Čistiace mokrade sú komplexné systémy na čistenie odpadových vôd, ktoré využívajú na odstránenie znečisťujúcich látok a patogénov rôzne metódy . . .
2.1 Procesy odstraňovania znečisťujúcich látok a patogénov
Čistiace mokrade sú komplexné systémy na čistenie odpadových vôd, ktoré využívajú na odstránenie znečisťujúcich látok a patogénov rôzne metódy. Na rozdiel od bežných čistiarní, kde prebiehajú procesy v oddelených krokoch, koreňové čistiarne využívajú viacero spôsobov súčasne v jednom alebo dvoch filtračných poliach.
Rastliny v koreňových čistiarňach majú niekoľko dôležitých funkcií. Ich korene poskytujú útočisko pre mikroorganizmy, čím výrazne zvyšujú biologickú aktivitu na jednotku plochy v porovnaní s vodnými plochami, ako sú rybníky. Taktiež pomáhajú usmerňovať tok vody, čo znižuje riziko „skratových prúdov“ v systéme. Okrem toho rastliny môžu uvoľňovať malé množstvá kyslíka a organických zlúčenín do koreňovej oblasti, čo podporuje život oxickýxch aj anoxických mikroorganizmov.
Jedinečnou vlastnosťou koreňových čistiarní je ich schopnosť vytvárať vhodné životné prostredie pre širokú paletu mikroorganizmov; nájdeme tu výlučne aeróbne, fakultatívne a aj výlučne anaeróbne mikroorganizmy. Tieto rozličné podmienky sú vytvorené vďaka rozmanitým redoxovým gradientom, čo zvyšuje efektívnosť čistenia.
Redox gradient je v podstate rozdiel v redoxových (redox) podmienkach, teda v množstve elektrónov, ktoré sú dostupné v rôznych oblastiach prostredia. Tieto podmienky ovplyvňujú chemické reakcie, ktoré sa dejú v danom prostredí, najmä v súvislosti s mikrobiálnymi procesmi. Môže ísť o:
Výskyt redox gradientu je dôležitý pre prirodzené ekosystémy, ale aj koreňové čistiarne, kde sa tiež striedajú rôzne podmienky a tým podporujú rôzne mikrobiálne komunity, ktoré prispievajú k procesu čistenia vody.
Organické látky
Organická hmota môže byť klasifikovaná a meraná rôznymi spôsobmi. Nerozpustné organické látky a rozpustné organické látky sú obidve považované za vstupy znečistenia. Mechanizmy odstraňovania pre nerozpustné a rozpustné organické látky sa líšia a závisia od konkrétneho dizajnu koreňovej čistiarne. Všeobecne sa ako hlavná analytická metóda na meranie prítomnosti organickej hmoty používa Chemická spotreba kyslíka za 5 dní (CHSK5), avšak bežne sa využíva aj hodnota biologickej spotreby kyslíka za 5 dní (BSK5). Základné mechanizmy odstraňovania pre rozpustené organické látky prebieha pomocou mikroorganizmov, avšak na rozdiel od väčšiny konvenčných čistiacich systémov, prebiehajú v rámci jedného koreňového poľa viaceré chemické procesy, vďaka ktorým dochádza k znižovaniu organického znečistenia vo vode.
Nerozpustné organické látky
Nerozpustná organická hmota, ktorá vstupuje s pritekajúcimi odpadovými vodami, sa odstraňuje základnými fyzikálnymi procesmi, ako sú filtrácia a sedimentácia. Zachytené častice sa akumulujú a prechádzajú procesom hydrolyzácie, pričom vzniká ďalšie množstvo rozpustených organických zlúčenín, ktoré môžu byť ďalej hydrolyzované alebo rozložené vo filtračnom poli. Akumulácia nerozpustných organických látok v štrkovom médiu je typickou vlastnosťou koreňových čistiarní s podpovrchovým tokom a je jedným z hlavnými faktorov, ktoré spôsobujú problémy s pozvoľným upchávaním v týchto systémoch. Ďalšími zdrojmi nerozpustných organických látok sú rast bakteriálneho biofilmu na štrkovom médiu a akumulácia zvyškov rastlín a mikroorganizmov.
