Stav: kontrola 2022, aktualizace 2019, vydání 2011

Anotace:
Pomůcka ukazuje propojení vodohospodářské a urbanistické zodpovědnosti za udržitelné hospodaření se srážkovými vodami, resp. uvádí do souvislosti a souladu srážkovou vodu s městským prostředím. Zabývá se např. otázkami, jak ovlivňuje rozvoj urbanizace odtok srážkové vody z území a jaké negativní důsledky to přináší, jakým způsobem udržitelně hospodařit se srážkovou vodou, jaké jsou povinnosti stavebníka vyplývající ze současných právních předpisů, jak konkrétně vypadají zařízení HDV, jaké jsou nejčastější chyby při volbě, návrhu a realizaci HDV.

Upozornění k textu

OBSAH

ÚVOD

Rychle se rozvíjející městské aglomerace byly v 19. století sužovány řadou opakujících se epidemií. Jednou ze základních příčin bylo nakládání se splaškovými vodami, které tekly volně po ulicích. Při dešti se pak mísily se srážkovým odtokem a dostávaly se plošně do městského prostoru a do zdrojů pitné vody. Řešením bylo budování prvních stokových systémů, které často slouží až dodnes (např. Londýn, Praha či Paříž). Dá se tedy říci, že rozvíjející se urbanizace stála při zrodu oboru městského odvodnění.

Na přelomu 20. a 21. století se však začalo ukazovat, že tradiční způsob odvádění splaškových a srážkových vod, tedy zpravidla společně a co nejrychleji mimo městský prostor, se ukazuje jako dlouhodobě problematický a neudržitelný. V pozadí byla opět urbanizace, tentokrát společně se změnou klimatu. Masivní rozvoj nově urbanizovaných ploch, napojovaných do před desítkami let vybudovaných stokových sítí, začal působit hydraulické přetížení stokových sítí i recipientů se závažnými environmentálními následky. Zároveň se významně zvyšovala zátěž veřejných rozpočtů, ať už obcí, krajů, nebo státu.

V letech 2009–2010 na horšící se situaci zareagovalo zákonodárství, která předepsalo všem novým stavbám hospodařit se srážkovou vodou na vlastním pozemku. Tyto právní předpisy jsou však často naplňovány neúčinně, ať už z důvodu neochoty developerů, nebo nezkušenosti veřejné správy či některých projektantů s novým typem odvodnění staveb. Účinnost řešení podle právních předpisů je nízká i proto, že nová zástavba (tj. po roce 2009) tvoří jen relativně malou část urbanizovaných ploch v ČR. Majitelé staveb postavených před rokem 2009 z velké většiny nemají motivaci, aby odvodnění svých staveb měnili.

Bez velké nadsázky lze tedy tvrdit, že jsme dnes v podobné situaci jako města v polovině 19. století, jen místo přímých zdravotních dopadů řešíme ty nepřímé, ale z dlouhodobého pohledu o nic méně závažné důsledky na naše zdraví, které jsou spojeny se sníženou kvalitou našeho životního prostředí a důsledky měnících se přírodních podmínek. Technologie, které bychom mohli nasadit na centrální úrovni (resp. o ně doplnit stávající tradiční centralizovaný stokový systém) jsou sice známé, ale úzkospektrální a obtížně realizovatelné kvůli své finanční náročnosti. Proto nezbývá než se vrátit ke zdravému selskému rozumu a srážkovou vodu vnímat jako okrajovou podmínku urbanizace a hospodařit s ní místo toho, abychom ji likvidovali, jak je ve vztahu ke srážkové vodě stále často uváděno.

Hospodaření se srážkovými vodami je filozofie podporující zachování či napodobení přirozených odtokových podmínek před urbanizací území. Tato filozofie se jeví jako vhodné východisko z výše popsaných problémů a je od konce 60. let 20. století trendem v rozvinutých zemích světa a v posledním desetiletí i v České republice. Vzhledem k tomu, že v našich podmínkách je svojí intenzitou zásadní odtok zejména z dešťových srážek, byl v minulosti zaveden a odbornou veřejnosti přijat termín „hospodaření s dešťovými vodami„, jehož zkratka – HDV – je dnes běžně používána.

HDV má jasná pravidla a priority s hlavním důrazem na snahu o návrat srážkové vody do lokálního koloběhu, a to zejména vsakováním srážkového odtoku do půdního a horninového prostředí a jeho výparem do ovzduší. Na tom nic nemění skutečnost, že v České republice nejsou v řadě případů pro vsakování ideální podmínky. Principy HDV lze aplikovat i zpomalením srážkového odtoku ze stavby pomocí retenčních zařízení s regulovaným odtokem či využitím dešťové vody pro potřeby stavby či jejího okolí.

Převedeno do praktického života, každá nová stavba by měla být vybavena objektem, který umožní hospodaření se srážkovou vodou na jejím pozemku. Tím se ovšem celá problematika posouvá z čistě vodohospodářské gesce směrem k dalším profesím, ať už to jsou stavební a dopravní inženýři, nebo architekti a urbanisté. Principy HDV se netýkají jen jednotlivých staveb, ale i koncepčního řešení urbanizovaných celků, a proto by měly být zakotveny v územních plánech a reflektovány územně analytickými podklady.

Cílem metodické pomůcky Srážková voda a urbanizace krajiny je ukázat právě propojení vodohospodářské a urbanistické zodpovědnosti za udržitelné hospodaření se srážkovými vodami, resp. uvést do souvislosti a souladu srážkovou vodu s městským prostředím. Příručka postupně odpovídá na následující otázky:

• Jak ovlivňuje rozvoj urbanizace odtok srážkové vody z území a jaké negativní důsledky to přináší?
• Jakým způsobem udržitelně hospodařit se srážkovou vodou?
• Jaké jsou povinnosti stavebníka vyplývající ze současného právního rámce?
• Jaké jsou hlavní důvody (ne)možnosti vsakovat srážkové vody?
• Jak a čím mohou být srážkové vody znečištěny a jak to ovlivní způsob hospodaření s nimi?
• Jak konkrétně vypadají zařízení HDV?
• Jak může být HDV začleněno do územně plánovacího procesu města či obce?
• Jaké jsou nejčastější chyby při volbě, návrhu a realizaci HDV?

1 SRÁŽKOVÉ VODY V URBANIZOVANÝCH ÚZEMÍCH – SOUČASNÝ STAV

Jedním z původních účelů městského odvodnění byla, vedle zajištění hygieny území, též ochrana intravilánu před srážkovými vodami, resp. jejich zvýšeným odtokem z urbanizovaných ploch. Klasicky se tato úloha řešila co nejrychlejším odvedením srážkových vod mimo město podzemním trubním vedením, společným pro splaškové i srážkové vody (jednotná stoková síť). V posledních dvou desetiletích se však tento klasický způsob ukazuje z pohledu srážkových vod jako dlouhodobě neudržitelný. V dalším textu kapitoly jsou shrnuty faktory (příčiny) a projevy (důsledky), které k této neudržitelnosti vedou.

1.1 PŘÍČINY NEUDRŽITELNOSTI

Dlouhodobá neudržitelnost současného způsobu odvodnění má dvě hlavní příčiny: První je změna odtokových podmínek z urbanizovaných ploch oproti přirozenému stavu umocněná prudkým rozvojem urbanizace od 90. let 20. století, druhou je měnící se klima.

Urbanizace

Změna odtokových podmínek je způsobena faktem, že urbanizovaná území jsou specifická vysokým podílem nepropustných ploch (např. komunikace, střechy budov), který v centrech městských aglomerací dosahuje 70 % i více. Voda dopadající za dešťové situace na povrch povodí nemůže přirozeně infiltrovat do půdního a horninového prostředí (obr. 1). Rovněž úroveň evapotranspirace je oproti přirozeným podmínkám snížena (Paul a Meyer, 2001). Větší část objemu srážkové vody odtéká po zpevněném povrchu povodí do dešťových vpustí a stokovou sítí je odváděna z urbanizovaných povodí. Kromě zvýšení objemu dochází i k podstatnému urychlení povrchového odtoku a snížení schopnosti transformace kulminačního průtoku.

Obr. 1  V povodích s přirozeným vegetačním krytem infiltruje až 50 % objemu srážkové vody dopadající na povrch území (z toho přibližně polovina dotuje kolektory podzemních vod), pouze 10 % reprezentuje povrchový odtok. V centrálních částech městských aglomerací tvoří povrchový odtok až 55 % objemu srážky (Paul a Mayer, 2001).

Rozvoj urbanizace (a napojování nově urbanizovaných ploch do stávajících stokových systémů) akceleroval po změně společenských a ekonomických podmínek v roce 1989. Přestože s rozvojem urbanizace bylo většinou již počítáno při návrhu hydraulické kapacity stokových systémů, projektanti před desítkami let těžko mohli počítat s tak intenzivním nárůstem zpevněných ploch, jakého jsme dnes svědky (obr. 2).

Obr. 2  Změna výměry zastavěných ploch v České republice v letech 1990–2000 (v %). Rozloha zastavěných ploch ve většině hodnocených srovnatelných územních jednotkách tvořených katastry či jejich shluky (SÚJ) vykazuje nárůst oproti roku 1990 (hodnoty vyšší než 100 %), a to především v jádrových oblastech poblíž významných aglomerací a dopravních tepen (Miko a Hošek, 2009).

Podle Zprávy o životním prostředí České republiky (CENIA, 2016) se od roku 2000 do roku 2016 zvýšila výměra zastavěných a ostatních ploch o 4,1 % na téměř 8 500 km² (tj. téměř 11 % rozlohy ČR). V praxi to znamená úbytek téměř 6 hektarů zemědělské půdy denně (tj. 70 % velikosti největšího náměstí v ČR – pražského Karlova náměstí). Pokud uvažujeme dlouhodobý srážkový normál ČR 674 mm/rok a zvýšení povrchového odtoku z 10 % (přirozený stav) na 30 % z urbanizovaného území (v roční bilanci, Paul a Meyer, 2001), dojdeme k přebytku povrchového odtoku ve výši 1 720 mld. m³. Na celkovém průměrném ročním odtoku vod z území ČR (15 000 mld. m³, MZe, 2009) se tedy urbanizace podílí cca 11,5 %. To lze při současném tempu urbanizace považovat za alarmující – pokud by stejné tempo urbanizace pokračovalo do roku 2050, znamenalo by to nárůst urbanizovaných ploch o dalších 750 km².

Změny klimatu

Podle Strategie přizpůsobení se změně klimatu v podmínkách ČR (MŽP. 2015) lze ve střednědobém horizontu očekávat patrné zimní poklesy srážkových úhrnů (např. Krkonoše, Českomoravská vysočina, Beskydy až o 20 %) a jejich navýšení na podzim. V létě pak začíná na našem území dominovat pokles srážek, který v dlouhodobém horizontu bude ještě výraznější, zatímco pokles zimních úhrnů srážek bude oproti předchozímu období menší. Přívalové srážky budou sice méně časté, zato se bude zvyšovat jejich extrémnost.

To se týká i městského prostředí, kde významnější přívalové deště budou působit přetížení hydraulické kapacity stokových systémů se všemi souvisejícími negativními dopady na životní prostředí a delší období sucha budou zase zvyšovat projevy klimatické změny, zejména projevy extrémních veder.

1.2 DŮSLEDKY NEUDRŽITELNOSTI

Probíhající urbanizace a změny klimatu vedou k negativním projevům jak v intravilánu, tak v povrchových a podzemních vodách. V globálním důsledku mohou mít i geopolitické důsledky.

Intravilán

Škody v důsledku nedostatečné kapacity stokové sítě při srážkovém odtoku vznikají jak na síti samotné, tak v urbanizovaném území. V případě, kdy kapacita stokového systému je překročena a voda vytéká na povrch povodí, případně nemůže kvůli nedostatečné kapacitě uličních vpustí do stokového systému vtékat, je ohroženo zdraví lidí a vznikají škody na majetku. Zejména jsou ohroženy podzemní prostory, např v Praze specificky stanice metra (obr. 3). Vzhledem k velmi rychlému průběhu srážkového odtoku v urbanizovaném povodí (desítky minut) je včasná informovanost o povodňovém nebezpečí značně omezená. Četnost výskytu je značně individuální, v povodí pražské stokové sítě k podobným situacím dochází každoročně v důsledku jarních přívalových dešťů, případně letních intenzivních bouřek. Vzhledem k velké plošné variabilitě takových srážek záplava zpravidla nepostihuje celé urbanizované povodí, ale pouze jeho část.

Obr. 3  Vlevo: důsledky přívalové srážky v Kodani, Dánsko, 1999 (foto: City of Copenhagen); vpravo: článek z denního tisku (foto: Novinky.cz z 27. května 2014)

Riziko škod na majetku však nevzniká jen při zatopení povrchu povodí. Při přetížení stokového systému může nastat situace, kdy jsou zatápěny sklepní prostory objektů prostřednictvím kanalizačních přípojek. Prevencí je instalace zpětných klapek na přípojky, která je např. v Praze vyžadována. Důležité je i napojení přípojky na hlavní kanalizační řad, zaručující těsnost spoje. Pokud není správně provedeno, může voda ze stoky exfiltrovat (unikat) a prosakovat do podzemních prostor objektů. Toto riziko je nejvyšší při déletrvajícím zaplavení stokové sítě.

Riziko poškození stokové sítě se týká jejího stavebního stavu, výstroje šachet a rizika poškození či ztráty zařízení pro monitorování a řízení funkce systému (měřicích senzorů a záznamových jednotek). Za předpokladu poškození stokového potrubí o průměru jeden metr v délce 100 m vyžaduje rekonstrukce úseku náklady v řádu milionů korun (podle cen technické infrastruktury ÚÚR, 2017), škoda zařízení pro monitoring průtoků může dosáhnout stovek tisíc korun i více. V extrémním případě může dojít ke kolapsu stoky, vytvoření kráteru a ohrožení zdraví a životů lidí (obr. 4). V Praze jsou známy případy opakovaného kolapsu stoky v Trojské ulici v roce 1985 a 1996 nebo v ulici. Petra Rezka v letech 1980–1985.

Obr. 4  Vlevo: propad vozovky v Lisabonu 2004, způsobený přívalovými dešti poškozujícími materiál stoky a vyplavujícími zeminu z jejího okolí (foto: Sky News); vpravo: havárie kanalizace v ulici Vysočanská, Praha 26. července 2016 (foto: KO-KA, s. r. o.)

Vedle přetížení vlastního stokového systému se negativní důsledky rychlého odvedení srážkových vod projevují i v mikroklimatu urbanizované oblasti. Snížený výpar, ať už přímo z povrchu území (evaporace), či prostřednictvím rostlin (transpirace), má přímý důsledek na snížení vlhkosti vzduchu v urbanizovaných územích a zvýšení prašnosti (zdravotní rizika), dále pak také na energetický režim měst, kdy se podílí na vzniku tepelných ostrovů a zvyšuje účinky vln extrémních veder. Vodou nedostatečně zásobená městská zeleň tak nemůže plnit úlohu nejlevnějšího a nejprogresivnějšího klimatického zařízení (obr. 5).

Obr. 5  Teplotní mapa zástavby s vegetační fasádou (foto: www.intechopen.com)

Další efekty, patřící spíše do sociální oblasti, jsou popsány v kap. 2.

Povrchové vody

Oproti přirozenému stavu odtéká v urbanizovaných územích daleko více srážkové vody rychle po povrchu nebo prostřednictvím jednotné či oddílné dešťové stokové sítě do vodního toku. Důsledkem je změna hydrologického režimu vodního toku (Tetzlaff et al, 2005), která se projevuje častějším výskytem lokálních povodní. To je významné zejména v situacích, kdy větší urbanizovaný celek leží na malém vodním toku. Na obr. 6 je ukázána situace, kdy letní dešťová událost s vysokou intenzitou způsobila přepad na odlehčovací komoře OK 83 v Hostivaři, v jehož důsledku stoupl průtok v Botiči ze 105 l/s na více než 3 000 l/s. Po skončení přepadu OK v cca 22:45 hodin je na obrázku patrný zpomalený odtok z horního povodí Botiče.

Obr. 6 Průtok v Botiči v Hostivaři během dešťové události 8. 7. 2004 (Slavíková et al., 2007)

Náhlé zvýšení průtoku může způsobit škody na hmotném majetku v okolí toku, případně i zdraví obdobně jako při klasické povodni. Negativně zde působí i morfologické změny toku (napřímení, zpevnění koryta), které snižují schopnost toku transformovat povodňovou vlnu. Vzhledem k vyšší četnosti lokálních povodní v důsledku urbanizace (např. na Botiči se situace obdobná (obr. 6) před rekonstrukcí OK 83 opakovala několikrát ročně; Kabelková et al., 2006) jsou zde však podstatné i dopady na vodní tok. Jedná se zejména o hydraulický stres a vnos znečišťujících látek. Oba jevy následně ovlivňují vodní faunu a flóru (Šťastná, 2005). Hydraulický stres se projevuje vysokými průtočnými rychlostmi a unášecími silami způsobujícími výraznou erozi dna a břehů vodního toku (obr. 7) a odplavení organismů žijících ve vodním prostředí (Bovee, 1986). Tok ztrácí svoji estetickou i ekologickou funkci.

Obr. 7  Eroze břehů Botiče v úseku nad Hostivařskou přehradou je způsobena zaústěním oddílné dešťové kanalizace Petrovic (foto: D. Stránský)

Znečišťující látky deponované na urbanizovaných plochách jsou prostřednictvím srážkového odtoku transportovány stokovou sítí do vodního toku. V případě jednotné stokové sítě může hrát roli i vyplavení sedimentů usazených ve stoce během bezdeštného období a míšení srážkové vody s vodou splaškovou. V toku pak vzniká riziko akutní nebo chronické toxicity pro přítomné organismy (Rand, 1995), které se prostřednictvím potravního řetězce může propagovat dále, v extrémním případě až k člověku.

Škody způsobné na ekosystému jsou individuální a mohou se plně projevit až s odstupem času. Vedle způsobení obtížně vratných škod na vodních tocích hrozí i nesplnění environmentálních cílů stanovených evropskou legislativou (směrnice 2000/60/ES, 2000), které obsahují požadavky na chemický a biologický stav vodních toků.

Podzemní vody

Kromě lokálních povodní má změna koloběhu vody v důsledku urbanizace negativní vliv i na dotaci podzemních vod, jejichž hladina se může lokálně snižovat. Vedle potenciálního rizika se zásobováním obyvatelstva vodou se nižší hladina podzemní vody projevuje i ve snížení minimálních průtoků ve vodních tocích v obdobích sucha.

Vzhledem k tomu, že mezi očekávanými změnami klimatu jsou i výraznější období sucha, vzniká tedy důraz na zadržování vody v krajině (a to i městské), resp. její návrat do lokálního koloběhu vody. Je nutné si uvědomit, že srážková voda je jediným zdrojem vody v České republice, a tedy strategickou surovinou, se kterou je potřeba s tímto vědomím hospodařit. Projevy urbanizace a změny klimatu jsou přehledně uvedeny na obr. 8.

Obr. 8  Příčinné souvislosti urbanizace (zdroj: D. Stránský)

2 UDRŽITELNÉ ZPŮSOBY HOSPODAŘENÍ SE SRÁŽKOVOU VODOU

Příčiny a důsledky neudržitelnosti současného stavu nakládání se srážkovými vodami, popsané v předchozí kapitole, poskytují vodítko k tomu, jakým způsobem tuto udržitelnost zajistit. Základním principem udržitelného přístupu je koncepce přírodě blízkého hospodaření se srážkovými vodami (HDV) v urbanizovaném povodí, která se v maximální možné míře snaží zachovat či napodobit přirozené odtokové charakteristiky lokality před urbanizací.

2.1 DECENTRALIZOVANÝ ZPŮSOB ODVODNĚNÍ

Základem HDV je tzv. decentralizovaný způsob odvodnění (DSO), jehož podstatou je zabývat se srážkovým odtokem v místě jeho vzniku a vracet ho do přirozeného koloběhu vody. V nejužším slova smyslu jsou přírodě blízká opatření a zařízení HDV taková, která podporují výpar, vsakování a pomalý odtok do lokálního koloběhu vody. V širším slova smyslu sem patří i zařízení, která alespoň určitým způsobem přispívají k zachování přirozeného koloběhu vody a k ochraně vodních toků, např. akumulací a užíváním srážkové vody nebo retencí a regulovaným (opožděným) odtokem do stokové sítě (AČE ČR, 2007).

Srážková voda se odvádí do jednoho či více z pěti příjemců:

• Ovzduší;
• půdního a horninového prostředí;
• povrchových vod;
• akumulační nádrže pro další využití;
• jednotné kanalizace.

Mezi uvedenými příjemci se rozhoduje na základě:

• právních priorit (viz kap. 3);
• přípustnosti (tj. míry ohrožení jakosti příjemce;
• proveditelnosti (tj. technicko-ekonomické realizovatelnosti).

Z hlediska přípustnosti je tedy nutno důsledně rozlišovat srážkové vody podle stupně jejich znečištění (viz kap. 5). Znečištěné vody je nutno čistit, ať již jejich odvedením na ČOV (v případě silného znečištění), nebo v zařízení na jejich předčištění před jejich vsakem, či odvedením do povrchových vod.

HDV je běžně aplikováno ve vyspělých zemích všech kontinentů, je zejména známo jako SuDS (sustainable drainage systems), ale též jako LID (low impact development), WSUD (water sensitive urban design) či jako BMP (best management practice). V České republice se HDV do praxe začalo více zavádět až po novelizaci zákona č. 254/2001 Sb. o vodách v roce 2010 a vyhlášky č. 501/2006 Sb., o obecných požadavcích na využívání území v roce 2009 ve znění pozdějších předpisů.

Popsaný způsob řešení je koncepčně zaměřen na příčinu problémů a lze ho aplikovat ve všech lokalitách (byť např. v historických centrech měst je v některých případech obtížné navrhovat přírodě blízká opatření). Zejména ve větších městech je nutné HDV chápat nikoliv jako alternativu k tradičnímu způsobu odvodnění, ale jako jeho nezbytnou nadstavbu.

2.2 PŘÍNOSY HOSPODAŘENÍ SE SRÁŽKOVOU VODOU

Přírodě blízké HDV má pro území primárně řadu ekologických a ekonomických přínosů. Objekty HDV jsou ve značném množství případů spojeny s nižší či vyšší vegetací. Spojení vodohospodářského účelu s vegetací do takzvané zelené infrastruktury (či též modro-zelené infrastruktury) působí synergicky a nepřímo přináší řadu pozitiv i ve zdravotní a sociální oblasti.

Ekologické přínosy

• zadržováním a vsakováním či výparem srážkových vod se snižuje objem i maxima povrchového odtoku, a tím se snižuje hydraulické a látkové zatížení toků (ať již přepady z odlehčovacích komor jednotné kanalizace, nebo zaústěním dešťové kanalizace);
• zadržováním a vsakováním/výparem srážkových vod se snižuje objem a maxima odváděná stokovou sítí, což snižuje riziko zatopení povrchu intravilánu nebo zatopení sklepů;
• vsakováním do podzemí se obnovuje zásoba podzemních vod a zásobování recipientů v době sucha;
• využívání akumulované dešťové vody v nemovitostech jako vody užitkové (WC, závlaha, praní, úklid) představuje prevenci lokálních dopadů sucha (snižuje se potřeba pitné vody);
• modro-zelená infrastruktura při fotosyntéze pohlcuje CO₂ a váže uhlík do organických sloučenin. Přispívá tak ke koloběhu látek v přírodě a pasivně snižuje emise z výroby elektrické energie, neboť redukuje její potřebu;
• modro-zelená infrastruktura plní funkci nejefektivnějšího klimatického opatření ve městech (zvýšení vlhkosti vzduchu, snížení teplot).

Ekonomické přínosy

• snížené množství srážkových vod umožňuje navrhovat menší profily stok a objemy dešťových nádrží a zatěžuje méně ČOV, čímž se zvyšuje účinnost čištění odpadních vod;
• stín vytvářený vysokou zelení má vliv na životnost povrchů komunikací, zejména z živičných materiálů (při zastínění povrchů z cca 20 % lze očekávat průměrné prodloužení doby životnosti až o 10 %; USDA Forest Service, Center for Watershed Protection, 2009);
• dřeviny snižují rychlost větru, a snižují tak tepelné ztráty budov v zimním období;
• pro extenzivní vegetační střechy uvádí Liu (2003) snížení energie potřebné pro klimatizaci interiéru budovy v letním období o 95 % a o 26 % nižší ztráty při vytápění v zimním období při porovnání s konvenčními střechami;
• snížené náklady na adaptační opatření spojená s účinky změny klimatu, zejména se změnou teplot;
• níže uvedené zdravotní přínosy by ve Velké Británii znamenaly úspory z hlediska neposkytnuté zdravotní péče ve výši cca 1,44 miliardy liber ročně (při aktivaci 1 % populace), tedy 2 423 liber ročně za každého člověka, který změní své návyky směrem k aktivní rekreaci v zelených zónách (Philips, 2010);
• řada studií dokazuje navýšení cen nemovitostí, pokud jsou situovány v zeleném prostředí. Zpravidla se jedná o průměrné navýšení 5–10 % ceny nemovitosti; administrativní a průmyslové budovy obklopené zelení jsou více žádané, tedy snadněji pronajímatelné i prodávané.

Zdravotní přínosy

• zelené rostliny svou evapotranspirací významně zvyšují vlhkost vzduchu (např. uvnitř parků je v průběhu dne o cca 15 až 20 % vyšší vlhkost vzduchu než v centrální části města; vzrostlý strom odpaří i více než 100 litrů vody za den; Kolafa a Vopeláková, 2007);
• listy stromů, keřů i trávníky absorbují plynné polutanty (např. CO, NO₂, SO₂, O₃) a zachycují jemné prachové částice obsažené v ovzduší, čímž potlačují vznik smogu (v ulicích lemovaných stromořadím bylo zjištěno až o 70 % méně atmosférického znečištění ve vegetačním období; Rutherford, 2007);
• při probíhající fotosyntéze v zelených rostlinách je do ovzduší uvolňován kyslík a zároveň je při tomto procesu spotřebovávána energie a tím ochlazována okolní atmosféra (Engelmeir a Scholz, 2007);
• pokles teploty zapříčiňuje také stín vytvářený vzrostlou zelení, který rovněž zabraňuje průniku zdraví škodlivému UV záření;
• zelené prvky snižují hladinu hluku; efekt zelených střech na potlačení hluku je daleko výraznější díky vrstvě zeminy (zelené střechy redukují hodnoty hluku až o 40–50 dB v závislosti na tloušťce a vlhkosti půdní vrstvy; Deutsch et al., 2008);
• vegetační plocha nedokáže absorbovat tolik energie jako ostatní zpevněné plochy (tzn. budovy, komunikace apod.); vlivem rozdílných teplot povrchů je vyvoláno proudění vzduchu, které napomáhá k ochlazování; v letním období zelené plochy významně napomáhají vyrovnávat extrémní denní a noční teploty;
• zelené prostory mají pozitivní vliv na psychologický vývoj dětí (Taylor et al., 2001). Pravidelný i dočasný pobyt a pohyb v přirozených či uměle vytvořených zelených plochách potlačuje symptomy poruchy pozornosti spojené s hyperaktivitou a zároveň rozvíjí a podporuje poznávací, sociální a emocionální schopnosti dítěte;
• v případě vytvoření vhodných prostranství pro sportovní aktivity lze očekávat zmírnění některých civilizačních chorob včetně depresí a obezity; Philips (2010) uvádí, že pokud je dostupný zelený prostor do vzdálenosti 500 m, jsou lidé až o 24 % aktivnější;
• pozitivním zdravotním přínosem vegetačních střech je taktéž eliminace pronikání elektromagnetického záření, tzv. elektrosmogu, do budov (Minke, 2007).

Sociální přínosy

• vegetace a zelené plochy (upravené) mají vliv na psychosociální chování jedince (Kuo, Sullivan, 2001). Stromy, keře a veškeré zelené plochy podle těchto výzkumů snižují kriminalitu a násilí v městském prostředí;
• zelené prostředí podporuje rekreační aktivity obyvatel, jejich vzájemný kontakt a komunikaci, což je v důsledku důležité pro plnění funkcí občanské společnosti.

3 PRÁVNÍ ÚPRAVA (HOSPODAŘENÍ S VODOU Z POHLEDU NOVELY VODNÍHO ZÁKONA A ZÁKONA STAVEBNÍHO)

Český právní rámec položil základ pro HDV v roce 2007, kdy se v Plánu hlavních povodí ČR objevily formulace zdůrazňující nutnost snižovat množství srážkových vod odváděných kanalizací a zlepšit podmínky pro jejich přímé vsakování do půdního prostředí, příp. požadavek na uplatnění koncepce nakládání se srážkovými vodami, umožňující jejich zadržování, vsakování i přímé využívání v urbanizovaných územích. V současné době platný systém plánů povodí tuto dikci zachovává a v některých ohledech i prohlubuje.

Národní plán Povodí Labe (vybrané úryvky)
Snižovat množství srážkových vod odváděných jednotnou i oddílnou dešťovou kanalizací.
Uplatňovat důsledně v generelech odvodnění urbanizovaných území i v územním plánování a ve všech typech jednotlivých územních a stavebních řízení koncepci nakládání s dešťovými vodami, umožňující jejich zadržování, vsakování i přímé užívání. S tím souvisí i snižování zpevněných ploch v zastavěných územích využitím polopropustných materiálů.
Srážkové vody budou v souladu s § 5 odst. 3 zákona č. 254/2001 Sb., ve znění pozdějších předpisů a dalšími právními předpisy řešeny podle TNV 75 9011 a ČSN 75 9010.

V roce 2009 byla vydána Politika územního rozvoje ČR jako základní nástroj územního plánování, který určuje požadavky a rámce pro konkretizaci ve stavebním zákoně obecně uváděných úkolů územního plánování s ohledem na udržitelný rozvoj území. V kapitole 2.2, odst. 25, nazvané Republikové priority územního plánování pro zajištění udržitelného rozvoje území, je mj. uvedeno:

Politika územního rozvoje ČR, kapitola 2.2, odst. 25
Vytvářet podmínky pro preventivní ochranu území a obyvatelstva před potenciálními riziky a přírodními katastrofami v území (záplavy, sesuvy půdy, eroze atd.) s cílem minimalizovat rozsah případných škod. Zejména zajistit územní ochranu ploch potřebných pro umísťování staveb a opatření na ochranu před povodněmi a pro vymezení území určených k řízeným rozlivům povodní. Vytvářet podmínky pro zvýšení přirozené retence srážkových vod v území s ohledem na strukturu osídlení a kulturní krajinu jako alternativy k umělé akumulaci vod.
V zastavěných územích a zastavitelných plochách vytvářet podmínky pro zadržování, vsakování i využívání dešťových vod jako zdroje vody a s cílem zmírňování účinků povodní.

Zásadním právním dokumentem, který zavádí povinnost uplatňovat principy HDV, je zákon č. 254/2001 Sb., o vodách, ve znění pozdějších předpisů, který obsahuje (od své novelizace v roce 2010) definici srážkových vod a stanovuje i podmínky obecného nakládání s nimi.

Zákon č. 254/2001 Sb., § 5, odst. 3
Při provádění staveb nebo jejich změn nebo změn jejich užívání jsou stavebníci povinni podle charakteru a účelu užívání těchto staveb je zabezpečit zásobováním vodou a odváděním, čištěním, popřípadě jiným zneškodňováním odpadních vod z nich v souladu s tímto zákonem a zajistit vsakování nebo zadržování a odvádění povrchových vod vzniklých dopadem atmosférických srážek na tyto stavby (dále jen „srážkové vody“) v souladu se stavebním zákonem. Stavební úřad nesmí bez splnění těchto podmínek vydat stavební povolení nebo rozhodnutí o dodatečném povolení stavby nebo rozhodnutí o povolení změn stavby před jejím dokončením, popřípadě kolaudační souhlas ani rozhodnutí o změně užívání stavby.

Vodní zákon nepožaduje aplikaci principů HDV pouze u novostaveb, ale též při provádění změn staveb a změn jejich užívání, čímž se snaží nejenom nezvyšovat množství srážkových vod odváděných jednotnou kanalizací, ale aktivně toto množství snižovat.

Požadavek zákona o vodách na soulad se stavebním zákonem se projevil v novelizaci vyhlášky č. 501/2006 Sb., o obecných požadavcích na využívání území, ve znění vyhlášky č. 269/2009 Sb., do které se nově dostaly požadavky na řešení srážkových vod.

Vyhláška č. 501/2006 Sb., § 20, odst. 5, písm. c)
Stavební pozemek se vždy vymezuje tak, aby na něm bylo vyřešeno
…
c) vsakování nebo odvádění srážkových vod ze zastavěných ploch nebo zpevněných ploch, pokud se neplánuje jejich jiné využití; přitom musí být řešeno
1. přednostně jejich vsakování, v případě jejich možného smísení se závadnými látkami umístění zařízení k jejich zachycení, není-li možné vsakování,
2. jejich zadržování a regulované odvádění oddílnou kanalizací k odvádění srážkových vod do vod povrchových, v případě jejich možného smísení se závadnými látkami umístění zařízení k jejich zachycení,
3. není-li možné oddělené odvádění do vod povrchových, pak jejich regulované vypouštění do jednotné kanalizace.

