Charakterystyka rozwiązań technologicznych przydomowych oczyszczalni ścieków.
Oczyszczalnie ze złożem biologicznym.
Złoża biologiczne są to urządzenia, w których ścieki (mechanicznie oczyszczone w osadniku gnilnym) przepływają przez warstwę wypełnienia złoża, zbudowanego z materiału porowatego (np. koksu, tłucznia, żwiru, kształtek z tworzyw sztucznych), na którego powierzchni rozwija się błona biologiczna składająca się z mikroorganizmów wykorzystujących jako pożywienie zanieczyszczenia zawarte w ściekach. W przydomowych oczyszczalniach najczęściej wykorzystuje się tzw. złoża zraszane, zainstalowane w kompaktowym zbiorniku (fot. 1). Ścieki na powierzchnię złoża są doprowadzane i rozlewane cyklicznie za pomocą pompy i instalacji doprowadzającej oraz odpowiedniego zraszacza lub rur perforowanych (rys. 1).
Wewnątrz złoża występują strefy tlenowe oraz strefy niedotlenione, gdzie mogą rozwijać się różne rodzaje mikroorganizmów rozkładających zanieczyszczenia organiczne. Złoża biologiczne umożliwiają głównie usuwanie zanieczyszczeń organicznych oraz nitryfikację związków azotu. Dzięki obecności stref o różnej zawartości tlenu w złożach biologicznych oprócz substancji organicznych usuwane są także częściowo związki azotu (redukcja azotanów do azotu gazowego) i fosforu (wbudowanie w biomasę osadu).
Rys. 1 Schemat przydomowej oczyszczalni ścieków ze złożem biologicznym
Fot. 1 Przydomowa oczyszczalnia ścieków ze złożem biologicznym (fot. M. Marzec)
W przydomowych oczyszczalniach najczęściej stosuje się złoża biologiczne o przepływie pionowym, z warstwą o grubości i powierzchni uzależnionej od ilości dopływających ścieków. Złoża biologiczne wykonywane są jako obiekty wolno stojące lub zagłębione w gruncie. Zwykle są obudowane i zaizolowane termicznie, tak aby mogły sprawnie funkcjonować zimą. Powierzchnia złoża zazwyczaj jest zadaszona i zabezpieczona przed dopływem wód deszczowych oraz gruntowych.
W Polsce oczyszczalnie ze złożem biologicznym niezbyt często się stosuje przy pojedynczych gospodarstwach domowych do unieszkodliwiania niewielkich ilości ścieków – poniżej 1 m3/dobę, głównie ze względu na zbyt wysoki koszt takiego rozwiązania. Najczęściej stosowane są one przy obiektach użyteczności publicznej. Przykładową oczyszczalnię przydomową ze złożem biologicznym przedstawiono na fot. 1.
Dotychczasowe badania przydomowych oczyszczalni ze złożem biologicznym w warunkach Polski wykazały, że mogą one zapewnić eliminację zanieczyszczeń organicznych (BZT5 i ChZT) w zakresie 83–93% oraz zawiesin ogólnych na poziomie 91–92%. Systemy te zapewniają także usuwanie azotu ogólnego ze skutecznością w granicach 40–42%, a fosforu na poziomie 59% [1].
Systemy hybrydowe (osad czynny + złoże biologiczne). Tak zwane hybrydowe przydomowe oczyszczalnie ścieków są to rozwiązania technologiczne oparte na jednoczesnym wykorzystaniu biomasy zawieszonej (osad czynny) oraz utwierdzonej na złożu biologicznym. Systemy tego typu w Polsce na większą skalę zaczęto stosować kilka lat temu, gdy stwierdzono, że oczyszczalnie z osadem czynnym nie są odporne na dużą nierównomierność ilości i składu dopływających ścieków lub stałe przeciążenie ładunkiem zanieczyszczeń. W oczyszczalniach hybrydowych z dużą skutecznością można usuwać związki węgla i azotu. Ponadto w obiektach tych dodatkową modyfikacją, w stosunku do klasycznych rozwiązań, może być symultaniczne prowadzenie procesów usuwania zanieczyszczeń [2].
