Stosowany powszechnie system kanalizacji rozdzielczej nie jest najlepszym rozwiązaniem, w sytuacji gdy zaniedbywana jest kwestia oczyszczania ścieków opadowych.
W ciągu ostatnich 20 lat nastąpił w Polsce imponujący rozwój infrastruktury kanalizacyjnej mierzonej wieloma wskaźnikami (m.in. liczba zbudowanych i zmodernizowanych oczyszczalni ścieków czy też redukcja ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych do środowiska). Realizacja Krajowego Programu Oczyszczania Ścieków Komunalnych (KPOŚK) wraz z kolejnymi aktualizacjami umożliwiła znaczącą poprawę wskaźnika podłączenia do systemów kanalizacyjnych, dzięki czemu w roku 2016 już ponad 28 milionów osób korzystało z oczyszczalni ścieków. Nastąpił imponujący wzrost całkowitej długości sieci kanalizacyjnych i obecnie wynosi ona ponad 150 000 km (obszary miejskie 63,5 tys. km, obszary wiejskie 90,4 tys. km). Dla porównania w roku 1995 było to tylko 33,5 tys. km (miasta 28,1 tys., wieś 5,4 tys. km). Termin „ścieki komunalne” sugeruje, że KPOŚK dotyczy wszystkich rodzajów ścieków, które trafiają do miejskiej kanalizacji. W rzeczywistości głównym celem KPOŚK jest odprowadzanie i oczyszczanie ścieków bytowo-gospodarczych z aglomeracji, a inwestycje dotyczą kanalizacji sanitarnej (bez kanalizacji deszczowej). W założeniach KPOŚK ścieki opadowe w ogóle nie były brane pod uwagę – jedynie w przypadkach modernizacji istniejących systemów kanalizacji ogólnospławnej uwzględniana była gospodarka wodami opadowymi.
Zanieczyszczenie wód opadowych odpływających z terenów zurbanizowanych jest dość często bagatelizowane i uznawane za mało istotne. Tymczasem ładunki zanieczyszczeń generowane przez spływy z powierzchni uszczelnionych, szczególnie z dróg i parkingów, są na tyle znaczące, że nie powinno się ich pomijać w bilansach oddziaływania na środowisko. Przeciętne stężenia zanieczyszczeń ścieków opadowych na podstawie dostępnych danych literaturowych oraz własnych pomiarów prowadzonych w Łodzi przedstawiono w [1].
Stężenia zanieczyszczeń pokazane w tabeli nie pozostawiają wątpliwości, że konieczne jest ich obniżenie przed odprowadzeniem do środowiska. Dlatego też, planując dalszy rozwój infrastruktury kanalizacyjnej, powinno się uwzględnić konieczność oczyszczania wszystkich ścieków komunalnych, w tym także ścieków opadowych.
Fot. 1. Zbiornik wód opadowych ze stałym zwierciadłem wody (Malmoe)
Przykład bilansu ładunków zanieczyszczeń dla zlewni zurbanizowanej
Porównania systemów kanalizacji rozdzielczej i ogólnospławnej można znaleźć w każdym podręczniku dotyczącym inżynierii sanitarnej. Spośród zalet systemu rozdzielczego do najważniejszych należy zaliczyć stabilizację pracy komunalnych oczyszczalni ścieków, a także wyeliminowanie działania przelewów burzowych negatywnie oddziaływających na środowisko. Niewątpliwą zaletą jest także możliwość niezależnej w czasie budowy kanalizacji sanitarnej i deszczowej. Mimo niewątpliwych zalet kanalizacji rozdzielczej w wielu krajach europejskich systemy ogólnospławne stanowią ok. połowy całkowitej długości sieci kanalizacyjnych (np. Dania 50%, Francja 45%, Niemcy 58%), a w niektórych krajach stanowią nawet 70-80% (np. Szwajcaria, Belgia, Holandia, Hiszpania). W większości przypadków decydującym czynnikiem był okres budowy sieci kanalizacyjnych. Pierwsze systemy kanalizacyjne były realizowane jako ogólnospławne, dlatego też kraje, które najwcześniej rozpoczęły kanalizowanie miast, mają zwykle największy udział kanalizacji ogólnospławnej. Dlaczego istniejące systemy ogólnospławne nie są modernizowane i zmieniane w rozdzielcze? Podstawową przesłanką są oczywiście koszty – budowa dodatkowego kanału w ulicach ścisłych centrów miast wymagałaby dużych nakładów finansowych, a potencjalne korzyści z modernizacji nie byłyby szczególnie odczuwalne. Za utrzymaniem systemów ogólnospławnych przemawiają także wyniki analiz oddziaływania systemów kanalizacyjnych na środowisko. Podejmując próbę porównywania obydwu rodzajów systemów kanalizacyjnych, powinno się wziąć pod uwagę skumulowane ładunki zanieczyszczeń odprowadzane do odbiorników wodnych. Przykładem takiego podejścia może być analiza przeprowadzona przez Brombacha, Weissa i Fuchsa [3], w której oszacowano jednostkowe ładunki zanieczyszczeń (w przeliczeniu na hektar powierzchni uszczelnionej) odprowadzanych do odbiorników przez systemy kanalizacji rozdzielczej i ogólnospławnej przy uwzględnieniu zarówno ścieków bytowo-gospodarczych, jak i opadowych.
