Przelewy burzowe

W Polsce do 5 listopada 1989 r. nie obowiązywało usuwanie biogenów ze ścieków, które w wielu przypadkach oczyszczane były wyłącznie mechanicznie. W tym okresie rola przelewów burzowych kanalizacji ogólnospławnej w degradacji cieków wodnych nie była tak istotna jak obecnie, gdy działają liczne wysokosprawne oczyszczalnie. Ocenia się, że całkowity ładunek ChZT zrzucany rocznie przez przelewy kanalizacji ogólnospławnej jest w przybliżeniu równy temu, który pochodzi z oczyszczalni obsługujących ten system kanalizacji. Tak więc zmniejszenie uciążliwości przelewów burzowych dla środowiska jest niezmiernie istotną sprawą, tym bardziej że Polska nie wywiązała się ze wszystkich zobowiązań nałożonych na nią w dyrektywie Rady 91/271/EWG z dnia 21 maja 1991 r. nazywanej potocznie dyrektywą ściekową oraz w ramowej dyrektywie wodnej 2000/60/WE z dnia 23 października 2000 r. Nie bez znaczenia dla istotnej roli przelewów burzowych jest również to, że obszar naszego kraju uznany został za wrażliwy w odniesieniu do odprowadzanych ścieków.

Kanalizacja ogólnospławna

Udział kanałów ogólnospławnych w całkowitej długości przewodów kanalizacyjnych w Polsce jest stosunkowo niewielki w porównaniu z krajami europejskimi położonymi na zachód, np. w Austrii sumaryczna długość kanałów ogólnospławnych stanowi 75–80% całkowitej długości wszystkich przewodów kanalizacyjnych, w Niemczech 67%, we Francji 75–80%, w Hiszpanii 90–95% [1]. Ponieważ kanalizacja ogólnospławna jest uciążliwa dla środowiska przez zrzuty dużych ładunków zanieczyszczeń z przelewów burzowych, statystyka ta korzystnie świadczy o dokonanym wyborze rodzajów kanalizacji rozwijanych w Polsce. Ten postęp wynika z historycznego opóźnienia inwestowania na obecnych ziemiach polskich w infrastrukturę podziemną. W krajach o wysokim udziale kanałów ogólnospławnych w długości sieci kanalizacyjnej budowano kanalizacje wiele lat wcześniej, gdy systemy rozdzielcze i półrozdzielcze nie były jeszcze stosowane. Ponadto jeżeli sieci kanalizacji sanitarnej, w których często dochodzi do nielegalnych zrzutów przez przelewy awaryjne, zakwalifikować do kanalizacji ogólnospławnej, to ta statystyka zmieniłaby się bardzo dla Polski niekorzystnie.

Rys. Zalecane ustawienie ogólnospławnego przelewu burzowego względem zbiornika retencyjnego

