Plovoucí ostrovy jako přírodě blízká technologie pro zlepšení kvality vody

Autoři:  prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc., Ing. Marcela Pavlíková, Ph.D., Ing. Eliška Maršálková, Ph.D.

 Botanický ústav AVČR, v.v.i., oddělení experimentální fykologie a ekotoxikologie, Lidická 25, 602 00 Brno

 

Poděkování: Tato práce vznikla v rámci projektu NAKI III DH23P03OVV063 Autonomní systémy pokročilých a přírodě blízkých opatření pro režim péče a zlepšení kvality vody v památkách zahradního umění

 

Plovoucí ostrovy ve vodních nádržích či ve vodních tocích slouží nejen jako okrasný prvek, ale jejich významná funkce spočívá ve zlepšení kvality vody prostřednictvím vodní vegetace, která je v nich umístěná. Tato makrofyta pomáhají svým kořenovým systémem a na něm narostlém bakteriálním biofilmu snižovat živinovou zátěž nádrží (Huth et al., 2021; White, 2021, Karstens et al., 2021 aj.), ale i redukovat případný obsah kovů (Nawaz et al., 2020), pesticidů (Pavlidis et al., 2022), farmak (Yadav et al., 2021) a dalších toxických látek z průmyslových odpadních vod (Tara et al., 2021). Zároveň pomáhají plovoucí ostrovy okysličovat vodní sloupec, poskytují ptákům a jiným vodním živočichům ideální stanoviště a stín. Konstrukce plovoucího ostrovu je tvořena lehkým plovoucím materiálem často syntetického původu (Karstens et al., 2021), např. polyetylentereftalát, polystyren, polyuretan, polypropylen, pěna z polyvinyl alkoholu, ale v současnosti jsou v zahraničí,  ojediněle i v ČR, k vidění i zcela přírodní verze. Na plovoucí části je umístěna mřížka – síť,  syntetického či přírodního původu, do níž se osazují vodní rostliny.

Komerčně se začínají plovoucí ostrovy v České republice nabízet v různých formách, například jako samotná polypropylenová geomřížka určená k osázení vodními rostlinami. Tyto verze je potřeba zvažovat z hlediska životnosti, především při letních bouřkách, podzimním vlnobití a zimních mrazech.  Další typy plovoucích ostrovů nabízejí firmy dle způsobu použití pro konkrétní vodní plochy včetně jejich instalace. Jedním z typů plovoucího ostrovu jsou mokřadní ostrovy určené k dočištění odpadních vod (Afzal et al., 2019). Pro náročnější podmínky je pro ostrovy volen syntetický materiál, který není snadno degradovatelný. Dalším typem ostrovů prodávaným v České republice jsou plovoucí ostrovy z přírodě blízkých materiálů, které jsou určené ke zlepšení kvality vod v nádržích.

V zahraničí plovoucí ostrovy nabízí např. http://www.aquabiofilter.com k dočišťování vody odpadní, dešťové, dále vody z akvakultur, rybníků, přehrad a jezer. Uvádí se zde snížení obsahu celkového dusíku o 40 – 80 %, celkového fosforu o 50 – 80 %, celkové rozpuštěné látky 50 – 80 %, ChSK o 50 – 99 %, BSK o 50 – 99 %, chlorofylu o 50 – 100 %, nárůst průhlednosti o 50 – 252 %, pokles obsahu kovů o 50 – 95 % a patogenů o 50 – 90 %. Dočišťování dešťových vod plovoucími ostrovy sleduje např. Schwammberger, 2019, Hartshorn et al., 2016 či Winston et al., 2013.  Schwammbergerovi, 2019 se podařilo pomocí plovoucích ostrovů odstranit značné množství dusíku i fosforu. K dočišťování používaná rostlina Carex appressa akumulovala i vysoká množství hliníku, železa a manganu (Schwammberger, 2019). Phragmites australis akumuloval chrom a nikl a ve srovnání s ostatními sledovanými druhy rostlin obsahovaly značné koncentrace kovů kořeny (Cule et al., 2021), rostlina Canna indica akumulovala v kořenech nikl a rostliny Alissma plantago-aquatica, Menianthes trifoliata a Iris sibirica chrom. Karsten et al., 2021 využila pro plovoucí ostrovy rostliny Bolboschoenus maritimus, Carex acutiformis, Iris pseudacorus, Juncus effesus, Lythrum salicaria, Schoenoplec-tus lacustris a Typha latifolia. Tato makrofyta byla zajímavá i proto, že snášela fluktuující salinitu, která je také klíčovým faktorem při výběru vodních rostlin zejména za účelem osázení plovoucích ostrovů (Du et al., 2021). Z nutrientů nejvíce odstranila fosfor kyprej vrbice (Lythrum salicaria) a dusíkaté látky odstranil nejvíce  Kosatec žlutý (Iris pseudacorus), což jsou také esteticky zajímavé rostliny do plovoucích ostrovů. Winston et al., 2013 zaznamenal, že koncentrace N, P, K v rostlinách byly vyšší pod rohoží plovoucího ostrovu a nad ní byly nižší, a dále, že stačí minimální procentuální pokrytí vodní hladiny plovoucími ostrovy, aby se zlepšil obsah celkového fosforu a celkových rozpuštěných látek. Interakce mezi nutrienty, chlorofylem-a a mikrocystiny v dešťových vodách s plovoucími ostrovy sledoval Hartshorn et al. (2016). Koncentrace mikrocystinů negativně korelovaly s koncentracemi nutrientů obsažených v dešťových vodách. Celkový fosfor byl dominantním nutrientem v korelaci s koncentracemi mikrocystinů. Hartshorn však zaznamenal, že sinice mohou být pro plovoucí ostrovy problematické z hlediska zbytkového toxinu. Messer et al. (2022) prokázal v experimentech s plovoucími ostrovy v mezokosmech úspěšné odstraňování N-NO₃. Zabýval se i vlivem změny obsahu uhlíku na odstranění dusičnanů, avšak nezaznamenal významné změny. Další obohacování plovoucích ostrovů, tentokrát o železo (donor elektronů pro redukci N-NO₃) sledoval Qin S et al. (2021). Během 2 týdnů se podařilo zvýšit odstranění N-NO₃ na 98 % a 44 %, zatímco u N-NH₄ nebyla pozorována změna. Zvýšil se podíl bakterií souvisejících s cykly železa. Výpočtem dusíkové bilance Qin zjistil, že hlavním způsobem denitrifikace byla mikrobiální denitrifikace a rostliny obsah redukovaly devíti procenty.

