ZMIANY WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNO-CHEMICZNYCH MATERIAŁU WYPEŁNIAJĄCEGO ZŁOśE GRUNTOWO-ROŚLINNEJ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW PO WIELOLETNIEJ EKSPLOATACJI

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 526: ZMIANY WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNO-CHEMICZNYCH MATERIAŁU WYPEŁNIAJĄCEGO ZŁOśE GRUNTOWO-ROŚLINNEJ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW PO WIELOLETNIEJ EKSPLOATACJI Krzysztof Jóźwiakowski 1, Sławomir Ligęza 2 1 Katedra Melioracji i Budownictwa Rolniczego, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie 2 Instytut Gleboznawstwa i Kształtowania Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Wstęp Zawartość poszczególnych pierwiastków i związków chemicznych w złoŝach gruntowo-roślinnych oczyszczalni ścieków, w duŝym stopniu jest uzaleŝniona od macierzystych właściwości podłoŝa oraz od rodzaju porastającej je roślinności. Oczyszczanie ścieków w tych systemach zachodzi dzięki wykorzystaniu procesów sorpcji zanieczyszczeń, chemicznych reakcji utleniająco-redukujących oraz biologicznej aktywności odpowiednio dobranych roślin wodnolubnych lub wodnych, zasiedlających ekosystemy bagienne [TIMOFEEVA, STOM 1988]. Oczyszczanie ścieków w systemach gruntowo-roślinnych moŝe się odbywać w warunkach naturalnych lub w sztucznie tworzonych złoŝach [OBARSKA-PEMPKOWIAK 2002], a mechanizmy usuwania zanieczyszczeń zaleŝą przede wszystkim od właściwości fizycznych materiału wypełniającego złoŝa, takich jak: uziarnienie, gęstość i przewodność materiału filtracyjnego oraz dostępność tlenu dla mikroorganizmów, jak równieŝ od składu chemicznego podłoŝa [HABERL i in. 1995]. Ścieki bytowe podczas oczyszczania w sztucznym środowisku gruntowo-roślinnym, podobnie jak i w środowisku naturalnym, powodują zmianę jego właściwości chemicznych oraz fizycznych [BOĆKO 1965; PALUCH 1984]. W złoŝach piaskowych następuje gromadzenie się substancji organicznej i składników pokarmowych [MAUSBAUCH, RICHARDSON 1994]. W wyniku tego wzrasta Ŝyzność materiału wypełniającego złoŝe, która z kolei bezpośrednio wpływa na rozwój i plonowanie roślin [CZYśYK 1994; TANNER 2000; JÓŹWIAKOWSKI 2005]. Zmiany właściwości chemicznych materiału wypełniającego złoŝa gruntowo-roślinnych oczyszczalni, zaleŝą przede wszystkim od dawek i składu chemicznego doprowadzanych ścieków oraz od długości czasu funkcjonowania danego systemu [GELLER 1997; SCHÖNBORN i in. 1997]. Obecnie niewiele jest wyników badań na temat zmian składu fizykochemicznego, materiału wypełniającego złoŝa gruntowo-roślinnych oczyszczalni ścieków, podczas ich wieloletniej eksploatacji. Celem pracy jest ocena zmian wybranych właściwości fizyczno-chemicznych materiału ziemnego wypełniającego złoŝe gruntowo-roślinnej oczyszczalni po 5 i 10 latach działania oraz określenie przydatności tego obiektu do dalszej eksploatacji.