Wymagania prawne

Działanie przelewów burzowych nie może naruszyć dyrektyw europejskich dotyczących wód powierzchniowych, w tym dyrektywy nr 2000/60/WE zwanej potocznie ramową dyrektywą wodną, następnie dyrektywy 76/160/EEC dotyczącej jakości wód przeznaczonych do kąpieli, a później dyrektyw o numerach: 73/404/EEC, 5/437/EEC, 87/57/EEC, 75/440/EEC, 80/778/EEC, 78/659/EEC, 76/464/EEC, 86/280/EEC, 82/176/EEC, 84/1565/EEC, 83/513/EEC. Istotne są wymagania co do modelowania zmiennych w czasie dopływów do przelewów burzowych, zarówno ilości ścieków, jak i niesionych przez nie ładunków zanieczyszczeń. Wymagania te sformułowane zostały w normie PN-EN 752:2008 [3]. Norma ta w odniesieniu do dużych przelewów burzowych wymaga stosowania metod modelowania nieustalonych w czasie spływów ze zlewni i przepływów przez kanały. Zgodnie z rozporządzeniem [6] prawdopodobnie prawnie wymagane jest tworzenie w Polsce takich modeli dla kanalizacji ogólnospławnych obsługujących zlewnie kanalizacyjne o równorzędnej liczbie mieszkańców (RLM) powyżej 100 000. Słowo „prawdopodobnie” zostało tutaj użyte ze względu na oczywisty błąd w treści rozporządzenia [6], który prowadzi do nonsensu w tej akurat kwestii, gdyż odnosi wymagania co do budowy modeli symulacyjnych do ustalania „krotności zrzutów z oczyszczalni ścieków”, podczas gdy niemal wszystkie oczyszczalnie odprowadzają ścieki w sposób ciągły. Tak więc sformułowanie to należy odnieść do okresowych zrzutów z przelewów burzowych. Pierwsze modele dynamiczne lub kinematyczne sieci kanalizacyjnych powstały w Polsce dla kilku największych miast, jednak jedynie w zakresie ilościowym, a nie jakości transportowanych ścieków i wymagają weryfikacji, a ta co najmniej dziesięcioletnich pomiarów opadu deszczu, nie rzadziej niż co 5 minut i w zalecanym rozstawie deszczomierzy o gęstości jeden na pięć kilometrów kwadratowych. Do czasu budowy przedmiotowych modeli sieci kanalizacyjnych dopuszczono ustalenie średniej rocznej liczby zrzutów z przelewów burzowych na podstawie dwuletniej obserwacji ich działania, co budzi uzasadnione wątpliwości, gdyż występują lata suche i mokre, często w sekwencjach dwu-, trzyletnich. Należy jednak przyznać, że rozporządzenie [6] wymaga – do czasu zbudowania dla sieci kanalizacyjnych o RLM > 100 000 modeli symulacyjnych – zmniejszenia krotności działania przelewów burzowych kanalizacji ogólnospławnej. Niestety nie zostały przedstawione w przepisach krajowych żadne zasady kalibrowania i sprawdzania takich modeli symulacyjnych, co w praktyce pozwala na znaczną dowolność postępowania w zakresie weryfikacji tych modeli, a więc również przewidywanej krotności działania przelewów burzowych.  Przy RLM < 100 000 dopuszczane jest oparcie wymiarowania i kontroli prawidłowości działania przelewów burzowych kanalizacji ogólnospławnej na wartości współczynnika początkowego rozcieńczenia, który powinien wynosić co najmniej 3, w odniesieniu do średniego dobowego przepływu ścieków w czasie pogody bezopadowej. Oznacza to, że przelew może zacząć działać, dopiero gdy dopływ do niego przekroczy czterokrotną wartość średniego rocznego przepływu w czasie pogody bezdeszczowej. Niezależnie od przepisów szczegółowych obowiązuje zasada, zgodnie z którą wymagania stawiane przelewom mogą zostać zaostrzone, jeżeli zostanie stwierdzony taki ich wpływ na odbiornik, który uniemożliwia lub utrudnia korzystanie z niego zgodnie z przeznaczeniem.

Biorąc pod uwagę podane w tabeli wymagania dotyczące zrzutu ścieków deszczowych, należy zwrócić uwagę, że w niektórych przypadkach wymagają one oczyszczania i wówczas zrzucenie ich przez przelew burzowy nie zwalnia z tego obowiązku. Zgodnie z wymienionym już rozporządzeniem [6] obowiązek oczyszczania skanalizowanych wód opadowych i roztopowych dotyczy spływów z zanieczyszczonych terenów przemysłowych, składowych baz transportowych, portów, lotnisk, miast, dróg krajowych, wojewódzkich i powiatowych klasy G oraz parkingów o powierzchni przekraczającej 0,1 ha. Dla przepływu generowanego przez opad o natężeniu co najmniej 15 l/(s·ha) wymagane jest uzyskanie oczyszczania ścieków deszczowych z tych powierzchni w stopniu zapewniającym stężenie zawiesiny ogólnej poniżej 100 mg/l  oraz ropopochodnych poniżej 15 mg/l. Natomiast urządzenia do oczyszczania ścieków z magazynów i stacji dystrybucji paliw należy wymiarować na odpływy z opadów piętnastominutowych o częstotliwości nawrotu raz na rok, jednak o natężeniu co najmniej 77 l/(s·ha).

