Je efektívne využitie zrážkových vôd z povrchového odtoku? (I)

ÚVOD
S rastom požiadaviek na vodu, zvyšovaním ceny za jej úpravu a celkovým pozdvihnutím environmentálnych potrieb spoločnosti, recyklovanie vody bude hrať stále dôležitejšiu úlohu v celkovom zásobovaní vodou. Opätovné využitie vody spolu s jej zachovaním môže pomôcť konzervovať a trvalo udržateľne riadiť naše vitálne zdroje vody. Výhodou využitia systémov zrážkovej vody z povrchového odtoku je, že sa dajú použiť ako alternatívne riešenie tam, kde nie je možné napojiť dažďovú kanalizáciu na verejnú sieť, alebo ak je stanovený maximálny prietok dažďovej vody vstupujúcej do kanalizácie.
Ďalšou pozitívnou stránkou je, že zavedením týchto systémov v jednotnej kanalizácii klesá veľké kolísanie prietokov vody, a tým nerovnomerné namáhanie čistiarní odpadových vôd.

1 LEGISLATÍVA
1.1 Legislatíva Európskej Únie
Prakticky jediná smernica EÚ, ktorá sa zaoberá problematikou vôd z povrchového odtoku (dažďových vôd), je Smernica 271/91/EEC, ktorá sa týka čistenia mestských odpadových vôd. Smernica požaduje okrem iného aj "Ohraničenie znečistenia recipientov spôsobenom odľahčovacími objektmi".

V poznámke pod čiarou č. 1 prílohy č. 1 tejto smernice sa uvádza: "Nakoľko nie je možné stavať stokové siete a čistiarne odpadových vôd tak, aby bolo možné čistiť všetky odpadové vody počas nezvyklých situácií, ako napr. počas prívalových dažďov, jednotlivé členské štáty majú zaviesť opatrenia na zníženie znečistenia z odľahčovacích objektov. Vypúšťanie odpadových vôd do povrchových tokov pritom môže byť založené buď na základe zmiešavacieho pomeru (pozn. Smernica používa termín "pomer riadenia") a kapacity stokovej siete vztiahnutej na bezdažďový prietok, alebo sa môže špecifikovať určitý počet prepadov za rok".

1.2 Legislatívne podmienky využívania dažďových vôd v SR
Problematika zrážkových vôd z povrchového odtoku v SR nebola zatiaľ komplexne riešená, ale už bola snaha zakomponovať túto problematiku do platnej legislatívy. V roku 2001 vypracovalo Ministerstvo Životného Prostredia usmernenie pre postup orgánov štátnej správy pri posudzovaní a povoľovaní odpadových vôd z odľahčovacích objektov jednotnej a polodelenej sústavy z povrchového odtoku dažďových sietí delenej stokovej sústavy v čase prívalových dažďov. Je to pomerne rozsiahly a podrobný dokument, ktorý MŽP slúžil ako podklad pri tvorbe nového Zákona o vodách (184/2002) a Nariadenia vlády, 491/2002 Slovenskej republiky, ktorým sa ustanovujú kvalitatívne ciele povrchových vôd a limitné hodnoty ukazovateľov znečistenia odpadových vôd a osobitných vôd.

1.3 Vymedzenie základných pojmov
Vodou z povrchového odtoku je voda zo zrážok, ktorá nevsiakla do zeme a vteká do stokovej siete z terénu alebo z vonkajších častí budov.

Komunálnou odpadovou vodou je voda zo sídelných útvarov pozostávajúca prevažne zo splaškových odpadových vôd, môže obsahovať priemyselné odpadové vody, infiltrovanú vodu a v prípade stokovej siete jednotnej sústavy alebo polodelenej sústavy aj vodu z povrchového odtoku.
Zákony, ktoré sa legislatívne zaoberajú dažďovou vodou, sú zákony 184/2002 a 491/2002.

1.4 Zákon 184/2002
Vypúšťanie vôd z povrchového odtoku možno povoliť iba vtedy, ak sú zbavené plávajúcich látok a usaditeľných látok. Pri výstavbe a prevádzke stokovej siete treba vykonať opatrenia podľa odseku 8 druhej vety. Spomínaná veta znie: Pri výstavbe a prevádzke stokovej siete treba vykonať s prihliadnutím na miestne pomery opatrenia na zmiernenie nepriaznivého vplyvu vypúšťaných odpadových vôd na recipient stanovené vykonávacím predpisom.