2 328 K. Jóźwiakowski, S. Ligęza Materiał i metody badań Obiektem wybranym do badań jest przydomowa oczyszczalnia ścieków porośnięta wierzbą wiciową (Salix viminalis L.), działająca na zasadzie podpowierzchniowego, poziomego przepływu ścieków. Zlokalizowana jest w miejscowości Jastków w woj. lubelskim. Funkcjonuje od 1994 roku i jest przeznaczona do unieszkodliwiania ścieków bytowych, pochodzących z 11-osobowego gospodarstwa domowego. Oczyszczalnia składa się z dwukomorowego osadnika wstępnego oraz ze złoŝa gruntowo-roślinnego o powierzchni 186 m 2. Dno złoŝa jest odizolowane od podścielającej gleby geomembraną z PCV, a całkowita miąŝszość gruntu wypełniającego wynosi około 100 cm: 0-20 cm - nadkład próchniczny, cm - warstwa filtracyjna (piasek luźny). Próbki gruntu do badań pobierano w maju 1999 i 2004 roku z dwóch odkrywek A i B rozmieszczonych w przeciwległych krańcach złoŝa: A - w miejscu dopływu ścieków, B - w miejscu odpływu ścieków. W kaŝdej z odkrywek próbki pobierano z trzech, wyróŝnionych na podstawie barwy, warstw złoŝa: I - z nadkładu próchnicznego (utwór pyłowy, poziom próchniczny złoŝa), II - z suchej warstwy podpróchnicznej (piasek luźny o barwie jasnoŝółtej, zbliŝonej do pierwotnego materiału wypełniającego), III - z warstwy filtracyjnej nasyconej ściekami (piasek luźny o barwie szarej). Zmiany parametrów fizykochemicznych materiału wypełniającego analizowano w obrębie wyróŝnionych warstw. W pobranych próbkach badano skład granulometryczny, gęstość, porowatość i przepuszczalność wodną oraz niektóre właściwości chemiczne (N, P 2 O 5, P, K, Fe). Analizę uziarnienia wykonano metodą areometryczną według Casagrande w modyfikacji Prószyńskiego; zawartość frakcji piasku - oznaczano metodą sitową. Grupy granulometryczne gruntu wypełniającego złoŝe określono zgodnie z podziałem PTG. Przepuszczalność wodną oznaczono przepuszczalnościomierzem z otwartym systemem obiegu wody, w cylinderkach o pojemności 100 cm 3, a gęstość gruntu wagowo, po wysuszeniu w 105 C cylindrów zawierających materiał z zachowaną strukturą. Analizy właściwości chemicznych gruntu wykonywane były według OSTROWSKIEJ i in. [1991] po wcześniejszym przesianiu materiału ze złoŝa przez sito o średnicy oczek 1 mm. W próbkach oznaczano: ph w KCl, azot ogólny metodą Kjeldahla, fosfor przyswajalny i potas przyswajalny według metody Egnera-Rhiema oraz Ŝelazo po ekstrakcji w 1 M HCl metodą AAS (stosunek gleba-kwas 1 : 10). Na podstawie otrzymanych wyników badań, wykonano analizę wariancji dla klasyfikacji potrójnej (model stały ortogonalny), z wyznaczeniem wartości NIR dla par średnich oraz przedziałów ufności dla średnich wyliczono wg testu Tukeya. Właściwości fizyczne materiału ze złoŝa Skład granulometryczny Wyniki badań i dyskusja Uziarnienie gruntu jest cechą trwałą i moŝe zmieniać się w niewielkim tylko stopniu. Koloidy mineralne uwalniane in situ w procesach wietrzenia stałej fazy złoŝa oraz koloidy organiczne pochodzące z tkanek roślin porastających złoŝe, a takŝe z dopływających ścieków, mają znaczenie marginalne. Skład granulometryczny poszczególnych warstw złoŝa badanej oczyszczalni odzwierciedla więc pierwotny układ zastosowanych wypełnień. Powierzchniową warstwę złoŝa gruntowego stanowi pył zwykły (nadkład próchniczny) o miąŝszości 20 cm w miejscu dopływu ścieków i 15 cm na ich odpływie. PoniŜej poziomu pyłowego zalega warstwa piasku luźnego

