Należy zwrócić większą uwagę na kwestie oczyszczania ścieków opadowych zarówno na etapie projektowania urządzeń (odejście od życzeniowych parametrów jakościowych), jak i późniejszego monitorowania ich działania (ocena rzeczywistej sprawności).
Odprowadzanie wód opadowych z obszarów zurbanizowanych stanowi coraz bardziej aktualny problem, związany m.in. z coraz szybszym i często niekontrolowanym rozwojem obszarów miejskich, a także z brakiem urządzeń retencyjnych współdziałających z siecią kanalizacyjną. Odrębnym zagadnieniem pozostaje problem efektywnego oczyszczania ścieków opadowych zrzucanych do odbiorników – dotyczy to zarówno projektowania, jak i późniejszej eksploatacji urządzeń. Należy się spodziewać, że w najbliższych latach następować będzie konsekwentne podwyższanie standardów oczyszczania ścieków opadowych, co przekładać się będzie na konieczność modernizowania istniejących układów odprowadzania ścieków.
Zmiana koncepcji odprowadzania wód opadowych
Do głównych wad związanych z obecnym podejściem do rozbudowy i eksploatacji systemów kanalizacji deszczowej należy zaliczyć [8]:
– bezpośrednie odprowadzanie spływów opadowych ze wszystkich powierzchni nieprzepuszczalnych (brak kontroli nad uszczelnieniem zlewni);
– kierowanie odpływów opadowych najkrótszą drogą do odbiornika, bez wykorzystania możliwości retencyjnych zlewni i samego systemu kanalizacyjnego;
– założenie a priori niewielkiego zanieczyszczenia spływów opadowych;
– brak analizy ilościowej i jakościowej wpływu zrzutów ścieków opadowych na odbiornik (zazwyczaj zakłada się, że odbiornik może przyjąć bez szkody każdą ilość wód opadowych);
– niewłaściwe i niekonsekwentne planowanie przestrzenne obszarów miejskich;
– niewłaściwa konserwacja urządzeń podczyszczających ścieki opadowe;
– występowanie nielegalnych podłączeń ścieków bytowo-gospodarczych;
– brak świadomości ekologicznej wśród użytkowników systemu.
Mając na uwadze duży zakres potrzeb związanych z infrastrukturą kanalizacyjną, istotne jest, by już obecnie jej modernizację i rozbudowę prowadzić zgodnie z preferowanymi tendencjami światowymi, które obejmują przede wszystkim:
– ograniczanie dopływu wód opadowych do systemów podziemnych poprzez ich infiltracje do gruntu, wykorzystanie gospodarcze cz też retencje w zbiornikach otwartych – rozwiązania te można ogólnie nazwać działaniami u źródła powstawania spływu powierzchniowego;
– efektywne sterowanie przepływem ścieków opadowych oraz ładunkiem zanieczyszczeń w nich zawartych, które zasilają systemy kanalizacyjne w czasie opadów nawalnych;
– traktowanie odbiornika ścieków deszczowych jako integralnego elementu systemu kanalizacyjnego, którego ochrona w aspekcie jakościowym określa wymagania dla działania systemów kanalizacyjnych.
Efektywne odprowadzanie wód opadowych to nie tylko kwestie wyboru optymalnych technologii. Można wręcz stwierdzić, że zasadnicze problemy zagospodarowania wód i ścieków opadowych są związane z trzema innymi aspektami: finansowymi, edukacyjnymi oraz prawnymi. Zagadnienia prawne mają bezpośredni wpływ na podejście zarówno projektantów, inwestorów, jak i eksploatatorów do kwestii utrzymania i rozwoju sieci kanalizacyjnych. Niestety, do tej pory przepisy prawne w zakresie oczyszczania wód opadowych były często i niekonsekwentnie zmieniane, a ich zapisy są często niespójne i nieprecyzyjne, stwarzając pole do dość swobodnej ich interpretacji w wielu kwestiach. Finansowanie eksploatacji systemów odwodnienia jest przynajmniej od kilku lat problemem praktycznie wszystkich polskich miast. Ścieki opadowe stanowią medium, za którego odprowadzanie nikt nie chce ponosić kosztów, a jednocześnie nie ma wątpliwości, że sieć ta jest niezbędnym elementem infrastruktury miejskiej. O konieczności inwestycji przypominają zazwyczaj powodzie miejskie, które w ostatnim czasie występują z coraz większą częstotliwością. Brak akceptacji społecznej dla wprowadzenia opłat za odprowadzanie wód opadowych jest efektem braku świadomości dotyczącej roli systemów odwodnienia, ich oddziaływania na środowisko oraz kosztów z tym związanych. Doświadczenia zagraniczne w zakresie edukowania społeczeństwa i promowania rozwiązań zrównoważonych wskazują, że są one równie ważne jak inwestycje w infrastrukturę [4]. Kampanie edukacyjne pozwalają na stopniowe rozwiązywanie części przyczyn powstawania nadmiernego zanieczyszczenia i ilości wód opadowych u źródła ich powstawania, zamiast kosztownej walki ze skutkami na wylocie do odbiornika.
