THE CHARACTERISTIC OF TREATED SEWAGE OUTFLOW FROM PLANT-SOIL TREATMENT PLANT AREA

Transkrypt

1 CHARAKTERYSTYKA ODPŁYWU ŚCIEKÓW OCZYSZCZONYCH ODPŁYWAJĄCYCH Z TERENU OCZYSZCZALNI ROŚLINNO-GLEBOWEJ THE CHARACTERISTIC OF TREATED SEWAGE OUTFLOW FROM PLANT-SOIL TREATMENT PLANT AREA Katarzyna Pawęska, Krzysztof Kuczewski Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Budownictwa i Infrastruktury, pl. Grunwaldzki Wrocław, katarzyna.paweska@up.wroc.pl, krzysztof.kuczewski@up.wroc.pl ABSTRACT This article presents results of research that was being conducted in the period of 10 years' work of a plant-soil treatment plant. The treatment plant works on basis of enclosing circulation of matter in soil environment. Thanks to a penetrable material and impenetrable layer under area of the treatment plant [SZCZUREK 1997] it was possible to build such treatment plant without huge interference in the environment. The area of the biological part of the treatment plant is divided into 4 segments (21 quarters). The quarters are planted with poplars and sawed with grass mix. The treatment plant is applicable to collect domestic sewage all the year. The research included analyses of mechanically pretreated sewage supplied to the area of the treatment plant as well as treated sewage outflowing form the area. The analyses included following indexes: BOD 5, COD Cr, total nitrogen total phosphorus. Whole period of plant-soil treatment operating can be divided on two periods which differ in irrigation regime and amount of concentration of pollutions in the outflow. During the first period, the area was being irrigated according to guidelines of constructors [KUCZEWKI, PALUCH 1997 ] - every 21 days. During the second period the regime was no longer kept which resulted in falling of outflow quality. Maximum acceptable values of pollutions indexes [ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA 2006] were exceeded for BOD 5, COD Cr, as well as for total nitrogen in second stage of operating. During the whole research period, concentrations of total phosphorus never exceeded maximum acceptable value. Keywords: outflow, pollutions indexes, plant-soil treatment plant. Wstęp Ścieki po ostatecznym oczyszczeniu odprowadzane są do odbiornika. Odbiornikiem tym mogą być wody powierzchniowe lub grunt. Najczęściej jednak odbiornikami ścieków są rzeki, strumienie, potoki jeziora itp. Wody powierzchniowe jako odbiorniki ścieków, zwłaszcza na terenach wiejskich mogą przyjmować ładunek zanieczyszczeń pochodzący nie tylko z odpływu z oczyszczalni, ale również zanieczyszczenia spływające z pól uprawnych. Dlatego też niezwykle ważne jest, aby oczyszczalnie ścieków budowane i eksploatowane na terenach wiejskich oczyszczały ścieki z wysoką skutecznością zwłaszcza dla biogenów. Niestety na terenach wiejskich, o zabudowie rozproszonej dopływ ścieków do oczyszczalni cechuje się dużą nierównomiernością. Na obiekty te trafiają również w znacznych ilościach ścieki pochodzące z tzw. dołów bezodpływowych [HEINDRICH 2008]. Często środki finansowe gminy przekraczają możliwości budowy konwencjonalnych systemów oczyszczających ścieki. Alternatywną metodą, z powodzeniem stosowaną na terenach bez centralnej kanalizacji są oczyszczalnie roślinno-glebowe. Rozwiązania te charakteryzują się niskimi kosztami budowy, eksploatacji oraz co istotne wysoką sprawnością pracy (Nowak, Kuczewski 2002, Pawęska, Kuczewski 2008). Ważną zaletą tych oczyszczalni jest również łatwość wkomponowania z otaczający krajobraz.

