Roślinne
oczyszczalnie ścieków
Opracowanie: Anna
Kwarciak*
W ostatnich latach jako alternatywa
dla małych "technicznych" oczyszczalni ścieków, szczególnie dla jednego
lub grupy budynków, pojawiły się oczyszczalnie ścieków z udziałem roślin.
Technologia oczyszczalni ścieków przy użyciu roślin jest stosunkowo młoda.
Pierwsza tego typu oczyszczalnia powstała w latach pięćdziesiątych w Izraelu,
a w Europie pierwsze prace badawcze zostały podjęte równolegle przez Kathe
Seidel z Instytutu Limnologii Maxa Planka w Plon oraz R. Kickutha z Instytutu
Gleboznawstwa Uniwersytetu w Getyndze w latach sześćdziesiątych.
Zaczęto również wykorzystywać
funkcje jakie pełnią zadrzewienia w oczyszczaniu gleb ze związków mineralnych.
Spowalniając spływ powierzchniowy zmniejszają migrację rozpuszczonych w
wodzie składników mineralnych. Efektywnie oczyszczają przesączającą się
przez korzenie wodę z zawartych w niej składników pokarmowych. Badania
PAN prowadzone w Turwii udowodniły, że w wodzie przesączającej się pod
zadrzewieniem o powierzchni ok. 0,6 ha i zróżnicowanym składzie gatunkowym
nastąpiło ponad 26-krotne zmniejszenie koncentracji azotanów. Okazało się,
że najbardziej efektywnie migrację pierwiastków i zanieczyszczeń ograniczają
drzewa i krzewy z rodziny wierzbowatych, wierzby i topole.
Topole pobierają azot z
wody glebowej, kumulują go następnie w postaci białkowej w drewnie i liściach.
Wartość biomasy rekompensuje straty spowodowane wyłączeniem fragmentu gruntu
spod uprawy rolnej. Jednak ze względu na ich rozmiary nie są popularne
w oczyszczalniach biologicznych.
Wierzby, posiadające duże
zdolności absorpcyjne składników mineralnych z podłoża, są bardzo często
stosowane jako filtry biologiczne, usuwające zanieczyszczenia z wody, gleby
i osadów pościekowych (biologiczne oczyszczalnie ścieków). Nadbrzeżne zadrzewienia
wierzbowe (choć nie tylko) przyspieszają naturalne procesy samooczyszczania
się wody (nawet o 40%). Powodem takiego działania drzew może być mechanizm
przyspieszania przez roślinność drzewiastą nasycenia wody tlenem oraz pobierania
związków z dna cieku lub zbiornika.
W Polsce pierwsze prace
rozpoczęto w latach osiemdziesiątych i wtedy też wybudowano pierwsze obiekty.
Roślinne oczyszczalnie ścieków można ogólnie określić jako urządzenia,
w których oczyszczanie ścieków zachodzi przy udziale roślin. Synonimami
sformułowania oczyszczalnie roślinne są takie określenia jak "oczyszczalnie
hydrobotaniczne", "oczyszczalnie bagienne", "oczyszczalnie korzeniowe",
czy bliżej określające stosowaną technologię nazwy tj. "pola trzcinowe",
"oczyszczalnie korzeniowe", "oczyszczalnie gruntowo-roślinne" itp.
Rys. 1. Oczyszczalnia trzcinowa
ze zbiornikiem gnilnym i drenażem rozsączającym (dla powiększenia kliknij
tu).
Ogólnie oczyszczalnie roślinne
można podzielić na:
-
systemy z powierzchniowym przepływem
ścieków,
-
systemy z podpowierzchniowym
przepływem ścieków,
-
systemy kombinowane.
Inny podział oczyszczalni roślinnych
można przeprowadzić biorąc pod uwagę rodzaj roślin zastosowanych do oczyszczania.
W tym wypadku oczyszczalnie możemy podzielić na:
-
oczyszczalnie z roślinnością
bagienną,
-
oczyszczalnie z roślinnością
wodną zakorzenioną,
-
oczyszczalnie z roślinnością
wodną pływającą,
-
oczyszczalnie wierzbowe.
Jeszcze innym kryterium podziału
może być kierunek przepływu ścieków, na podstawie którego oczyszczalnie
roślinne można podzielić na:
-
z przepływem poziomym,
-
z przepływem pionowym,
-
z przepływem mieszanym.
W Polsce szczególne zainteresowanie
towarzyszy oczyszczalnią z wykorzystaniem trzciny (Phragmites australis
syn. Phragmites komunalis). W zależności od zastosowanego wypełnienia
złoża oczyszczalnie trzcinowe można podzielić na:
-
z wypełnieniem żwirowym (metoda
Brixa),
-
z wypełnieniem gruntem rodzimym
z dodatkami (metoda Kickutha).
