A biofilter (closed system). (Antonín Zajíček)

Drainage Biofilter (República Tcheca)

Drenážní biofiltr

Descrição

Biofilters or “bioreactors” connected to agricultural tile drains are relatively inexpensive and space-saving measures with considerable potential to improve the quality of drainage water.

A biofilter or “bioreactor” is a relatively small installation used to break down pollutants from drainage water. Its basic function is to allow the passage of drainage water, contaminated with nutrients and pesticides, through a container with pollutant-reducing agents. Bioreactors are usually located at the bottom of agricultural drainage structures on the drains or in connection with drainage outlets. Ideally, the biofilter is located on a site that is no longer part of the cultivated land or is under permanent grassland.

In principle, two biofilter solutions are possible. In the case of low and regular drainage flows, the drainage section is directly replaced by a biofilter. With higher flows and in the case of rapid response of the drainage structure to rainfall-runoff episodes, the biofilter is placed parallel to the outlet drain or is located under the drainage outlet (if ambient conditions allow). Such a design includes a distribution structure (preferably located in a drainage manhole) and a drainage pipe to allow safe bypassing of a portion of the elevated drainage outlet, to maintain the residence time of the water in the biofilter and thus its corresponding efficiency.

The biofilter may be designed as closed or open. A closed biofilter is completely buried and normal tillage can take place. An open biofilter lacks the advantage of an undisturbed terrain but has the advantage of benefitting from plants that enhance the purification of drainage water by bacteria living on their roots.

The installation always consists of a bed or container in which the reducing agent is enclosed, ensuring the isolation of the agent from the surrounding soil and water. In the case of a smaller sized closed biofilter, a plastic container can be used, while in the case of a larger or open design, plastic film can be used as a bed. Various materials can be used as biofilter fillings, or substrates, both individually and in combination. In most cases, the reducing agent is carbonaceous, with denitrification mediated by chemo-organotrophic bacteria.

In terms of N-NO3 removal, the most effective are wood chips, which have a high hydraulic conductivity and a C:N ratio of 30:1 to 300:1. In particular, chips from poplar, pine and larch are suitable. For the removal of pesticides or biopharmaceuticals, then biochar (biochar) and lignite are suitable as natural and readily available materials. A combination of materials can also be used. For example, the addition of biochar to the wood chips will increase the efficiency of the bioreactor in degrading pesticides, or the charge can be combined with an inorganic substrate (sand, vermiculite), which is added to prevent undesirable settling, reduce hydraulic conductivity and at the same time mechanically purify the drainage water.

Localização

Localização: Černičí, Dehtáře, Vysočina region (Highlands Region), República Tcheca

Nº de sites de tecnologia analisados: 2-10 locais

Geo-referência de locais selecionados
  • 15.26363, 49.48231

Difusão da tecnologia: Aplicado em pontos específicos/concentrado numa pequena área

Em uma área permanentemente protegida?: Não

Data da implementação: menos de 10 anos atrás (recentemente)

Tipo de introdução
A view of the biofilter during installation (Antonín Zajíček)
An aerial view of the implemented measure (Antonín Zajíček)

Classificação da Tecnologia

Objetivo principal
  • Melhora a produção
  • Reduz, previne, recupera a degradação do solo
  • Preserva ecossistema
  • Protege uma bacia/zonas a jusante – em combinação com outra tecnologia
  • Preservar/melhorar a biodiversidade
  • Reduzir riscos de desastre
  • Adaptar a mudanças climáticas/extremos e seus impactos
  • Atenuar a mudanças climáticas e seus impactos
  • Criar impacto econômico benéfico
  • Cria impacto social benéfico
  • reduce diffusive agricultural pollution
Uso da terra
Uso do solo misturado dentro da mesma unidade de terra: Não

  • Terra de cultivo
    • Cultura perene (não lenhosa): culturas forrageiras - gramíneas
    Número de estações de cultivo por ano: 1
    O cultivo entre culturas é praticado? Não
    O rodízio de culturas é praticado? Não
  • Vias navegáveis, corpo d'água, zonas úmidas - Linhas de drenagem, vias navegáveis