Wymagania stawiane w Polsce przelewom burzowym można spełnić, zwiększając infiltrację wód deszczowych do gruntu i opóźniając ich odpływ.W przypadku modernizacji mających wpływ na krotność działania dużych przelewów burzowych powinno się prowadzić obliczenia na podstawie dziesięcioletnich obserwacji opadów, korzystając z oprogramowania komercyjnego do modelowania przepływów nieustalonych w kanałach. Dostępny jest również bez jakichkolwiek opłat bardzo dobry program obliczeniowy Storm Water Management Model, ale ze względów prawnych nie zostanie on nigdy wyposażony w pewne funkcje komercyjne, jak współpraca z GIS. Niestety wymaganymi obserwacjami projektant niemal nigdy nie dysponuje i wówczas pozostaje szacowanie krotności według przybliżonych metod opisanych m.in. w [2].

Tab. Wymagania stawiane obecnie w Polsce krotności zrzutów z przelewów burzowych [6]

Konstrukcje przelewów burzowych

Dobry przelew to taki, który nie rozpoczyna zrzucania ścieków do czasu uzyskania odpowiedniego rozcieńczenia, ale później nie odprowadza znacznie większej ilości ścieków w kierunku oczyszczalni. Wiele konstrukcji przelewów omówiono m.in. w [2], [4] i [5]. Przelewy nowszej generacji mogą zatężać zawiesinę w odpływach w kierunku oczyszczalni i zmniejszać jej stężenie w zrzutach do rzeki. Niestety najczęściej budowano przelewy z krawędzią boczną, znane z odkładania się osadów i niewłaściwej kontroli ilości ścieków płynących w kierunku oczyszczalni.

Wymagania w innych krajach

Polski Komitet Normalizacyjny w 2008 r. przyjął normę EN 752:2008 [3], w której określono podstawowe zasady projektowania zewnętrznych sieci kanalizacyjnych, szczególnie zaś określono wymaganą wartość początkowego współczynnika rozcieńczenia dla przelewów ogólnospławnych w granicach od 5 do 8 w odniesieniu do średniego natężenia przepływu w czasie pogody bezdeszczowej. Jest to znacznie większa wartość współczynnika niż w Polsce, z czego już jednoznacznie wynika, że rozporządzenie Ministra Środowiska [6] jest w tym względzie niezwykle liberalne. W normie EN 752:2008 [3] określono, kiedy przy modelowaniu wielkości objętości ścieków i ładunków zanieczyszczeń zrzucanych przez przelewy burzowe wymagane jest stosowanie pełnego układu równań Saint-Venanta (modelowanie dynamiczne), a kiedy można stosować uproszczenia prowadzące do tzw. modelowania fali kinematycznej. Chociaż nie jest to jednoznacznie stwierdzone w tekście normy, to dla małych przelewów burzowych, dla których nie jest możliwe stosowanie tak wyrafinowanych metod wymiarowania ze względu na koszt gromadzenia danych, stosować należy w projektowaniu współczynnik początkowego rozcieńczenia.

