Sediment – hnojivo či odpad?

Sedimenty – sedimenty dnové, aquatické nebo fluviální, to všechno jsou názvy pro dnes velmi kontroverzní produkt, na který se hodí skvěle nerudovská otázka „Kam s ním?“ Velké mezinárodní konference, články v renomovaných časopisech i běžném denním tisku jsou věnovány otázkám kvality, složení, původu a nakládání se sedimenty. Kde vznikla tato honba za sedimenty a jejich využitím, když v historii vodohospodáři ani pracovníci v oboru odpadového hospodářství nic podobného neznali?

Staří Egypťané považovali nilské bahno za blahodárnou součást pravidelných nilských záplav a využívali ho jako vynikající hnojivo. Podíváme-li se do historie českého rybnikářství, zjistíme, že „bahno“ z rybničního dna bylo považováno za kvalitní hnojivo s vysokým obsahem živin, které dokonce bylo částí deputátů pracovníků v rybnikářství. Ještě na počátku 20. století byly sedimenty legislativou řazeny spíš mezi jakostní zeminy než mezi odpady či materiály bez dalšího využití, kterých je nutné se zbavit.
Určitým vysvětlením je patrně fakt, že sediment je zvláštní matrice, která kromě „čerstvého“ znečištění, nese v sobě informaci o „historii“ znečišťování daného toku či nádrže. Sediment je pamětí vodního útvaru. V hlubších vrstvách sedimentu je možno např. zjistit vyšší koncentrace olova, odpovídající rozvoji motorismu, zvýšená koncentrace rtuti odpovídá aplikaci mořidel, pyl rostlin z různých vrstev zase ukazuje na pěstování obilnin. Sediment prokáže i změny kvality vody v průběhu staletí. Patrná bývá i vrstva se zvýšenou koncentrací radioaktivního cesia – stopa po havárii Černobylu v roce 1986.

Co jsou sedimenty a jak vznikají?
Geolog se na sedimenty dívá jako na látky, které vznikají rozrušením starších hornin, transportem horninového materiálu a následným usazováním minerálních částic a úlomků nebo vylučováním látek z roztoků.
Sedimenty v tocích (fluviální, říční) a nádržích, které jsou v našich podmínkách nejvíce rozšířeny, vykazují různý způsob a rychlost usazování. Ani plošné rozšíření zrnitostně odlišných typů není pravidelné a na jejich složení je značně závislá intenzita znečištění a chemismus vlastního sedimentu. Sedimenty nádrží, jezer a rybníků jsou značně rozmanité, nejčastěji to bývají jemné písky, jíly a slíny. Mnohé nádrže a rybníky zarůstají vegetací, jejíž zbytky se ukládají do sedimentů. Usazování ve většině rybníků a nádrží probíhá klidně, kromě přívalových dešťů a jiných klimatických událostí, a proto sedimenty jsou pravidelně ukládány a jemně horizontálně zvrstvené. V případě záplav a přívalových dešťů dochází k přemístění původních sedimentů a k jejich chaotickému usazování a ke změně jejich stratifikace.
Rybniční materiál je občas označován jako subhydrická (trvale ležící pod vodou) půda, ve které se uplatňuje vyšší organický podíl (vyšší rostliny, plankton). Redukční podmínky v rybnících podmiňují vznik sulfidů, naopak letnění (částečné nebo úplné vypuštění) způsobuje oxidaci a vznik síranů a volné kyseliny sírové. Dochází tak k zvyšování kyselosti rybniční půdy. Materiál na dně nádrží náleží spíše sedimentům, protože zde se přinesené úlomky ukládají v časové posloupnosti, i když někdy vlivem kolísání hladiny a rychlosti proudění je sediment redeponován.
Pro chemika sedimenty představují heterogenní polyfázový systém obsahující anorganickou krystalickou a amorfní fázi, živou a neživou organickou hmotu v koloidním stavu a ve stavu drobných částic, vodu a různé plyny v proměnlivých poměrech. Celkový obsah prvků v pevné fázi těchto systémů, zjištěný kompletní chemickou analýzou, nemůže být indikátorem potenciálního znečištění daného sedimentu.