3 ZMIANY WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNO-CHEMICZNYCH (średnioziarnistego), której grubość wynosi około 0,8 m (tab. 1). Tabela 1; Table 1 Procentowa zawartość frakcji granulometrycznych w materiale wypełniającym złoŝe Texture of the ground from the bed Odkrywka Profile A wlot na złoŝe inflow to the bed B wylot ze złoŝa outflow from the bed Warstwa Layer I (0-20 cm) II (20-45 cm) III ( cm) I (0-15 cm) II (15-30 cm) III (30- cm) Części szkieletowe Coarse fraction > 1 mm (%) Procentowy udział części ziemistych Percent of particles (%) piasek sand in diameter of mm pył dust in diameter of 0,1-0,02 mm cz. spławialne floating particles in diameter of < 0.02 mm Nazwa utworu Texture pył zwykły silt piasek luźny loose sand piasek luźny loose sand pył zwykły silt piasek luźny loose sand piasek luźny loose sand W ciągu pięciu lat eksploatacji obiektu (od 1999 do 2004 r.) zaobserwowano wzrost miąŝszości nadkładu próchnicznego z 10 do 20 cm. Jest to spowodowane gromadzeniem się materii organicznej z liści opadających z wierzby, a takŝe wnoszeniem produktów ich rozpadu w głąb złoŝa przez infiltrującą wodę. Ponadto, stwierdzono przeciętny wzrost miąŝszości warstwy filtracyjnej (III) przy wlocie na złoŝe z 30 do 55 cm, czego przyczyną jest prawdopodobnie kolmatacja złoŝa. Gęstość gruntu i porowatość ogólna Gęstość złoŝa i porowatość ogólna nie róŝniły się w obu odkrywkach (A i B) oraz obu wyróŝnionych warstwach podpróchnicznych (II i III). Gęstość w warstwie filtracyjnej jest większa niŝ w warstwie próchnicznej i wynosi odpowiednio 1,67 g cm -3 (piasek luźny) i 1,13 g cm -3 (nadkład próchniczny). Z kolei porowatość ogólna piasku z warstwy filtracyjnej (31,8%) jest mniejsza od porowatości nadkładu próchnicznego (55,2%). Obie cechy wykazują więc typowe prawidłowości. Porowatość ma bezpośredni wpływ na czas retencji ścieków w złoŝu. Mniejsza gęstość gruntu oraz wyŝsza porowatość ogólna powierzchniowej (próchnicznej) warstwy złoŝa, podobnie jak w naturalnym środowisku glebowym, jest spowodowana większą jej zasobnością w materię organiczną, która charakteryzuje się mniejszym cięŝarem właściwym niŝ elementy mineralne, a takŝe posiada właściwości strukturotwórcze.

4 330 K. Jóźwiakowski, S. Ligęza Przepuszczalność podłoŝa w warstwie filtracyjnej, określona za pomocą współczynnika filtracji, jest dosyć dobra i wynosi 14,04 m dobę -1. ŁOMOTOWSKI [1996] podaje, Ŝe dla gruntów o współczynniku filtracji większym niŝ 30 m dobę -1, czas przebywania ścieków w strefie aeracji jest zbyt krótki, aby moŝliwe było pełne biologiczne oczyszczanie ścieków w gruncie. Dlatego, w złoŝach wypełnionych gruntem o duŝym współczynniku filtracji, efekty usuwania zanieczyszczeń mogą być mniejsze. Powierzchniowa warstwa badanego złoŝa charakteryzuje się słabszą przepuszczalnością - wartość współczynnika filtracji wynosi 5,64 m dobę -1. Właściwości chemiczne materiału ze złoŝa Odczyn Grunt wypełniający złoŝe cechuje się odczynem obojętnym, a jego ph zawiera się w przedziale od 6,5 do 7,2. Nie stwierdzono zasadniczych róŝnic w odczynie poszczególnych poziomów, wszystkie wartości są do siebie zbliŝone. Nie zaobserwowano równieŝ zmian odczynu ścieków odpływających z oczyszczalni po 5 i 10 roku eksploatacji obiektu (tab. 2). Odkrywka Profile A wlot na złoŝe inflow B wylot ze złoŝa outflow Wybrane właściwości chemiczne