SYSTEM KANALIZACYJNY JAKO BIOREAKTOR WSTĘPNEGO PODCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW W ZINTEGROWANEJ GOSPODARCE WODNO-ŚCIEKOWEJ

Transkrypt

1 SYSTEM KANALIZACYJNY JAKO BIOREAKTOR WSTĘPNEGO PODCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW W ZINTEGROWANEJ GOSPODARCE WODNO-ŚCIEKOWEJ SEWER SYSTEM AS A SEWAGE PRETREATMENT BIOREACTOR IN INTEGRATED WATER-SEWAGE MANAGEMENT Grzegorz Łagód, Sylwia Koza, Daniel Pietras, Jacek Hanzel, Alia Jlilati, Katarzyna Jaromin Politechnika Lubleska, Wydział Inżynierii Środowiska, ul. Nadbystrzycka 40B, Lublin, Poland g.lagod@wis.pol.lublin.pl ABSTRACT This paper presents the issues connected to the influence of processes occurring inside the gravitational sewer systems on waste water treatment plants with biological part work conditions. The most important transformations occurring in the perception of sanitation systems and their functions, from ancient era to present time, were also described. The perception of sanitation conduits as the specific wastewater pretreatment bioreactors included in the system of integrated water and sewage management of urbanized areas was proposed. Keywords: sewer system, sewage biodegradation in gravitational conduit, sewage pre-treatment, integrated water-sewage management 1. Wstęp Ponad pięć tysięcy lat minęło od czasu wybudowania pierwszych urządzeń hydrotechnicznych spełniających funkcję systemu kanalizacyjnego. W tym czasie następowały okresy, w których dostrzegano istotną rolę tego typu obiektów, w kulturze materialnej człowieka, oraz takie, w których nie doceniano ich znaczenia. Pierwszy układ spełniający rolę systemu kanalizacyjnego, wybudowany przez człowieka, datowany jest na około 3000 rok p.n.e. Znajduje się on w Habuba al-kariba w pobliżu Assad Dam na obszarze dzisiejszej Syrii. Jako kolektory główne zostały tam użyte przewody prostokątne w przekroju, zaś mniejsze okrągłe jako przewody boczne (ilustruje to rys. 1.). Składający się z nich system pełnił rolę głównie kanalizacji deszczowej, rzadziej zaś ogólnospławnej. Również na terenach niegdysiejszej Babilonii ( p.n.e.) istniały rozbudowane systemy kanalizacyjne zaopatrzone we wpusty deszczowe (rys. 2), zbudowane z wypalanych przewodów ceramicznych (Huisman, 2001; Abdul- Talib i in., 2003; Schladweiler, 2006). Innym dobrze znanym przykładem antycznych systemów kanalizacyjnych są obiekty w pałacu Knossos na Krecie, w miastach Greckich (rys. 3) oraz Cloaca Maxima kanał ściekowy w starożytnym Rzymie powstały po zabudowaniu otwartego koryta odprowadzającego nieczystości (Angelakis i in., 2005; Schladweiler, 2006).

2 100 Rys.1 System kanalizacyjny z Habuba al-kariba (Huisman, 2001). Rys. 2 Wypalane przewody ceramiczne części składowe antycznych systemów kanalizacyjnych (po lewej ze Świątyni Bel, Nippur, Babilonia sprzed ponad 2500 lat p.n.e., po prawej z gimnazionu w Amphylopolis z około 430 roku p.n.e) (Angelakis i in., 2005; Schladweiler, 2006). Rys. 3 Przewody kanalizacyjne w antycznym Dion, na terenie dzisiejszej Macedonii, z około 600 roku p.n.e. (Angelakis i in., 2005).