Systemy hybrydowe obecnie uznawane są za jedną z najbardziej skutecznych technologii oczyszczania ścieków, a przy tym mało wrażliwych na niekorzystne warunki pracy. Systemy takie są dużo bardziej odporne na przeciążenia hydrauliczne i mogą przyjąć większy ładunek zanieczyszczeń niż system klasyczny (z osadem czynnym), ze względu na możliwość zgromadzenia większej ilości biomasy w dwóch postaciach. Są również odporne na okresowe braki prądu [3]. Schemat hybrydowej oczyszczalni ścieków przedstawiono na rys. 3.
Wstępne badania przydomowej oczyszczalni hybrydowej wykazały, że może ona zapewnić eliminację zanieczyszczeń organicznych (BZT5 i ChZT) oraz zawiesin ogólnych na poziomie 92–97%. Badany system umożliwiał usuwanie fosforu
ogólnego z 69-procentową skutecznością, a azotu ogólnego na poziomie 39% [4]. Obecnie ciągle prowadzone są dalsze badania nad optymalizacją pracy przydomowych systemów hybrydowych, których celem jest opracowanie technologii zapewniającej wysokie (ponad 70%) efekty usuwania związków biogennych.
Rys. 2 Oczyszczalnia ze złożem biologicznym zintegrowana z osadnikiem wtórnym – przekrój (źródło: Polski Klub Ekologiczny 2008)
Rys. 3 Schemat technologiczny hybrydowej oczyszczalni ścieków: K1, K2 – osadnik wstępny; K3 – komora napowietrzania ze złożem biologicznym; K4 – osadnik wtórny [4]
Systemy hydrofitowe są to naturalne lub sztuczne systemy oczyszczania ścieków, w których poziom wody (ścieków) utrzymywany jest poniżej lub powyżej powierzchni terenu, co sprzyja rozwojowi roślin wodolubnych lub wodnych – tzw. hydrofitów. Dlatego w Polsce upowszechniła się nazwa „oczyszczalnie hydrofitowe”.
Wśród obiektów tego typu wyróżnia się zarówno systemy wodno-roślinne, z powierzchniowym przepływem ścieków (FWS – free water surface), jak i gruntowo-roślinne z podpowierzchniowym przepływem ścieków (VSB – vegetated submerged bed) [5]. W Polsce i Europie największe zastosowanie znalazły sztuczne systemy gruntowo-roślinne (ang. constructed wetland), w których najczęściej stosuje się takie rośliny, jak: trzcina, wierzba i pałka.
Funkcjonowanie oczyszczalni hydrofitowych opiera się na wykorzystaniu takich samych procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych, jakie zachodzą w naturalnych ekosystemach bagiennych (ang. wetland) przy udziale różnych zespołów mikroorganizmów oraz odpowiednio dobranych roślin [6]. Usuwanie zanieczyszczeń w systemach gruntowo-roślinnych związane jest głównie z funkcjonowaniem błony biologicznej, tworzącej się podczas przepływu ścieków przez złoże gruntowe. Rośliny pełnią funkcję pomocniczą w procesie oczyszczania [7].
Systemy hydrofitowe na świecie na szerszą skalę zaczęto stosować już 50 lat temu [8], a w Polsce najstarsze obiekty tego typu eksploatowane są od ponad 20 lat [9]. Początkowo stosowano głównie obiekty jednostopniowe z poziomym (HF-CW horizontal flow constructed wetland) lub pionowym (VF-CW vertical flow constructed wetland) przepływem ścieków (rys. 4, 5), jednak w ostatnich latach coraz większe zastosowanie znajdują systemy typu HSH, czyli hybrydowe systemy hydrofitowe, składające się z dwóch lub trzech złóż gruntowo-roślinnych, które zapewniają lepsze warunki do biologicznego oczyszczania ścieków (rys. 6).
Rys. 4 Schemat systemu gruntowo-roślinnego z poziomym przepływem ścieków (HF) [10]
Rys. 5 Schemat systemu gruntowo-roślinnego z pionowym przepływem ścieków (VF) [10]
Rys. 6 Schemat hybrydowego systemu gruntowo-roślinnego z pionowym i poziomym przepływem ścieków VF-HF [11]
W tabeli podano wybrane wytyczne do projektowania systemów hydrofitowych.
