HYDROBOTANICZNE OCZYSZCZALNIE ŚCIEKÓW

 

 

Stale wzrastające koszty zaopatrzenia w wodę oraz utylizacji ścieków dotyczą obecnie wszystkich. Wielu ludzi martwi się także rosnącym deficytem wody i po­garszającym się stanem wód powierzchniowych. Na skutek regulacji, czyli skra­cania koryt potoków i rzek i osuszania terenów podmokłych woda spływa coraz szybciej. Przyczyniło się to w ostatnich latach w znacznym stopniu do cyklicznie występujących powodzi w rejonach wielkich rzek. (W Europie Zachodniej prze­znacza się ogromne środki na usuwanie technicznych regulacji cieków wodnych, odtwarzanie starorzeczy, meandrów i terenów zalewowych).

Zamiast jak dotąd starać się o jak najszybsze odprowadzenie wody ze zlewni do odbiornika, obecnie dąży się do jak najdłuższego zatrzymywania wody w zlewniach i zasilania wód gruntowych.

Poszukuje się zatem sposobów i środków lokalnego odprowadzenia wody opadowej do gleby i przyczynienia się w ten sposób do odnawiania zasobów wo­dy gruntowej. W przypadku wody opadowej, której odprowadzanie do kanalizacji ogólnospławnej jest nie tylko nieekologiczne, ale także sprzeczne z sadami eko­nomii (w Nadrenii -Westwalii za odprowadzanie wód opadowych do kanalizacji obowązują wy­sokie opłaty lub wręcz stosuje się zakazy, coraz częściej stosowane są systemy retencjonowania, oczyszczania, a następnie odprowadzania do wód grunto­wych). W odniesieniu do ścieków coraz częściej odchodzi się od dotychczasowej strategii tworzenia centralnych systemów kanalizacji (szczególnie na terenach o zabudowie rozproszonej, gdzie koszty budowy kanalizacji są wysokie) na rzecz rozwiązań decentralnych, wśród których oczyszczanie z zastosowaniem filtrów glebowo-roślinnych zasługuje na szczególne zainteresowanie.

Przy pomocy techniki oczyszczania z zastosowaniem roślin oraz różnych technik infiltracji do gruntu woda oczyszczana jest w naturalny sposób i może być wykorzystana powtórnie lub przyczyniać się do odtwarzania lokalnych wód gruntowych.

W małych miejscowościach i na wsi potrzebne są oczyszczalnie nie wymagające stałego nadzoru i dopływu energii oraz odporne na ewentualne zakłócenia w do­stawie i składzie ścieków. Przy opracowywaniu takiego rodzaju oczyszczalni po­mocna okazała się ekotechnologia. Wykorzystuje ona fakt, że procesy bioche­miczne w organizmach i ich oddziaływanie na zewnątrz są w naturalny sposób podporządkowane wzajemnym relacjom pomiędzy ożywionymi i nieożywionymi składnikami systemu. jest to sieć wzajemnie powiązanych procesów i funkcji o zróżnicowanej strukturze poziomej, wewnętrznych cyklach regulacji i własnej dy­namice. Przy technologicznym wykorzystaniu tych procesów ponosi się mniejsze nakłady na konstrukcję przy małym zużyciu energii. Procesy zachodzące w bio­reaktorze charakteryzuje duża stabilność, nawet przy zmieniających się warunkach (tzw. sprzężenie zwrotne). Konieczna jest jednak duża różnorodność skład­ników fizycznych, chemicznych i biologicznych, aby mogły zachodzić procesy zarówno rozkładu, jak i syntezy. Ważny jest też czynnik czasu, gdyż szybkość reakcji jest zwykle niewielka; stąd zachodzi konieczność stosowania bioreaktora o dużej pojemności.

Każdy problem związany ze ściekami wymaga indywidualnego rozwiązania

Każde ścieki mają inny skład i muszą być w różny sposób oczyszczane w za­leżności od dalszego przeznaczenia. Woda oczyszczona przez glebowo­korzeniową oczyszczalnię ścieków może być np. rozsączkowana do gleby lub wykorzystana do nawadniania czy zasilić zbiornik wodny.

Stopień oczyszczenia jest zatem różny w zależności od celu dalszego zasto­sowania, dlatego też należy dobrać odpowiednią koncepcje takiej oczyszczalni.

W trakcie wielu przeprowadzonych prób z wykorzystaniem różnych substra­tów i różnej roślinności udało się zoptymalizować znane dotąd powszechnie sys­temy oczyszczania i dostosować je do rozwiązywania poszczególnych proble­mów ściekowych.