materiału ze złoŝa w latach 1999 i 2004 r. Chemical properties of the ground from the bed in the years 1999 and 2004 Warstwa Layer phkcl N og. mg N kg -1 P mg P 2O 5 kg -1 K mg K kg -1 Tabela 2; Table 2 Fe mg Fe kg I 6,8 6, ,9 37,4 79,8 57, II 6,6 6, ,5 21,4 9,5 9, III 6,7 6, ,6 15,1 6,8 10, I 6,5 6, ,2 25,3 20,9 31, II 6,6 7, ,9 18,5 6,0 8, III 6,6 6, ,6 11,4 9,9 11, NIR; LSD - odkrywki; profiles - lata; years - warstwy (I-II-III); layers (I-II-III) - warstwy-lata; layers-years a) oznaczenia: patrz Tab. 1; description: see Table * 31,9** 53,5* 106,3* 40,0* róŝnice istotne na poziomie: *0,05 i **0,01; differences significant at: *0.05 and **0.01 Azot 674** 1131* 2247* Zawartość azotu ogólnego była największa w warstwie powierzchniowej i róŝniła się istotnie w stosunku do pozostałych warstw (tab. 2). Zasadniczo wraz ze wzrostem głębokości jego zawartość w badanym gruncie się zmniejsza. Najmniejszą kumulację azotu stwierdzono w najniŝszym poziomie złoŝa, czyli w warstwie filtracyjnej, która była stale przesycona ściekami. RównieŜ wcześniejsze badania BOĆKI [1965] wykazały,

5 ZMIANY WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNO-CHEMICZNYCH Ŝe najmniejsza sorpcja azotu występuje w glebach stale przesyconych wodą. Porównując zasobność złoŝa w Nog. w roku 1999 i 2004 nie zaobserwowano jednoznacznych tendencji w zmianach jego koncentracji. W powierzchniowej warstwie złoŝa (I), profilu zlokalizowanego przy dopływie (A), ilość azotu ogólnego wzrosła, natomiast przy odpływie ścieków uległa obniŝeniu. Wydaje się, iŝ w poziomach filtracyjnych zaznacza się tendencja do wzrostu zawartości ogólnych form azotu, a szczególnie w odpływowej części złoŝa (tab. 2). Fosfor Uzyskane wyniki badań wskazują na istotne zróŝnicowanie zawartości fosforu przyswajalnego w badanych poziomach oraz na wlocie i wylocie ze złoŝa, a takŝe poszczególnych latach badań (tab. 2). Największą jego kumulację, po 5 latach eksploatacji obiektu, stwierdzono w warstwie filtracyjnej, gdzie zanotowano ponad 200 mg P 2 O 5 kg -1. W 2004 roku, po 10 latach eksploatacji oczyszczalni odnotowano kilkakrotny spadek zawartości fosforu w materiale ze złoŝa, w stosunku do tego, jaki uzyskano 5 lat wcześniej. W roku 2004 najmniejsza sorpcja i kumulacja fosforu występowała w warstwie filtracyjnej, stale przesyconej ściekami (21,4 mg P 2 O 5 kg -1 - na wlocie na złoŝe i 11,4 mg P 2 O 5 kg -1 - na wylocie ze złoŝa). Przyczyną spadku zawartości fosforu w analizowanym materiale jest prawdopodobnie wyczerpanie zdolności sorpcyjnej wypełnienia złoŝa [JÓŹWIAKOWSKI 2003]. Skutkiem tego był spadek efektów usuwania fosforu ogólnego ze ścieków w badanej oczyszczalni z 94% w roku 1999 do 67% w roku 2004 oraz wzrost stęŝenia fosforu w ściekach odpływających z 1,1 mg P-PO 4 dm -3 w 1999 r. do 8,5 mg P-PO 4 dm -3 w 2004 r. Potas Z danych przedstawionych w tabeli 2 wynika, Ŝe największe ilości potasu przyswajalnego kumulowane są w warstwie powierzchniowej, a szczególnie przy wlocie na złoŝe. Zawartość K wynosiła w nadkładzie próchnicznym przy dopływie 79,8 mg K kg -1 w roku 1999 i 57,4 mg K kg -1 w roku Na wylocie ze złoŝa i w głębszych poziomach zawartość potasu zasadniczo zwiększała się (tab. 2). Analiza statystyczna wskazuje na istotne róŝnice między badanymi poziomami złoŝa pod względem ilości potasu przyswajalnego (tab. 2). Jest to efektem innego uziarnienia