ABSTRAKT

Šedá vodní stopa představuje hypotetické množství vody potřebné k naředění znečištění ve vodním prostředí na přijatelnou mez „bez účinku“. V této studii se zkoumá šedá vodní stopa tzv. mikropolutantů (někdy označovaných jako látky vzbuzující obavy – Contaminants of Emerging Concern, CECs) v porovnání s běžně monitorovanými látkami, jako jsou živiny a organické znečištění, v odpadních vodách. Byly analyzovány 24hodinové vzorky odebrané z největší čistírny odpadních vod (ČOV) v Indonésii, která používá systém stabilizačních nádrží. Šedá vodní stopa byla vypočítána pro 12 mikropolutantů a šest látek běžně sledovaného znečištění. Nejvyšší hodnotu šedé vodní stopy na odtoku z ČOV měla BSK5 (13,5 l/l). Nejvyšší hodnotu z mikropolutantů na odtoku z ČOV měl Fluoxetine (0,08 l/l). Při použití jiných publikovaných hodnot PNEC dosáhl Fluoxetine hodnot šedé vodní stopy vyšší než BSK5. Nejvyšší hodnotu šedé vodní stopy na přítoku na ČOV měl Ibuprofen (210,4 l/l), ale tato látka byla v ČOV účinně odstraněna.

ÚVOD

Vodní stopa se od svého uvedení v roce 2002 [1] stala populárním nástrojem posuzování užívání vody lidskou společností. V obecné rovině představuje vodní stopa posuzovaného produktového systému přímou i nepřímou spotřebu vody pro produkci nějakého výrobku, služby nebo procesu, a to v celém jeho životním cyklu [2]. Vodní stopa se skládá ze tří složek označovaných „barvami“. Modrá vodní stopa představuje množství vody odebrané z vodních zdrojů a spotřebované během životního cyklu posuzovaného produktového systému. Zelená vodní stopa představuje množství dešťových srážek (např. ve formě půdní vody) spotřebovaných během životního cyklu posuzovaného produktového systému. Obvykle je významná v agrosystémech a u potravinářských produktů. A nakonec je šedá vodní stopa, která představuje množství vody potřebné k naředění vypouštěného znečištění během životního cyklu z posuzovaného produktového systému.

Produkce odpadních vod je neodmyslitelně spojena jak s lidskými sídly, tak s průmyslovou výrobou. Pro zajištění environmentálních standardů kvality vod přijímají jednotlivé státy legislativu, která reguluje vypouštění odpadních vod. Tato legislativa obvykle předepisuje takové limity, jež vyvolávají potřebu budování ČOV. Výpočet šedé vodní stopy odpadních vod byl v minulosti předmětem řady studií zaměřených např. na účinnost ČOV [3] či porovnání různých systémů ČOV [4]. Tyto studie se obvykle soustředí na posuzování „běžného“ znečištění vyjádřeného parametry biochemické spotřeby kyslíku (BSK5), chemické spotřeby kyslíku (CHSK), celkového fosforu (TP) a celkového dusíku (TN). Různé studie pak přidávají i další látky, jako např. dusičnanový dusík [5], celkový kyslík [6] apod.

V posledních letech se v odborné komunitě začala diskutovat otázka tzv. mikropolutantů, tj. látek obvykle antropogenního původu, které se vyskytují v životním prostředí ve velmi nízkých koncentracích a jež jsme schopni detekovat až s příchodem nových detekčních technik, jako je LC-MS/MS [7]. Jejich chování v životním prostředí však není dosud dostatečně prozkoumáno, a proto hrozí riziko nepříznivých účinků těchto látek na životní prostředí a ekosystémy i při velmi nízkých koncentracích. Tyto látky jsou někdy označovány jako emergentní – ve smyslu nové – polutanty či látky/kontaminanty/polutanty vzbuzující obavy (CECs). Typickými představiteli těchto látek jsou farmaka, průmyslové a zemědělské chemikálie, látky osobní péče apod. [8]. Mikropolutantům se věnovalo i několik studií šedé vodní stopy znečištění vypouštěného z ČOV. Těchto studií je zatím spočitatelně málo, jelikož vědci se dosud soustřeďovali zejména na popis výskytu a chování těchto znečišťujících látek v životním prostředí [9, 10].