Zdroj potíží
Dnové sedimenty mohou představovat významný receptor znečištění. V sedimentech probíhají pochody jak aerobní, tak anaerobní a ty mohou velmi významně ovlivnit jejich jakost a znečištění.
Zhoršující se životní prostředí se, kromě jiného, projevuje ve zvyšujících se koncentracích nebezpečných látek ve vodách, v půdě, či v potravních řetězcích. Některé, takzvané mikropolutanty, jsou přitom toxické již při velmi nízkých koncentracích, řádově ppm. Jde především o toxické kovy (Cd, Zn, Mn, Hg, Pb atd.) a organické mikropolutanty (PCB, PAH, rezidua pesticidů a ropných látek atd.). Znečištění přitom může být bodové – například benzinové pumpy, výpusti a skládky jedovatých odpadů, anebo plošné rozptýlené po velkých plochách v relativně nízkých, přesto však toxicky významných koncentracích.
Problematický bývá charakter sedimentů, zůstávají-li v anaerobních podmínkách. Důvody záchytu polutantů v sedimentech jsou především ve vysokém specifickém povrchu minerálních částic, vysokém obsahu organické hmoty a specifických mikrobiálních procesech probíhajících v anaerobním prostředí sedimentů. Z hlediska hodnocení kontaminace sedimentů je třeba rozlišovat sedimenty říční (z proudících vod) a sedimenty z vod stojatých (rybníků, nádrží). Kromě rozdílné zrnitosti jsou velmi rozdílné i chemické vlastnosti obou sedimentů. Je známo, že obsah cizorodé látky v sedimentu je přímo úměrný podílu organické složky v sedimentu, délce expozice a koncentraci ve vodě.
Kvalita říčních sedimentů je také silně ovlivněna všemi událostmi na toku, počínaje silnými srážkami a povodněmi a konče velmi nízkými průtoky v době nedostatku vody. Po stránce chemické bývá říční sediment chudý na organickou hmotu, a tím i hodnoty znečištění bývají nižší. Pochopitelně povodně se výrazně podepíší na množství i kvalitě sedimentu.
Vysoký povrch minerálních částic je významný především pro vazbu elektricky nabitých polutantů, zejména kationtů toxických kovů. Nejjemnější velikostní frakce minerálních částic sedimentu, nacházející se u dna nádrží a rybníků, obsahují díky svému vyššímu specifickému povrchu vyšší koncentrace toxických kovů než frakce hrubší. V kontaminovaném sedimentu bylo cca 80 % z celkového obsahu kadmia nalezeno vázané právě nejjemnějšími minerálními frakcemi (<0,5 mm).
Průběh sorpčních procesů je úzce ovlivňován hodnotami pH. S poklesem hodnot pH jsou kationty kovů desorbovány a uvolňovány do vodné fáze sedimentu. Vysoký povrch se také uplatňuje při vazbě elektroneutrálních polutantů, zejména organických sloučenin, a to především díky jejich hydrofobnímu charakteru. Organická hmota je dalším významným faktorem ve vazbě polutantů na sediment, a to díky svému negativnímu elektrickému náboji umožňujícímu adsorpci, dále své komplexotvorné aktivitě a částečně hydrofobnímu povrchu.
Aby výsledky analýz odpovídaly skutečnosti, je třeba věnovat mimořádnou pozornost odběru a analýze sedimentů. Vzhledem k tomu, že vzorky musí být upravovány, je třeba provést úpravu tak, aby pokud možno nenarušila původní uložení sedimentu.
Sedimenty mohou představovat i vážný problém z hlediska ochrany zdraví. Proto je nutno zařadit do hodnotících parametrů mikrobiologickou charakteristiku. Sedimenty obsahují složitá konsorcia organismů. Z hlediska jejich toxicity mají velký význam anaerobní mikrobiální procesy, jejichž konečnými produkty jsou toxické látky, jako sulfan či sulfidy kovů. Proto pro hodnocení kvality sedimentů za účelem jejich dalšího využití nebo odstranění je nezbytné posuzovat nejen toxicitu, ale i jejich mikrobiální charakteristiku.