Výše uvedené povinnosti jsou formulovány obecně a pro technický návrh odvodnění konkrétní lokality musejí být doplněny o konkrétní ukazatele a jejich limitní hodnoty, pomocí kterých lze zhodnotit přípustnost a proveditelnost navrhovaného řešení. Způsob hodnocení přípustnosti a proveditelnosti je podrobně uveden v TNV 75 9011 Hospodaření se srážkovými vodami.

Legislativním prioritám, uvedeným v bodech 1–3, předchází možnost „jiného využití“ srážkových vod, kterým může být zejména akumulace a využití srážkových vod pro potřeby stavby či jejího pozemku. Pro akumulaci a využití srážkových vod zatím neexistuje v ČR platná norma, lze však použít např. DIN 1989-1:2001-10. Rainwater Harvesting Systems – Part 1: Planning, Installation, Operation and Maintenance či výpočet uvedený v TP 1.20 Hospodaření se srážkovou vodou v nemovitostech.

Patrná je též snaha do budoucna koncepčně provázat HDV do územního plánování. Nejkonkrétnější je Strategie přizpůsobení se změně klimatu v podmínkách ČR (2015) a příslušný akční plán k této strategii (2017).

Strategie přizpůsobení se změně klimatu v podmínkách ČR
Dále by měly být principy hospodaření se srážkovými vodami promítnuty do územního plánování. Plošný rozvoj obcí (vymezení větších zastavitelných ploch) je nutné provádět se zohledněním místních odtokových poměrů a spojit s koncepčním návrhem odvodnění území v širších územních souvislostech. I v této souvislosti je žádoucí ověřovat způsoby využití ploch větších rozvojových území pomocí existujících vhodných nástrojů územního plánování, jimiž jsou územní studie, popř. regulační plány, doplněných o informace z koncepcí odvodnění. Dále je potřeba vytvořit závazné standardy pro výstavbu městských pozemních staveb a staveb komunikací a terénních úprav podle zásad hospodaření se srážkovými vodami (např. formou výlučného odkazu na normy TNV 75 9011 a ČSN 75 9010 v zákoně nebo podzákonném právním předpisu).

Ze současného právního rámce vyplývá konkrétní postup při volbě způsobu odvodnění stavby, které preferuje principy HDV. Toto se netýká stávající zástavby (s výjimkou změn stavby a změn využití stavby), kde tento způsob může být podpořen zavedením ekonomické motivace, tedy zpoplatněním odváděných srážkových vod.

V návaznosti na úpravu právních předpisů v letech 2009 a 2010 byly zpracovány TNV 75 9011 Hospodaření se srážkovými vodami a ČSN 75 9010 Vsakovací zařízení srážkových vod.

4 LIMITY VSAKOVÁNÍ SRÁŽKOVÝCH VOD

Geologické podmínky na stavebním pozemku jsou nejdůležitější hledisko pro návrh zařízení HDV. Podmínkou pro přípravu staveb je včasné provedení geologického průzkumu, který musí popsat a posoudit:

• propustnost podloží – stanoví vsakovací schopnost podloží, což umožní navrhnout vhodné vsakovací zařízení;
• úroveň hladiny podzemní vody a mocnost nesaturované (nenasycené) zóny – stanoví míru využitelnosti podloží ke vsakování srážkové vody;
• směr proudění podzemní vody – velký význam pro šíření látek, které se dostaly do podzemní vody, má směr a rychlost proudění podzemní vody;
• sklon terénu – např. v členitém a svažitém území je při vsakování třeba počítat s výrazným omezením;
• ochranná pásma vod – vsakovací zařízení ve stávajících či plánovaných ochranných pásmech vod je třeba posuzovat obzvlášť pečlivě;
• ekologická zátěž půdy – potenciální vyluhování závadných látek může vést k nepřípustnosti vsakování srážkových vod v případě, že ekologická zátěž nebude sanována, případně může vést ke speciálním požadavkům na stavební řešení vsakovacího zařízení;
• využití území – pro posouzení možnosti vsakovat srážkovou vodu má velký význam stávající nebo plánovaná zástavba území a jeho využití.

Možnost využití vsakování jako součásti HDV potvrdí nebo vyvrátí geologický průzkum. Způsob a rozsah geologického průzkumu v závislosti na místních podmínkách podrobně stanoví ČSN 75 9010 Vsakovací zařízení srážkových vod.

4.1 GEOLOGICKÁ STAVBA ÚZEMÍ

Geologická stavba České republiky umožňuje vsakování srážkových vod pouze v relativně malém měřítku. Nicméně tento fakt žádným způsobem neovlivňuje skutečnost, že vsakování je v lokalitách, kde je možné, prioritním způsobem hospodaření se srážkovou vodou.

V ostatních lokalitách, kde geologická stavba omezuje návrh opatření HDV jako výhradně vsakovacích, se pak uplatňuje návrh objektů, které kombinují vsakovací funkci s regulovaným odtokem.

V některých případech, kdy svrchní, relativně tenká vrstva půdy je málo propustná či nepropustná (tzv. izolátor), může pod ní existovat dostatečně mocná nesaturovaná vrstva dobře propustných zemin. V těchto případech je vsakování dobře realizovatelné napojením vod přímo do těchto vrstev (nikoliv přímo do podzemní vody), doporučuje se však pouze pro srážkové vody odtékající z čistých povrchů, a to zejména:

• zelených střech (bez postřiků a rizika vyplavování hnojiv);
• střech z inertních materiálů;
• střech s kovovými částmi do 50 m² (tj. okapy, svody, oplechování a další klempířské prvky);
• komunikací pro pěší a cyklisty;
• málo frekventovaných parkovišť osobních aut;
• málo frekventovaných dopravní komunikace (např. příjezdy k domům).

4.2 VSAKOVACÍ SCHOPNOST PŮDY

Podstatným předpokladem pro vsakování srážkových odtoků je dostačující propustnost půdy a nesaturovaných podzemních horninových vrstev. V souladu s ČSN 75 9010 je propustnost charakterizována hodnotou koeficientu vsaku k_v (m/s), která představuje rychlost proudění vody v trvale nesaturovaném horninovém prostředí za atmosférického tlaku při hydraulickém sklonu I = 1. Tuto veličinu nelze zaměňovat za obecně známý koeficient nasycené hydraulické vodivosti (saturated hydraulic conductivity) K_s (m/s), který je vztažen k trvale zvodnělému prostředí, tedy saturované zóně horninového prostředí, jinými slovy ke kolektoru podzemní vody. Do saturovaného prostředí (kolektoru podzemní vody) je přímé vsakování srážkových vod nepřípustné.

Jakékoliv zjednodušené přepočty K_s na k_v se nedoporučují. Prvotní charakterizace propustnosti nesaturovaného horninového prostředí na základě odborné rešerše archivních znalostí posuzovaného území je možná pouze v případě nenáročných staveb v jednoduchých přírodních poměrech (ČSN 75 9010). Zde je možné vycházet z obecného hodnocení propustnosti horninového prostředí pomocí K_s, resp. z nomogramů vyjadřujících závislost mezi hydraulickou vodivostí a zrnitostí (obr. 9) a kvalifikovaně tyto parametry upravit pro potřeby hodnocení vsakovací schopnosti.

Obr. 9  Vztah mezi typem zeminy (osa x horní), hydraulickou vodivostí (dolní boxy č. 12-1) a jejich zrnitostí (klasické osy x – průměr zrn v mm a y – obsah zrn v % celkové váhy) (Šamalíková, 1996)

V ostatních případech je žádoucí vycházet z výsledků terénního ověření požadovaných parametrů v souladu s požadavky kapitoly 4 ČSN 75 9010. Pro prvotní zhodnocení vsakovací schopnosti horninového prostředí můžeme na základě zkušeností z provádění geologického průzkumu pro vsakování považovat z hlediska efektivního využití vsakování jako součásti DHV za hraniční hodnotu koeficientu vsaku k_v = 10^-6 m/s. Hodnoty koeficientu vsaku nižší než tato můžeme pro využití vsakovaní hodnotit jako problematické, vylučující odvodňování čistě prostřednictvím vsakování pouze s dočasnou retencí. V těchto případech je potřeba počítat s možností část odtoku regulovaně odvádět. Hodnoty koeficientu vsaku nižší než k_v = 10^-8 m/s pak lze považovat za nevhodné pro vsakování.

4.3 HLADINA PODZEMNÍ VODY

Vedle dostačující vsakovací schopnosti půdy a příznivé geologické stavby území je důležitým faktorem též hladina podzemní vody. Ta by měla být alespoň 1 m pod konstrukcí vsakovacího zařízení, resp. tak, aby vsakovací prvek ležel minimálně 1 m nad maximální (nejvyšší) hladinou podzemní vody (kap. 6 ČSN 75 9010).

Maximální hladinu podzemní vody podle ČSN 75 9010 představuje kvalifikovaný odhad založený na zpracování všech dostupných archivních podkladů i nově zjištěných skutečností z posuzované lokality.

Nejvyšší hladina podzemní vody je v ČSN 83 8030 Skládkování odpadů – Základní podmínky pro navrhování a výstavbu skládek, definována jako nejvyšší úroveň hladiny, odvozená s přiměřenou spolehlivostí na základě pozorování, která se může vyskytnout v období výstavby i provozu.

5 ZNEČIŠTĚNÍ SRÁŽKOVÝCH VOD A JEJICH PŘEDČIŠTĚNÍ

Srážkové povrchové vody odtékající z urbanizovaného území jsou znečištěny látkami obsaženými v atmosféře a látkami pocházejícími z materiálu a užívání odvodňovaných ploch.

Atmosférická depozice má složku suchou a mokrou. Složka suchá představuje depozici tuhých látek a plynů a převládá v blízkosti emisních zdrojů, tedy ve městech, v průmyslových aglomeracích a v okolí dopravních tepen. Složka mokrá je spojena s atmosférickými srážkami – ať už vertikálními, (déšť, sníh, kroupy), či horizontálními (námraza, jinovatka, mlha) – a je významnější v oblastech s vysokými ročními srážkovými úhrny. Znečištění ovzduší v lokálním měřítku závisí na mnoha faktorech, zejména na typu a množství emisních zdrojů, na reliéfu a na meteorologických podmínkách lokality. Často vykazuje značné roční kolísání dané zimním vytápěním. Z hlediska nakládání se srážkovým odtokem představují nejvýznamnější znečištění pocházející z atmosférické depozice jemné částice, těžké kovy a persistentní organické sloučeniny (např. benzo-a-pyren). Nezanedbatelné jsou však též živiny (dusík a fosfor). Důležitou roli pro rozpouštění těžkých kovů hraje míra kyselosti deště.

Z materiálů odvodňovaných ploch pronikají do srážkového odtoku vápník, hliník a křemík z betonových ploch, zinek, měď a kadmium z kovových povrchů a organické látky z asfaltových povrchů, umělých hmot, barevných nátěrů apod. (Krejčí a kol., 2002).

Užívání odvodňovaných ploch včetně péče o ně (doprava, průmysl atd.) přináší znečištění širokou škálou látek (např. exkrementy, listí a jiná organická hmota, hrubé a jemné nerozpuštěné látky, minerální oleje a ropné uhlovodíky, biocidy, těžké kovy či detergenty).

Řada látek obsažených ve srážkovém odtoku z urbanizovaných území patří k zvlášť nebezpečným závadným látkám (např. persistentní minerální oleje a persistentní uhlovodíky ropného původu, kadmium) či k nebezpečným látkám (např. zinek, měď, olovo a další těžké kovy, biocidy, nepersistentní minerální oleje a nepersistentní uhlovodíky ropného původu, sedimentovatelné tuhé látky) (vodní zákon č. 254/2001 Sb., ve znění pozdějších předpisů).

Proto je zapotřebí klást důraz na volbu vhodného typu vsakovacího zařízení s případným předčištěním, je-li recipientem podzemní voda, i možnosti ošetření srážkového odtoku pří zaústění do povrchových vod. Nevyhovující jakost srážkového odtoku může být příčinou nutnosti jeho odvedení do jednotné kanalizace. Dále je podstatné předejít kolmataci zejména podzemních vsakovacích zařízení dostatečným odstraněním NL.

Další text kapitoly uvádí nejprve do souvislosti typ znečištění s typem oplachovaného povrchu, dále pak představuje jednotlivé typy opatření k předčištění odtoku srážkových vod a diskutuje jejich vhodnost vzhledem k typu plochy (resp. typu znečištění) a vhodnému recipientu, kam budou srážkové vody po předčištění zaústěny.

5.1 ROZDĚLENÍ ZNEČIŠTĚNÍ PODLE TYPU PLOCH

Srážkový odtok z různých typů ploch se liší v závislosti na jejich charakteru a užívání.

Střechy a terasy

Jakost vody odtékající ze střech ovlivňuje kromě lokálních suchých a mokrých depozic také typ střechy (ploché či šikmé) a její materiál včetně materiálu střešních instalací (inertní či reaktivní).

Na plochých střechách s vrstvou štěrku dochází díky filtraci, adsorpci a biologickému rozkladu k vyššímu zadržení znečištění ze suchých a mokrých depozic než na střechách šikmých. Průsak štěrkem s obsahem vápníku (vápencovým, mramorovým či dolomitickým štěrkem) vede také ke zvýšení hodnoty pH vody a její kyselinové neutralizační kapacity KNK4,5 (celkové alkality), což ještě více podporuje zadržení látek. Nejúčinněji zadržují znečištění intenzivní vegetační střechy, ale odtok z nich může být zbarven huminovými látkami (a může mít tudíž vyšší koncentrace DOC). Pro ošetřování intenzivních vegetačních střech musejí být pečlivě dávkována hnojiva a nesmějí být používány postřiky, aby odtok neobsahoval živiny či persistentní organické látky (VSA, 2002).

Za inertní materiály jsou považovány střechy ze skla, plexiskla, plasty potažené kovové střechy a střechy s taškami z pálené hlíny. Odtok z nich obsahuje především atmosférické depozice (Dierkes et al., 2005).

Betonové střechy vykazují vzhledem k drsnějšímu povrchu jednak vyšší atmosférické depozice, jednak jsou z nich uvolňovány částečky betonu. Je tedy nutno počítat se zvýšeným obsahem jemných nerozpuštěných látek v odtoku (Dierkes et al., 2005).

Při použití neošetřených kovových plechů z mědi, zinku či olova se do odtékající vody dostává značné množství příslušného těžkého kovu. Průměrné koncentrace kovů jsou zvýšené, již jsou-li z kovu zhotoveny jen okapy a svody. V případě celokovových střech a fasád jsou koncentrace kovů velmi vysoké, a to zejména na počátku srážkového odtoku (tzv. první splach) (obr. 10). Vysoký podíl kovů se nachází v rozpuštěné formě (70–80 % měď a zinek, cca 25 % olovo) (VSA, 2002; Steiner, 2010).

Obr. 10  Koncentrace mědi ve srážkovém odtoku ze střech s různými podíly měděných prvků (VSA, 2002)

Problematické mohou být i další materiály, např. asfaltová lepenka, která obsahuje pesticidy a z níž se uvolňují organické látky obsažené v asfaltu.

Erozní smyvy z nezpevněných ploch

Ze zatravněných a dalších nezpevněných ploch s možným odtokem srážkových vod do odvodňovacích systémů může v důsledku erozních smyvů odtékat značné množství nerozpuštěných látek (anorganického a organického původu).

Komunikace pro pěší a cyklisty, dvory

Z materiálu povrchu a odvodnění se do srážkového odtoku komunikací pro pěší a cyklisty dostávají hrubé a jemné nerozpuštěné látky (hlína, písek, štěrk, obrus). Povrch bývá také znečištěn různými odpadky, listím či zbytky vegetace a zvířecími exkrementy. Při zimní údržbě se používají posypové materiály (hrubé a jemné nerozpuštěné látky) a soli (chloridy).

Ve srážkovém odtoku z komunikací pro pěší a cyklisty je proto nutno počítat s mírně vyššími koncentracemi hrubých i jemných nerozpuštěných látek, organického znečištění (BSK₅), dusíku a fosforu a patogenních mikroorganizmů než v odtoku ze střech (ÖWAV-Regelblatt 35, 2003).

Dopravní plochy, komunikace pro motorová vozidla

Znečištění na komunikacích pro motorová vozidla je způsobeno emisemi ze spalování pohonných hmot, opotřebením vozovky, pneumatik a brzd vozidel, korozí vozidel, únikem pohonných hmot, olejů, brzdové kapaliny, rozmrazovacích prostředků atd., materiály používanými na údržbu a opravy silnic včetně zimní údržby i ztrátami přepravovaného materiálu (tab. 1).

Tab. 1  Zdroje znečisťujících látek na dopravních plochách (VSA, 2002; ÖNORM B 2506-2, 2003)

Nejzávažnějšími znečišťujícími látkami srážkového odtoku ze silnic jsou vzhledem k vysokým koncentracím nerozpuštěné látky, těžké kovy zinek a měď, uhlovodíky a chloridy. Ostatní těžké kovy (Cr, Cd, Ni, Pb) se vyskytují v nižších koncentracích, a jsou proto ekologicky méně významné (Steiner, 2010). Značný podíl znečištění (např. PAU, AOX, těžké kovy) je adsorbovaný na jemných částicích (< 20 μm), a to zejména organického původu (VSA, 2002).

Míra znečištění srážkového odtoku závisí na hustotě dopravy, podílu nákladní dopravy a frekvenci čištění ulic a silnic. Její předpověditelnost však ztěžuje řada dalších faktorů, např. pozaďové znečištění z atmosférických depozic, odnos větrem, ztráty rozstřikem či výška obrubníku.

Plochy u skladišť, manipulační plochy

Případné znečištění ploch u skladišť a manipulačních ploch je nutno posuzovat individuálně s ohledem na:

• úniky látek (pohonných hmot, olejů);
• ztráty materiálu při manipulaci se zbožím;
• netěsnosti kontejnerů, přepravek, nádrží;
• zbytky obalů;
• výluhy zboží;
• znečištění čisticími a rozmrazovacími prostředky;
• stejné znečištění jako dopravní plochy.

Vzhledem ke značné variabilitě užívání těchto ploch je znečištění srážkového odtoku obtížně předpověditelné.

Komunikace zemědělských areálů

Rovněž posouzení možného znečištění komunikací zemědělských areálů vyžaduje individuální přístup s ohledem na:

• doplňování pohonných hmot zemědělských vozidel;
• uskladňování a manipulaci s kejdou a močůvkou, organickými a anorganickými hnojivy a pesticidy;
• čištění a údržbu vozidel, strojů, přístrojů a nádrží;
• zemědělskou činnost (u živočišné výroby zejména transport hnoje).

Ve srážkovém odtoku ze zemědělských ploch lze očekávat zvýšené koncentrace nerozpuštěných látek, živin, rozložitelných organických látek, patogenních mikroorganismů, pesticidů, ale též uhlovodíků a těžkých kovů.

Typické znečisťující látky na jednotlivých typech ploch a klasifikace míry znečištění srážkového odtoku

Typické znečisťující látky s očekávanou mírou jejich výskytu na jednotlivých typech ploch shrnuje tab. 2.

Tab. 2  Typické znečištění na různých typech ploch (u střech závisí na znečištění ovzduší)

Obecně lze tudíž znečištění srážkového odtoku z různých typů ploch klasifikovat jako nízké, střední a vysoké (zejména z hlediska znečištění nerozpuštěnými látkami, těžkými kovy a uhlovodíky) (tab. 3). U střech s kovovými částmi se za tzv. bagatelní hranici přípustného znečištění pro nakládání se srážkovým odtokem považuje plocha kovových částí 50 m² napojená na jedno vsakovací zařízení a plocha 500 m² při zaústění do určitého úseku recipientu (viz též kap. 5.3) (VSA, 2002; DWA-M 153, 2007; ÖWAV-Regelblatt 35, 2003).

Tab. 3  Klasifikace znečištění srážkového odtoku

Typ plochy	Míra znečištění srážkového odtoku	Klasifikace znečištění srážkového odtoku
vegetační střechy (bez hnojení a postřiků); střechy z inertních materiálů; střechy s plochou neošetřených kovových částí do 50 m2; komunikace pro pěší a cyklisty; málo frekventovaná parkoviště os. aut; málo frekventované dopravní komunikace (příjezdy k domům)a.		nízké
střechy s plochou neošetřených kovových částí 50-500 m2; středně frekventované dopravní komunikaceb; (vysoce) frekventovaná parkoviště (osobní auta a autobusy).		střední
střechy s plochou neošetřených kovových částí nad 500 m2; vysoce frekventované dopravní komunikacec; plochy u skladišť, manipulační plochy*); komunikace zemědělských areálů*); parkoviště nákladních aut (nejsou součástí veřejných komunikací).		VYSOKÉ

^a,b,c viz tab. 2
*) Nutno individuální posouzení přípustnosti vsakování a odvádění do povrchových vod

5.2 OPATŘENÍ NA ČIŠTĚNÍ SRÁŽKOVÝCH VOD

Čištění srážkového odtoku může probíhat v přírodě blízkých nebo v technických zařízeních. Cíle čištění srážkového odtoku jsou:

• zadržení hrubých nečistot (splavenin) a nerozpuštěných látek;
• snížení koncentrace těžkých kovů (doprava, střechy);
• zadržení ropných látek;
• rozklad organických látek spotřebovávajících kyslík;
• snížení koncentrace živin;
• snížení koncentrace patogenních organizmů.

ČISTICÍ ZAŘÍZENÍ PŘI VSAKOVÁNÍ SRÁŽKOVÝCH VOD

Čisticí zařízení srážkových vod používaná při jejich vsakování využívají způsobů čištění (procesů) uvedených v tab. 4 (upraveno podle ÖNORM B 2506-2, 2003) a mohou být jedno- nebo vícestupňová.

Tab. 4  Způsoby předčištění srážkových vod při vsakování a účinnost pro různé druhy znečištění

Zachycení hrubých nečistot

Pro zachycení hrubých nečistot se používají vtokové mřížky, lapače listí, česle a síta. Zachycení hrubých nečistot je nezbytné pro ochranu dalších stupňů čištění nebo pro podzemní vsakovací zařízení. Může být buď integrováno do sběrného zařízení pro odvádění vody, nebo vybudováno jako samostatný stupeň čištění. Šířka průlinu závisí na dalším stupni čištění nebo použitém vsakovacím zařízení a měla by zpravidla ležet mezi 5 až 30 mm.

Vsakování přes zatravněnou humusovou vrstvu

Zatravněnou humusovou vrstvou se rozumí půdní prostředí se zvýšeným obsahem humusu (např. hlinitopísčité až písčitohlinité půdy s minimálně 3% obsahem humusu) s udržovaným travním vegetačním pokryvem.

Vsakování přes zatravněnou humusovou vrstvu se uplatňuje při povrchovém plošném vsakování, při vsakování v průlezích, systémech průleh – rýha a ve vsakovacích nádržích. Může být hlavním opatřením nebo může být použito pro dočištění srážkového odtoku. Při vsakování přes zatravněnou humusovou vrstvu dochází k filtraci nerozpuštěných látek, iontové výměně a adsorpci těžkých kovů a uhlovodíků a k biologickému rozkladu rozložitelného znečištění. Účinnost filtrace závisí na zrnitosti materiálu, proto je vhodnější jemnozrnný materiál; při vysokém obsahu jílu však hrozí nebezpečí zkratového proudění. Účinnost sorpce je dána obsahem humusu a jílu a oxidů železa, hliníku a manganu. Mobilitu kovů značně ovlivňuje pH půdy (od pH 6 není většina kovů mobilních), oxidačně-redukční potenciál (při negativním oxidačně-redukčním potenciálu se tvoří obtížně rozpustné sulfidy) a přítomnost solí (zvýšený obsah solí vede k remobilizaci kovů).

Nutná tloušťka a složení svrchní vrstvy půdy jsou (TNV 75 9011):

• minimálně 20 cm, optimálně 30 cm humusové krycí vrstvy;
• obsah jílu přibližně 10 % (hmotnostní zlomek) (dostatečná kapacita pro iontovou výměnu);
• obsah humusu minimálně 3 % (hmotnostní zlomek);
• hodnota pH 6 až 9;
• hydraulická vodivost K_s = 10^-4 m/s až 10^-5 m/s (při rychlejším průsaku by byl snížen čisticí účinek).

Nutná tloušťka a složení podkladní (spodní) vrstvy půdy jsou (VSA, 2002):

• minimálně 30 cm, optimálně 50 cm písčitojílovité půdy;
• obsah jílu přibližně 10 % až 35 % (hmotnostní zlomek) (dostatečná kapacita pro iontovou výměnu);
• obsah humusu méně než 1 % (hmotnostní zlomek).

Svrchní vrstva půdy je považována za součást zařízení, a proto nepodléhá speciální ochraně. Je však nutno sledovat její kontaminaci včetně postupu do hloubky a popřípadě půdu vyměnit. V případě zvýšených nároků na ochranu půdy a podzemní vody je nutno předřadit vhodné adsorpční zařízení.

Gravitační separace látek

V sedimentačních zařízeních jako kalové jímky či usazovací nádrže jsou zadržovány usaditelné látky (kal, hlína, písek či posypové látky), a tím je snižováno nebezpečí kolmatace nebo ucpání vsakovacího objektu. Sedimentací se sníží též obsah těžkých kovů a organických sloučenin. Pro zachycení plovoucího znečištění (listí, minerální oleje atd.) se instalují norné stěny. Účinnost sedimentačních zařízení je závislá na hydraulickém zatížení objektu (zpravidla maximální návrhový odtok z odvodňované plochy vzhledem k půdorysné ploše a objemu objektu) a na zrnitostním složení NL.

Sedimentační zařízení jsou nutná jako předstupeň u podzemních vsakovacích zařízení a při vysokém zatížení nerozpuštěnými látkami. Nutné je jejich pravidelné vyklízení, aby nedocházelo ke zvíření zachyceného kalu při dalších deštích či k rozkladu organických látek a s ním spojenému rozpouštění znečišťujících látek.

Protože sedimentační zařízení nejsou schopna zachytit jemnou frakci NL za ekonomicky a objemově přijatelných podmínek, je vhodné je doplnit vsakováním přes zatravněnou humusovou vrstvu nebo filtračními zařízeními.

Kalová jímka je samostatný objekt (šachta s vestavbou před vlastním zasakovacím objektem) se stálým nadržením, která disponuje kalovým a usazovacím prostorem. Jedná se v podstatě o vertikální usazovací nádrž s kalovým prostorem, který je oddělený od usazovací části tak, aby nedocházelo k rozmíchání celého objemu a vyplavení zachycených částic. Dimenzuje se zpravidla podle podkladu výrobce na základě hydraulického zatížení a typu odvodňované plochy (indikátor typu a množství znečištění). Často je součástí odlučovačů lehkých kapalin (OLK).

Usazovací (dešťové) nádrže jsou objekty s čisticí a retenční funkcí. Mohou být navrhovány jako objekty bez nebo se stálým nadržením. Dimenzování se provádí na podle obdobných hydraulických zásad pro usazovací nádrže čistíren OV (ČSN 75 6261 Dešťové nádrže). Jsou navrhovány v různých geometrických variantách i technických řešeních. Pro správnou funkci je zapotřebí zohlednit rovnoměrné povrchové zatížení nádrže, maximální podélnou rychlost v nádrži, maximální povrchové zatížení hladiny v nádrži a dobu zdržení při dané intenzitě mezního deště.

Na principu gravitačního odloučení látek různé hustoty pracují i odlučovače lehkých kapalin (OLK). Lehkými kapalinami se rozumějí uhlovodíky do měrné hmotnosti 950 kg/m³, nerozpustné a nezmýdelnitelné ve vodě (pohonné hmoty, ředidla, maziva apod.) s vyloučením tuků a olejů rostlinného a živočišného původu. Odlučovače lehkých kapalin obsahují kalový prostor, odlučovací prostor a v některých případech i adsorpční prostor. Kalový prostor je umístěn na nátokové straně odlučovače a určen pro usazování tuhých materiálů, tj. kalu, bahna a písku. V odlučovacím prostoru dochází k odloučení lehké kapaliny od srážkové vody gravitací a koalescencí (splývání disperzních částic ve větší celky) a k jejímu skladování. V prostoru adsorpčního dočištění jsou pomocí filtru s adsorpčním materiálem zachyceny další rozpuštěné a jemně dispergované kapky lehkých kapalin. OLK se navrhují pro čištění odtoku z frekventovaných dopravních komunikací a parkoviště, případně z průmyslových ploch (ČSN EN 858-1 a 858-2 a dále ČSN 75 6551).

Filtrační zařízení

Filtrační zařízení slouží pro zachycení hrubých a jemných částic (partikulárních látek) mechanickou filtrací (pískové a štěrkové filtry, geotextilie), případně i pro odstranění rozpuštěných látek adsorpcí a biologickými procesy (porostlé filtry, zemní filtry). Nezbytná je ochrana filtračního zařízení pomocí předřazeného sedimentačního zařízení odstraňujícího usaditelné a plovoucí látky.

Zrnitost materiálu a tloušťka filtrační vrstvy pískových a štěrkových filtrů se navrhuje podle očekávaného zatížení, přičemž filtrační rychlost by měla být max. 15 m/h. Doporučuje se tato konstrukce filtru:

• krycí vrstva: štěrk 4–8 mm, tloušťka 10 cm;
• filtrační vrstva: vymývaný štěrk 2–4 mm, tloušťka 50 cm;
• vsakovací vrstva: štěrk 16–32 mm, tloušťka 25 cm;
• mezi vrstvami: geotextilie (ochrana před promícháním vrstev).

Geotextilie z polypropylenu, polyethylenu nebo polyesteru se používají i jako mechanická ochrana dalších stupňů čištění nebo podzemních vsakovacích zařízení ve formě zaráženého filtru, plošného filtru, filtrační vložky nebo pytle do šachet. Nevhodné jsou v případě přítomnosti biologicky rozložitelných organických látek ve vodě. Použity smějí být jen mechanicky zpevněné textilie, nikoliv tkané nebo tepelně zpevněné textilie. Jejich propustnost by měla být min 10^-3 m/s.

Pokud jsou filtry porostlé vegetací (např. rákosím), dochází i k biologickému čištění (odstraňování organického znečištění a živin). Porostlé filtry jsou doporučovány i z důvodu údržby filtru, neboť u nich není nutno pravidelně vyměňovat filtrační koláč (kolmatační vrstvu) jako u neporostlých filtrů (Steiner, 2010).

Adsorpční zařízení

Zařízení s adsorpčními materiály umožňují velmi účinné odstranění znečisťujících látek, a to v závislosti na použitém adsorpčním materiálu.

Používané adsorpční materiály jsou:

• aktivní uhlí – kromě adsorpce těžkých kovů, uhlovodíků (minerálních olejů, ropných látek), obtížně i dobře rozložitelných organických látek podporuje i mikrobiální rozklad znečištění;
• zeolity (SiO₂) – jsou vysoce účinné pro adsorpci uhlovodíků a těžkých kovů, neměly by však být používány v případě solení komunikací, protože sůl vede k remobilizaci těžkých kovů;
• granulované hydroxidy železa a hliníku – ve směsi s vápnitým pískem pro neutralizaci kyselého odtoku vykazují vysokou míru adsorpce těžkých kovů;
• adsorbenty olejů (textilie, vata, gumový granulát, umělohmotné částice) – musejí mít schopnost přijímat min. 100 % oleje v poměru k vlastní hmotnosti.

Pro ochranu adsorpčního materiálu je nutné, aby předcházelo zachycení nerozpuštěných látek sedimentací, filtry nebo geotextiliemi.

Z hlediska konstrukce lze adsorpční materiály použít v nejrůznějších formách jak ve větších vsakovacích objektech (např. jako rohože), tak ve vsakovacích šachtách (jako filtrační náplň, event. v kombinaci s lehce vyměnitelným pytlem z geotextilie, chránícím adsorpční vrstvu před kolmatací nerozpuštěnými látkami), nebo jako různé moduly (např. děrované roury s navinutými rohožemi) v liniových vsakovacích objektech.

Adsorpční zařízení zpravidla slouží pro dočištění srážkových vod po jejich mechanickém čištění, ale při zvýšených nárocích na ochranu půdy a podzemní vody je možno je i předřadit před povrchové plošné vsakování.

Kombinace zařízení

Pro zvýšení účinnosti čištění je možná kombinace těchto opatření (DWA-M 153, 2007):

• filtrační zařízení + průsak půdou;
• sedimentační zařízení + průsak půdou;
• vsakování přes více vrstev;
• sedimentační zařízení + filtrační zařízení + průsak půdou.

V odůvodněných případech je možno aplikovat speciální způsoby čištění pro dosažení přípustnosti vsakování, např.:

• reaktivní filtrační materiály (šachty s adsorpčními filtry, průlehy s definovaným materiálem);
• srážení a flokulace.

ČISTICÍ ZAŘÍZENÍ PŘI ZAÚSTĚNÍ DO POVRCHOVÝCH VOD

Zařízení pro čištění srážkového odtoku před zaústěním do povrchových vod pracují na stejných principech jako při jeho vsakování, navíc jsou však často řešena tak, aby plnila i retenční funkci. Pro zvýšení účinnosti se mechanické čištění sedimentací či filtrací doplňuje i biologickým čištěním (tab. 5).