Plovoucí ostrovy se začínají testovat i na zlepšení jejich čisticích schopností vody podpořením a rozšířením bakteriální činnosti. Tara et al., 2021 analyzovali metabolity produkované během degradace azobarviv, která se vypouští do životního prostředí a můžou mít toxické (i karcinogenní a mutagenní) účinky na exponovanou faunu a flóru. Rákos Phragmites australis dokázal v plovoucích ostrovech v přítomnosti bakterií Acinetobacter junii, Pseudomonas indoloxydans a Rhodococcus sp. úspěšně degradovat barviva na nejméně 20 různých metabolitů a úspěšně odstranit 95,5 % barviva z vody. Test na rybách dokonce odhalil netoxické vlastnosti metabolitů produkovaných po degradaci barviva, studie proto naznačuje, že bakteriálně podporované plovoucí ostrovy by mohly zlepšit procesy čištění textilních odpadních vod (Tara et al., 2021).

Afzal et al. (2019) sledoval využití plovoucích čisticích mokřadů k čištění odpadních vod (směs komunální a průmyslové odpadní vody). V experimentu se podařilo snížit ChSK nejvíce o 79 %, BSK nejvíce o 88 % a bylo odstraněno maximálně 65 % celkových rozpuštěných látek, přičemž nejlepší výsledky byly patrné v druhém a třetím roce. Odstraněním agrochemikálií prostřednictvím plovoucích ostrovů se zabýval Pavlidis et al. (2022). Pozorovaná redukce nutrientů se pohybovala v rozmezí 27 – 83 % a redukce pesticidů byla v rozmezí 12 – 42 %. Vysoké teploty a sluneční záření zde zlepšovaly podíl odstranění kontaminantů.

 V zahraničí se technologiím plovoucích ostrovů intenzivně věnuje mnoho výzkumných záměrů, je vypisováno mnoho grantů nejen na jejich studie, ale i realizace, plovoucí ostrovy jsou jako ekotechnologie proto početně realizovány např. v USA. Zde poskytuje agentura pro ochranu životního prostředí granty na vývoj a realizaci mokřadů, Australská vláda financovala projekt zlepšení kvality vody v parku Harrington za účelem instalace plovoucího mokřadu na vodní plochu, realizovali také projekt největšího plovoucího mokřadu v Austrálii Parklakes 2 Sunshine Coast, určeného pro čištění dešťové vody. Mnoho realizačních projektů této ekotechnologie existuje i v dalších zemích jihovýchodní Asie, včetně Indie či Číny, zde plovoucí ostrovy využívají na čištění odpadních vod.

V našem projektu budeme sledovat efekty plovoucích ostrovů v mezokosmech a v dalších letech budeme instalovat technologii plovoucích ostrovů na přítok do Průhonického parku.