Pravděpodobně první studií, která kvantifikovala šedou vodní stopu mikropolutantů, je španělská studie 12 ČOV [11]. Tato studie víceméně definovala postup, jak posuzovat mikropolutanty prostřednictvím šedé vodní stopy. Zároveň ovšem poukázala na možnost, že mikropolutanty mohou mít vyšší šedou vodní stopu než běžně sledované znečištění. Toto zjištění nebylo ještě žádnou další studií potvrzeno, ale ani žádná další studie neprokázala, že by zjištění bylo spíše výjimkou. Jedním z důvodů je právě skutečnost, že v odpadních vodách se obvykle nesledují zároveň běžné znečišťující látky i mikropolutanty. Pokud víme, jedinou další studií porovnávající šedou vodní stopu běžných znečišťujících látek a mikropolutantů je studie ČOV Dolní Kralovice v povodí VN Švihov [12], kde však šedá vodní stopa běžných znečišťujících látek výrazně převyšovala hodnoty šedé vodní stopy mikropolutantů. Cílem naší studie je rozšířit zatím velmi skrovnou literaturu zabývající se porovnáním šedé vodní stopy běžných znečišťujících látek a mikropolutantů.

DATA A METODY

Zájmová ČOV

Centrální ČOV Bandung se nachází v Bojongsoang (obr. 1) a má efektivní kapacitu 40 000 m3 za den [13]. Jde o největší ČOV v Indonésii. Odpadní vody jsou vypouštěny do řeky Citarum, největší řeky v provincii Západní Jáva a zároveň jedné z nejznečištěnějších řek v jihovýchodní Asii [14]. Proces čištění na ČOV je dvoustupňový. První stupeň spočívá ve fyzikálních/mechanických procesech zahrnujících česle, síta a primární sedimentaci. Druhý stupeň využívá systém stabilizačních nádrží sestávající z anaerobních, oxidačních a dosazovacích nádrží, v nichž probíhají biologické procesy čištění odpadních vod. Anaerobní a oxidační nádrže jsou určeny ke snížení biochemické spotřeby kyslíku (BSK5), dosazovací nádrže slouží především pro terciární úpravu [15]. Schéma ČOV Bandung je uvedeno na obr. 2.

Obr. 1. ČOV Bandung
Fig. 1. Bandung WWTP
Obr. 2. Schéma ČOV Bandung
Fig. 2. Diagram of Bandung WWTP

Pro tuto studii byla použita data publikovaná v článku o odběru a zpracování vzorků na ČOV Bandung [16]. 24hodinové slévané vzorky analyzované ve studii byly odebírány každou hodinu pomocí vertikálních vzorkovačů do Van Dornových lahví mezi 7:00 18. června 2019 a 6:00 19. června 2019. Pro studii šedé vodní stopy byly použity údaje o kvalitě vod na přítoku do ČOV a na odtoku z ČOV.

Výpočet šedé vodní stopy

Šedá vodní stopa jednotkového objemu odpadní vody se počítá pro každou znečišťující látku pomocí rovnice 1:

 

Pro mikropolutanty dojde k úpravě rovnice v souladu s postupem popsaným Martínez-Alcalá [11]:

kde:

 

GWFi          je       šedá vodní stopa látky i

Li                            množství vypouštěného znečištění i

cmax,i                    maximální povolená koncentrace látky i ve vodním prostředí (environmentální standard)

cnat,i                      přirozená pozaďová koncentrace látky i ve vodním prostředí; pro antropogenní látky = 0

ci                             koncentrace látky i v odpadních vodách

Q                             průtok vypouštěné odpadní vody; s ohledem na cíle studie byla uvažována hodnota Q = 1

PNECi                    koncentrace látky i, pod kterou není předpokládán žádný nepříznivý účinek expozice v ekosystému

Hodnoty předpokládané koncentrace bez účinku byly převzaty z databáze NORMAN [17]. Hodnoty pro cmax a cnat použité pro výpočet dle rovnice 1 i hodnoty PNEC pro výpočet dle rovnice 2 uvádí tab. 1.