Glebowo-korzeniowa oczyszczalnia
ścieków systemem prof. Kickutha określana popularnie jako „oczyszczalni
trzcinowa”. Jest to oczyszczalnia III stopniowa. Podczyszczanie wstępne
ścieków zachodzi w 3-komorowym, betonowym osadniku gnilnym. Drugi stopień
oczyszczania to filtr glebowo-korzeniowy umieszczony w wyfoliowanym wykopie.
Wypełnienie złoża systemem prof. Kickutha to głównie: grunt rodzimy, torf,
słoma, kora, bentonit i opiłki żelaza. Złoże obsadzone jest trzciną. Odbiornikiem
ścieków jest usytuowany obok staw, który jednocześnie stanowi III stopień
oczyszczania.
Rys. 2. Typowa budowa poletek
do oczyszczania ścieków (dla powiększenia kliknij
tu).
Oczyszczanie ścieków w oczyszczalniach
trzcinowych jest wynikiem współdziałania procesów mechanicznych, chemicznych
i biologicznych zachodzących w środowisku gruntowo-wodnym. Trzcina posadzona
w tej oczyszczalni ma na celu:
-
transportowanie tlenu poprzez
źdźbła do kłączy i korzeni, a następnie do strefy gruntu wokół korzenia,
-
rozluźnienie struktury gruntu
poprzez przerastanie korzeniami, a tym samym zwiększenie współczynnika
filtracji,
-
biokatalityczne działanie korzeni
pozwalające na optymalny przyrost mikroorganizmów w strefie gruntowo-wodnej,
-
pobieranie przez roślinę substancji
pokarmowych i wbudowywanie ich w swoje komórki.
W wyniku transportu tlenu poprzez pędy do korzeni, wokół korzeni powstaje
strefa tlenowa, w której wyniku oddziaływania bakterii tlenowych zostają
utlenione związki węgla oraz zachodzi proces nitryfikacji azotu amonowego.
Poza strefą tlenową, istniejącą w bezpośrednim sąsiedztwie, istnieje strefa
beztlenowa, w której zachodzi proces defosfatacji i denitryfikacji. Taki
efekt mozaikowy stref tlenowej i beztlenowej zwany "efektem rezosferycznym"
powoduje znaczne zwiększenie ilości mikroorganizmów w glebie (od 10-100
miliardów mikroorganizmów na 1 gram gleby) niż w przypadku terenów nie
porośniętych roślinami. Ilości te są porównywalne z ilością mikroorganizmów
w metodach technicznych.
Na przykład: firma Transformer
Dansk Roodzone Teknik, która ma na swojej liście referencyjnej ponad dwieście
obiektów oczyszczalni trzcinowych socjalno-bytowych oraz przemysłowych
o przepustowości od 1 m3/d do 1000 m3/d, proponuje
oczyszczalnie o przepływie poziomym wypełnione gruntem rodzimym (jak w
metodzie Kickutha) z dodatkami, które są tajemnicą firmy.
W Polsce firma Dansk Roodzone
Teknik ma cztery obiekty zrealizowane oraz cztery będące w realizacji.
Największym obiektem zrealizowanym wg technologii tej firmy jest oczyszczalnia
ścieków w Inwałdzie, a najstarszą pracującą oczyszczalnią jest oczyszczalnia
dla Zespołu Szkół Rolniczych w Bujnach k/Piotrkowa (ponad czteroletnia).
Po dwóch latach pracy oczyszczalni
w Bujnach parametry ścieków na odpływie spełniają wymagania jakim powinny
odpowiadać ścieki oczyszczone odprowadzane do wód powierzchniowych lub
gruntu.
Efekty oczyszczania wahają
się w granicach:
BZT5
85 - 97%
ChZT
72 - 93%
Zawiesina ogólna 82
- 99% |
Azot ogólny
56 - 83%
Azot amonowy
62 - 88%
Fosfor całkowity
56 - 82% |
W okresie zimowym nie zaobserwowano
zamarzania pól trzcinowych, a efekt oczyszczania był ok. 12-18% niższy
niż w sezonie wegetacyjnym.
Cechy oczyszczalni trzcinowej:
-
W oczyszczalniach trzcinowych
osiągane są wysokie efekty oczyszczania zarówno w zakresie zawiesiny, jak
i BZT oraz związków biogennych. Efektywność oczyszczalni w okresie zimowym
obniża się o ok. 10-20%.
-
Dla prawidłowej pracy oczyszczalnie
trzcinowe wymagają skutecznych urządzeń do mechanicznego oczyszczania ścieków.
-
Niezbędny okres dla wpracowania
się oczyszczalni trzcinowych ścieków i ustabilizowania się odpływu wynosi
2-3 lat.