Tab. 5  Způsoby čištění srážkových vod při zaústění do povrchových vod a účinnost pro různé druhy znečištění

Gravitační separace látek

Jako mechanický způsob čištění srážkového odtoku z menších odvodňovaných ploch se používají kalové jímky, pro větší plochy se budují dešťové usazovací nádrže (s integrovaným odloučením lehkých kapalin). Nádrže mohou být bez stálého nadržení (norné stěny musejí plovat) nebo se stálým nadržením a retenčním prostorem. Po posouzení významnosti prvního splachu je nádrže možno budovat i jako záchytné (se zadržením objemu nejvíce znečištěného prvního splachu a následným odkloněním přítoku mimo nádrž). Tyto nádrže však musejí být vyprazdňovány do jednotné kanalizace, resp. na ČOV.

V retenčních dešťových nádržích a mokřadech dochází kromě zadržení usaditelných látek i k biologickému čištění – biologickému rozkladu organických látek a přijímání rozpuštěných látek (např. živin) vegetací. Pro zabránění jejich zanášení je nutno předřadit kalovou jímku.

Hydrodynamické odlučovače jako vírové separátory pracují na principu tangenciálního přívodu přítoku a odstředivé síly, díky čemuž mají vyšší odlučovací účinnost nerozpuštěných látek při menším objemu. Jsou vhodné zejména pro menší povodí, avšak na oddílné dešťové kanalizaci se používají méně často než na jednotné.

Odlučovače lehkých kapalin je vhodnější zařadit před dešťovou nádrž než za ni, a to z důvodu poměrně vysoké rozpustnosti minerálních olejů ve vodě. Přes odlučovač musí být převeden minimálně celý směrodatný déšť. Obtok je povolen jen na množství, o které déšť převyšuje déšť směrodatný, a musí být vybaven nornou stěnou nebo obdobným zařízením. Retence před odlučovačem je možná, avšak musí být navržena tak, aby byl zachycen a následně předčištěn celý směrodatný déšť. Retenční zařízení je v tomto případě součástí předčisticího zařízení.

Filtrační zařízení

Filtrační zařízení určená pro čištění srážkových vod při jejich zaústění do povrchových vod jsou utěsněna vůči okolním půdním vrstvám nepropustnými fóliemi. Filtrací přes pískové a štěrkové vrstvy se zachytí hrubé a jemné nerozpuštěné látky. Pískové a štěrkové filtry porostlé vegetací, retenční půdní filtry (nejlépe osázené) či systémy průlehů a rýh jsou vysoce účinné pro zadržení jemných částic, biologický rozklad organických látek i vázání rozpuštěných látek. Při průsaku půdou dochází k adsorpci těžkých kovů i organických polutantů. Filtrační zařízení je nutno chránit před kolmatací pomocí předřazeného sedimentačního zařízení.

5.3 VOLBA VHODNÉHO ZPŮSOBU NAKLÁDÁNÍ SE SRÁŽKOVÝM ODTOKEM S OHLEDEM NA TYP PLOCHY

Doporučené způsoby vsakování

Kromě očekávaného znečištění srážkového odtoku charakteristického pro různé typy ploch závisí volba typu vsakovacího zařízení pro danou lokalitu na geologických podmínkách a na prostorových možnostech, z nichž vyplývá, zda je možno použít povrchové či podpovrchové vsakování a jaké bude hydraulické zatížení zařízení (poměr připojené redukované plochy a plochy vsakovacího zařízení A_red/A_vsak). Hydraulické zatížení má vliv i na čisticí účinek zařízení.

Přednostně se doporučuje povrchové vsakování přes souvislou zatravněnou humusovou vrstvu, a to nízko zatěžované plošné (A_red/A_vsak ≤ 5), decentrální v průlehu či průlehu doplněném rýhou (5 < A_red/A_vsak ≤ 15), které je vhodné pro odstraňování všech typických druhů znečištění obsaženého ve srážkových vodách. Vsakování v centrální vsakovací nádrži nebo v systému průlehů a rýh má v důsledku vyššího hydraulického zatížení (A_red/A_vsak > 15) nižší účinnost čištění omezující jeho vhodnost pro vysoce znečištěné vody (event. je nutno doplnit předčištění, zejména zachycení nerozpuštěných látek).

K plošnému vsakování patří jednak boční odvod srážkové vody z nezpevněných ploch na propustnou zatravněnou plochu (u silnic do zatravněných příkopů), jednak vsakování přímo na propustných plochách. Účinnost čištění při vsakování na propustně zpevněných površích (např. zatravňovacích tvárnicích) je vzhledem k nesouvislé zatravněné vrstvě na dané ploše a menší tloušťce humusové vrstvy nižší než při vsakování přes souvislou zatravněnou vrstvu. Pokud zatravněná vrstva chybí (např. porézní povrchy), je účinnost čištění velmi nízká. Proto jsou tyto typy povrchů vhodné jen pro lokální komunikace pro pěší a cyklisty a málo frekventovaná parkoviště či příjezdy k domům, z nichž odtékají nízko znečištěné vody. Vsakování na propustně zpevněných površích slouží především k redukci odtoku v místě jeho vzniku (tzv. preventivní opatření). Tyto povrchy nejsou považovány za vsakovací zařízení, do nichž by měla být odváděna voda z jiných zpevněných povrchů.

K podzemnímu vsakování do propustnějších vrstev půdního a horninového prostředí bez průchodu zatravněnou humusovou vrstvou je možno přistoupit jen výjimečně, a to pouze pro nejméně znečištěné srážkové vody. Přednost se dává podzemnímu vsakování liniovému (vsakovací rýhy) a plošnému (podzemní prostory vyplněné štěrky nebo bloky) před bodovým (vsakovací šachty). Podzemní vsakovací zařízení musejí být chráněna před vniknutím jemných nerozpuštěných látek, popřípadě jiných druhů znečištění (ČSN 75 9010).

Přípustnost použití různých typů vsakovacích zařízení pro různé typy ploch je uvedena v tab. 6, z níž je i patrné, kdy je případně nutno doplnit předčištění srážkového odtoku (TNV 75 9011).

Tab. 6  Doporučené způsoby vsakování srážkového odtoku z různých typů ploch

Doporučené typy opatření při zaústění do povrchových vod

Volba opatření pro předčištění srážkového odtoku při jeho zaústění do povrchových vod závisí kromě jeho znečištění (tab. 7) též na nutnosti retence vod z důvodu ochrany vodního toku před hydraulickým zatížením a na požadované míře ochrany vodního toku (např. citlivé oblasti, rybné vody, vodárenské účely).

U nízko znečištěných srážkových vod není zapotřebí dělat žádná opatření pro jejich čištění před zaústěním do povrchových vod.

U pozemních komunikací a parkovišť se podle míry jejich frekventovanosti a znečištění doporučuje minimálně jednoduché či náročnější mechanické předčištění a zadržení či odloučení lehkých kapalin. Při vyšším znečištění nebo u povrchových vod, u nichž je nutná vyšší ochrana, jsou vhodné retenční půdní filtry, popř. filtrace přes adsorpční materiál pro zachycení těžkých kovů.

Zvláštní případ tvoří střechy s neošetřenými kovovými částmi. Pokud je plocha těchto kovových částí větší než 500 m², je srážkový odtok před zaústěním do povrchových recipientů nutno předčistit v zařízení s adsorpcí těžkých kovů (TNV 75 9011). Za směrodatný úsek se v Německu považuje délka 1000 m (DWA-M 153, 2007), v Rakousku 1000násobek průměrné šířky hladiny (min. 500 m, max. 2 500 m) (ÖWAV-Regelblatt 35, 2003).

Přípustnost odvádění srážkových vod odtékajících z ploch u skladišť, manipulačních ploch a účelových komunikací zemědělských areálů je nutno posuzovat individuálně s ohledem na jejich znečištění a možnosti předčištění.

Srážkové vody z parkovišť nákladních aut, která nejsou součástí veřejných pozemních komunikací a kde hrozí zvýšené riziko znečištění, je dovoleno odvádět do povrchových vod pouze po náročnějším mechanickém předčištění a zadržení či odloučení lehkých kapalin.

Tab. 7  Doporučená opatření pro předčištění srážkového odtoku z různých typů ploch při zaústění do povrchových vod

*) Nutno individuální posouzení přípustnosti odvádění do povrchových vod
**) Půdu nebo náplň filtru je třeba neškodně uložit na skládkách nebezpečného odpadu nebo regenerovat.

6 TECHNICKÁ ŘEŠENÍ NA ÚROVNI POZEMKU

HDV se zaměřuje prakticky výhradně na využití decentrálních technických opatření pro redukci nebo transformaci povrchového odtoku srážkových vod. Obecně existují tři základní způsoby hospodaření, které jsou dále v kapitole popsány. Je to vsakování srážkové vody do podloží, retence srážkové vody s regulovaným vypouštěním do povrchových vod či kanalizace a užívání srážkové vody na jednotlivých nemovitostech. Převážná část technických objektů na úrovni pozemku je založena na spojení několika procesů. V závěru kapitoly jsou pak stručně popsány principy návrhu.

Decentrální opatření je vhodné řetězit zapojením do série s opatřeními společnými pro více pozemků (obr. 11). Za prioritní jsou považována opatření u zdroje, tj. způsoby snížení srážkového povrchového odtoku přímo v místě jeho vzniku a snížení jeho znečištění (např. minimalizací zpevněných povrchů, použitím propustných a polopropustných zpevněných povrchů, vegetačních střech, pravidelným čištěním povrchů, akumulací a užíváním srážkové vody). Na ně navazují opatření na pozemku odvodňované nemovitosti či přímo sousedící s odvodňovanou komunikací (např. průlehy, rýhy, vsakovací šachty) a na ty pak opatření společná pro více pozemků (zaústění regulovaných odtoků a bezpečnostních přelivů z decentrálních objektů např. do suchých zatravněných retenčních nádrží nebo umělých mokřadů).

Obr. 11  Dělení objektů HDV podle hierarchie v systému odvodnění

6.1 SNÍŽENÍ ČI PREVENCE VZNIKU SRÁŽKOVÉHO ODTOKU U ZDROJE

Před odvodem srážkových vod ze zpevněných ploch do decentrálních prvků systému odvodnění (vsakovací a retenční objekty na pozemku stavby) bychom měli v maximální možné míře věnovat pozornost redukci povrchového odtoku pomocí přeměny zpevněných nepropustných ploch na zpevněné propustné či polopropustné povrchy.

Vegetační a štěrkové střechy

U plochých a mírně sklonitých střešních konstrukcí se jedná především o aplikaci vegetačních a stěrkových střech, které se navrhují za účelem snížení srážkového odtoku, snížení kulminačních průtoků a zvýšení (evapo) transpirace. Vegetační střechy jsou však dnes navrhovány i pro strmější střechy, a to i pro sklony 45°. Dalšími přínosy jsou estetická funkce, ochlazování budovy či pozitivní vliv na mikroklima lokality, ty však přímo nesouvisejí s krátkodobou hydrologickou bilancí. Vegetační střechy jsou vícevrstvé systémy, které zahrnují konstrukci střechy, filtrační vrstvu a vegetační pokryv. Štěrkové střechy nemají vegetační pokryv. Konstrukce střechy musí být dimenzována na zatížení zahrnující mimo jiné i hmotnost filtrační a vegetační vrstvy plně nasycené vodou. Filtrační vrstva vegetačních střech musí být velmi dobře propustná, musí mít vysokou retenční schopnost a nízkou měrnou hmotnost. Tyto vlastnosti splňují především upravené granulované expandované jílovité materiály.

V rámci systémů HDV primárně volíme extenzivní vegetační střechy, které mají vegetační pokryv na celé ploše střechy, který je tvořen druhy s nízkou mírou růstu a nízkými nároky na údržbu. Vhodné jsou víceleté suchomilné rostliny s nízkým vzrůstem, například mechy, sukulenty, traviny a byliny. Jsou navrhovány jako nepochůzné, s přístupem pouze za účelem údržby (nároky na údržbu jsou nízké).

Propustné a polopropustné zpevněné povrchy

U všech zpevněných ploch na úrovni terénu a kde to okrajové podmínky dovolují, se snažíme se o využití propustných a polopropustných materiálů, které jsou určeny pro zpevněné plochy s daným využitím. Zpravidla se jedná o plochy typu místní obslužné komunikace, parkovací stání, chodníky apod. Takto navržené zpevněné povrchy nepovažujeme za vsakovací objekty, ale za plochy se sníženou hodnotou součinitele odtoku. V praxi to znamená, že na tyto plochy nepřivádíme vodu z jiných zpevněných ploch.

Na trhu existuje široká škála různých materiálů a konstrukčních řešení pro různé aplikace. Rozšířené jsou anorganické polopropustné materiály (distanční dlažba, propustné asfalty, štěrkové cesty, částečně mlatové cesty atd.). Jejich vsakovací schopnost je však často přeceňována a jejich hlavní nevýhodou je nebezpečí snížení vsakovací schopnosti splachem prachových částic do pórů těchto materiálů v průběhu času. Rozšířené jsou rovněž zatravňovací tvárnice, u kterých často dochází k degradaci půdního profilu a vegetačního pokryvu. V důsledku tak neplní svoji funkci a vsakovací schopnost takovéto konstrukce se v čase snižuje.

V poslední době se do praxe rozšiřují nové typy roštových systémů, které definujeme jako propustné. Tyto systémy mají svrchní konstrukci z únosných pevných roštů, které roznáší zatížení, tenkou urovnávací mezivrstvu a spodní nosnou konstrukci ze štěrku, která je promíchána se zeminou nebo substrátem, který má parametry zeminy používané v povrchových průlezích (obr. 12). Kombinace horniny a zeminy dělá z této konstrukce zařízení přenášející požadované zatížení a zároveň půdní filtr, který je schopen srážkovou vodu dostatečně předčistit před vsakem. Buňky v roštu jsou buď vyskládány dlažbou, nebo osázeny travou do zeminy (trávník se v nich předpěstovává). Předností této konstrukce podstatnou pro životnost trávy je to, že kořeny prorostou až do zeminy či substrátu v nosné konstrukci. Z hlediska dimenzování se však tento typ nových konstrukcí navrhuje obdobně jako vsakovací zařízení. Buď jako plošné vsakování v případě, kdy jsou rošty položené na rostlý terén, nebo jako vsakovací podzemní rýha, která má díky mocnosti štěrkové podkladní vrstvy i významný retenční objem.

U plně propustných zpevněných povrchů, kde hrozí riziko výraznějšího znečištění srážkového odtoku (například parkoviště u nákupních center atp.), musí skladba konstrukčního profilu reflektovat zvýšené požadavky na předčištění srážkové vody přímo v profilu takto upravené plochy (např. použití doporučených podkladních vrstev prokazatelně zabezpečujících sorpci uhlovodíků, využití zatravněných humusových vrstev v roštech atp.). Vhodným návrhem konstrukčního profilu tak můžeme umožnit přímé zasakování i potenciálně znečištěné vody v celé ploše bez nutnosti využití předčištění např. pomocí objektu odlučovače lehkých kapalin.

Obr. 12 Parkoviště s využitím TTE roštů – propustná dlažba a travní porost (foto: R. Hübner)

6.2 VSAKOVÁNÍ SRÁŽKOVÝCH VOD

Obecně lze konstatovat, že technická řešení pro vsakování srážkové vody vyžadují vedle vhodných geologických podmínek především dostatek volného prostoru. Důvodem je výrazně vyšší účinnost povrchového vsakování s ohledem na znečištění povrchového odtoku (kap. 5), což je dáno především filtrací vody přes aktivní vegetační pokryv (zatravněnou humusovou vrstvu) a nízkým hydraulickým zatížením objektu na jednotku plochy (hydraulické zatížení je vyjádřeno poměrem A_red/A_vsak a jeho doporučení maximální hodnoty jsou uvedeny u jednotlivých objektů). Podzemní vsakovací objekty s přímou infiltrací srážkových vod do propustnějších půdních vrstev volíme, pokud možno výjimečně a jsou přípustné pouze pro nejméně znečištěné srážkové vody.

Plošné vsakování

Srážkový odtok je bez jakékoliv retence odváděn na plochu určenou pro vsakování (např. ze školních dvorů, ze sportovišť, z parkovací plochy přímo na zatravněnou plochu (obr. 13) nebo je povrch upraven tak, že umožňuje přímé vsakování na místě (např. parkovací plocha). Propustné a polopropustné materiály na zpevněných plochách (zatravňovací tvárnice, dlažby s mezerami atp.) nejsou považovány za objekty plošného vsakování (viz výše) a nemůžeme na ně přivádět vodu z ostatních zpevněných ploch.

Orientační poměr mezi redukovanou odvodňovanou plochou A_red a plochou pro vsakování A_vsak se u plošného vsakování pohybuje A_red/A_vsak < 5.

Obr. 13  Plošný vsakovací objekt (TNV 75 9011)

Vsakovací průleh

Vsakovací průlehy jsou mělké zatravněné objekty (obr. 14, obr. 15). Vsakování v průlezích se obecně používá tehdy, pokud není k dispozici dostatečně velká nebo dostatečně propustná plocha k plošnému vsakování. V průlehu má docházet pouze ke krátkodobému zadržení (retenci) vody (maximálně 24 hodin), což znamená, že hydraulická vodivost K_s půdního prostředí by měla být orientačně větší než 5·10^-6 m/s. Delší zadržování vody zvyšuje riziko snížení vsakovací schopnosti objektu a úhynu vegetační krytu průlehu. Proto se obecně doporučuje, aby hloubka zadržené vody nepřesáhla 30 cm.

Přívod vody do průlehu se doporučuje navrhovat jako povrchový rovnoměrný po délce průlehu, nejlépe přes zatravněný pruh. Zvyšuje se tak čisticí schopnost průlehu, snižuje se riziko eroze půdní vrstvy průlehu a omezuje se riziko kolmatace průlehu nerozpuštěnými látkami. V případě bodového zaústění přívodu srážkové vody do průlehu je vhodné individuálně zvážit nutnost předčištění pro zamezení kolmatace (kalová jímka, přívod přes příkopy apod.) a lokálního opevnění průlehu v místě zaústění přívodu. Dlouhé a velké průlehy, jejichž dno je navrženo v určitém sklonu, by měly být rozděleny na více celků zemními hrázkami.

Poměr mezi redukovanou odvodňovanou plochou A_red a plochou pro vsakování A_vsak se u průlehu orientačně pohybuje v rozmezí 5 < A_red/A_vsak < 15.

Obr. 14  Schéma vsakovacího průlehu (TNV 75 9011)

Obr. 15  Povrchový průleh (foto: J. Vítek)

Vsakovací průleh – rýha

Prvek průleh – rýha se skládá ze zatravněného průlehu a z rýhy vyplněné štěrkovým materiálem, která je umístěná pod ním (obr. 16, obr. 17). Jedná se zpravidla o prvek liniový. Tuto kombinaci objektů lze navrhovat tam, kde je nutné malou vsakovací schopnost podloží (K_s ≤ 5·10^-6 m/s) vyvážit zvýšeným vsakovacím výkonem do propustnějších půdních vrstev a zvýšeným retenčním objemem objektu. Schopnost předčištění srážkového odtoku přes zatravněnou humusovou vrstvu zůstává stejná jako u samotného vsakovacího průlehu. Při návrhu přívodu srážkové vody do objektu a hladiny maximálního nadržení vody platí stejná pravidla jako pro vsakovací průleh.

Jedná se o dva samostatné retenční prostory s vlastními režimy plnění a prázdnění. Funkci ovlivňují srážkoodtokový proces a vsakovací schopnosti průlehu i rýhy. Každá část má různou velikost podle funkce, která převažuje. Průleh má funkci retenční, vsakovací a čisticí a rýha retenční a vsakovací.

Poměr mezi redukovanou odvodňovanou plochou A_red a plochou pro vsakování A_vsak se u průlehu – rýhy orientačně pohybuje v rozmezí 5 < A_red/A_vsak < 15.

Obr. 16 Schéma prvku průleh – rýha (TNV 75 9011)

Obr. 17  Výstavba rýhy z prefabrikovaných bloků (foto: J. Vítek)

Vsakovací průleh – rýha s regulovaným odtokem

V případě velmi nízké vsakovací schopnosti podloží (K_s < 1·10^-6 m/s), kdy není možné veškerý objem odváděné srážkové vody vsakovat a retenovat při dodržení maximální doby prázdnění retenčního prostoru (obvykle 24 h), je nutné doplnit vsakovací zařízení o regulovaný odtok do povrchových vod, příp. jednotné kanalizace. Tento odtok musí být regulovaný na předepsanou hodnotu škrceného odtoku (obr. 18). Součástí každého prvku průleh – rýha je šachta se škrticím zařízením (regulátorem odtoku) a bezpečnostním přelivem s odtokem do kanalizace/recipientu.

Obr. 18  Schéma prvku průleh – rýha s bezpečnostním přelivem a regulovaným odtokem (TNV 75 9011)

Propojením jednotlivých prvků průleh – rýha vzniká systém těchto objektů, který má bezpečnostní přeliv do kanalizace či vodoteče. Prvky mohou být v systému zapojeny v sérii nebo paralelně. Systém vykazuje vyšší bezpečnost v případě paralelního uspořádání.

Vsakovací nádrž

Vsakovací nádrž (obr. 19) je objekt s výraznou retenční funkcí. O vsakovací nádrži hovoříme, pokud je poměr mezi připojenou redukovanou plochou a plochou pro vsakování A_red/A_vsak > 15. Je doporučeno, aby hydraulická vodivost podloží byla K_s > 1·10^-5 m/s. V opačném případě se snižuje vsakovací výkon nádrže a neúměrně se prodlužuje doba zatopení nádrže. V případě bodového zaústění přívodu srážkové vody do vsakovací nádrže je vhodné individuálně zvážit nutnost předčištění pro zamezení kolmatace (kalová jímka, přívod přes příkopy apod.) a lokálního opevnění svahů v místě zaústění přívodu.

Obr. 19  Schéma vsakovací nádrže (TNV 75 9011)

Vsakovací rýha

Hloubený objekt, často liniový prvek vyplněný propustným materiálem, s retencí a vsakováním do propustnějších půdních vrstev podloží (obr. 20). Přívod vody je zajištěn po povrchu nebo podpovrchovým přívodem. Povrchový přívod vody se doporučuje přes travní pás, což zlepšuje čisticí schopnost objektu. Při vsakování v rýze s drenážním obsypem s podpovrchovým přívodem by měla být na vtoku umístěna kalová jímka, případně proplachovací šachta na opačném konci drenáže.

Obr. 20  Schéma vsakovací rýhy s podpovrchovým přívodem. Nátok do vstupní šachty musí být upraven tak, aby došlo k utlumení energie vody a případný kalový prostor byl funkční. Kalovou jímku lze zařadit i jako samostatný objekt před vstupní šachtu (TNV 75 9011)

Vsakovací šachta (a další prefabrikovaná vsakovací zařízení)

Vsakovací šachty (obr. 21) slouží k bodovému vsakování do vhodných podmínek. Šachty by neměly prostupovat vrstvami s malou propustností, které účinně chrání podzemní vody. Vzdálenost mezi povrchem filtrační vrstvy a úrovní středního maxima hladiny podzemní vody by zpravidla neměla být menší než 1,0 až 1,5 m.

Pokud je možno očekávat zvýšené množství usaditelných a odfiltrovatelných částic ve srážkovém odtoku, doporučuje se vsakovací šachtu vybavit kalovou jímkou s nepropustným dnem a stěnami, čímž se prodlouží interval údržby.

Prefabrikovaná vsakovací zařízení se řídí stejnými principy návrhu a mají obdobnou funkci.

Obr. 21  Schéma vsakovací šachty (upraveno podle Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung, 2011)

6.3 RETENCE SRÁŽKOVÝCH VOD

Tam, kde nejsou pro umístění vsakovacích objektů vhodné podmínky (nebo nestačí vsakovací výkon vsakovacího zařízení), je možné decentralizovaný systém odvodnění s regulovaným odtokem vybudovat prostřednictvím decentrálních retenčních objektů.

Retenční nádrže

Retenční nádrže mohou být povrchové či podzemní s různě řešeným způsobem plnění a prázdnění (se stálou nebo bez stálé hladiny nadržení). Přednost dáváme povrchovým objektům, které jsou náročnější na prostor, ale plní též estetickou funkci a výrazně podporují výpar vody do atmosféry (zlepšené mikroklima). Z hlediska účinnosti předčištění a úrovně evapotranspirace jsou nejvýhodnější prvky průleh – rýha s regulovaným odtokem (obr. 22), které mohou být v případě potřeby odděleny od okolního půdního prostředí těsnicím prvkem.

Podzemní objekty jsou budovány ve formě šachet, prefabrikovaných bloků či betonových konstrukcí. Jejich výhodou je fakt, že nezabírají místo na pozemku, nevýhodou, že neplní další akcentované funkce.

U decentrálních retenčních objektů na pozemku je jejich nezbytnou součástí bezpečností přeliv, který je zaústěn do vsakovacího objektu, povrchových vod nebo jednotné kanalizace (podle priorit stanovených právním rámcem).

Obr. 22  Povrchový retenční objekt (vlevo) a podzemní retenční objekt z prefabrikátů (vpravo) (foto: Ciria, J. Vítek)

Umělé mokřady, retenční dešťové nádrže s biotopem

Uměle vytvořené mokřady kombinují mělkou nádrž s nadržením a s vodními rostlinami za účelem biologického čištění povrchového odtoku (obr. 23).

Dešťové nádrže s biotopem jsou retenční objekty se stálým nadržením a zásobním prostorem, které jsou navrhovány tak, že část jejich objemu plní sedimentační funkci a část je provozována jako biotop s biologickým čištěním vody. Pro zvýšení čisticí schopnosti se navrhuje cirkulace vody přes biotop.

Obr. 23  Mokřad (vlevo) a dešťová retenční nádrž s biotopem (vpravo) (foto: Ciria)

Regulace odtoku z objektů s retenčním objemem

Důležitou součástí retenčních nádrží nebo vsakovacích objektů s retenčním prostorem, u kterých kvůli lokálním podmínkám není možné dosáhnout potřebný výkon, je zařízení pro regulaci odtoku.

Vzhledem ke standardní velikosti stavebních pozemků je regulovaný odtok poměrně malý (řádově desetiny až jednotky l/s). Regulace odtoku je tak poměrně problematická s ohledem na možné ucpání regulátoru. Nejbezpečnějším provedením je regulace drenážních vod, např. odtok ze systému průleh – rýha, kde není nebezpečí ucpání regulátoru většími nečistotami. Proto je často nejvýhodnější (i s ohledem na další pozitivní funkce) použít jako retenční objekt prvek průleh – rýha.

Pro regulaci odtoku z podzemních retenčních prostor, kam jsou srážkové vody svedeny přímo, je doporučeno umístit na vtok do zařízení objekt pro zachycení hrubých nečistot. Regulace odtoku z retenčních povrchových objektů je nejvíce problematická s ohledem na možnost ucpání regulátoru (listí, tráva atd.). Proto je doporučeno u retenčních dešťových nádrží, aby byl průměr potrubí škrticího ventilu větší než DN 200, což lze s ohledem na možné regulované množství uplatnit pouze u RN, do kterých je zaústěna větší odvodňovaná plocha. Při regulaci odtoku z decentrálních retenčních povrchových objektů musí proto být odtok vyřešen tak, aby nemohlo dojít k ucpání ventilu například filtrací vody přes štěrkové těleso.

Veškerá zařízení pro regulaci odtoku musejí být pravidelně kontrolována a čištěna.

6.4 VYUŽITÍ SRÁŽKOVÉ VODY V BUDOVÁCH

Užívání srážkové vody v budovách a na jednotlivých pozemcích je spojeno s několika pozitivními efekty. Srážkovou vodou lze v současné době nahradit přibližně 40–50 % spotřebované vody v domácnostech. Dochází tak ke snížení spotřeby pitné vody a její dopravy do místa spotřeby, což má ekonomický i environmentální přínos. Dalším efektem je redukce a retence povrchového srážkového odtoku, což vede ke snížení hydraulického zatížení systému odvodnění. Ve většině případů je vhodné retenční objem sloučit s objemem pro využití srážkových vod v budově (obr. 24).

Obr. 24  Příklad řešení nádrží na zabezpečení požadavků HDV a současně i akumulace pro využití srážkových vod v domě (zdroj: ASIO)

Možnosti užívání srážkové vody

Spotřeba vody v nemovitostech určených pro bydlení je dána spotřebou vody pro několik základních potřeb. Specifické potřeby pro jednotlivé činnosti jsou dobře popsány v řadě zdrojů. Tab. 8 ukazuje rozložení vody v domácnostech při dané specifické spotřebě.

Tab. 8  Využití vody v domácnostech při průměrné denní spotřebě 127 l/os/den (BGW, 2011)

V rodinných domech a domech určených pro bydlení lze dnes běžně uvažovat o čtyřech oblastech, kde je možné nahradit vodu pitnou vodou srážkovou. Jedná se o:

• splachování WC;
• praní prádla;
• úklid;
• závlahu zahrad.

V kancelářských, případně veřejných budovách se srážková voda dá využít pro chlazení budov v tepelných výměnících či pro chlazení budov prostřednictvím zelených fasád, tedy pro zálivku fasád a následnou evapotranspiraci ze zelené fasády.

V poslední době se stále více objevují technická řešení, která rozšiřují použití srážkových vod i na osobní hygienu; pitná voda je pak určena jen na přípravu pokrmů a mytí nádobí. Srážkovou vodu je v tomto případě nutno odpovídajícím způsobem především hygienicky zabezpečit – obvykle ultrafiltrací, případně v kombinaci s UV nebo dávkováním chloru. V závislosti na předpokládané kvalitě srážkové vody je možné předčištění rozšířit ještě o filtraci přes aktivní uhlí.

Technické řešení užívání

Vzhledem k celkové úrovni znečištění z atmosféry a odvodňovaných ploch, je jediným relevantním zdrojem pro zachycení srážkového odtoku za účelem užívání srážkové vody voda odtékající ze střech nemovitostí. Dešťovými svody je voda sváděna do akumulačních nádrží, ze kterých je dále distribuována do budovy jako voda užitková.

I voda ze střech nemovitostí je znečištěna látkami z atmosféry a oplachem střešních ploch. Proto je doporučeno oddělit první část deště (1–3 mm srážkového úhrnu) obtokem mimo nádrž a zamezit tak vnosu největšího znečištění do nádrže. Navíc je doporučeno na přítok umístit filtr pro zachycení hrubých nečistot. V případě svodu vody ze zelených střech by se mělo jednat o střechy s extenzivním hospodařením, kdy nejsou používána žádná hnojiva a půdní substrát obsahuje minimální podíl humusu. Tato opatření jsou důležitá s ohledem na udržení kvality vody v nádrži.

Nádrže se umísťují buď vně budovy jako podzemní, nebo uvnitř budovy ve sklepeních tak, aby byla nádrž chráněna před slunečním svitem a akumulovaná voda měla nízkou teplotu. U nádrží vně budov musí být nádrž umístěna v nezámrzné hloubce. U nádrží uvnitř budov se doporučuje vybavit místnost, kde je nádrž umístěna odvětráním pro redukci zápachu a snížení vlhkosti v místnosti.

Voda je rozváděna v budově samostatnými rozvody k místu spotřeby čerpáním z jímky. Základními prvky systému rozvodu vody jsou domovní vodárna, filtrační jednotka, vodoměr a záložní přívod pitné vody do systému pro pokrytí případného nedostatku vody dešťové. Přívod pitné vody je vždy zaústěn nad maximální hladinu nadržení v akumulační nádrži nebo nad hladinu vody v zásobní nádrži domovní vodárny do volna tak, aby nedošlo k přímému styku dešťové a pitné vody v distribuční síti (prevence hygienického rizika). Vybavení rozvodu vody je ovlivněno způsobem užívání srážkové vody (v případě používání vody pouze pro závlahu lze použít systém výrazně jednodušší).

Hlavní zásobní nádrž je vybavena bezpečnostním přelivem, který je zaústěn do některého z výše uvedených vsakovacích objektů, povrchových vod či jednotné kanalizace (podle priorit stanovených právním rámcem).

Typický systém pro užívání srážkové vody s akumulační nádrží umístěnou vně budovy je na obr. 25. Další schémata lze například nalézt na https://www.tzb-info.cz/ (https://voda.tzb-info.cz/destova-voda/10121-vyuziti-sedych-a-destovych-vod-v-budovach).

Obr. 25  Schéma systému pro užívání srážkové vody s akumulační nádrží umístěnou vně budovy (upraveno podle Wasserwirtschaftsamt Hof Bayern, 2011)

6.5 ZÁSADY DIMENZOVÁNÍ OBJEKTŮ HDV

Dimenzování vsakovacích a retenčních objektů

Vsakovací a retenční objekty na jednotlivých nemovitostech spadají podle velikosti odvodňované plochy zpravidla do skupiny objektů, kterým přísluší malá odvodňovaná plocha a je možné je navrhovat racionální metodou. Přesné vymezení limitů, kdy je možné objekty HDV navrhovat jednoduchou racionální metodou, je následující:

• v případě, kdy jednotlivá vsakovací zařízení s retenčním prostorem nebo retenční objekty nejsou řazeny sériově (podle ČSN 75 9010);
• pokud je odvodňovaná plocha zaústěná do jednotlivého vsakovacího zařízení s retenčním prostorem menší než 3 ha (podle ČSN 75 9010);
• u samostatných retenčních objektů pro odvodňovací systémy s plochou povodí A < 200 ha a s dobou dotoku v povodí a ve stokové síti t_d < 15 min (podle ČSN EN 752).