Tab. 1. Hodnoty cmax, cnat a PNEC použité pro analýzu
Tab. 1. Values of cmax, cnat and PNEC used in analysis

Šedá vodní stopa ČOV je určena látkou s nejvyšší hodnotou:

kde

GWF          je     šedá vodní stopa ČOV

GWFi                 šedá vodní stopa látky i na ČOV

 

 VÝSLEDKY A DISKUZE

Souhrnné výsledky uvádí tab. 2. Nejvyšší hodnotu šedé vodní stopy běžných znečišťujících látek na přítoku do ČOV i odtoku z ČOV má ukazatel BSK5, u něhož klesla hodnota GWF z 45 l/l na 13,5 l/l (přítok → odtok). Nepotvrdila se tak zjištění předchozích studií [5, 11], že šedou vodní stopu na odtoku z ČOV obvykle určuje celkový fosfor. Je pravděpodobné, že tento jev je typický pro ČOV založené na systému stabilizačních nádrží, zatímco předchozí studie zkoumaly mechanicko-biologické ČOV. BSK5 má celkově nejvyšší hodnotu šedé vodní stopy na odtoku ze všech sledovaných látek (obr. 3).

Tab. 2. Koncentrace a šedá vodní stopa běžného znečištění a mikropolutantů
Tab. 2. Concentrations and Grey Water Footprint of conventional pollution and micropollutants
Obr. 3. Šedá vodní stopa – odtok z ČOV Bandung
Fig. 3. Grey water footprint – Bandung WWTP effluent

Nejvyšší hodnotu na odtoku mělo ze sledovaných mikropolutantů antidepresivum Fluoxetine (0,08 l/l). Celková hodnota jeho šedé vodní stopy je dána zejména nízkou hodnotou PNEC 100 ng/l. V literatuře z nedávné doby lze najít i výrazně přísnější hodnoty, např. 0,0291 ng/l [18] z roku 2022 či 3 ng/l [19] a 10,8 ng/l [20] z roku 2019. V případě PNEC 0,0291 ng/l by hodnota šedé vodní stopy Fluoxetine byla 274,9 l/l, což je 20x vyšší než hodnota šedé vodní stopy běžných znečišťujících látek. Lze potvrdit, že hodnota šedé vodní stopy je mimořádně citlivá na volbu hodnoty PNEC, resp. cmax. Zjištění Martínez-Alcalá [11], že mikropolutanty mohou být určující pro celkovou šedou vodní stopu vypouštěného znečištění z ČOV zatím nelze jednoznačně potvrdit. Teprve další výzkum toxicity mikropolutantů ukáže, zda jsou tyto látky i přes svoje minimální koncentrace v odpadních vodách rozhodující pro vodní stopu. Použití PNEC uveřejněných v databázi NORMAN namísto použití jiných hodnot lze doporučit ze tří hlavních důvodů:

Jde o hodnoty diskutované odborníky sdruženými v NORMAN.

Hodnoty jsou periodicky revidovány/aktualizovány.

K dispozici jsou hodnoty pro většinu známých mikropolutantů.

Mírně odlišná situace nastává u nečištěných odpadních vod na přítoku do ČOV (obr. 4). Absolutně nejvyšší šedou vodní stopu má Ibuprofen (210,5 l/l), což je způsobeno velkou koncentrací této látky na přítoku do ČOV a zejména mimořádně nízkou hodnotou PNEC 11 ng/l. Podobně nízké hodnoty PNEC však uvádějí i další autoři [19, 21]. Stejně tak potvrzují jiní autoři i vysoké koncentrace Ibuprofenu v komunálních odpadních vodách [22]. Ibuprofen je obvykle velmi dobře odbouráván systémem stabilizačních nádrží, takže na odtoku z ČOV nebyla tato látka zaznamenána. Vysokou míru odstraňování Ibuprofenu na ČOV potvrzují i další studie [23]. Celková redukce šedé vodní stopy na ČOV tak dosáhla 93,59 %. Taková hodnota redukce nebyla zatím zaznamenána v žádné studii zabývající se redukcí šedé vodní stopy na ČOV.