-
Stwierdzono, że w oczyszczalniach
trzcinowych zachodzi wysokoefektywne usuwanie ze ścieków metali ciężkich,
które kumulują się w złożu gruntowym.
-
W otoczeniu oczyszczalni trzcinowych
nie występują nieprzyjemne odory, chyba że z nieprawidłowo eksploatowanych
urządzeń mechanicznych.
-
Stwierdzono w praktyce znaczne
różnice pomiędzy ilością ścieków dopływających, a odpływających wynikającej
z różnicy pomiędzy parowaniem a ilością opadów. W małych oczyszczalniach
może dojść w okresach letnich do braków wypływu.
-
W fazie eksploatacji oczyszczalnia
powinna być pod stałym dozorem technologicznym.
Oczyszczalnia typu osadnik
gnilny z drenażem rozsączającym firmy NEVEXPOL. Jest to osadnik jednokomorowy
wykonany z tworzywa sztucznego o pojemności 2 m3 wyposażony
w filtr. Drugi stopień oczyszczania spełnia drenaż rozsączający, wykonany
z rur PCV, ułożonych w wykopie na kamiennym tłuczniu o granulacji 20-60
mm. Odbiornikiem oczyszczonych ścieków jest grunt właściciela działki.
Rys. 3. Oczyszczalnia
ze zbiornikiem gnilnym i drenażem rozsączającym
Oczyszczalnia hydrobotaniczna
ze złożem o przepływie poziomym z nasadzeniem wierzby. Obiegowa nazwa tej
oczyszczalni funkcjonuje jako „oczyszczalnia wierzbowa”. Wstępne podczyszczanie
ścieków odbywa się w dwukomorowym osadniku gnilnym. Filtr gruntowo - roślinny
o pojemności 180 m3 stanowiący II stopień oczyszczania wykonany
jest jako niecka. Dno i skarpy tej niecki wykłada się folią z tworzywa
sztucznego Wypełnienie stanowi rodzimy grunt przepuszczalny. Filtr obsadza
się wierzbą
Salix viminalis. Odbiornikiem oczyszczonych ścieków
jest staw usytuowany w obrębie gospodarstwa lub inny zbiornik wodny znajdujący
się w okolicy, który jednocześnie spełnia rolę III stopnia oczyszczania.
Rys. 4. Oczyszczalnia wierzbowa
Przy projektowaniu oczyszczalni
biologicznych można również wykorzystać naturalne spadki terenu. Na nich
buduje się tzn. oczyszczalnie kaskadowe. W tym rozwiązaniu ścieki po 3-komorowym
osadniku gnilnym spływają do dwóch filtrów – poletek, gruntowo-roślinnych
usytuowanych względem siebie w sposób kaskadowy. Wypełnienie obu poletek
stanowi pospółka. Górne obsadzono trzciną, natomiast dolne oczeretem. Stąd
ścieki kierowane są do niewielkiego stawu (300 m2) w celu ostatecznego
doczyszczenia. Posiada cztery stopnie oczyszczania.
Rys. 5. Oczyszczalnia kaskadowa
Przedstawione powyżej oczyszczalnie
biologiczne są tylko przykładem, ponieważ tego typu oczyszczalnie buduje
się w zależności od właściwości fizycznych i ukształtowania terenu jak
i rodzaju i charakteru ścieków, które maja zostać oczyszczone.
Największą
popularnością cieszy się oczyszczalnia typu osadnik gnilny z drenażem rozsączającym
ścieki do gruntu. Wielu inwestorow interesuje się oczyszczalniami hydrobotanicznymi,
ale są one zrealizowane rzadko zarówno w Polsce jak w innych krajach takich
jak: Francja. Szwecja, Kanada, Niemcy. Głównym powodem dla którego zdecydowana
większość potencjalnych inwestorów oczyszczalni przydomowej decyduje się
na osadnik gnilny z drenażem rozsączającym jest cena. Jest to rozwiązanie
zdecydowanie najtańsze wśród wszystkich pozostałych oferowanych na rynku.
Istotnym jest również fakt, że oczyszczone ścieki są rozsączane do gruntu.
Odpada więc problem odbiornika oczyszczonych ścieków, którego najczęściej
w pobliżu zagrody nie ma. A jeżeli nawet w pobliżu znajduje się staw lub
jezioro czy jakikolwiek inny ciek wodny, to zrzut oczyszczonych ścieków
do takiego odbiornika wymaga dodatkowych, dość kłopotliwych dla rolnika
zabiegów administracyjnych, a mianowicie uzyskania pozwolenia wodno-prawnego.