© Andrey Armyagov – Fotolia.com
Oczyszczanie ścieków opadowych
Największym problemem z punktu widzenia stosowania technologii oczyszczania wód opadowych jest silna zmienność stężeń w czasie opadów, a także fakt, że stężenia te są zwykle stosunkowo niewielkie przy bardzo dużych natężeniach dopływu. Dlatego też usuwanie zanieczyszczeń w formie rozpuszczonej jest możliwe w bardzo ograniczonym zakresie, główny nacisk zaś jest położony na usuwanie zawiesin i zanieczyszczeń z nią związanych. Mimo że podstawy teoretyczne procesu sedymentacji są znane od dziesiątek lat, to obecnie realizowane podczyszczalnie ścieków opadowych bardzo często są projektowane na podstawie wątpliwych danych wejściowych. Analizując dostępne w literaturze dane oraz projekty techniczne urządzeń podczyszczających ścieki opadowe, wyraźnie widać duże rozbieżności w podejściu do ustalania miarodajnego stężenia zawiesin oraz ich składu granulometrycznego. Wśród projektantów istnieje tendencja do zaniżania wartości przyjmowanego stężenia zawiesin (nawet poniżej 300 mg/dm3), co skutkuje zmniejszeniem procentowego usuwania zawiesiny, a w konsekwencji możliwością przyjmowania większych wartości obciążenia hydraulicznego. Efektem takich obliczeń są urządzenia o relatywnie małych wymiarach, co przekłada się na redukcję kosztów inwestycyjnych – zarówno samych urządzeń, jak i np. wykupu gruntu. Dostępne badania dla warunków krajowych [1] pokazują, że stężenia zawiesiny dla zabudowy miejskiej z intensywnym ruchem drogowym są zwykle znacznie wyższe niż 300 mg/dm3 i bardziej realną wartością wydaje się być 500 mg/dm3. Badania prowadzone przez autora na zlewniach miejskich w Częstochowie, dotyczące występowania zjawiska tzw. pierwszej fali spłukującej [3], wykazały bardzo dużą zmienność stężenia zawiesiny zarówno w czasie trwania opadów, jak i w odniesieniu do poszczególnych zlewni.
