A biofilter (closed system). (Antonín Zajíček)

Drainage Biofilter (Чешская Республика)

Drenážní biofiltr

Описание

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.

Местоположение

Местоположение: Černičí, Dehtáře, Vysočina region (Highlands Region), Чешская Республика

Число исследованных участков, где применяется Технология: 2-10 участков

Географическая привязка выбранных участков
  • 15.26363, 49.48231

Пространственное распространение Технологии: примененяется точечно/ на небольших участках

На постоянно охраняемой территории?: Нет

Продолжительность применения Технологии: менее 10 лет назад (недавняя)

Тип внедрения/ применения
A view of the biofilter during installation (Antonín Zajíček)
An aerial view of the implemented measure (Antonín Zajíček)

Классификация Технологии

Основная цель
  • повышение производства
  • снижение или предотвращение деградации земель, восстановление нарушенных земель
  • сохранение экосистем
  • защита бассейнов рек (приводораздельной части/ нижнего течения) – в сочетании с другими Технологиями
  • сохранение/ повышение биоразнообразия
  • снижение риска стихийных бедствий
  • адаптация к изменению климата / экстремальным погодным явлениям и их последствиям
  • смягчение последствий изменения климата
  • создание благоприятных экономических условий
  • создание благоприятных социальных условий
  • reduce diffusive agricultural pollution
Землепользование
Комбинированное землепользование в пределах одной и той же земельной единицы: Нет

  • Пахотные угодья и плантации
    • Многолетние (недревесные) культуры: кормовые культуры - травы
    Число урожаев за год: 1
    Применяются ли посевы в междурядьях? Нет
    Применяется ли севооборот? Нет
  • Водотоки, водные объекты, водно-болотные угодья - Дренажные канавы, водотоки
Водоснабжение
  • богарные земли
  • сочетание богарных и орошаемых земель
  • полное орошение

Цель, связанная с деградацией земель
  • предотвращение деградации земель
  • снижение деградации земель
  • восстановление/ реабилитация нарушенных земель
  • адаптация к деградации земель
  • не применимо
Тип деградации, на борьбу с которым направлена
  • деградация водных ресурсов - Взп: снижение качества поверхностных вод, Взг: снижение качества грунтовых вод
Категория УЗП
  • управление поверхностными водами (родники, реки, озёра, моря)
  • управление подземными водами
Мероприятия УЗП
  • Мероприятия с использованием растительности - Р2: Злаковые и многолетние травянистые растения
  • инженерные мероприятия - И11: Другие

Технический рисунок

Технические характеристики
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

Запуск и текущее обслуживание: мероприятия, необходимые ресурсы и затраты

Подсчет вложений и затрат
  • Подсчитанные затраты: на технологическую единицу (единица: measure - one system of closed biofilter/bioreactor)
  • Денежные единицы, использованные для подсчета затрат: EUR
  • Обменный курс (к доллару США): 1 USD = 0.92 EUR
  • Средний размер дневного заработка для нанятых работников: 150
Наиболее значимые факторы, влияющие на стоимость затрат
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.
Мероприятия, необходимые для начала реализации
  1. Selecting proper place for the measure (Сроки/ повторяемость проведения: Before implementation)
  2. Obtaining the consent of the owners and users of the affected land (Сроки/ повторяемость проведения: Before implementation)
  3. Project documentation (Сроки/ повторяемость проведения: Before implementation)
  4. Water management office permisiond and building permission (Сроки/ повторяемость проведения: Before implementation)
  5. Excavation works (Сроки/ повторяемость проведения: Drier period, ideally at the end of the growing season)
  6. Biofilter construction (Сроки/ повторяемость проведения: Drier period, ideally at the end of the growing season)
  7. Filling the biofilter with substrates (Сроки/ повторяемость проведения: Drier period, ideally at the end of the growing season)
Стоимость вложений и затрат по запуску (per measure - one system of closed biofilter/bioreactor)
Опишите затраты Единица Количество Затраты на единицу (EUR) Общая стоимость на единицу (EUR) % затрат, оплаченных землепользователями
Оплата труда
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
Оборудование
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
Посадочный материал
grasss seeding kg 10,0 8,0 80,0 100,0
Строительные материалы
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
Общая стоимость запуска Технологии 13'550.0
Общие затраты на создание Технологии в долларах США 14'728.26
Текущее обслуживание
  1. Exchange of reducing agent in biofilter (Сроки/ повторяемость проведения: every 5 - 10 years)
  2. Cutting the grass aroun the measure (Сроки/ повторяемость проведения: twice a year)
  3. Checking and maintenance/repairs (Сроки/ повторяемость проведения: once a year)
Стоимость вложений и затрат по эксплуатации (per measure - one system of closed biofilter/bioreactor)
Опишите затраты Единица Количество Затраты на единицу (EUR) Общая стоимость на единицу (EUR) % затрат, оплаченных землепользователями
Оплата труда
grass chopper machine days 1,0 100,0 100,0 100,0
Посадочный материал
grasss seed kg 10,0 8,0 80,0 100,0
Общая стоимость поддержания Технологии 180.0
Общие затраты на поддержание Технологии в долларах США 195.65

