Využití odpadní vody k zavlažování

Cirkulární ekonomika se den ode dne stává stále aktuálnějším pojmem. To, co bylo dlouho považováno za odpad, začíná být považováno za zdroj surovin. To se děje i v zemědělství. Jednou z nových myšlenek je využití odpadních vod z měst k zavlažování. Výhod může být více. V roce 2023 vstoupilo v platnost ustanovení nového evropského nařízení o minimálních požadavcích na opětovné použití vody pro zemědělské zavlažování [1,2].

Dusík a fosfor by byly zdarma

Myšlenka využití odpadních vod z města k zavlažování zemědělské půdy v okolí není nová. Nedávno skupina výzkumníků navrhla projekt, který spočíval v neúplném čištění odpadních vod, resp. zachování dusíku a fosforu v nich. Tím, že by zemědělci pro závlahu využili vodu, tak by mohli dosáhnout značných úspor. Na druhou stranu, radnice by zase dosáhly úspor za energii a materiály potřebné k extrakci dusíku a fosforu z odpadní vody. Pokud je odpadní voda správně čištěna podle evropských předpisů, může představovat účinnou alternativu pro pokrytí potřeby vody v zemědělství [3].

Aplikace takového řešení v okolí měst by tedy mohla zajistit značné množství vody k zavlažování. K tomu by se přidalo i související hnojení, které by znamenalo výraznou úsporu energie a výrazné snížení znečištění. Kromě toho se kaly shromážděné z čistíren odpadních vod již používají v zemědělské praxi jako hnojiva a pro úpravu půdy.

Podle statistik Evropské komise se množství vyčištěných městských odpadních vod, které se v současnosti každoročně recykluje, pohybuje kolem 1 miliardy metrů krychlových, neboli 2,4 % vyčištěných městských odpadních vod a méně než 0,5 % ročního odběru sladké vody v EU. Potenciál EU je však šestkrát větší a předpokládá se, že přesahuje 6 miliard metrů krychlových. Jak severní členské státy, jako je Belgie, Německo a Spojené království, tak jižní členské státy, jako je Španělsko, Itálie, Řecko, Malta a Kypr, již zavedly řadu programů pro opětovné využití vody pro zavlažování a průmyslové účely. Zatímco Řecko, Itálie a Španělsko recyklují pouze 5 % až 12 % svých odpadních vod, Kypr a Malta již znovu využívají více než 60-90 % svých odpadních vod. To jasně ukazuje obrovský potenciál pro další využití.

Opětovné použití vody – řešení hrozící krize

Nedostatek vody je v Evropě stále větším problémem. Předpokládá se, že poptávka po evropských vodních zdrojích se v důsledku změny klimatu zvýší. Jedna předpověď říká, že do roku 2030 může nedostatek vody postihnout polovinu povodí v Evropě. Nové unijní předpisy nařizují minimální standardy kvality vody, časté monitorování a vytváření strategií řízení rizik zařízeními na čištění odpadních vod, aby byla zaručena ochrana plodin. Orgány členských států jsou odpovědné za schvalování čistíren odpadních vod a sledování dodržování předpisů.

Znečištění prostředí při zavlažování odpadními vodami

Zdravotní problémy související se zavlažováním při použití odpadních vod

Odpadní vody vypouštěné z kanalizačních systémů měst, z různých průmyslových odvětví i z farem lze po řádném vyčištění využít k zavlažování.

Nebezpečí plynoucí z používání těchto vod k zavlažování závisí na řadě faktorů [2-4]:

• přítomnost patogenů;

• přítomnost prvků jako je sodík, těžké kovy (Cu, Pb, Cr, Cd, Ni atd.) a dalších látek, které mohou způsobit degradaci půdy a znehodnocení plodin;

• vývoj různých patogenních organismů nacházejících se v závlahové vodě;

• životaschopnost patogenů a jejich schopnost přežít čištění;

• možnost, že patogeny mohou přežít v půdě.

Některé odpadní vody, které mají vysoký obsah dusíku, fosforu, draslíku a dalších živin (průmyslová výroba hnojiv, alkoholu atd. uvedené v tabulce 1), také stimulují vývoj rostlin. Odhaduje se, že 50-100 m³ odpadní vody může obsahovat tolik živin jako tuna hnoje. Především kukuřice, pšenice, sója, brambory, vojtěška a jetel mají schopnost absorbovatí značné množství živin ze závlahové vody.

Vědecké výzkumy prokázaly, že používání odpadních vod nepředstavuje zásadní zdravotní problémy. V hloubce 0,9 až 1,2 m jsou všechny bakterie filtrovány. Půda zadržuje na prvním centimetru hloubky asi 90 % celkové mikrobiální zátěže a na prvním milimetru 62 až 64 %. Střevní bakterie, které se dostanou do půdy spolu s odpadní vodou, jsou většinou adsorbovány půdními koloidy a zničeny saprofytickými bakteriemi [5]. Odpadní voda, která byla přirozeně filtrována půdou, se dostává do podzemní vody bez mikrobiologických patogenů. V případě zavlažování odpadními vodami jsou v tabulce 2 uvedeny nejvýznamnější mikroorganismy.

