Tehismärgalapuhasti

Tehismärgalapuhasti ehk märgalapuhasti on tehismärgala, mis jäljendab neid looduslike märgalade füüsikalisi või biokeemilisi protsesse, mille eesmärk on eemaldada reoveest või heitveest saasteaineid. Tehismärgalapuhastid jagunevad kahe põhitunnuse alusel: vee liikumise dünaamika ning taimestik. Hüdroloogilised omadused jagunevad omakorda kaheks ning taimestiku tunnused neljaks. Põhja kinnituvate taimede baasil jaotuvad tehismärgalapuhastid vee voolamise järgi vabaveelisteks ja pinnasisese voolamisega süsteemideks. Vabaveeline tehismärgalapuhasti on veesüsteem, kus vesi liigub läbi veesamba, mis on otse põhjasubstraadi kohal. Avatud veepind meenutab sood või raba. Pinnasisese läbivooluga tehismärgalapuhastites liigub suurem osa vett läbi poorse materjali. Vee voolusuund oleneb sisse-ja väljalaskeavade asukohtadest, mis võivad olla vertikaalselt või horisontaalselt vastastikku. Disainist tulenevalt on kõigi vabaveeliste tehismärgalapuhastite voolusuund horisontaalne. Pinnasisese läbivooluga süsteemis on võimalikud erinevad voolusuunad, millest kõige enam esineb horisontaalset ja vertikaalset allavoolu. Olemas on ka üles suunatud vooluga süsteemid, mille erinevatel variantidel vaheldub voolusuund üles ja alla. Materjali küllastatus või niiskustase on oluline pinnasisese vertikaalvoolu korral. Süsteemid, mille väljalase on vettpidav ning alusmaterjal pidevalt niisutatud, on pidevalt veega küllastatud. Selline substraat on ehitusest tulenevalt kõigil vabaveelistel, pinnasisese ning vertikaalse üles suunatud vooluga süsteemidel. Vertikaalse allavooluga tehismärgalapuhastid jooksevad enamasti ise tühjaks, kuna põhjas on pidevalt avatud väljalaskeava. On olemas ka vahepealsed süsteemid, kus alusmaterjali niiskustase varieerub perioodiliselt või aastaajati kasutusstrateegia või tsüklilise laadimise tõttu. Horisontaalse läbivooluga pinnasfiltrite puhul püütakse vältida pinna üleujutamist, sissevool võib olla aluspinna kohal või all. Vertikaalse allavooluga tehismärgalapuhasti hõlmab süsteeme, kus sissevoolu jaotus saavutatakse lühiajalise aluspinna üleujutamisega. Veealuse sissevooluga süsteemis kasutatakse torude võrku, et sissevool ühtlaselt aluspinna kohale jaotada, samas vältides tahtlikku üleujutamist. Kolmas sissevoolu laadimistüüp on sissevool põhjast, mis on omane vertikaalse üles suunatud vooluga tehismärgalapuhastitele. See klassifikatsioonitunnus puudutab ainult vabaveelisi süsteeme. Pinnasisese vooluga süsteemis kinnituvad veetaimed alati poorsele materjalile, kuna vaba veepinda on liiga vähe. Taimestiku alusel jaotuvad tehismärgalapuhastid veealuste taimedega (nt kanada vesikatk), põhja kinnituvate taimedega (harilik pilliroog, hundinuiad), ujulehtedega taimedega (nt lootosed, vesikupud, vesiroosid) ning ujuvate taimedega (lemle perekonda kuuluvad liigid, samuti troopikamaades vohav vesihüatsint) süsteemideks. Enamik veealuseid taimi on rohttaimsed makrofüüdid. Mõnedes ebastandardsetes tehismärgalapuhastite süsteemides domineerivad aga puitunud makrofüüdid. 1. Avaveeline tehismärgalapuhasti, domineerivad rohttaimsed makrofüüdid. 2. Ujuvate veetaimedega tehismärgalapuhasti, veepinnal kasvavad lisaks soontaimed. 3. Parvel ujuvate veetaimedega tehismärgalapuhasti, taimed kasvavad ujuval alusel. 4. Horisontaalse läbivooluga tehismärgalapuhasti pinnasisese laadimisega (tahtliku pinna üleujutamiseta). 