3 101 Po upadku Imperium Rzymskiego starożytna wiedza sanitarna została zapomniana na wiele stuleci. Dopiero w XVIII wieku władze państw europejskich zaczęły rozwijać systemy kanalizacyjne na terenie ówczesnych dużych miast Paryża i Londynu. Spowodowane było to głównie problemami sanitarnymi i higienicznymi (wybuchy wielkich epidemii chorób zakaźnych) oraz potrzebą odprowadzania gromadzących się okresowo wód deszczowych (Ashley i in., 1999). Dlatego słuszna wydaje się obiegowa opinia, że to właśnie inżynierowie sanitarni, dzięki wynalazkom takim jak spłukiwane toalety, syfony wodne oraz zamknięty system kanalizacyjny ocalili więcej istnień ludzkich niż lekarze, ograniczając możliwości rozprzestrzeniania się chorób układu pokarmowego. Wynalazki ubiegłych stuleci doprowadziły rozwój systemu kanalizacyjnego do dzisiejszej postaci, która w świetle obecnej wiedzy spełnia rolę nie tylko narzędzia hydraulicznego transportu zanieczyszczeń, ale również reaktora biologicznego, we wnętrzu którego zachodzi duża liczba różnorakich procesów (Pomeroy, Parkhurs, 1973; Koch, Zandi, 1973; Green i in., 1985; Nielsen i in., 1992; Stelmach, 1993; Stelmach i in., 1995; Ashley i in., 1999; Huisman, 2001; Hvitved-Jacobsen, 2002; Abdul-Talib i in., 2003; Myszograj, 2005; Łagód i in., 2005, 2006, 2007). 2. Zintegrowana gospodarka wodnościekowa obszarów zurbanizowanych Wielu autorów zarówno krajowych jak i zagranicznych publikacji, sugeruje w ostatnich latach, konieczność opracowania kompleksowej polityki projektowania gospodarki wodno-ściekowej obszarów zurbanizowanych (Pfister i in., 1998; Ashley i in., 1999; Hvitved-Jacobsen, 2002; Dąbrowski, 2004). W podejściu takim w sposób systemowy traktowane byłyby ujęcia wody, obszar w obrębie którego powstają ścieki, sieć kanalizacyjna, oczyszczalnia ścieków oraz odbiornik, tworząc razem kolejne, powiązane ze sobą elementy jednego integralnego systemu. Najważniejsze elementy takiego systemu oraz powiązania występujące pomiędzy nimi przedstawia poniższy schemat (rys. 4): Rys. 4 Koncepcja zintegrowanej gospodarki wodno-ściekowej obszarów zurbanizowanych, na podstawie: (Pfister i in., 1998; Ashley i in., 1999; Hvitved-Jacobsen, 2002; Łagód, Sobczuk, 2006).

4 102 Wahania stężeń i ładunków zanieczyszczeń na wylocie miejskiej sieci kanalizacyjnej, skupiały dotychczas uwagę badaczy głównie ze względu na nierównomierne obciążenie oczyszczalni ścieków. Obecnie przy znaczącym rozwoju koncepcji zintegrowanej miejskiej gospodarki wodno-ściekowej sieć kanalizacyjna oraz oczyszczalnia ścieków wraz z odbiornikiem powinny być traktowane całościowo (Pfister i in., 1998; Ashley i in., 1999; Hvitved-Jacobsen, 2002; Abdul-Talib i in., 2003; Łagód i in., 2005b). Głównym celem takiego podejścia staje się znalezienie optymalnego rozwiązania uwzględniającego jednocześnie wymagania ochrony zasobów środowiska naturalnego oraz kosztów budowy i eksploatacji urządzeń technicznych odprowadzających i unieszkodliwiających zanieczyszczenia zawarte w ściekach. Podążając za najnowszymi postulatami badaczy zajmujących się zintegrowaną, miejską gospodarką wodno-ściekową, niniejsza praca stanowi wstęp do opracowania fragmentu tego systemu i dotyczy opisu procesów biodegradacji ścieków w kolektorach kanalizacyjnych. Efektem końcowym prac będzie opis ilościowy i jakościowy wybranych procesów przebiegających w kanalizacji grawitacyjnej oraz wskazanie skutków, jakie te procesy mogą wywoływać w odniesieniu do oczyszczalni ścieków, więc i odbiornika. 