Dimenzování jednoduchým postupem (racionální metodou) je založené na využití statistických srážkových dat (čar náhradních vydatností). V podstatě se jedná o jednoduchou hydrologickou bilanci mezi přítokem srážkové vody a škrceným odtokem z objektu. Pro dimenzování je rozhodující takový blokový déšť s dobou trvání T a intenzitou q s danou periodicitou p, který způsobí největší potřebný retenční objem při konstantním uvažovaném odtoku z retenčního prostoru (obr. 26). Odtok je dán vsakovacím výkonem nebo regulovaným odtokem, v případě vsakovacích objektů s regulovaným odtokem součtem obou složek odtoku. Navržený objem, případně plocha vsakovacího objektu se musí posoudit na maximální povolenou dobu prázdnění objektu (obvykle 24 h).

Obr. 26  Schéma obecného návrhu retenčního objemu retenčního objektu. Z čáry náhradních vydatností s požadovanou periodicitou a z daného škrceného odtoku zjistíme potřebný retenční objem, který je potřebný pro zachycení srážky s předepsanou periodicitou p o délce trvání T a intenzitě q (TNV 75 9011).

Výjimečným případem je dimenzování plošného vsakovacího objektu bez retenčního prostoru, v jehož případě se bilancuje pouze mezi přítokem a odtokem. Přítokové množství se vypočte pro návrhovou srážku s dobou trvání T = 10 (15) min a požadovanou periodicitou srážky (obvykle doba opakování T = 5 let, p = 0,2).

Konkrétní návrhové postupy lze nalézt v TNV 75 9011 Hospodaření se srážkovými vodami a ČSN 75 9010 Vsakovací zařízení srážkových vod.

Dimenzování akumulačních prostor pro využívání srážkové vody

Základní podstatou návrhu akumulačního objemu zásobní nádrže je bilance mezi objemem srážkového odtoku a spotřebou užitkové vody v nemovitosti ve sledovaném období. Pro stanovení objemu akumulační nádrže na jednotlivých nemovitostech je použití empirických údajů zpravidla dostačující. U větších objektů je vhodné použití jednoduchého simulačního modelu, který zohlednění především značné odchylky dešťového odtoku v jednotlivých letech a sezónách, které se liší od statistických údajů.

Objem srážkového odtoku je závislý na odvodňované ploše, ročním úhrnu srážek v místě realizace a ztrátách při tvorbě povrchového odtoku. Do ztrát se uvažuje ztráta na filtru, kterou lze uvažovat přibližně jako 10 % srážkového odtoku z redukované plochy (ÖNORM B 2572, 2005). Spotřeba vody je dána způsoby užívání vody. Spotřeba WC se pohybuje u klasických splachovacích systémů v rozmezí 35–45 l/os/den (ÖNORM B 2572, 2005, BGW). U úsporných systémů může být spotřeba na splachování WC pouze 18 l/os/den (Krejčí a kol, 2002). Pro praní prádla se uvažuje s hodnotami okolo 12–18 l/os/den. Spotřeba užitkové vody na úklid domácnosti je do bilance zahrnuta 1–2 % ze specifické denní spotřeby pitné vody.

Spotřeba vody pro závlahu zahrad je závislá na poloze, klimatu, porostu, vlastnostech půdy a velikosti zavlažované plochy. V Rakousku se měsíční potřeba pro běžný rodinný dům se zahradou například uvažuje hodnotou 7,5 m³/měsíc pro oblasti s větším úhrnem srážek (období květen-srpen) a 10 m³/měsíc pro sušší oblasti (období duben-září) (ÖNORM B 2572, 2005). Potřebu vody lze volit i na základě specifické spotřeby vody pro závlahu. Ve středoevropském prostoru lze uvažovat s průměrnou roční závlahou 60–200 l/m².

Celkový objem se obvykle navrhuje na 0,7 až dvojnásobek průměrné měsíční spotřeby. Přesněji lze potřebný akumulační objem získat z tabelárního výpočtu pro jednotlivé měsíce (či dny) roku, kde zohledníme i vegetační období pro závlahu. Uvedené řešení poskytne maximální potřebný objem pro nejnepříznivější měsíc roku.

Ucelený text, který se věnuje dimenzování akumulačních prostor pro využívání srážkové vody, obsahuje rozpracovaná norma ČSN 75 6780, která vychází z anglické normy BS 8525-1, případně TP 1.20 Hospodaření se srážkovou vodou v nemovitostech. Text ČSN je publikován například na portálu https://www.tzb-info.cz/ (https://voda.tzb-info.cz/destova-voda/10121-vyuziti-sedych-a-destovych-vod-v-budovach).

7 ŘEŠENÍ SRÁŽKOVÝCH VOD NA ÚROVNI MĚSTA ČI OBCE

Formulovat zásady vodohospodářské strategie pro město je v dnešní době velice obtížné, protože náš vztah k vodě se v posledních letech zásadně mění. Odlišný přístup se podstatnou měrou projevuje zejména v aplikaci nového způsobu odvádění srážkových vod, který vychází z dosavadních zkušeností v odvodnění měst a z celosvětových poznatků o změnách klimatu a vlivu zastavěnosti krajiny na její vodní režim.

Koncepce odvodnění měst by měly minimalizovat podíl srážkových vod v systému odvodnění. Zaváděním decentrálních systémů odvodnění u nových a stávajících staveb toho lze postupně dosáhnout. Na základě tohoto přístupu se mohou postupně snížit náklady na provoz stokové sítě a ČOV, zmenší se látkové a hydraulické zatížení vodních toků, vodní toky budou dostatečně dotovány podzemní vodou v obdobích sucha a nikoliv přeplňovány za přívalových srážek. Život ve městech tak bude kvalitnější a bezpečnější.

V koncepčních materiálech by proto měla být formulována konkrétní pravidla a postupy pro dodržování principů HDV tak, aby proces výstavby na území města negativně neovlivňoval jeho budoucí rozvoj. Preferována by měla být taková opatření, která přibližují způsob odvodnění rozvojových i stávajících ploch města způsobu odvodnění v nezastavěných povodích. Z tohoto pohledu jsou prioritní zejména řešení aplikovaná u „zdroje“.

Je důležité, aby si města vytvořila na základě platné legislativy a technických norem jasně definovaná pravidla a těmi se na svém území řídila. Zavedením takových pravidel a zajištěním jejich vymahatelnosti lze na úrovni města vytvořit dostatečné předpoklady pro systémové aplikování principů HDV, a proces přechodu k novému způsobu odvodnění tak urychlit.

7.1 HDV V ÚZEMNÍM PLÁNOVÁNÍ

Územní plány jsou jedním z nejdůležitějších strategických dokumentů zajišťujících harmonický rozvoj urbanizovaných celků, a proto musejí reflektovat předmětná území v širších souvislostech. Je zřejmé, že voda bude hrát v procesu územního plánování čím dál tím zásadnější roli, a je proto nevyhnutelné jí věnovat značnou pozornost. Z toho důvodu je nutné, aby bylo HDV reflektováno již v samém počátku plánování výstavby. Toho lze docílit pouze jednotným přístupem ke srážkovým vodám, který bude nedílnou součástí územních plánů.

Řada územních plánů v současnosti požadavky na HDV vůbec neobsahuje nebo se srážkovým vodám věnuje jen velmi okrajově. Vodohospodářské části územněplánovacích podkladů a územněplánovacích dokumentací se převážně zaměřují na ochranu vodních zdrojů a na „centralizovanou“ ochranu před povodněmi prostřednictvím vymezování záplavových území a protipovodňových opatření. Pokud je srážkovým vodám věnována nějaká pozornost, tak je to především v extravilánech obcí.

Tradiční přístupy v územním plánování preferují zejména plošné a liniové protipovodňové opatření, což je do jisté míry logické – z hlediska potřeby tyto prostorově náročné stavby či území zakomponovat do funkčního celku města. Podpora decentrálních přístupů je opomíjena, a to i přesto, že z pohledu města mohou přinášet kromě ochrany před záplavami i řadu dalších pozitiv, jako je například ochrana vodních toků, doplňování podzemních vod nebo zlepšení mikroklimatických podmínek. Co více, převážná většina decentrálních opatření hospodařících se srážkovými vodami je financována soukromými investory, a může tak veřejným rozpočtům přinést značné finanční úspory.

Jednotlivá města přistupují k této problematice rozličně a podle svého vlastního uvážení. O aktivní zapojení HDV do územněplánovacího procesu se snaží především ta města, která mají konkrétní problémy s povrchovými vodami nebo si uvědomují význam opatření HDV v oblasti tvorby kvalitního životního prostředí. Důvodem je také často snaha o přizpůsobení obecných legislativních předpisů na národní úrovni místním podmínkám, a to zejména tam, kde obce potřebují podrobněji stanovit požadavky na funkci systému odvodnění, jelikož nemají zpracován generel odvodnění.

7.2 DEFINICE ZÁSAD A KRITÉRIÍ HDV

Z platných právních předpisů ČR vyplývají pro stavebníka obecně formulované požadavky na vymezování a využívání staveb, resp. jejich odvodnění. Obecně formulované požadavky je vhodné upřesnit konkrétními parametry, bez nichž by bylo velice složité na úrovni města obecné požadavky naplnit. Účelem stanovení zásad a kritérií týkajících se HDV je kromě jiného vytvořit vhodné podmínky pro účinné využití celospolečenského potenciálu HDV. Tyto podmínky by měly být pro všechny stavebníky jednoduché a rovnocenné.

Systémový přístup k decentrálnímu odvodnění na území města je vhodné kromě územního plánu zakomponovat do souvisejících koncepčních dokumentů, jako jsou studie odtokových poměrů, generel odvodnění či městské stavební standardy. Prostřednictvím těchto dokumentů si města mohou vytvořit zkoordinovaná a integrovaná pravidla pro aplikaci modro-zelené infrastruktury na svých katastrech.

Obecná kritéria HDV je možné do územněplánovacích podkladů začlenit prostřednictvím tzv.limitů využití rozvojových ploch, které popisují, za jakých podmínek je možné území vybrané pro rozvoj města zastavovat a současně zda je to z hlediska jeho dalšího udržitelného rozvoje vůbec vhodné.

Limity můžeme rozdělit do dvou kategorií:

1. Vodohospodářské limity rozvoje území vyplývající z konkrétních poměrů v dané lokalitě

Vodohospodářské limity rozvoje území vymezují území nevhodná pro zástavbu. Tyto plochy je možné určit na základě analýzy vodního režimu v lokalitách, ve kterých územní plán počítá se zástavbou. Jedná se o území s dominantním vodním režimem, která jsou pod výrazným vlivem podzemních nebo povrchových vod.

2. Obecné limity odvodnění platné pro všechny odvodňované plochy

Obecné limity odvodnění jsou z hlediska aplikace HDV ve stávající a výhledové zástavbě města jedním z nejdůležitějších parametrů odvodnění. Tyto limity by měly být univerzálně platné pro jakoukoliv výstavbu na celém území města či obce – tedy jak pro novou výstavbu, tak i pro přestavby a rekonstrukce.

Jedná se o klíčové ukazatele, které jsou zásadní pro stanovení maximálního přípustného odtoku z území a pro určení rozměrů (kapacity) zařízení a objektů HDV. Limity by současně měly obsahovat specifikaci závazných požadavků na technické řešení, které zajistí budoucím majitelům nemovitostí přiměřenou provozní spolehlivost a ekonomickou nezávislost.

V některých případech je možné se setkat s tím, že jsou tyto limity stanoveny rozdílně pro jednotlivá povodí v zájmovém území, a to na základě kapacitní vytíženosti recipientů. Tento přístup nelze považovat za nejšťastnější, jelikož pro stavebníky vytváří nerovné podmínky a nerespektuje zásadu jednoduchosti, která je pro úspěšné přijetí principů HDV klíčová.

Limity odvodnění by měly být projednány a odsouhlaseny příslušnými organizacemi v oblasti vodního hospodářství (např. správcem povodí, majitelem a provozovatelem stokové sítě, vodoprávním orgánem atd.), tak aby vznikl jednotný přístup k HDV, který bude společnými silami prosazován všemi zainteresovanými subjekty.

7.3 ODVODNĚNÍ ROZVOJOVÝCH PLOCH

Návrh odvodnění výhledové zástavby by měl vycházet z místních podmínek jednotlivých rozvojových ploch města. Různá lokální omezení jsou limitní nejenom pro způsob odvodnění, ale mohou být limitní i pro samotnou výstavbu (viz vodohospodářské limity rozvoje území).

Pro vybrané rozvojové plochy bez lokálních omezení je nutné v dalším kroku navrhnout způsob odvedení srážkových vod. Při návrhu odvodnění je nutné postupovat důsledně podle současné legislativy, která zohledňuje kvalitativní rozdíl mezi napojením srážkové vody do podzemí (priorita č. 1), do vodního toku (priorita č. 2) nebo do jednotné kanalizace (nejméně vhodné řešení). Pro výběr místa, kam budou vody svedeny, existuje tedy jasná hierarchie, jejíž posloupnost nelze libovolně měnit, protože je zákonně dána požadovaným účinkem na životní prostředí.

Upřednostnění povrchového toku před jednotnou kanalizací by měla být podřízena volba odvodnění většiny rozvojových ploch. Tento přístup by měl být ještě více akcentován v lokalitách, kde se dá očekávat další rozvoj a využití oddílného systému bude významnější.

Při návrhu odvodnění rozvojových ploch v územním plánu by však mělo být uvažováno pouze se dvěma základními příjemci srážkových vod – povrchovými toky (popř. oddílnou dešťovou kanalizací) a jednotnou kanalizací. Ačkoliv by měla být volba recipientu prováděna vylučovacím postupem v pořadí podle priorit uvedených ve vyhlášce č. 501/2006 Sb., ve znění pozdějších předpisů, v úrovni zpracování koncepčních dokumentů není možné na základě dostupných podkladů uvažovat pouze se vsakem nebo výparem srážkových vod.

Důvodem je absence podrobných údajů o hydrogeologických parametrech podloží. Konkrétní řešení odvodnění se odvíjí od dobře vyhodnoceného a aplikovaného hydrogeologického průzkumu. Ačkoliv mají některá města vytvořena pro svá zájmová území schematické vsakovací mapy, je nutné si uvědomit, že tyto podklady mohou sloužit pouze pro hrubou počáteční orientaci a rozhodně nemohou ve své podrobnosti zpracování nahradit funkci podrobného hydrogeologického průzkumu. Stavět na nich koncepci odvodnění je tedy nerealistické.

V rámci rozvojových ploch stanovených územním plánem mohou existovat plochy takové velikosti nebo konfigurace, u nichž je pravděpodobné, že se budou zastavovat postupně. Způsob řešení odvedení srážkových vod s ohledem na nejvhodnějšího příjemce podle vzdálenosti, spádové dostupnosti a kapacity vodoteče u větších území často závisí na tom, jak se budou taková území zastavovat – odkud kam. Při zastavování po malých částech je obtížné zajistit dodržení koncepce odvodnění těchto ploch, a může tak dojít k založení nesprávného systému odvodnění celého území. To může například vést až k tomu, že plochy, které se budou zastavovat v území jako poslední, již nebude možné vhodně odvodnit.

Všude tam, kde je stanovena koncepce odvodnění s využitím např. více recipientů vhodných k odvodnění či v různorodých spádových poměrech a ve složité konfiguraci území, je vhodné nechat vypracovat podrobnější studie odvodnění území. Tyto studie by měly být založeny na detailnějších informacích o území, jako je např. geodetické zaměření, podrobný hydrogeologický průzkum nebo analýza vlastnických vztahů.

Pro správný návrh odvodnění zejména větších lokalit lze také s výhodou využít analýzu povrchu terénu v zastavované lokalitě, případně rozšířenou o detailní analýzu povrchového odtoku na území s cílem definovat:

• odtokové linie (dráhy povrchového odtoku srážkové vody v případech, že srážková voda bude odtékat po povrchu);
• potenciální místa povrchové retence vody (např. přirozené prohlubně).

Do takto vytipovaných míst lze s výhodou umístit svodnice a retenční objekty, aniž by došlo k narušení vodního režimu v území. Tuto analýzu je výhodné provést na začátku prací a s ohledem na její výsledek případně upravit zastavovací plán lokality.

Podrobnější studie odvodnění by měly městu poskytnout dostatek informací o nejvhodnějším způsobu řešení, který by mělo být městem následně aktivně prosazováno a vyžadováno. U dříve vypracovaných studií je nutné pečlivě prověřit, jestli respektují obecné principy HDV a zdali jsou ve shodě s aktuální koncepcí odvodnění města.

Obr. 27  Ukázka výsledků analýzy povrchového odtoku na území s návrhem míst pro svodnice a retenční objekty (zdroj: DHI)

7.4 HDV VE STÁVAJÍCÍ ZÁSTAVBĚ MĚSTA

Kromě vyhodnocení rizika záplav a přesného vymezení podmínek odvodnění nové zástavby by mezi hlavní cíle generelu odvodnění a návazně územního plánu měla patřit také analýza potenciálu stávající zástavby z hlediska přiblížení srážkoodtokových poměrů přirozeným podmínkám. Primární motivací pro určení potenciálu stávající zástavby je snaha o snížení odtoku srážkových vod ze zpevněných ploch přímo do stokové sítě a vodotečí v průběhu přívalových srážek.

Zatímco u nové zástavby se dá předpokládat, že současná legislativa zavádění decentrálních systémů odvodnění urychlí, u stávající zástavby jsou srážkové vody v převážné míře stále odváděny konvenčním způsobem. Dokud nebudou zrušeny výjimky z povinnosti hradit poplatky (podle zákona č. 274/2011 Sb., ve znění pozdějších předpisů) za odvádění srážkové vody, nelze očekávat v této oblasti větší změny.

Metodický postup analýzy potenciálu stávající zástavby z hlediska přiblížení srážkoodtokových poměrů v území přirozeným podmínkám je možné rozdělit do tří částí:

1. Kategorizace stávající zástavby – v této fázi je zájmové území rozčleněno do jednotlivých oblastí podle vlastnických vztahů a prostorových parametrů. Výstupem kategorizace stávající zástavby je pak vymezení několika ucelených lokalit na území města, u kterých je následně proveden podrobnější průzkum povodí.

2. Rekognoskace terénu – cílem rekognoskace terénu je shromáždit doplňující podklady o stávající zástavbě z hlediska jejích možností a předpokladů k zavedení HDV. Rekognoskace není prováděna plošně pro celé území, ale pouze pro lokality vybrané během procesu kategorizace stávající zástavby.

3. Určení potenciálu HDV ve stávající zástavbě – posledním krokem při analýze potenciálu stávající zástavby je posouzení vlivu „odpojení“ konkrétních nepropustných zpevněných ploch od stokové sítě prostřednictvím matematického modelu. Na základě toho je pak možné vyhodnotit návratnost navržených opatření nebo alternativně řešit potíže s přetěžováním nekapacitních úseků kanalizace a vodních toků.

Závěrem je třeba dodat, že z pohledu udržitelného odvodnění stávající zástavby jsou pro města a obce zajímavé všechny nepropustné plochy v jejich vlastnictví. Kromě „odpojování“ vytipovaných ploch s dostupným potenciálem HDV lze ke snížení kulminačních průtoků v jednotné stokové síti přispět i důsledným vyžadováním aplikace principů HDV při rekonstrukcích, jak to vyžaduje vodní zákon. V konečném důsledku je tedy zavádění HDV do stávající zástavby závislé na důslednosti, s jakou veřejná správa vyžaduje při rekonstrukcích zpevněných ploch ve vlastnictví města dodržování požadavků daných legislativou (popř. generelem odvodnění či územním plánem).

7.5 AKTIVNÍ PŘÍSTUP MĚSTA K PROSAZOVÁNÍ HDV

Doposud jsme byli zvyklí vnímat problematiku vodního hospodářství měst a obcí pouze v kategorii technických oborů. Vodní hospodářství ale v posledních několika letech prochází tak zásadními změnami, že je nutné je zohlednit i v ostatních aktivitách a činnostech podílejících se na urbanizaci krajiny. Z pohledu úspěšné a bezproblémové aplikace HDV na úrovni města se tak nelze vyhnout přijetí tzv. organizačních opatření, která mají z velké části převážně neinvestiční charakter.

Zatímco investiční opatření často řeší lokální nedostatky (kapacitu, bezpečnost zařízení) na stokové a vodovodní síti a v malých vodotečích, organizační opatření zakládají pravidla a postupy pro nový, kvalitativně hodnotnější přístup k vodě, na jehož principech se bude město rozvíjet. Realizace těchto opatření je vyjádřením politické vůle a ochoty zástupců města investovat do něčeho, co nepředstavuje řešení konkrétní stavby, ale co přináší zkvalitnění příprav staveb a vytvoření předpokladů pro dodržení koncepce odvodnění podle pravidel HDV.

Aktivní přístup měst v oblasti HDV je možné zajistit prostřednictvím následujících činností:

• Vytvořit nebo nechat zpracovat standardy vodohospodářských, pozemních a dopravních staveb na území města, v nichž budou stanoveny takové zásady, které umožní aplikovat principy HDV správně a koordinovaně.
• V případě větších územních celků a měst se složitější organizační strukturou je podmínkou úspěšné aplikace HDV zřízení funkce správce vodohospodářské koncepce města, který bude za dodržování nového přístupu ke srážkovým vodám zodpovědný a bude ho aktivně prosazovat.
• Aby nedocházelo k nekoordinovanému nebo až protichůdnému postoji, je vhodné harmonizovat přístup státní správy k legislativě související s HDV.
• Spolu se zaváděním principů HDV se v systému odvodnění měst začíná objevovat stále větší počet zařízení a objektů decentrálního systému odvodnění. Města by si proto měla včas stanovit správce těchto objektů, které se stanou jeho majetkem.
• U objektů HDV v majetku města by měl být kladen důraz na jejich řešení přírodě blízkým způsobem. Podpora modro-zelené infrastruktury bývá u těchto objektů často zanedbávána.
• Průběžně evidovat všechny stavby, které jsou odvodněné přes objekty HDV. Evidence by měla obsahovat údaje o stavbě samotné a návrhové parametry retenčních objektů a vsakovacích zařízení.

8 NEJČASTĚJŠÍ CHYBY HOSPODAŘENÍ SE SRÁŽKOVÝMI VODAMI

Systémy hospodařící se srážkovou vodou přírodě blízkým způsobem a jejich návrh a aplikace jsou v českém prostředí relativní novinkou. Proto jsou níže uvedeny nejčastější chyby spojené se stanovením geologických podmínek, volbou vlastního způsobu odvodnění a jeho návrhem a realizací. Pokud těmto základním chybám nebude při návrhu odvodnění pozemku zabráněno, může být významně ovlivněna jeho funkčnost a snížen komfort a bezpečnost.

8.1 NEJČASTĚJŠÍ CHYBY PŘI STANOVOVÁNÍ GEOLOGICKÝCH PODMÍNEK

Včasné zpracování geologického průzkumu

Podle vyhlášky č. 501/2006 Sb., ve znění pozdějších předpisů, se stavební pozemek vždy vymezuje tak, aby na něm bylo vyřešeno přednostně vsakování srážkové vody. Bezpečně naplnit povinnost srážkovou vodu přednostně vsakovat lze prokázat pouze podrobným hydrogeologickým průzkumem. Splnění či nesplnění tohoto požadavku musí být průkazně a včas doloženo, jelikož tento údaj zásadním způsobem ovlivňuje konkrétní provedení odvodnění. Geologický průzkum by tedy měl být vždy proveden již ve fázi žádosti o územní rozhodnutí o umístění stavby.

Nedostatečná identifikace objemově nestálých zemin

Pokud tvoří předkvartérní podklad v území vysoce až extrémně vysoce plastické jíly, může dojít vlivem lokální změny hydrogeologických poměrů k jejich objemovým změnám. Pokud jsou v těchto zeminách situovány základy staveb, může dojít k poruše konstrukcí.

Doporučení vsakování v prostředí prosedavých zemin

Některé hydrogeologické posudky doporučují vsakování do prostředí eolických spraší a sprašových hlín. Spraše mají skladbu s typickými vertikálními póry. Kvůli jejich slabé až velmi slabé vertikální propustnosti jsou doporučovány některými geology jako prostředí vhodné pro vsakování. Po zvodnění však spraše rozbřídají a jsou náchylné k tzv. prosedání (změna struktury a únosnosti zemin). Průvodním jevem prosedání spraší jako základové půdy je její dotvarování, poruchy konstrukcí, resp. naklonění stavby.

Doporučení vsakování v území náchylném ke svahové nestabilitě

V území se mohou z předkvartérních hornin lokálně vyskytovat jílovce s občasnými polohami pískovců. V důsledku několika souběžných činitelů (tektonické porušení poloskalního podkladu, jílovité zvětrávání, větší úklon reliéfu) a po podmáčení vlivem vsakování jsou náchylné ke svahové nestabilitě. Souvrství obsahuje nepravidelně i silně zvětralé polohy (charakteru zemin), které mohou po zvodnění v místech zářezů a dalších zásahů do těchto hornin vyvolat riziko mělkých svahových pohybů.

Nedostatečná identifikace ekologických zátěží

V širším zájmovém území se nacházejí ekologické zátěže, jejichž sanace byla ukončena, probíhá nebo je monitorována. Vsakování vod do podzemí umožní (vyluhování kontaminantů) nebo zvýší transport sledovaných polutantů v širším území (transportní kontaminace). V prostředí znečištění zemin nebo podzemních vod (překročena kritéria sledovaných kontaminantů) musejí být ve spolupráci s orgány životního prostředí odebrány vzorky zemin nebo vody k laboratornímu posouzení sledovaných parametrů a transportní kontaminace musí být vyloučena.

Nedostatečná identifikace nehomogenity prostředí

Vsakování do zvětralinové zóny skalních hornin je třeba vždy chápat jako vsakování do nehomogenního prostředí. Propustnost skalních hornin závisí na hustotě, tvaru, výplni a orientaci puklin, zpevnění a ulehlosti zvětralin. Rozložení pórů a puklin a jejich tvary jsou nepravidelné (variabilita parametrů vyplývající z filtrační nehomogenity prostředí). Ta je dána především přítomností, rozsahem, resp. absencí puklinového systému v přípovrchové zóně. Skalní horniny v území podléhají jílovitému zvětrávání, eluvia jsou stejně jako masivní horniny prakticky nepropustná. Jemnozrnně zvětralé horniny mohou být při zvodnění objemově nestálé nebo ve svažitém terénu náchylné ke svahové nestabilitě. Nehomogenitu kvartérních zemin v údolní nivě a na údolních svazích je třeba ověřit podrobným geologickým průzkumem s dokumentačními body v síti 50 x 50 m.

Nehomogenitu mohou způsobit, resp. překážkou odtoku vsakovaných vod mohou být i antropogenní vlivy, jako jsou konstrukce spodní stavby domů, které zasahují do odolnějších nepropustných skalních hornin.

Nesprávné stanovení propustnosti prostředí

Dochází k vsakování do prostředí velmi slabě až nepatrně propustných hornin. Příčinou mohou být nesprávně provedený geologický průzkum či nesprávné vyhodnocení. Případně je špatně určen povrch a mocnost kolektoru nebo hladina podzemní vody (průtočnost nesaturovaného kolektoru), resp. se mocnost kolektoru zmenšuje (nehomogenní prostředí). Průvodním jevem vsakování do velmi slabě až nepatrně propustných zemin je podmáčení území, rozbřídání zemin, zhoršování geotechnických vlastností základových půd apod. K vsakování do těchto nevhodných zemin může docházet i v případě nesprávného dimenzování vsakovacího systému (podcenění množství vod odváděných do vsakovacího systému).

Volba nesprávného typu vsakovací zkoušky nebo jejího nesprávného provedení

V případě zvodnělého kolektoru preferujeme provedení čerpací a stoupací zkoušky, jejichž dosah je podstatně větší než dosah nálevové zkoušky. Délka čerpací zkoušky je min. 6 hod., vhodné je dosažení ustáleného stavu. Při nálevových zkouškách musí být dodržena minimální doba vsakování (6 hod.) nebo musí být vyčerpán minimální vsakovaný objem (1 m³). V případě velmi krátkých zkoušek nebo vsakování jen malého objemu vody jsou prioritně syceny póry nesaturované zóny a nedochází k významnějšímu pohybu vody v prostředí. Takto dosažené řádově příznivější výpočtové parametry propustnosti pak nejsou v provozu vsakovacích systémů dosaženy. Zjišťování propustnosti z granulometrických analýz je pouze orientační. Zrnitost porušeného vzorku není jediným parametrem propustnosti a výpočty podle různých autorů se řádově mění. Granulometrická analýza je vhodná ke zjištění homogenity kolektoru a plošným korekcím hydraulických parametrů zjištěných zkouškami. Orientační zjišťování propustnosti terénními propustoměry je pro navrhování DSO nevhodné.

8.2 NEJČASTĚJŠÍ CHYBY PŘI VOLBĚ TYPU ODVODNĚNÍ

Nesprávná volba příjemce srážkových vod

V některých případech je již v rámci návrhu nesprávně volen recipient pro odtok srážkových vod. Vždy je nutné důsledně postupovat podle priorit uvedených ve vyhlášce č. 501/2006 Sb., ve znění pozdějších předpisů. V případě jiného využití srážkových vod je vždy třeba zvážit, o kolik bude navrhovaným využitím redukován povrchových odtok, a v případě nedostatečné redukce navrhnout následné opatření podle priorit uvedených ve vyhlášce č. 501/2006 Sb., ve znění pozdějších předpisů. V žádném případě by stavba neměla být řešena jako bezodtoká, neboť může dojít k větší než návrhové srážkové události a nadbytečnou vodu bude třeba bezpečně odvést mimo stavbu.

Podcenění kumulativních účinků plošného vsakování

Vyhodnocení vhodnosti vsakování i bodového zdroje je nutné v kontextu celkového zvýšení vsakovaných vod v dílčím povodí do konkrétního kolektoru, v časových souvislostech (zpoždění dotace). K tomu je třeba znát průtočnost kolektoru v celém sledovaném území (včetně úzkých míst), izolinie bazálního hydraulického izolátoru, spád hladiny podzemní vody, celkový odtok z území. 3D modelace upřesňovaná systematickým měřením hladin ve studnách, hydrovrtech a dalších pozorovacích objektech (různé vodní stavy) určí limity pro celkové možné vsakované množství vod (limity území). Bez tohoto posuzování dojde v delším časovém horizontu k překročení limitů s výše uvedenými negativními důsledky na území.

Vsakování ve svažitém terénu

Při vsakování ve svažitém terénu vzniká riziko ovlivnění hydrogeologických poměrů i na relativně velkou vzdálenost. Proto je předepsáno ověření geologických poměrů v okolí zájmového území ve směru odtoku podzemních vod, ve svažitém terénu až na dno údolí, resp. terénní deprese. Kvartérní pokryv na údolních svazích je často bezvodý, přičemž mocnost kolektoru a jeho hydraulické charakteristiky se mohou se vzdáleností od lokality vsaku výrazně měnit, stejně jako hloubka podloží (bazálního hydraulického izolátoru). Průvodním jevem podcenění geologického průzkumu v okolí zájmového území může být podmáčení území v nižších polohách, včetně podmáčení základových konstrukcí a zatápění spodní stavby (s riziky výskytu objemově nestálých a prosedavých zemin), výron vsakovaných vod na povrch (kolektor může vykliňovat k povrchu terénu), tendence ke svahové nestabilitě, rizika transportní kontaminace apod.

Nesprávný návrh účelu retenčního prostoru

Poměrně častou chybou, která vzniká již při návrhu, je zaměňování funkce objektů s retenčním prostorem s objekty pro akumulaci dešťové vody se záměrem jejího dalšího využití (např. pro zálivku nebo jiné účely). Zásadním rozdílem ve funkci obou zařízení je skutečnost, že:

• objekty s retenčním prostorem slouží pro krátkodobé zadržení srážkového odtoku a musejí být zpravidla do 24 hodin vyprázdněny, aby byly připraveny pro další déšť;
• objekty pro akumulaci dešťové vody se záměrem jejího dalšího využití slouží pro zachycení maximálního množství vody, která je v následujících období využívána pro daný účel, to znamená, že tyto objekty nemají požadavek na rychlé vyprázdnění.

Kombinace obou výše uvedených funkcí v jednom stavebním objektu je možná, ale jen formou oddělených (výpočtově, nikoliv nutně fyzicky) retenčních a akumulačních prostor.

8.3 NEJČASTĚJŠÍ CHYBY PŘI NÁVRHU, REALIZACI A PROVOZU

Obecně

Nesprávný výklad právních předpisů

V případě výstavby rodinných domů je možné se setkat s vyjádřeními provozovatelů kanalizací nebo správců vodních toků, ve kterých je uveden požadavek, že srážkové vody mají být „likvidovány“ na pozemku investora. Při návrhu odvodnění se postupuje podle priorit stanovených vyhláškou č. 501/2006 Sb., (§ 20), ve znění pozdějších předpisů, přičemž se posuzuje místní proveditelnost a přípustnost technického řešení. Není-li vsakování v odvodňované lokalitě možné, je vždy nutné vybudovat alespoň retenční objekt s regulovaným odtokem napojeným do recipientu, tedy do povrchových vod nebo jednotné kanalizace.

Nevhodné zakomponování návrhu do prostředí

Implementace HDV do projektů měla být vždy citlivá a odpovídající měřítku odvodňovaného území. Navrhovaná opatření by měla harmonicky dotvářet celkový návrh, nikoliv mu za každou cenu dominovat. Přílišné akcentování vodních prvků, které jsou do návrhů vloženy násilně, může vést k nelogicky založeným designům, které budou uživateli odmítnuty. Návrh odvodnění by měl respektovat místní zvyklosti a neměl by narušovat pobytovou funkci prostoru.

