VPLIV IZTOKA IZ RASTLINSKIH ČISTILNIH NAPRAV NA ZDRUŽBO MAKROINVERTEBRATOV V VODOTOKIH NA OBMOČJU SLOVENSKIH GORIC

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA

ŠTUDIJ EKOLOGIJE IN BIODIVERZITETE

Matjaž KEPEC

VPLIV IZTOKA IZ RASTLINSKIH ČISTILNIH NAPRAV NA ZDRUŽBO

MAKROINVERTEBRATOV V VODOTOKIH NA OBMOČJU SLOVENSKIH GORIC

MAGISTRSKO DELO Magistrski študij - 2. stopnja

Ljubljana, 2022

(2)

UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA

ŠTUDIJ EKOLOGIJE IN BIODIVERZITETE

Matjaž KEPEC

VPLIV IZTOKA IZ RASTLINSKIH ČISTLNIH NAPRAV NA ZDRUŽBO MAKROINVERTEBRATOV V VODOTOKIH NA

OBMOČJU SLOVENSKIH GORIC MAGISTRSKO DELO

Magistrski študij - 2. stopnja

INFLUENCE OF EFFLUENT FROM CONSTRUCTED WETLANDS ON MACROINVERTEBRATE COMMUNITY IN

WATERCOURSES IN THE AREA OF SLOVENSKE GORICE M. SC. THESIS

Master Study Programmes

Ljubljana, 2022

(3)

Kepec M. Vpliv iztoka iz rastlinskih čistilnih naprav na združbo makroinvertebratov v vodotokih na območju Slovenskih goric.

Mag. delo. Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij ekologije in biodiverzitete, 2022

II

Magistrsko delo je zaključek Magistrskega študijskega programa 2. stopnje Ekologija in biodiverziteta na Biotehniški fakulteti Univerze v Ljubljani. Delo je bilo opravljeno na Katedri za ekologijo in varstvo okolja.

Študijska komisija je za mentorja magistrskega dela imenovala doc. dr. Igorja Zelnika in za recenzenta prof. dr. Mihaela J. Tomana.

Komisija za oceno in zagovor:

Predsednik: prof. dr. Rudi VEROVNIK

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo

Član: doc. dr. Igor ZELNIK

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek biologijo

Član: prof. dr. Mihael Jožef TOMAN

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek biologijo

Datum zagovora:

Matjaž Kepec

(4)

III

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA

ŠD Du2

DK UDK 574:606.502:628.32(043.2)

KG rastlinske čistilne naprave, makroinvertebrati, odpadna voda, kmetijske površine AV KEPEC, Matjaž, dipl. biol. (UN)

SA ZELNIK, Igor (mentor), TOMAN, Mihael Jožef (recenzent) KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101

ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij Ekologije in biodiverzitete LI 2022

IN VPLIV IZTOKA IZ RASTLINSKIH ČISTILNIH NAPRAV NA ZDRUŽBO MAKROINVERTEBRATOV V VODOTOKIH NA OBMOČJU SLOVENSKIH GORIC

TD Magistrsko delo (Magistrski študij - 2. stopnja) OP XIII, 112 str., 38 pregl., 60 sl., 159 vir.

IJ sl JI sl/en

AI Cilj naloge je bil preučiti vpliv iztoka iz rastlinskih čistilnih naprav (RČN) na strukturo združbe makroinvertebratov v vodotoku, ki je prejemnik te vode. Glede na to, da velik delež prispevnega območja vodotokov predstavljajo gnojene kmetijske površine, nas je zanimala stopnja vpliva iztokov iz RČN. Za vrednotenje tega vpliva smo uporabili združbo makroinvertebratov, saj se ti relativno hitro odzivajo na tovrstne motnje in druge spremembe v okolju. Vzorčenje je potekalo v južnem delu Slovenskih goric, kjer smo omenjeni vpliv preučevali na podlagi iztokov iz štirih RČN: RČN Cvetkovci, Ivanjkovci, Sodinci in Velika Nedelja. Na teh vzorčnih mestih smo izmerili tudi fizikalne in kemijske parametre ter odvzeli vzorce vode za kemijske analize. Na posameznem območju RČN je bilo po 1 vzorčno mesto gorvodno od iztoka in na sotočju ter 2 dolvodno na razdalji 50 in 200 m. Dodatni vzorec je bil na iztočnem kanalu iz RČN, po katerem se obdelana voda izteka v vodotok. Na celotnem območju smo ugotovili visoke koncentracije NO3-N, ki vzdolž vodotokov rahlo naraščajo. Precej bolj pa naraščajo koncentracije NH4-N, saj je na mestih dolvodno koncentracija 3,24 krat večja kot gorvodno od iztoka. Na podlagi S-W indeksa je opazen upad vrednosti dolvodno od iztoka v treh primerih, razen pri Sodincih. Na podlagi saprobnega indeksa je v povprečju jasno poslabšanje ekološkega stanja dolvodno od iztokov. Pri prehranskih skupinah delež detritivorov vzdolž potoka narašča, delež drobilcev pa upada. Vpliv iztokov iz RČN je opazen, a ne gre zanemariti vpliva difuznega onesnaženja, katerega vir so kmetijske površine, ki vplivajo na stanje vodotokov na širšem območju.

(5)

IV

KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du2

DC UDC 574:606.502:628.32(043.2)

CX constructed wetlands, macroinvertebrates, waste water, agricultural land AU KEPEC, Matjaž, dipl. biol. (UN)

AA ZELNIK, Igor (supervisor), TOMAN, Mihael Jožef (reviewer) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101

PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Ecology and biodiversity studies PY 2022

TI INFLUENCE OF EFFLUENT FROM CONSTRUCTED WETLANDS ON MACROINVERTEBRATE COMMUNITY IN WATERCOURSES IN THE AREA OF SLOVENSKE GORICE

DT M. Sc. Thesis (Master Study Programmes) NO XIII, 112 p., 38 tab., 60 fig., 159 ref.

LA sl AL sl/en

AB This thesis aims to investigate the influence of effluent from constructed wetlands (CW) on the structure of the macroinvertebrate community in the watercourses receiving treated water. Given that a large part of the catchment area of watercourses comprises of fertilized agricultural land, we were interested in the level of impact of effluents from CW. A macroinvertebrate community was used to evaluate this influence on watercourses, as they respond relatively quickly to such disturbances and other changes in the environment. Sampling took place in the southern part of Slovenske gorice, where 4 CWs were used to evaluate the impact on the macroinvertebrate community: CW Cvetkovci, Ivanjkovci, Sodinci, and Velika Nedelja. At all sampling sites we measured physical and chemical parameters and took water samples for chemical analyses. At each CW, one sampling point was upstream from the effluent, at the confluence, and two downstream at a distance of 50 and 200 m. An additional sample was on the effluent channel from the CW, through which the treated water flows into the watercourse. In the whole area, we found high concentrations of NO3-N, which increase slightly along watercourses. NH4-N concentrations increase much more (in places downstream the concentration is 3.24 times higher than upstream).

Based on the S-W index, a decrease in value downstream from the effluent is observed in three cases, except at Sodinci. Based on the saprobic index, the deterioration of the watercourse is clear. In functional feeding guilds, the proportion of detritus feeders along the stream increases, and the proportion of shredders decreases. The impact of CW effluent is noticeable, but diffuse pollution, the source of which is agricultural land, affects the ecological status of watercourses in the wider area and thus should not be ignored.

(6)

V

KAZALO VSEBINE

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ... III KEY WORDS DOCUMENTATION ... IV KAZALO PREGLEDNIC ... VII KAZALO SLIK ... IX OKRAJŠAVE IN SIMBOLI... XII

1 UVOD ... 1

2 PREGLED OBJAV ... 4

2.1 RASTLINSKE ČISTILNE NAPRAVE ... 4

2.1.1 Splošno o rastlinskih čistilnih napravah ... 4

2.1.2 Tipi in delovanje RČN ... 7

2.1.2.1 RČN s površinskim tokom vode ... 7

2.1.2.2 RČN z emergentnimi makrofiti in horizontalnim tokom vode pod površino ... 8

2.1.2.3 RČN z emergentnimi makrofiti in vertikalnim tokom vode pod površino... 11

2.1.2.4 Hibridne rastlinske čistilne naprave ... 12

2.2 VPLIVI NA ZDRUŽBO MAKROINVERTEBRATOV V VODOTOKIH NA OBMOČJU KMETIJSKE KRAJINE ... 14

2.2.1 Vpliv prispevnega območja (kmetijske krajine) na združbo makroinvertebratov v potoku ... 15

2.2.2 Vpliv iztoka iz (rastlinskih) čistilnih naprav na združbo makroinvertebratov v potoku ... 17

3 MATERIAL IN METODE ... 20

3.1 VZORČNA MESTA ... 20

3.1.1 Opis vzorčnih mest ... 20

3.1.1.1 RČN Cvetkovci ... 20

3.1.1.2 RČN Ivanjkovci ... 25

3.1.1.3 RČN Sodinci in izvir Sejanskega potoka... 29

3.1.1.4 RČN Velika Nedelja ... 35

3.2 VZORČENJE MAKROINVERTEBRATOV ... 39

3.3 MERJENJE OKOLJSKIH PARAMETROV ... 40

3.3.1 Merjenje hidromorfoloških parametrov ... 40

3.3.2 Meritve fizikalnih in kemijskih parametrov ... 40

3.4 BIOLOŠKE ANALIZE ... 41

4 REZULTATI ... 45

4.1 HIDROMORFOLOŠKI PARAMETRI ... 45

(7)