Tab. Wybrane wytyczne projektowania systemów gruntowo-roślinnych z pionowym i poziomym przepływem ścieków [12] i [13]
|
Typ złoża
|
Pionowy przepływ (VF)
|
Poziomy przepływ (HF)
|
||
|
Parametry
|
Norma ATV [1998]
|
Błażejewski [1996]
|
Norma ATV [1998]
|
Błażejewski [1996]
|
|
Powierzchnia jednostkowa [m2/MR]
|
≥ 2,5
|
4–5
|
≥ 5
|
4–10
|
|
Głębokość czynna [m]
|
≥ 0,8
|
0,5–2,0
|
≥ 0,5
|
0,5–1,2
|
|
Obciążenie hydrauliczne [dm3/m2·d-1]
|
< 60
|
40–80
|
< 40
|
15–30
|
|
Obciążenie ładunkiem BZT5 [g/m2·d-1]
|
30–35
|
10–40
|
4–10
|
6–16
|
Dotychczasowe wieloletnie badania przydomowych oczyszczalni hydrofitowych wykonane w warunkach Polski wykazały, że systemy jednostopniowe gwarantują eliminację zanieczyszczeń organicznych (BZT5 i ChZT) w zakresie 78–84% oraz zawiesin ogólnych w granicach 65%. Stwierdzono natomiast, że w mniejszym stopniu usuwają związki biogenne – azot i fosfor. Bardzo dobre efekty usuwania podstawowych wskaźników zanieczyszczeń (ponad 90%) odnotowano w hybrydowych systemach gruntowo-roślinnych z trzciną i wierzbą, o konfiguracji złóż VF-HF (z pionowym i poziomym przepływem) – fot. 2. Obiekty te zapewniały ponadto około 65-procentową skuteczność usuwania azotu ogólnego oraz 85–95-procentową efektywność eliminacji fosforu ogólnego [14].
Zaobserwowano, że hybrydowe systemy gruntowo-roślinne typu VF-HF i HF-VF charakteryzują się bardzo wysoką (99%) niezawodnością działania. W okresie badań przez ponad 361 dni w roku w systemach tych spełniane były wymogi określone, co do jakości ścieków oczyszczonych dla zawiesiny ogólnej, BZT5 i ChZT. Mniejszą niezawodnością działania cechują się jednostopniowe systemy gruntowo-roślinne, szczególnie typu VF [14].
Dotychczasowe doświadczenia z funkcjonowania oczyszczalni gruntowo-roślinnych wskazują, że obiekty te cechują się prostą obsługą i eksploatacją oraz dużą odpornością na nierównomierny dopływ ścieków. Również koszty instalacji tych systemów są podobne do ponoszonych przy budowie innych rozwiązań [14].
Fot. 2 Przydomowa hybrydowa gruntowo-roślinna oczyszczalnia ścieków (fot. autor) [14]
Zdaniem autora oczyszczalnie gruntowo-roślinne (głównie hybrydowe) są to rozwiązania technologiczne spełniające kryteria wyboru przydomowych oczyszczalni ścieków zgodne z podstawowymi zasadami zrównoważonego rozwoju i mogą być wykorzystywane w większej skali na terenach wiejskich o rozproszonej zabudowie. Obiekty te z dużym powodzeniem mogą być także stosowane na terenie ośrodków wypoczynkowych lub na obszarach chronionych, gdzie ze względów estetycznych i krajobrazowych budowa tradycyjnych oczyszczalni nie jest zazwyczaj zbyt mile widziana.
Wnioski
Dotychczasowe wieloletnie doświadczenia z budowy i eksploatacji różnych rozwiązań technologicznych przydomowych oczyszczalni ścieków wskazują, że:
– Przydomowe oczyszczalnie ścieków nie są obiektami bezobsługowymi.
– Żadna, nawet najlepiej zaprojektowana, przydomowa oczyszczalnia ścieków nie zapewni wysokiej skuteczności eliminacji zanieczyszczeń, jeżeli nie zostanie prawidłowo zainstalowana i jeśli jest niewłaściwie eksploatowana.
– Przy projektowaniu oczyszczalni i podczas przetargów wybór technologii oczyszczania opiera się głównie na kryterium ekonomicznym (najważniejsze są najniższe koszty inwestycyjne). Sytuacja taka powoduje, że wybierane i instalowane są przydomowe oczyszczalnie ścieków niespełniające kryteriów wyboru zgodnych z podstawowymi zasadami zrównoważonego rozwoju.
