PIERWSZA FALA SPŁYWU ZANIECZYSZCZEŃ IDENTYFIKACJA ZJAWISKA NA PRZYKŁADZIE GOŚ W ŁODZI

Transkrypt

1 kanalizacja, przelew burzowy, pierwsza fala spływu zanieczyszczeń, sondy on-line, bilansowanie ładunków zanieczyszczeń Dawid BANDZIERZ * PIERWSZA FALA SPŁYWU ZANIECZYSZCZEŃ IDENTYFIKACJA ZJAWISKA NA PRZYKŁADZIE GOŚ W ŁODZI Zjawisko tzw. pierwszej fali spływu zanieczyszczeń jest do tej pory nie do końca poznane. Może być rozpatrywane wielokryterialnie ze względu na zmienność jakościową, w tym mikrobiologiczną lub niezależnie od zanieczyszczeń hydromechaniczną. Jako pierwszą falę spływu zanieczyszczeń rozumie się spływ silnie zanieczyszczonej niewielkiej objętości ścieków wniesionych do kanalizacji krótko po wystąpieniu opadu. W artykule pokazano możliwości identyfikacji pierwszej fali spływu zanieczyszczeń dopływających do Grupowej Oczyszczalni Ścieków Łódzkiej Aglomeracji Miejskiej na podstawie wskaźników takich jak: ChZT, zawiesiny ogólne i mineralne, azot amonowy. Jednocześnie wskazano trudności w identyfikacji pierwszej fali ze względu na efekt nakładanie się na siebie zjawisk pochodzących z różnych zlewni, co powoduje niekiedy brak możliwości jednoznacznego wyróżnienia pierwszej fali spływu zanieczyszczeń. W artykule przedstawiono możliwości opomiarowania przelewów burzowych z wykorzystaniem sond on-line w celu monitoringu ich pracy oraz bilansowania ładunków zanieczyszczeń wnoszonych do odbiornika. Dokładne poznanie zjawiska pierwszej fali spływu zanieczyszczeń oraz wykonanie bilansu ładunku zanieczyszczeń powinno umożliwić wykorzystanie zebranych danych do modelowania opisywanego zjawiska. 1. WSTĘP Omawiane zjawisko dotyczy zwłaszcza działania przelewów burzowych. Przelewy burzowe odprowadzają do odbiorników ścieki ze stosunkowo niewielkich powierzchni zlewni miejskiej o dużym stopniu uszczelnienia. W przypadku Łodzi chodzi też o odbiorniki o niewielkim strumieniu przepływu. Istotnym jest poznanie wpływu ładunku zanieczyszczeń oraz mikroorganizmów wypłukiwanych z sieci kanalizacyjnej na badany odbiornik. Należy zauważyć, że występowanie oraz wielkość ładunku * Politechnika Łódzka, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska, Al. Politechniki 6, Łódź.

2 58 D. BANDZIERZ pierwszej fali zanieczyszczeń jest skorelowane z długością trwania opadu i jego natężeniem. Występowanie pierwszej fali spływu zanieczyszczeń jest zależne ponadto od okresu tzw. suchej pogody przed zjawiskiem, wielkości powierzchni uszczelnionej i sposobu jej zagospodarowania [1, 2, 3, 4]. Pierwsza fala spływu zanieczyszczeń może być definiowana na różne sposoby. Definicją często stosowaną jest określanie stosunku procentowego objętości do ładunku. Za definicję klasyczną przyjmuje się stosunek 30 : 80, który należy interpretować, że w 30 % początkowej objętości spływu transportowane jest 80 % ładunku zanieczyszczeń [5]. Graficzną ilustracją definicji jest wykres na rysunku 1. Literami A, B, C, oznaczono przykładowe krzywe, które obrazują omawiane zjawisko. Rys. 1. Całkowity ładunek zanieczyszczeń w całkowitej objętości spływu Pierwsza fala spływu zanieczyszczeń odnosi się nie tylko do ładunków zanieczyszczeń odpowiadających podstawowym wskaźnikom zanieczyszczeń, istnieją również inne badania mówiące o emisji mikroorganizmów do odbiorników np. bakterii E. Coli [6]. W referacie pokazano wybrane przebiegi pierwszej fali zanieczyszczeń dla Grupowej Oczyszczalni Ścieków w Łodzi. Wyniki uzyskano dzięki opracowaniu danych zebranych przy wykorzystaniu zestawu sond pomiarowych zainstalowanych w kanale dopływowym. 2. METODYKA POMIARU Badania zostały wykonane na dopływie ścieków do Grupowej Oczyszczalni Ścieków w Łodzi. W badaniach wykorzystano trzy skalibrowane sondy pomiarowe firmy

