeho schopnosť upravovať vody s väčšou aciditou a vyšším obsahom kovov (Wildeman a Updegraff, 1997).

Kľúčovým faktorom pre sulfátovú redukciu v reaktore je ustanovenie optimálneho prostredia pre sulfátové reduktanty. Okrem dostatočnej sulfátovej koncentrácie najdôležitejšie podmienky sú redukčné prostredie a pH okolo 7 (Postgate, 1979). Pretože do močiarnych systémov sa dodávajú banské výtoky s pH okolo 3 a Eh okolo 700 mV, voda môže ľahko zničiť mikroprostredie ustálené anaeróbnymi baktériami. To vedie k limitovaniu reaktantov určením množstva vody, ktoré sa môže spracovať.

Detaily teórie navrhovania, konštrukcie, prevádzky a zásad dosiahnutia efektívnej činnosti konštruovaných močiarov sa podrobnejšie rozoberajú v mnohých prácach (napr. Hamer, 1989; Kadlec a Knight, 1996; Reddy a DeLaune, 2008). Základné typy konštruovaných močiarov s povrchovým a podpovrchovým tokom vody sú uvedené na obr. 4.2.35.

 

Obr. 4.2.35. Základné typy konštruovaných močiarov (DeBusk, 1999).

Vysvetlivky: a) močiar s hladinou vody nad úrovňou terénu: 1 – pôdny substrát, 2 – vtok, 3 – povrchový tok, 4 – výtok; b) močiar s hladinou vody nad úrovňou terénu: 1 – pôdny substrát, 2 – vtok, 3 – hladina vody, 4 – výtok.

   Výhody a limitácie

Pri umelých konštruovaných močiaroch je možné uviesť niekoľko limitujúcich faktorov, ktoré treba zohľadniť pri ich využívaní na čistenie vôd (Kadlec a Wallace, 2008; EPA, 1995):

•          prebiehajúce procesy čistenia a tým aj účinnosť sa pri nízkych teplotách podstatne znižujú, prípadne sa úplne zastavia,

•          procesy starnutia konštruovaného močiara môžu negatívne ovplyvňovať účinnosť a treba ich individuálne študovať,

•          v niektorých prípadoch môžu byť limitujúcim faktorom investičné náklady zabezpečenia systému,

•          zmeny základných podmienok (najmä teplota a prietok) môžu negatívne ovplyvňovať účinnosť čistenia a dosiahnutá koncentrácia kontaminantov na výstupe môže kolísať,

•          nevýhodou sú veľké nároky na čas a priestor, hoci mnoho pasívnych systémov sa už s úspechom použilo na mnohých miestach.

Výhody možno zhrnúť takto:

•          pasívny systém sa môže použiť ako dlhodobé riešenie úpravy pre veľa typov znečistenia (napr. kyslých banských vôd) a môže byť lacnejší ako iné aktívne či chemické technológie,

•          náklady na prevádzku a údržbu sú relatívne nízke,

•          prevádzka nevyžaduje sústavnú údržbu a kontrolu, zvyčajne postačuje periodická kontrola a údržba,

•          konštruované močiare sú pri správnom dizajne schopné znášať určitú fluktuáciu prúdenia a záťaže.

   Trvanie čistenia a účinnosť

Sanačné metódy zahŕňajúce konštruované močiare sa považujú za dlhodobé metódy, ktorých prevádzka sa väčšinou projektuje na viacročné obdobie. Pri využití konštruovaných močiarov je dôležitý čas zdržania čistenej vody v systéme, ktorý ovplyvňuje celkové trvanie čistenia, ale aj účinnosť systému (ITRC, 2003). Pri dodržaní vhodných podmienok môže byť účinnosť čistenia veľmi vysoká. Podrobnejšie údaje o účinnosti, ktorá priamo závisí od typu kontaminantu, jeho vstupnej koncentrácie, dizajnu konštruovaného močiara a ďalších podmienok, sú uvedené vo viacerých prácach (napr. Kadlec a Knight, 1996; ITRC, 2003; Kadlec a Wallace, 2008).

 

© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží

Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,

Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová

Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,

ISBN    978-80-89343-39-3