2 154 Celem pracy było przedstawienie dynamiki zmian stężeń wybranych wskaźników zanieczyszczeń w okresie ponad 10-cio letniej eksploatacji oczyszczalni, z uwzględnieniem dopuszczalnych wartości wskaźników zanieczyszczeń wprowadzanych do wód i do ziemi (Rozporządzenie Ministra Środowiska 2006). Metodyka Obiektem badawczym była oczyszczalnia ścieków typu roślinno-glebowego przeznaczona do oczyszczania ścieków bytowych pochodzących z osiedla wiejskiego. Ścieki generowane były przez około 350 mieszkańców i gromadzone w dwóch trzykomorowych osadnikach gnilnych o objętości czynnej 52 m3, a następnie przepompowywane do zbiornika dozującego (rys.1a) znajdującego się na terenie oczyszczalni. Dobowy wydatek oczyszczalni wynosi 110 m3. Ścieki po mechanicznym oczyszczeniu wprowadzane są na kwaterę (powierzchnia 0,11 ha). Jednorazowa dobowa dawka nawodnieniowa wynosi 97 mm. Część biologiczna oczyszczalni składa się z 21 kwater nawadnianych stałą dawką ścieków przez cały rok (rys.1b). Budowa geologiczna części biologicznej, nisko zalegające zwierciadło wody gruntowej oraz rodzaj gruntu: piaski średnie, piaski gliniaste spoczywające na stropie iłów (Szczurek 1996) pozwala na wprowadzanie ścieków na powierzchnię kwater. Powierzchnia kwater zamodelowana jest ze średnim spadkiem 10,5. Ścieki po wprowadzeniu na powierzchnię kwatery wsiąkają w nią, następnie na głębokości około 1,0 m ujmowane są ceramicznym systemem drenarskim o średnicy 5 cm i odprowadzane do odbiornika (rys.1d). Badany obiekt opiera się na zasadzie zamykania obiegu materii przez środowisko roślinne i glebowe. Na powierzchni oczyszczalni zastosowano nasadzenia topolowe jak również wykorzystano mieszankę traw z gatunkami między innymi: kostrzewa czerwona, wiechlina łąkowa, wyczyniec łąkowy. Nawadnianie kwater w założeniach projektowych powinno odbywać się codzienne ze stałą dawką z powtórzeniem nawadniania tej samej kwatery co 21 dni (Kuczewski, Paluch 1997). W początkowej fazie eksploatacji obiektu zauważono spadek zużycia wody przez mieszkańców (Nowak, Kuczewski 2002), co spowodowało konieczność dociążenia oczyszczalni ściekami dowożonymi taborem asenizacyjnym. Obecnie oczyszczalnia przyjmuje rocznie m3 ścieków (Pawęska, Kuczewski 2008). a) c) b) d) Rys. 1 Oczyszczalnia roślinno-glebowa w Brzeźnie a) zbiornik akumulacyjny, b) nawadniana kwatera, c) studzienka kontrolna, d) odbiornik ścieków

3 155 Oczyszczalnia roślinno-glebowa została objęta monitoringiem już od początkowego okresu eksploatacji (wpracowanie złoża) (Nowak, KuczewskI 2002). Analizie poddawano ścieki po mechanicznym oczyszczeniu (po osadnikach) pobierane ze zbiornika dozującego, wody gruntowe zalegające pod powierzchnią nawadnianą ściekami pobierane z piezometrów usytuowanych przed oraz na terenie oczyszczalni, oraz ścieki oczyszczone odpływające z terenu oczyszczalni pobierane ze studzienki kontrolnej nr 2 (rys.1c). W próbkach ścieków oraz wód gruntowych pobieranych z częstotliwością miesiąca w okresie badawczym X 1997 VII 2008 oznaczano następujące wskaźniki zanieczyszczeń: BZT 5 metodą respirometryczną przy użyciu OxiTop, ChZT Cr metodą spektrofotometryczną przy użyciu fotometru Photolab Specrtoflex 6600 firmy WTW, z wcześniejszą mineralizacją w termo reaktorze T-20 ECO, ph potencjometrycznie, bezpośrednio w analizowanej próbce, potencjometr CPC-501, azot ogólny metodą spektrofotometryczną, z