VI

4.1.1 Ocena anorganskega in organskega substrata ... 45

4.1.2 Ocena hitrosti vodnega toka, globina in širina struge ... 47

4.2 FIZIKALNI IN KEMIJSKI PARAMETRI ... 48

4.2.1 Parametri izmerjeni z multimetrom ... 48

4.2.2 Parametri pridobljeni s kemijskimi analizami ... 50

4.3.1 Sestava združbe makroinvertebratov ... 54

4.3.2 Delež taksonov EPTO (Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera in Odonata) ... 71

4.3.3 Prehranske skupine makroinvertebratov... 72

4.3.4 Shannon-Wienerjev diverzitetni indeks (H') ... 74

4.3.5 Sørensenov in Bray-Curtisov indeks podobnosti ... 77

4.3.6 Saprobni indeks ... 81

5 RAZPRAVA ... 83

5.1 FIZIKALNI IN KEMIJSKI PARAMETRI ... 83

6 SKLEPI ... 93

7 POVZETEK ... 95

8 VIRI ... 98

(8)

VII

KAZALO PREGLEDNIC

Preglednica 1: Koordinate vzorčnih mest na območju RČN Cvetkovci ... 24 Preglednica 2: razdalje med posameznimi vzorčnimi mesti na območju RČN Cvetkovci ... 24 Preglednica 3: koordinate vzorčnih mest na območju RČN Ivanjkovci ... 29 Preglednica 4: razdalje med posameznimi vzorčnimi mesti na območju RČN Ivanjkovci ... 29 Preglednica 5: koordinate vzorčnih mesto na območju RČN Sodinci ... 34 Preglednica 6: razdalje med posameznimi vzorčnimi mesti na območju RČN Sodinci in izvira Sejanskega potoka ... 35 Preglednica 7: koordinate vzorčnih mest na območju RČN Velika Nedelja ... 38 Preglednica 8: razdalje med posameznimi vzorčnimi mesti na območju RČN Velika Nedelja ... 39 Preglednica 9: Razvrstitev anorganskega substrata po velikosti delcev (prilagojeno po AQEM 2002) ... 40 Preglednica 10: Razvrstitev organskih substratov (prilagojeno po AQEM 2002) ... 40 Preglednica 11: vrednotenje kakovosti vode v odvisnosti od vrednosti H' Shannon- Wienerjevega diverzitetnega indeksa... 42 Preglednica 12: mejne vrednosti razredov kakovosti ekološkega stanja glede na saprobnost na podlagi bentoških nevretenčarjev (MOP, 2016) ... 44 Preglednica 13: ekološki tip vodotokov, referenčne vrednosti in spodnje meje za preiskovane vodotoke (vir vrednosti in ekološkega tipa vodotoka (MOP, 2016)) ... 44 Preglednica 14: deleži anorganskega in organskega substrata [%] na vzorčnih mestih območja RČN Cvetkovci ... 45 Preglednica 15: deleži anorganskega substrata [%] na vzorčnih mestih območja RČN Ivanjkovci ... 45 Preglednica 16: deleži anorganskega substrata [%] na vzorčnih mestih območja RČN Sodinci in izvira Sejanskega potoka ... 46 Preglednica 17: deleži anorganskega substrata [%] na vzorčnih mestih območja RČN Velika Nedelja ... 46 Preglednica 18: ocena hitrosti vodnega toka ter globina in širina struge na vzorčnih mestih območja RČN Cvetkovci ... 47 Preglednica 19: ocena hitrosti vodnega toka ter globina in širina struge na vzorčnih mestih območja RČN Ivanjkovci ... 47 Preglednica 20: ocena hitrosti vodnega toka ter globina in širina struge na vzorčnih mestih območja RČN Sodinci in izvira Sejanskega potoka ... 47 Preglednica 21: ocena hitrosti vodnega toka ter globina in širina struge na vzorčnih mestih območja RČN Velika Nedelja ... 48 Preglednica 22: fizikalni in kemijski parametri izmerjeni z multimetrom na vzorčnih mestih območja RČN Cvetkovci ... 49 Preglednica 23: fizikalni in kemijski parametri izmerjeni z multimetrom na vzorčnih mestih območja RČN Ivanjkovci... 49 Preglednica 24: fizikalni in kemijski parametri izmerjeni z multimetrom na vzorčnih mestih območja RČN Sodinci in izvir Sejanskega potoka ... 50 Preglednica 25: fizikalni in kemijski parametri izmerjeni z multimetrom na vzorčnih mestih območja RČN Velika Nedelja ... 50

(9)

VIII

Preglednica 26: parametri pridobljeni s kemijskimi analizami v laboratoriju Centralne čistilne naprave Domžale - Kamnik ... 51 Preglednica 27: pregled taksonov vzorčnih mest na območju RČN Cvetkovci ... 54 Preglednica 28: pregled taksonov vzorčnih mest na območju RČN Ivanjkovci ... 56 Preglednica 29: prikaz števila osebkov taksonov vzorčnih mest na območju RČN Sodinci in izvir Sejanskega potoka ... 58 Preglednica 30: pregled taksonov vzorčnih mest na območju RČN Velika Nedelja ... 61 Preglednica 31: vrednotenje kakovosti vode v odvisnosti od vrednosti H' Shannon- Wienerjevega indeksa na območju RČN Cvetkovci ... 76 Preglednica 32: vrednotenje kakovosti vode v odvisnosti od vrednosti H' Shannon- Wienerjevega indeksa na območju RČN Ivanjkovci ... 76 Preglednica 33: vrednotenje kakovosti vode v odvisnosti od vrednosti H' Shannon- Wienerjevega indeksa na območju RČN Sodinci in izvira Sejanskega potoka ... 76 Preglednica 34: vrednotenje kakovosti vode v odvisnosti od vrednosti H' Shannon- Wienerjevega indeksa na območju RČN Velika Nedelja ... 77 Preglednica 35: vrednosti transformirane normalizirane vrednosti SIG3_REK na območju RČN Cvetkovci ... 81 Preglednica 36: vrednosti transformirane normalizirane vrednosti SIG3_REK na območju RČN Ivanjkovci... 81 Preglednica 37: vrednosti transformirane normalizirane vrednosti SIG3_REK na območju RČN Sodinci in izvira Sejanskega potoka ... 81 Preglednica 38: vrednosti transformirane normalizirane vrednosti SIG3_REK na območju RČN Velika Nedelja ... 81

(10)

IX KAZALO SLIK

Slika 1: satelitski posnetek območja RČN Cvetkovci s prikazanimi vzorčnimi mesti ... 22

Slika 2: vzorčno mesto GCV (21. 9. 2019), pogled po toku navzgor ... 22

Slika 3: vzorčno mesto SCV (21. 9. 2019), pogled na iztočno kanalizacijsko cev iz RČN Cvetkovci in iztekanje vode v strugo Pesnice ... 23

Slika 4: vzorčno mesto DCV 1 (21. 9. 2019), pogled po toku navzgor ... 24

Slika 5: vzorčno mesto DCV 2 (21.9.2019), pogled po toku navzgor ... 24

Slika 6: satelitski posnetek območja RČN Ivanjkovci s prikazanimi vzorčnimi mesti .. 26

Slika 7: vzorčno mesto GIV (22. 9. 2019), pogled po toku navzgor ... 26

Slika 8: vzorčno mesto IIV (22. 9. 2019), pogled na stranski vodotok, ki teče pod železnico ... 27

Slika 9: vzorčno mesto SIV (22. 9. 2019), stranski pogled na sotočje med iztokom iz RČN in Pavlovskim potokom... 27

Slika 10: vzorčno mesto DIV 1 (22. 9. 2019), pogled na strugo ... 28

Slika 11: vzorčno mesto DIV 2 (22. 9. 2019), pogled na strugo ... 28

Slika 12: satelitski posnetek vzorčnega mesta PSP ... 30

Slika 13: satelitski posnetek območja RČN Sodinci s prikazanimi vzorčnimi mesti ... 30

Slika 14: vzorčno mesto PSP (26. 9. 2019), pogled po toku navzdol ... 31

Slika 15: vzorčno mesto GGSO (26. 9. 2019), pogled po toku navzdol ... 32

Slika 16: vzorčno mesto GSO (26. 9. 2019), pogled na strugo z desnega brega ... 32

Slika 17: vzorčno mesto ISO (26. 9. 2019), pogled na stranski vodotok od strani z vidnim mestom iztoka iz RČN Sodinci na levi ... 33

Slika 18: vzorčno mesto SSO (26. 9. 2019), pogled iz struge po toku navzgor ... 33