Pod pojmom "plávajúce látky" sa rozumieme "nerozpustné látky plávajúce na hladine vody" (definícia podľa STN EN 1085, čl. 3190), teda aj látky, spôsobujúce tzv. "estetické znečistenie" - rôzne väčšie tuhé látky, transportované stokovou sieťou, ktoré pôsobia nevzhľadne, znečisťujú brehy povrchových vôd a tým obmedzujú alebo zhoršujú rekreačnú a urbanistickú funkciu vodného toku. Odstránenie týchto látok považujeme za základný spôsob čistenia odpadových vôd z odľahčovacích objektov.

Pod pojmom "usaditeľné látky" sa rozumieme "hmotnostnú koncentráciu alebo objemu nerozpustných látok, ktoré sa usadili za presne stanovených podmienok" (definícia podľa STN EN 1085, čl. 3180). Treba tu uviesť, že sa neuvažuje so zavedením požiadavky zbavenia usaditeľných látok do praxe. Dôvodom, prečo táto požiadavka nebola akceptovaná v praxi, je skutočnosť, že stanovuje nezdôvodnené a ekonomicky nereálne požiadavky na ochranu recipientov bez rozlíšenia kvality vypúšťaných vôd z povrchové odtoku. Na vypúšťanie odpadových vôd a osobitných vôd do podzemných vôd platia primerané ustanovenia podľa paragrafu 32 odstavca 3 až 6 a na vypúšťanie vôd z povrchového odtoku do podzemných vôd primerane platí paragraf 32 odstavec 8.

1.5 Nariadenie vlády 491/2002 a s tým spojené požiadavky na vypúšťanie vôd z povrchového odtoku
Vody z povrchového odtoku odtekajúce zo zastavaných území, pri ktorých sa predpokladá, že obsahujú látky, ktoré môžu nepriaznivo ovplyvniť kvalitu povrchovej vody a podzemnej vody, možno vypúšťať do podzemných vôd len po predchádzajúcom zistení (paragraf 33 ods. 1 a 2 zákona č. 184/2002) a vykonaní potrebných opatrení. Vodami z povrchového odtoku sú najmä vody z cestných komunikácií pre motorové vozidlá, parkovísk, z odstavných a montážnych plôch, z plôch priemyselných areálov, na ktorých sa skladujú škodlivé látky a obzvlášť škodlivé látky alebo sa s nimi inak zaobchádza.

Vody z povrchového odtoku odtekajúce zo zastavaných území, o ktorých sa nepredpokladá, že obsahujú látky, ktoré môžu nepriaznivo ovplyvniť kvalitu povrchových vôd a podzemných vôd, možno vypúšťať do podzemných vôd nepriamo.

Priamym vypúšťaním odpadových vôd alebo osobitných vôd do podzemných vôd je ich odvádzanie priamo do zvoleného kolektora, najmä vsakovacími studňami, galériami alebo sieťou vsakovacích drénov.

Nepriamym vypúšťaním je vnikanie nebezpečných látok, odpadových vôd alebo osobitných vôd do podzemných vôd cez pôdu alebo jej podložie. Pri vypúšťaní vôd z povrchového odtoku sa neurčujú limitné hodnoty ukazovateľov znečistenia. Stokové zariadenia musia byť vybavené zariadením na zachytenie plávajúcich látok a v prípade vypúšťania vôd z povrchového odtoku podľa odseku 1, ak sa preukáže ich nepriaznivý vplyv na kvalitu vôd v recipiente, aj zariadením na zachytávanie škodlivých látok a obzvlášť škodlivých látok.

Cieľom ustanovení týchto odsekov je dosiahnuť zníženie prítoku vôd z povrchového odtoku do stokovej siete. Preto je žiadúce, aby sa vody z povrchového odtoku, ktoré spĺňajú požiadavky podľa paragrafu 6 odstavec 2, nezaúsťovali do stokovej siete, ale aby sa podľa možností vypúšťali priamo na mieste ich vzniku do podzemných vôd, alebo využívali na technické účely ako je napr. využitie dažďovej vody ako úžitkovej vody.