5. Vertikaalse allavooluga tehismärgalapuhasti vaba äravooluga substraadi ning pinnasisese laadimisega (pinna üleujutamiseta). 6. Vertikaalse üles suunatud vooluga tehismärgalapuhasti, mille pinnal toimub üleujutamine väljavoolu tarbeks. 7. Kombineeritud tehismärgalapuhastis on voolusuund vahelduv, tihti on see perioodiliselt üles või alla suunatud. Vabaveelises tehismärgalapuhastis liigub suurem osa vett läbi veesamba, mis on põhjasubstraadi kohal. Rühm jaguneb kolmeks standardtüübiks: avaveelised, ujuvate veetaimede ning parvel ujuvate veetaimedega tehismärgalad. Avaveelises märgalapuhastis voolab vesi küllastunud substraadi kohal. Valdav taimestik on põhja kinnitunud rohttaimsed makrofüüdid. Seda tüüpi tehismärgalapuhastid on maailmas kõige enam levinud. Erinevad vabaveelised süsteemid erinevad standardist domineeriva taimestiku kasvuvormi poolest: puitunud veetaimed, veealused või hõljuvad makrofüüdid. Kõige tavalisem rakendus on reovee järelpuhastus. Süsteem töötab igas kliimas, kaasa arvatud väga külmades oludes. See puhastitüüp on levinud valik linnade, põllumajanduse ja tööstusliku sadevee puhastamiseks, kuna kannatab võrreldes pinnasisese vooluga süsteemiga suuremat juurdevoolu ning ajutisi veetaseme kõikumisi. Süsteemi kasutatakse tihti ka kaevandusvee ja põhjavee puhastamiseks ning nõrutamiseks. Avaveelist puhastit eelistatakse suurtel maa-aladel (rohkem kui 1 hektar), sest sellisel pindalal on pinnasisese vooluga tehismärgalapuhastites substraadiks kasutatav liiv või kruus liiga kallis ning takistab hüdraulikat. Avaveelisi süsteeme kasutatakse ka maastiku esteetiliseks ning ökoloogiliseks rikastamiseks. Kulud süsteemi ehitamiseks ning käigushoiuks on teiste tehismärgalapuhastitega võrreldes enamasti madalamad. Avaveeline märgala on vähem efektiivne fosfori sidumise ning külma kliimaga aladel ka hapnikku nõudvate protsesside osas. Need protsessid küll toimivad, kuid märkimisväärse efekti saamiseks on vaja väga suurt ala. Seda tüüpi tehismärgalapuhasti on vabaveeline, veevool enamasti horisontaalne, niisutus pidev, taimestik pigem vabalt hõljuv. Ujuva taimestiku tõttu on süsteem veesügavuse osas paindlikum ning taimede talumatus üleujutamise osas või veekolonni läbistamine ei ole tööd takistavad tegurid. Ujuvtaimedega tehismärgalapuhastit kasutatakse kõige enam linnade või tööstusliku heitvee puhastamiseks. Mõned süsteemid on ehitatud pidevalt juurdekasvava biomassi ärakoristamise lihtsustamiseks. Seda tüüpi tehismärgalapuhastite ehitus on paljudes riikides keelatud, kuna mõned süsteemides kasutatavad ujuvtaimed hakkavad vohama ning muutuvad umbrohuks. Ujuvuse tõttu on neid keeruline koguda, samas levivad nad üleujutuse või veelindudega väga hästi. Kolmandas puhastitüübis hõljuvad veetaimed tiigi pinnal inimese ehitatud matil või parvel. Voolusuund on horisontaalne, sisse- ning väljavool on horisontaalselt lahus. Süsteem talub vertikaalseid veetaseme kõikumisi tänu ujuvstruktuurile, millel kasvavad taimed ei taluks muidu sügavat veetaset. Vesi voolab läbi ujuva mati ja juurtel oleva biofilmi, mis on vees mati all. Süsteem sobib kõikuva voolurežiimiga äravoolu korral, nagu linnade sadevesi, torustike üleujutused ning põllumajanduse äravool. Põhjus on kõikuvate ja sügavate veetasemete taluvus. Hõljuvate veetaimedega tehismärgalapuhasti on