Dokładny skład, wielkość oraz budowa dopasowana jest do wymogów planowa­nej efektywności oczyszczania, która z kolei uwarunkowana jest nie tylko obo­wiązującymi normami, ale także sposobem dalszego wykorzystania oczyszczo­nych ścieków. Przeniesienie zasady działania jednej oczyszczalni na inną możli­we jest tylko w ogólnym zarysie. Z uwagi na to, że każde ścieki różnią się co do składu oraz ilości, każdy problem związany ze ściekami powinien być rozpatry­wany indywidualnie. Pozorna prostota technologiczna może prowadzić do tego, że niedoświadczony projektant czy wykonawca może być rozczarowany końco­wym efektem. Zbudowano już wiele niesprawnych oczyszczalni, które psują ob­raz całej technologii. Z takim zastrzeżeniem możliwa jest własna inicjatywa przy pracach budowlanych, co szczególnie powinno zainteresować gospodarstwa rol­ne i gminy rolnicze.

Zasada działania glebowo-korzeniowej oczyszczalni ścieków

Najbardziej złożonym ekosystemem jest gleba. Miarą owej złożoności jest ilość występujących w niej gatunków żyjących we wzajemnej zależności. Wobciążo­nej ściekami, przerośniętej korzeniami glebie występuje ok. 2000 gatunków bak­terii i wiele dziesiątków tysięcy gatunków grzybów. Proces oczyszczania eko­technicznego odbywa się w praktyce w ten sposób, że ścieki przepływają przez szczelnie odizolowane od podłoża złoże porośnięte najczęściej trzciną ­(Phragmites communis). Korzenie przerastające glebę do głębokości ok 1.2m. zapewniają drożność złoża i tym samym stały przepływ ścieków. Tkanka po­wietrzna roślin (arenchyma) zaopatruje system korzeniowy w tlen. Gaz ten prze­nika do przestrzeni między korzeniami, gdzie mikroorganizmy wykorzystują go do tlenowego rozkładu zanieczyszczeń. Jednocześnie w pewnej odległości od włośników powstają obszary pozbawione tlenu, gdzie zachodzą reakcje beztle­nowe.W całym złożu (3 -5 m2 złoża IRM) przebiegają równolegle reakcje łącze­nia się substancji zawartych w ściekach (z różnymi związkami glebowami oraz reakcje wytrącania się produktów tych reakcji.

Zastosowaniu w złożu odpowiednich minerałów czy tzw.jonitów wymiennych po­zwala wykorzystać w procesie oczyszczania zjawisko adsorpcji szczególnie w odniesieniu do zw. azotu. Duża powierzchnia czynna niektórych minerałów (1 g = 10 - 800 m2) zapewnia optymalne warunki rozwoju błony bakteryjnej. W oczyszczalniach konwencjonalnych problemem jest usuwanie zwązków azotu powstających między innymi w wyniku rozkładu zawartych w ściekach białek. Konieczne jest dobudowywanie specjalnych komór denitryfikacyjnych.

przy zastosowaniu filtra glebowo-korzeniowego problem ten rozwiązuje się sam, gdyż w złożu zachodzi równolegle zarówno tlenowy rozkład białek, jak i beztle­nowa redukcja azotanów do azotu cząsteczkowego ..

Podobnie rozwiązuje się problem fosforanów. W filtrze glebowo-korzeniowym, dzięki np. zawartym w złożu związkom glinu, wapnia i żelaza, dochodzi wyniku reakcji tlenowych i beztlenowych do wytrącania się nierozpuszczalnych związ­ków.

Wyjątkową cechą ekotechnologicznej metody oczyszczania jest eliminacja związków siarki ze ścieków . . Tysiące oczyszczalni ścieków pracują w oparciu o rozwiązania ekotechnolo­giczne. Obsługują one od kilku osób (domy jednorodzinne, gospodarstwa rolne) po zakłady przemysłowe czy miasta (np.20 000 RM w Chinach). Znajdują zasto­sowanie przy zagospodarowaniu osadów ściekowych, rekultywacji jezior i ochro­nie wód powierzchniowych.czy budowie stawów kąpielowych. Nawet trudne ścieki przemysłowe mogą być utylizowane sposobem hydrobotanicznyrn- np. na dachach firmy John Deere w ROsselsheim czyszczone są zaolejone scieki z la­kierni. Ze względu na stosunkowo niski koszt, dużą stabilność pracy odporność na przeciążenia oraz niespotykaną w innych rozwiązaniach wartość krajobrazo­wo - przyrodniczą rozwiązania ekotechnologiczne zasługują na szerszą popula­ryzację

W oczyszczalni glebowo-korzeniowej po wstępnym oczyszczeniu mechanicz­nym ścieki kierowane są na obsadzone roślinnością poletka filtracyjne, gdzie na­stępuje ich rozkład z udziałem drobnoustrojów. Oczyszczone ścieki rozsączko­wywane są do gleby lub odprowadzane do odbiornika.