1.6 Možnosti riešenia
Uvedená problematika sa môže riešiť len systémovo - zohľadnením požiadavky obmedzenia povrchového odtoku vo všetkých projektantských profesiách, ktoré povrchový odtok ovplyvňujú:

• strešné konštrukcie so zníženým odtokovým koeficientom - zelené strechy a podobne,
• povrchy plôch nepoužívaných ako komunikácie pre peších alebo dopravu so zníženým koeficientom odtoku - trávniky, nespevnené kamenivo a pod.,
• spádovanie povrchov, u ktorých sa nepredpokladajú vody z povrchového odtoku obsahujúce látky nepriaznivo ovplyvňujúce kvalitu povrchových vôd a podzemných vôd na priľahlé nespevnené plochy s možnosťou vsakovania,
• odvedenie vody z povrchového odtoku do podpovrchových vsakovacích zariadení,
• akumulácia vody z povrchového odtoku a využívanie ako úžitková voda (WC, pranie, umývanie podláh, závlaha a pod.),
• regulované vypúšťanie vody z povrchového odtoku, ktorá sa nevyužila ako úžitková voda alebo sa nemohla likvidovať vsakovaním cez retenčnú dažďovú nádrž do povrchového toku,
• regulované vypúšťanie vody z povrchového odtoku, ktorá sa nevyužila ako úžitková voda alebo sa nemohla likvidovať vsakovaním cez detenčnú dažďovú nádrž do stokovej siete.

2 ZÁKLADNÉ ČASTI SYSTÉMU
Základné časti zariadenia na využívanie zrážkovej vody z povrchového odtoku sú:

• záchytná plocha a prívod vody,
• zásobník na jej akumuláciu,
• čerpadlo a zariadenie na doplnenie pitnou vodou.

Na obrázku 1 je procesný diagram typického systému na využitie zrážkovej vody z povrchového odtoku (ďalej ZVPO).

Obr. 1 Procesný diagram systému využitia VPO

3 AKUMULÁCIA
3.1 Akumulácia z hľadiska materiálovej bázy a umiestnenia nádrží
Vedľa iných kritérií rozhoduje často potreba miesta a cenové rozdiely v tom, či bude ZVPO skladovaná v dome alebo v zemi. Výhody a nevýhody oboch typov zásobníkov sú prehľadne zhrnuté v tabuľke I.

Plastové zásobníky ponúkajú rôzni výrobcovia v objemoch od 600 do 9000 l. Plastové nádrže sú vyrábané najčastejšie z polyetylénu alebo pre umiestnenie do zeme z plastu zosilneného sklennými vláknami. Výhodou týchto zásobníkov je odolnosť voči korózii, malá hmotnosť, využitie priestoru variabilným zložením - usporiadaním, voľba výšky nádrže podľa výšky priestoru, jednoduchá montáž a údržba.

Betónové zásobníky môžu byť zostavené zo skruží, alebo monolitické, zhotovené ako jeden odliatok. Ako materiál sa používa betón B45 alebo B65. Na rozdiel od plastových sú odolné veľkému vonkajšiemu tlaku, preto sa doporučujú pre stavbu pod príjazdovými cestami. Všetky zásobníky majú ochranu proti spätnému vzdutiu a ich súčasťou môže byť aj filter na pevné látky.

Stavbou podzemného zásobníka sa zamedzí nebezpečie zaplavenia v dome a neplytvá sa priestorom pre umiestnenie. Podzemný zásobník sa doporučuje hlavne pri novostavbách, kedy môže byť za priaznivú cenu vykopaná diera súčastne so stavebnou jamou. Môže byť postavená pod vjazdom alebo príjazdovou cestou, takže zostáva viditeľný iba poklop. Cez vyššie náklady na podzemný zásobník a nutné práce je ho treba uprednostniť aj z iných dôvodov. Voda skladovaná v zemi zostáva stále chladná a v tme, nebezpečie znehodnotenia mikroorganizmami je preto obmedzené. Vnútorné zásobníky sú naproti tomu ľahké, cenovo dostupné a umožňujú rýchlu stavbu zariadenia na dažďovú vodu bez náročných zemných prác. Sú vhodné pre dodatočnú stavbu ako aj pre novostavbu, pokiaľ je v budove k dispozícii dostatočný priestor. Celkový objem môže byť rozdelený do viac navzájom spojených plastových nádrží. Vďaka tomu môže byť zásobník rozdelený do dvoch priestorov, alebo dopravený do pivnice i cez úzke vstupné dvere. Pivničný priestor pre zásobník nemá byť teplejší ako 18 °C, aby nebolo obmedzené nebezpečie kontaminácie mikroorganizmami. Predzásobovanie dažďovou vodou v dome síce ušetríme všetky potrubia a elektrické spojenia, ale existuje nebezpečie zaplavenia, ktoré môže vzniknúť pri poruchách prítoku, odtoku alebo pri poškodení nádrže.