W analizie przyjęto założenie, że gęstość zaludnienia wynosi 62,7 mieszkańca na hektar, a przeciętne zużycie wody na poziomie 130 l/d. Doliczono także dopływ wód przypadkowych na poziomie 118% przepływu ścieków bytowo-gospodarczych. W odniesieniu do wód opadowych przyjęto, że wysokość rocznego opadu to 800 mm, a odpływ efektywny z hektara wyniósł 5600 m3/ha. Przy takich założeniach roczny bilans ścieków w przeliczeniu na hektar powierzchni uszczelnionej wygląda następująco:
- kanalizacja rozdzielcza: ścieki dopływające do oczyszczalni ścieków 5424 m3, ścieki opadowe odprowadzane do rzeki 6650 m3;
- kanalizacja ogólnospławna: ścieki dopływające do oczyszczalni ścieków 9974 m3, ścieki zrzucane przez przelew burzowy 2100 m3.
Po wykonaniu bilansu ilościowego obliczono roczne ładunki zanieczyszczeń dla podstawowych wskaźników zanieczyszczeń (zawiesina ogólna, ChZT, BZT5, metale ciężkie, związki azotu, związki fosforu). Do obliczeń wykorzystano dane pomiarowe (stężenia poszczególnych wskaźników) zarejestrowane na wylotach z rzeczywistych obiektów: przelewów burzowych, wylotów z kanalizacji deszczowej, a także z komunalnych oczyszczalni ścieków. Ostatecznym efektem obliczeń było porównanie rocznych ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych z obydwu rodzajów systemów. W przypadku zawiesiny ogólnej ładunek odprowadzany z kanalizacji rozdzielczej okazał się dwukrotnie większy niż dla kanalizacji ogólnospławnej, podobną relację odnotowano dla związków chromu, niklu i cynku. Największa różnica została stwierdzona dla związków ołowiu i kadmu, gdzie ładunek z kanalizacji rozdzielczej był czterokrotnie większy. Porównywalne wartości ładunków uzyskano dla ChZT, natomiast w przypadku związków biogennych (azot, fosfor) oraz BZT5 kanalizacja ogólnospławna generuje o 50-60% większe ładunki zanieczyszczeń niż kanalizacja rozdzielcza. Przytoczone wartości należy traktować jako uśrednione i szacunkowe, dla każdej zlewni taki bilans będzie wyglądał nieco inaczej. Jednak wyraźnie widać, że od strony oddziaływania na środowisko nie można wskazać zdecydowanie lepszego systemu.
Fot. 2. Zbiornik infiltracyjny (Malmoe)
Kraje, w których dominują systemy kanalizacji ogólnospławnej, zwiększyły ich efektywność przede wszystkim przez budowę zbiorników retencyjnych, współdziałających z przelewami burzowymi. Dzięki temu zmniejszano częstotliwość zrzutów oraz wyrównywano przepływy w kolektorach i ustabilizowano działanie oczyszczalni ścieków. W ostatniej dekadzie dodatkowo się rozwija systemy sterowania w czasie rzeczywistym (Real Team Control), które umożliwiają zarówno lepsze wykorzystanie retencji kanałów, jak i rozlokowanych na sieci kanalizacyjnej zbiorników retencyjnych w zależności od aktualnego obciążenia oczyszczalni ścieków. W bardziej zaawansowanych wersjach systemów RTC uwzględnia się modele predykcyjne opadów, co umożliwia ustawienie strategii sterowania przepływem z wyprzedzeniem czasowym. Dzięki takiemu podejściu ładunki zanieczyszczeń zawarte w spływach opadowych mogą być usunięte w większym stopniu niż w przypadku systemu rozdzielczego.
W systemie kanalizacji rozdzielczej oczyszczanie ścieków opadowych ogranicza się do metod mechanicznych (przede wszystkim sedymentacja), a dodatkowo jest realizowane przez dużą liczbę rozproszonych na zlewni urządzeń, co utrudnia monitorowanie ich działania. Należy także zwrócić uwagę, że obowiązujące wymagania jakościowe dotyczące odprowadzania wód opadowych do wód lub ziemi obejmują tylko dwa parametry: 100 mg/l zawiesina ogólna (100 mg/l) oraz węglowodory ropopochodne (15 mg/l). Dla instalacji o przepustowości nominalnej mniejszej niż 300 l/s ocenę, czy są spełnione powyższe warunki, stwierdza się tylko na podstawie dokonywanych przez zakład przeglądów eksploatacyjnych urządzeń oczyszczających (brak wymogu jakichkolwiek pomiarów). Dla instalacji o większych przepustowościach eksploatator jest zobligowany do wykonania pomiarów co najmniej dwa razy w roku, w okresie wiosny i jesieni. Próbkę do badań należy uzyskać przez zmieszanie trzech próbek o jednakowej objętości pobranych w odstępach czasu nie krótszych niż 30 minut.