Slika 19: vzorčno mesto DSO 1 (26. 9. 2019), pogled na strugo z desnega brega ... 34

Slika 20: vzorčno mesto DSO 2 (29. 9. 2019), pogled na strugo z desnega brega ... 34

Slika 21: satelitski posnetek območja RČN Velika Nedelja s prikazanimi vzorčnimi mesti ... 35

Slika 22: vzorčno mesto GVN (27. 9. 2019), pogled na strugo z levega brega ... 36

Slika 23: vzorčno mesto IVN (27. 9. 2019), pogled strugo z levega brega ... 37

Slika 24: vzorčno mesto SVN (27. 9. 2019), pogled na strugo na mestu neposredno pod sotočjem ... 37

Slika 25: vzorčno mesto DVN 1 (27. 9. 2019), pogled po toku navzdol ... 38

Slika 26: vzorčno mesto DVN 2 (27. 9. 2019), pogled na strugo z levega brega ... 38

Slika 27: prikaz povprečnih vrednosti NH4-N vseh vzorcev gor in dolvodno glede na iztok iz RČN ... 52

Slika 28: prikaz povprečnih vrednosti NO2-N vseh vzorcev gor in dolvodno glede na iztok iz RČN ... 52

Slika 29: prikaz povprečnih vrednosti NO3-N vseh vzorcev gor in dolvodno glede na iztok iz RČN ... 52

Slika 30: prikaz povprečnih vrednosti PO4-P vseh vzorcev gor in dolvodno glede na iztok iz RČN ... 53

Slika 31:prikaz povprečnih vrednosti TP vseh vzorcev gor in dolvodno glede na iztok iz RČN ... 53

Slika 32:prikaz povprečnih vrednosti KPK vseh vzorcev gor in dolvodno glede na iztok iz RČN ... 53

(11)

X

Slika 33: prikaz vsote deležev dveh najpogostejših višjih taksonov na vseh vzorčnih mestih ... 63 Slika 34: prikaz deležev 4 najpogostejših taksonov vzorčnih mest na območju RČN Cvetkovci. S kategorijo ostalo so prikazani deleži vseh ostalih taksonov, ki niso med prvimi štirimi ... 64 Slika 35: prikaz deležev 4 najpogostejših taksonov vzorčnih mest na območju RČN Ivanjkovci. S kategorijo ostalo so prikazani deleži vseh ostalih taksonov, ki niso med prvimi štirimi ... 64 Slika 36: prikaz deležev 4 najpogostejših taksonov vzorčnih mest na območju RČN Sodinci in izvir Sejanskega potoka. S kategorijo ostalo so prikazani deleži vseh ostalih taksonov, ki niso med prvimi štirimi ... 65 Slika 37: prikaz deležev 4 najpogostejših taksonov vzorčnih mest na območju RČN Velika Nedelja. S kategorijo ostalo so prikazani deleži vseh ostalih taksonov, ki niso med prvimi štirimi ... 65 Slika 38: prikaz vsote deležev dveh najpogostejših družin na vseh vzorčnih mestih... 66 Slika 39: prikaz celotnega števila osebkov na vseh vzorčnih mestih, preračunano na polovico prebranega vzorca ... 67 Slika 40: prikaz števila družin na vseh vzorčnih mestih ... 68 Slika 41: prikaz povprečnega števila družin posameznega odseka relativno glede na lego iztoka iz RČN ... 68 Slika 42: prikaz skupnega števila osebkov v družinah na območju GORVODNO od iztokov iz RČN; družine z < 10 osebki so izpuščene... 69 Slika 43: prikaz skupnega števila osebkov v družinah na območju IZTOKOV iz RČN;

družine z < 10 osebki so izpuščene ... 70 Slika 44:prikaz skupnega števila osebkov na območju SOTOČJA med iztokom iz RČN in vodotokom; družine z < 10 osebki so izpuščene ... 70 Slika 45: prikaz skupnega števila osebkov na območju DOLVODNO od iztoka iz RČN;

družine z < 10 osebki so izpuščene ... 71 Slika 46: prikaz deležev taksonov EPTO (Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera, Odonata) na vseh vzorčnih mestih. (upoštevana je bila taksonomska stopnja družina) 72 Slika 47: prikaz deležev prehranskih skupin na vseh vzorčnih mestih GORVODNO od iztokov iz RČN (vključuje vzorec iz izvira Sej. potoka - PSP) ... 73 Slika 48: prikaz deležev prehranskih skupin na vseh vzorčnih mestih na IZTOKU iz RČN ... 73 Slika 49: prikaz deležev prehranskih skupin na vseh vzorčnih mestih na SOTOČJU med iztokom iz RČN in prejemnim vodotokom ... 74 Slika 50: prikaz deležev prehranskih skupin na vseh vzorčnih mestih DOLVODNO od iztoka iz RČN ... 74 Slika 51: vrednosti Shannon-Wienerjevega diverzitetnega indeksa (H') na vseh vzorčnih mestih ... 75 Slika 52: prikaz povprečne vrednosti Shannon-Wienerjevega indeksa (H') posameznega odseka relativno glede na lego iztoka iz RČN... 76 Slika 53: dendrogram podobnosti združb makroinvertebratov med vzorčnimi mesti na območju RČN Cvetkovci na osnovi Bray-Curtisovega indeksa podobnosti ... 78 Slika 54: dendrogram podobnosti združb makroinvertebratov med vzorčnimi mesti na območju RČN Ivanjkovci na osnovi Bray-Curtisovega indeksa podobnosti ... 78

(12)

XI

Slika 55: dendrogram podobnosti združb makroinvertebratov med vzorčnimi mesti na območju RČN Sodinci in izvira Sejanskega potoka na osnovi Bray-Curtisovega indeksa podobnosti ... 79 Slika 56: dendrogram podobnosti združb makroinvertebratov med vzorčnimi mesti na območju RČN Velika Nedelja na osnovi Bray-Curtisovega indeksa podobnosti ... 79 Slika 57: dendrogram podobnosti združb makroinvertebratov med vsemi vzorčnimi mesti na osnovi Bray-Curtisovega indeksa podobnosti ... 80 Slika 58: dendrogram podobnosti združb makroinvertebratov med vsemi vzorčnimi mesti na osnovi Sørensenovega indeksa podobnosti ... 80 Slika 59: prikaz transformiranih vrednosti SIG3_REK na vseh vzorčnih mestih ... 82 Slika 60: prikaz povprečnih transformiranih vrednosti SIG3_REK posameznega odseka relativno glede na lego iztoka iz RČN ... 82

(13)

XII

OKRAJŠAVE IN SIMBOLI a število vrst v prvem vzorcu

A število osebkov v prvem vzorcu b število vrst v drugem vzorcu B število osebkov v drugem vzorcu BPK 5 biokemijska potreba po kisiku v 5 dneh c število vrst, ki se pojavljajo v obeh vzorcih

CPOM večji organski delci (angl. coarse particulate organic matter) DCV1 vzorčno mesto dolvodno 1 na območju rastlinske čistilne naprave

Cvetkovci

DCV2 vzorčno mesto dolvodno 2 na območju rastlinske čistilne naprave Cvetkovci

DIV1 vzorčno mesto dolvodno 1 na območju rastlinske čistilne naprave Ivanjkovci

DIV2 vzorčno mesto dolvodno 2 na območju rastlinske čistilne naprave Ivanjkovci

DSO1 vzorčno mesto dolvodno 1 na območju rastlinske čistilne naprave Sodinci

DSO2 vzorčno mesto dolvodno 2 na območju rastlinske čistilne naprave Sodinci

DVN1 vzorčno mesto dolvodno 1 na območju rastlinske čistilne naprave Velika Nedelja

DVN2 vzorčno mesto dolvodno 2 na območju rastlinske čistilne naprave Velika Nedelja

EPT taksoni Ephemeroptera, Plecoptera in Trichoptera

EPTO taksoni Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera in Odonata FPOM manjši organski delci (angl. fine particulate organic matter)

GCV vzorčno mesto gorvodno na območju rastlinske čistilne naprave Cvetkovci

GGSO vzorčno mesto gorvodno od GSO na območju rastlinske čistilne naprave Sodinci

Gi Indikatorska vrednost i-tega taksona

GIV vzorčno mesto gorvodno na območju rastlinske čistilne naprave Ivanjkovci

GSO vzorčno mesto gorvodno na območju rastlinske čistilne naprave Sodinci

GVN vzorčno mesto gorvodno na območju rastlinske čistilne naprave Velika Nedelja

H' Shannon-Wienerjev diverzitetni indeks

(14)

XIII

hi delež (pogostost) taksona »i« v vzorcu / absolutna ali relativna abundanca i-tega taksona

IIV vzorčno mesto na iztoku na območju rastlinske čistilne naprave Ivanjkovci

ISO vzorčno mesto na iztoku na območju rastlinske čistilne naprave Sodinci

IVN vzorčno mesto na iztoku na območju rastlinske čistilne naprave Velika Nedelja