3. System kanalizacyjny jako bioreaktor Badania procesów związanych z zachodzącą w kanalizacji biodegradacją ścieków miały swój początek w połowie ubiegłego wieku w powiązaniu z analizą oddziaływania przelewów burzowych sieci ogólnospławnych na wody odbiornika. Jest to problem istotny ze względu na fakt, że ładunek ChZT zrzucany w skali roku przez przelewy burzowe jest zbliżony do ładunku, odprowadzanego w takim samym czasie do odbiorników z oczyszczalni ścieków wraz z oczyszczonymi ściekami (Dąbrowski, 2004). Badania te dotyczyły krajów Europy Zachodniej, w których istnieje dość duży odsetek kanalizacji ogólnospławnych (w niektórych krajach nawet powyżej 90%). W Polsce problemy związane z oddziaływaniem przelewów burzowych na wody odbiornika występują na mniejszą skalę, gdyż większość miejskich sieci kanalizacyjnych w naszym kraju jest rozdzielcza (około 70%) i ich udział stopniowo wzrasta. Spowodowane jest to tym, iż w większości sieci te powstały w przeciągu ostatnich kilkunastu lub kilkudziesięciu lat, gdy coraz częściej rezygnowano z budowy sieci ogólnospławnych. Tematyka dotycząca biodegradacji ścieków podczas ich przepływu w kanalizacji rozdzielczej wzbudziła w Polsce zainteresowanie, ze względu na wpływ tych zjawisk na procesy technologiczne w oczyszczalniach ścieków z częścią biologiczną. Pierwsze Polskie publikacje na ten temat dotyczyły awarii części biologicznej miejskiej oczyszczalni ścieków Hajdów w Lublinie, powodowanych wpływem przemian zachodzących w kanalizacji na jakość dopływających ścieków (Stelmach, 1993; Stelmach i in., 1995). Kolejnym argumentem przemawiającym za traktowaniem kanalizacji jako układu wstępnie podczyszczającego ścieki jest fakt, iż ze względu na swoją rozległość system kanalizacyjny jest najbardziej kosztowną częścią miejskiego systemu odprowadzania ścieków i choć postrzegany jest jako proste narzędzie hydraulicznego transportu ścieków, zachodzi w nim wiele różnorodnych procesów. Są to zarówno procesy fizyczne, chemiczne, jak i biologiczne, które w znacznym stopniu zmieniają właściwości ścieków dopływających do oczyszczalni (Pomeroy, Parkhurs, 1973; Stelmach, 1993; Stelmach i in., 1995; Almeida i in., 1999; Ashley i in., 1999; Huisman, 2001; Hvitved- Jacobsen, 2002; Montusiewicz i in. 2007; Łagód doktorat. Chomczyńska i in. 2009). Procesy te mogą mieć zróżnicowany wpływ na pracę oczyszczalni ścieków. Obniżając stężenie związków powodujących zapotrzebowanie na tlen, obniżają tym samym koszty eksploatacyjne oczyszczalni. Jednak wpływ procesów biodegradacji ścieków w kanalizacji może być także niekorzystny, gdy usunięta zostanie zbyt duża ilość związków węgla stanowiących łatwo przyswajalną substancję pokarmową niezbędną dla mikroorganizmów osadu czynnego odpowiedzialnych za procesy usuwania azotu i fosforu (Raunkjær i in., 1997; Łagód, Sobczuk, 2006). Innym przykładem wpływu sytemu kanalizacyjnego na pracę oczyszczalni jest sytuacja, gdy wbudowaniu w biomasę osadu surowego ulegną związki fosforu, co prowadzić może do nierównowagi substratowej w komorach napowietrzania jest to jednak sytuacja dosyć rzadko spotykana (Stelmach, 1993; Stelmach i in., 1995). Systemy kanalizacyjne posiadają znaczną pojemność możliwą do wykorzystania w celu wstępnego podczyszczania ścieków z uwagi na fakt, że przez znaczną część doby podlegają niewielkim obciążeniom hydraulicznym (Stelmach i in., 1995; Warith i in., 1998; Huisman, 2001; Łagód i in., 2002). Problematyczne pozostaje jednak dokładne określenie prędkości procesów biodegradacji ścieków dla poszczególnych systemów kanalizacyjnych. Dotychczas uwaga badaczy zajmujących się odprowadzaniem i oczyszczaniem ścieków skupiała się przede wszystkim na procesach transformacji zanieczyszczeń w obrębie oczyszczalni ścieków

