Produktywność biomasy i właściwości energetyczne roślin z hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w pierwszym roku eksploatacji

Transkrypt

1 4. Wpływ zmian szorstkości zlewni na odpływ szczytowy maleje wraz ze wzrostem długości sieci kanałów odwzorowanej w modelu w odniesieniu do jednostkowej powierzchni zlewni. PIŚMIENNICTWO [1] James W.: Rules for responsible modeling, CHI, Guelph, Ontario, [2] Zawilski M., Sakson G.: Modelowanie spływu ścieków opadowych ze zlewni miejskiej przy wykorzystaniu programu SWMM. Część I. Kalibracja modelu, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 11/2010, s [3] Zawilski M., Sakson G.: Modelowanie spływu ścieków opadowych ze zlewni miejskiej przy wykorzystaniu programu SWMM. Część II. Weryfikacja modelu, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 09/2011, s [4] Calver A.: Calibration, sensitivity and validation of a physically based rainfall-runoff model, Journal of Hydrology, 103/1988, s [5] Skotnicki M., Sowiński M.: The sensitivity analysis of runoff from Urban catchment based on the nonlinear reservoir rainfall-runoff model, Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc., Monographic volume E-6 (390), 2006, s [6] Kowalski A.: Analiza wrażliwości modelu opad-odpływ dla zlewni miejskiej, praca magisterska, Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, [7] Rossman L. A.: Storm Water Management Model User s Manual, version 5.0: US EPA, Cincinnati, OH 45268, , [8] Skotnicki M.: Modelowanie odpływu ze zlewni miejskich z uwzględnieniem czasowo-przestrzennej zmienności opadów, rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, [9] Bogdanowicz E., Stachý J.: Maksymalne opady deszczu w Polsce. Charakterystyki projektowe. Materiały badawcze, seria: Oceanologia i Hydrologia, IMGW, Warszawa, [10] Schmitt T. G.: Komentarz do ATV-A 118. Hydrauliczne wymiarowanie systemów odwadniających, DWA Hennef 2000, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa, Produktywność biomasy i właściwości energetyczne roślin z hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w pierwszym roku eksploatacji Biomass productivity and biomass energy properties of plants of hybrid constructed wetland wastewater treatment plant in the first year of operation Magdalena Gizińska* ), Krzysztof Jóźwiakowski* ), Alina Kowalczyk-Juśko** ), Aneta Pytka* ), Michał Marzec* ) Słowa kluczowe: hybrydowe oczyszczalnie gruntowo-roślinne, rośliny energetyczne, biomasa, wierzba, trzcina, topinambur, miskant Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące produktywności biomasy i właściwości energetycznych roślin z hybrydowej oczyszczalni ścieków. Badania wykonywano w 4-stopniowym systemie gruntowo-roślinnym typu VF-HF-HF-VF zlokalizowanym w miejscowości Dąbrowica koło Lublina. Wycinkę roślin i próby do badań pobierano pod koniec marca 2012 roku, po rocznej eksploatacji analizowanego obiektu. Uzyskane wyniki badań wskazują, że ciepło spalania badanych roślin wahało się od 18,0 19,7 MJ kg -1, natomiast wartość opałowa od 16,8 18,4 MJ kg -1 i była niewiele niższa od wartości opałowej węgla kamiennego. Keywords: hybrid constructed wetland wastewater treatment plants, energy crops, biomass, willow, reed, artichokes, miscanthus Abstract Summary The paper presents results of research on biomass productivity and energy characteristics of hybrid constructed wetland wastewater treatment plant. The study was performed in the four-stage constructed wetland system of VF-HF-HF-VF type located in Dabrowica near Lublin. Felling of plants and testing sample was collected at the end of March 2012, after a year s operation of the analyzed object. Our results indicate that the heat of combustion of the plants ranged from 18,0 19,7 MJ kg-1, while the calorific value of 16,8 18,4 MJ kg -1 and was only slightly lower than the calorific value of coal. Wstęp * ) Mgr inż. Magdalena Gizińska, dr hab. Krzysztof Jóźwiakowski, mgr inż. Aneta Pytka, dr inż. Michał Marzec Katedra Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie ul. Leszczyńskiego 7, Lublin, madziagizinska@tlen.pl, krzysztof.jozwiakowski@up.lublin.pl, anetapytka@poczta.fm, michal.marzec@up.lublin.pl ** ) Dr inż. Alina Kowalczyk-Juśko Katedra Produkcji Roślinnej i Agrobiznesu Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, ul. Szczebrzeska 102, Zamość, alina.jusko@up.lublin.pl Szybki rozwój gospodarczy staje się przyczyną coraz większego zapotrzebowania na energię. Zwiększony popyt na paliwa kopalne, przy ich ograniczonej podaży, stwarza konieczność poszukiwania nowych rozwiązań, które pozwolą oszczędniej gospodarować zasobami naturalnymi. Jest to niezwykle istotne w obliczu prognoz wskazujących, że szczyt wydobycia ropy naftowej zostanie osiągnięty w latach [1]. Światowe zasoby ropy naftowej, przy zachowaniu obecnych trendów eksploatacyjnych, powinny wystarczyć na około 40 lat, gazu na 60 lat, zaś węgla na 200 lat [2]. Głównym elementem polityki oszczędzania zasobów kopalnych surowców energetycznych jest uzyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych: wiatru, wody, słońca i biomasy. Przystąpienie Polski do Unii Europejskiej zobowiązało nasz kraj do wdrażania i rozwoju sektora odnawialnych źródeł energii. Zgodnie z Dyrektywą Unii Europejskiej 2009/28/WE [3], do roku 2020 udział odnawialnych źródeł energii w całkowitym zużyciu energii w naszym kraju powinien wynieść 15%, natomiast udział biopaliw w transporcie powi- 280 GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC 2013