Chybné dimenzování vsakovacích a retenčních objektů

I přesto, že již několik let existují normy, které podrobně popisují způsob dimenzování vsakovacích a retenčních objektů, v praxi je možné se stále setkat s návrhy, které ve výpočtu uvažují s 2letým 15minutovým deštěm. Zásady dimenzování objektů HDV jsou popsány v kapitole 7.4. Konkrétní návrhové postupy lze nalézt v ČSN 75 9010 Vsakovací zařízení srážkových vod a TNV 75 9011 Hospodaření se srážkovými vodami.

Záměna součinitelů popisujících vsakovací schopnosti půdy

Záměnou hydraulické vodivosti s koeficientem vsaku (definovaným nově ČSN 75 9010) může dojít k pře- nebo poddimenzování retenčního objemu objektu se všemi funkčními, eventuálně ekonomickými důsledky. Případně mohou být území nevhodná ke vsakování vyhodnocena jako vhodná a naopak.

Podcenění vlivu kolmatace

Srážkové vody smývají ze zpevněných ploch jemnozrnné prachové frakce, které mohou zakolmatovat jak filtrační materiál vsakovacích prvků, tak povrchové vrstvy kolektoru. Opatřením je zařazení objektů pro odsazení těchto materiálů (lapák) a možnost výměny filtračního materiálu ve vsakovacích prvcích.

Podcenění kolísání hladiny podzemních vod

V případech, kdy hladina podzemní vody přirozeně výrazně kolísá či se zvedne v důsledku vsakování (tj. v průběhu provozu vsakovacích zařízení), může být ovlivněna funkce celého systému. Při návrhu je proto v relevantních případech nutné posoudit vliv vsakování na výšku hladiny podzemní vody, a to nejenom v místě vsakování, ale též po směru proudění podzemní vody.

Stavební nekázeň

Nedostatečný dozor při realizaci stavby může vést k omezení či znemožnění funkčnosti budovaného objektu či celého systému odvodnění stavby. Častými chybami je např. propojení systému odvodnění s kanalizací nebo použití nesprávných zemin pro svrchní část průlehu.

Zanedbání údržby

Hlavním rizikem provozu zařízení je v zanedbání údržby s následným snížením funkčnosti objektu. Vzhledem k tomu, že jednotlivá zařízení HDV jsou decentralizována, je provoz objektu zpravidla na vlastníkovi stavby (tj. nikoliv odborníkovi). Za tímto účelem je vždy vhodné vlastníka stavby při jejím předání vybavit příručkou (provozním řádem), která vysvětlí účel objektu a způsob, jakým ho udržovat, případně doplnit objekt systémem monitoringu, který na případné problémy vlastníka upozorní.

Při návrhu odlučovačů lehkých kapalin

Volba návrhového deště

Při návrhu objektů na čištění vod odváděných prostřednictvím kanalizací je třeba si uvědomit, že nelze počítat s retencí v potrubí. V rámci výpočtu je nutno počítat s intenzitami deště, na který je navržena kapacita kanalizačního potrubí – použití intenzity např. 30 l/s/ha je zjevně chybné.

Obtoky

Obtoky u zařízení určeného na čištění vody je třeba používat v souladu s ČSN EN 858-2, tedy že obtok je povolen jen na množství, o které maximální déšť převyšuje směrodatný déšť. V případě zařízení na havarijní zabezpečení a použití obtoku jako odlehčení je třeba na základě místních podmínek zvážit a zdůvodnit poměr mezi čištěným a obtékaným množstvím. Zjevně chybné jsou např. obtoky 1:12 nebo případy, kdy je obtékán jen odlučovací prostor, ale přes kalový prostor, který je poddimenzován, je veden celý průtok, a dochází tak při intenzivních deštích k vyplachování zachyceného znečištění.

Velikost a tvar usazovacích prostorů

Při návrhu usazovacího prostoru je třeba si uvědomit, že proces usazování není jen funkcí objemu (i když ten je normou předepsán), ale i uspořádání – např. čtyři nádrže o objemu 1 m³ nenahradí normou požadovaný usazovací prostor o vypočteném objemu 4 m³. Pokud bychom chtěli použít menší nádrže, pak je třeba je umístit paralelně, a tím pádem rozdělit i průtok.

Obr. 28  Příklad nevhodného a vhodného uspořádání usazovacího prostoru složeného z více nádrží

Nereálnost očekávaných hodnot

Vzhledem k tomu, že ropné látky (uhlovodíky jsou ve vodě rozpustné v řádech jednotek) je třeba počítat s tím, že pokud je zařízení bude zachycovat a akumulovat a pokud nebudou průběžně odstraňovány, budou odtokové koncentrace velmi pravděpodobně v rozmezí 2–5 mg NEL/l. A to i v případech, kdy při zkoušce typu podle normy bylo dosaženo nižších hodnot. Hodnoty 0,05 mg NEL/l jsou při použití současných mechanických postupů čištění (usazování, koalescence) v praxi nereálné již při minimálním znečištění natékajících srážkových vod.

Chyby při prokazování účinnosti

Účinnost nelze prokazovat výpočty nezohledňujícími fyzikální zákony – např. postupem, kdy se vychází z úvahy, že existuje přímá závislost mezi vstupní a výstupní koncentrací. V praxi je často v dokumentaci uváděn postup, kdy je trojčlenkou vypočteno, že pokud je při vstupní koncentraci 5 000 mg/l dosaženo do 5 mg/l koncentrace na výstupu, pak při vstupní koncentraci např. 100 mg/l bude dosaženo hodnoty výstupní koncentrace tisíckrát nižší. Podstatně nižších výstupních koncentrací nelze dosáhnout ani umístěním více odlučovačů za sebou, a to i přesto, že výrobce garantuje účinnost čištění v procentech.

9 LITERATURA

9.1 OBECNĚ

[1] ASOCIACE ČISTÍRENSKÝCH EXPERTŮ ČESKÉ REPUBLIKY Podklad pro Koncepci nakládání s dešťovými vodami v urbanizovaných územích. Odborná skupina Odvodňování urbanizovaných území, zpráva pro MZe ČR, 2007.

[2] BLÁHA, K. et al. Základní principy hydrogeologie. Metodická příručka Ministerstva životního prostředí ČR, 2010.

[3] BOVEE, K. D. Development and evaluation of habitat suitability criteria for use in the Instream Flow Incremental Methodology. Instream Flow Information Paper 21. Biological Report 86 (7), s. 235, Washington, D.C.: USDI Fish and Wildlife Service, 1986.

[4] CENIA Zpráva o životním prostředí České republiky 2016. Praha: Ministerstvo životního prostředí, 2016 

[5] DEUTSCH, B., WHITLOW, H., SULLIVAN, M., SAVINEAU, A. Re-greening Washington, DC: A green roof vision based on quantifying storm water and air quality benefits. Casey Trees Endowment Fund, Limo-Tech, Inc.,  ze dne 05. 02. 2008.

[6] DIERKES, C., GÖBEL, P., COLDEWEY, W. G. Entwicklung und Optimierung eines kombinierten unterirdischen Reinigungs-und Versickerungssystems für Regenwasser. Abschlussbericht Projekt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt Az 18622. HydroCon GmbH, 2005.

[7] ENGELMEIER, M., SCHOLZ, M. Trees: the new branch of sustainable drainage. Civil Engineering, 159(3), pp. 100, 2006.

[8] KABELKOVÁ, I., ŠŤASTNÁ, G., STRÁNSKÝ, D., NÁBĚLKOVÁ, J. Vliv úprav na OK83 na ekologický stav Botiče. Vodní hospodářství, roč. 56, č. 5, s. I-III, 2006.

[9] KOLAFA, M., VOPELÁKOVÁ, E. Rok stromu. Metodika dlouhodobého projektu pro žáky 2. stupně základních škol a pro gymnázia, 2007.

[10] KREJČÍ, V. et al. Odvodnění urbanizovaných území – koncepční přístup. Brno: NOEL 2000, 2002.

[11] KUO, F. E., SULLIVAN, W. C. Environment and crime in the inner city: Does vegetation reduce crime? Environment & Behavior, 33(3), pp. 343 – 367, 2001.

[12] KUTÍLEK M., KURÁŽ V., CÍSLEROVÁ M. Hydropedologie. 2. přepracované vydání, skriptum. Praha: ČVUT, 176 s., 2000.

[13] LIU, K. B. Thermal Performance of Green Roofs Through Field Evaluation. Greening Rooftops for Sustainable Communities. Chicago: IL, pp. 10, 2003.

[14] Ministerstvo zemědělství ČR Voda v ČR do kapsy. Úsek vodního hospodářství MZe, 2006 (http://eagri.cz/public/web/mze/voda/osveta-a-publikace/publikace-a-dokumenty/publikace/voda-v-cr-do-kapsy.html)

[15] Ministerstvo životního prostředí ČR Strategie přizpůsobení se změně klimatu v podmínkách ČR (https://www.mzp.cz/cz/zmena_klimatu_adaptacni_strategie), 2015.

[16] MINKE, G. Inclined green roofs – Ecological and economical advantages, passive heating and cooling effects (2007), Proceedings of International Conference on Central Europe towards Sustainable Building in Prague – překlad KNOB J. https://voda.tzb-info.cz/ ze dne 20. 6. 2008.

[17] PAUL, M. J., MEYER, J. L. Streams in the urban landscape. Annual Review of Ecology and Systematics. 32, s. 333 – 365, 2001.

[18] RAND, G. M. Fundamentals of Aquatic Toxicology. Effects, Environmental Fate and Risk Assessment. Second Edition. North Palm Brach, USA: Taylors & Francis, 1995.

[19] RUTHERFORD, S. The Green Infrastructure Guide: Issues, Implementation, Strategies and Success Stories. West Coast Environmental Law Research Foundation, British Columbia, ISBN 978-0-919365-31-5, 2007.

[20] SLAVÍKOVÁ, L., BAREŠ, V., BENEŠ, R., JÍLKOVÁ, J., STRÁNSKÝ, D., VALENTOVÁ, M. Ochrana před povodněmi v urbanizovaných územích. Praha: IREAS, Institut pro strukturální politiku, o. p. s., 2007.

[21] STEINER, M. Strassenabwasserbehandlungsverfahren: Stand der Technik. Dokumentation ASTRA 88002, 130 s., Bern: 2010.

[22] ŠAMALÍKOVÁ, M. Inženýrská geologie a hydrogeologie. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s. r. o., 77 p., 1996.

[23] ŠŤASTNÁ, G. Změny struktury společenstva makrozoobentosu podél urbanizačního gradientu. Disertační práce, Praha: 2005.

[24] TAYLOR, A. F., KUO, F. E., SULLIVAN, W. C. Coping with ADD: The Surprising Connection to Green Play Settings. Environment & Behavior, 33 (1), pp. 54 – 77, 2001.

[25] TETZLAFF, D., GROTTKER, M., LEIBUNDGUT, C. Hydrological criteria to assess changes of flow dynamic in urban impacted catchments. Physics and Chemistry of the Earth. 30 (6 – 7), s. 426 – 431, 2005.

[26] USDA Forest Service, Center for Watershed Protection, Using Trees to Reduce Stormwater Runoff, https://www.slideshare.net/watershedprotection/using-trees-to-reduce-stormwater-runoff-formatted-presentation?type=powerpoint ze dne 31. 5. 2010

9.2 PRÁVNÍ PŘEDPISY

[27] Národní akční plán adaptace na změnu klimatu, schválený vládou ČR 16. 1. 2017.

[28] Národní plán povodí Labe pro období 2015-2021, schválený vládou ČR 21. 12. 2015.

[29] Nařízení vlády č. 57/2016 Sb., o ukazatelích a hodnotách přípustného znečištění odpadních vod a náležitostech povolení k vypouštění odpadních vod do vod podzemních.

[30] Plán hlavních povodí České republiky, schválený usnesením vlády České republiky ze dne 23. 5. 2007 č. 562.

[31] Politika územního rozvoje České republiky, schválená usnesením vlády České republiky ze dne 17. května 2006 č. 561.

[32] Směrnice 2000/60/ES Evropského parlamentu a rady ustavující rámec pro činnost Společenství v oblasti vodní politiky, MŽP, obor ochrany vod, Praha 2001.

[33] Strategie přizpůsobení se změně klimatu v podmínkách ČR, schválená vládou ČR 26. 10. 2015.

[34] Vyhláška MMR č. 501/2006 Sb. o obecných požadavcích na využívání území resp. č. 269/2009 Sb.

[35] Vyhláška MŽP č. 79/2018 Sb. o způsobu a rozsahu zpracovávání návrhu a stanovování záplavových území a jejich dokumentce.

[36] Zákon č. 254/2001 Sb. o vodách a o změně některých zákonů (vodní zákon).

9.3 NORMY A METODICKÉ POKYNY

[37] BS 8525-1 Greywater systems – Part 1: Code of practice BS 8515:2009 Rainwater harvesting systems – Code of practice.

[38] Bundesverband der deutschen Gas- und Wasserwirtschaft (BGW) [online]. c2011.

[39] ČSN 75 6551 Odvádění a čištění odpadních vod s obsahem ropných látek, 2008.

[40] ČSN 75 9010 Vsakovací zařízení srážkových vod, 2012.

[41] ČSN 83 8030 Skládkování odpadů – Základní podmínky pro navrhování a výstavbu skládek, 2018.

[42] ČSN EN 752 Odvodňovací a stokové systémy vně budov – Management stokového systému, 2019.

[43] ČSN EN 858-1 Odlučovače lehkých kapalin (např. oleje a benzinu) – Část 1: Zásady pro navrhování, provádění a zkoušení, označování a řízení jakosti, 2003.

[44] ČSN EN 858-2 Odlučovače lehkých kapalin (např. oleje a benzinu) – Část 2: Volba jmenovité velikosti, instalace, provoz a údržba, 2003.

[45] DIN 1989-1:2001-10 Rainwater Harvesting Systems – Part 1: Planning, Installation, Operation and Maintenance.

[46] DWA-Arbeitsblatt A138 Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser, 2005.

[47] DWA-Merkblatt M153 Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser, 2007.

[48] Metodický pokyn ČAH č. 1/2008. Vyjádření osoby s odbornou způsobilostí k zasakování odpadních vod do půdních vrstev.

[49] Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung [online]. c2011. Autonome Provinz Bozen – Südtiro, Landesagentur für Umwelt [cit.2011-06-27]. Dostupný z WWW: http://www.provincia.bz.it/umweltagentur/wasser/regenwasserbewirtschaftung.asp#anc2002.

[50] ÖNORM B 2506-1 Regenwasser-Sickeranlagen für Abläufe von Dachflächen und befestigten Flächen. Teil 1: Anwendung, hydraulische Bemessung, Bau und Betrieb, 2000.

[51] ÖNORM B 2506-2 Regenwasser-Sickeranlagen für Abläufe von Dachflächen und befestigten Flächen. Teil 2: Reinigungsmöglichkeiten für Regenwässer, 2003.

[52] ÖNORM B 2572 Grundsaetze der Regenwassernutzung, 2005.

[53] ÖWAV-Regelblatt 35, Behandlung von Niederschlagswässern, 2003.

[54] TNV 75 9011 Hospodaření se srážkovými vodami.

[55] Umwelttipps für den Umgang mit Wasser für Hausbesitzer. [online]. C1999. Wasserwirtschaftsamt Hof Bayern [cit. 2011-09-26]. Dostupný z https://www.wwa-ho.bayern.de/.

[56] Ústav územního rozvoje, Průměrné ceny dopravní a technické infrastruktury obcí – aktualizace 2017. Dostupný z http://www.uur.cz/default.asp?ID=899.

[57] VSA Regenwasserentsorgung – Richtlinie zur Versickerung, Retention und Ableitung von Niederschlagswasser aus Siedlungsgebieten, Verband Schweizer Abwasser – und Gewässerschutzfachleute, Zürich, 2002.

9.4 PUBLIKACE ČKAIT DOPLŇUJÍCÍ ŘEŠENOU PROBLEMATIKU

[58] KULHAVÝ, F., KULHAVÝ, Z. Navrhování hydromelioračních staveb. Praha: IC ČKAIT, 431 s., 2009.

[59] ŠÁLEK, J., TLAPÁK, V. Přírodní způsoby čištění znečištěných povrchových a odpadních vod. Praha: IC ČKAIT, 283 s., 2006.

[60] TLAPÁK, V. et al. Stavby pro plnění funkce lesa. Praha: IC ČKAIT, 304 s., 2008.

[61] ŽABIČKA, Z., VRÁNA, J. Hospodaření se srážkovou vodou v nemovitostech. Praha: IC ČKAIT, 42 s., 2011.

Stav: vydání 2012

Anotace:
Tato pomůcka poskytuje pohled na vyvíjející se možnosti energetických úspor při čištění odpadních vod. Po všeobecném úvodu jsou popsány možnosti optimalizace procesů ČOV a získávání energie z odpadních vod v příkladech, zejména ze zahraničí. Je popsáno přístrojové vybavení, strojní zařízení, recyklace energie, možnosti intenzifikace procesů a jejich metody a další zdroje energie na ČOV.

Upozornění k textu

OBSAH

ÚVOD

Tato technická pomůcka je určena autorizovaným osobám, zejména projektantům v oboru stavby vodního hospodářství a krajinného inženýrství, pracujícím v oblasti staveb zdravotně-technických. Obsahuje pohled na vyvíjející se možnosti energetických úspor při čištění odpadních vod. Po všeobecném úvodu jsou popsány možnosti optimalizace procesů ČOV v příkladech, zejména ze zahraničí. Popsané možnosti bude nutno sledovat a jejich uplatnění konkrétně aplikovat na jednotlivé případy ČOV v závislosti na místní situaci, výhledu a technických možnostech a finančních zdrojích.

Snížení provozních nákladů, mimo jiné i energii, se v současné době stává, vedle splnění požadavků právních předpisů, prioritou pro provozovatele vodohospodářských a čistírenských infrastruktur. Pokles růstu ekonomiky, vzrůstající cena a spotřeba energie a stále přísnější nároky na kvalitu vyčištěné odpadní vody jsou jedny z hlavních faktorů, vedoucích k tlaku na energetickou optimalizaci v oboru. Zatímco jinde ve světě, zejména v zemích s nedostatkem vody, je normální vyčištěnou odpadní vodu recyklovat a zároveň optimalizovat spotřebu energie s využitím alternativních zdrojů energie, u nás v České republice zatím panuje poměrně konzervativní vyčkávací přístup. Koncepty zabývající se zlepšením hospodaření s energií jsou k dispozici, jeden z nich je detailně rozpracován např. v tzv. „městech budoucnosti“ (z anglického Cities of Future) [1] a zahrnuje, vyjma optimalizace nakládání s energií, i s tím spojené nádoby, např. recyklaci vyčištěné odpadní vody nebo recyklaci nutrientů.

Obr. 1 Primární funkce sanitačních systémů [16]

Někdy je také možné se v této souvislosti setkat s akronymem NEW – nový přístup k energii (E), recyklaci vody (W) a recyklaci nutrientů (N), a někdy se preferuje ještě komplexnější přístup – do požadavků jsou zahrnuty i nároky na minimalizaci znečištění ovzduší. Dalším obdobným přístupem je pak pohled tzv. udržitelného rozvoje a na jeho základě definovaná funkce sanitačních systémů.

Primárními funkcemi sanitačních systémů jsou ochrana zdraví, recyklace vody, živin a energie a zabránění snižování kvality životního prostředí. Řešení ekologické sanitace (odpadních vod) by pak tedy mělo zahrnovat přinejmenším tyto funkce. Ochrana zdraví je propojena s kvalitou životního prostředí a požadavky v této oblasti jsou z velké části vyjádřeny právními předpisy (emisní hodnoty, BAT nebo NEK), spotřeba energie, vody a snaha o recyklaci nutrientů je pak funkcí tržních mechanismů. Bohužel právní předpisy i tržní mechanismy jsou často ovlivněny vyjednávací silou lobujících subjektů, a ne tím, co je objektivně nejoptimálnější pro lidstvo jako celek. Proto se také změny většinou dějí diskontinuálně poté, co se stane situace v té které oblasti neudržitelná. V každém případě je ale dobré optimální řešení znát, a alespoň v jejich duchu řešení navrhovat tak, aby byla v budoucnu v případě potřeby realizovatelná s co nejmenší ztrátou. Přímo se nabízí jeden citát „je zbytečné utíkat ve vlaku v uličce v protisměru, když vlak jede jiným směrem“. V podstatě se tento směr dá popsat také tak, že odpadní voda, živiny i energie by měly být řešeny co nejblíže místu, kde ke znečištění vody došlo, a nepřenášet problém jinam. Uvedené zásady platí zejména pro rodinné domy, skupiny rodinných domů, vesnické a horské oblasti. Využít je lze také v městské zástavbě, i když tam se často z důvodů ekonomických a urbanistických řeší problematika centrálně. Někdy je důvodem pro centrální řešení i síla společností zabezpečujících provoz kanalizace, podpořená dotační politikou státu. Ale i centrální řešení skýtají velké možnosti pro využití energie a nutrientů, a případně i recyklace části vod. Další možnosti se pak nabízejí v komplexním přístupu k odpadům jako celku – sloučením likvidace odpadů a čištění odpadních vod. Bohužel v tomto případě na sebe narážejí často neslučitelné zájmy různých podnikatelských subjektů a jejich lobbystické možnosti.

Efektivní a ekonomický systém čištění odpadních vod by měl být proto v kontextu energetických úspor a udržitelného rozvoje založen na těchto hlavních cílech:

a) volba vhodného systému odkanalizování (centrál x decentrál) pro danou lokalitu,

b) volba vhodného typu technologie (technologie s nejmenšími nároky na energii),

c) minimalizace množství energie potřebné na čištění vod optimálním řízením,

d) výměna přístrojového vybavení za energeticky úspornější,

e) volba vhodného předčištění,

f) zajištění energeticky soběstačného čištění odpadních vod,

g) produkce energie z kalů,

h) recyklace energie,

i) využití další energie z obnovitelných zdrojů,

j) využití energeticky méně náročných technologií,

k) ochrana recipientu a životního prostředí,

l) snižování odtokových koncentrací polutantů,

m) zvyšování kvality kalů aplikovaných na půdu,

n) minimalizace množství vznikajících odpadů a ukládání na skládky,

o) odstraňování mikropolutantů,

p) snižování celkové stopy zařízení (carbon footprint, zápach, zastavěná plocha apod.),

q) čištění vzduchu, zachytávání aerosolů,

r) využívání vznikajícího CO₂,

s) výběr technologie s menšími požadavky na zastavěnou plochu,

t) umožnění recyklace energie, nutrientů, vody,

u) recyklace makronutrientů (hlavně fosforu),

v) znovu využívání vody,

w) využívání dostupné energie nesené vodou.

Postup uplatňování by měl začít od úvah nad celkovým řešením, a teprve pak řešit detaily podle toho, co je racionálně realizovatelné. V řadě případů může být ekonomičnost optimalizace spojena až např. s rekonstrukcí ČOV, nebo s výměnou některých opotřebovaných zařízení.

1 ENERGETICKÝ POHLED NA ČOV (ÚSPORY ENERGIE A PRODUKCE ENERGIE)

Dá se prokázat se, že v komunálních vodách je až 9x více energie než je jí potřeba k jejímu vyčištění – v podstatě by tedy ČOV měla energii spíše produkovat než spotřebovávat. Současným cílem by však měla být alespoň minimalizace spotřeby, případně i energetická soběstačnost. Což by samo o sobě představovalo nemalé snížení provozních nákladů. Spotřeba energie totiž patří mezi významné provozní náklady na čistírnách odpadních vod a tvoří cca 15–30 % nákladů na větších čistírnách a 30–40 % na menších čistírnách [2]. Obdobná studie v našem regionu – v Rakousku došla zhruba ke stejným číslům (obr. 2) [2]. Většina čistíren odpadních vod byla navržena především za účelem maximální účinnosti čištění a provozní náklady nebyly při návrzích čistíren příliš zohledňovány. Je dokonce znám případ v ČR, kdy po rekonstrukci ČOV, díky změně technologie realizované v roce 2011, stoupla spotřeba elektrické energie z asi 1 kWh/m³ vyčištěné vody na více než 2 kWh/m³.

V současné době se na čistírnách používají stále pokročilejší technologie, dokonce se objevují nové požadavky, a to jak za účelem odstraňování „nových“ polutantů jako jsou např. endokrinní disruptory, tak i za účelem recyklace vyčištěné odpadní vody. Tyto technologie (např. pokročilé oxidační procesy nebo membrány) mívají zpravidla vyšší energetické nároky, a proto je zde pochopitelná snaha kompenzovat zvýšenou spotřebu a optimalizovat energetický management na čistírnách. Použití nových technologií není však omezeno jen na řešení nových požadavků. Často je největší překážkou konzervativní přístup provozovatele a v podstatě i neexistující motivace – úspory se nepromítnou do příjmů společnosti a potřeba investic je obtížně prosaditelná např. z důvodu délky provozních smluv.

Obr. 2 Průměrné provozní náklady na 98 čistírnách v Rakousku [2].

Efektivní a ekonomický systém čištění odpadních vod by proto měl být v kontextu energetických úspor založen na třech hlavních cílech:

• minimalizace množství energie potřebné na čištění odpadních vod;
• zajištění energeticky soběstačného čištění odpadních vod;
• snížení negativního dopadu čištění odpadních vod na okolní životní prostředí.

Obecně odpadní voda obsahuje organické látky, tepelnou a kinetickou energii, jejíž množství je, jak již bylo uvedeno, zhruba 9x vyšší než je potřeba na její čištění [3, 4]. Paradoxně ačkoliv odpadní voda obsahuje takové množství energie, na valné většině čistíren je nutno energii na vyčištění odpadní vody ještě dodat. Proto je potřebné provést na čistírně bilanci energetických vstupů a výstupů, což může v praxi znamenat schéma znázorněné na obr. 4.

Jak již bylo zmíněno, energetický obsah v odpadní vodě lze rozdělit na čtyři hlavní formy: chemickou, tepelnou, kinetickou a potenciální [5].

Tepelná energie

Množství tepelné energie obsažené v odpadní vodě je dáno měrnou tepelnou kapacitou vody, které je přibližně 4,2 kJ/kg·K nebo 4,2 MJ/m³ na 1 °C teplotní změny.

Hydraulická (kinetická a potenciální) energie

Potenciální energie je energie vodního sloupce a je rovna 9,8 kJ/m³ na metr výšky. Kinetická energie je rovna 0,18 kJ/m³ při rychlosti proudění 0,6 m/s [9].

Chemická energie

Chemická energie je energie obsažená v organické hmotě v odpadní vodě, nejčastěji vyjadřovaná ve formě chemické spotřeby kyslíku – CHSK v mg/l. Tchobanoglous [3] definuje potenciál chemická energie kalu v rozmezí 12–15 MJ/kg CHSK (13 MJ/kg CHSK v průměru), což lze přepočítat na 3–12 MJ/m³ (5,6 MJ/m³ v průměru) pro složení běžné komunální vody o složení 250–800 mg/l CHSK. Např. Shizas [3] naměřil na ČOV North Toronto hodnotu 6,3 MJ/m³ pro surovou odpadní vodu.

Obr. 3 Energie má mnoho forem a ty mezi sebou konvergují

Na čistírnách dochází k mnoha procesům vzájemné konverze mezi jednotlivými typy energií, a to jak při jejich tvorbě, tak při jejich spotřebě. Spolu s využitím údajů na obr. 2 a identifikací možných externích zdrojů lze potenciál energetických úspor na čistírnách hledat následujícími způsoby:

• optimalizací technologického uspořádání a provozování;
• optimalizací přístrojového vybavení na čistírně;
• recyklací energie z vody;
• optimalizací získávání energie z biomasy;
• využitím obnovitelné energie.

Obr. 4 Potenciál energetických úspor pro vyvážené nakládání s energií [5]

2 OPTIMALIZACE TECHNOLOGICKÉHO USPOŘÁDÁNÍ A PROVOZOVÁNÍ

Selským rozumem to znamená minimalizovat procesy, při nichž se energie vydává, a maximalizovat procesy, při nichž je možné energii získat – tj. minimalizovat aerobní část (minimalizovat množství organického znečištění) a maximalizovat produkci energie z kalu, pokud je to ekonomicky výhodné.

Audity a benchmarking

Pravidelné provádění energetického auditu, benchmarkingu čistíren a navržení „energetických BATů“ jsou základní kroky, které by měly vést k energetickým úsporám, vyplývajícím z optimalizace přístrojového vybavení na čistírnách odpadních vod. Ale šetřit lze okamžitě, a to poměrně nenáročnými opatřeními. Byla provedena důkladná studie na evropských čistírnách, která prokázala, že bez výrazných investičních nákladů lze uspořit 10–15 % celkových nákladů na energii [3]. Celkově lze říci, že v průměru lze dosáhnout úspor dokonce okolo 20 % oproti stávajícímu stavu, přirozeně s vyššími úsporami u větších čistíren.

Ve světě už je známých několik různých návodů nebo scénářů, jak energetické úspory na čistírnách odpadních vod provádět. Jedním z nejzajímavějších návodů je manuál, který vydala americká EPA, a dále ENERGY STAR Portfolio manažer. Ze starších návodů se dá připomenout SAIC nebo UK WIR [1]. Existuje i řada cílených software na jednotlivé technologické procesy, např. na optimalizaci čerpadel a čerpacích stanic existuje program PSAT a na výběr vhodných motorů MotorMaster+ nebo 1*2*3 Approach to Motor Management.

Optimalizace pomocí matematické simulace

K optimalizaci procesů lze využít různé simulační programy; dostupné jsou již i programy, které neoptimalizují jen dosažení odtokových hodnot, ale zároveň i spotřebu energie. Opět je důležité při tom postupovat komplexně, tj. brát v úvahu celou čistírnu. Vyjmutím některé části může dojít k značnému zkreslení, což je často používáno k manipulacím zdůvodňujícím použití některého jednotlivého zařízení. Simulace v rámci celé ČOV pak tyto manipulace dokáže odhalit. Případně lze pomocí simulace najít možnosti, kde zvýšit produkci energie nebo jaké přístrojové vybavení zvolit.

Lze tak také rychle a levně porovnávat systémy, ve kterých dojde k výměně spotřebičů, změně technologie nebo provozních parametrů a zavedení řídicích systémů. Namodelovaná data potom mohou tvořit základ případové studie přínosů jednotlivých změn na celkovou spotřebu energie a zároveň i na kvalitu vypouštěné vody.

Obr. 5 Strojní vybavení ČOV – část předčištění [14]

Optimalizace přístrojového vybavení na čistírně

Optimalizace přístrojového vybavení zpravidla vyžaduje provedení energetického auditu na čistírně. V mnoha provozech je měřena spotřeba elektrické energie, nicméně s daty se nepracuje a shromažďují se data pouze proto, aby byla. Data a jejich vyhodnocení jsou nesmírně důležité pro kontrolu systému (spotřeba elektrické energie) a v předcházení mnoha havárií (např.: pokud vidíme zvýšenou spotřebu, je něco v nepořádku a můžeme hledat příčinu).

Po provedení energetického auditu následují zpravidla tyto kroky:

• analýza výměny spotřebičů za spotřebiče se stejným výkonem, ale nižší spotřebou energie, kdy se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu, jak je vidět i na obr. 6. Řešením je pak nahrazení stávajících přístrojů nízkoenergetickými spotřebiči;
• optimalizace řízení procesu – opět se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu. S výhodou lze použít jednoduché modelovací systémy a na základě těchto dat upravit chod jednotlivých spotřebičů podle skutečné potřeby výkonu, například pomocí frekvenčních měničů, popřípadě výměnou zastaralých spotřebičů za spotřebiče s vyšší účinností.

Obr. 6 Procentuální rozdělení spotřeby energie na ČOV o velikosti 100 000 EO [6]

Aerace

Jak je i z grafu patrné, největší důraz by měl být kladen na optimalizaci aerace. Ve světě se vyhodnocuje řada ekonomických postupů, které aeraci optimalizují např. dodávkou velice jemných mikrobublin (intenzita dodávky vzduchu nezajistí postačující promíchávání v aeraci) v kombinaci s dodávkou bublin umožňujících udržet aktivovaný kal ve vznosu, nebo s umístěním míchacího zařízení přímo v oxické zóně aktivace. Dalších významných energetických úspor může být dosaženo instalací senzorů a sond (např. kyslíkových nebo amoniakálních sond) za účelem automatického řízení dodávky vzduchu, nebo instalací dmychadel s frekvenčními měniči nebo optimalizovaným automatizovaným systémem řízení dodávky vzduchu. Mezi další energetické úspory spojené s dodávkou vzduchu patří např. vypínání dodávky vzduchu při nízkém průtoku nebo zatížení na čistírně, nicméně tyto provozní zákroky by měly být ošetřeny nejprve nejlépe dynamickou počítačovou simulací, aby nedošlo neuváženým zákrokem ke skokovému zhoršení v kvalitě odtékající vyčištěné odpadní vody.