5 103 oraz ich hydraulicznym transporcie w systemie kanalizacyjnym. Jakkolwiek znane są obecnie najważniejsze przemiany biochemiczne zachodzące w kanalizacji (Ashley i in., 1999; Huisman, 2001; Hvitved-Jacobsen,2002), to jednak ciągle brak jest danych jakościowych i ilościowych opracowań dotyczących relacji i powiązań wszystkich zachodzących tam procesów, oraz ich wpływu na procesy technologiczne zachodzące w oczyszczalniach ścieków. 4. Podsumowanie Cytowana literatura przedmiotu wykazuje, iż znaczny rozwój wiedzy, jaki miał miejsce w ciągu ostatnich kilkunastu lat, w zakresie odprowadzania ścieków oraz technologii ich oczyszczania za pomocą metod biologicznych, wprowadził istotne zmiany w sposobie postrzegania zjawisk związanych z systemem kanalizacyjnym oraz z działaniem oczyszczalni ścieków z częścią biologiczną. Zauważono, iż procesy mikrobiologiczne, które tradycyjnie umiejscawiano w konkretnych urządzeniach oczyszczalni ścieków zachodzą także poza obrębem oczyszczalni, prowadząc nierzadko do powstawania znaczących, choć niezamierzonych przez projektanta efektów. Pomiędzy punktem, w którym ścieki wprowadzane są do systemu kanalizacyjnego, a oczyszczalnią ścieków zachodzi wiele złożonych procesów, w efekcie których do oczyszczalni mogą dopływać ścieki o parametrach różnych od założonych przy projektowaniu technologii ich oczyszczania. Jeszcze w latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku zmianę stężeń powstałą podczas przepływu ścieków w kanalizacji wiązano z rozcieńczaniem wodami infiltracyjnymi, lecz w takim przypadku zmianom nie powinien ulegać ładunek zanieczyszczeń. Badania wykazały jednak jego zmianę, co powoduje, iż założenia projektowe oczyszczalni oparte o RLM przy rozbudowanej sieci kanalizacyjnej mogą nie być spełnione. Celowe wydaje się wprowadzenie odpowiednich współczynników korekcyjnych uwzględniających wspomniane przemiany. Aby móc je skutecznie wprowadzać przydatny okazać się może model matematyczny opisujący w sposób jakościowy i ilościowy procesy tlenowe i beztlenowe powodujące biodegradację ścieków podczas ich przepływu w kolektorach kanalizacji grawitacyjnej a także ciśnieniowej. Opracowanie odpowiedniego opisu matematycznego pozwoli na budowę deterministycznego modelu numerycznego opisującego wzrost biomasy heterotroficznej zarówno w postaci zawieszonej jak i w postaci błony biologicznej, powodującej zmiany jakości ścieków dopływających do oczyszczalni systemem kanalizacyjnym. Reasumując można powiedzieć, że przemiany biochemiczne zachodzące w kolektorach grawitacyjnego systemu kanalizacyjnego należy traktować jako jeden z elementów procesu oczyszczania ścieków i rozważać w ścisłym powiązaniu z ciągiem operacji technologicznych oczyszczalni z częścią biologiczną. W takim ujęciu systemy kanalizacyjne powinny być traktowane jako bioreaktory wstępnego podczyszczania ścieków oraz część zintegrowanej gospodarki wodno-ściekowej obszarów zurbanizowanych. 5. Literatura ABDUL-TALIB S., UJANG Z., VOLLERT- SEN J., HVITVED-JACOBSEN T.: Sewer networks as bio-reactors extending the transport function of sewers, Conference on Water and Drainage, Kuala Lumpur, Malaysia, ALMEIDA M.C., BUTLER D., DAVIES J.W.: Modelling in-sewer changes in wastewater quality under aerobic conditions. Water Science and Technology, vol. 39, no. 9, 1999, s ANGELAKIS A.N., KOUTSOYIANNIS D., TCHOBANOGLOUS G.: Urban wastewater and stormwater technologies in ancient Greece. Water Research vol. 39, no. 1, 2005, s ASHLEY R.M., HVITVED-JACOBSEN T., BERTRAND-KRAJEWSKI J. L.: Quo vadis sewer process modeling?. Water Science and Technology, vol. 39, no. 9, 1999, s CHOMCZYŃSKA M., MONTUSIEWICZ A., MALICKI J., ŁAGÓD G.: Application of saprobes for bioindication of wastewater quality, Environmental Engineering Science, vol. 26, no. 2, 2009, s DĄBROWSKI W.: Oddziaływanie sieci kanalizacyjnych na środowisko. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków GREEN M., SHELEF G., MESSING A.: Using the sewerage system main conduits for biological treatment Greater Tel-Aviv as a conceptual model. Water Research vol. 19, no. 8, 1985, s HUISMAN J. L.: Transport and transformation process in combined sewers. IHW Shriftenfreihe vol. 10, 2001, s HVITVED-JACOBSEN T.: Sewer Processes Microbial and Chemical Process Engineering of