Niezależnie od przyjętej wartości miarodajnego stężenia zawiesin kolejnym problemem jest ustalenie ich zdolności sedymentacyjnej. W zależności od składu granulometrycznego efektywność procesu sedymentacji będzie zróżnicowana. Przy braku badań można się powoływać na krzywe publikowane literaturze, choć można tu napotkać znaczne rozbieżności, m.in. w normie [5] frakcje większe niż 100 µm stanowią tylko 25% całkowitej masy, podczas gdy według innych źródeł jest to ponad 80%. Dlatego też ustalenie typowego (uniwersalnego) składu granulometrycznego zawiesin opadowych jest mało prawdopodobne. Jednak nawet sam skład granulometryczny transportowanych zawiesin nie jest rozwiązaniem idealnym, gdyż zgodnie ze wzorami Stokesa oraz Newtona wpływ na prędkość sedymentacji ma także gęstość cząstek. Zwykle przyjmowana jako stała i równa 2650 kg/m3 (kwarc) jest w rzeczywistości zmienna i zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem średnicy cząstek. Zmniejszenie gęstości z 2650 do 2000 kg/m3 powoduje spadek prędkości opadania o połowę. Tymczasem średnia gęstość osadu pobranego z dna zbiornika retencyjnego w Łodzi [7] oraz z wpustów deszczowych w Białymstoku [2] wyniosła ok. 1800 kg/m3 – jest to gęstość charakterystyczna dla gliny. Jeżeli do powyższych uwag dodamy fakt, że:
– teoretyczne prędkości sedymentacji obliczane są dla ziaren idealnie kulistych, podczas gdy w rzeczywistości są to cząstki izometryczne (konieczne jest wprowadzenie parametru sferyczności cząstek);
– przy dużych stężeniach zawiesiny będzie występować sedymentacja skrępowana;
– na właściwości sedymentacyjne ma wpływ temperatura ścieków (wpływ lepkości, m.in. wzory Lane’a),
to jedyną racjonalną metodą do ustalenia właściwości sedymentacyjnych zawiesin z danej zlewni jest wykonanie testów kolumnowych i wyznaczenie charakterystyki sedymentacyjnej. Ustalenie, jaka frakcja wagowa zawiesin będzie sedymentować w ustalonych przedziałach czasowych, pozwala na uniezależnienie się od wcześniej wymienionych czynników mogących mieć wpływ na wyznaczanie prędkości opadania cząstek. Bardziej szczegółowe badania nad charakterystykami sedymentacyjnymi ścieków deszczowych i roztopowych były w kraju prowadzone przez M. Zawilskiego [7], który ustalił, że rozkład prędkości sedymentacji może być przedstawiony według uogólnionego rozkładu Weibulla. Istotne było ustalenie, że charakterystyka sedymentacyjna ścieków deszczowych zmienia się w czasie trwania opadów – zmienność jest tym większa, im większa jest intensywność opadów. Jedynie dla opadów o intensywności rzędu kilku dm3/sha można przyjąć, że charakterystyka sedymentacyjna nie zmienia się w czasie. Wpływ na kształt charakterystyki ma też prawidłowa eksploatacja wpustów deszczowych, gdzie teoretycznie powinny być zatrzymywane grubsze frakcje zawiesiny.
Brak jest niestety wyraźnych regulacji związanych z pozyskaniem miarodajnych danych na potrzeby projektowania podczyszczalni ścieków opadowych. Bardzo często projekty wykonuje się, opierając się na jednej próbie, dla której określona jest data i godzina. Mając na uwadze bardzo dużą zmienność stężenia zawiesiny w odpływach ścieków deszczowych, pobierając jedną próbę, można dla konkretnego zdarzenia opadowego uzyskać wartości stężenia zawiesiny w przedziale od kilkudziesięciu do nawet kilku tysięcy mg/dm3. Można zresztą napotkać dokumentacje projektowe, w których zmierzone stężenia zawiesiny ze zlewni zurbanizowanych wynosiły poniżej 100 mg/dm3, co oznaczałoby brak konieczności stosowania urządzeń podczyszczających. Dodatkowym problemem jest heterogeniczny rozkład stężenia zawiesiny w kanałach (większy przy dnie, mniejszy przy zwierciadle), co czyni istotną także metodę samego poboru próby ze strumienia płynących ścieków.
W przypadku poboru pojedynczych prób konieczne wydaje się określenie przynajmniej:
– okresu poprzedzającego wystąpienie opadu (liczba dni),
– natężenia deszczu (średnie, szczytowe),
– czasu, jaki upłynął od początku deszczu do momentu poboru próby.
Optymalnym rozwiązaniem jest jednoczesne wykonanie pomiaru natężenia deszczu, przepływu oraz pobór przynajmniej kilku prób w ustalonych odstępach czasowych (np. przy zastosowaniu automatycznego samplera). Badania takie powinny objąć przynajmniej kilka opadów, a najlepiej okres ciągły czerwiec–sierpień oraz luty–marzec (dla zjawisk roztopowych). Tego typu kampanie pomiarowe wiążą się z dużymi kosztami, dlatego też powinny być podejmowane przede wszystkim dla zlewni dużych (powyżej 100 ha), z których odprowadzane są znaczące ładunki zanieczyszczeń. W przypadku mniejszych zlewni można się ograniczyć do wykonywania prób wyrywkowych z zachowaniem wcześniej wymienionych zastrzeżeń.