Čerpací stanice

Druhým místem, kde leží největší potenciál úspor, jsou čerpací stanice, ačkoliv zde je potenciál úspor ve značné míře závislý na reliéfu krajiny a typu přítoku na čistírnu. Zde je nutné poznamenat, že účinnost využití čerpadel závisí především na potenciálu jejich využití. Je proto bezpodmínečně nutné, aby čerpadla pracovala na plánovaný maximální výkon a byla podrobena pravidelné kontrole a údržbě. Systém úspor by měl zahrnovat monitoring spínání a chodu čerpadel v reálném čase, který by měl být buď pravidelně vyhodnocován, anebo opatřen signálním systémem, hlásícím přetížení nebo nevytížení jednotlivých čerpadel.

V celkovém kontextu a dlouhodobém měřítku se doporučuje využívat zařízení s motory s vysokou účinností a frekvenčními měniči namísto zařízení s konstantními otáčkami, což je pochopitelné i z ekonomického hlediska, protože pořizovací cena zařízení je naprosto zanedbatelná ve srovnání s provozními náklady a životností zařízení.

Tornow [4] srovnával chod čerpadel v čerpací stanici při kontinuálním a diskontinuálním chodu. Pro čerpadlo o diskontinuálním chodu a výkonu 14 kW tvoří investiční náklady 40 % po pětiletém provozu při 1 000 provozních hodinách za rok; po 10 letech tvoří tyto náklady pouze 25 %. Přirozeně nejvyšší částku tvoří spotřeba energie, která je 50 % nákladů po pěti letech a 63 % nákladů po 10 letech. Srovnání i s čerpadlem s kontinuálním chodem je znázorněno na následujícím obrázku.

Obr. 7 Náklady na provoz čerpadla 14 kW při diskontinuálním (nahoře) a kontinuálním (dole) provozu [4]

Míchání

Ačkoliv míchání není na prvních dvou místech energetické náročnosti procesů, i jej lze optimalizovat za účelem úspor. Nižší spotřebu než klasická míchadla mají hyperbolická nebo pulzní hrubobublinná míchadla [4]. Dále se jako ekonomické jeví optimalizovat náklady na spotřebu elektrické energie snížením její spotřeby. Pokud jsou čistírny vybaveny vyrovnávacími nádržemi, bude ekonomicky výhodné zachycovat píkové přítoky v nich a poté odpadní vody čistit později, kdy není energetická špička.

Biologické procesy

Budoucnost: z pohledu energetické úspornosti by se teoreticky měly upřednostnit anaerobní procesy, což určitě bude v budoucnu jedna z cest, zatím je jejich nevýhodou nižší úroveň čištění. S lepší schopností pracovat více s tepelnou energií, případně dalšími novými procesy (anaerobní membránové procesy, deamonifikace) význam anaerobie poroste. V současné době však některé technologické uzly nejsou ještě dostatečně provozně ověřeny, návrhy a poloprovozy avizující změny však již existují.

Obr. 8 Příklad schématu komunální ČOV s využitím anaerobního stupně [16]

Současnost: pokud se chceme pohybovat v rámci dnes nejčastěji používaných technologií, pak máme několik možností jak šetřit energií a jak intenzifikovat procesy.

Asi nejefektivnějším opatřením je minimalizace aktivační části tím, že se sníží obsah organických látek přiváděných do aktivace a tím, že se zabezpečí optimální množství dodávaného vzduchu a jeho distribuce. K tomu slouží automatizace řízení, založená na měření a regulaci. Mimo výše zmíněné inovativní technologie budoucnosti přicházejí již dnes v úvahu pokusně ověřené nové biologické procesy. Potřeba odstraňování nutrientů vedla totiž k dalším energetickým nárokům zejména na aeraci. Tudíž se jeví jako slibné některé novátorské technologie, např. deamonifikace prostřednictvím anaerobní oxidace amoniaku, tzv. proces Anammox. Problematiku odstranění dusíku lze řešit s využitím nosičů biomasy (nejčastěji vznášené filtrační vrstvy MBBR) a využít tak toho, že v přisedlé biomase je větší podíl nitrifikantů, a tím je možno pracovat s menšími objemy a tedy i menší spotřebou vzduchu.

Kalové hospodářství

Oblast, která spolu s předčištěním a aerací nejvíce ovlivní energetické hodnocení. Snahou by měla být výroba bioplynu a jeho energetické využití na výrobu elektrické a tepelné energie, která se využije např. na sušení kalu. Nové prognózované směry vývoje pak dokonce preferují výrobu vodíku z bioplynu a použití palivových článků na výrobu elektrické energie.

Snahy v této oblasti se tak logicky ubírají několika cestami:

• snaha o co nejvyšší produkci bioplynu – což lze dosáhnout vyššími teplotami při anaerobních procesech při zpracování kalu nebo dezintegrací kalu. Asi nejnadějnější z užívaných typů dezintegrace je tepelná dezintegrace, ale vyzkoušená je i celá řady dalších dezintegračních metod, např. ultrazvukem. Další možnosti, jak zvýšit produkci bioplynu, skýtá podpora rozkladu volbou vhodných bakterií a vytvářením optimálních podmínek pro ně;
• snaha o co nejmenší provozní náklady a spotřebu energie při zpracování kalů;
• snaha o minimalizaci množství kalů a snížení nákladů na jejich likvidaci.

Jednou z cest ověřovaných např. ve Švýcarsku je využití tepla z výroby elektrické energie na sušení kalu a jeho následné využití v cementárně nebo ve spalovně.

Příklad zařízení používaných pro intenzifikaci ČOV

Po létech tučných, kdy se rekonstruovaly čistírny spíše extenzivním způsobem, neboť náklady byly hrazeny z veřejných prostředků, se očekává, že další kroky povedou spíše cestou intenzifikce. Ve stávajících objemech s co nejúspornějšími technologiemi se budou řešit jak požadavky na zvýšení kapacity, tak i požadavky na přísnější odtokové parametry. Při tom by měly mít přednost technologie spotřebovávající co nejméně energie a technologie, které budou schopny získat co nejvíce energie z odpadních vod.

V budoucnu se předpokládá, že další intenzifikace čistíren odpadních vod budou muset být řešeny s co nejmenšími prostorovými a energetickými nároky. Na významu nabude jak odstranění nutrientů, tak i otázka energií – co nejvíce ušetřit, případně i co nejvíce energie vyprodukovat. Pomůcka se tedy zaměří na některá vybraná technologická zařízení a postupy v tomto směru působící.

Je zřejmé, že některé dnešní požadavky budou a jsou protichůdné. V tom je právě výzva dnešní doby – dokázat minimalizovat náklady a zároveň maximalizovat výnosy a zvyšovat kvalitu produktů. Ze zkušeností a minulosti se ví, že když je potřeba (poptávka), tak se řešení najde. Také realizované výzkumy ukazují, že se objevují nové možnosti – ať už v oblasti recyklací nutrientů (což je jedna z priorit), recyklací energií (ve vodě odchází takové množství energie, že by se tím dala pokrýt z velké části současná potřeba) a recyklaci vody samotné.

Zásady navrhování

Pokud chceme zohlednit energetické hledisko, je třeba si v první řadě uvědomit, v jaké formě se energie ve vodě nachází:

• jako organické látky, které v aerobním prostředí reagují za vzniku tepelné energie;
• jako tepelná energie (samotná teplota odpadní vody);
• jako hydrostatická nebo hydrodynamická energie.

Z tohoto pohledu by tedy měly být upřednostněny postupy, kdy se co nejvíce organických látek využije na výrobu tepelné nebo elektrické energie, postupy, při nichž je minimální spotřeba elektrické energie a uspořádání, kdy se co nejméně energie spotřebuje na dopravu vody a kalu.

Předčištění

S ohledem na výše uvedené by na významu měly získat technologie umožňující zachycení co nejmenších částic organických látek. Separace organických látek umožní jejich další využití a tím, že se sníží koncentrace znečištění, se pak sníží i potřeba aerace a tedy výdaj elektrické energie na aeraci.

Vhodná strojní zařízení

Je již celá řada zařízení specializujících se na odstranění co nejmenších frakcí nerozpuštěných látek. Na trhu jsou nejrůznější jemné česle, rotační síta nebo dokonce filtrační zařízení.

Vhodná strojní zařízení – česla a síta

Obvykle jsou česle prvním stupněm na ČOV; nejčastěji se používají vertikální pruty se štěrbinou 6–12 mm. V některých případech se používají i síta, přičemž jejich funkce je obecně spolehlivá. V Německu se navrhují česle a síta podle DIN 19569, část 2 (DIN 2002). Podle konstrukčních aspektů a podle technického vybavení a velikosti otvorů se síta dělí na česle s otvory do 2 mm a síta s otvory nad 2 mm. Dalším technickým aspektem je konstrukce povrchu síta a geometrie. Dnes se používají štěrbiny, otvory a oka. Podle konstrukčního uspořádání se česle a síta dělí na zařízení s horizontálními a vertikálními průlinami (štěrbinami). Tab. 1 a obr. 9 ukazují dnes používané rozdělení česlí a sít (viz DWA – Merkblattentwurf – Membranbelebungsanlagen) a používané geometrické uspořádání.

Tab. 1 Charakteristika česlí a sít (rozměry v mm)

Obr. 9 Geometrie česlí a sít [14]

Pro navrhování je důležitý podíl otvorů. Zde většinou vycházejí lépe oka než otvory. Důležitý je pak i způsob čištění a potřeba např. vody nebo vzduchu na ostřik a čištění. Z provozních důvodů se síta a česle navrhují se 100 % předimenzováním (zejména u menších čistíren).

Vzhledem k vývoji předčištění je třeba zohlednit množství zachycených nečistot i při navrhování. Shrabky činí (při sušině asi 25 %) 4–8 l /EO·den. Zkušenosti ukazují, že při použití jemného síta se štěrbinami se dosahuje obdobných výsledků. Při použití jemného síta s oky a otvory může být zachycené množství až 5x větší. V extrémních situacích (splachy po delší době bezdeštného průtoku) pak ještě významně větší množství (tab. 2).

Tab. 2 Shrabky (odvodněné na 25% sušiny) v l /EO·den

V Německu bylo dále provedeno dlouhodobé sledování na asi 20 ČOV s různými způsoby filtrace na sítech – vliv na odstranění má jak geometrie otvorů (tab. 3), tak i jejich velikost.

Tab. 3 Vliv geometrie otvorů na zachycení NL a snížení CHSK

Síto s oky vykazuje očekávaně téměř dvojnásobný výkon, co se týká zachycení odfiltrovatelných látek.

Tab. 4 Vliv velikosti otvorů na odstraněních NL a CHSK

Pokus proběhl na ČOV Nordkanal/Karst. Předčištění před oběma štěrbinami bylo identické (česle s průlinami 5 mm a lapák písku a tuků). Pokus také ukazuje, že velikost štěrbiny má podstatný vliv.

Vhodná strojní zařízení – filtrace – SFT filtr jako jedno z možných řešení

Nařízení EU pro primární usazování jej definuje jako zařízení, jež je schopno odstranit alespoň 50 % přitékajících NL a 20 % organických látek (ve formě BSK5). Jeho význam opět nabývá na významu v souvislosti s použitím membránových technologií, kde je třeba zajistit následnou spolehlivost provozu. Dokonalé předčištění také vede k následné minimalizaci objemů a k lepší energetické bilanci celé ČOV. Představitelem takového zařízení je např. SFT filtr. Toto zařízení je schopno navíc NL separovat i zahustit a s pomocí integrované odvodňovací jednotky kal odvodnit až na 20–40 % sušiny.

Obr. 10 SFT filtr [14]

Použití SFT filtrů má své opodstatnění tam, kde:

• chceme minimalizovat prostorové nároky;
• chceme optimalizovat provoz látkově přetěžované čistírny;
• chceme zlepšit energetickou bilanci na ČOV;
• chceme umožnit použití dalších technologií, vedoucích ke zvýšení kvality odtokových parametrů (MBR) nebo kvality produkovaného kalu (ATS).

Nesmíme však přitom zapomenout, že je třeba přizpůsobit i technologické schéma ČOV a zohlednit skutečnost, že se v procesu biologického čištění bude pracovat s menším množstvím organických látek, což má návaznosti na odstraňování dusíku. To sice zas až tak úplně nové téma není, ale cestičky přece jen ještě nejsou úplně prošlapané, a tak bude nutno počítat s klasickým odporem proti novinkám.

Aerace

Pro nejbližší období je tak úkolem minimalizace nákladů při použití aerobních technologií. Z hlediska technologického je vhodné využit denitrifikace k minimalizaci nákladů na oxidaci organických látek. Další cesty vedou přes volbu vhodných dmychadel – pomalu se prosazují šroubová na úkor Rootsových. Například při srovnání nového šroubového dmychadla ZS, které bylo v testech srovnáváno s Rootsovým dmychadlem se 3-zubovým rotorem, bylo prokázáno, že dmychadlo ZS je o 23,8 % energeticky úspornější, než 3-zubové Rootsovo dmychadlo při tlaku 0,5 bar a o 39,78 % úspornější při tlaku 0,9 bar.

Obr. 11 Šroubový element [16]

Nebo pokračuje hledání nových aeračních systémů s vyšším využitím vkládané energie, a také optimalizace řízení procesu čištění – nejčastěji aerace v závislosti na kontinuálním měření obsahu rozpuštěného kyslíku, případně forem dusíku.

ČOV s denitrifikací

Je všeobecně známé a využívané v různých uspořádáních. Principem je recirkulace aerobně předčištěné vody obsahující dusičnany a využití dusičnanů k oxidaci amoniakálního dusíku, čímž se uspoří energie na aeraci.

Obr. 12 Příklad technologického schématu ČOV s denitrifikací

Deamonifikace

Je to vlastně přímá oxidace amoniaku na dusík bez potřeby organických látek. Postup je dvoufázový. V prvním stupni se zoxiduje jen asi 50 % amoniaku na dusičnany. V druhém jsou v anoxických podmínkách amoniak a dusičnany redukovány na dusík N₂. Velkou výhodou tohoto postupu je, že prakticky není potřeba uhlík. Také se tímto způsobem ušetří až 60 % spotřeby kyslíku oproti klasickému postupu nitrifikace x denitrifikace. Jen 10 % amoniaku se změní na dusičnany, takže pak není možné odstranění dusíku na 100 %, což ale při 85–90 % odstranění dusíku není problém.

Praktické provedení deamonifikace:

Pro tento proces jsou potřebné speciální mikroorganismy, které byly objeveny až v roce 1999. Tyto bakterie rostou extrémně pomalu (zdvojnásobení počtu za 11 dnů), jsou i citlivé na zvýšení obsahu dusitanů, což doposud zabraňovalo většímu technickému použití v praxi.

Největší vliv měla instalace zařízení DEMON na spotřebu elektrické energie. Pokles specifických hodnot vztažených na 1 kg·N byl z 2–3 kWh/kg·N na asi 1 kWh/kg·N. Tento pokles byl očekáván a dá se zdůvodnit mimo jiné vyšší koeficientem α, neboť v aktivaci byly nižší koncentrace, a zmenšením podílu heterotrofních organismů. Také tím, že nebyly dávkovány přídavné organické látky, se zmenšila potřeba kyslíku. Zvýšil se i potenciál pro tvorbu bioplynu.

Obr. 13 Proces deamonifikace [19]

Membránové technologie

Vedle ČOV zaměřujících se na snížení potřeby elektrické energie se budou objevovat požadavky na zvýšení účinnosti a snížení nároků na objemy. Typickým představitelem tohoto směru jsou membránové technologie.

Hlavní předností membránových procesů je vedle dalšího zlepšení odtokových parametrů a zvýšení využitelnosti čištěné vody i možná úspora objemů – dokonce lze ušetřit i více než 50 % objemů ve srovnání s klasickými aktivačními čistírnami. V tomto případě je to však vyváženo mírným nárůstem spotřeby elektrické energie, neboť je třeba stlačit a pak dopravit k membránám stlačený vzduch, potřebný na jejich kontinuální čištění.

Obr. 14 Schéma ČOV s MBR [14]

Dalším způsobem jak šetřit objem a intenzifikovat procesy pro odstranění nutrientů jsou nárůstové technologie – kdy se využívá činnosti mikroorganismů, přisedlých na povrch nějakého nosiče. Nosiče mohou být různého tvaru – v poslední době se rozšiřují nosiče jako vznášená vrstva v aktivaci (MBBR). Dociluje se tím jednak vyšší koncentrace sušiny kalu v aktivaci a také zvýšení procenta nitrifikačních bakterií, a tím i lepšího čisticího efektu při odstraňování dusíku. Tímto způsobem lze zmenšit objem aktivačních nádrží až na polovinu.

Obr. 15 Příklad nosiče použitého v aktivaci (zvýšení plochy až na 3 000 m²/m³) [14]

Příklady schémat s využitím prezentované techniky

Výše uvedená zařízení a postupy je možné využít samostatně nebo v kombinacích. Na následujících obrázcích je pro srovnání uvedeno klasické, dnes nejčastěji používané technologické schéma, a pak schémata s minimálními nároky na objemy, která využívají MBR nebo MBBR technologií s novým typem předčištění. U jednotlivých obrázků jsou pak uvedeny i objemy nádrží, které jsou nutné pro jednotlivá uspořádání.

Obr. 16 Příklad klasického schématu s usazovací nádrží a biologickým čištěním [14]

Obr. 17 Schémata s MBR a MBBR technologiemi [14]

Kalové hospodářství

Jak již bylo řečeno, kalové hospodářství je oblast, která spolu s předčištěním a aerací nejvíce ovlivní energetické hodnocení. U velkých čistíren by měla převažovat snaha o vyrobení co nejvíce energie, u menších pak snaha o minimalizaci množství kalů a snížení nákladů na jejich likvidaci. Jednou z možností jak minimalizovat náklady na menších ČOV je použití nízkoenergetických odvodňovacích zařízení.

Vhodná strojní zařízení – příklad efektivního mechanického odvodnění

V současnosti menší čistírny odpadních vod většinou nemají vlastní kalovou koncovku, a tak se kal obvykle stabilizuje v objemných kalových nádržích, aby byla zajištěna alespoň základní stabilizace. Zahuštění kalu se většinou děje gravitačně, což znamená, že výsledná koncentrace kalu je kolem 2–3 % sušiny. To znamená, že v konečném důsledku se odváží 98 % vody, a to za dosti značnou cenu (cca 200 Kč/m³ a víc). Výhodnou variantou, jak tomuto zamezit, je zařízení na principu filtrace mezi pohybujícími se ocelovými kroužky. To je navrženo tak, aby bylo malé, lehké se snadnou údržbou a plně automatickým chodem. Konečným produktem je kal, jehož zahuštění by mělo být větší než 18 % sušiny. Zařízení by díky svým nízkým investičním i provozním nákladům mělo být vhodné na menší čistírny do 5 000 EO. Zejména nízká je spotřeba elektrické energie takového zařízení – obvykle v jednotkách kWh/den. Významnou předností tohoto zařízení je schopnost zahušťovat sekundární kal přímo z aktivace, takže u návrhu nové ČOV mohou odpadnout náklady na výstavbu uskladňovacích nádrží.

Obr. 18 Příklad použití dehydrátoru [16]

Produkce energie z bioplynu

Ze surového smíšeného kalu z ČOV, jehož výhřevnost je obvykle 15–17 MJ/kg sušiny, a kde 1 kg organických látek má výhřevnost 22–25 MJ/kg organické sušiny, lze získat z 1 kg odstraněných organických látek cca 1 Nm³ bioplynu, obsahujícího cca 64 % metanu (CH₄) a 36 % oxidu uhličitého (CO₂).

Anaerobní stabilizací kalu obvykle o sušině cca 5 % a obsahu organických látek 70 % lze tak při účinnosti rozkladu cca 50 % získat energii ve formě bioplynu, která představuje hodnotu cca 8 MJ/kg sušiny kalu. Výtěžnost energie procesem anaerobní stabilizace z kalu představuje tak cca 32 – 39 % celkové energie obsažené v kalu. Zbylá energie zůstává součástí vyhnilého kalu, jeho výhřevnost se tak snižuje cca na hodnoty 6–7 MJ/kg sušiny v případě velmi kvalitní anaerobní stabilizace kalu, mnohdy je však vyšší. Nicméně po „odčerpání“ části energetického obsahu ve formě bioplynu, je vyhnilý kal stále významným zdrojem energie. Proto se stále více používají návazné procesy dalšího využití energetického obsahu již vyhnilých kalů, které jsou však zatím používány s ohledem na jiný cíl finálního zpracování kalu – jeho konečnou mineralizaci. Převládá především spalování, ale stále více jsou využívány i jiné technologie. Jednou z nejnadějnějších se v poslední době jeví zplyňování kalů za vzniku pyrolýzního plynu.

Zpracování čistírenských kalů zplyňováním

ČOV jsou jako zdroj obnovitelné energie v ideální situaci. Vzniká na nich stabilně biomasa, která je přesně definovaného složení, velmi stabilního množství. Její každodenní vznik je na jednom místě bez potřeby dopravy, její energetická hodnota je velmi zajímavá a rovněž vznikající množství je pro energetické využití významné. Ve srovnání s jinými typy biomasy jde tak o ojedinělý případ. Současná kalová hospodářství ČOV plní především úlohu stabilizace kalu. Na středních a velkých čistírnách je základem procesu stabilizace kalů anaerobní stabilizace s produkcí a využíváním bioplynu. Postupně byly a jsou procesy anaerobní stabilizace intenzifikovány tak, aby se zvýšila produkce bioplynu (přechod na termofilní režim provozu, využití různých forem předúpravy kalu pro zvýšení produkce bioplynu). Kaly, které jsou nevyhnutelným odpadním produktem při čištění odpadních vod, se tak stávají významným zdrojem energie. Přitom kaly představují cca 1–2 % objemu čištěných odpadních vod, ale je v nich zkoncentrováno až 50–80 % původního znečištění [7].

Obr. 19 Technologie zpracování kalů z ČOV s energetickým zaměřením [15]

Zplyňování kalů

Zplyňování je tepelně-chemický proces, který využívá teplo k převedení paliva obsahujícího uhlík, na plyn rovněž určený pro spalování. Vznikající plyn se běžně označuje jako „syntézní plyn“ nebo „syngas“. Zplyňování se liší od spalování, protože využívá pouze 20 % až 30 % vzduchu nebo kyslíku potřebného pro úplné spalování paliva. Při zplyňování je množství vzduchu dodávaného do zplyňovacího reaktoru pečlivě řízeno tak, že jen malá část paliva hoří úplně, přičemž se vyvine dostatečné teplo, aby se zbytek paliva prostřednictvím pyrolýzy a chemického rozkladu přeměnil na „syntézní plyn“ a popel. Syntézní plyn se skládá především z oxidu uhelnatého, vodíku a metanu a z vypařených kapalin a uhlovodíků při pyrolýze. Na rozdíl od energie získané z přímého spalování mnoha odpadních paliv, syntézní plyn umožňuje čisté spalování paliva, které může být použito jako náhrada za zemní plyn, topný olej nebo propan pro výrobu tepla, páry, horké vody nebo elektřiny z konvenčních energetických zařízení. Syntézní plyn může být použit jako základní zdroj pro velké množství produktů v petrochemickém a rafinérském průmyslu.

Principy zplyňování jsou známy více než 200 let. Zplyňování uhlí bylo rozšířeno během pozdního 18. století, kdy syngas byl palivem pro městské osvětlení a výrobu elektřiny. Dostupnost levné ropy a zemního plynu vedly k poklesu využívání zplyňování po druhé světové válce. V posledních letech zplynování zažilo obnovu v důsledku zvyšujícímu se nedostatku fosilních paliv a elektrické energie. Dnes je zplyňování považována za jednu z univerzálních, efektivních a nejčistších metod, jak převést nízkonákladové uhlíkaté zdroje jako jsou dřevěné zbytky, různá biomasa, organické kaly a či uhlí na tepelnou energii a elektřinu. Proto jsou známy nové velice úspěšné pokusy produkce syngasu ze sušených čistírenských kalů, přičemž se tak získává prakticky veškerá energie obsažená v kalech.

Zplyňování je komplexní proces, kterého se účastní celá řada reakcí. V obecném pohledu se jedná o čtyři základní pochody: sušení, pyrolýzu, redukci a oxidaci. Tyto procesy mohou probíhat postupně, např. v případě sesuvných generátorů, anebo souběžně v případě fluidních generátorů

Obr. 20 Princip zplyňování [15]

První tři procesy, sušení, pyrolýza a redukce, jsou endotermní (spotřebovávají teplo). Potřebné teplo může být získáno přímo v reaktoru oxidací (hořením) části paliva (jako v předchozím příkladu), nebo může být přivedeno z okolního prostředí. Pokud jde o pokrytí tepelné spotřeby částečným spálením paliva přímo v reaktoru, používá se termín autotermní, neboli přímé zplyňování. Výhřevnost plynu se při autotermním zplyňování vzduchem pohybuje v rozmezí 2,5–8,0 MJ/m³. V poslední době bylo nasazeno několik pilotních a průmyslových aplikací zplyňování sušených čistírenských kalů. Výsledky měření kvality vznikajícího syntetického plynu ukazují, že složení je přibližně následující:

Tab. 5 Typické složení plynu vznikajícího při zplyňování čistírenských kalů [15]

Výsledky složení syngasu pocházejí z průmyslové pilotní jednotky umístěné na ČOV Mannheim, která byla uvedena do zkušebního provozu v roce 2011.

Logickou otázkou je, jaké jsou výhody zplyňování proti přímému spalování za účelem výroby tepla a elektrické energie (při kogeneraci). Je možné uvést:

• dosažení větší konverze paliva na elektrickou energii (vyšší teplárenský modul);
• úspora primárních paliv na jednotku výkonu;
• nižší měrné provozní náklady na jednotku výkonu;
• zmenšení technologického zařízení na jednotku výkonu;
• převedení tuhého paliva s velikým měrným objemem na plynné palivo;
• snadnější odstraňování hlavních škodlivin v plynné fázi;
• při spalování čistých plynných paliv s dostatkem vzduchu nevznikají tuhé emise;
• možnost dosažení vyšších teplot spalováním plynných paliv;
• rovnoměrný ohřev velkých ploch plynnými palivy;
• lepší regulace při spalování plynných paliv;
• plynná paliva se dají přímo spalovat v tepelných strojích;
• možnost využít různá alternativní paliva (RDF, REF, BRKO, OP, apod.);
• snížení produkce CO₂, SO₂, NO_X a POP apod. na jednotku výkonu.

Nevýhodou zplyňování je nutnost čistit syntetický plyn, hlavně od dehtů. Problém byl v poslední době řešen několika způsoby. Velmi zajímavý je patentovaný způsob DZKV, kdy je syngas čištěn zavedením do vyhnívacích nádrží. Výsledným produktem je tak směs bioplynu a syngasu, která je velmi dobře spalitelná v upravených kogeneračních jednotkách. Je zajímavé, že na zplyňování kalů se nyní soustřeďují někteří výrobci, kteří se dříve orientovali jen na dřevní hmotu. Důvodem je skutečnost, že energetické bilance ČOV vedou ke zjištění, že elektrická energie získaná z kogeneračních jednotek využívající bioplyn a syngas vyrobený z čistírenských kalů, je schopna pokrýt energetickou potřebu ČOV a zabezpečit sušení kalů před jejich zplyňováním. Přitom je současně produkován stabilizovaný popel, obdobně jako při spalování.

Obr. 21 Porovnání spalování a zplyňování [15]

Technické řešení zplynování kalů na ČOV

V současnosti je typickým koncovým stupněm likvidace kalu na ČOV strojní odvodnění kalu na sušinu cca 25–30 % a následně jeho transport na skládku. Námi nově navrhované řešení spočívá v doplnění dvou technologických celků:

1. stupeň – sušení kalu,

2. stupeň – fluidní zplyňování kalu.

Sušení kalu bude probíhat na pásové sušárně s teplotou do 100 °C, kde se odvodněný kal vysuší ze vstupní sušiny cca 25 % na sušinu min. 75 %. Jako zdroje tepla se prioritně využívá spalování syntetického plynu, který je produkovaný v procesu zplyňování kalu; jako dotační zdroj tepla je možné využívat hlavně v letních měsících přebytky tepla z kogeneračních jednotek, instalovaných na ČOV. Vysušený kal je dopravovaný přes chladič surového plynu do fluidního zplyňováku, kde ve fluidní vrstvě při vysoké teplotě cca 850–880 °C dochází ke zplyňování kalu. Výška odtahu pevných častíc z reaktoru je provedena stavitelným přepadem, který slouží jako odtah popela. Popel z fluidního reaktoru dosahuje kontinuálně ztráty žíháním < 1 %. V procese vznikající surový syntetický plyn je odtahován z horní části reaktoru a je veden do cyklónu, kde jsou ze surového plynu odděleny prachové částice. Následně je surový syntetický plyn ochlazen v rekuperačním výměníku na teplotu cca 550 °C. Surový syntetický plyn je v chladiči dále ochlazován a proudí shora dolů přes vstupující vysušený kal, který slouží jako filtr, ve kterém kondenzují a odloučí se organické látky – dehty. Ochlazený surový syntetický plyn je veden přes zpětně proplachované filtry do sušičky plynu, aby se zde zkondenzovala vlhkost z plynu. Vyprodukovaný syntetický plyn je prioritně spalován v kombi kotli pro přípravu média k sušení odvodněného kalu; přebytky plynu je možné přimíchávat do procesu tvorby bioplynu ve vyhnívacích nádržích.

Obr. 22 Technologie zplyňování kalů z ČOV (systém KOPF) [15]

Příkladem použití této jednotky je ČOV Mannheim, kde pro množství kalu 10 000 t/rok (92 % suš.) jsou navrženy 3 linky, postavena je jedna linka pro výkon 5 000 t/rok s termickým výkonem 3,5 MW.

Obr. 23 Technologie zplyňování kalů na ČOV Mannheim (systém KOPF) [15]

Velmi zajímavé jsou ekologické efekty tohoto návrhu. Díky zplyňování se ušetří produkce 15 000 CO₂ ročně. Při plném provozu by ČOV měla dosáhnout energetické soběstačnosti. Potlačování uhlíkové stopy je rovněž jedním z perspektivních cílů moderních ČOV [15].

3 ZÍSKÁVÁNÍ ENERGIE Z ODPADNÍCH VOD

Recyklace energie

V současné době existují v některých zemích (např. Švýcarsko, Německo, Norsko) již aplikace na recyklace energie. Podle německé směrnice DWA M 114 [9] může být v Německu cca 10 % budov vytápěno pomocí energie z odpadní vody [9].

Zařízení na recyklaci tepelné energie sestávají ze dvou částí: tepelný výměník a tepelné čerpadlo. Výměník se umísťuje přímo do kanalizace a získává energii (teplo) z ní. Obecně lze identifikovat tři místa na kanalizaci, kde lze recyklaci tepla provádět:

• recyklace tepla v přívodní kanalizaci před čistírnou. Výhodou je, že spotřebitelé tepelné energie budou blízko odběrovým místům. Nicméně snížení teploty odpadní vody může mít negativní vliv na účinnost čištění odpadních vod na čistírnách. Nevýhodou je rovněž výrazné kolísání v objemech přiváděné odpadní vody, čímž může být ovlivněna efektivita přenosu tepla. Umístění tepelných výměníků může rovněž komplikovat rutinní údržbu v kanalizacích (vysokotlaké čištění, inspekce, apod.), což vede k alternativnímu přístupu umísťování tepelných výměníků na obtocích, a ne v hlavním přívodním potrubí;
• recyklace tepla na odtoku z čistíren odpadních vod. Výhodou bezesporu je, že snížením teploty odpadní vody není dotčena účinnost čištění odpadních vod. Další výhodou rovněž je, že přítok vyčištěné odpadní vody je téměř konstantní. Nevýhodou je, že potenciální spotřebitelé tepla nejsou zpravidla v okolí odběrových míst;
• recyklace tepla uvnitř budov. Teplota odpadní vody je poměrně vysoká a výhodou je, že spotřebitelé tepla jsou zpravidla poblíž. Nevýhodou je malý a kolísavý přítok odpadní vody. Nicméně lze s úspěchem využít kombinaci tohoto přístupu s prvně jmenovaným a teplo odebírat na přívodní kanalizaci v městské zástavbě. V zahraničí jsou oblíbené systémy HVAC (z anglického Heat, Ventilation and Air-Conditioning system, tj. systém vytápění, ventilace a klimatizace), které využívají odpadní teplo z kanálů pro zahřívání budov v zimě a jejich chlazení v létě. Systém může být aplikován nejen v obytných nebo kancelářských budovách, ale i ve školách, nemocnicích nebo krytých bazénech.

Obr. 24 Lokalizace míst pro možnost odběru tepelné energie [16]

Nicméně je třeba podotknout, že smysluplná a účinná recyklace tepla nemůže být provedena ve všech případech. Podle Lorenze [5] musí být splněny následující předpoklady:

• minimální bezdeštný přítok 15 l/s (tj. aplikovatelné cca od 5 000 do 10 000 EO);
• tepelný potenciál v přitékající odpadní vodě (průměrná teplota v zimě by neměla poklesnout pod 10 °C);
• přítomnost spotřebitelů tepla poblíž odběrových míst;
• konkurenční zdroje energie, např. vytápění;
• neovlivnění funkce přívodní kanalizace a čistírny odpadních vod.