W USA wymagane jest spełnienie dziewięciu wymagań dla miast liczących mniej i dziewięciu dodatkowych dla mających powyżej 75 tys. mieszkańców. Zakłada się docelowo dla tych większych miast ograniczenie zrzutów z przelewów burzowych do czterech rocznie lub zapewnienie retencjonowania co najmniej 85% wód deszczowych. Zrzuty do odbiorników szczególnie chronionych mają być docelowo w całości zlikwidowane, a obecnie wymagane jest zatwierdzenie planu działań zmierzających do tego celu. Jednym z tych drugich dziewięciu wymagań jest rozpoznanie celowości założenia ostatnich przelewów burzowych za osadnikami wstępnymi w oczyszczalniach ścieków. Powodem tego jest różnica we właściwościach mechanicznych zawiesin mineralnych zatrzymywanych w osadnikach wstępnych oraz kłaczkowatych, które są obecne zarówno w komorach osadu czynnego, jak również w osadnikach wtórnych. Te drugie zawiesiny są łatwiejsze do wypłukania. Dlatego zazwyczaj uzasadnione jest wybudowanie zbiorników retencyjnych przed oczyszczalnią ścieków, których odpływ obliczony jest na warunki niezbędne dla zachowania stabilności osadu w osadnikach wstępnych, a następnie za nimi usytuowanie przelewów, chroniących przed wypłukaniem osad czynny, a więc działających częściej niż te założone przed oczyszczalnią ścieków.

W Wielkiej Brytanii od lat dla wymiarowania przelewów burzowych stosowany jest tzw. wzór A, na podstawie którego dla znanego przepływu ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych w czasie pogody bezdeszczowej dobiera się wartość przepływu, po przekroczeniu której działać będzie przelew. Ten sposób wymiarowania dopuszczony jest jedynie dla zrzutów do dużych cieków, dla których wpływ przelewu burzowego jest mało znaczący. Dla wszystkich pozostałych przypadków wymagane jest prowadzenie modelowania przepływów nieustalonych, opierając się na modelu fali dynamicznej lub kinematycznej. Dla szczególnie wrażliwego odbiornika obliczenia te sprzęga się z modelowaniem jakości wody w odbiorniku poniżej przelewu. Określono dla cieków najmniejsze dopuszczalne stężenie tlenu utrzymujące się w okresie 1 h, 6 h, 24 h, 1 miesiąca, 3 miesięcy oraz 1 roku. Ograniczeniu od góry podlega stężenie amoniaku w ciekach w identycznych jak dla tlenu okresach, przy czym ograniczenia te dotyczą wyłącznie amoniaku gazowego, więc bez jonowej postaci NH₄⁺, która jest znacznie mniej toksyczna dla ryb. Znając pH wody, można łatwo określić, jaką część azotu amonowego stanowi postać jonowa, a jaką gazowa. Przy wyższych wartościach pH jon NH₄⁺ przechodzi w gazowy amoniak.

Niemcy uczynili bardzo wiele w zakresie tworzenia banku danych o opadach na całym terenie ich kraju. Wymagany współczynnik początkowego rozcieńczenia wynosi 7, a według normy ATV Guideline A128 90% zanieczyszczeń w czasie deszczu powinno być odprowadzane do oczyszczalni ścieków lub retencjonowane do późniejszego oczyszczenia. Są to bardzo restrykcyjne wymagania i aby je spełnić wybudowano kilkadziesiąt tysięcy zbiorników retencyjnych w sieciach kanalizacji ogólnospławnej o pojemności całkowitej przekraczającej 13 km³, podczas gdy w Polsce takich zbiorników jest mało, a jeżeli już jakieś są, to w większości przypadków pozostają niewykorzystane z powodu zalegających osadów kanalizacyjnych. Tak więc można się spodziewać w perspektywie dwóch dekad otwarcia rynku na budowę zbiorników retencyjnych w Polsce, jeżeli uda się zachować ogólnoeuropejską tendencję dążenia do poprawy stanu środowiska i zdrowia społeczeństwa oraz utrzymać kondycję ekonomiczną, pozwalającą na inwestowanie w ochronę przyrody. Wielkość tych spodziewanych przyszłych inwestycji można ocenić, bazując na tym, że w Niemczech dla małych przelewów burzowych stosowane są nomogramy, według których na 1 hektar uszczelnionej powierzchni przypada od 15 m³ do 30 m³ zbiorników retencyjnych. Niemcy mają wyższe średnie roczne wysokości opadów i dlatego w warunkach polskich w przyszłości należy się spodziewać objętości zbiorników retencyjnych raczej nie większych od 15 m³ w przeliczeniu na hektar szczelnej powierzchni.