Abastecimento de água
  • Precipitação natural
  • Misto de precipitação natural-irrigado
  • Irrigação completa

Objetivo relacionado à degradação da terra
  • Prevenir degradação do solo
  • Reduzir a degradação do solo
  • Recuperar/reabilitar solo severamente degradado
  • Adaptar à degradação do solo
  • Não aplicável
Degradação abordada
  • Degradação da água - Hp: declínio da qualidade de água de superfície, Hq: declínio da qualidade do lençol freático
Grupo de GST
  • Gestão de água de superfície (nascente, rio, lagos, mar)
  • Gestão do lençol freático
Medidas de GST
  • Medidas vegetativas - V2: gramíneas e plantas herbáceas perenes
  • Medidas estruturais - S11: Outros

Desenho técnico

Especificações técnicas
The drawing shows a closed biofilter/bioreactor system, which is built as a bypass of the existing drainage pipe. The measure is looped at the bottom of the drainage system to approximate the recipient.
This system consists mainly of the following features:
1) Drainage water inlet - existing drainage pipe - tile drains
2) Flow control facillity, which is built on top of the existing drainage pipe. The main line structure was excavated, the original ceramic pipe was replaced with a plastic PP pipe and a manhole with an embedded baffle was inserted to allow the water to rise to the required level and subsequently overflow the excess water over the overflow edge. A control element is placed in the manhole to regulate the flow of water into the system.
3) The existing drain, which, once the measures are constructed, serves as a bypass for excess runoff during spring thaw or significant rainfall-runoff episodes.
4) Inflow to the biofilter in the form of a newly constructed pipe.
5) Bed of biofilter - a hardened bed to prevent destruction of the biofilter by shallow groundwater levels and a plastic container for the actual biofilter fill.
6) Biofilter fill. I.n this case a mixture of vermiculite, wood chips and biochar, alternatively wood chips themselves or other materials can be used
7) Purified water outlet from the biofilter
8) Flow control facility, built in drainage manhole, purified water is returned to the existing drainage pipe
9) Drainage outlet
Author: Research Institute for Soil and Water Conservation

Estabelecimento e manutenção: atividades, insumos e custos

Cálculo de insumos e custos
  • Os custos são calculados: Por unidade de tecnologia (unidade:measure - one system of closed biofilter/bioreactor)
  • Moeda utilizada para o cálculo de custos: EUR
  • Taxa de câmbio (para USD): 1 USD = 0.92 EUR
  • Custo salarial médio da mão-de-obra contratada por dia: 150
Fatores mais importantes que afetam os custos
The price of this measure is mostly influenced by its dimensioning for a certain water residence time of the drainage runoff (the above described example is dimensioned for a delay period of about 12 hours at a maximum drainage flow of 0.5 l/s). Another factor is the price of sorbents, where biochar and vermiculite in particular are quite expensive (approximately 250 EUR/m3). Alternatively, woodchips can be used (80 EUR/m3). The price can also be reduced by a simpler construction of the biofilter bed. The minimum price for this measure is estimated at EUR 3 200.
Atividades de implantação
  1. Selecting proper place for the measure (Periodicidade/frequência: Before implementation)
  2. Obtaining the consent of the owners and users of the affected land (Periodicidade/frequência: Before implementation)
  3. Project documentation (Periodicidade/frequência: Before implementation)
  4. Water management office permisiond and building permission (Periodicidade/frequência: Before implementation)
  5. Excavation works (Periodicidade/frequência: Drier period, ideally at the end of the growing season)
  6. Biofilter construction (Periodicidade/frequência: Drier period, ideally at the end of the growing season)
  7. Filling the biofilter with substrates (Periodicidade/frequência: Drier period, ideally at the end of the growing season)
Estabelecer insumos e custos (per measure - one system of closed biofilter/bioreactor)
Especifique a entrada Unidade Quantidade Custos por unidade (EUR) Custos totais por entrada (EUR) % dos custos arcados pelos usuários da terra
Mão-de-obra
Project/design person-days 5,0 200,0 1000,0 100,0
Engineering person-days 10,0 200,0 2000,0 100,0
Implementation of the measure person-days 6,0 150,0 900,0 100,0
Equipamento
Tansport of material machine-days 5,0 150,0 750,0 100,0
Excavation works machine-days 3,0 220,0 660,0 100,0
Material vegetal
grasss seeding kg 10,0 8,0 80,0 100,0
Material de construção
Distribution object (manhole) piece 2,0 2200,0 4400,0 100,0
Container for filling the biofilter piece 1,0 2400,0 2400,0 100,0
Sorbents (vermukulit, biochar, woodchips) m3 3,0 440,0 1320,0 100,0
drainage pipes and other material m 20,0 2,0 40,0 100,0
Custos totais para a implantação da tecnologia 13'550.0
Custos totais para o estabelecimento da Tecnologia em USD 14'728.26
Atividades de manutenção
  1. Exchange of reducing agent in biofilter (Periodicidade/frequência: every 5 - 10 years)
  2. Cutting the grass aroun the measure (Periodicidade/frequência: twice a year)
  3. Checking and maintenance/repairs (Periodicidade/frequência: once a year)
Insumos e custos de manutenção (per measure - one system of closed biofilter/bioreactor)
Especifique a entrada Unidade Quantidade Custos por unidade (EUR) Custos totais por entrada (EUR) % dos custos arcados pelos usuários da terra
Mão-de-obra
grass chopper machine days 1,0 100,0 100,0 100,0
Material vegetal
grasss seed kg 10,0 8,0 80,0 100,0
Custos totais para a manutenção da tecnologia 180.0
Custos totais de manutenção da Tecnologia em USD 195.65