Poslední bod je velice důležitý, protože účelem kanalizačních systémů má být především ochrana životního prostředí. Výrazným snížením teploty vyčištěné odtékající vody z čistírny můžeme negativně ovlivnit ekosystémy v recipientu. Stejně bakterie odpovědné za biologické odstraňování nutrientů (zejména dusíku) jsou extrémně citlivé na nižší teploty, kdy se jejich aktivita zpomaluje a bezprostředně tím ohrožuje potřebnou účinnost odstranění dusíkatého znečištění. Z tohoto pohledu je nutné, aby aplikace tepelných výměníků vedla kromě energetických úspor i ke stejné efektivitě čištění odpadních vod.

Tento přístup už je v zahraničí široce implementován. V Německu podle DWA M 114 [9] nesmí při aplikaci tepelných výměníků v přívodní kanalizaci na čistírnu odpadních vod poklesnout teplota o 0,5 K, a zároveň nesmí teplota klesnout pod návrhovou teplotu pro design čistírny odpadních vod. Oproti tomu ve Švýcarsku [13] právní předpisy říkají, že jakákoliv aplikace tepelných výměníků do přívodní kanalizace bezprostředně ovlivňuje jak kanalizaci, tak procesy čištění odpadních vod, a proto musí být schválena místním vodohospodářským orgánem. Žádost k vodohospodářskému orgánu nemusí být podávána pouze v případě, pokud aplikací tepelných výměníků nedojde k poklesu teploty o více než 0,1 K.

Obr. 25 Primární okruh s výměníkem pro přenos tepla k tepelnému čerpadlu [16]

Získávání energie z biomasy

V současné době je přebytečný kal z čistíren odpadních vod považován za odpad, ačkoliv je velice slibným zdrojem energie (obr. 26). Kal obsahuje organické látky, dusík a fosfor, tudíž je zajímavý např. pro aplikaci v zemědělství. Chemická energie vázaná v přitékající organické hmotě je současnými technologickými uspořádáními čistíren postupně s větším či menším užitkem spotřebována. Na usazovacích nádržích zachytíme cca třetinu přitékající CHSK do primárního kalu, která lze následně využít na tvorbu bioplynu. Proto by mělo být z energetického hlediska v našem zájmu zachytit na usazovácích co možná nejvíce. Zatímco cca 10 % CHSK opouští čistírnu v odtoku, její hlavní část je pomocí heterotrofní respirace přeměněna na CO₂ a zbytek se využije na tvorbu biomasy přebytečného aktivovaného kalu.

Obr. 26 Schéma využití biomasy na čistírnách odpadních vod [16]

Z energetického hlediska lze využít např. palivový potenciál kalu po jeho vysušení, kdy může nahradit fosilní zdroje. Energetický potenciál kalu závisí na jeho složení a na množství vlhkosti v něm obsažené. Studie ukazují, že lze touto cestou uspořit 30–40 % spotřebované energie na čistírnách odpadních vod. Vysušený kal má energetický potenciál téměř 13 MJ, jak je vidět v tab. 6, kde je srovnání s dalšími potenciálními palivy.

Tab. 6 Srovnání palivového potenciálu aktivovaného kalu oproti dalším palivům

Nahrazení uhlí jako paliva vysušeným aktivovaným kalem má i vedlejší ekologický efekt produkce skleníkových plynů, protože spalováním kalu vznikne okolo 800 g CO₂ méně na jednu vyrobenou kWh energie; přitom účinnost získávání energie z kalu v elektrárnách je srovnatelná s uhlím (38–40 % podle používaného termodynamického cyklu) [6]. Z pohledu právních předpisů je v České republice potřebné pro podporu energetického využití čistírenských odpadů důležitá klasifikace jako možného zdroje energie. Bohužel praktická aplikace vyhlášky č. 482/2005 Sb. o stanovení druhů, způsobu využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy neumožňuje přímé či nepřímé využití kalů s čerpáním benefitů jako u jiných obnovitelných zdrojů energie, což je vzhledem k roční produkci čistírenských kalů v České republice o objemu 170 869 t sušiny v roce 2012 a průměrném energetickém potenciálu 12 MJ/kg ztráta energetického potenciálu ve výši 2 TJ [7].

Možnosti intenzifikace procesů

Jednou možností je intenzifikovat produkci bioplynu – to lze využitím biochemických stimulátorů nebo dezintegrací kalu. Druhá pak využitím zařízení s vyšší efektivitou přeměny tepelné energie na elektrickou – tzv. ORC generátory.

Dezintegrace kalu

V zásadě je možné rozlišovat čtyři druhy vody obsažené v kalu (obr. 27).

Jedná se o:

• meziprostorovou vodu – může být odstraněna gravitačním zahušťováním;
• kapilární vodu – může být odstraněna na filtrech, kalolisech nebo odstředivkách;
• adsorbovanou vodu a vnitřní vodu – může být odstraněna sušením.

Obr. 27 Rozložení vody ve struktuře kalu [17]

Pro zlepšení biologické rozložitelnosti kalu a zvýšení stupně odvodnění byla vyvinuta řada metod úpravy kalu, jejichž společnou charakteristikou je dezintegrace – rozbití vloček a částic kalu. Současně dochází také k rozrušení struktury buněk mikroorganismu aktivovaného kalu a uvolnění buněčného obsahu do roztoku.

Dezintegrace tedy slouží ke zmenšení velikosti původních částic kalu a zvýšení koncentrace rozpuštěných organických látek (CHSK) v kapalné fázi. Vzhledem ke zvětšenému povrchu částic dochází k větší přístupnosti při následném biologickém rozkladu, buněčný obsah – buněčný lyzát stimuluje další biologický rozklad působením uvolněných enzymů a růstových faktorů.

Dezintegrace se především zaměřuje na rozbití buněk mikroorganismů přebytečného aktivovaného kalu, kde je oproti primárnímu kalu obtížnější dosáhnout biologického rozkladu organického podílu. Při porušení buněčné stěny dochází k uvolnění obsahu buněk do roztoku, tj. k tvorbě buněčného lyzátu (uvolněný obsah buněk mikroorganismu následkem rozrušení buněčných stěn).

Princip intenzifikace procesu dezintegrací je založen na tom, že již přidání malého množství buněčného lyzátu značně urychlí anaerobní i aerobní biologický rozkladný proces. Buněčný lyzát působí stimulačně buď přímo (enzymy v něm obsažené přímo způsobují lýzy dalších mikrobiálních buněk), nebo nepřímo (je zdrojem růstových faktorů, které stimulují činnost přítomných mikroorganismů). To má za následek celkové urychlení probíhajících biodegradačních reakcí, což znamená zkrácení doby reakce. Mnohem větší množství organických látek je rozloženo za stejnou dobu, čímž se také sníží množství zbývajícího nerozloženého materiálu.

Jedním z hlavních přínosů dezintegrace je podstatně zvýšená produkce bioplynu, což činí celý proces energeticky výhodnějším, při současném snížení množství produkovaného kalu.

Technicky lze dezintegraci provést několika způsoby:

• mechanické metody – mezi tyto metody zahrnujeme dezintegraci a mletí tuhých látek přítomných v substrátu různými druhy mlýnů, vysokotlakým, homogenizátorem, ultrazvukem, lyzátovací centrifugou apod.;
• fyzikální metody – fyzikální dezintegrace je prováděna ultrazvukem;
• zmrazováním, rozmrazováním, termickou hydrolýzou, Cambi procesem, ionizujícím zařízení a plazmovými pulsy apod.;
• chemické metody – mezi tyto metody je zahrnuta hydrolýza minerálními kyselinami nebo alkáliemi;
• také lze provést destrukci složitých organických látek (např. proces KREPRO), ozonizace, oxidace H₂O₂/O₂, mokrá oxidace apod.;
• biologické metody – do biologických metod je zařazena enzymová nebo mikrobiální předúprava – ukazuje se jako slibný způsob do budoucna, zejména pro specifické substráty (celulóza, liknin).

Mechanická dezintegrace

Dezintegrace buněk mletím v kulovém mlýnu

Vysokorychlostní kulový mlýn je složen z válcové mělnící komory, která má vertikální nebo horizontální polohu. Komora obsahuje rotující disky uložené na hřídeli poháněné motorem (míchadlo) a je téměř úplně naplněna mělnícími korálky ze skla nebo umělé hmoty. Rotační pohyb míchadla uvádí do pohybu kuličky a upravovaný materiál. Vlivem vzájemných srážek kuliček a jejich nárazu na stěnu mlecí komory dochází k dezintegraci mikroorganismu střižnými a tlakovými silami. Při tomto procesu dochází k uvolnění velkého množství tepla. Při kontinuálním procesu dochází k zachycení kuliček sítem, zatímco suspenze proudí dále skrz mělnící komoru. Účinnost tohoto dezintegračního procesu závisí na množství vložené energie, hydrodynamice míchání, rozměru kuliček, geometrii mlecí komory, teplotě procesu, hustotě upravované suspenze a zatížení.

Dezintegrace v disperzních a koloidních mlýnech

Tato metoda je především využívána pro dezintegraci slabě vázaných aglomerátu a emulzí. Je založena na principu vysoké rychlosti střižných sil a způsobuje rozemletí upravovaného materiálu na jednotlivé částečky o velikosti 1 μm.

Vlivem vysoké disipace energie dochází ke značnému zvýšení teploty. Koloidní mlýny jsou sestaveny z rotoru a statoru, mezi nimiž je vzdálenost minimálně 25 μm. Rotor má tvar kužele s hladkým, nebo vroubkovaným povrchem a otáčí se přibližně rychlostí 3 600 ot./min.

Vysokotlaká homogenizace

Vysokotlaký homogenizátor sestává z vícestupňového čerpadla a homogenizačního ventilu. Čerpadlo nasává suspenzi do pístového válce, kde je následně stlačena na tlak několika stovek baru, při průtoku několika kubických metrů za hodinu. Následně suspenze prochází skrz štěrbinou, přičemž dochází ke snížení tlaku pod mez evaporace tekutiny, a rychlost tekutiny roste na 300 m/s. Když kavitační bubliny prasknou, gradient tlaku je zaveden do tekutiny a ten lokálně vyvolá teplotu stovek stupňů Celsia a tlakovou vlnu 500 x 105 Pa. Proces destrukce buněk při vysokém tlaku je skoro téměř nezávislý na koncentraci biomasy.

Kavitace

Jedná se o velmi účinnou metodu dezintegrace buněk za současného zachování vlastností zpracované hmoty. Dezintegrace je dosaženo protlačováním zmrzlé buněčné pasty přes malou štěrbinu. Proces je veden za velmi vysokého tlaku (550 MPa) a nízké teploty (-27 °C až -25 °C). Po průchodu dýzou a uvolnění tlaku dochází v důsledku velkého tlakového rozdílu k roztržení buněk. Tuto metodu rozrušování buněk střižnými silami lze aplikovat na široký okruh biologických materiálů, včetně buněk s pevnou buněčnou stěnou.

Vysokovýkonná pulsní metoda

Vysokovýkonná pulzní metoda je elektrohydraulická metoda. Kal je upravován vysokým napětím (až 10 kV). Při tomto napětí dojde k výboji mezi dvěma elektrodami s periodou pulsu 10 ms. To vyvolává šokové vlny v kalu, které zapříčiní destrukci buněčných stěn. Následuje okamžité uvolnění organických látek.

Dezintegrace biomasy mixováním

Dochází k mechanické destrukci buněčných stěn. Rozsah dezintegrace roste s rostoucími otáčkami a časem a dále závisí na koncentraci nerozpuštěných látek v kalu. Dezintegrace biomasy se provádí zařízeními pracujícími na principu nožů. Proud kalu prochází přes přepážku se třemi až čtyřmi rotujícími noži. Na dezintegraci samotnými noži se tudíž podílí i střižné síly. Mechanický dezintegrační stupeň je zařazen před anaerobní reaktor. Zlepšení anaerobní rozložitelnosti přibližně o 25 %.

Dezintegrace v zahušťovací odstředivce s integrovaným zařízením pro destrukci buněk.

Při centrifugaci kalů obsahujících buňky mikroorganismu (přebytečný aktivovaný kal, anaerobně stabilizovaný kal) dochází k dezintegraci určitého malého množství buněk, jejichž obsah se dostává do kapalné fáze. Posílení a využití tohoto procesu je principem lyzátovací centrifugy.

Vhodnou konstrukční úpravou centrifugy lze využít nadbytek kinetické energie centrifugy k většímu rozbití buněk mikroorganismu, obsažených v centrifugovaném kalu. Centrifuga je sestavena z dezintegračního (lyzovacího) zařízení, umístěného do proudu vstupujícího zahuštěného aktivovaného kalu. Tím lze dosáhnout destrukci podstatně většího množství buněk a vytvořit potřebné množství lyzátu a to vše bez zvýšení elektrického příkonu centrifugy. Výhodou toho, že lyzace probíhá v centrifuze v oblasti zahuštěného kalu je, že nedochází k ovlivnění jakosti centrátu. Množství rozbitých buněk závisí na parametrech centrifugy (počet otáček, průměr bubnu apod.), na druhu rozrušovacího zařízení a na druhu a kvalitě biomasy (zpracovávaného aktivovaného kalu). Kal zahuštěný lyzátovací centrifugou je dále podroben anaerobní stabilizaci. Princip lyzátovací odstředivky je patrný z obr. 28.

Obr. 28 Schéma principu funkce lyzátovací odstředivky (LYSATEC)

Fyzikální metody

Ultrazvukové a radiační metody

V současnosti se jedná se o jednu z nejvíce perspektivních metod pro redukování produkce kalu. Kal je podroben ultrazvukovým vlnám za účelem zvýšení schopnosti biologického rozpadu před anaerobním vyhníváním nebo recyklací v provzdušňovací nádrži. Působení ultrazvuku na fyzikálně-chemické vlastnosti kalu způsobuje uvolnění organických komponent: COD, proteinu, nukleových kyselin, polysacharidu, zmenšuje velikost vločky a zvyšuje biologický rozpad.

Těžké kovy obsažené v odpadních vodách jsou pro svou vysokou toxicitu značně znepokojujícím faktorem i vzhledem k minerálním látkám, obsaženým v odpadních vodách. ČOV jsou odpovědny za zproštění životního prostředí od těžkých kovů. Nicméně navržená kritéria pro biologické čištění odpadních vod jsou hlavně zaměřena na odstranění organických částic organismy aktivovaných kalů. Odstranění těžkých kovů v těchto systémech bylo (a je) považováno za postranní přínos. Během ultrazvukové vibrace a dodatečnému biodegradačnímu kroku dochází k ovlivnění především organických částic a konečné množství odpadního aktivovaného kalu klesá. Minerální anebo nebiodegradační komponenty jako těžké kovy nejsou ovlivněny a mohou se akumulovat v kalu nebo být uvolněny v kapalné fázi.

Působení ultrazvukových vln na kapalinu způsobuje periodické stlačování a uvolňování média. Nad určitým prahem intenzity dochází ke kavitaci, přičemž se tvoří bubliny plynu, které se nejprve zvětšují a pak prudce, během několika mikrosekund, prasknou. Prasknutí vytváří velmi silné hydromechanické střižné síly v médiu obklopujícím bublinu. Pokud působíme ultrazvukem pouze po krátkou dobu, dochází jedině k deaglomeraci vloček kalu, bez destrukce buněčných stěn. Delší působení hydrodynamické střižné síly produkované ultrazvukovou kavitací poruší buněčné membrány a jiné buněčné struktury a rozpuštěné organické látky jsou uvolněny do roztoku. Mechanické síly jsou nejefektivnější při frekvencích 20–100 kHz. Teplota a tlak uvnitř praskajících bublin může vzrůst až na 5 000 K a na několik stovek atmosfér. Tyto extrémní podmínky mohou vyvolat termickou destrukci látek obsažených uvnitř těchto bublin a vznik velmi reaktivních hydroxylových radikálů.

Termická dezintegrace

Termickou úpravou čistírenských kalů dochází k hydrolýze tuhých buněčných komponent. Vysoká teplota naruší buňky a způsobí hydrolýzu proteinu, uhlovodíku, tuku a dalších makromolekul vylučovaných z buňky. Působením termické úpravy se však mohou rozpouštět, popř. mohou vznikat sloučeniny, které nejsou biologicky rozložitelné. Termická předúprava rozbije stěny a zpřístupní proteiny biologickému rozkladu. Čím vyšší množství kalu, které je předstabilizováno aerobně, tím více proteinu je v kalu a tím vyšší je produkce plynu po termické předúpravě.

• Metoda rychlé termické kondicionace biomasy

Materiál určený k tepelné úpravě (přebytečný aktivovaný kal, surový kal a anaerobně stabilizovaný kal) se v termickém reaktoru podrobí krátkému ohřevu (řádově několik jednotek až desítek sekund) při teplotě 100–200 °C a tlaku 0,1–1,3 MPa. Vlivem destrukce buněk organismu a vylití buněčného obsahu do roztoku dojde k náhlému uvolnění tlaku a poklesu teploty. Vzhledem ke krátké době působení vysoké teploty nedochází k úplné inaktivaci enzymu a stimulačních faktorů, přestože stupeň dezintegrace buněk je vysoký. Technologicky lze proces stimulace anaerobního rozkladu kalu uspořádat tak, že anaerobní reaktor I. stupně je ohříván teplem z rychlé termické předúpravy. Teplo vnesené do reaktoru s upraveným kalem při správně zvoleném dávkovacím poměru postačí na ohřev systému.

• Zmrazování biomasy

K nevratným změnám ve struktuře vloček dochází opakovaným zmrazováním a rozmrazováním buněčné hmoty. Během vytváření krystalků ledu a následného tání v buňce dochází k roztrhnutí buněčných obalů. Tím postupně mohou vznikat větší a větší krystaly, které způsobují i větší destrukci buněk. Do roztoku se uvolňuje vázaná voda, vločky jsou kompaktnější, čímž se výrazně zlepšují odvodňovací vlastnosti kalu.

Chemické metody

Rozklad kyselinami a louhy

K destrukci některých buněk se používají minerální kyseliny a zásady v různých koncentracích, kdy se kombinuje efekt chemických reakcí s osmotickým šokem. Hydrolýzu lze realizovat v podstatě v celém rozsahu pH. V kyselém prostředí kyseliny chlorovodíkové při pH 6 proběhne hydrolýza během 6 až 12 hodin. V zásadité oblasti pH 11,5–12,5 dochází k hydrolýze během 20 až 30 minut. Úprava buněk alkáliemi je razantní metoda, kdy při vysokých hodnotách pH média buňky ztrácejí životaschopnost a nemohou udržovat vnitřní napětí. To vede k prasknutí buňky a uvolnění buněčného materiálu do roztoku, čímž v roztoku vzrůstá koncentrace proteinu. Když se pH v kalu zvýší, povrch buněk se nabije negativně. Vzniká elektrostatický odpor, který způsobuje desorpci některých částí extracelulárních polymerů. Alkálie reagují s buněčnými stěnami několika způsoby; jedním z nich je saponifikace lipidu buněčné stěny, která vede k rozpuštění membrány. Vysoké koncentrace alkálií vyvolávají mnoho degradací, včetně denaturace bílkovin. Metoda směřuje jak k rozrušení buněčné stěny, tak k rozbití uvolněných produktů.

Rozpouštědla

Destrukčně na buněčné stěny mikroorganismů působí také organická rozpouštědla jako butanol a horký toluen. Toluen přidaný do biomasy se absorbuje do lipidu buněčných stěn. Dochází k nabobtnání a následnému prasknutí buňky. Účinnost procesu je závislá na teplotě a koncentraci rozpouštědla. Metoda je široce aplikovatelná, nevyžaduje konstrukci specializovaných zařízení a nezanáší zpracovávanou suspenzi cizími ionty. Použitá činidla jsou navíc poměrně levná.

Ozonace

Ozonace kalu je jednou z nejefektivnějších metod k dezintegraci kalu. Je dobře zdokumentováno, že množství kalu na výstupu muže být značně sníženo pomocí parciální ozonace přebytečného aktivovaného kalu. Ozonace také zlepšuje usazovací vlastnosti kalu a redukuje bobtnání a pěnění. Ozón je silný oxidant a působí na široké spektrum organických a neorganických chemických sloučenin. Dále silně působí na stěny buněk a může zabít mikroorganismy obsažené v aktivovaném kalu a dále oxidovat organické látky uvolněné z buněk. Proces ozonace kalu je obecně popsán jako postupná dekompoziční reakce dezintegrace vločky, rozpouštění, a následná oxidace uvolněných organických částic na oxid uhličitý (mineralizace). Jednoduše se předpokládá, že jeden kyslíkový atom z O₃ reaguje s oxidantem. To znamená, že 48 g ozonu může stechiometricky rozložit 16 g COD (Chemical Oxidation Demand) (mineralizace). Nicméně zjištěná mineralizace je obvykle nižší než tato hodnota. Při ozonaci také dochází ke snížení počtu patogenních organismů. Ozón se při anaerobní stabilizaci kalu používá buď k předúpravě přebytečného aktivovaného kalu před jeho vstupem do anaerobního reaktoru, nebo se ozonaci podrobí část anaerobně stabilizovaného kalu, který se po ozonizaci vrací zpět do anaerobního reaktoru.

Biologické metody

Enzymatická lyze a autolýza

Při předúpravě kalu pomocí enzymu dochází k porušení vazeb v buněčných stěnách. Enzymově katalyzovaná reakce rozštěpí sloučeniny buněčné stěny, dokonce grampozitivní bakterie s pevnou a odolnou buněčnou stěnou mohou být dezintegrovány pomocí enzymu. Autolýza probíhá při běžné teplotě prostředí. Protože jsou enzymy obsaženy ve vnitrobuněčném obsahu, je výhodné enzymatickou lyzi kombinovat s mechanickou dezintegrací. Enzymy po uvolnění mechanickou dezintegrací způsobují další dezintegraci buněk. Jako nejúspěšnější pro úpravu primárního kalu se zdá využití enzymu s vysokým obsahem lignocelulózních materiálů. Aplikace enzymu do přebytečného aktivovaného kalu může vést k rychlé degradaci enzymů samotných, dříve než dojde k enzymatické hydrolýze.

Porovnání způsobu dezintegrace

Za nejvýhodnější metodu pro přípravu lyzátu lze považovat tu, která vykazuje nejvyšší účinnost destrukce a dává nejaktivnější lyzát. Nejlepší výsledky z hlediska aktivity lyzátu vykazují metody mechanické destrukce, opakované zmrazování a rozmrazování biomasy a ultrazvuková a hydrodynamická kavitace. Účinnost destrukce je v případě lyzátovací centrifugy relativně malá. Při použití chemických metod se zvyšuje polopropustnost buňky a podněcuje částečné uvolnění proteinu.

Společným rysem převážné většiny zmíněných metod předúpravy a dezintegrace kalu je jejich vysoká náročnost na zařízení, vysoké náklady na pořízení a jejich dosavadní malá aplikovatelnost. Tab. 7 uvádí přehled dosud provozně zkoušených metod dezintegrace a jejich účinek na proces anaerobní stabilizace kalu.

Tab. 7 Zvýšení účinnosti anaerobní stabilizace kalů dezintegrací [17]

*účinnost lyzace závisí na vložené energii

Termická dezintegrace

Dosavadní zkušenosti s aplikací termických metod úpravy kalu přinášely ne zcela uspokojivé výsledky vzhledem k tomu, že docházelo k inaktivaci biologicky aktivních látek uvolněných rozbitím buněk a některé produkty probíhajících reakcí stimulovaných vysokou teplotou byly obtížně rozložitelné. Uvedené nevýhody dosud používaných termických úprav kalů potlačuje technologie rychlé termické kondicionace. Materiál určený k tepelné úpravě, což způsobí nastartování hydrolýzy bioplolymerů (přebytečný aktivovaný kal, surový kal, anaerobně stabilizovaný kal), se v termickém reaktoru podrobí krátkodobému působení vysoké teploty (100–200 °C) a tlaku (0,1–1,3 MPa). Poté dojde k náhlému uvolnění tlaku a poklesu teploty, což způsobí destrukci buněk mikroorganismů a uvolnění buněčného obsahu do roztoku. Díky krátké době působení vysoké teploty nedochází k úplné inaktivaci enzymů a stimulačních faktorů, přestože stupeň dezintegrace buněk je vysoký. Technologicky může být proces stimulace anaerobního rozkladu kalů uspořádán tak, že anaerobní reaktor je plně ohříván teplem z rychlé termické předúpravy (dezintegrace a hydrolýzy) bez klasického výměníku tepla. Proces je kontrolován množstvím kalu, který vstupuje do rychlé termické předúpravy. Výsledky provozních testů potvrdily, že při vhodném podílu lyzovaného kalu dochází ke zmenšení organického podílu kalu, aniž by se snížila specifická biologická aktivita biomasy přítomné v anaerobním reaktoru.

Navíc však dochází k výraznému zvýšení rozložitelnosti organické frakce kalu a tomu odpovídá i příslušné zvýšení produkce bioplynu o 10–30 % v závislosti množství lyzátu a kvalitě surového kalu. Pozitivní je rovněž lepší stupeň hygienizace kalu.

Obr. 29 Vzorová linka zpracování kalů s biologickou a termickou hydrolýzou [16]

Přínosy

Lyzací fermentační směsi v objemu cca 10 % přidávaného surového kalu dochází prokazatelně ke snížení organických látek v stabilizovaném kalu. Při porovnání fermentoru provozovaného s přídavkem lyzátu dochází v porovnání s referenční jednotkou, resp. se stavem před uvedením lyzátovacího zařízení do provozu, k úbytku objemu kalů cca o 10 %.

Přídavek lyzátu prokazatelně zvyšuje produkci bioplynu. Dochází k nárůstu produkce bioplynu vlivem produkce buněčného lyzátu o 15–20 %. Přídavkem zlyzované kalové směsi lze při stávajících parametrech procesu pokrýt potřebu tepla při době provozu RTR cca 5–6 hodin denně bez větších teplotních výkyvů.

Využití ORC generátorů

Tato zařízení se používají jako doplňková ke klasickým generátorům a umožňují využít k přeměně tepelné energie na elektrickou i tepla s nižší teplotou – nejlepší zařízení pracují s teplou již od 65 °C. Funkce ORC je zobrazena na obr. 29.

Obr. 30 Schéma funkce ORC [16]

Popis a využití na ČOV

V klasických tepelných elektrárnách je energie tepelná transformována na mechanickou v tepelném oběhu, který nazýváme Rankin – Clausiův cyklus. Elektrárenský kondenzační cyklus, ve své podstatě složený ze základních termodynamických změn, používá jako pracovní látku vodu, resp. vodní páru. Voda na mezi sytosti, která je přivedena napájecím čerpadlem do parního generátoru (kotle), se v něm ohřívá, odpařuje (mění skupenství) a v parním přehříváku dosahuje parametrů tzv. admisní páry (tlak cca 14,5 MPa, teplota cca 530 °C), která je přivedena do parní turbíny. V parní turbíně pára expanduje (přehřátá pára přechází do oblasti syté páry) a následně mění své skupenství v kondenzátoru, odkud je v kapalném stavu kondenzačním čerpadlem dopravována přes zásobní nádrž a případné doplnění zpět do parního generátoru. Termická účinnost takovéhoto cyklu (poměr tepla přeměněného na mechanickou práci ku teplu přivedenému do oběhu) se u nejmodernějších elektráren pohybuje na úrovni cca 38 %. Ke zvyšování termické účinnosti se zpravidla používá regenerace, tj. ohřev napájecí vody v regeneračních ohřívácích mimo vlastní kotel, nebo přehřívání páry (omezeno používanými materiály, maximální admisní tlak 15 MPa). Standardní Organický Rankinův cyklus (ORC) je v podstatě elektrárenský kondenzační cyklus, který používá namísto vody, resp. vodní páry jako pracovní látku v primárním okruhu směs organických sloučenin (silikonový olej), které jsou svými termodynamickými vlastnostmi vhodné k použití v tepelném oběhu. Výhodou oleje je, že při dané teplotě (např. 300 °C) se udrží v kapalném stavu při značně nižším tlaku než voda. Ve výparníku předává olej teplo do sekundárního okruhu, kde se pracovní organická látka vypařuje, dosahuje většího tlaku než má olej a organické páry jsou vedeny do parní turbíny, kde expandují. Pára je za turbínou vedena do kondenzátoru, kde kondenzuje po odebrání výparného tepla chladicí vodou, která pak dodává teplo do budov, připojených na tuto tepelnou síť. Organické látky použité jako náhrada vody v sekundárním tepelném oběhu musí samozřejmě splňovat přísné předpisy a normy ve vztahu k životnímu prostředí. V současné době se ORC systémy dodávají většinou jako standardizované moduly o elektrických výkonech řádově od stovek kWe do několika MWe, a to v aplikacích pro kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla z biomasy, pro zdroje s geotermální energií, ve spojení se solární technologií a při využití odpadního tepla. Typické využití ORC se nabízí ve spojení s kotelnami na biomasu, kde je primární energie v palivu využita jednak na výrobu tepla, ale i elektrické energie. V takovém případě je celková účinnost kogenerace cca 85 %. Jen pro porovnání: v klasické tepelné elektrárně, kde je teplo z kondenzace odvedeno do okolí, se dosahuje celkové účinnosti cca 30 % (je zcela zřejmé, že s potenciálem biomasy nelze tepelné elektrárny nahradit, ale z uvedeného srovnání je téměř povinností státní energetické politiky, aby byla kogenerace z biomasy preferována zřetelněji než doposud). Parní generátor je zde nahrazen olejovým kotlem a výparníkem. Olej ohřátý v tomto kotli je využíván jako teplonosná látka, jež přes výparník předává své teplo pracovní látce uzavřeného sekundárního okruhu ORC. Vzniklá sytá pára organických sloučenin je vedena na axiální turbínu, která je přímo spojena s generátorem elektrické energie. Teplo z kondenzátoru, ve kterém náplň ORC okruhu mění své skupenství zpět do kapalné fáze, je vedeno k dalšímu využití. Při vhodném navržení tepelného oběhu lze toto teplo využít např. v systému CZT, případně k jiným účelům. Nabízí se využití u dřevozpracujících provozů k sušení řeziva, kde je kotelna přímo u zdroje paliva.

Popsaný klasický ORC systém již však byl podstatně zdokonalen a zjednodušen. Pracovní látka už není silikonový olej a nejsou v tomto systému potřebné vysoké teploty až 300 °C.

Princip systému

Zařízení pomocí tepla z kogeneračního procesu vyrábí z biomasy nebo aktivního kalu na ČOV bioplyn, který je spalován v kogenerační jednotce při současné výrobě elektrické energie a tepla. Horké plyny nebo teplo z chlazení motoru předávají ve výměnících teplo do vody topného oběhu. Okruh topné vody (o teplotě již od 88 °C) tvoří zdroj energie pro výrobu elektrického proudu v zařízení ORC.

Proces ORC

V tzv. ORC-procesu (Organický Rankinův Cyklus) – parním procesu s organickým médiem – je transformována tepelná energie na energii elektrickou. Pracovní médium vykazuje vhodné termodynamické vlastnosti pro malá, necentrální zařízení. Také při nízkých teplotách lze dosáhnout vysokých účinností. ORC zařízení pracuje v principu jako konvenční parní elektrárna. Namísto vody je využívána pracovní tekutina v uzavřeném systému, kdy dochází k odpařování ve výměníku (výparník) a pohonu expanderu s generátorem. Tekutina je v dalším výměníku (kondenzátor) ochlazována až ke kondenzaci a čerpadlem čerpána zpět do výměníku. Přitom odvedené teplo lze využít pro technologické účely, např. vytápění budov, skleníků, bazénů, sušení dřeva, kalů a pro potřeby dalších technologických procesů.

Cenové srovnání

Investice do klasického parního RC systému s parní turbínou (teploty 300–530 °C) přestavují minimálně řádově vyšší investice, než ORC systém, kterému stačí teplá voda 88–116 °C.

Provozní výhody ORC oproti parní turbíně:

• systém je schopen využívat energii s relativně nízkou teplotou;
• vysoká účinnost expanderu, i při částečném zatížení;
• možnost jakékoli regulace výkonu soustrojí v celém výkonovém rozsahu;
• celý cyklus pracuje s teplotou do max. 116 °C a tlakem do 10 barů;
• nízký tlak a teplota oproti páře = vyšší životnost zařízení;
• absence dalších součástí parního systému;
• nízké provozní tlaky, proces ORC je uzavřený a plně automatický;
• minimální náklady na údržbu;
• nenáročnost na obsluhu zařízení, on-line monitoring stavu – bezobslužný provoz;
• minimální nároky na stavbu a požadovaný prostor;
• odpadá jakákoli chemická úprava jednotlivých médií;
• vysoká pracovní spolehlivost při nízkých provozních nákladech.

Obr. 31 Zařízení ORC [16]

Využití odpadů v kalovém hospodářství pro výrobu bioplynu [10]

Přidávání externích substrátů do vyhnívacích nádrží se plánuje a již i realizuje na několika ČOV v rámci Evropy. Tato aktivita logicky vyplývá z toho, že na většině městských čistíren je nainstalována mezofilní anaerobní stabilizace s předimenzovanými vyhnívacími nádržemi. Jisté komplikace v České republice působí zatím přísné hygienické požadavky na přidávaný substrát, což ekonomicky použití např. zbytků jídla podstatně prodražuje.