3 Pierwsza fala spływu zanieczyszczeń - identyfikacja zjawiska na przykładzie GOŚ w Łodzi 59 Hach-Lange. Do pomiaru adsorpcji UV wykorzystano sondę UVAS plus, azotu amonowego - czujnik amonowy NH 4 D sc, a zawiesiny ogólnej sondę SOLITAX. Poszczególne sondy różnią się techniką pomiaru SONDA UVAS PLUS Pomiar odbywa się przez określenie absorpcji UV przy długości fali pomiarowej 254 nm (wg Normy DIN C2). W wyniku tego otrzymuje się wartość spektralnego współczynnika absorpcji (SAK254). W przypadku ścieków wykazujących mętność pomiar powinien być uzupełniony o pomiar substancji stałych np. sondą SOLITAX. UVAS wykorzystuje wielostrumieniowy fotometr absorpcyjny z elektryczną kompensacją mętności CZUJNIK AMONOWY NH4D SC Czujnik NH 4 D sc jest wyposażony w jonowo selektywną elektrodę do pomiaru amonu NH + 4. Interferencje temperatury i potasu są kompensowane poprzez zastosowanie odpowiednio wbudowanych czujników. Elektrody jonowo selektywne zostały wyposażone w membranę, do której przylegają tylko specyficzne rodzaje jonów. W efekcie na powierzchni membrany pojawiają się jonowo specyficzne formy potencjału. W celu dokonania pomiaru różnicy potencjałów niezbędna jest elektroda referencyjna, na którą mierzona próbka nie ma wpływu SOLITAX Pomiar polega na kombinowanym procesie absorpcji i rozproszenia w podczerwieni, który to określa zmętnienie (pomiar wg DIN 27027). Proces ten przebiega przy pomiarze światła rozproszonego bocznie pod kątem 90 o przez cząstki wywołujące zmętnienie. 3. PRZYKŁADY ZJAWISKA PIERWSZEJ FALI SPŁYWU ZANIECZYSZCZEŃ DLA GRUPOWEJ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W ŁODZI Łódzka Grupowa Oczyszczalnia Ścieków jest oczyszczalnią zaprojektowaną na milion RLM. Przepustowość ciągu z pełnym usuwaniem substancji biogennych wynosi 215,3 tys. m 3 /d, natomiast części mechanicznej 450 tys. m 3 /d. Oczyszczalnia ścieków obsługuje zlewnię, która skanalizowana jest częściowo w systemie kanalizacji rozdzielczej, a częściowo ogólnospławnej. Na podstawie pomierzonych wskaźników

4 60 D. BANDZIERZ zanieczyszczeń pokazano i na przykładach omówiono zjawisko pierwszej fali spływu zanieczyszczeń. Rys. 2. Występowanie pierwszej fali zanieczyszczeń dla wskaźnika ChZT Rys. 3. Występowanie pierwszej fali zanieczyszczeń dla wskaźnika ChZT

5 Pierwsza fala spływu zanieczyszczeń - identyfikacja zjawiska na przykładzie GOŚ w Łodzi 61 Na przykładowych wykresach na rysunkach 2, 3 i 4 pokazano występowanie pierwszej fali spływu zanieczyszczeń dla opadów występujących w okresie letnim. Wyraźnie widać, że przebieg stężenia ChZT wyprzedza przebieg przepływu. Główny ładunek zanieczyszczeń prowadzony jest w pierwszej stosunkowo niewielkiej objętości ścieków deszczowych. Zarówno na rysunku 2 i 3 możemy zaobserwować, że deszcz występuje w dwóch falach i po pierwszym opadzie o dużym natężeniu następuje drugi o natężeniu mniejszym. Podobny przebieg ma krzywa zmiany stężenia ChZT dla drugiej fali opadów zaobserwować możemy również falę spływu zanieczyszczeń, jednak zdecydowanie mniejszą niż dla opadu pierwszego. Podobne korelacje można zaobserwować dla wskaźników takich jak azot amonowy, zawiesiny ogólne i mineralne. Rys. 4. Występowanie pierwszej fali zanieczyszczeń dla azotu amonowego Docelowym działaniem, po dokładnym poznaniu i przeanalizowaniu zjawiska pierwszej fali na dopływie do oczyszczalni ścieków, będzie badanie jednego z przelewów burzowych zlokalizowanych w Łodzi, z wykorzystaniem zestawu sond oraz pobieraka automatycznego. Celem tego działania będzie poznanie rzeczywistej pracy przelewu burzowego, w tym częstości działania w roku, objętości ścieków oraz ładunku zanieczyszczeń trafiających do odbiornika.