W publikacji [2] przedstawiono przegląd przepisów dotyczących przelewów burzowych w kilkunastu krajach. I tak np. w Belgii przyjmuje się dla nowych przelewów współczynnik początkowego rozcieńczenia 5–10 w odniesieniu do średniej wartości przepływu w czasie pogody bezdeszczowej, a dla starych dopuszcza znacznie mniejszą wartość – od 2 do 5. W Daniijest wymagany współczynnik początkowego rozcieńczenia nie mniejszy niż 5, a we Francji niż 3, jednak w obydwu krajach w odniesieniu do maksymalnego godzinowego przepływu w czasie pogody bezdeszczowej. We Włoszech, Grecji i Hiszpanii wymagania dotyczą też współczynnika początkowego rozcieńczenia, jednak odniesiono je, podobnie jak w Polsce, do średniej dobowej wartości przepływu w czasie pogody bezdeszczowej. Zróżnicowano przy tym te wartości w zależności od wielkości jednostki osadniczej. W Holandii krotność działania przelewów dobierana jest do warunków lokalnych w szerokim zakresie od 3 do 10; ponadto wymagane jest retencjonowanie spływu pochodzącego od opadu o wysokości od 7 mm do 10 mm, w zależności od tego do której rzeki odprowadzany jest odpływ. W Japonii, kraju, w którym wszystkie ścieki oczyszczone poddawane są dezynfekcji, postawione zostały wymagania dotyczące jakości zrzucanych ścieków przez przelewy burzowe kanalizacji ogólnospławnej.

Wymagania stawiane  przelewom burzowym w Polsce są więc znacznie łagodniejsze niż w zdecydowanej większości krajów europejskich, pomimo to że nasze ścieki odprowadzane są do płytkiego i zanieczyszczonego Bałtyku. Zmniejszenie ładunków zanieczyszczeń zrzucanych przez przelewy burzowe wymaga długotrwałych i kosztownych inwestycji.

Zakłamana rzeczywistość

Według raportu EPA 833-01-F-001 Biura Zarządzania Gospodarką Ściekową z 2001 r. dokonywanych jest rocznie co najmniej 40 tys. zrzutów z przelewów awaryjnych z kanalizacji bytowo-gospodarczej. Agencje ochrony środowiska w USA szacują tę liczbę w szerokim zakresie od 23 tys. do 75 tys. rocznie. Zalicza się do nich również przypadki zrzutu przez przelewy kanalizacji ogólnospławnej w czasie pogody bezdeszczowej. W poszczególnych stanach funkcjonują zróżnicowane przepisy co do sposobu zgłaszania tych zrzutów, jednak w całych Stanach Zjednoczonych obowiązuje, pod groźbą kary, zarówno natychmiastowe dokonanie zgłoszenia, jak i dostarczenie w określonym terminie pełnego raportu o takim zrzucie z podaniem:
– objętości zrzuconych ścieków;

– szacunkowej oceny jakości (przez podanie określenia takiego, jak np.: „surowe ścieki, „rozcieńczone ścieki częściowo oczyszczone”);

– miejsca zrzutu;

– listy wód powierzchniowych, których jakość została zagrożona przez zrzut;

– miejsca i wielkości powierzchni terenu skażonej zrzutem;

– daty rozpoczęcia i zakończenia zrzutu;

– informacji o pozwoleniu wodno-prawnym lub o jego braku;

-informacji o tym, czy zrzucane bezpośrednio ścieki zostały zdezynfekowane;

– wykazu działań podjętych dla zapobiegnięcia zrzutowi i zmniejszeniu jego uciążliwości dla środowiska;

– wielkości miana Coli w zrzucanych ściekach oraz innych dodatkowych informacji.