KPK kemijska potreba po kisiku n število vseh osebkov v vzorcu

NH4-N amonijev dušik

ni število osebkov i-tega taksona NO2-N nitritni dušik

NO3-N nitratni dušik

P fosfor

PE populacijski ekvivalent

Pi delež i-tega taksona

PO4-P ortofosfat

PSP vzorčno mesto izvir Sejanskega potoka RČN rastlinska čistilna naprava

Rj delež prehranske skupine »j«

SBC Bray-Curtisov indeks

SCV vzorčno mesto na sotočju na območju rastlinske čistilne naprave Cvetkovci

SI saprobni indeks

si saprobna vrednost

SIG3_REK normalizirana vrednost slovenske verzije saprobnega indeksa SIV vzorčno mesto na sotočju na območju rastlinske čistilne naprave

Ivanjkovci

SS Sørensenov indeks

SSO vzorčno mesto na sotočju na območju rastlinske čistilne naprave Sodinci

SVN vzorčno mesto na sotočju na območju rastlinske čistilne naprave Velika Nedelja

S-W indeks Shannon-Wienerjev indeks

TDS skupne raztopljene snovi (ang. total dissolved solids) TP celotni fosfor (ang. total phosphorus)

w število osebkov v obeh vzorcih

xi število točk (od 10) taksona »i« znotraj dane prehranske skupine

(15)

1 1 UVOD

Ohranjanje kvalitete pitne vode in skrb za biotsko pestrost v celinskih vodah postaja čedalje bolj pomembna tema. Celinske vode so ekosistemi, ki so hkrati prepoznani kot vroče točke biodiverzitete in kot najbolj prizadeti in ogroženi ekosistemi na svetu (Strayer in Dudgeon, 2010). Za njih so značilne višje stopnje izumiranja vrst kot pa za morske in kopenske ekosisteme (Collen in sod., 2014). Ogrožajo jih številni antropogeni dejavniki, kot so pretirano izkoriščanje, onesnaževanje, reguliranje vodotokov, uničevanje habitatov in vnos tujerodnih invazivnih vrst (Dudgeon in sod., 2006). Zavedanje o pomenu varovanja celinskih vodnih ekosistemov in povezavi teh s pitno vodo se povečuje. Kljub pogostemu razhajanju med ekonomskimi in naravovarstvenimi interesi se spoznanje, da je voda nujno potrebna za obstoj in razvoj človeške družbe, čedalje bolj odraža v zakonodaji. Zmanjševanje onesnaževanja celinskih voda je tako predmet čedalje strožjih zakonsko določenih zahtev. To je še posebej pomembno v primeru onesnaževanja s hranili (evtrofikacija). Prekomerno onesnaževanje celinskih voda s hranili iz točkovnih in difuznih virov onesnaženja je namreč vse bolj obsežno. Enega od pomembnejših virov točkovnega onesnaženja predstavlja komunalna odpadna voda. Ta se v večini Evropskih držav pred izpustom v vodotoke običajno zbira v kanalizacijskih sistemih in odvaja v obdelavo v biološke čistilne naprave. Te posledic onesnaževanja sicer ne morejo odpraviti popolnoma, lahko pa jih znatno zmanjšajo. Kljub temu pa se vsa nastala odpadna voda ne obdela v čistilnih napravah. V Sloveniji je bilo v letu 2020 pred izpustom nazaj v okolje v čistilnih napravah obdelanih 69 % odpadnih voda iz kanalizacijskih sistemov. V javno kanalizacijo je bilo tako v tem letu odvedenih 231,1 milijona m³ odpadnih voda, od tega pa je bilo nazaj v okolje brez obdelave spuščenih 71,9 milijona m³ komunalnih odpadnih voda (SURS, 2021). Med tipi čistilnih naprav prevladujejo biološke komunalne čistilne naprave (z uporabo aktivnega blata), v uporabi pa so tudi druge vrste tehnologij.

Ena od njih so tudi rastlinske čistilne naprave.

Rastlinske čistilne naprave (v nadaljevanju RČN) so umetno zgrajena mokrišča, ki posnemajo samočistilno sposobnost naravnih mokrišč. Slednja so naravni »čistilniki« v katerih je omogočeno kroženje in zadrževanje snovi ter razgradnja organskih snovi in nekaterih onesnažil. Za razliko od naravnih mokrišč pa v RČN ti procesi potekajo v bolj nadzorovanih pogojih, posledica česar je večja učinkovitost. Uporabljajo se kot alternativni načini biološkega čiščenja odpadnih voda, pod določenimi pogoji pa lahko v celoti nadomestijo druge, bolj uveljavljene metode. V takih sekundarnih ekosistemih je vzpostavljeno celovito kroženje snovi, posledica česar je znižanje vsebnosti onesnažil v odpadni vodi. Razgradnja organskih in drugih snovi poteka večinoma s pomočjo mikroorganizmov, makrofiti pa asimilirajo predvsem anorganske oblike dušika in fosforja (Vymazal, 2010).

(16)

2

Običajna shema delovanja RČN je vzpostavljena tako, da se odpadna voda, ko preide samo RČN, izliva v bližnji potok ali reko. Glede na predpise, ki določajo učinkovitost delovanja RČN in parametre onesnaženosti vode na iztoku (Uredba o odvajanju in čiščenju komunalne odpadne vode, 2021), te ne bi smele predstavljati pomembnega vira onesnaženja vodnega telesa, ki je prejemnik take vode. Kljub temu pa je vpliv iztoka iz RČN na življenjske združbe v vodotokih dokaj slabo raziskan in utegne vseeno predstavljati večjo obremenitev, kot jo vodotok s svojo samočistilno sposobnostjo lahko kompenzira.

Pri samem vrednotenju vpliva iztokov iz RČN na vodotoke pa ne smemo pozabiti na potek vodotokov v krajini oziroma na vrste in deleže različnih rab tal v krajini. Vodotoki, ki tečejo skozi območja, kjer prevladujejo intenzivno obdelovane kmetijske površine, so že v osnovi bolj obremenjeni s hranili, ki se s takih površin nenehno spirajo. Pri vrednotenju iztokov iz RČN tako ne smemo prezreti vpliva prispevnega območja.

Cilj naloge je raziskati vpliv iztoka iz RČN na strukturo združbe makroinvertebratov v vodotoku, ki je prejemnik te vode. Glede na to, da velik delež prispevnega območja vodotokov na območju Slovenskih goric predstavljajo gnojene kmetijske površine, nas zanima, kakšen vpliv bodo pri tem imeli iztoki iz RČN.

(17)

3 Delovne hipoteze:

1. Pestrost združbe makroinvertebratov v vodotokih, v katere se izteka voda iz rastlinskih čistilnih naprav, bo na odsekih dolvodno od iztoka nižja v primerjavi z odseki pred iztokom.

2. Po iztoku iz rastlinskih čistilnih naprav v vodotok bo v njem večja vsebnost organskih snovi in posledično večji delež prehranskih skupin makroinvertebratov, kot so filtratorji in detritivori, ter taksonov, kot so maloščetinci in dvokrilci.

3. Predvidevamo, da zaradi učinkovitih čistilnih procesov in zaradi velikega deleža kmetijskih zemljišč v območjih nad in pod iztoki iz ČN ti ne bodo opazno vplivali na poslabšanje razmer v vodotokih in s tem na združbo makroinvertebratov.

(18)

4 2 PREGLED OBJAV

2.1 RASTLINSKE ČISTILNE NAPRAVE

Na začetku velja omeniti, da je slovenski izraz rastlinska čistilna naprava rahlo zavajajoč, saj ne gre za napravo, poleg tega pa glavni del čiščenja ne opravljajo rastline, ampak mikroorganizmi. V angleško govorečem svetu se uporablja izraz constructed wetland, ki je precej bolj informativen. V slovenščini lahko zasledimo tudi uporabo izraza grajeno močvirje, vendar se ta uporablja precej bolj redko in se ga bom zato tudi sam izogibal.

V povezavi s komunalnimi odpadnimi vodami se v slovenskem prostoru uporablja izraz

»čiščenje odpadne vode«. Tekom tega magistrskega dela sem na njegovem mestu večinoma uporabljal izraz »obdelava odpadne voda«.

2.1.1 Splošno o rastlinskih čistilnih napravah

Uveljavljene metode obdelave odpadnih voda so večinoma v obliki bioloških komunalnih čistilnih naprav. Večinoma se uporabljajo postopki, ki vključujejo aktivno blato. Gre za suspendirane aerobne mikroorganizme, ki razgrajujejo organske snovi in zmanjšajo obremenjenost odpadnih voda. Tak centraliziran pristop k obdelavi komunalne odpadne vode pa ima številne omejitve in slabosti. Predstavlja namreč visok finančni zalogaj tako z vidika izgradnje same naprave in kanalizacijskega omrežja kot tudi z vidika vzdrževanja, kar je še posebej problematično na območjih z nizko gostoto prebivalstva in razpršenimi gospodinjstvi (npr. podeželja). Decentralizirani sistemi oz. sistemi za obdelavo odplak na mestu nastanka, med katere lahko spadajo tudi rastlinske čistilne naprave, za ta območja lahko predstavljajo dolgoročno rešitev, ki je bolj zanesljiva in tudi finančno bolj učinkovita (Massoud in sod., 2009). Kljub temu pa se RČN poleg obdelave odpadne vode na mestu nastanka pogosto uporablja tudi za obdelavo centralizirane odpadne vode, zbrane v kanalizacijskih sistemih (Maiga in sod., 2019).