wcześniejszą mineralizacją, fosfor ogólny metodą spektrofotometryczną z wcześniejszą mineralizacją. Podstawową charakterystykę statystyczną sporządzono wykorzystując program z pakietu StatSoft, Statistica PL. Dyskusja wyników Obiekt w Brzeźnie przyjmuje ścieki z części wsi wyposażonej w kanalizację (ścieki przepompowywane z osadników do zbiornika dozującego) jak również dowożone taborem asenizacyjnych. Skład ścieków surowych (po mechanicznym oczyszczeniu) doprowadzanych na powierzchnie kwater różni się znacznie od średniego składu ścieków bytowych [HEINDRICH 2008]. Wysokie stężenia obserwowano dla azotu ogólnego (ponad 150 mgn dm -3 ) jak również dla fosforu ogólnego (powyżej 15 mgp dm -3 ) (Nowak, Kuczewski 2002, Pawęska, Kuczewski 2008). Ze względu na wyższe stężenia związków biogennych w ściekach surowych w późniejszym okresie eksploatacji obserwowano wzrost tych wskaźników w ściekach oczyszczonych odprowadzanych z terenu oczyszczalni. Zasada pracy obiektu roślinno-glebowego polega na systematycznym nawadnianiu przystosowanej powierzchni ściekami mechanicznie oczyszczonymi. Czas nawadniania kolejnych kwater powinien być tak dobrany, żeby nastąpił okres przesuszenia i przewietrzenia złoża. Obiekt podzielony jest na 4 segmenty, z których dwa pierwsze eksploatowane są niezgodnie z wcześniej przyjętym reżimem nawodnień (Pawęska, Kuczewski 2008). Przeciążanie pierwszych kwater obiektu jak również punktowe zrzuty ścieków spowodowały pogorszenie jakości ścieków oczyszczonych odpływających z obiektu. Każdy z segmentów zakończony jest studzienką kontrolną. Ścieki oczyszczone pobierane do badań ze studzienki kontrolnej nr 2 były zatem mieszaniną ścieków oczyszczonych odpływających z całego obiektu. Obiekt, w którym procesy oczyszczania zachodzą w środowisku naturalnym wymaga starannej eksploatacji. W ciągu okresu badawczego wystąpiły miesiące bezodpływowe pomimo nawadniania ściekami (Pawęska, Kuczewski 2008). Związane to było z warunkami wodno-glebowymi panującymi na obiekcie. Z wieloletnich obserwacji obiektu zarysowują się dwie fazy pracy. Pierwsza, przejawiająca się wysoką skutecznością pracy a co się z tym wiąże niskimi stężeniami wskaźników zanieczyszczeń na odpływie, oraz druga, w której znacząco pogorszeniu uległa jakość odpływających ścieków. Długoletnia obserwacja obiektu jest zasadna ze względu na zagrożenie jakie może on stwarzać dla środowiska przy niewłaściwej eksploatacji. Przez cały okres wpracowania złoża wartość BZT 5 w odpływie nie przekraczała 10 mgo 2 dm -3 (rys.2a). Po roku 2003 obserwuje się pogorszenie jakości odpływu dla tego wskaźnika. W czerwcu 2003 r. zanotowano stężenie BZT 5 o wartości 26 mgo 2 dm -3. Kolejne ekstremum zaobserwowano w czerwcu 2004 roku o wartości 49 mgo 2 dm -3. Od 2003 roku coraz częściej w miesiącach letnich obserwowano okresy bez odpływu ścieków oczyszczonych. Wartość ChZT Cr w odpływie z nawadnianej kwatery wzrastała w kolejnych latach eksploatacji (tab.1). W roku 2008 praktycznie we wszystkich pobranych próbkach ścieków wystąpiło przekroczenie wartości dopuszczalnej (150 mgo 2 dm -3 ) określoną w Rozporządzeniu (Rozporządzenie Ministra Środowiska 2006). Wartość ph wykazywała najmniejszą tendencję zmian. Kształtowała się na średnim poziomie 6,9-7,4 (tab.1). W przypadku odprowadzania ścieków oczyszczonych do wód powierzchniowych istotne są stężenia biogenów w odcieku.