Tabulka 1. Charakterizace některých průmyslových odpadních vod podle velikosti CBO₅ a obsahu dusíku

Půda se „unavuje“, pokud je zavlažování odpadní vodou používáno po dlouhou dobu, proto se doporučuje, aby byla voda před použitím upravena. Vzhledem k velmi různorodému chemickému obsahu by mělo být čištění odpadních vod provedeno tak, aby nedocházelo ke zničení úrody, zasolení půdy atd. Zlepšování kvality znovu používaných odpadních vod se doporučuje ředěním čistou vodou, snížením obsahu sodíku, snížením soli z krmiv, přidání sádry jako náhrady uhličitanu sodného a tak dále. Dosavadní výzkumy ukazují, že opětovné použití odpadních vod pro zavlažování vede ke zvýšení výnosu, zejména díky zvýšené vlhkosti půdy a hnojení.

Tabulka 2. Nejdůležitější patogeny nalezené v odpadních vodách.

Pro půdy s dobrou propustností jsou preferovány metody podpovrchového zavlažování, a to z důvodu sníženého a velmi efektivního využívání vody a také z důvodu ochrany okolních oblastí zejména při využívání odpadních vod. Vyčištěná odpadní voda může být také použita při hnojení plodin pěstovaných ve sklenících prostřednictvím podpovrchového zavlažování. Doporučují se také pro okopaniny (např. cukrová řepa, brambory), pastviny a okrasné rostliny s podmínkou, že měsíc před sklizní je zastavena závlaha.

Negativa používání odpadní vody pro závlahy

Závlahy odpadní vodou se doporučují na půdách s dobrou propustností vody a vzduchu, které podporují mineralizaci organické hmoty a destrukci patogenů. Samočištění půdy závisí především na mikrobiologické zátěži půdy a skládá se z:

• Mineralizace organické hmoty v anaerobních podmínkách – cukry se rozkládají na metan, vodu a oxid uhličitý, bílkoviny se přeměňují na aminokyseliny a tuk se redukuje na glycerin a mastné kyseliny; v důsledku fermentace a rozkladu vznikají některé silně páchnoucí sloučeniny jako čpavek, sirovodík, metan.

• Nitrifikace – půdní bakterie a archaea prostřednictvím enzimatické oxidace amoniaku vytvářejí disičnany.

Zavlažování odpadní vodou nekontrolovaným způsobem může vést k některým problémům [2-4]:

• Únava půdy – může se projevit po letech zavlažování odpadními vodami a svědčí pro ni zvýšená koncentrace mikroprvků (např. Zn, Cu), zvýšená koncentrace škodlivých látek (např. chlorid, síran, mastné kyseliny), usazování draslíku a železa v podorničí, degradace půdní struktury, nedostatečné provzdušnění. V důsledku toho budou rostliny vykazovat chlorózu a vývojový proces některých rostlin bude ovlivněn. Bylo prokázáno, že hlavní příčina těchto nedostatků souvisí se zvýšeným zavlažováním v důsledku nárůstu populace a spotřeby vody, 60 000 – 70 000 metrů krychlových na hektar oproti optimálním hodnotám kolem 3 000 metrů krychlových na hektar, využíváním nezpracovaných odpadních vod a nevhodným hospodařením s půdou.

• Zanášení půdních pórů – je způsobeno nárůstem organické hmoty obvykle doprovázeným zvýšením obsahu dusíku a biomasou mikroorganismů.

• Sekundární zasolování půd – vzniká zejména na jílovitých půdách s nízkou propustností v důsledku zvýšených koncentrací rozpustných solí v půdě nad kritickou hodnotu. Přítomnost sodíku a dalších kationtů ve velkém množství vede k destrukci strukturních agregátů půdy a snížení propustnosti vody.

• Okyselení půdy – zesiluje rozpustnost vápenatých a hořečnatých solí, což vede k nedostatkům ve výživě rostlin; k tomuto jevu dochází, když mají odpadní vody pH nižší než 6,5.