poszczególnych warstw, a więc tym samym składu mineralogicznego i róŝnic w zdolności sorpcyjnej. Nadkład próchniczny zawierał 16-23% cząstek spławialnych, które decydują o sorpcji wymiennej, natomiast poziomy filtracyjne (II i III) były niemal monofrakcyjne, zawierały od 93 do 97% piasku. Jego sorpcja wymienna jest niemal zerowa. śelazo Ścieki bytowe dopływające do badanego obiektu nie są nośnikami znaczących ilości Ŝelaza, w związku z tym, nie powodują zwiększenia jego zawartości w analizowanym gruncie. śelazo, które znajduje się w materiale wypełniającym złoŝe, jest głównie pochodzenia naturalnego (autochtoniczne). W badanym złoŝu Ŝelazo skumulowane jest przede wszystkim w warstwie powierzchniowej (próchnicznej), zarówno na wlocie, jak i na wylocie z oczyszczalni (tab. 2). W 1999 r. stwierdzono bardzo wysokie stęŝenia Ŝelaza w warstwie próchnicznej, znacznie przekraczające 4000 mg kg -1, a w warstwie filtracyjnej - ponad 400 mg kg -1. Natomiast po 5 latach

6 332 K. Jóźwiakowski, S. Ligęza eksploatacji obiektu - w 2004 r. stęŝenie Ŝelaza w warstwie filtracyjnej oscylowało wokół wartości 700 mg kg -1, a w warstwie piasku nie przekraczało 260 mg kg -1. Obserwowany spadek stęŝeń Fe był istotny, zarówno w poszczególnych poziomach złoŝa, jak i latach badań (tab. 2). Wnioski 1. Przeprowadzone badania wskazują, Ŝe podczas wieloletniej pracy gruntoworoślinnej oczyszczalni ścieków, w materiale zastosowanym do wypełnienia złoŝa zachodzą istotne zmiany właściwości chemicznych. Zmiany te następują zarówno w poszczególnych miejscach złoŝa, jak i w róŝnych jego warstwach. W ciągu ostatnich 5 lat eksploatacji obiektu zaobserwowano istotne róŝnice wielkości stęŝeń wszystkich badanych pierwiastków, natomiast ph było stale na zbliŝonym poziomie. 2. Zawartość azotu ogólnego wykazywała tendencję wzrostową wraz z upływem czasu, we wszystkich badanych warstwach leŝących pod nadkładem próchnicznym, zarówno w miejscu doprowadzenia ścieków do złoŝa, jak i przy ich odpływie. W poziomach wierzchnich, w miejscu wlotu ścieków na złoŝe odnotowano wzrost koncentracji azotu ogółem, natomiast w strefie odpływu wystąpił wyraźny spadek jego zawartości. 3. Po 10 roku eksploatacji obiektu, we wszystkich badanych warstwach złoŝa, stwierdzono kilkakrotny spadek zawartości fosforu i Ŝelaza, w porównaniu do tego, jaki uzyskano po 5 roku pracy oczyszczalni. Jednocześnie zanotowano spadek skuteczności usuwania fosforu ogólnego ze ścieków z 94% w roku 1999 do 67% w roku Zmniejszenie efektów eliminacji fosforu jest prawdopodobnie rezultatem wyczerpywania się zdolności sorpcyjnej materiału filtracyjnego złoŝa. 4. Badania właściwości fizyczno-chemicznych materiału ze złóŝ gruntowo-roślinnych oczyszczalni ścieków, przeprowadzane w kilkuletnich odstępach, mogą być pomocne w precyzyjnym określeniu końca czasu pracy złoŝa. Literatura BOĆKO J Gleba jako środowisko oczyszczania ścieków. Rocz. Glebozn. 15(2): CZYśYK F Wpływ wieloletnich nawodnień ściekami na glebę, wody gruntowe i rośliny. Rozpr. hab. Wyd. IMUZ, Falenty: 77 ss. GELLER G Horizontal subsurface flow systems in the german speaking countries: summary of long-term scientific and practical experiences; recommendations. Wat. Sci. Tech. 35(5): HABERL R., PERFLER R., MAYER H Constructed wetlands in Europe. Wat. Sci. Tech. 32(3): JÓŹWIAKOWSKI K Zmiany skuteczności usuwania zanieczyszczeń w gruntoworoślinnej oczyszczalni ścieków w latach InŜynieria Rolnicza 3(45), tom 1:

7 ZMIANY WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNO-CHEMICZNYCH JÓŹWIAKOWSKI K Produktywność wierzby wiciowej i trzciny pospolitej na złoŝach gruntowych w małych oczyszczalniach ścieków. Monografie Komit. InŜ. Środ. PAN 32(1): ŁOMOTOWSKI J Zasady projektowania drenaŝy rozsączających. Zesz. Nauk. AR we Wrocławiu 293(13), tom 1: MAUSBAUCH M.J., RICHARDSON J.L Biogeochemical process in hydric soil formation. Current topics in wetland biogeochemistry 1: OBARSKA-PEMPKOWIAK H Oczyszczalnie hydrofitowe. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk: 213 ss. OSTROWSKA A., GAWLIŃSKI S., SZCZUBIAŁKA Z Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. Katalog, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa: 333 ss. PALUCH J Oczyszczanie ścieków miejskich w środowisku glebowym. Zesz. Nauk. AR we Wrocławiu 41: 151 ss. SCHÖNBORN A., ZÜST B., UNDERWOOD E Long term performance of the sand-plantfilter Schattweid (Switzerland). Wat. Sci. Tech. 35(5): TANNER C.C Plants as ecosystem engineers in subsurface - flow treatment wetlands. Materials of 7th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control, Florida, November 2000, vol. 2: TIMOFEEVA S.S., STOM D.J Present condition and perspectives of using hydrobotanic treatment for sewage waters. Acta Hydrochim. Hydrobiol. 16(3): Słowa kluczowe: oczyszczalnie gruntowo-roślinne, materiał ze złoŝa, azot, fosfor, potas Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości fizyczno-chemicznych materiału wypełniającego złoŝe gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków (z wierzbą Salix viminalis L.) po 5 i 10 latach eksploatacji. Zaobserwowano wzrost stęŝenia azotu ogólnego w materiale ze złoŝa w 10 roku funkcjonowania obiektu, w porównaniu do tego, jaki uzyskano po 5 roku pracy oczyszczalni, podczas gdy stęŝenie fosforu, potasu i Ŝelaza obniŝyło się. ph było stale na zbliŝonym poziomie. Wyniki badań wskazują, Ŝe chemiczny monitoring złóŝ gruntowych jest bardzo waŝny w celu określenia zmian, jakie zachodzą w nich podczas wieloletniego oczyszczania ścieków. CHANGES OF SELECTED PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF SOIL FROM THE BED OF THE HYDROPHYTE SEWAGE TREATMENT PLANT Krzysztof Jóźwiakowski 1, Sławomir Ligęza 2 1 Department for Land Reclamation and Agricultural Structures, University of Life Sciences, Lublin 2 Institute of Soil Science and Environment Management, University of Life Sciences, Lublin Key words: constructed wetlands, ground from bed, nitrogen, phosphorus,

8 334 K. Jóźwiakowski, S. Ligęza potassium Summary Physical and chemical properties of ground from a hydrophyte sewage treatment plant (with Salix viminalis L.) were investigated after 5 and 10 years of work. A concentration of N tot. in a material from the bed of constructed wetland, increased after 10 years of exploitation in comparison with samples collected after 5 years of that plant use, whereas the content of available P and K, and Fe decreased. ph was similar in both periods. The results confirmed that chemical monitoring of a sewage treatment filter bed is very important for the evaluation of the sewage purification degree. Dr Krzysztof Jóźwiakowski Katedra Melioracji i Budownictwa Rolniczego Uniwersytet Przyrodniczy ul. Leszczyńskiego LUBLIN kylo71@tlen.pl