Warto nadmienić, że problemy z poborem prób dotyczą także monitorowania działania istniejących urządzeń podczyszczających. Rozporządzenie [6] ogranicza konieczność regularnej (minimum dwa razy w roku) kontroli do urządzeń o przepustowości nominalnej powyżej 300 dm3/s, czyli zlewni o całkowitej powierzchni szczelnej (zredukowanej) powyżej 20 ha. Ograniczenia te nie wydają się uzasadnione, biorąc pod uwagę symboliczną liczbę wymaganych wskaźników (zawiesina, substancje ropopochodne). Dodatkowo pojawia się zapis, aby była to średnia z trzech prób pobranych w odstępach czasu nie krótszych niż 30 minut (w czasie trwania opadu). Przy braku automatycznego samplera w większości przypadków oznacza to pobór prób w drugiej fazie trwania opadów już po przejściu fali spłukującej, gdy stężenia zawiesiny są zdecydowanie niższe. Przy braku bardziej precyzyjnych procedur w tym zakresie można uzyskać na odpływie w zasadzie dowolną wartość stężenia zawiesiny. Istotne jest, aby próby były pobierane w tym samym czasie przed i za podczyszczalnią oraz by znane było (przynajmniej w przybliżeniu) jej chwilowe obciążenie hydrauliczne. Brak tych informacji uniemożliwia jednoznaczną odpowiedź, czy urządzenie działa prawidłowo czy nie. Próba pobrana bez podania dodatkowych warunków jest mało wartościowym materiałem, nawet jeśli zostanie oznaczona w laboratorium akredytowanym.
Wnioski
Rozwój systemów odprowadzania ścieków opadowych z terenów zurbanizowanych powinien zostać oparty na zasadach zrównoważonego rozwoju, których podstawą jest ograniczanie objętości wód opadowych odprowadzanych do kanalizacji (działania u źródła powstawania spływu). Należy zwrócić większą uwagę na kwestie oczyszczania ścieków opadowych zarówno na etapie projektowania urządzeń (odejście od życzeniowych parametrów jakościowych), jak i późniejszego monitorowania ich działania (ocena rzeczywistej sprawności). Praktyczne wdrożenie tych postulatów będzie wymagać zmian obowiązujących przepisów prawnych.
dr inż. Maciej Mrowiec
Politechnika Częstochowska
Instytut Inżynierii Środowiska
Literatura
1. M. Helman-Grubba, A. Szulczewski, Skład i podczyszczanie miejskich ścieków opadowych a norma drogowa; efektywność wybranych rozwiązań technologicznych w świetle doświadczeń laboratoryjnych i eksploatacyjnych, „Odwodnienie dróg i ulic a ekologia – prawo, projektowanie, wykonawstwo” – Zeszyty naukowo-techniczne SIiTK RP oddz. Kraków (zeszyt 131), 2006.
2. A. Królikowski, K. Garbarczyk, J. Gwoździej-Mazur, A. Butarewicz , Osady powstające w obiektach systemu kanalizacji deszczowej, Monografia Komitetu Inżynierii Środowiska, PAN, vol. 35, 2005.
3. M. Mrowiec, T. Kamizela, M. Kowalczyk, Occurence of the first flush phenomenon in the drainage system of Czestochowa, „Environment Protection Engineering” nr 2/2009, s. 73–80.
4. M. Mrowiec, Wody opadowe – rola samorządów i społeczeństwa, „Wodociągi i Kanalizacje” nr 5/51, 2008.
5. Polska Norma PN-S-02204 Drogi samochodowe: Odwodnienie dróg, PKN (1997).
6. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (ze zmianami opublikowanymi w dniu 28 stycznia 2009 r.).
7. M. Zawilski, Prognozowanie wielkości odpływu i ładunków zanieczyszczeń ścieków opadowych odprowadzanych z terenów zurbanizowanych, Politechnika Łódzka, Łódź, 1997.
8. M. Zawilski, Zagospodarowywanie spływów opadowych zgodnie z zasadą rozwoju zrównoważonego, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska, PAN, vol. 12, s. 81–93, 2002.