Tab. I Výhody a nevýhody rôznych foriem zásobníkov

	Podzemný zásobník	Vnútorný zásobník
Materiál	betón polyetylén vystužený plast vystužený sklovinou	polyetylén (PE)
Stavebné náklady	vyššie ako u vnútorného zásobníka	cenovo prístupné
Potreba miesta	iba v zemi	potrebný pivničný priestor
Veľkosť	takmer neobmedzená	obmedzená priestorom pivnice
Nebezpečie preplavenia	nepatrné	možné pri chybách inštalácie alebo pri upchatí
Svojpomocná výstavba	obtiažna, skôr nemožná	dobre možná

3.2 Zásady pre správnu funkciu zásobníka
Prívod ZVPO sa umiestňuje nad dnom zásobníka, čím sa čiastočky nezachytené filtrom usadia na dne. Cez odsávacie zariadenie sa voda odoberá asi 150 mm pod hornou hladinou. Zachytené vody majú byť zvedené tak, aby:

Nevznikal hluk zo špliechania vody; Kyslík bol vnášaný aj do hlbších vrstiev vody; Usadeniny na dne zásobníka neboli rozvírené.

Na dne je situovaný otvor, slúžiaci pre čistenie vnútorných zásobníkov alebo túto funkciu plnia čistiace a vypúšťacie otvory na poklope nádrže.

Pri preplnení zásobníka odtečie plávajúca vrstva nečistôt prepadovým zápachovým uzáverom. Priemer prepadového zápachového uzáveru musí byť väčší ako prívod vody do zásobníka.

Prepad je chránený proti spätnému vzdutiu vody z kanalizácie jeho umiestnením nad rovinou spätného vzdutia. Ak to nie je konštrukčne možné, umiestni sa do potrubia od zásobníka poistné zariadenie proti vzdutej vode alebo sa inštaluje ponorné čerpadlo do zásobníka, spúšťané plavákovým spínačom, ktoré prečerpá prebytočnú vodu nad hladinu vzdutia v kanále (obr. 2).

Obr. 2 Hladina spätného vzdutia

Obr. 3 Doplňovanie pitnej vody voľným výtokom

Prepad je potrebné opatriť zápachovým uzáverom, aby neprenikali do zásobníka kanálové plyny. Proti vniknutiu hlodavcov sa vkladá do potrubia nerezová mriežka. Prepadové potrubie musí byť inštalované a utesnené tak, aby z neho voda nevystupovala na nežiadúcich miestach.

Zariadenie na VZPO nezaručí permanentné zásobovanie vodou. Preto musia byť urobené opatrenia podľa STN EN 1717 v prípade, že množstvo vody nebude stačiť spotrebe, alebo nastane porucha niektorej časti zariadenia.

Stav vody v nádrži sníma merač hladiny, ktorý pri poklese pod minimálnu hladinu zaistí automatické doplňovanie pitnou vodou v zvolenom module. Doplňovanie pitnej vody je buď do zásobníka alebo sacieho potrubia čerpadla najčastejšie voľným výtokom, pričom medzi výtokom z potrubia pitnej vody a prítokovou nálievkou musí byť zachovaná vzdialenosť zodpovedajúca dvojnásobku vnútorného priemeru potrubia s pitnou vodou (min. 20 mm). Prítok musí byť najmenej 150 mm nad možnou hladinou vzdutej vody (obr. 3).

4 MOŽNOSTI DIMENZOVANIA NÁDRŽE
V každom systéme na využitie ZVPO je potrebné riešiť kompromis medzi zvyšovaním výkonu systému a zvyšujúcimi sa nákladmi zaň. Pri návrhu systému využitia ZVPO je v centre pozornosti hlavne akumulačná nádrž (zásobník) a správna voľba jej veľkosti.