Природные условия

Среднегодовое количество осадков
  • < 250 мм
  • 251-500 мм
  • 501-750 мм
  • 751-1000 мм
  • 1001-1500 мм
  • 1501-2000 мм
  • 2001-3000 мм
  • 3001-4000 мм
  • > 4000 мм
Агроклиматическая зона
  • влажная
  • Умеренно-влажная
  • полузасушливая
  • засушливая
Дополнительные характеристики климата
Среднегодовое количество осадков в мм: 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.
Название метеостанции: Košetice, own measurement
mean average temperature 7,9 °C
Склон
  • пологие (0-2%)
  • покатые (3-5%)
  • покато-крутые (6-10%)
  • крутые (11-15%)
  • очень крутые (16-30%)
  • чрезвычайно крутые (31-60%)
  • обрывистые (>60%)
Формы рельефа
  • плато/ равнины
  • гребни хребтов/холмов
  • склоны гор
  • склоны холмов
  • подножья
  • днища долин
Высота над уровнем моря
  • 0-100 м над уровнем моря
  • 101-500 м н.у.м.
  • 501-1000 м н.у.м.
  • 1001-1500 м н.у.м.
  • 1501-2000 м н.у.м.
  • 2001-2500 м н.у.м.
  • 2501-3000 м н.у.м.
  • 3001-4000 м н.у.м.
  • > 4 тыс. м н.у.м.
Технология применяется в
  • в условиях выпуклого рельефа
  • в ситуациях вогнутого рельефа
  • не имеет значения
Мощность почв
  • поверхностные (0-20 см)
  • неглубокие (21-50 см)
  • умеренно глубокие (51-80 см)
  • глубокие (81-120 см)
  • очень глубокие (> 120 см)
Гранулометрический состав (верхнего горизонта)
  • грубый крупнозернистый/ лёгкий (песчаный)
  • средние фракции (суглинистый, супесчаный)
  • тонкодисперсный/ тяжёлый (глинистый)
Гранулометрический состав (на глубине более 20 см)
  • грубый крупнозернистый/ лёгкий (песчаный)
  • средние фракции (суглинистый, супесчаный)
  • тонкодисперсный/ тяжёлый (глинистый)
Содержание органического вещества в верхнем почвенном горизонте
  • высокое (> 3%)
  • среднее (1-3%)
  • низкое (< 1%)
Уровень грунтовых вод
  • на поверхности
  • < 5 м
  • 5-50 м
  • > 50 м
Доступность поверхностных вод
  • избыток
  • хорошая
  • средняя
  • недостаточны/ отсутствуют
Качество воды (без обработки)
  • питьевая вода хорошего качества
  • питьевая вода плохого качества (необходима обработка)
  • исключительно для сельскохозяйственного использования (орошение)
  • непригодная для использования
Качество воды относится к: одновременно грунтовые и поверхностные воды
Является ли солёность воды проблемой?
  • Да
  • Нет

Повторяемость затопления
  • Да
  • Нет
Видовое разнообразие
  • высокое
  • средняя
  • низкое
Разнообразие местообитаний
  • высокое
  • средняя
  • низкое