6 62 D. BANDZIERZ 4. RAMY PRAWNE W EUROPIE W różnych krajach stosuje się różne kryteria projektowania i eksploatacji przelewów burzowych. Przykładowo w Niemczech 90% ładunku zanieczyszczeń w czasie pogody deszczowej ma być kierowane na oczyszczalnię, a przy tym współczynnik początkowego rozcieńczenia nie może być mniejszy niż 7 [7]. Wymaga się, aby docelowo ilość zrzucanych zanieczyszczeń z kanalizacji ogólnospławnej była nie większa niż z kanalizacji rozdzielczej. Niemcy posiadają ponad zbiorników retencyjnych o pojemności czynnej ponad 12 km 3, które umożliwiają sprawne retencjonowanie ścieków w trakcie opadów nawalnych. W Portugalii, podobnie jak w Polsce, jako minimalny współczynnik rozcieńczenia ścieków przyjęto 3 (przy czym w Polsce - dla miast o RLM [9]). W Luksemburgu również posługiwano się minimalnym stopniem rozcieńczenia 3, jednak od pewnego czasu wykorzystuje się niemiecką normę ATV128 [7, 8]. W Wielkiej Brytanii opracowano odrębne przepisy, opublikowane w 1998 jako raport organizacji Foundation for Water Research, gdzie podano trzy metody doboru przepływu granicznego. W zależności od wielkości przelewu należy wykorzystać proste metody modelowania wpływu zrzutów z przelewów burzowych na jakość wód (np. dla zarybionych rzek), natomiast dla małych rozcieńczeń wymaga się przeprowadzenia pełnego modelowania transportu zanieczyszczeń w rzece i ich biodegradacji [7]. Jak wynika z powyższego, badania opisane w przedmiotowym artykule są konieczne, aby dokładnie poznać pracę, w tym częstość w roku działania przelewów burzowych. Polski ustawodawca nie uwzględnia ładunku zanieczyszczeń wnoszonego do odbiornika, a koncentruje się jedynie na współczynniku rozcieńczenia oraz liczbie działań przelewu w ciągu roku [9]. 5. WNIOSKI W wyniku monitoringu dopływu ścieków do oczyszczalni wykazano możliwość identyfikacji pierwszej fali spływu zanieczyszczeń. Zebrane dane pozwoliły uzyskać informacje na temat wpływu okresu suchej pogody oraz natężenia deszczu na zjawisko pierwszej fali spływu zanieczyszczeń. Zebrane informacje pozwalają na stworzenie bilansu ładunku zanieczyszczeń odprowadzanych do odbiornika. Wskazano na konieczność odprowadzenia ładunku zanieczyszczeń niesionego w pierwszej fali spływu do oczyszczalni ścieków w celu ochrony odbiornika.

7 Pierwsza fala spływu zanieczyszczeń - identyfikacja zjawiska na przykładzie GOŚ w Łodzi 63 Dalsze badania powinny umożliwić sformułowanie wniosków dotyczących modernizacji kolektora dopływowego, ze szczególnym uwzględnieniem potrzeby budowy zbiorników retencyjnych, które pozwoliłyby poddać retencji ścieki pierwszej fali. Stosowanie zbiorników retencyjnych na sieci umożliwi również ograniczenie częstości działania przelewu w roku. LITERATURA [1] LEE H., LAU SL., KAYHANIAN M., STENSTROM MK., Seasonal first flush phenomenon of urban stormwater discharges, Water Research, 2004, Vol. 38, No. 19, [2] DELETIC A., The first flush load of Urban surface runoff, Water Research, 1998, Vol. 32, No. 8, [3] GUPTA K., SAUL A., Specific relationships for the first flush load in combined sewer flows, Water Research, 1996a, Vol. 30, No. 5, [4] BERTRAND-KRAJEWSKI J., CHEBBO G., SAGET A., Distribution of pollutant mass vs volume in stormwater discharges and the first flush phenomenon, Water Resources, 1998, Vol. 32, No. 8, [5] ZAWILSKI M., BRZEZIŃSKA A., Występowanie zjawiska pierwszej fali w kanalizacji ogólnospławnej na przykładzie Łodzi, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2004, Vol. 12, [6] MCCARTHY D. T., A traditional first flush assessment of E. coli in urban stormwater runoff, 11 th International Conference on Urban Drainage, 2008, Edinburgh, Scotland, UK. [7] DĄBROWSKI W., Oddziaływanie sieci kanalizacyjnych na środowisko, Politechnika Krakowska, Kraków [8] DWA ATV-A128, Standards for the Dimensioning and Design of Stormwater Overflows in Combined Wastewater Sewers, [9] 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, Dz. U nr 137 poz. 984 z późn. zmianami. FIRST FLUSH - IDENTIFYING THE PHENOMENON ON THE EXAMPLE OF THE GROUP SEWAGE TREATMENT PLANT IN LODZ As the first flush means a small volume of highly contaminated waste water flowing into drains made shortly after the precipitation. The article demonstrates the possibility of identifying the first flush flowing into the group sewage treatment plant of group urban agglomeration on the basis of indicators such as COD, suspended solids (SS), volatile suspended solids (VSS) and ammonium nitrogen.