Wyniki pomiarów są w dużym stopniu uzależnione od poboru próby – dla tego samego opadu można uzyskać bardzo zróżnicowane wartości w zależności od tego, czy pobór wykonamy na początku opadu czy np. po godzinie. Istotne znaczenie ma też natężenie deszczu – przy opadach o niewielkim natężeniu z powierzchni spłukiwanych jest zdecydowanie mniej zanieczyszczeń.
W praktyce próby pobierane są przez eksploatatorów sieci, a nie instytucje zewnętrzne, stwierdzenie przekroczeń stężeń jest więc rzadkością, a monitoring jakościowy dla odprowadzanych wód opadowych jest raczej symboliczny. Reasumując, system kanalizacji rozdzielczej zapewnia optymalne warunki kontroli i oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych, natomiast w odniesieniu do kanalizacji deszczowej jego funkcjonowanie opiera się głównie na przyjęciu niskich wymagań dotyczących jakości odpływów, które dodatkowo nie są egzekwowane.
Przy takich założeniach trudno jednak mówić o dużej skuteczności w zakresie redukcji wszystkich ładunków zanieczyszczeń powstających w aglomeracjach miejskich.
|
Tab. Przeciętne stężenia zanieczyszczeń w spływach deszczowych i roztopowych [1]
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kierunki rozwoju systemów kanalizacyjnych
Przyszły rozwój systemów kanalizacyjnych wymagać będzie zmiany podejścia do kwestii zagospodarowania wód opadowych w obrębie zlewni miejskich. Kluczowe jest ograniczenie odpływu do systemów odwodnienia głównie przez infiltrację wód do gruntu lub jej gospodarczego wykorzystania. Istnieje wiele rozwiązań technicznych umożliwiających zagospodarowanie wód opadowych w obrębie nieruchomości oraz na etapie transportu wód opadowych – kompleksowo opisane zostały w pracy „Nowoczesne sposoby odprowadzenia wód deszczowych” [5].
Zmniejszenie objętości i szczytowych natężeń odpływających wód z powierzchni o niewielkim zanieczyszczeniu (głównie dachów) przekłada się na hydrauliczne odciążenie systemu kanalizacyjnego, a w konsekwencji na zmniejszenie częstotliwości i wielkości zrzutów ścieków opadowych do odbiorników. Dotyczy to zarówno przelewów burzowych (kanalizacja ogólnospławna), jak i wylotów z kanalizacji deszczowej (kanalizacja rozdzielcza). Docelowo powinno się dążyć do ograniczenia powierzchni, z których odpływają wody opadowe, jedynie do pasa drogowego, który wytwarza spływy o wysokim zanieczyszczeniu. Spływy z dróg powinny być poddane procesom oczyszczania, a działanie urządzeń oczyszczających musi być monitorowane w sposób systemowy.
Podsumowanie
Racjonalne planowanie rozwoju systemów kanalizacyjnych na obszarach aglomeracji miejskich musi uwzględniać odprowadzenie i oczyszczenie wszystkich rodzajów ścieków odprowadzanych do środowiska. Stosowany powszechnie system kanalizacji rozdzielczej nie jest najlepszym rozwiązaniem, w sytuacji gdy zaniedbywana jest kwestia oczyszczania ścieków opadowych. Konieczne jest wprowadzenie na szerszą skalę zrównoważonych systemów odprowadzania ścieków opadowych niezależnie od rodzaju systemu kanalizacyjnego zastosowanego na danej zlewni. Dla układów istniejących należy sukcesywnie wdrażać systemy monitoringu działania sieci kanalizacyjnych (ilościowego i jakościowego).
dr hab. inż. Maciej Mrowiec
prof. Politechniki Częstochowskiej
Zdjęcia autora
Literatura
- M. Zawilski, Prognozowanie wielkości odpływu i ładunków zanieczyszczeń ścieków opadowych odprowadzanych z terenów zurbanizowanych, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, Łódź 1997.
- M. Mrowiec, Efektywne wymiarowanie i dynamiczna regulacja kanalizacyjnych zbiorników retencyjnych, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2009.
- H. Brombach, G. Weiss, S. Fuchs, A new database on urban runoff pollution: Comparison of separate and combined sewer systems, Water Science & Technology 51(2), 2005.
- 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.
- W. Geiger, H. Dreiseitl, Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Poradnik, Wyd. Projprzem Eko, 1999.