Характеристика землепользователей, применяющих Технологию

Рыночная ориентация
  • натуральное хозяйство (самообеспечение)
  • смешанный (натуральный / коммерческий)
  • товарное/ рыночное хозяйство
Доходы из других источников
  • < 10% всех доходов
  • 10-50% всех доходов
  • > 50% всех доходов
Относительный уровень достатка
  • очень плохой
  • плохой
  • средний
  • обеспеченный
  • весьма обеспеченный
Уровень механизации
  • ручной труд
  • тягловая сила
  • механизировано/ есть автотранспорт
Осёдлый или кочевой
  • Осёдлый
  • Полукочевой
  • Кочевой
Индивидуальное или коллективное хозяйство
  • частное/ домовладение
  • группа/ община
  • кооператив
  • использующее наемных работников (компания, государство)
Пол
  • женщины
  • мужчины
Возраст
  • дети
  • молодёжь
  • средний возраст
  • пожилой
Площадь, используемая домохозяйством
  • < 0,5 га
  • 0,5-1 га
  • 1-2 га
  • 2-5 га
  • 5-15 га
  • 15-50 га
  • 50-100 га
  • 100-500 га
  • 500-1000 га
  • 1000-10000 га
  • > 10000 га
Масштаб
  • мелкое
  • среднего размера
  • крупное
Собственность на землю
  • государственная
  • частной компании
  • общинная/ поселковая
  • коллективная
  • индивидуальная, не оформленная в собственность
  • индивидуальная, оформленная в собственность
Права на землепользование
  • неограниченное (неконтролируемое)
  • общинное (контролируемое)
  • аренда
  • индивидуальное
Права на водовользование
  • неограниченное (неконтролируемое)
  • общинное (контролируемое)
  • аренда
  • индивидуальное
Доступ к базовым услугам и инфраструктуре
медицинское обслуживание

плохой
x
хорошая
образование

плохой
x
хорошая
технические консультации

плохой
x
хорошая
занятость (вне хозяйства)

плохой
x
хорошая
рынки

плохой
x
хорошая
электроснабжение

плохой
x
хорошая
транспорт и дорожная сеть

плохой
x
хорошая
водоснабжение и канализация

плохой
x
хорошая
финансовые услуги

плохой
x
хорошая

Влияние

Социально-экономическое воздействие
Социальное и культурное воздействие
Экологическое воздействие
количество воды
снизил.
x
увеличил.


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

качество воды
снизил.
x
увеличил.


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

Влияние за пределами территории применения
загрязнение подземных/ речных вод
увеличил.
x
сократил.


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

Анализ эффективности затрат

Насколько получаемый результат сопоставим с первоначальными вложениями
Эффективность затрат в краткосрочной перспективе
крайне отрицательно
x
очень позитивное

Эффективность затрат в долгосрочной перспективе
крайне отрицательно
x
очень позитивное

Насколько получаемый результат сопоставим с затратами на техническое обслуживание
Эффективность затрат в краткосрочной перспективе
крайне отрицательно
x
очень позитивное

Эффективность затрат в долгосрочной перспективе
крайне отрицательно
x
очень позитивное

Изменение климата

Другие воздействия, связанные с изменением климата
Irregular rainfall distribution and increasing number of runoff episodes

очень плохо
x
очень хорошо

Внедрение и адаптация

Доля землепользователей (в процентах), применяющих Технологию
  • отдельные случаи/ эксперимент
  • 1-10%
  • 11-50%
  • > 50%
Среди применяющих Технологию землепользователей, какова доля лиц, применяющих её по собственной инициативе, т.е. без какого-либо материального стимулирования со стороны?
  • 0-10%
  • 11-50%
  • 51-90%
  • 91-100%
Была ли Технология УЗП модифицирована в недавнее время с целью адаптации к меняющимся условиям среды?
  • Да
  • Нет
К каким именно изменяющимся условиям среды?
  • изменения климата/ экстремальные погодные явления
  • изменяющиеся условия рынка
  • доступность рабочей силы (например, из-за миграции населения)
  • 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

Заключительные положения и извлечённые уроки

Сильные стороны: по мнению землепользователей
  • Relatively small and cheap measure
  • The measure does not require frequent and costly maintenance
Сильные стороны: по мнению составителя или ответственных специалистов
  • High efficiency of drainage water treatment measures
Слабые стороны/ недостатки/ риски: по мнению землепользователейвозможные пути преодоления
  • Difficult to obtain subsidies for construction Change in subsidy polices
  • Often different owner and user of the land concerned
Слабые стороны/ недостатки/ риски: по мнению составителя или ответственных специалистоввозможные пути преодоления
  • Reduced efficiency during significant rainfall-runoff events Correct sizing of the measure.

Справочные материалы

Составитель
  • Antonín Zajíček
Editors
Рецензент
  • William Critchley
  • Rima Mekdaschi Studer
Продолжительность применения Технологии: 6 мая 2022 г.
Последнее обновление: 25 марта 2024 г.
Ответственные специалисты
Полное описание в базе данных ВОКАТ
Связанные данные по УЗП
Документирование осуществлялось при участии
Организация Проект
Ключевые ссылки
  • 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
Ссылки на материалы по теме, доступные онлайн
  • 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
This work is licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareaAlike 4.0 International