Rozpustné organické látky
Mikroorganizmy v čistiacom procese vyvolávajú chemickú reakciu, pri ktorej sa elektróny prenášajú z organickej hmoty (darca elektrónov) na špecifickú zlúčeninu (akceptor elektrónov), pričom sa v tomto procese uvoľňuje energia potrebná na rast buniek. Konkrétna cesta rozkladu organickej hmoty je zvyčajne definovaná akceptorom elektrónov. Hlavné cesty rozkladu organických látok prítomné v koreňových čistiarňach, zoradené podľa klesajúcej energetickej výdatnosti, zahŕňajú:
Mnohé heterotrofné baktérie používajú kyslík ako konečného akceptora elektrónov, a pretože ide o cestu s najvyšším energetickým výnosom, tieto mikroorganizmy dominujú, keď je kyslík dostupný. Väčšina heterotrofných baktérií je fakultatívna, čo znamená, že môžu tiež využívať dusičnany alebo dusitany ako akceptory elektrónov, keď je prístup kyslíka obmedzený. Dostupnosť kyslíka sa výrazne líši v závislosti od rôznych konfigurácií koreňových čistiarní. Väčšina vertikálnych filtrov funguje s pulzným (prerušovaným) povrchovým zaťažením, pričom sa medzi jednotlivými pulzmi filtračné pole pasívne prevzdušňuje. Takže aeróbna respirácia je dominantnou cestou odstraňovania znečistenia v systémoch s vertikálnym filtrom.
Horizontálne filtračné polia sú takmer vždy plne nasýtené vodou. (vodná hladina sa nachádza len niekoľko centimetrov pod povrchom štrku). V horizontálnych filtroch existuje len niekoľko zdrojov (vstupov) kyslíka: (a) vstupujúci z pritekajúcej vody; (b) fyzické re-aerovanie povrchu, a (c) uvoľňovanie kyslíku z rastlín. Dopyt po kyslíku je pre typické domáce odpadové vody omnoho vyšší ako súčet všetkých týchto vstupov, a preto, hoci sa aj heterotrofická respirácia určite deje najmä v blízkosti koreňov rastlín, v horizontálnych filtroch sú zvyčajne dominantné iné cesty získavania kyslíka. Prestup kyslíka v horizontálnych filtroch je taký malý, že hovoríme o prevažujúcom anaeróbnom prostredí.
Denitrifikácia je biologicky sprostredkovaná redukcia nitrátov a nitritov na plynný dusík prostredníctvom viacerých medzi krokov za neprítomnosti rozpusteného molekulárneho kyslíka. Za týchto anoxických podmienok, keď je dusičnan dostupný, môže byť denitrifikácia dominantnou cestou degradácie organickej hmoty v koreňových čistiarňach (najmä v horizontálnych filtroch v dôsledku anaeróbneho prostredia). Štúdie ukázali, že denitrifikácia predstavuje veľkú časť celkového odstránenia organického uhlíka v horizontálnych filtračných poliach . Avšak dostupnosť dusičnanu je často problematická, pretože zvyčajne nie je prítomný v dostatočných množstvách v pritekajúcej odpadovej vode. Naopak na nitrity a nitráty je bohatá voda vytekajúca z vertikálnych filtrov.
Sulfáty sú bežnou zložkou mnohých typov odpadových vôd a môže byť použitý ako konečný akceptor elektrónov pre veľkú skupinu anaeróbnych heterotrofných mikroorganizmov. Hlavným produktom rozkladného procesu je síra, ktorá spôsobuje nepríjemné zápachy a môže brzdiť mikrobiálne aktivity aj rast rastlín. Na druhej strane, väčšina sulfidov kovov je veľmi slabo rozpustná a redukcia síranu je preto dôležitým mechanizmom na odstraňovanie kovov v koreňových čistiarňach. Redukcia sulfátov môže byť veľmi významnou cestou na odstraňovanie organickej hmoty, pričom predstavuje značnú časť celkového odstránenia chemického dopytu po kyslíku (CHSK5) v horizontálnych filtroch.
Metanogenéza je anaeróbna mikrobiálna reakcia, pri ktorej sa organická hmota rozkladá na oxid uhličitý a metán. Hoci nejde o striktne definovaný mechanizmus odstraňovania organického znečistenia v zmysle chemického dopytu po kyslíku (CHSK), nízka rozpustnosť metánu vo vode efektívne odstraňuje organickú hmotu prostredníctvom uvoľňovania metánu do ovzdušia. Požadované redoxové podmienky pre metanogenézu sú veľmi podobné tým, ktoré sú potrebné na redukciu sulfátov. Okrem toho metanogénne mikroorganizmy a mikroorganizmy zodpovedné za redukciusulfátov používajú podobné organické substráty (ako napríklad octová kyselina a metanol).
Každá cesta rozkladu organickej hmoty má svoje optimálne redoxné podmienky a preto môže byť aktívna na rôznych miestach v rámci tej istej mokrade, keďže existujú silné redoxové gradienty v závislosti od úrovne nasýtenia a vzdialenosti od vodnej hladiny a koreňov rastlín, pohybujúce sa od silne anaeróbnych podmienok (menej ako –100 mV) po plne aeróbne podmienky (viac ako +400 mV).