Poniższa tabela przedstawia niektóre systemy oczyszczania ścieków w oczysz­czalniach o wielkości do 10.000 równoważnych mieszkańców (RLM)* ( źródło: POPP in GELLER et al., 1984) :

 

 

* Rownowazna liczba mieszkańców (RLM) = Wartosc przeliczeniowa wyraza­jąca stopień zanieczyszczenia ścieków z zakładów przemysłowych lub usługo­wych poprzez porównanie ze ściekami z gospodarstw domowych o tym samym zanieczyszczeniu.

Bazą jest obciążenie BZT 5 w wysokości 60 g na mieszkańca na dobę.

*1 BZT5 (biochemiczne zapotrzebowanie na tlen) = ilość tlenu w mgli zużywana przez mikroorganizmy w trakcie rozkładu substancji organicznych w zależności od temperatury w ciągu 5 dni.

*2 bez osadnika wstępnego

Wydajność czyszcząca hydrobotanicznej oczyszczalni ścieków zależy przede wszystkim od składu i uwarstwienia substratu glebowego. Za oczyszczanie od­powiedzialne są głównie bakterie i drobnoustroje pokrywające cząsteczki sub­stratu glebowego, rośliny udrażniają hydraulicznie złoże oraz dostarczają tlenu i stwarzają środowisko reakcji. Rozpowszechnione mniemanie. że rośliny .. pożera­ja" zawarte w ściekach związki jest błedne, ponieważ zatrzymują one jedynie 10 do 15% składników zawartych w ściekach. Różne substraty i materiały układane są w zależności od typu oczyszczalni pionowo lub poziomo, przy czym regułą jest kombinacja materiałów. Techniczne wyliczenia przepływu decydują o wła­ściwym doborze i ułożeniu materiałów o różnej ziarnistości, ponieważ efektyw­ność oczyszczania zależy od powierzchni aktywnej bakteryjnej błonki biologicz­nej pokrywającej cząstki substratu. W substratach drobnoziarnistych o większej powierzchni efektywnej efektywność jest większa, ale pojawić się mogą problemy związane z hydrauliką przepływu. Tajemnicą sprawnej oczyszczalni jest odpo­wiednie dobranie warstw i frakcji jak i chemiczno - mineralnego składu filtra. Prawidłowo wykonana czyszczalnia glebowo-korzeniowa może zapewniać przez cały rok znacznie lepsze parametry oczyszczania niż konwencjonalne małe oczyszczalnie przydomowe.

Aby przybliżyć nieco zasadę działania glebowo-korzeniowej oczyszczalni ścieków, wyjaśniono poniżej w skrócie działanie najbardziej efektywnego syste­mu - filtra pionowego

 

 

Filtr pionowy

Historycznie najstarszym i najbardziej znanym rodzajem oczyszczalni glebo­wo-korzeniowej o przepływie pionowym jest oczyszczalnia trzcinowo-sitowa typu Seidel, która podzielona jest na zbiornik filtracyjny i eliminacyjny. Koncepcja ta powstała pod koniec lat 60-tych w Instytucie Maxa Plancka w Krefeld, dlatego znana jest także pod nazwą "system Krefeldzki". Zbiorniki usytuowane są kaska­dowo, a przepływ następuje kolejno. Zbiorniki filtracyjne posiadają przepływ pio­nowy, a zbiorniki eliminacyjne przepływ poziomy.

Obsadzone filtry glebowe charakteryzują się zastosowaniem glebowych substra­tów niespoistych, czyli piasku, drobnego żwiru lub grysu. Zbiorniki eliminacyjne obsadzane są trzciną i sitowiem, na szczególną uwagę zasługuje przy tym ocze­ret (Schoenoplectus lacustris), który posiada zdolność rozkładu fenoli.