4 156 Mogą one wpływać jakość wód w odbiorniku, intensyfikować procesy eutrofizacji. Jest to niezwykle ważne, w przypadku gdy odbiornik leży na terenach użytkowanych rolniczo, gdzie oprócz odpływu z oczyszczalni do wód odbiornika mogą trafiać również spływy z pól. Azot ogólny w odpływie z obiektu roślinnoglebowego w pierwszym etapie eksploatacji utrzymywał się na niskim poziomie. Po roku 2003 obserwuje się znaczny wzrost stężenia tego wskaźnika. Wartości maksymalne 45,3 mgn dm -3 wystąpiły w grudniu 2004 r. oraz w grudniu 2005 r. Po 2003 roku zmiany stężeń azotu ogólnego charakteryzowały się dużą zmiennością. Szczególna uwagę zwrócić należy na zmiany stężeń fosforu ogólnego w odpływie. Przez cały okres badawczy nie przekraczały 2 mgp dm -3 (średnio 0,35 mgp dm -3 ) i były niższe od maksymalnej dopuszczalnej wartości fosforu ogólnego scharakteryzowanej w Rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie warunków jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi. Tabela 1. Średni skład ścieków oczyszczonych odprowadzanych z nawadnianej powierzchni oczyszczalni roślinno-glebowej w Brzeźnie w okresie badawczym ph Azot ogólny Rok obserwacji BZT 5 ChZT Cr Fosfor ogólny mgo 2 dm -3 mgo 2 dm -3 mgn dm -3 mgp dm ,87 14,67 6,9 4,43 0, ,96 22,42 7,1 5,36 0, ,31 25,67 6,9 7,38 0, ,28 31,20 7,2 9,25 0, ,83 29,11 7,4 3,48 0, ,81 23,36 7,1 4,60 0, ,00 23,31 7,2 4,43 0, ,57 58,79 7,2 27,89 0, ,96 116,29 7,1 34,83 0, ,67 125,33 7,3 28,10 0, bd bd bd bd bd 2008* 10,50 198,50 7,1 34,25 0,92 bd-brak danych *-obserwacje prowadzone do VII 2008

5 157 wartość dopuszczalna a) wartość dopuszczalna b) Rys. 2 Zmiany BZT 5 (a) oraz ChZT Cr (b) w ściekach oczyszczonych odpływających z oczyszczalni roślinno-glebowej w Brzeźnie w okresie badawczym X 1997-VII 2008

6 158 Podsumowanie Gospodarka wodno-ściekowa na terenach wiejskich, często bez wybudowanej centralnej kanalizacji, stwarza wiele problemów związanych z potrzebą utylizacji ścieków w miejscu ich powstania i bezpiecznego odprowadzenia do środowiska. Często jednostki osadnicze na terenach wiejskich bez centralnej kanalizacji wymagają rozwiązania problemu ścieków indywidualnie od mieszkańców. Niestety jest to przyczyną pogorszenia warunków eksploatacji przydomowych oczyszczalni ścieków, które stają się zagrożeniem dla środowiska. W chwili gdy gmina podejmie decyzje o budowie oczyszczalni ważna jest jej poprawna eksploatacja. Konwencjonalne technologie oczyszczania ścieków np. osad czynny, złoża biologiczne na terenach z wysoce nierównomiernym dopływem ścieków radzą sobie gorzej. Dlatego też alternatywnym sposobem utylizacji ścieków na terenach wiejskich powinny być oczyszczalnie wykorzystujące naturalne środowisko. Obiekty takie z powodzeniem pracują w krajach Unii takich jak: Wielka Brytania, Niemcy, Dania, Szwecja, Grecja, Czechy ale również w Indiach, Meksyku, Stanach Zjednoczonych. W większości są to obiekty roślinno-gruntowe wykorzystujące specjalnie przygotowaną mieszankę jako wypełnienie. W porównaniu z doświadczeniami przeprowadzonymi na obiektach w Grecji (obiekt doświadczalny), Turcji, Słowenii (obiekt doświadczalny), Irlandii, oczyszczalnia w Brzeźnie cechuje się najniższymi stężeniami fosforu ogólnego i BZT 5 w ściekach oczyszczonych odpływających z obiektu (tab.2). Możliwe jest to dzięki naturalnej budowie złoża zalegającego w miejscu budowy oczyszczalni. Jednakże