Osadnik gnilny z drenażem rozsączającym jest oczyszczalnią prostą w budowie,
praktycznie można ją samemu zainstalować, a przede wszystkim bardzo łatwą
i niekłopotliwą w eksploatacji. Ale rozwiązanie to posiada również wady,
z których do najuciążliwszych należy zaliczyć spełnienie wymaganych warunków
gruntowo-wodnych. Maksymalny poziom występowania wody gruntowej nie może
być wyższy aniżeli 1,5 m od poziomu terenu. Wymagana jest również odpowiednia
wodoprzepuszczalność gruntu. Przy niesprzyjających warunkach również można
zainstalować oczyszczalnię składającą się z osadnika gnilnego i drenażu
rozsączającego. Niestety wiążę się to z dużymi kosztami dodatkowymi.
Zainteresowanie przydomowymi
oczyszczalniami ścieków systematycznie wzrasta.
Oczyszczalnie biologiczne
z wykorzystaniem rzęsy wodnej (Lemna
minor)
Rzęsa
wodna jest kolejną rośliną, która zyskuje coraz większą popularność w oczyszczaniu
ścieków biologicznych. Należy do jednych z nowszych metod oczyszczania
biologicznego, dlatego jeszcze nie ma zbyt wiele dostępnych informacji
na jej temat.
Lemna Minor jest gatunkiem,
który unika bardzo czystych wód o niskiej koncentracji biofilnej, natomiast
lubi wody bardzo żyzne. Jest rośliną dobrą do hodowli, gdyż w optymalnych
warunkach bardzo szybko namnaża się pobierając składniki pokarmowe z wody
jak również z powietrza. Z drugiej strony jest to gatunek wymagający, ‘pracuje’
tylko przy odpowiedniej temperaturze i nasłonecznieniu. Oczyszczalnie
tego typu uzależnione są od warunków klimatycznych, pracują tylko w
sezonie letnim przez kilka miesięcy. Nie można ich wykorzystywać przez
cały rok.
Ich zaletą jest to, że rzęsa
występuje od bardzo kwaśnych do bardzo zasadowych środowisk (zakres pH
3,5 – 10,4) oraz maja bardzo duży zakres tolerancji na pierwiastki (m.in.
wapń, magnez, sód, potas, fosfor, wodorowęglany, chlor, siarkę).
Schemat procesów biologicznych zachodzących w oczyszczalni wykorzystującej rzęsę wodną.
Na podst. M.D. Smith and Moelyowati, I. "Duckweed based wastewater treatment (DWWT): design guidelines for hot climates." Water Sci. & Tech. 43 (11) (2001) : 291-299
Oczyszczanie rzęsowe wymaga,
aby ścieki przeszły przez osadnik wstępny, a następnie wpuszczane są do
napowietrzanego stawu o głębokości 3 m. Staw ten zaopatrywany jest w bariery
pływające, aby uniemożliwić zdmuchiwanie rzęsy z wody przez wiatr. Rzęsa
powinna pokryć całą powierzchnię wody, aby zapobiec namnażaniu się fitoplanktonu
poniżej lustra wody. Poza tym, trzeba co jakiś czas wybierać cześć rzęsy,
aby powstający kożuch z przyrastającej rzęsy nie zrobił się za gruby i
aby dolna jego część, do której nie dociera światło słońca, nie obumierała
wydzielając do wody dodatkowy ładunek związków organicznych.
Oczyszczalnie biologiczne
wykorzystujące rzęsę wodną są mało efektywne w klimacie jaki panuje w Polsce,
ponieważ mamy za krótki okres wegetacji. Co więcej, podatna jest na wiele
czynników, które w klimacie umiarkowanym są bardzo zmienne.
Literatura:
1. Kontenerowe i przydomowe
oczyszczalnie ścieków oraz stacje uzdatniania wody, Materiały z VIII Ogólnopolskiej
Konferencji Naukowo-Technicznej z cyklu „Problemy gospodarki wodno-ściekowej
w regionach rolniczo-przemysłowych”; Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko,
1996.
2. www.przysiek.pl/~agrobiznes/mechanizacja/oczyszczalnia.htm
3. www.otzo.most.org.pl/publikacje/hydro/fidrysiak.htm
4. www.bn.most.org.pl/czystetech/korzenie.html
5. http://www8.chatham.k12.nc.us/project/wetlands/documents/house_article.pdf
6. http://www.environmental-center.com/articles/article670/article670.htm
7. http://www.oieau.fr/ciedd/contributions/at3/contribution/ramos.htm
8. http://www.geocities.com/RainForest/Canopy/3631/
9. http://lbewww.epfl.ch/COST837/larnaca2001/session1.pdf
10. http://www.hyd.uu.se/swm/Remediation_of_Rynaszewski.htm
Zainteresowanym gorąco polecam
stronę: http://star.wckp.lodz.pl/leonardo/budown/matuszew-en/4b.htm
___________________
Anna
Kwarciak - studentka IV roku Międzywydzialowych Studiów Ochrony Środowiska
U.W. w roku akad. 2002 / 2003
|