Sedimenty jako problém
Pro vodohospodáře jsou sedimenty problémem v okamžiku, kdy se jich musí zbavit. Zanášení nádrží sedimentem vede jednak ke snížení akumulačního prostoru nádrže, jednak v sedimentech je uložena obrovská zásoba živin, která se může kdykoli nekontrolovatelně vrátit do vody. Mezi další těžkosti, které způsobuje kumulace sedimentů v nádržích, je možno považovat, blokování průtoku, kumulace kontaminantů, „zahnívání“ sedimentů, eutrofizace, zpomalování cyklů látek a rozkladných procesů, změny ve složení bentosu (organismy žijící na dně vod), mikroflóry a společenstev vodních rostlin.
Odbahnění rybníků a nádrží představuje pro vlastníka problém finanční a na něj navazuje problém, jak naložit s vytěženým sedimentem. Do loňského roku nebyla v ČR žádná právní úprava, která by jednoznačně řešila možnosti nakládání se sedimentem. V současné době je tato obtíž vyřešena vyhláškou č. 257/2009 Sb., o používání sedimentů na zemědělské půdě.
Uvést přesné množství kontaminovaných sedimentů v ČR je velmi problematické, protože pravidelný monitoring kvality sedimentů se provádí jen omezeně. Podle předběžných výpočtů je na území naší republiky 42 tis. ha rybničních ploch, ve kterých je uloženo 197 mil. m3 usazenin. Dále 33 260 km drobných vodních toků a závlahových kanálů, ve kterých je uloženo 5 mil. m3 usazenin, a 12 275 km odvodňovacích kanálů, ve kterých je uloženo 0,8 mil. m3 usazenin.
V průběhu druhé poloviny 20. století se vlivem zvýšeného průmyslového i zemědělského využívání těžkých kovů narušila jejich přirozená rovnováha a pohyb v biogeochemických cyklech ekosystémů. Častými místy akumulace těžkých kovů a organických látek jsou právě sladkovodní sedimenty. Na druhé straně využitím sedimentů v zemědělství vracíme do půdy částice, o které byla ochuzena erozí a dalšími degradačními vlivy. Kromě toho mohou sedimenty přinést do půdy i velmi cenný organický materiál.
Z řady provedených jednorázových i dlouhodobých šetření vyplývá, že většina sedimentů nepřestavuje žádný zdravotní ani ekologický problém. Další část sedimentů nevyhovuje pouze v některých parametrech, které je možno jednoduše upravit (např. hodnota pH, poměr C:N atd.)

Závěr
Cílem příspěvku bylo podat čtenáři přehled o složení, vlastnostech a charakteru dnových sedimentů. Záměrem zpracovatelů nebylo vyjmenovat všechna možná rizika a odsoudit tak sedimenty trvale mezi odpad nebo dokonce mezi nebezpečný odpad. Sedimenty ve většině případů nepředstavují žádné riziko a jejich zapravení do půdy je v podstatě uzavřením jednoho přírodního cyklu.
Na druhé straně je logické, že při aplikaci materiálů do zemědělské půdy musíme vždy řešit možnou kontaminaci půd, vstup rizikových látek do půdního prostředí a tím i do dalších složek ekosystémů. Závažnost celé problematiky si vyžádala právní úpravy ve všech vyspělých zemích a ani Česká republika se těmto procesům nevyhnula.
Vyhláška č. 257/2009 Sb., o používání sedimentů na zemědělské půdě (více v samostatném článku) je, vzdor všem nedostatkům a připomínkám, prvním vstřícným krokem k řešení této ožehavé problematiky.

LITERATURA
Benešová L., Hnaťuková P, Tonika J, Komínková D.: Pollution of the Botic Stream in the Prague Area Before and After the flood, Marrakech, IWA Congress2004, elektronický sborník.
Benešová L. Komínková D. Pivokonský M. Tonika J.. Organic matters and heavy metals in Prague strems and ponds, AUC-Environmentalica, 18, 95 – 105 (2004).
Garton L. S., Autenrieth R. L., Bonner J. S., Sylvester B. A.: Aquatic sediemts, Wat. Envir. Res. 64, 610 – 618 (1992).
Gergel J. a kol.: Výzkum sedimentů přehrad, nádrží a jezer – zhodnocení rizik a návrhy opatření, výzkumná zpráva 2003.
Hnaťuková P., Benešová L., Komínková D: Impact of urban drainage on metal distribution in sediments of urban streams. Wat. Sci. Tech., 59(6): 1237 – 1246 (2009).
Hnaťuková P., Benešová L.: Ecological Risk Assessment and Heavy Metal Mobility in Urban Stream Sediments from Prague, Czech Republic. Proc. Conf. “Environmental Science and Technology 2006”, Houston, Texas, USA, 2: 203 – 209.
Heim S., Schwarzbauer J., Littke R., Mangini A.: Geochronology of anthropogenic contaminants in a dated sediment core of the Rhine river (Germany): Emission sources and risk assessement. Acta hydrochim. Hydrobiol, 34, 34 – 52 (2006).

Autor:

Libuše Benešová, Jaroslav Tonika
Ústav pro životní prostředí PřF UK
E-mail: lbenes@natur.cuni.cz