Prva uporaba makrofitov mokrišč za obdelavo komunalnih odpadnih voda sega v zgodnja petdeseta leta v Nemčiji. Prvi polno delujoči sistemi pa so pričeli delovati tekom poznih 60ih. Od takrat so se RČN razvile v zanesljivo tehnologijo obdelave različnih tipov odpadnih voda (Vymazal, 2010). Naravna mokrišča pa so bila na splošno uporabljana za obdelavo odpadne vode že precej prej, in sicer vsaj toliko časa, kot poteka zbiranje odpadne vode, kar je na nekaterih lokacijah vsaj 100 let. Miselnost, ki je stala za takim ravnanjem, je bila bolj v skladu s priročno odstranitvijo odplak kot pa njihove namenske obdelave. Mokrišča so bila namreč pogosto bližje kot pa vodotoki in so tako služila kot priročen prejemnik neželenih odplak (Wentz, 1987). Ponekod naravna mokrišča še vedno uporabljajo za obdelavo odpadnih voda. V nekaterih primerih se to sicer izvaja pod nadzorovanimi pogoji, ki pa jih še ne moremo imenovati kot RČN. Kot primer si lahko

(19)

5

pogledamo naravno šotišče Porter Ranch blizu jezera Houghton v Michinganu. Odpadna voda se pred iztokom v to mokrišče najprej zbira in delno obdeluje v laguni. Kljub temu da šotišče ni posebej načrtovano z namenom obdelave odpadne vode, še vedno lahko opazimo relativno visoko odstranjevalno učinkovitost hranil. Samo mokrišče je sestavljeno iz dveh delov, in sicer iz namakalnega območja, ki je veliko do 100 ha, in preostanka, ki obsega 700 ha. Med njima ni fizične meje. Tekom zime se odpadna voda zadržuje v laguni, od koder se izteka v namakalno območje šotišča, kjer poteka odstranjevanje hranil. Na tem območju se iz odpadne vode odstrani 94 % fosforja in 95

% raztopljenega anorganskega dušika. Zaradi stalnega vnosa visokih koncentracij hranil je na namakalnem območju prišlo do velikih sprememb v ekosistemski strukturi. Poleg precej višje rasti vegetacije je prišlo tudi do sprememb v njihovi strukturi vrst. Združba, pretežno sestavljena iz šašov in vrb, se je tekom izpostavljenosti odpadni vodi spremenila v združbo, kjer prevladujejo rogozi. Do takih sprememb je prišlo v približno 30 letih (Kadlec, 2009).

Kljub takim primerom pa je uporaba namenskih mokrišč za obdelavo odpadne vode veliko bolj učinkovita in ustrezna rešitev. Do spremembe v odnosu in posledičnem zmanjšanju uporabe naravnih mokrišč za obdelavo vode je vsaj v razvitih državah prišlo tekom 50ih in 60ih let (Vymazal in Kröpfelová, 2008a). Zavedanje o ranljivosti mokrišč je še posebno pomembno v luči dejstva, da so na podlagi ocene, ki jo je podala organizacija združenih narodov v okviru Millenium ecosystem assessment od vseh ekosistemov na zemlji, ravno naravna mokrišča prepoznana kot tista z najbolj vidno degradacijo (World Resources Institute, 2005a).

Šele v zadnjih nekaj desetletjih je načrtovana uporaba mokrišč za izpolnjevanje pogojev čiščenja odpadnih voda in doseganju standardov kvalitete vode postala predmet resnejših raziskav. Vloga mokrišč v izboljšanju kvalitete vode je tako postala prepričljiv razlog za ohranjanje naravnih mokrišč in za izgradnjo sistemov, ki temeljijo na lastnostih mokrišč za obdelavo odpadnih voda (Bastian, 1993). RČN lahko zgradimo s precej večjim nadzorom nad pogoji, kot je to možno v naravnih mokriščih. Nadzorujemo namreč lahko smer toka vode, velikost mokrišča, sestavo substrata, tip vegetacije, izbiramo lahko tudi bolj ustrezno območje postavitve, nadziramo pa lahko tudi zadrževalni čas vode.

Onesnažila se v takem sistemu odstranijo s kombinacijo kemijskih, fizikalnih in bioloških procesov, ki vključujejo sedimentacijo, adsorpcijo na delce substrata, asimilacijo v rastlinsko tkivo in pretvorbe organskih snovi s strani mikrobov. Na ta način RČN posnemajo procese v naravnih mokriščih, vendar se v njih izvajajo za namene obdelave odpadnih voda oziroma v take namene te procese vprežemo (Brix, 1993). RČN so tako v uporabi zadnjih nekaj desetletij kot zelena tehnologija za obdelavo številnih različnih tipov odpadnih voda. V primerjavi z bolj uveljavljenimi metodami, kot so centralne čistilne naprave, ki uporabljajo tehnologijo aktivnega blata, predstavljajo RČN nizko energetsko rešitev, ki zahteva precej manj vzdrževanja. Tako so še posebej primerne za

(20)

6

manjše skupnosti na oddaljenih lokacijah ali pa na področjih z nizko gostoto prebivalstva, kjer so gospodinjstva razpršena (Wu in sod., 2015).

Omeniti velja tudi nekatere omejitve in slabosti RČN. Te se sicer med posameznimi tipi RČN nekoliko razlikujejo, nekaj splošnih pa je značilnih za večino med njimi. Najbolj očiten in tudi najbolj pogosto navajan omejujoč dejavnik je razmeroma velika potreba po prostoru. Ta še posebej omejuje splošno uporabo RČN na območjih z visoko gostoto prebivalstva in kjer je zemlja zaradi visoke cene manj razpoložljiva (Wu in sod., 2015).

To omejitev je možno zmanjšati z nekaterimi metodami intenziviranja, kot je dodatno prezračevanje gred RČN. Na ta način je možno doseči podobno učinkovitost na manjši površini (Ilyas in Masih, 2017). Dodatno prezračevanje pa predstavlja tudi dodatne stroške pri obratovanju in vzdrževanju, ki pa so vseeno lahko upravičeni, če je strošek obratovanja dovolj izravnan s prihrankom pri zmanjšani velikosti RČN (Kadlec in Wallace, 2008). Omejitev pri vzdrževanju RČN je tudi občasno odstranjevanje nadzemnih delov rastlin, s čimer tudi odstranimo tam nakopičena hranila. Delež tako odstranjenih hranil iz sistema je običajno sicer zanemarljiv, ampak v manj obremenjenih sistemih lahko igra pomembno vlogo. Pogostost in čas odstranjevanja nadzemne biomase v večini primerov ni zakonsko določena in je prepuščena upravljalcem, ki se poslužujejo različnih pristopov. Kljub temu se košnja navadno izvede enkrat letno v jeseni ali zgodaj spomladi (Vymazal, 2020). Košnja predstavlja tudi enega od glavnih ukrepov za nadzor širjenja invazivnih vrst (Keyport in sod., 2019). Odstranjeno biomaso se lahko odlaga na kompostno gredo, ki je del RČN. V njej je možno ob ustreznem dimenzioniranju in izgradnji grede kompostirati tudi odpadno blato iz klasičnih čistilnih naprav, s čimer pridobimo produkt, ki ga je možno uporabiti tudi v kmetijstvu. Uporaba takih gred je pogosta praksa na Danskem (Nielsen, 2003). Eden od pomislekov pri ponovni uporabi rastlinske biomase iz RČN pa je kopičenje težkih kovin. RČN so učinkovite pri odstranjevanju večine vrst težkih kovin iz odpadnih voda, se pa sama odstranjevalna učinkovitost razlikuje tako med vrstami težkih kovin kot tudi med tipi RČN (Odinga in sod., 2013). Težke kovine, odstranjene iz odpadne vode, se v splošnem le v manjši meri kopičijo v nadzemni rastlinski biomasi. Kopičenje se med posameznimi vrstami kovin precej razlikuje in pri nekaterih vseeno predstavlja visok delež (Vymazal in Březinová, 2016). Glavni ponor težkih kovin v RČN predstavljajo sedimenti. Kljub temu je vsebnost težkih kovin v njih relativno nizka in primerljiva z vsebnostjo v neonesnaženih in rahlo onesnaženih naravnih mokriščih. Problematično pa je povečevanje mase sedimenta v RČN s časom, kar pomeni tudi naraščajočo vsebnost težkih kovin. Ob tem velja opozoriti, da je njihova vsebnost v veliki meri odvisna od tipa odpadne vode, ki se pretaka skoznje (Vymazal in sod., 2010). Poleg težkih kovin pa je pri potencialni ponovni uporabi biomase iz RČN problematično tudi kopičenje farmacevtsko aktivnih spojin. Te se lahko nalagajo tako v substratu, kot tudi v rastlinskih tkivih (He in sod., 2018).