6 104 Sewer Networks, CRC PRESS, Boca Raton, London, New York, Washington KOCH C. M., ZANDI I.: Use of pipelines as aerobic biological reactors. Journal Water Pollution Control Federation, vol. 45, no 12, 1973, s ŁAGÓD G., SUCHORAB Z., BOBER D.: Stabilność współczynników bioróżnorodności w systemach kanalizacyjnych podstawy teoretyczne. Mat. konf. I Kongresu Inżynierii Środowiska, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 11, 2002, s ŁAGÓD G., SOBCZUK H., SUCHORAB Z.: Modelling of transformation and biodegradation of pollutants in sewer system, Proceedings ECOpole'05, Jamrozowa Polana - Hradec Kralove 2005, s ŁAGÓD G., SOBCZUK H., SUCHORAB Z.: Kolektory kanalizacyjne jako część kompleksowego układu oczyszczania ścieków, Mat. konf. II Kongresu Inżynierii Środowiska, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 32, t. 1, 2005, s ŁAGÓD G., SOBCZUK H.: Transformation and biodegradation of pollutants in sewer systems as a processes leading to sewage selfpurification, Ecological Chemistry And Engineering, vol. 13, no. 3-4, 2006, s ŁAGÓD G., MALICKI J., CHOMCZYŃSKA M., MONTUSIEWICZ A.: Interpretation of the results of wastewater quality biomonitoring using saprobes, Environmental Engineering Science, vol. 24, no. 7, 2007, s ŁAGÓD G. Modelowanie procesów biodegradacji ścieków w kolektorach kanalizacji grawitacyjnej. Praca doktorska, Lublin MONTUSIEWICZ A., MALICKI J., ŁAGÓD G., CHOMCZYŃSKA M.: Estimating the efficiency of wastewater treatment in activated sludge systems by biomonitoring, in Pawłowski L., Dudzińska M. & Pawłowski A. (eds) Environmental Engineering, Taylor & Francis Group, London 2007, s MYSZOGRAJ S.: Kolektory ściekowe jako bioreaktor. Mat. konf. II Kongresu Inżynierii Środowiska, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 32, t.1, 2005, s NIELSEN P.H. RAUNKJÆR K., NORSKER N. H., Jensen N. A., Hvitved-Jacobsen T.: Transformation of wastewater in sewer systems. Water Science and Technology, vol. 25 no. 6, 1992, s PFISTER A., STEIN A. SCHLEGEL S., TEICHGRABER B.: An integrated approach for improving the wastewater discharge and treatment system. Water Science and Technology, vol. 37, no.1, 1998, S POMEROY R. D., PARKHURS J. D.: Selfpurification in Sewers. VI International Conference, Advance in Water Pollution Research Jerasalem, 1972, Pergamon Press, Oxford, New York, Toronto, Sydney, Braunschweig 1973,, s RAUNKJÆR K., NIELSEN P. H., Hvitved- Jacobsen T.: Acetate removal in sewer biofilms under aerobic conditions. Water Research, vol. 31, no.11, 1997, s Schladweiler J. C.: Tracking down the roots of our sanitary sewers STELMACH K.: Charakterystyka przemian BZT 5 i związków fosforu w sieci kanalizacji sanitarnej. Mat. konf. II Ogólnopolska Konferencja Chemia w ochronie Środowiska, Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin1993, STELMACH K., MALICKI J., BONETYŃSKI K.: Kolektory - rozcieńczanie czy redukcja BZT5 i biogenów, Mat. Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej, Współczesne problemy gospodarki wodno-ściekowej, Wydawnictwo Uczelniane WSI Koszalin, Koszalin- Kołobrzeg 1995, s WARITH M.A., KENNEDY K., REITSMA R.: Use of sanitary sewers as wastewater pretreatment systems. Waste Management vol. 18, 1998, s