kohaldatav olemasolevate veesüsteemide efektiivsuse parandamiseks: see lisatakse puhvertiigina näiteks enne linna reovee intensiivpuhastit. Lisatud puhasti kogub sadevett, kindlustab vee jõudmise põhilisse puhastusjaama, kannab pidevat sissevoolu edasi ning redutseerib süsivesinikke, kogudes rasvakihi enda pinnale. Üks potentsiaalne kasutusala on töötavate stabilisatsioonitiikide efektiivsuse parandamine. Juurte biofilm on lisa-kasvupind ning filtreerib osakesi, ujuvmatt võib pakutava varju tõttu takistada ka vetikplanktoni kasvu. Puhastit on kasutatud ka eutroofsete järvede ja veereservuaaride puhastamisel. Siia kuuluvad kõik tehismärgalapuhastid, kus suurem osa vett voolab läbi poorse filterkeha, milles toimub enamik puhastusprotsesse. Põhiline erinevus võrreldes vabaveeliste märgalapuhastitega on pinnasefilter. Vastavalt sissevoolu laadimise tüübile (katmata üleujutamine või kaetud dispersioon substraadi pinna all) või töörežiimile võib süsteemi pinna üleujutamine olla lühiajaline või pidev, kuid enamik puhastamist toimub siiski poorses filterkehas. Pinnasisese vooluga süsteemid jagunevad voolusuuna järgi horisontaal- ning vertikaalvoolulisteks. Seda tehismärgalapuhasti tüüpi iseloomustab horisontaalvool ning rohttaimsete makrofüütidega katte all olev sissevooluava. Süsteem on tüüpiliselt ääristatud kruusa, liiva või mullaga. Vee sisse-ja väljavool on horisontaalselt vastastikku ning reovesi voolab pinna alt läbi taimede risosfääri. Pinnasfiltreid iseloomustab hapniku ja bakterite olemasolu risosfääris, suur adsorptsioonipind ning pikad viibeajad . Sellised süsteemid on üldiselt väiksema pindala (<0,5 ha) ning suurema hüdraulilise koormusega kui vabaveelised tehismärgalapuhastid. Risoomi arenemine ja kasv võivad aja jooksul (u paar aastat pärast süsteemi rajamist) parandada pinnasfiltri puhastusefektiivsust, kuna suureneb juurte kaudu edasi kanduva hapniku hulk. Horisontaalse pinnasisese vooluga tehismärgalapuhasteid kasutatakse enamasti esmase või teisese töötluse läbinud heitvee puhastamiseks. Tihti kasutatakse neid väikestes kohapealsetes süsteemides, kus puhastile järgneb septikupaak. On ka spetsiifilisi rakendusi tööstusliku reovee ning happelise kaevandusvee käitlemiseks. Üldiselt rakendatakse neid süsteeme väiksemate vooluhulkade puhul kui vabaveelisi tehismärgalapuhasteid hinna ning filtri veevoolu takistamise tõttu. Süsteem töötab külmemates tingimustes kui vabaveeline puhasti, sest pealmine pind on isoleeritav ning substraat tagab soojuspuhvri. Vertikaalse allavooluga tehismärgalapuhastis voolab vesi vertikaalselt läbi poorse filterkeha (liiv või kruus), mis pole enamasti veega küllastunud ning millel on vaba äravool. Euroopas kasutatavad taimed on enamasti rohttaimsed makrofüüdid (nt harilik pilliroog). Filterkeha koosneb erineva hüdraulilise juhtivusega filtermaterjali kihtidest. Alumisel kihil on kõige suurem hüdrauliline juhtivus, et tagada allapoole imbunud vee kiire äravool. Pealmine kiht on aga madala hüdraulilise juhtivusega. Pinna üleujutamist või pinnasisese vedeliku paljastumist aitab vältida graanulmaterjali sees või isoleeriva multšikihi all olev torustik, mis jaotab voolu ühtlaselt üle süsteemi pealmise kihi. Alumine kiht koosneb enamasti suureteralisest materjalist ja augulisest torustikust, mida ventileeritakse mõnikord, et parandada substraadi passiivset