(21)

7

V zadnjih desetletjih je število raziskav na temo RČN strmo naraščalo. Od leta 1960 se je letno število objav na temo RČN v Web of science core collection eksponentno povečalo na več kot 350 v letu 2017 (Wu in sod., 2018). Preko iskalnika PubMed je bilo leta 2020 482 rezultatov s ključno besedo constructed wetland. Leta 2001 pa je bilo teh le 111.

2.1.2 Tipi in delovanje RČN

Delitev RČN v različne tipe navadno temelji na tipu rasti dominantne vegetacije (emergentni, submerzni ter prosto plavajoči makrofiti) in na hidrologiji (površinski tok in podpovršinski tok vode). RČN s podpovršinskim tokom vode pa lahko še dalje razdelimo glede ne smer toka (vertikalni in horizontalni tok). Posamezni tipi pa so lahko združeni v hibridne RČN. Te lahko izkoriščajo prednosti več različnih tipov (Vymazal, 2005).

Upoštevajoč te kriterije bom v tej magistrski nalogi uporabljal delitev RČN na 3 tipe, in sicer: RČN s površinskim tokom vode, sistem z emergentnimi makrofiti in horizontalnim tokom vode pod površino in sistem z emergentnimi makrofiti in vertikalnim tokom vode pod površino. Kombinirani hibridni sistemi navadno vključujejo zadnja dva tipa.

Različni tipi RČN se razlikujejo predvsem glede na njihove oblikovne značilnosti in pa tudi glede na procese, ki zmanjšujejo onesnaženost (Vymazal, 2010).

RČN s površinskim tokom vode so bolj kot v Evropi razširjene v ZDA. V Evropi so precej večjo pozornost poželi sistemi s tokom vode pod površino. Tekom 1990ih so bili priljubljeni predvsem sistemi s horizontalnim in vertikalnim podpovršinskim tokom vode in pa kombinacije teh dveh (Cooper in sod., 1997). S hibridnimi sistemi je večinoma možno doseči višjo stopnjo odstranjevanja hranil, še posebno dušika (Vymazal, 2005).

2.1.2.1 RČN s površinskim tokom vode

RČN s površinskim tokom vode so poznane tudi kot RČN s prostim tokom vode (v angleščini free water surface constructed wetland – FWS CW). Njihova glavna značilnost je prisotnost vidne odprte vode na površini, v kateri lahko rastejo emergentni, submerzni ali prosto plavajoči makrofiti (Kadlec in Wallace, 2008). Voda na površini je navadno globine 0,15 do 0.6 m, pod njo pa je še 0,2 do 0,3 m substrata. Vodna površina je tako izpostavljena vremenskim razmeram, kar je pomembno za vnos kisika in tudi dezinfekcijo z UV žarki (Quiñónez-Dìaz in sod., 2001; Mihelcic in Zimmerman, 2021).

Različica tega sistema vsebuje le plavajoče rastline (v ang. constructed wetlands with free-floating plants - FFP).

RČN s površinskim tokom vode in emergentnimi makrofiti pa je zgrajena iz plitke zaprte grede ali serije takih gred, ki vsebujejo po površini tekočo vodo. Gosta emergentna

(22)

8

vegetacija navadno pokriva delež večji od 50 % površine gred. Poleg posajenih makrofitov pa lahko rastejo tudi na območju naravno prisotne vrste (Kadlec, 1995).

Ena od slabosti takih sistemov (predvsem sistema s plavajočimi rastlinami) je slabša odstranjevalna učinkovitost na območjih s hladnejšo klimo. Tu problem predstavlja nastanek ledu. Zato so sistemi s prosto plavajočimi rastlinami bolj pogosti na območjih s toplejšo klimo. Na območjih z ustrezno temperaturo pa je njihova odstranjevalna učinkovitost dušika večinoma višja kot pri ostalih tipih RČN. Razlog za to je v rednem odstranjevanju rastlinske biomase. Le-to je pri tem tipu del običajnega vzdrževanja, kar je tudi razlog za nekoliko višje stroške (Vymazal, 2007). V kolikor odstranjena biomasa ne vsebuje previsokih koncentracij težkih kovin ali morebitnih drugih onesnažil (kot so farmacevtsko aktivne spojine), jo je po kompostiranju v že omenjenih kompostnih gredah možno ponovno uporabiti (Nielsen, 2003).

Večina sistemov s površinskim tokom vode pa navadno vsebuje emergentne makrofite.

Ko odpadna voda teče preko take RČN, se obdeluje s fizikalnimi (sedimentacija, filtracija, izpostavljenost UV žarkom), kemijskimi (adsorpcija, hlapitev (angl. volatilization)) in biološkimi (mikrobna degradacija, transformacije hranil s strani mikrobov, privzem iz vodnega stolpca, mikrobna kompeticija,…) procesi. Tako sistem s prosto plavajočimi rastlinami kot sistem s površinskim tokom vode in emergentnimi makrofiti se zaradi visoke odstranjevalne učinkovitosti hranil pogosto uporabljajo kot terciarno čiščenje (Vymazal, 2007). Uporabni pa so tudi za obdelavo padavinskih voda (Wallace in Knight, 2006).

Ker ta in njemu sorodni tipi RČN v Sloveniji niso pogosti, se tekom tega magistrskega dela na njih ne bom več osredotočal.

2.1.2.2 RČN z emergentnimi makrofiti in horizontalnim tokom vode pod površino Pri tipih RČN s podpovršinskim tokom je tok vode lahko usmerjen horizontalno ali vertikalno. Od zunaj je tako vidne zelo malo ali nič vode na površini. To še posebej drži za sisteme s horizontalnim tokom vode pod površino (Maiga in sod., 2019).

RČN s horizontalnim tokom vode pod površino (v angleščini: CW with horizontal sub- surface flow – HF CW) je razvila Käthe Seidel v Nemčiji v 1950ih. Takrat je kot medij za ukoreninjanje makrofitov uporabila grob substrat. V 1960ih pa je Reinhold Kickuth kot medij predlagal substrat z visoko vsebnostjo gline (Kickuth, 1977). V 1990ih je ta tip RČN našel svoje mesto v večini Evropskih držav, razširil pa se je tudi v Severno Ameriko, Avstralijo, Azijo in Afriko. V modernih RČN s horizontalnim tokom vode pod površino se kot medij večinoma uporablja opran gramoz (washed gravel) ali pesek z velikostjo zrn 10 - 20 mm (Vymazal in Kröpfelová, 2008a). Izbira ustreznega substrata je pomembna,

(23)

9

saj ta igra ključno vlogo pri filtraciji, prav tako pa je pomemben za dolgoživost same RČN. Substrat s premajhno velikostjo zrn (preveč fin substrat) lahko povzroča mašenje in posledičen površinski tok (Cooper in sod., 2005).

RČN s horizontalnim tokom vode pod površino in emergentnimi makrofiti sestavljajo grede, ki so napolnjene z gramozom, majhnimi kamni in peskom. Odpadna voda se izteka v RČN in teče preko tega poroznega substrata pod površino gred v bolj ali manj horizontalni smeri, dokler ne doseže iztoka iz RČN, od koder navadno odteče v bližnji vodotok. Onesnaženost odpadne vode se zmanjša s pomočjo delovanja mikroorganizmov ter kemijskih in fizikalnih procesov, ki potekajo v gredah. V substratu je omrežje oksičnih in anoksičnih območij. Oksična območja so omejena na prostore ob koreninah makrofitov, kjer se v substrat iz korenin sprošča kisik. Organske snovi se tako večinoma razgradijo zaradi mikrobne aktivnosti v anoksičnih razmerah, saj je večinski delež grede anoksičen zaradi stalnega nasičenja z vodo (Brix, 1987; Cooper in sod., 1997).

Suspendirana suha snov pa se večinoma odstranjuje s filtracijo in sedimentacijo.

Odstranjevalna učinkovitost le-te je navadno zelo visoka (Vymazal in Kröpfelová, 2008b). Glavni odstranjevalni mehanizem dušika je denitrifikacija. Odstranjevanje amonija pa je precej omejeno zaradi pomanjkanja kisika, ki je posledica prej omenjene stalne nasičenosti substrata z vodo. Razen ob uporabi posebnih materialov z visoko sorpcijsko kapaciteto je odstranjevalna sposobnost fosforja prav tako precej nizka (Vymazal, 2007).

Makrofiti v RČN s horizontalnim tokom vode igrajo pomembno vlogo pri zagotavljanju substrata za rast pritrjenih bakterij. Poleg tega pa njihove korenine omogočajo difuzijo kisika iz korenin v rizosfero, privzem hranil, predstavljajo pa tudi izolacijo površine gred, ki je še posebej potrebna v območjih s hladnejšo klimo. Najpogosteje uporabljen makrofit je navadni trst (Phragmites australis). Zato sisteme s horizontalnim podpovršinskim tokom vode v Evropi pogosto imenujejo tudi »Reed beds« (Brix, 1997).