– Nadmierne stosowanie oczyszczalni z drenażem rozsączającym może przyczynić się do znacznej degradacji jakości wód podziemnych. W przyszłości należałoby się zastanowić nad wprowadzeniem zakazu lub ograniczeniem możliwości budowy obiektów tego typu, tak jak np. we Francji.
– Ostatnio częstą praktyką jest stosowanie przydomowych oczyszczalni ścieków z osadem czynnym pozbawionych osadników gnilnych. Na podstawie badań stwierdzono, że obiekty tego typu nie są w stanie sprawnie funkcjonować i mogą przyczyniać się do degradacji jakości wód gruntowych.
– Przydomowe oczyszczalnie czasami wykonywane są niezgodnie z założeniami projektowymi i przy braku fachowego nadzoru, co ma duży wpływ na prawidłowość ich późniejszej eksploatacji.
– Brakuje jakiejkolwiek kontroli funkcjonowania oczyszczalni przydomowych i ich oddziaływania na środowisko przyrodnicze. W celu ochrony jakości zasobów wodnych w Polsce w najbliższych latach należałoby podjąć działania zmierzające do wyeliminowania stosowania nieskutecznych rozwiązań technologicznych.
dr hab. inż. Krzysztof Jóźwiakowski
Katedra Melioracji i Budownictwa Rolniczego
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie
Bibliografia
1. M. Marzec, K. Jóźwiakowski, Wstępna analiza funkcjonowania małej oczyszczalni ścieków ze złożem biologicznym, Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej w Krakowie, seria Inżynieria Środowiska, z. 28, 2006.
2. S. Krzanowski, A. Wałęga, New technologies of small domestic sewage volume treatment applied in Poland, „Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich” nr 3/2007, PAN, Oddział w Krakowie.
3. M. Makowska, H. Kolanko, Kinetyka przyrostu biomasy w reaktorach hybrydowych, Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu, „Melioracje, Inżynieria Środowiska”, z. 26, 2005.
4. M. Marzec, K. Jóźwiakowski, Skuteczność usuwania zanieczyszczeń w hybrydowej oczyszczalni ścieków typu TRYBIO – badania wstępne, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 10/2011.
5. A. Szpindor, K. Wierzbicki, H. Obarska-Pempkowiak, Gruntowo-roślinne oczyszczalnie ścieków, Wyd. IBMER, Warszawa 1999.
6. J. Vymazal, Horizontal sub-surface flow and hybrid constructed wetlands systems for wastewater treatment, Ecol. Eng. 25 (5), 2005.
7. H. Brix, Treatment of wastewater in the rhizosphere of wetland plants – the root – zone method, Wat. Sci. Technology. vol. 19, 1987.
8. J. Vymazal, Constructed Wetlands for Wastewater Treatment: Five Decades of Experience, Environ. Sci. Technol. 45, 2011.
9. M. Gajewska, H. Obarska-Pempkowiak, 20 lat doświadczeń z eksploatacji oczyszczalni hydrofitowych w Polsce, Rocznik Ochrony Środowiska 11, 2009.
10. B. Osmulska-Mróz, Lokalne systemy unieszkodliwiania ścieków: poradnik, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa 1995.
11. K. Jóźwiakowski, M. Marzec, M. Gizińska, R. Goral, A. Pytka, Aneks do projektu zagospodarowania przydomowej oczyszczalni ścieków dla budynku mieszkalnego w miejscowości Skorczyce (gmina Urzędów), Katedra Melioracji i Budownictwa Rolniczego, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, R-G Projekt Lublin 2011.
12 ATV Arbeisblatt A262 1998, Grundsätze für Bemessung und Betrieb von Pfanzenbeeten für kommunales Abwasser bei Ausbaugröben bis 1000 Einwohnerwertte: 2-10.
13. R. Błażejewski, Hydrobotaniczne oczyszczalnie ścieków. Przegląd systemów i zasad ich projektowania, II Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Oczyszczalnie hydrobotaniczne”, Poznań 1996.
14. K. Jóźwiakowski 2012, Badania skuteczności oczyszczania ścieków w wybranych systemach gruntowo-roślinnych. Rozprawa habilitacyjna. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, PAN Oddział w Krakowie. s. 232, http://www.infraeco.pl/pl/art/a_16497.htm