• Kontaminace půdy – může se objevit v důsledku zavlažování, které využívá průmyslové odpadní vody kontaminované škodlivými chemikáliemi, jako jsou těžké kovy (např. As, Cu, Ba, Ni, Cr, Zn, Co), fenoly, různé soli a detergenty. Ve velmi malé koncentraci mohou vyvolat stimulaci růstu rostlin, ale nad určitou hranici mohou vývoj brzdit. Kromě toho by mohly být absorbovány rostlinami, které vstupují do potravinového řetězce a představují hrozbu pro lidi a hospodářská zvířata. Nedoporučuje se používat odpadní vodu, která obsahuje arsen nad 1 mg/l, měď nad 7 mg/l, nikl a kobalt nad 2 mg/l, sodík, 80 mg/l, SO4 nad 250 mg/l. Přítomnost tenzoaktivních látek (detergentů) ovlivňuje nitrifikaci, ovlivňuje také dýchání a fotosyntézu rostlin.

• Zamoření půdy patogeny – může nastat při používání odpadních vod bez předchozí úpravy.

Další nevýhody použití odpadní vody při zavlažování jsou:

• hnojiva mohou za určitých podmínek vést k nadměrnému vegetativnímu vývoji s negativním dopadem na jakost plodin,

• při použití kalů jako organického hnojiva může dojít ke snížení obsahu vody v půdě

• pro hospodaření s odpadní vodou je problém zimní období, kdy se nezavlažuje.

Výhody využití odpadních vod v zemědělství

Racionální využívání odpadních vod v zemědělství má mnoho ekonomických výhod, z nichž nejdůležitější jsou:

• odstranění problémů souvisejících s produkcí odpadních vod;

• snížení nákladů na zajištění vody pro zavlažování v oblastech, kde jsou jiné zdroje vody vzácné;

• částečné doplňování zdrojů podzemní vody, zvedání jejich hladiny;

• je k dispozici technické a ekonomické řešení pro biologické čištění odpadních vod;

• umožňuje rozšíření zavlažovaných ploch i v zónách s menším počtem zdrojů vody;

• přispívá ke zvýšení výnosu;

• je to způsob hnojení půdy;

• zpřístupňuje rostlinám živiny nacházející se v této vodě;

• nabízí možnost snížení používání drahých hnojiv; odpadní voda z farem s chovem hospodářských zvířat je velmi dobrým dusíkatým-draslíko-fosforovým hnojivem

• prvky jsou rostlinami snadno přijímány;

• na nestrukturovaných půdách zlepšuje zavlažování pomocí odpadních vod z celulózového průmyslu, strukturu půdy, a tím zvyšuje propustnost vody.

Ochrana půdy při zavlažování odpadními vodami

Opatření na ochranu půdy zavlažované odpadními vodami ukládají:

• přepravu a distribuci vody je třeba provádět pečlivě;

• množství vody používané racionálně vypočítat;

• čištění odpadní vody by mělo být provedeno před jejím použitím v zavlažování;

• obsah toxických chemikálií a patogenů by měl být pod doporučenými limity;

• koncentrace solí by měla být v normálních mezích, aby neměly negativní vliv na fyzikální a chemické vlastnosti půdy, růst rostlin a výnos;

• pH by mělo být mezi 6,5 a 8,5;

• zavlažování odpadní vodou by mělo zohledňovat celkové množství látek ve vodě, fyzikální a chemické vlastnosti půdy, závlahový režim, hladinu podzemní vody, závlahový plán a okamžik sklizně;

• provádět pravidelné odvodňování zavlažovaných polí;

• pole využívaná k zavlažování odpadními vodami by měla mít mírný sklon s dobrou propustností půdy a nebýt v blízkosti vodního zdroje;

• aby se předešlo sekundárnímu zasolení, zavlažování by se mělo provádět jednou za dva vegetační roky a odpadní voda by měla být zředěna čistou vodou v poměru 1/2 až 1/5.

Zdroje

1. Singh, A. A review of wastewater irrigation: Environmental implications, Resources, Conservation and Recycling, 168, 2021, 105454, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105454

2. Qadir, M., Wichelns, D., Raschid-Sally, L., McCornick, P.G., Drechsel, P., Bahri, A., Minhas, P.S. The challenges of wastewater irrigation in developing countries, Agricultural Water Management, 97, 2010, 561-568, https://doi.org/10.1016/j.agwat.2008.11.004.

3. Hashem, M.S.; Qi, X. Treated Wastewater Irrigation—A Review. Water 2021, 13, 1527, https://doi.org/10.3390/w13111527.

4. Al Omron, A.M.; El-Maghraby, S.E.; Nadeem, M.E.A.; El-Eter, A.M.; Al-Mohani, H. Long term effect of irrigation with the treated sewage effluent on some soil properties of Al-Hassa Governorate, Saudi Arabia. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 2012, 11, 15–18, https://doi.org/10.1016/j.jssas.2011.04.004.

5. Li, B.; Cao, Y.; Guan, X.; Li, Y.; Hao, Z.; Hu, W.; Chen, L. Microbial assessments of soil with a 40-year history of reclaimed wastewater irrigation. Science of the Total Environment, 2019, 651, 696–705, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.193.