 

Zdroje literatury:

Afzal, M., Arslan, M., Müller, J.A. et al., 2019. Floating treatment wetlands as a suitable option for large-scale wastewater treatment. Nat Sustain 2, 863–871. Available at: https://doi.org/10.1038/s41893-019-0350-y

Cule, N., Lucic, A., Nesic, M., Veselinovic, M., Mitrovic, S., Sredojevic, Z., Brašanac-Bosanac, Lj., 2021. Accumulation of chromium and nickel by Canna indica and decorative macrophytes grown in floating treatment wetland. Fresenius Environmental Bulletin, Vol. 30, No. 06B/2021, 7881-7890. Available at: https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:000670303700079Du, J., Li, Q., 

Hartshorn N, Marimon Z, Xuan Z, Cormier J, Chang NB, Wanielista M., 2016. Complex interactions among nutrients, chlorophyll-a, and microcystins in three stormwater wet detention basins with floating treatment wetlands. Chemosphere. 144:408-19. Available at: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2015.08.023 .

Huth, I., Christopher W., Ramraj K. a Terry L., 2021. Using Constructed Floating Wetlands to Remove Nutrients from a Waste Stabilization Pond. Water. 13(13): Available at  https://www.mdpi.com/2073-4441/13/13/1746

Karstens, S & Langer, M & Nyunoya, H & Čaraitė, I & Stybel, N & Razinkovas-Baziukas, A & Bochert, R., 2021. Constructed floating wetlands made of natural materials as habitats in eutrophicated coastal lagoons in the Southern Baltic Sea. Journal of Coastal Conservation. Available at: https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:000670273300001

Messer, T. L., Miller D., N., Little, H., Oathout, K., 2022. Nitrate-N removal rate variabilities in floating treatment wetland mesocosms with diverse planting and carbon amendment designs, Ecological Engineering, Volume 174, 2022, available at: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2021.106444

Nawaz, N., Shafaqat A., Ghulam S., et al., 2020. Bacterial Augmented Floating Treatment Wetlands for Efficient Treatment of Synthetic Textile Dye Wastewater. Sustainability. 12(9) Available at: https://www.mdpi.com/2071-1050/12/9/3731

Pavlidis, G., Zotou, I., Karasali, H., Marousopoulou, A., Bariamis, G., Tsihrintzis, V.A., Nalbantis, I., 2022. "Performance of Pilot-scale Constructed Floating Wetlands in the Removal of Nutrients and Pesticides," Water Resources Management: An International Journal, Published for the European Water Resources Association (EWRA), Springer;European Water Resources Association (EWRA), vol. 36(1), pages 399-416, January. Available at: https://link-springer-com.libproxy.viko.lt/article/10.1007/s11269-021-03033-9

Qin S, Zhang X, He S, Huang J., 2021, Improvement of nitrogen removal with iron scraps in floating treatment wetlands. Environ Sci Pollut Res Int. Apr;28(14):17878-17890. doi: 10.1007/s11356-020-12177-x. Epub 2021 Jan 5. PMID: 33398766.

Schwammberger, P., L. Terry, Walker C.,Trueman, S., 2019. Nutrient uptake by constructed floating wetland plants during the construction phase of an urban residential development. Science of The Total Environment. Available at: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.04.341

Tara N, Iqbal M, Habib FE, Khan QM, Iqbal S, Afzal M, Brix H. Investigating degradation metabolites and underlying pathway of azo dye "Reactive Black 5" in bioaugmented floating treatment wetlands, 2021. Environ Sci Pollut Res Int.;28(46):65229-65242. Available on: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34231138/ .

Wang, C., Sample, D., J., Day, S., D., Grizzard, T., J., 2015. Floating treatment wetland nutrient removal through vegetation harvest and observations from a field study,Ecological Engineering,Volume 78, ,Pages 15-26,ISSN 0925-8574, Available at: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2014.05.018

White, Sarah A., 2021. Plant Nutrient Uptake in Full-Scale Floating Treatment Wetlands in a Florida Stormwater Pond: 2016–2020. Water 13(4). Available at: https://www.mdpi.com/2073-4441/13/4/569

Winston, R, Hunt, W., F., Kennedy, S., G., Merriman, L., S., Chandler, J., Brown, D., 2013. Evaluation of floating treatment wetlands as retrofits to existing stormwater retention ponds,Ecological Engineering,Volume 54,Pages 254-265,ISSN 0925-8574,

Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925857413000384

Yadav N, Govindwar SP, Rane N, Ahn HJ, Xiong JQ, Jang M, Kim SH, Jeon BH. Insights on the role of periphytic biofilm in synergism with Iris pseudacorus for removing mixture of pharmaceutical contaminants from wastewater, 2021. J Hazard Mater. 418:126349. Available at https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389421013133?via%3Dihub .