Ambiente natural

Média pluviométrica anual
  • <250 mm
  • 251-500 mm
  • 501-750 mm
  • 751-1.000 mm
  • 1.001-1.500 mm
  • 1.501-2.000 mm
  • 2.001-3.000 mm
  • 3.001-4.000 mm
  • > 4.000 mm
Zona agroclimática
  • úmido
  • Subúmido
  • Semiárido
  • Árido
Especificações sobre o clima
Pluviosidade média anual em mm: 666.0
Total precipitation during the vegetation
period ranges between 350 and 450 mm, and in the
winter months between 250 and 300 mm, with a total annual
average of 666 mm.
Nome da estação meteorológica: Košetice, own measurement
mean average temperature 7,9 °C
Inclinação
  • Plano (0-2%)
  • Suave ondulado (3-5%)
  • Ondulado (6-10%)
  • Moderadamente ondulado (11-15%)
  • Forte ondulado (16-30%)
  • Montanhoso (31-60%)
  • Escarpado (>60%)
Formas de relevo
  • Planalto/planície
  • Cumes
  • Encosta de serra
  • Encosta de morro
  • Sopés
  • Fundos de vale
Altitude
  • 0-100 m s.n.m.
  • 101-500 m s.n.m.
  • 501-1.000 m s.n.m.
  • 1.001-1.500 m s.n.m.
  • 1.501-2.000 m s.n.m.
  • 2.001-2.500 m s.n.m.
  • 2.501-3.000 m s.n.m.
  • 3.001-4.000 m s.n.m.
  • > 4.000 m s.n.m.
A tecnologia é aplicada em
  • Posições convexas
  • Posições côncavas
  • Não relevante
Profundidade do solo
  • Muito raso (0-20 cm)
  • Raso (21-50 cm)
  • Moderadamente profundo (51-80 cm)
  • Profundo (81-120 cm)
  • Muito profundo (>120 cm)
Textura do solo (superficial)
  • Grosso/fino (arenoso)
  • Médio (limoso, siltoso)
  • Fino/pesado (argila)
Textura do solo (>20 cm abaixo da superfície)
  • Grosso/fino (arenoso)
  • Médio (limoso, siltoso)
  • Fino/pesado (argila)
Teor de matéria orgânica do solo superior
  • Alto (>3%)
  • Médio (1-3%)
  • Baixo (<1%)
Lençol freático
  • Na superfície
  • < 5 m
  • 5-50 m
  • > 50 m
Disponibilidade de água de superfície
  • Excesso
  • Bom
  • Médio
  • Precário/nenhum
Qualidade da água (não tratada)
  • Água potável boa
  • Água potável precária (tratamento necessário)
  • apenas para uso agrícola (irrigação)
  • Inutilizável
A qualidade da água refere-se a: tanto de águas subterrâneas quanto de superfície
A salinidade é um problema?
  • Sim
  • Não