Grubość filtra waha się w zależności od głębokości ukorzenienia od 0,8 do 1,8 m. Z reguły corocznie kosi się roślinność oczyszczalni, a biomasa może być kompo­stowana. Oczyszczalnia trzcinowo-sitowa typu Seidel wymaga powierzchni ok. 5 m2 na RLM.

Filtry pionowe aktualnie budowane są na różne sposoby także bez uzupełnia­jących filtrów poziomych. Także w filtrach pionowych fundamentalne znaczenie ma skład substratu wypełniającego złoże, w trakcie rozkładu różnych substancji tworzą się strefy spiętrzeń. W następstwie powstają poziome kierunki przepływu i strefy beztlenowe, które umożliwiają równoczesną nitryfikację i denitryfikację.

Jak wynika z 8- letnich badań różnych systemów oczyszczalni glebowo korze­niowych prowadzonych przez Federalny Urząd środowiska (Umweltbundesamt b1994, 1999) najwyższą wydajność posiadają pulsacyjnie zaopatrywane, wypeł­nione luźnym substratem, filtry wertykalne, które przy zapotrzebowaniu ok 3-4 m2 /RM osiągają redukcję 8ZT5 w zakresie 95- 99% oraz znaczne redukcje tzw. biogenów, -np.osiągnąć mogą przeszło 95% redukcji fosforanów.

Stosowanie złóż lużnych wymagane jest normami branżowymi (np.A TV H262 czy austrijacką ONORM 82505 )

Lokalizacja

Zaleca się stanowiska nasłonecznione, osłonięte przed wiatrem, gdzie panują nieco wyższe temperatury i rośliny mogą lepiej rosnąć. Oczyszczalnia musi być odpowiednio wypoziomowana, tak aby w okresach wysokiego przepywu wody w odbiorniku oczyszczalni nie dochodziło w oczyszczalni do podpiętrzeniaczy nie­równomiernego przepływu. Aby uniknąć przenikania ścieków do gruntu i wód gruntowych należy uszczelnić dno zbiornika. Wystarczająca ochronę stanowi gleba o współczynniku przepuszczalności (wartość Kf) ś 1/10-8 m/s, charaktery­stycznym dla gliny. Jeżeli nie dysponujemy glebą nieprzepuszczalną, należy za­pewnić szczelność stosując np.gliną czy folię z tworzywa sztucznego.

Wierzch złoza pokryty zostaje warstwą chroniącą przed zapachami oraz mrozem (keramzyt, koks itp) , zimą pozostawiona zostaje na złożu skoszona trzcina. A w miejscach szczególnie narażonych na silne mrozy można rozpiąć dodatkowo folie.

Strefa odpływu znajduje się pod ziemią, wykonana jest z rur drenażowych otoczonych podobnie jak dopływ materiałen o odpowiednich granulacjach. Stosuje się co najmniej trzy warstwy ze zróżnicowanego pod względem ziarnistości kruszywa. Od­pływ uchodzi do studzienki odpływowej, która może służyć do kontroli jakości i wielkości przepływu (kontrola wzrokowa, pobór próbek).

Ogromne znaczenie ma także dobór roślin. Rośliny służą przede wszystkim do spulchniania i napowietrzania substratu. Powstaje w ten sposób luźna war­stwa, która zapewnia optymalną wymianę gazową i optymalne warunki do życia mikroorganizmów. Rozkładu substancji odżywczych dokonują mikroorganizmy, mineralizując składniki organiczne ścieków. Do obsadzeń filtrów glebowych na­dają się szczególnie Trzcina (Phragmites australis) czasami w szczególnych wy­padkach stosować można Oczeret (Schoenoplectus sp.)Turzyce (Carex sp.)lrys wodny (Iris pseudacorus)

Aby wspierać przerastanie korzeniami całego substratu w pierwszych latach działania oczyszczalni, należy zapewnić regulację odpływu w studzience przy pomocy ruchomej rury kolankowej, co umożliwi regulowanie poziomu wody w złożu. W trakcie wzrostu roślin należy systematycznie obniżać poziom wody w złożu, aby korzenie roślin podążając za wodą przerosły dostatecznie głęboko substrat. Na kilka tygodni można także spiętrzyć wodę do maksymalnego pozio­mu w zbiorniku oczyszczalni, aby uniemożliwić rozwój konkurujących roślin.

Oczyszczalnie takie mogą działać w połączeniu z każdym systemem rozsączko­wania, ale najsensowniej było by wykorzystywać odzyskaną wodę do celów go­spodarczych (np. zasilanie spłuczek, podlewanie) lub zasilić nimi zbiorniki wodne np.stawy.