podczas wieloletniej eksploatacji złoża obserwowano czynności mogące wpływać ujemnie na efektywność pracy obiektu. Były to miedzy innymi punktowe zrzuty ścieków nieoczyszczonych bezpośrednio na kwaterę lub na poletko przeznaczone do kompostowania biomasy lub wypalanie roślinności trawiastej porastającej powierzchnię oczyszczalni (Pawęska, Kuczewski 2008). Taka praktyka przyczynić się może nie tylko do pogorszenia jakości odpływu ale również może skutkować redukcją potencjału oczyszczającego złoża. Tabela 2. Średni skład ścieków oczyszczonych odpływających z obiektów roślinno-gruntowych oraz z oczyszczalni roślinno-glebowej w Brzeźnie. Wskaźnik zanieczyszczeń Złoża roślinno gruntowe Brzeźno [1] [2] [4] [3] [6] BZT 5, [mgo 2 dm -3 ] 38,8 bd 66,0 20,0-4,0 ChZT [mgo 2 dm -3 ] 61,0 354,8 122,0 48,6 25,6 60,8 Azot ogólny [mgn dm -3 ] 11,2-14,0-18,8 14,9 Fosfor ogólny [mgp dm -3 ] 1, ,2 0,35 Zawiesiny ogólne [mg dm -3 ] - 119,2-20,0 - - Wnioski Na podstawie wieloletnich obserwacji oraz badań laboratoryjnych sformułowano następujące wnioski: 1. Roślinno-glebowa oczyszczalnia ścieków może stanowić alternatywny sposób utylizacji ścieków na terenach wiejskich, bez centralnej kanalizacji. 2. Przy zapewnieniu właściwego reżimu nawodnień oraz poprawnej eksploatacji obiekt spełnia wymogi maksymalnych dopuszczalnych wskaźników zanieczyszczeń zawartych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska (Rozporządzenie Ministra Środowiska 2006). 3. Oczyszczalnia roślinno-glebowa w Brzeźnie przez cały okres badawczy charakteryzowała się niskimi stężeniami fosforu ogólnego 0,12-0,92 mgp md Uwidaczniający się wzrost wielkości wskaźnika zanieczyszczeń po 2003 r. niewątpliwie wynika z niewłaściwej eksploatacji obiektu. LITERATURA AKRATOS CH.S., TSIHRINTZIS V.A.: 2007; HRT, vegetation and porous media on removal efficiency of pilot-scale horizontal subsurface flow constructed wetlands, Ecological Engineering, vol.29, pp

7 159 AVSAR Y., I INNI: 2007; Rehabilitation by constructed wetlands of available wastewater treatment plant in Sakhin, Ecological Engiineering, vol. 29, pp BABATUNDE A.O., I INNI, 2008; Constructed wetland for environmental pollution control: A review of developments, research and practice in Ireland, Environmental International vol.34, pp BULC T.G., OJSTRSEK A.,2008; the use of constructed wetland for dye-rich textile wastewater treatment, Journal of Hazardous Materials, vol.155, pp HEINDRICH Z. I INNI, Sanitacja wsi, Wydaw. Seidel-Przywecki, Warszawa 2008 KERN J., IDLER CH., 1999; Treatment of domestic and agricultural wastewater by reed bed system, Ecological engineering, vol. 12, pp KUCZEWSKI K., PALUCH J.: Instrukcja obsługi oczyszczalni roślinno-glebowej w Brzeźnie na terenie gminy Prusice, Wrocław 1997 NOWAK I., KUCZEWSKI K.: Oczyszczanie ścieków bytowo-gospodarczych w oczyszczalni roślinno-glebowej, Zeszyty Naukowe, Akademia Rolnicza Wrocław nr 453, Monografie XXIX, 2002 PAWĘSKA K., KUCZEWSKI K.: Skuteczność oczyszczania ścieków bytowych w oczyszczalniach roślinno-glebowych o różnej eksploatacji, Monografie LX, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, 2008 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. Ustaw Nr 137, Poz. 984 SZCZUREK M.: Dokumentacja badań geologiczno-inżynierskich dla oceny stanu podłoża i tła hydrochemicznego gleboworoślinnej oczyszczalni ścieków, Wrocław 1996