Ocorrência de enchentes
  • Sim
  • Não
Diversidade de espécies
  • Alto
  • Médio
  • Baixo
Diversidade de habitat
  • Alto
  • Médio
  • Baixo

Características dos usuários da terra que utilizam a tecnologia

Orientação de mercado
  • Subsistência (autoabastecimento)
  • misto (subsistência/comercial)
  • Comercial/mercado
Rendimento não agrícola
  • Menos de 10% de toda renda
  • 10-50% de toda renda
  • >50% de toda renda
Nível relativo de riqueza
  • Muito pobre
  • Pobre
  • Média
  • Rico
  • Muito rico
Nível de mecanização
  • Trabalho manual
  • Tração animal
  • Mecanizado/motorizado
Sedentário ou nômade
  • Sedentário
  • Semi-nômade
  • Nômade
Indivíduos ou grupos
  • Indivíduo/unidade familiar
  • Grupos/comunidade
  • Cooperativa
  • Empregado (empresa, governo)
Gênero
  • Mulheres
  • Homens
Idade
  • Crianças
  • Jovens
  • meia-idade
  • idosos
Área utilizada por residência
  • < 0,5 ha
  • 0,5-1 ha
  • 1-2 ha
  • 2-5 ha
  • 5-15 ha
  • 15-50 ha
  • 50-100 ha
  • 100-500 ha
  • 500-1.000 ha
  • 1.000-10.000 ha
  • > 10.000 ha
Escala
  • Pequena escala
  • Média escala
  • Grande escala
Propriedade da terra
  • Estado
  • Empresa
  • Comunitário/rural
  • Grupo
  • Indivíduo, não intitulado
  • Indivíduo, intitulado
Direitos do uso da terra
  • Acesso livre (não organizado)
  • Comunitário (organizado)
  • Arrendado
  • Indivíduo
Direitos do uso da água
  • Acesso livre (não organizado)
  • Comunitário (organizado)
  • Arrendado
  • Indivíduo
Acesso a serviços e infraestrutura
Saúde

Pobre
Bom
Educação

Pobre
Bom
Assistência técnica

Pobre
Bom
Emprego (p. ex. não agrícola)

Pobre
Bom
Mercados

Pobre
Bom
Energia

Pobre
Bom
Vias e transporte

Pobre
Bom
Água potável e saneamento

Pobre
Bom
Serviços financeiros

Pobre
Bom

Impactos

Impactos socioeconômicos
Impactos socioculturais
Impactos ecológicos
Quantidade de água
diminuído
aumentado


Slowing of the drainage runoff will be noticeable especially during normal and lower discharges

Qualidade de água
diminuído
aumentado


The effects of the measures are particularly positive in terms of reducing nutrient (nitrogen, phosphorus) and pesticide concentrations

Impactos fora do local
Poluição de água subterrânea/rio
aumentado
Reduzido


The effect of biofilter-type measures is particularly pronounced in small intensively drained agricultural catchments where much of the runoff (and pollution) comes from drainage waters

Análise do custo-benefício

Benefícios em relação aos custos de estabelecimento
Retornos a curto prazo
muito negativo
muito positivo

Retornos a longo prazo
muito negativo
muito positivo

Benefícios em relação aos custos de manutenção
Retornos a curto prazo
muito negativo
muito positivo