Dalším aspektem, který zvyšuje kapacitu vyhnívacích nádrží, je lepší mechanické zahuštění kalu, čímž se výrazně redukuje jeho množství a proto se ve vyhnívacích nádržích pracujících na principu chemostatu zvyšuje jeho zdržení. Pro mezifolní anaerobní stabilizaci stačí doby zdržení ve vyhnívacích nádržích do 18 dnů. Těmto dobám pak odpovídá zatížení do cca 3 kg/m³·den (kg CS-SŽ surového kalu), přičemž na většině ČOV jsou doby zdržení kalu vysoko nad 18 dní. Jednou z možností, jak využít volnou kapacitu vyhnívacích nádrží, je svoz zakoncentrovaných organických substrátů na ČOV (buď cíleně produkovaných, nebo získávaných jako odpady – přehled včetně parametrů viz [12]. Bioplyn se dá vyrobit při optimálním provozu a při optimálním zatížení v podstatě z jakéhokoliv biologicky rozložitelného substrátu. Atraktivnost tohoto způsobu zpracování organických substrátů je spojena zejména s tím, že k dispozici pak máme kogenerační jednotky, v kterých se pak přemění bioplyn na teplo a energii. Výhodou je i přímé napojení kalové vody z procesu zahuštění a odvodnění kalu na ČOV, kde je pak s výhodou možné zbytkové znečištění vyčistit. Anaerobní zpracování organických substrátů na ČOV má stejně jako každý jiný technologický proces nejen výhody, ale i nevýhody a rizika:

• zvýší se produkce tepla a elektrické energie;
• část získaného tepla se ale spotřebuje na ohřev dovezených substrátů;
• zvýší se množství odvodňovaného kalu (vyšší náklady na flokulant a odvoz kalu);
• zvýší se CHSK kalové vody (riziko zvýšení CHSK vyčištěné městské odpadní vody a tedy i vyšších poplatků);
• ve většině případů se zvýší i N_celk a P_celk v kalové vodě a následně i městské odpadní vodě (riziko vyšších poplatků, nutnost dávkování substrátu, nutnost zvýšeného srážení fosforu, zvýšení spotřeby kyslíku na nitrifikaci);
• zvýší se nároky na obsluhu ČOV (např. pokud je dovoz substrátu nerovnoměrný, nebo pokud se substráty střídají a aerobní biomasa není schopna se tak rychle přizpůsobit změně v zatížení).

Nejčastějšími negativy je pokles pH, hromadění nižších mastných kyselin, zpomalení metanogeneze, pěnění a zhoršení odvodňovacích vlastností kalu. Proto je nutné, aby se před dovozem organických substrátů buď zrealizoval laboratorní, nebo poloprovozní průzkum, nebo aby byla k dispozici důkladná rešerše existujících poznatků a kvantifikovaly se všechny uvedené výhody a nevýhody. V žádném případě nelze doporučit postup „dovezeme – uvidíme“. Zejména na ČOV s omezenou kapacitou vyhnívacích nádrží a s požadovanou kvalitou vyčištěné vody na úrovni N_celk = 10 mg/l a P_celk = 1 mg/l je takový postup spojen s velkým rizikem. Riziko problému by mohlo vzniknout i dodatečným posouzením účelu a využití ČOV, pokud byla postavena z evropských fondů.

4 DALŠÍ ZDROJE ENERGIE NA ČOV

Spotřeba energie v celosvětovém měřítku stoupá, zejména v rozvíjejících se ekonomikách typu Indie nebo Čína, nebo v zemích třetího světa. Proto se dostává do popředí zájmu efektivní a ekonomické využití energie. Všech 27 zemí Evropské unie se zavázalo do roku 2020 vyrábět 20 % energie z obnovitelných zdrojů a zvýšit účinnost využívání energie o 20 %. Mezi obnovitelnými zdroji energie se nejzajímavější jeví využití větrné a solární energie a energie biomasy. Při práci s vodou se nabízí i využití polohové a kinetické energie.

Vnitrozemské větrné elektrárny vyrábějí elektřinu za relativně nízkou cenu a jsou již značně rozšířeny v oblastech s vysokým větrným potenciálem. Pobřežní větrné parky se stávají v současné době velice populární, ale tato problematika se přirozeně České republiky netýká.

Biomasa je nejrozmanitější obnovitelný zdroj, protože může poskytovat elektřinu, může být využita jako palivo anebo může vyrábět teplo. Biomasa je na čistírnách produkována neustále, a proto může být pokládána za spolehlivý zdroj elektřiny a tepla. O biomase bylo šířeji pojednáváno v předchozí kapitole.

Získávání energie z polohové energie

Odpadní voda má mimo tepelné energie nezanedbatelnou kinetickou energii a energii polohovou. Výzkumy ukazují, že v Německu je tak teoreticky ještě další energetický potenciál ve výši 2 500 a 17 000 MWh/rok. Energie tekoucí vody patří mezi využitelné energie. Hydrodynamická energie je převáděna na energii elektrickou ve vodní elektrárně – generátoru. Teoreticky je vodní energie závislá na kinetické energii, tj. objemu vody Q [m³ /s] a využitelné výšce H [m], dále se na stanovení výkonu podílí účinnost η.

Pro návrh zařízení na využití energie z odpadních vod je třeba získat podklady o množství a průběhu vypouštění. Při návrhu ostrovních systémů je snaha, aby byl proud vyráběn nepřetržitě a aby spotřeba přídavné elektrické energie byla co nejnižší. U ostrovních systémů se dá využívat energie asi 250 dnů, v případě paralelního provozování pak asi 50 dnů.

Zařízení na využití vodní energie

Potenciální energie vznikající gravitační silou padající nebo proudící odpadní vody může vyrábět energii pomocí turbín. Množství vyrobené energie závisí jak na objemu vody, tak na příp. rozdílu nadmořských výšek. Ačkoliv tento způsob výroby energie je velice spolehlivý a ekologický (neprodukuje žádné skleníkové plyny), tak jeho aplikace je velice omezená, protože potřebný průtok je na čistírnách pouze řádově ve stovkách tisíc ekvivalentních obyvatel a větších a zároveň v České republice je minimum čistíren, kde by šlo využít energie padající odpadní vody, ať už špinavé nebo vyčištěné. Aplikace na využití potenciální energie se soustřeďují výhradně na místech odtoku vyčištěné odpadní vody z čistírny. Podle DWA M 114 [9] jsou doporučené metody výroby potenciální energie turbíny, hydrodynamická zařízení (např. Archimédův šroub) a vodní lopatková kola.

Turbína

Voda na turbínu je přiváděna tlakovým potrubím, podle výšky a množství vod se použije vhodná turbína, Kaplanova, Francisova nebo Peltonova. Společné pro všechny turbíny jsou vysoké otáčky a malý moment. Turbíny se používají pro výkony 10 kW až několik MW. Při nízké výšce a malém množství jsou však nerentabilní.

Průtokové turbíny

Princip průtokové vodní turbíny

Průtoková turbína je radiální, mírně přetlaková turbína, s tangenciálním ostřikem lopatek oběžného kola, s horizontální hřídelí. Podle specifických otáček patří k pomaloběžným turbínám. Proud vody usměrňuje rozváděcí ústrojí tak, že vstupuje lopatkovým věncem do vnitřního prostoru oběžného kola, pokračuje dále druhým průtokem lopatkovým věncem z vnitřku kola ven, do prostoru skříně turbíny. Ze skříně turbíny voda odtéká buď volně, nebo savkou do vývaru pod turbínou.

Obr. 32 a) Horizontální nátok b) Vertikální nátok

Průtokové turbíny tímto způsobem velmi efektivně, s účinností přes 80 %, využívají i velmi kolísavé průtoky řek. Účinnost průtokových turbín u malých spádů a výkonů v celé oblasti průtoku dosahuje 84 %. Pro střední a větší turbíny je na vyšších spádech pak až 87 %.

Oblast použití turbíny

Obr. 33 Konstrukce dvoukomorové průtokové turbíny

Provozní vlastnosti

U průtokových turbín naší konstrukce nedochází ke kavitaci, tudíž odpadá nutnost umístění oběžného kola pod hladinou spodní vody a s tímt spojené nákladné stavby a provozní nevýhody. Pro spády do 90 m je při výrobě použita normální, konstrukční ocel. Pro spády 90–120 m je již oběžné kolo dodáváno z pevnostní nerezové oceli. U spádů nad 120 m je nerezová celá turbína, včetně skříně a potrubních dílů. Průběžné otáčky průtokových turbín činí většinou 2,3-násobek jmenovitých otáček. To umožňuje použití sériově vyráběných generátorů.

Ekonomická výhodnost průtokových turbín

Rostoucí kladný vztah lidí k životnímu prostředí usiluje o ideální využívání přírodní síly bez zatížení životního prostředí, např. výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů. Použití vodních elektráren je však omezeno podstatným faktorem: vysokými investiční náklady, spojenými s navrhováním a plánováním, s dimenzováním, konstrukcí, jakož i provedením strojního vybavení stavby.

Konstruktéři turbín, se proto pokoušeli o redukci celkových nákladů normalizováním vodních turbín. Tato cesta je možná pro velké turbíny, ovšem pro malé vodní turbíny vede k problémům při dimenzování, vztahujícímu se k návrhovému spádu a rozsahu kolísání ročního průtoku vody.

Obr. 34 Oblasti použití jednotlivých typů turbín

Průtokové turbíny vynikají dlouholetou, bezúdržbovou životností. V průběhu provozu nepotřebují žádné drahé a složité náhradní díly, jejich případná oprava je většinou možná přímo v místě instalace. Specifickou výhodou průtokových turbín je možnost jejich využití v gravitačních systémech pitné vody, a to i na velice dlouhých trubních přivaděčích, kde při provozu nezpůsobují nežádoucí hydraulické rázy a neohrožují tak kvalitu pitné vody.

Vodní šrouby

Vodní šroub umožňuje využití energie v oblastech malých výkonů. Jedná se o obrácený Archimedův šroub. Pomalé otáčení je přenášeno pomocí převodovky na generátor. Instalace vyžaduje poměrně velkou přesnost stavebních prací.

Vodní kolo

Vodní kolo patří k tradičním technologiím – už v roce 1200 před naším letopočtem bylo využito na zavlažování polí. Později jako pohon mlýnů a pil. Také u kola je přenášen točivý pohyb na generátor. Kola se využívají k výrobě energie jen asi do výkonu 30 kW.

Potenciál v kanalizaci

Na zakázku ministerstva ŽP a dalších ministerstev byl proveden na RWTH průzkum. V kanalizaci jsou např. spadiště, kde je energie nevyužita, prostě je tam spád využitelný pro výrobu energie. Čistě teoreticky studie pro Severní Porýní a Vestfálsko ukázala, že je tam využitelný potenciál ve výši 400 až 3 000 MWh/rok. Na ČOV ve Warendorfu je od poloviny devadesátých let provozováno tzv. Turasovo vodní kolo (obr. 35).

Obr. 35 Vodní kolo na ČOV Warendorf [9]

Průměr kola je 4,83 m a šířka 1,5 m. Kolo je osazeno 40 lopatkami. Maximální hltnost je 1 440 m³ /hod. Vypočtený výkon při účinnosti 50 % je 13,6 kW. K výrobě energie je použit asynchronní generátor (400 V). Převod 1:120 je proveden planetovou převodovkou. Skutečná účinnost je asi 70 % a je dosažena až při dosažení 70 % hltnosti (obr. 36).

Obr. 36 Účinnost vodního kola ve Warendorfu [9]

Při ročním průtoku kolem 4 až 5 miliónů m³ /rok byla výroba energie mezi 30 000 až 40 000 kWh/rok.

Větrná a solární energie na ČOV

Vedle energie, kterou je možné získat přímo z procesů souvisejících s provozem čistírny, je také možné využít pozemku čistírny k instalaci zařízení, která dokáží vyrobit energii z přírodních (obnovitelných zdrojů). Obecný rámec podpory výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů je určen evropskou směrnicí č. 2009/28/ES o podpoře využívání energie z obnovitelných zdrojů, v České republice č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií a specificky zákonem č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Dřívější dotační politika v České republice jednoznačně zvýhodňovala výstavbu solárních elektráren, což vedlo jednotlivé společnosti a státní orgány zodpovědné za správu a regulaci distribuční sítě k poměrně razantnímu omezení dalšího připojování do distribuční sítě, s výjimkou 100 % ostrovního provozu jednotlivých instalací [11].

Větrná energie

Větrné elektrárny užívají pro výrobu elektřiny čistý přírodní zdroj, jenž nevyžaduje další úpravy, neprodukují odpad a skleníkové plyny. Po jejich instalaci lze i nadále využívat okolní půdu (např. pro zemědělské účely). I přes svou ekologickou šetrnost jsou tyto elektrárny často bouřlivě diskutovány. Mezi argumenty jejich odpůrců nalezneme opodstatněné tvrzení, že větrné elektrárny narušují vzhled krajiny. Oponenti argumentují, že sloupy vysokého napětí rovněž, a přesto jsme se s nimi sžili. Větrné elektrárny ovšem způsobují hluk. Ve vzdálenosti 500 m od elektrárny o výkonu 2 MW naměříme asi 40 dB. Toto číslo sice odpovídá hygienickým normám, hluk je však pro blízké okolí nepříjemný a může rušit zvěř. Za jasných dnů odráží vrtule elektráren sluneční záření. To způsobuje tzv. disko-efekt, který na okolí působí rušivým dojmem. Problémem větrných zdrojů je i jejich časová nestabilita, kterou je nutné řešit záložními energetickými zdroji.

Některé z těchto negativ lze eliminovat novými typy větrných elektráren. Decentralizací a tím zmenšením těchto zdrojů, dosáhneme jednak jiný pohled na narušení vzhledu krajiny, snížíme hlučnost a také nebude rozvodná síť namáhána při malém příkonu rozkolísaností sítě. Novými typy jsou např. větrné elektrárny s vertikálními listy (obr. 37), které vypadají velmi zajímavě a nenásilně působí na vzhled v krajině, zejména svou výškou.

Po letech nízkého zájmu o využití malých větrných elektráren (dále malých VTE) lze v současné době pozorovat opětovné zvyšování pozornosti věnované této technologii, zejména v souvislosti s koncepcí lokálního zásobování energií a energetické soběstačnosti budov. Největší ekonomický přínos má využití malých VTE v odlehlých lokalitách bez možnosti odběru energie z elektrické sítě, a to ideálně v kombinaci s využitím fotovoltaických článků, které se s výrobou energie z větru vhodně doplňují.

Obr. 37 Větrná elektrárna [16]

Tyto malé vertikální elektrárny začínají pracovat již při rychlosti větru 2–3 m/s a jmenovitý výkon dosahují při 10 m/s. Výkon se pohybuje podle velikosti od cca 200 W až do 10 kW. Mezi výhody patří rotace i při nízké rychlosti větru, není nutná regulace otáčení, vhodná pro místa s turbulencí (města), snadná údržba, nižší hlučnost. Nevýhodou je nižší účinnost.

Solární energie

Výroba energie spalování fosilních paliv má velmi malou účinnost. Zásoby fosilních paliv na naší planetě jsou omezené a vystačí do poloviny tohoto století. Navíc ještě tato výroba znečišťuje životní prostředí a ohrožuje život Země. Jejich zdražování postihuje všechny bez rozdílu. Bohužel, je to pro nás dnes zaběhaný a nejdůležitější způsob jak získávat energii. Je to také nejhloupější způsob jak získávat energii. Proto se hledají náhradní zdroje energie, které budou účinné, trvalé a ekologicky čistší. Odborníci se shodují v tom, že sluneční energie a reakce atomových jader budou stále více nahrazovat fosilní paliva. Celosvětová spotřeba energie je dnes asi 13 TW. Slunce dává zadarmo Zemi neustále 180 000 TW čisté, nevyčerpatelné a nejkvalitnější energie. Dává spravedlivě hojnost energie všem lidem bez rozdílu a všemu živému na planetě Zemi vůbec. Bez něho by byla Země mrtvou planetou bloudící bez cíle černým mrazivým vesmírem. Solární energie má v globálním měřítku největší potenciál ze všech obnovitelných zdrojů energie. Může být využita ve formě tepelné energie, nebo může být transformována přímo na elektrickou energii. Případně ji lze i kombinovat s dalšími energiemi

Obr. 38 Příklad kombinace různých zdrojů energie pro zásobování budovy elektrickou a tepelnou energií [16]

Solární kolektory – fototermika

Solární fototermické kolektory jsou již po světě velice rozšířené. Jsou zpravidla instalovány na střechách pro výrobu teplé vody případně i teplého vzduchu pro vytápění kancelářských a obytných budov, nebo pro ohřev teplé užitkové vody v nich.

Účinnost přeměny se pohybuje v reálných podmínkách v závislosti od typu a provozního režimu v rozmezí 30–70 %.

Solární kolektory – fotovoltaika

Solární fotovoltaické články transformují sluneční záření přímo na elektrickou energii. Přeměna sluneční energie v elektrický proud probíhá ve fotovoltaickém neboli slunečním článku. Nejužívanější je sluneční článek z křemíku. Je to tenká (méně než 1 mm) destička z krystalu křemíku. Sluneční články se spojují a tvoří sluneční panel. Na slunečním panelu o ploše 1 m² se v letní poledne získá až 150 wattů stejnosměrného proudu. Fotovoltaických elektráren o výkonech kilowattů až megawattů jsou už po světě miliony.

Není pochyb o tom, že naši potomci budou čerpat energii z alternativních zdrojů – zejména ze slunečního záření. Jen tak zůstane Země čistým příjemným domovem nejen pro naše potomky, ale i celou biosféru.

Obr. 39 Fotovoltaické elektrárny [16]

Biopaliva

Biopalivo vzniká cílenou výrobou či přípravou z biomasy. Biopalivem však může být i odpadní voda přiváděna na čistírny odpadních vod. V současnosti je chemická reakce z biopaliv uvolňována hlavně spalováním bioplynu. Jsou ale vyvíjeny nové účinnější metody pro jejich využití k výrobě elektřiny pomocí palivových článků.

Vědci již pracují na technologiích vycházejících z odpadní vody, kde je nahrazen značně drahý katalyzátor palivového článku na bázi platinových kovů, bakteriemi, resp. aerobním procesem a také na technologiích, jak vodík produkovat pomocí speciálních bakterií z biomasy. Tento proces je velice efektivní a snadno by se dal přizpůsobit pro masovou výrobu vodíku. Navíc lze takto vodík připravovat defacto z jakéhokoliv biologického odpadu, třeba z posekané trávy. A účinnost se, s malým elektrickým „popíchnutím“, pohybuje až kolem 80 %. Tomu nemůže konkurovat žádná jiná výrobní technologie. Velmi krátká budoucnost by tedy mohla vypadat tak, že palivové články by byly plné biologického odpadu, který by bakterie zpracovaly a přeměnily na energii.

Kinetická energie v potrubí

Mezi úplně nové možnosti, které je možno využít je využití energie v potrubí, a to jak ve vodovodním, tak odpadním. Do potrubí se vsadí mezikus, který je koncipován jako malá turbínka a ta produkuje elektrickou energii využitelnou např. pro měřicí techniku. Šetří se tím zejména náklady na rozvody elektrické energie, případně na baterie. Energii, kterou lze vyrobit i již při poměrně malém tlaku (0,03 MPa), lze shromažďovat v baterii – což je výhodné zejména tam, kde bychom museli daleko táhnout elektrické vedení, nebo tam kde podmínky pro umístění vedení jsou omezené. Pozor – na veřejných řadech, tam kde bychom snižovali tlak vody dodávané do sítě, není možné takové zařízení použít bez souhlasu provozovatele sítě.

Obr. 40 Zařízení na využití energie vytékající vody z potrubí [20]

5 NOVINKY

Palivové články

Princip palivového článku je znám přes 150 let. Princip generátoru z článků pak 50 let.

Teprve v době studené války v padesátých létech nastává další rozmach, který se stupňuje v devadesátých létech, kdy je prováděn výzkum pro civilní účely. Ve výzkumu jsou palivové články zkoušeny pro různé účely, pro mobilní účely (auta, autobusy, lodě, letadla) a pro stacionární generátory (vytápění, generátory, decentrální zdroje energie) a pro výrobu proudu k přístrojům (notebooky, mobilní telefony …). Komercializace je očekávána v nejbližší době v oblasti malých zdrojů a ve výhledu několika let v dalších oblastech.

Palivové články vyvíjejí elektrický proud přímo z chemické reakční energie. Tím je vynechána ve srovnání s dalšími procesy objížďka představovaná přechodem přes tepelnou energii. Technologie je založena na zrcadlovém procesu k elektrolýze. Palivový článek sestává obvykle ze dvou elektrod, anody a katody a elektrolytu, který obě reakční strany odděluje. Díky kontrolované chemické reakci (na rozdíl od spalování a exploze) vodíku a kyslíku se vedle páry uvolňuje elektrická energie a teplo. Tento proces se odehrává kontinuálně v reaktoru (obr. 40).

Reakce vypadají následovně:

Na anodu je kontinuálně přiváděn jako palivo vodík, nebo plyny s vysokým obsahem vodíku. Tam se rozpadá na pozitivně nabitý vodík a elektron. Ionty v kyselých elektrolytech jsou protony, v alkalických obvykle hydroxilové ionty, které jsou transportovány v elektrolytu ke katodě, kde s elektronem a přiváděným kyslíkem reagují za vzniku vodní páry. Elektrony tečou na základě rozdílu potenciálu mezi vodíkovou a kyslíkovou elektrodou přes externí obtok směrem ke katodě a vzniká při tom stejnosměrný proud. Ten je pak možné měničem přeměnit na využitelný střídavý proud.

Jedna cella (článek) vytváří jen nepatrné napětí, které je závislé na elektrolytu, teplotě a proudu a je obvykle 0,6–0,9 V. Ke zvýšení napětí s články spojují do svazku, elektricky do řady. Spojení se provádí pomocí bipolárních desek tak, aby se zajistilo zásobování palivem k oxidaci a odvádění reakcí vzniklých produktů.

Obr. 41 Schematické zobrazení sestavy jednoho palivového článku (PEMFC) [9]

Typy palivových článků

Články se liší podle použitého elektrolytu a provozní teploty (tab. 10). Nízkoteplotní články mají oproti vysokoteplotním lepší startovací podmínky. Nevýhodou je horší využití vznikajícího tepla. U středně a vysokoteplotních článků jsou dosahovány vyšší účinnosti. Nevýhodou je delší nabíhání. V tab. 10 jsou pro každý typ uvedeny – účinnost, palivo, zdroj kyslíku, stav vývoje a oblast použití generátoru.

Tab.10 Palivové články – třídění podle provozní teploty

Použití na ČOV

Použití AFC je kvůli vysokým požadavkům na kvalitu na technické plyny omezené. Také použití PEMFC a PEFC se zatím kvůli vysokým požadavkům na kvalitu plynu nepředpokládá. DMFC se používá výlučně s metanolem a je ve stádiu výzkumu.

V Německu tedy byly na ČOV použity prozatím:

PAFC – na ČOV Köln – Rodenkirchen, firma UTC, výkon 200 kW,

MCFC – na ČOV Ahlen (Vestfálsko), firma MTUCFC Solutions, s elektrickým výkonem 250 kW,

MCFC – bylo testováno také u Wupperverband – firma Anasaldo, 1 kW.

Tab. 11 Výkon, účinnost, stav vývoje generátorů založených na palivových článcích

Bezpečnostní aspekty

Generátory z palivových článků, které pracují s plynem, podléhají obdobným bezpečnostním předpisům a zásadám jako zařízení na bioplyn. Protože se často zachází s vodíkem, vychází se také ze zkušenosti v chemickém průmyslu.

Podstatné bezpečnostní aspekty jsou pak dále:

• vodík je s 2,016 g/mol lehčí než vzduch a v atmosféře stoupá vzhůru;
• vodík má velmi vysoký difuzní koeficient, a proto se velmi rychle rozplyne;
• vodík hoří neviditelným plamenem;
• vodík je bezbarvý, bez zápachu a nejedovatý;
• vodík může být za určitých koncentračních podmínek příčinou výbuchu;
• vodík v tekutém stavu má nízkou teplotu a může vyvolat poškození touto teplotou;
• vodík je vznětlivý;
• směsi vodíku jsou výbušné (spodní hranice 4 %, horní hranice 77 %).

Podle potřeby může článek pracovat ve vysokých tlacích. Z tohoto titulu je také třeba dodržet odpovídající bezpečnostní zásady. Doporučuje se také instalace varovných zařízení, schopných indikovat různé plyny (metan, vodík atd.).

Mikrobiální palivové články

Mikrobiální palivové články patřily ještě nedávno do oblasti science-fiction, nicméně úspěchy, jimiž se chlubí zhruba 25 specializovaných pracovišť (vesměs univerzit), posouvají jejich aplikaci do hodně blízké budoucnosti.

Co si vlastně představit pod pojmem mikrobiální palivový článek? Laicky řečeno, mikrobiální palivové články přeměňují chemickou energii (dostupnou ve formě substrátu) na elektrickou energii. Aby toho bylo dosaženo, bakterie slouží jako katalyzátory transformující substrát na elektrony. Bakterie jsou velmi malé mikroorganismy (velikost ca. 1 μm), které přeměňují velké množství organických látek na CO₂, vodu a energii. Mikroorganismy používají tuto energii ke svému růstu a k udržení metabolismu. S využitím mikrobiálních palivových článků můžeme využít část této energie na produkci elektrické energie.

Mikrobiální palivové články sestávají z anody, katody, protonové nebo kationtové membrány a elektrického obvodu, jak je znázorněno na obr. 42.

Obr. 42 Základní schéma mikrobiálního palivového článku [9]

Bakterie se vyskytují v anodické části a přeměňují substrát (glukóza, acetát, odpadní voda) na oxid uhličitý, protony a elektrony. Za aerobních podmínek využívají bakterie jako finální akceptor elektronu kyslík nebo dusičnanový dusík za současného vzniku vody. Nicméně v anodickém prostoru mikrobiálního palivového článku není přítomen žádný kyslík, a bakterie proto potřebují předat elektron jinam. Díky schopnosti baktérií přenést elektrony na anodu může právě tyto elektrony, vznikající metabolismem bakterií, mikrobiální palivový článek shromažďovat. Přenos elektronů může proběhnout např. pomocí nanodrátů.

Elektrony jsou transportovány na katodu elektrickým obvodem s rezistorem. Rozdíl potenciálů na katodě a anodě, spolu s tokem elektronů, vede k tvorbě elektrické energie.

Protony jsou transportovány skrze protonovou nebo kationtovou výměnnou membránu na katodu. Na katodě poté dochází k chemické redukci akceptoru elektronů (v ideálním případě je kyslík redukován na vodu). Pro dosažení potřebné rychlosti redukce kyslíku se používá platinový katalyzátor.

Návrh mikrobiálních palivových článků

Mikrobiální palivové články lze rozdělit do dvou základních skupin podle jejich využití:

• pro výzkumné účely:
• zpravidla se snadno sestavují a slouží pro krátkodobé experimenty;
• navrhují se pro odladění specifických mikrobiálních procesů nebo nově používané materiály;
• slouží pouze pro vsádkové testy a nejsou schopny dlouhodobého provozu;
• pro souvislý provoz:
• navrženy pro dlouhodobý provoz;
• do článků mohou být dodávány různé substráty (glukóza, acetát, odpadní voda) a ty poté souvisle vyrábějí elektřinu;
• slouží především k optimalizaci elektrochemických parametrů.

Obr. 43 Ukázka mikrobiálních palivových článků pro výzkumné účely [9]

Obr. 44 Ukázka mikrobiálních palivových článků pro souvislý provoz [9]

Poloprovozní jednotka mikrobiálních palivových článků

Poloprovozní jednotka se nachází v Yatale v Austrálii, a jako substrát slouží odpadní voda z pivovaru Foster – familiárně se označuje jako „Beer battery“. Reaktor sestává z 12 modulů a má objem cca 1 m³. Elektrody jsou z karbonových vláken a jsou na modulech umístěny hřebenovitě (obr. 45). Reaktor zpracovává 7–10 kg CHSK/m³·den a cca 2 m³/den odpadní vody. Toto uspořádání zajistí výkon cca 500 W a plánuje se rozšířit o dvanáct dalších modulů.

Obr. 45 Poloprovozní jednotka Yatala v Austrálii [9]

Výzkum mikrobiálních palivových článků se prudce rozvíjí, a ačkoliv konstrukce vlastního palivového článku je primitivní, dokonalé porozumění všem probíhajícím procesům vyžaduje nadstandardní znalost z mnoha vědních oborů, počínaje mikrobiologií a elektrochemií a konče materiálovým nebo environmentálním inženýrstvím. Právě proto se objevuje možná velké kvantum laboratorních pokusů, ale odezva v poloprovozním měřítku je zatím mizivá. Výzkum se soustřeďuje především na materiálové provedení reaktorů a zvýšení účinnosti výroby elektrické energie, zatímco poloprovozní, potažmo reálné aplikace narážejí především na vysoké investiční náklady této technologie.

6 ZÁVĚR

Je nutné změnit celkový pohled na čištění odpadní vod. Na odpadní vodu by se nemělo pohlížet jako na odpad, ale jako na surovinu – vedle toho, že může být zdrojem energie (ve formě organických látek, tepla, kinetické a polohové energie), je zdrojem dusíku a fosforu (kterého je mimochodem nedostatek a je nutné jej začít v co nejvyšší míře recyklovat), lze produkovat vyčištěnou odpadní vodu, která může být posléze ekonomicky zhodnocena a recyklována. Na čistírnu odpadních vod bychom se měli začít dívat jako na stavbu, která je schopna být i energeticky soběstačná a je schopna využívat různé nové a alternativní zdroje energie, které byly doposud přehlíženy.

Lze předpokládat, že energetické nároky budou při současné ekonomické krizi zmiňovány více a více nejen při návrzích nových čistíren odpadních vod, ale i při jejich optimalizacích. Příspěvek se snažil popsat některé současné možnosti a demonstrovat je na dvou konkrétních případech na našem území. Nicméně v budoucnu lze očekávat zvýšený zájem i o částečně futuristické možnosti energetických optimalizací, jako např. využití řasových kultur anebo palivových článků (a to nejen mikrobiálních).

LITERATURA

[1] NOVOTNÝ, V., BROWN, P. Cities of Future: Towards sustainable water and landscape management, 2006.

[2] ERTL, T., KRETSCHMER, F., PLIHAL, H., WEISSENBACHER, N. Critical review and feasibility study: Energy recovery in the area of wastewater collection and treatment, Vídeň: 2011.

[3] CHUDOBA, P., BENEŠ, O. Odpadní voda jako zdroj surovin a energie – technologické trendy.

[4] TORNOW, M. Abwasserpumpanlagen DWA Seminar: Abwasserpumpanlagen, Freiburg.

[5] LORENZ, U. Projektentwicklung – Vorgehen und Erfahrungen eines Stadtwerke, 2010.

[6] LINDTNER, S. Leitfaden für die Erstellung eines Energiekonzeptes kommunaler Kläranlagen, Lebensministerium, Vídeň, 2008.

[7] DOHANVOS, M., KUTIL, J. Bioplyn – zdroj energie, SOVAK, s. 10/206, č. 6, 2011.

[8] http://www.cink-hydro-energy.com/cz/turbiny-ossberger

[9] DWA Merkblatt M 114: Energie aus Abwasser – Wärme – und Lageenergie. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. Hennef, 2009.

[10] DRTIL, M. Výpočtový program anaeróbneho spracovania kalov a odpadov, učebné texty predmetu Technologický projekt, OEI FCHPT STU Bratislava, 2010.

[11] BODÍK, I., KUBASKÁ, M., SEDLÁČEK, S., LEHOTSKÁ, S. Benchmarking vyhnívacích nádrží na ČOV v SR. In: Odpadové vody 2010, zborník z 6. bienálnej konferencie AČE SR, 20 – 22.10.2010, s.167-172 Štrbské Pleso: 2010.

[12] CHUDOBA, P., BENEŠ, O., ROSENBERGOVÁ, R. Možnosti energetické valorizace BRO na ČOV. In: Nové metody a postupy při provozování ČOV, sborník z 15. semináře VHOS, 13 – 14.4.2010, s. 76 – 95; Moravská Třebová: 2010.

[13] KOCH, M., NIETLISBACH, A., KAENEL, B., CALDERONI, M., WILLE, B., MUELLER, R., BRETSCHER, P., WANNER, O., SIEGRIST, H., PETER, A., MUELLER, E. A., KOBEL, B., ROTH, Y. Heizen und Kühlen mit Abwasser – Leitfaden für die Planung, Bewilligung und Realisierung von Anlagen zur Abwasserenergienutzung, Baudirektion Kanton Zürich: 2010.

[14] PLOTĚNÝ, K, Předčištění na komunálních čistírnách, ASIO, spol. s r.o., Sborník seminářů – Membrány po lopatě, str. 35 – 36, Brno: 2009.

[15] HARTIG, K. Termické zpracování kalů. 4. Mezinárodní konference Odpadní vody 2001, 15. – 17.5.2001, s. 195 – 201, Mladá Boleslav: 2001.

[16] PIŇOS, S., BARTONÍK, A., PLOTĚNÝ, K. Interní materiály firmy ASIO, spol. s r.o. k projektu Synergie, 2012.

[17] BRTNA, F. Návrh dezintegrační jednotky, diplomová práce, VUT Brno, Fakulta strojní, vedoucí práce Boráň J., Brno: 2009.

[18] HARTIG, K., KOS, M., VÍT, R. Zpracování čistírenských kalů zplyňováním – cesta k energetické soběstačnosti ČOV.

[19] http://en.wikipedia.org/wiki/Deammonification

[20] www.hydrospin.net