RČN s horizontalnim tokom vode pod površino se uporabljajo predvsem za obdelavo komunalnih odpadnih voda (v naseljih, turističnih centrih, naravnih parkih, planinskih postojankah,…). Lahko pa se uporabljajo tudi za obdelavo drugih tipov odpadnih voda, kot so tiste iz industrijskih obratov, kmetij, obratov, ki so vključeni v prehransko industrijo, izcedne vode na odlagališčih in tudi padavinske vode s cestišč (Vymazal, 2010).

RČN s horizontalnim podpovršinskim tokom vode imajo številne prednosti, med katerimi so tudi nizki stroški obratovanja in vzdrževanja. Za samo obratovanje namreč ne potrebujejo elektrike, saj je tok vode zagotovljen z gravitacijo. Kljub temu pa se v posameznih primerih, ko zagotavljanje nagiba ni možno ali praktično, za pretok vode med gredami vseeno uporablja pretočne črpalke. Ena od glavnih prednosti pred drugimi

(24)

10

čistilnimi napravami pa je tudi sposobnost obdelave razredčene odpadne vode iz kombiniranih kanalizacijskih sistemov. Gre za odpadno vodo, ki je ne moremo obdelati v bolj uveljavljenih čistilnih napravah, kot so tiste, ki uporabljajo aktivno blato (Vymazal in Kröpfelová, 2008a).

Tudi ta sistem ima nekatere slabosti. Njihova uporaba je manj ustrezna v primerih, ko sta glavni tarčna onesnažili, ki ju želimo odstraniti NH4-N in P. Razlog za to se skriva v zgoraj omenjenih omejitvah v povezavi z dostopnostjo kisika (Vymazal in Kröpfelová, 2008a). Navadno se ta tip RČN uporablja v redko do srednje gosto poseljenih območjih na podeželju, kjer se zakonska določila, ki določajo vrednosti parametrov v obdelanih odpadnih vodah, navadno osredotočajo na vrednosti BPK5, KPK in TSS, ne pa tudi na koncentracije dušika in fosforja. Uveljavljeni sistemi za obdelavo odpadne vode pa navadno zahtevajo tudi nitrifikacijo, še posebno kadar se obdelana voda izliva v reke in potoke. Na Danskem je bilo precej sistemov s horizontalnim podpovršinskim tokom zgrajenih do leta 1988, zaprtih ravno zaradi nedoseganja zakonsko določenih zahtev v povezavi z nitrifikacijo. Nekaj RČN s podpovršinskim horizontalnim tokom je bilo zato nadgrajenih z dodatnim sistemom, kjer se izvaja nitrifikacija. Gre za prezračevalni sistem za nitrifikacijo s fiksnim filmom (angl.: fixed-film aerated technical system for nitrification). Sekundarna obdelava odpadne vode se v takih sistemih še vedno izvaja v gredah s horizontalnim tokom, na koncu le teh pa je nameščen reaktor s fiksnim filmom.

Čez poletje sistem ustreza zakonsko določeni zmogljivosti, pozimi pa je aktivnost nitrifikacije zaradi nizkih temperatur slabša in zato sistem ne deluje (Brix in sod., 2007b).

S tehnološkega vidika pa je eden od glavnih problemov že prej omenjeno mašenje in posledičen površinski tok po gredah. Najpogosteje se zamašijo prostori med delci substrata na mestu vtoka vode v prvo gredo RČN (filtrirna greda). Kopičenje suspendiranih delcev v substratu zmanjšuje hidravlično prevodnost, kar vodi v naraščanje nivoja vode v gredi do nastopa površinskega toka. Posledično pride do zmanjšane odstranjevalne sposobnosti RČN s horizontalnim podpovršinskim tokom. Odpadna voda namreč v takem primeru ne teče preko funkcionalnega dela RČN, kjer se odpadna voda prečisti (to je območje korenin emergentnih makrofitov in območje substrata) (Cooper, 2010). Sama rast emergentnih makrofitov pri tem tipu RČN ne izboljšuje hidravlične prevodnosti substrata in ga nasprotno celo poslabša (Brix in sod., 2007b; De Paoli in von Sperling, 2013). Površinski tok je možno preprečiti z odstranjevanjem suspendiranih suhih snovi iz vode, preden se ta izteče v samo RČN, in z izbiro filtracijskega materiala ustrezne velikosti, kar zmanjšuje možnost mašenja. Odstranjevanje suspendiranih snovi navadno poteka v primarnih usedalnikih, ki so nameščeni pred vtokom v grede RČN (Vymazal, 2011).

(25)

11

2.1.2.3 RČN z emergentnimi makrofiti in vertikalnim tokom vode pod površino

RČN z emergentnimi makrofiti in vertikalnim tokom pod površino (v angleščini: CW with vertical sub-surface flow – VF CW) je bila prvič predstavljena s strani Käthe Seidel kot način oksigeniranja iztočne vode iz anaerobnih septičnih jam (Seidel, 1965).

Za razliko od RČN s horizontalnim podpovršinskim tokom se uporaba RČN z vertikalnim podpovršinskim tokom ni razširila tako hitro. Eden od razlogov so višje zahteve pri vzdrževanju in obratovanju, kar je posledica potrebe po periodičnem črpanju odpadne vode na površino gred (intervalno polnjenje gred RČN). Grede RČN se namreč intervalno napolnijo z vodo, čemur sledi premor v polnjenju, ki traja, dokler vsa voda s površine ne pronica preko substrata in se zbere v drenažnem omrežju na dnu gred. Preko drenažnega sistema se voda potem izteka do konca grede. Zaradi takega režima polnjenja je omogočena večja difuzija kisika v substrat, kot pa pri RČN s horizontalnim tokom, kjer so grede stalno nasičene z odpadno vodo. Posledično so v gredah bolj oksične razmere, kar pomeni bolj ustrezne pogoje za nitrifikacijo (Cooper in sod., 1997). Po drugi strani pa ne omogočajo dobrih pogojev za denitrifikacijo (Vymazal in Kröpfelová, 2008a).

Sposobnost zagotavljati pogoje za denitrifikacijo je odvisna od režima polnjenja gred. S pomočjo mehaničnega dozirnega sistema se namreč odpadna voda dozira pod površino ali pa na površino gred (Maiga in sod., 2019). V povezavi z režimom pretoka vode tako lahko RČN z vertikalnim tokom dalje razdelimo v dva tipa. Na take s pretokom vode navzdol (angl. downflow) in take s pretokom vode navzgor (angl. upflow). Večina RČN z vertikalnim podpovršinskim tokom ima pretok vode usmerjen navzdol (downflow). Pri tistih s pretokom vode navzgor pa se voda črpa iz dna grede preko substrata proti površini, od koder odteče v zbiralnik na koncu grede (Sharma in sod., 2014).

Posamezen režim je lahko omejen le na eno gredo, ki je le del celotnega sistema RČN.

Naslednja greda ima tako lahko nasprotni režim pretoka vode, s čimer lahko izkoristimo prednosti obeh režimov pretoka. Na gredi s pretokom vode navzdol bo tako omogočena prisotnost oksičnih pogojev, saj kot omenjeno prej, sam substrat ni stalno nasičen z vodo, kar omogoča dostop kisika. Taki pogoji spodbujajo biološko pretvorbo dušika, ki je prisoten v obliki amonija, v nitrat. Taki gredi lahko sledi greda s pretokom vode navzgor, v kateri so vzpostavljeni anoksični pogoji, saj substrat ostane nasičen z vodo. V takih pogojih lahko poteče pretvorba nitrata v atmosferski dušik (N2) z denitrifikacijo (Fuchs in sod., 2012).

V rabi so tudi kombinacije sistemov z vertikalnim tokom navzgor in navzdol v eni gredi.

Navadno jih imenujejo kot sisteme s plimskim tokom (angl. tidal flow) ali sistem s polnjenjem in praznjenjem (angl. fill and drain constructed wetland). Pri teh se odpadna voda najprej črpa iz dna grede navzgor, dokler ni celotna greda poplavljena. Za tem se

(26)

12

odpadna voda nekaj časa zadrži v gredi, nakar po določenem času odteče navzdol do dna grede, od koder se izteče do iztoka. S tem je cikel zaključen in se lahko začne nov (Cooper, 2005).

Podobno kot RČN s horizontalnim podpovršinskim tokom so tudi RČN z vertikalnim podpovršinskim tokom zelo učinkovite pri odstranjevanju organskih snovi in suspendirane suhe snovi. Odstranjevalna sposobnost fosforja pa je, razen ob uporabi substrata z visoko sorpcijo, nizka (Vymazal in Kröpfelová, 2008a).

V primerjavi z RČN s horizontalnim tokom tiste z vertikalnim tokom lahko zasedajo manjšo površino, navadno 1 - 3 m² na populacijski ekvivalent (PE) (Weedon, 2001; Brix in Arias, 2005; Cooper, 2005; Molle in sod., 2005).