Existuje mnoho rôznych metód pre dimenzovanie súčastí systému využitia ZVPO, ktoré sa odlišujú v komplexnosti a premyslenosti. Výber použitých metód pre návrh systému bude závisieť na nasledovných faktoroch:

• veľkosť a sofistikovanosť systému a jeho súčastí,
• prístupnosť nástrojov požadovaných pre použitie špeciálnych metód (napr. počítače),
• odbornosť a úroveň vzdelania vykonávateľa.

Zjednodušene by sme mohli hovoriť o nasledujúcich troch rôznych typoch metód pre dimenzovanie súčastí systému využívajúceho ZVPO:

• Požiadavka na odberu;
• Možný zisk;
• Počítačové modelovanie.

4.1 Metóda požadovaného množstva
Jednoduchá metóda na výpočet najväčšej požiadavky na akumuláciu založená na veľkosti spotreby vody a množstve obyvateľov v budove. Táto metóda predpokladá dostatočné zrážky a primeranú záchytnú plochu v danej oblasti. Je postačujúca iba pre zistenie orientačného objemu nádrže.

Ako príklad môžem uviesť nasledovné typické údaje:

Spotreba na osobu a deň, Qrd - 20 litrov Počet osôb v domácnosti, n - 6 Najdlhšie obdobie bez zrážok nr - 25 dní

Ročná spotreba, A_cr = Q_rd x n x d       (1)

Po dosadení: A_cr = 20 x 6 x 365 = 43 800 litrov

Zásobná požiadavka, T = (A_cr x n_r) / d (2)

Po dosadení: T = (43 800 x 25) / 365 = 3 000 litrov

Pričom d je počet dní v roku.

4.2 Metóda možného zisku
V oblastiach s malým množstvom zrážok, alebo kde zrážky nie sú počas roka rovnomerne rozložené, je potrebné venovať správnemu návrhu veľkosti nádrže väčšiu pozornosť. Počas niektorých mesiacov v roku bude možno prebytok ZVPO, zatiaľ čo v iných jej bude deficit (viď obr. 4). Ak je počas roka dostatočné množstvo ZVPO na splnenie sumárnych požiadaviek, pre preklenutie období sucha bude nutné nadimenzovať dostatočný objem akumulačnej nádrže.

Uvediem príklad výpočtu touto metódou pre objekt školy.

Požiadavka:

Počet učiteľov a zamestnancov, n1: 7 Spotreba učiteľského zboru, Qrd1: 45 l/d x 7 = 315 l/d Počet žiakov, n2: 40 Spotreba žiakov, Qrd2: 10 l/d x 40 = 400 l/d

Celková požiadavka VPO, Q_rd (Q_rm): 715 l/d alebo 21,75 m³ za priemerný mesiac.

Možný zisk:

Plocha strechy, A: 190 m2 Súčiniteľ odtoku, C: 0,9 Priemerné ročné zrážky, Ra: 1 056 mm ZVPO ročne k dispozícii (predpokladám, že je zachytené celé množstvo), Qr : podľa rovnice (3)

Q_r = A x C x R_a       (3)

Kde:
A je záchytná plocha, (m²)
C koeficient odtoku, (ND)
R_a množstvo zrážok za rok, (mm)

Po dosadení: Q_r = 190 x 1 056 x 0,9 = 180,58 m³

Množstvo ZVPO k dispozícii za deň = 180,58 / 365 = 0,4947 m³/deň alebo 494,7 litrov na deň alebo 15,05 m³ na každý priemerný mesiac.

Ak chceme objekt školy zásobovať vodou po celý rok, požiadavky nemôžu presiahnuť 494,7 litrov za deň. Očakávaná požiadavka sa nemôže naplniť iba vodou z povrchového odtoku. Bude potrebný pozorný manažment vody.

Obrázok 5 ukazuje porovnanie zachytenej ZVPO a množstva, ktoré môže byť dodávané. V danej oblasti je jedno výrazné obdobie dažďov. Prvý mesiac, kedy množstvo zrážok na strechu naplní požiadavky, je október. Ak predpokladáme, že nádrž je na konci septembra prázdna, dá sa vytvoriť graf kumulatívnej ZVPO a kumulatívnej požiadavky na vodu a z nich vypočítať maximálne zásobné požiadavky pre školu.