Obr. 4. Šedá vodní stopa – přítok na ČOV Bandung
Fig. 4. Grey water footprint – Bandung WWTP influent

Tab. 3 zobrazuje porovnání šedé vodní stopy mikropolutantů z různých studií. Vyplývá z ní, že dosavadní studie se velmi liší v rozsahu sledovaných mikropolutantů i v hodnotách jejich šedé vodní stopy. Může to mít řadu důvodů. Jednak to může být způsobeno rozdílnou hodnotou PNEC použitou pro výpočet šedé vodní stopy, dále vysokou variabilitou přítomnosti mikropolutantů v odpadních vodách a nakonec také rozdílnými analytickými metodami po­užitými pro stanovení mikropolutantů v odpadních vodách. To lze doložit na dvou studiích z evropských ČOV [24, 25], kdy jedna sada vzorků byla analyzována dvěma odlišnými metodami a pro tři látky, které byly analyzovány oběma metodami, jsou k dispozici rozdílné výsledky.

Tab. 3. Porovnání hodnot v studiích šedé vodní stopy mikropolutantů na ČOV
Tab. 3. Comparison of values presented in studies of GWF of micropollutants at WWTPs

Při interpretaci výsledků studie je třeba uvažovat několik jejích omezení. V prvé řadě jde o studii založenou na jednodenních vzorcích, která nemusí postihovat časovou variabilitu složení odpadních vod. Dále je třeba vzít v úvahu, že se jedná o studii ČOV využívající systém stabilizačních nádrží, jenž např. v podmínkách střední Evropy není příliš rozšířený z důvodu vysokých nároků na plochu a nižší efektivity čištění. Za třetí je do studie zahrnuta ČOV v Indonésii, kde panují jiné klimatické podmínky, jež ovlivňují biologické procesy čištění odpadních vod. V neposlední řadě je třeba si uvědomit, že řada mikropolutantů, jako např. farmaka, jsou biologicky aktivní látky, které mají schopnost ovlivnit necílové organismy. Odpadní vody obsahují pestrou směs těchto látek, v nichž mohou jednotlivé mikropolutanty vzájemně reagovat a metabolizovat. Princip šedé vodní stopy je však postaven na myšlence posouzení jednotlivých znečišťujících látek a pro mikropolutanty by bylo vhodnější uvažovat směsi [24, 26].

ZÁVĚRY

Provedená studie doplňuje dosud velmi skrovnou literaturu porovnávající šedou vodní stopu standardně monitorovaných chemických parametrů s mikropolutanty vypouštěnými z ČOV. Studie potvrdila, že volba hodnoty PNEC je zásadní pro to, zda mikropolutanty mohou být určující pro hodnotu celkové šedé vodní stopy vypouštěného komunálního znečištění. Při použití hodnot PNEC dostupných v databázi NORMAN byly pro hodnotu šedé vodní stopy vyčištěných odpadních vod určující běžné znečišťující látky. Naopak v nečištěné odpadní vodě by mikropolutanty byly dominantní. Při použití hodnot PNEC, jež byly publikovány v posledních letech, by již mikropolutanty byly určujícím znečištěním i na odtoku z ČOV. Další výzkum ekotoxicity mikropolutantů je tak pro hodnocení šedé vodní stopy v praxi zásadní.

Poděkování

Autoři chtějí poděkovat Dr. Maryaně P. Astuty a doc. Lokeshi Padhyeovi z Univerzity v Aucklandu na Novém Zélandu za poskytnutá data. Dále chtějí poděkovat Dr. Haně Novákové z VÚV TGM za přípravu obr. 1.

Střet zájmů

Autoři prohlašují, že nejsou ve střetu zájmů.

Příspěvek prošel recenzním řízením.