aeratsiooni. Euroopas kasutatakse neid esmase setitusega reovee sekundaarseks puhastamiseks. Tänu suuremale aereerimisvõimele kasutatakse süsteemi prügila nõrgvee ning põllumajandusliku heitvee puhastamiseks. Vertikaalse läbivooluga pinnasfiltreid võib kasutada iseseisva puhastussüsteemina või kombineerituna horisontaalse läbivooluga pinnasfiltrite ning vabaveeliste tehismärgalasüsteemidega. Süsteem sarnaneb vertikaalse allavooluga tehismärgalapuhastiga, põhiline erinevus on ülespidine voolusuund. Standardtüübil on alati veega küllastunud pinnas ja pidevalt üleujutatud pind isegi juhtudel, kui väljavoolutorud on paigutatud nii, et pealmise pinna üleujutust vältida. Reovesi voolab süsteemi jaotustorustiku kaudu ning liigub aeglaselt substraadi pinna suunas. Kuigi pind ujutatakse vahepeal väljavoolu kogumise lihtsustamiseks üle, klassifitseeritakse süsteem siiski pinnasisese vooluga tehismärgalapuhastite hulka kuuluvaks, sest enamik tähtsaid puhastusprotsesse toimuvad ideaaljuhul veega küllastatud pinnases. Süsteemi nimetatakse mõnikord ka anaeroobseks filtriks. Vertikaalse ülesvooluga tehismärgalapuhasteid kasutatakse tavaliselt kaevandus- või tööstusreovee puhastamisel, kui on vaja anaeroobseid tingimusi. Kombineeritud tehismärgalapuhasti sarnaneb ehituselt vertikaalse allavooluga süsteemiga, kuid voolusuund vaheldub tsükliliselt üles-alla. Filterkeha niiskustase kõigub samuti järjestikuse veega täitmise ning tühjendamise tõttu. Tavaliselt ei ole süsteemi pealispind üleujutatud. Aeratsioonivõime on suur ning seetõttu viib denitrifikatsiooni läbi vaid üks reaktor: süsteemi täitmise käigus toimub ammoniaagi adsorptsioon filterkehas, tühjendamise ajal toimub aeroobsetes tingimustes nitrifikatsioon ning teise täitmise ajal anaeroobsetes tingimustes ning lisandunud süsinikuallika tõttu toimub denitrifikatsioon. Kombineeritud märgalapuhasteid kasutatakse üha enam suure hapnikunõudluse või täielikku lämmastiku eemaldamist vajavate reovete puhul. See süsteem jätab enamasti väiksema ökoloogilise jalajälje kui teised tehismärgalapuhastite variandid, mistõttu on see potentsiaalselt sobiv ariidses kliimas, kus evapotranspiratsioonist tingitud veekadu võib muidu tehismärgalapuhasti tööd takistada. Loodete-tüüpi tehismärgala Fonder N., Headley T. (2013): The taxonomy of treatment wetlands: A proposed classification and nomenclature system. Ecol Eng 51, 203–211 K. Karabelnik, M. Maddison, Ü. Mander, A. Noorvee, E. Põldvere (2007) Kombineeritud pinnasfiltersüsteemide ja tehismärgalapuhastite rajamise juhend, Tartu Ülikooli Tehnoloogiainstituut, lk 7–46 Kadlec, R.H., Wallace, S.D., 2009. Treatment Wetlands, 2nd ed. CRC Press, Boca Raton, FL, lk 6 Vymazal, J., Brix, H., Cooper, P.F., Haberl, R., Perfler, R. & Laber, J. 1998. Removal mechanisms and types of constructed wetlands. Constructed Wetlands for Wastewater Treatment in Europe, Backhuys Publishers, Leiden, The Netherlands. lk 11–60 Xanthoulis, X., Tilly, J., Fonder, N., Wauthelet, M., Bergeron, Ph., Brix, H., Arias, C., Chengduan, W., Qingyuan, X., Qngdong, Z., Zhigui, Z., Yinghong, X., Leu, B., Nhue, T., Ha, T., Anh, H., 2008. Curriculum on Low Cost Wastewater Treatment. Europe Aid Cooperation Office, lk 380. Austin, D.C., 2006. Influence of cation exchange capacity (CEC) in a tidal flow, flood and drain wastewater treatment wetland. Ecol. Eng. 28, 35–43