RČN z vertikalnim podpovršinskim tokom se navadno uporablja za obdelavo komunalnih odpadnih voda, še posebej ob strožjih predpisih za mejne koncentracije dušika na iztoku iz RČN. V literaturi lahko najdemo številna objavljena poročila o uporabi RČN z vertikalnim tokom za različne tipe odpadnih voda, kot so: odpadna voda iz obrata za kompostiranje (Lindenblatt in Horn, 2007), odpadna voda iz obrata za proizvodnjo sira (Kern in Idler, 1999),… Učinkovite so tudi pri zmanjševanju obremenjenosti izcednih voda iz odlagališč. Čiščenje takih voda z bolj uveljavljenimi metodami navadno ni ustrezno, saj pogosto vsebujejo težko razgradljive organske spojine in visoke koncentracije amonijaka (Yalçuk in Ugurlu, 2020). Uporabne so celo za zmanjševanje obremenjenosti vode v hiperevtrofnih vodnih telesih z močnim cianobakterijskim cvetenjem. Sposobne so celo odstranjevanja nekaterih cianobakterijskih metabolitov (Zhong in sod., 2018).

Tudi pri RČN z vertikalnim podpovršinskim tokom prihaja do mašenja filtracijskega medija. Za preprečevanje je tako potrebno izbirati ustrezen substrat in izbrati najbolj učinkovito stopnjo pretoka skozi grede (Vymazal, 2011). Še posebno dovzetne za mašenje so RČN z vertikalnim tokom navzdol. Pri teh se odpadna voda namreč izliva neposredno na površino grede, kjer lahko pride do mašenja. Precej manjše možnosti mašenja substrata pa imajo prej omenjeni sistemi s plimskim tokom (angl. tidal flow) (Cooper, 2005).

2.1.2.4 Hibridne rastlinske čistilne naprave

Za izboljšanje čistilnega učinka v RČN je možno posamezne tipe združiti, s čimer lahko izkoristimo prednosti posameznih sistemov. Večina hibridnih RČN združuje grede z vertikalnim (VF) in horizontalnim (HF) podpovršinskim tokom, ki so postavljene zaporedno (Vymazal, 2005). Hibridne RČN, ki so kombinacije teh dveh sistemov (VF- HF sistemi), je sprva oblikovala Seidel med leti 1950 in 1960, vendar je bila takrat njihova

(27)

13

uporaba zelo omejena (Revitt in sod., 2004). V 1980ih so bili VF-HF hibridni sistemi uporabljani v Franciji (Boutin, 1987) in Veliki Britaniji (Burka in Lawrence, 1990).

Podobni sistemi pa so bili v 1990ih in zgodnjih 2000ih zgrajeni tudi v Sloveniji (Urbanc- Bercic in Bulc, 1995). VF-HF in HF-VF (razlikujejo se glede na mesto, ki ga ima posamezen tip v zaporedju gred) rastlinske čistilne naprave so najbolj pogosti hibridni sistemi. V splošnem pa je možno kombinirati katerekoli tipe različnih RČN, s čimer dosežemo višjo stopnjo čistilne funkcije kot pa s posameznim tipom (Vymazal, 2005).

V zadnjem času so hibridne RČN v uporabi v številnih državah po svetu, še posebej tam, kjer je pomembno odstranjevati tako NH4-N kot tudi TN iz komunalne odpadne vode.

Hibridne RČN so namreč bolj primerne za dosego teh standardov kot pa klasične RČN z gredami samo enega tipa (Mander in sod., 2003; Brix in sod., 2007a; Vymazal in Kröpfelová, 2008a). Navadno so iz dveh stopenj. Na prvi stopnji je več vzporednih gred z vertikalnim podpovršinskim tokom, ki jim v drugi stopnji sledijo 2 ali 3 zaporedne grede s horizontalnim podpovršinskim tokom. Grede z vertikalnim tokom so namenjene odstranjevanju organskih snovi in suspendirane suhe snovi, zagotavljajo pa tudi pogoje za nitrifikacijo. V gredah s horizontalnim tokom pa poteka predvsem denitrifikacija in nadaljnje odstranjevanje raztopljenih organskih snovi in suspendiranih snovi. Vrstni red gred je lahko postavljen tudi obratno (Brix in sod., 2003).

Tako kot RČN posameznih tipov imajo tudi hibridne RČN zelo visoko učinkovitost odstranjevanja organskih snovi iz odpadne vode. V primerjavi z RČN, ki sestojijo iz enega samega tipa (VF ali HF), pa so hibridne bolj učinkovite pri odstranjevanju dušika.

Odstranjevanje fosforja ter vrednosti BPK5 in KPK na iztoku pa se med različnimi tipi ne razlikuje bistveno (Vymazal, 2013). Sistemi, ki imajo grede le enega tipa, ne morejo dosegati visoke stopnje odstranjevanja dušika, saj v njih ni možno zagotavljati tako aerobnih kot anaerobnih razmer istočasno. Sistemi z vertikalnim podpovršinskim tokom lahko uspešno odstranjujejo NH4-N, vendar v njih poteka zelo omejena denitrifikacija.

Sistemi s horizontalnim podpovršinskim tokom pa sicer zagotavljajo dobre pogoje za denitrifikacijo, njihova zmožnost odstranjevanja NH4-N tekom nitrifikacije pa je zelo omejena. Odstranjevanje fosforja pa je, kot že omenjeno pri sistemih posameznega tipa, tudi pri hibridnih RČN, odvisno od sorpcijske nosilnosti substrata in je v splošnem razmeroma nizko. Poleg tega pa sčasoma vodi do nasičenja substrata, ki ga je potrebno odstranjevati. Fosfor pa se odstranjuje tudi s privzemom s strani makrofitov, vendar je potem potrebna košnja. Na isti način poteka tudi odstranjevanje dušika. Odstranjevanje tako dušika kot tudi fosforja z košnjo emergentnih makrofitov je razmeroma nizko, a je ob manj obremenjenih sistemih še vedno lahko precejšnje. V splošnem odstranjevalna učinkovitost dušika in fosforja variira med 40 in 50 % oziroma 40 – 60 % (Vymazal, 2007).

(28)

14

Poleg obdelave komunalne odpadne vode se hibridne RČN uporabljajo tudi za obdelavo drugih tipov odpadnih voda, kot so izcedne vode na odlagališčih (Bulc, 2006; Kinsley in sod., 2007), izcedne vode iz kompostov (Reeb in Werckmann, 2005), klavnic (Soroko, 2007), ribogojnic in gojilnic kozic (Lin in sod., 2002, 2003).

2.2 VPLIVI NA ZDRUŽBO MAKROINVERTEBRATOV V VODOTOKIH NA OBMOČJU KMETIJSKE KRAJINE

Globalna biodiverziteta se pod vplivom antropogenih dejavnikov zelo hitro spreminja (Sala in sod., 2000; World Resources Institute, 2005b). Ekosistemi celinskih voda so zaradi rasti človeške populacije in čedalje večjega izkoriščanja naravnih virov še posebej podvrženi spremembam (Vörösmarty in sod., 2010). Antropogeni pritiski vključujejo degradacijo habitatov, odvzemi vode za namene pridobivanja pitne vode ter difuzno in točkovno onesnaževanje (Allan, 2004; Friberg, 2010; Vörösmarty in sod., 2010). Ti pritiski lahko povečujejo okoljske stresorje, kot so vnos hranil, pesticidov in drobnega anorganskega sedimenta, ki so pogosto povezani z evtrofikacijo in zmanjšanjem številčnosti na onesnaženje občutljivih taksonov makroinvertebratov (Liess in Ohe, 2005;

Smith in sod., 2006; Burdon in sod., 2013; Sundermann in sod., 2015).

Problemi, povezani z onesnaževanjem celinskih voda, so priznani tudi s strani Evropske Unije. Glede na Evropsko komisijo je namreč onesnaževanje voda eden najbolj pomembnih in razširjenih stresorjev v evropskih celinskih vodah (EU Commission, 2007).

Vodni makroinvertebrati se že desetletja uporabljajo pri ocenjevanju ekološkega stanja celinskih voda. Metode se večinoma osredotočajo na prisotnost ali odsotnost določenih vrst, njihovo abundanco, uporablja pa se tudi številne biotske indekse (Birk in sod., 2012).

Makroinvertebrati imajo pri svoji vlogi kot indikatorji precej prednosti. So vsesplošno prisotni, enostavni za vzorčenje, poleg tega pa so občutljivi na veliko različnih stresorjev, kot so anorgansko onesnaženje, morfološke spremembe vodnih habitatov,… (Bonada in sod., 2006).

Pri vrednotenju vplivov na združbo bentoških nevretenčarjev v tekočih celinskih vodah pa je pomembno upoštevati tudi vpliv prispevnega območja. Stanje ekosistemov tekočih celinskih voda je namreč pogosto odvisno od stopnje in prostorsko-časovnega obsega človeških pritiskov na prispevno območje (Allan, 2004; Friberg, 2010).

Raziskovanje antropogenih vplivov na ekosisteme je precej težavno, saj ti delujejo istočasno in tudi vplivajo drug na drugega (Townsend in sod., 2008). Nekateri dejavniki, kot so kvaliteta vode, morfologija potoka in temperatura, pa so pogosto v korelaciji