Jeżeli został zatwierdzony przez Agencję Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych plan zmniejszania uciążliwości zrzutów awaryjnych z kanalizacji sanitarnej, plan ten jest terminowo realizowany i incydent zrzutu terminowo zgłoszony, to ani eksploatatorowi, ani właścicielowi sieci kanalizacyjnej, ani też żadnej osobie z kierownictwa sieci i oczyszczalni ścieków nie grożą konsekwencje prawne. W Polsce nie przewidziano takich procedur i podobne incydenty nie są zgłaszane, gdyż każdy taki zrzut grozi konsekwencjami prawnymi. Dlatego nie można nawet ocenić, na ile jest to powszechne zjawisko, jednak z praktyki wiadomo, że jego skala w naszym kraju jest bardzo duża. Jedyną możliwością usankcjonowania występowania u nas takich zrzutów jest przekwalifikowanie kanalizacji sanitarnej na ogólnospławną, co drastycznie zwiększyłoby w statystykach całkowitą długość kanałów ogólnospławnych. Byłyby to rozwiązania nader niekorzystne, a przelewy awaryjne kanalizacji sanitarnej nie spełnią wymagań stawianych ogólnospławnym przelewom burzowym ze względu na współczynnik początkowego rozcieńczenia. Tak więc powinna nastąpić w tym zakresie radykalna zmiana obowiązującego obecnie stanu prawnego.

Umiejscowienie zbiorników

Powinno się dążyć do zmniejszania liczby przelewów, tak aby można było zapanować nad liczbą wszystkich zrzutów.Najlepsze umiejscowienie zbiorników retencyjnych ze względu na ograniczenie ładunków zanieczyszczeń zrzucanych do rzeki pokazano na rysunku. Przelew z kanału działa dopiero wówczas, gdy współczynnik początkowego rozcieńczenia uzyska zadaną w projekcie wartość.  Następnie ścieki się gromadzą w zbiorniku retencyjnym, który pełni również funkcję osadnika. Do przelania do rzeki dochodzi dopiero wówczas, gdy zbiornik jest pełny. Wylot zaopatrzony jest w kratę rzadką i najczęściej w klapę zamykającą z obciążeniem. Zabezpiecza ona jednostkę osadniczą przed zalaniem w czasie powodzi. Jednak dla zapewnienia pełnej szczelności zakłada się też zasuwy zamykane ręcznie. Najważniejszą zaletą budowania zbiorników retencyjnych tuż przy przelewach jest uzyskanie pewności, że zbiornik jest napełniony, zanim dojdzie do zrzutu z przelewu.

Podsumowanie

W Polsce przepisy dotyczące przelewów burzowych są znacznie mniej rygorystyczne niż w większości krajów Unii Europejskiej. Nie dysponujemy też odpowiednimi badaniami dotyczącymi opadów.

ChZT – chemiczne zapotrzebowanie na tlen, parametr używany do oceny stanu wody lub ścieków, ilość tlenu potrzebna do utlenienia zawartych związków organicznych i nieorganicznych. 

RLM – równoważna liczba mieszkańców, umowny parametr określający wielkość urządzeń do oczyszczania ścieków. W przypadku budownictwa mieszkaniowego RLM odpowiada liczbie mieszkańców.

prof. dr hab. inż. Wojciech Dąbrowski

Politechnika Krakowska

Literatura

1. P. Błaszczyk, Strategia rozwoju miejskich systemów kanalizacyjnych w dostosowaniu do wymagań dyrektywy Unii Europejskiej 91/271/ EEC w sprawie oczyszczania ścieków z terenów zurbanizowanych oraz II Konwencji Helsińskiej, IV Kongres Kanalizatorów Polskich, POLKAN 99, Łódź 1999.

2. W. Dąbrowski, Oddziaływanie sieci kanalizacyjnych na środowisko, Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Kraków 2004.

3. EN 752:2008 Drain and sewer systems outside buildings, PKN 2008.

4. A. Kotowski, Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów, Seidel-Przywecki, Warszawa 2011.

5. A. Kotowski, Podstawy wymiarowania bocznych przelewów burzowych z rurą dławiącą, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Monografia nr 38, Wrocław 1998.

6. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz.U. z 2014 r. poz. 1800).