Dusík
Dusík existuje v mnohých formách a rôzne prepojené procesy ho premenia z jednej formy na inú v komplexnom systéme nazývanom kolobeh dusíka. Dusík vstupuje do väčšiny primárnych a sekundárnych filtrov koreňových čistiarní ako organický dusík a amoniak (NH4-N), zatiaľ čo terciárne systémy dostávajú zmes dusíkatých zlúčenín vrátane dusičnanov. Vo väčšine mokradí sa očakáva a vyžaduje určitá úroveň transformácie dusíka pred odtoku z čistiarne do vodného toku. V mnohých prípadoch sa očakáva premena na dusičnany, čo je menej toxická forma dusíka, ale čoraz viac zákonodarcov očakáva odstránenie celkového dusíka (TN) z odpadových vôd. Takmer všetky procesy cyklu dusíka sú v koreňových čistiarňach aktívne, vrátane mineralizácie (amonifikácia), uvoľňovanie amoniaku, nitrifikácie, denitrifikácie, prijímania rastlinami a mikroorganizmy, fixácie dusíka, redukcie dusičnanov, anaeróbnej oxidácie amoniaku, sorpcie a desorpcie. Predpokladá sa však, že len niektoré z týchto ciest významne prispievajú k transformáciám dusíka a mechanizmom jeho odstraňovania, ktoré sú dôležité pri čistení odpadových vôd. Príspevok každej z týchto ciest je ovplyvnený typom koreňovej čistiarne, aplikovaným hydraulickým zaťažením, hydraulickou dobou zdržania, teplotou, typom vegetácie a vlastnosťami média. Najdôležitejšie procesy premeny dusíka sú:
Amónifikácia
Amónifikácia je proces, pri ktorom sa organický dusík mení na amoniak prostredníctvom mimobunkovej aktivity enzýmov vylučovaných mikroorganizmami. Amónifikácia sa považuje za potrebný prvý krok na premenenie dusíka na dusičnany a/alebo jeho odstránenie, ale zriedka je obmedzujúcim krokom pre následne odstránenie celkového dusíka.
Nitrifikácia
Nitrifikácia je oxidácia amoniaku na dusičnany, ktorú zabezpečujú kolónie autotrofných mikroorganizmov s dusitanom ako hlavným medziproduktom. Pre tento proces je potrebný, aby v odpadových vodách boli prítomné mikroorganizmy, kyslík, alkalita a mikroživiny. Autotrofné baktérie sú mikroorganizmy s pomalším rastom v porovnaní s aeróbnymi heterotrofnými baktériami, a preto môžu byť v prítomnosti ľahko odbúrateľnej organickej hmoty vytlačené. Hlavnou výhodou vertikálnych filtračných polí je ich vysoká kapacita okysličovania a tým aj schopnosť nitrifikácie. Táto sa môže vo veľmi obmedzenej miere uskutočňovať aj v horizontálnych filtroch, najmä pri nízkom zaťažení organickou hmotou, ale nitrifikácia je často limitujúcim faktorom obmedzujúcim odstránenie dusíka v horizontálnych filtroch. Nitrifikácia sama o sebe je proces premeny dusíka a nevedie k jeho odstráneniu, pokiaľ nie je primerane spojená s denitrifikáciou.
Denitrifikácia
Denitrifikácia bola diskutovaná ako mechanizmus odstraňovania organického uhlíka, ale je kľúčová pre účinné odstránenie dusíka, pretože premieňa dusičnany na plynný dusík, ktorý sa uvoľňuje do ovzdušia. Denitrifikáciu je často ťažké dosiahnuť v sekundárne zaradených koreňových filtroch (a vo väčšine systémov na čistenie odpadových vôd vo všeobecnosti), pretože proces nitrifikácie je zvyčajne predpokladom na premenenie pritekajúceho amoniaku na dusičnany, čo sa nemôže uskutočniť, kým nie je skonzumované dostatočné množstvo organického uhlíka. To môže viesť k nedostatočnému zvyšku organickej hmoty potrebnej na denitrifikáciu. Vysoký potenciál okysličovania vertikálnych filtrov robí z nich nevhodný typ pre denitrifikáciu, pretože tento proces vyžaduje anoxické podmienky na konci generácie plynného dusíku. Väčšina horizontálnych filtrov denitrifikuje všetky dusičnany, ktoré môžu byť vytvorené, ak sú používané na sekundárne čistenie, zatiaľ čo čiastočná denitrifikácia je bežnejšia v terciárnych systémoch. Preto vertikálny filtre zvyčajne odstraňujú málo celkového dusíku, ale majú vysoké koncentrácie dusičnanov v odtoku. Horizontálne filtre môžu do určitej miery odstrániť celkový dusík, ale odtok môže stále obsahovať vysoké koncentrácie amoniaku.
G. Dotro, G. Langergraber, P. Molle, J. Nivala, J. Puigaut, O. Stein, M. von Sperling. 2017. Biological Wastewater Treatment Series, Volume 7, Treatment Wetlands. London : IWA Publishing, 2017. ISBN: 9781780408767.