Obr. 4 Porovnanie použiteľnej ZVPO voči požiadavke na každý mesiac

Obr. 5 Predpokladaná kumulácia prítoku ZVPO a odvodu z nádrže na základe požiadavky VPO;
maximálna požiadavka je zaznamenaná v apríli 50,5 m³

Tabuľka II ukazuje výpočet dimenzovania akumulačnej nádrže vo formulári. Berie do úvahy akumulovaný prítok a výtok z nádrže. Objem nádrže sa vypočíta ako najvyšší nadbytok vody nad spotrebou. Tento stav sa objavuje v apríli s požiadavkami na zásobu 50,45 m³. Táto voda sa má uskladniť, aby prekryla obdobie bez zrážok.

Tab. II Dimenzovanie akumulačnej nádrže vo formulári

Mesiac	Zrážky (mm)	Využiteľné zrážky (metre kubické)	Kumulatívne využiteľné zrážky (metre kubické)	Požiadavka (založená na celkovom použití)	Kumulatívna požiadavka (metre kubické)	Rozdiel medzi stĺpcom 4 a 6
Okt	88	15.05	15.05	15.05	15.05	0.00
Nov	124	21.20	36.25	15.05	30.10	6.16
Dec	134	22.91	59.17	15.05	45.14	14.02
Jan	114	19.49	78.66	15.05	60.19	18.47
Feb	101	17.27	95.93	15.05	75.24	20.69
Mar	136	23.26	119.19	15.05	90.29	28.90
Apr	214	36.59	155.78	15.05	105.34	50.45
Máj	75	12.83	168.61	15.05	120.38	48.22
Jún	3	0.51	169.12	15.05	135.43	33.69
Júl	5	0.86	169.97	15.05	150.48	19.49
Aug	15	2.57	172.54	15.05	165.53	7.01
Sep	47	8.04	180.58	15.05	180.58	7.01
Celkom		180.58		180.58

4.3 Počítačové simulácie
Existuje niekoľko počítačových programov na presné vypočítanie veľkosti nádrže. Úlohou počítačovej simulácie je predpovedať výkon systému využitia ZVPO na základe matematického modelu skutočného systému. Program tiež simuluje kolísanie zrážok, na ktorých je systém využitia ZVPO závislý.

Systémy využitia VPO sa často navrhujú za použitia určitého štatistického ukazovateľa zrážok pre dané miesto, čo sú najčastejšie priemerné zrážky. Keď sú zrážky slabé a vykazujú veľké kolísanie, potom návrh podložený iba týmto jediným štatistickým ukazovateľom môže byť chybný. Program Sim Tanka berie do úvahy kolísanie zrážok, pričom dáva každej výchylke jej správnu dôležitosť pre určenie veľkosti systému. Výsledok simulácie umožňuje navrhnúť systém, ktorý bude spoľahlivo spĺňať požiadavky naň kladené, čo znamená, že nájde najmenšiu možnú akumulačnú nádrž spĺňajúcu požiadavky s pravdepodobnosťou do 95 %. Simulačný program sa dá použiť i na určenie predpokladu, aká časť celkových požiadaviek môže byť spoľahlivo naplnená ZVPO.

V druhej časti príspevku budú uvedené zásadné výstupy z použitia simulačných metód.

Záver
Dnes, v čase zvýšeného environmentálneho záujmu o trvalú udržateľnosť, je podstatná zmena vecí takým spôsobom, aby sa redukovala ekologická stopa. Zavedenie systému využitia ZVPO nebude redukovať iba ekologickú stopu budovy ale tiež nastavenie stavu pre budúci trvalo udržateľný vývoj. Tiež je kľúčový fakt, že systém by mohol byť súčasťou ekostavieb s vhodným nastavením stavu environmentálnej technológie. Použitie ZVPO sa zrejme nikdy nestane jedným z hlavných zdrojov vody, ale v niektorých oblastiach to môže byť jej významný prídavný zdroj.

Literatúra
Vranayová, Z.: Posúdenie trvalej udržateľnosti systémov využitia vôd z povrchového odtoku, Habilitačná práca, Košice, 2003