Retornos a longo prazo
muito negativo
muito positivo

Mudança climática

Outras consequências relacionadas ao clima
Irregular rainfall distribution and increasing number of runoff episodes

não bem em absoluto
muito bem

Adoção e adaptação

Porcentagem de usuários de terras na área que adotaram a Tecnologia
  • casos isolados/experimental
  • 1-10%
  • 11-50%
  • > 50%
De todos aqueles que adotaram a Tecnologia, quantos o fizeram sem receber incentivos materiais?
  • 0-10%
  • 11-50%
  • 51-90%
  • 91-100%
A tecnologia foi recentemente modificada para adaptar-se as condições variáveis?
  • Sim
  • Não
A quais condições de mudança?
  • Mudança climática/extremo
  • Mercados dinâmicos
  • Disponibilidade de mão-de-obra (p. ex. devido à migração)
  • treating of pesticide pollution
The use of biochar and other advanced materials as substrates will enable the use of bioreactors to reduce water pollution from pesticides and their metabolites

Conclusões e experiências adquiridas

Pontos fortes: visão do usuário de terra
  • Relatively small and cheap measure
  • The measure does not require frequent and costly maintenance
Pontos fortes: a visão do/a compilador/a ou de outra pessoa capacitada
  • High efficiency of drainage water treatment measures
Pontos fracos/desvantagens/riscos: visão do usuário de terracomo superar
  • Difficult to obtain subsidies for construction Change in subsidy polices
  • Often different owner and user of the land concerned
Pontos fracos/desvantagens/riscos: a visão do/a compilador/a ou de outra pessoa capacitadacomo superar
  • Reduced efficiency during significant rainfall-runoff events Correct sizing of the measure.

Referências

Compilador/a
  • Antonín Zajíček
Editores
Revisor
  • William Critchley
  • Rima Mekdaschi Studer
Data da documentação: 6 de Maio de 2022
Última atualização: 25 de Março de 2024
Pessoas capacitadas
Descrição completa no banco de dados do WOCAT
Dados GST vinculados
A documentação foi facilitada por
Instituição Projeto
Referências-chave
  • ZAJÍČEK, A., SYCHRA, L., VYBÍRAL, T., HEJDUK, T., ČMELÍK, M., FUČÍK, P., KAPLICKÁ, M. 2021: Design of the Revitalization measures on the Main drainage facilities and hydrologically related Detailed drainage facilities (In Czech): https://doi.org/10.3390/w15061247
  • Kvítek, T.; Zajíček, A.; Dostál, T.; Fučík, P.; Krása, J.; Bauer, M.; Jáchymová, B.; Kulhavý, Z.; Pavel, M. Slowing Down Quick Runoff—A New Approach for the Delineation and Assessment of Critical Points, Contributing Areas, and Proposals of Measures to Reduce Non-Point Water Pollution from Agricultural Land. Water 2023, 15, 1247.: https://doi.org/10.3390/w15061247
  • Vrchovecká, S., Asatiani, N., Antoš, V., Wacławek, S., Hrabák, P. (2023): et al. Study of Adsorption Efficiency of Lignite, Biochar, and Polymeric Nanofibers for Veterinary Drugs in WWTP Effluent Water. Water Air Soil Pollut 234, 268.: https://doi.org/10.1007/s11270-023-06281-0
  • Johnson, G. M.,Christianson, R. D., Cooke, R.A. C., Diaz-Garcia, C., Christianson, L. E. 2022. Denitrifying bioreactor woodchip sourcing guidance based on physical and hydraulic properties. ECOLOGICAL ENGINEERING, 184: DOI10.1016/j.ecoleng.2022.106791
  • Christianson, LE et al., 2021. EFFECTIVENESS OF DENITRIFYING BIOREACTORS ON WATER POLLUTANT REDUCTION FROM AGRICULTURAL AREAS,AGRICULTURAL ENGINEERINGAGRICULTURAL ENGINEERING: DOI10.13031/trans.14011
Links para informação relevante que está disponível online
  • Zajíček, A., Hejduk, T., Sychra, L., Vybíral, T., Fučík, P. (2022): How to Select a Location and a Design of Measures on Land Drainage – A Case Study from the Czech Republic. Journal of Ecological Engineering 2022, 23(4), 43–57. ISSN 2299–8993.: https://doi.org/10.12911/22998993/146270
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