2 nien osiągnąć poziom 10% [4, 5]. Alternatywnym źródłem pozyskiwania energii w Polsce jest biomasa, która w naszych warunkach geograficznych jest najważniejszym źródłem energii odnawialnej. Biomasę odpadową można pozyskiwać z rolnictwa, przemysłu drzewnego i rolno-spożywczego, pielęgnacji zieleni miejskiej, odpadów komunalnych. Negatywnymi cechami biomasy odpadowej są jednak duża różnorodność i rozproszenie. W ostatnich latach rośnie zainteresowanie uprawą roślin na cele energetyczne, np. wierzby (Salix sp.) [7, 8], ślazowca pensylwańskiego (Sida hermaphrodita (L.) Rusby) [8], gatunków z rodzaju Miscanthus, szczególnie miskanta olbrzymiego [9, 10, 11], a także topinamburu (Heliantus tuberosus L.) [12, 13]. Uprawy takie mogą dostarczyć znaczących ilości jednorodnej biomasy o określonych parametrach energetycznych, a jednocześnie przyczynić się do wzrostu niezależności na rynku paliw oraz umożliwić rozwój obszarów wiejskich [14]. Jednak powierzchnia upraw roślin energetycznych w Polsce rośnie w niezadowalającym tempie, w związku z czym poszukiwane są takie lokalizacje ich nasadzeń, które nie kolidowałyby z tradycyjną produkcją rolniczą. Brane są pod uwagę grunty marginalne, nieużytki czy nasadzenia pełniące funkcję fitoremediacyjną, m.in. w zakresie oczyszczania ścieków [15, 16]. W Polsce i na świecie od wielu lat budowane są tzw. hydrofitowe oczyszczalnie ścieków. Głównym elementem tych systemów są złoża gruntowo-roślinne, które zasiedlane są szybko rosnącymi gatunkami roślin. Początkowo były to obiekty jednostopniowe z poziomym lub pionowym przepływem ścieków [17, 18]. W ostatnich latach w Europie i na świecie zaczęto stosować jednak wielostopniowe, hybrydowe oczyszczalnie gruntowo-roślinne, składające się z dwóch, trzech lub większej ilości złóż, które zapewniają skuteczniejszą eliminację zanieczyszczeń [19, 20]. W systemach tych głównym zadaniem roślin jest wspomaganie procesów oczyszczania ścieków oraz pobieranie i akumulowanie substancji biogennych. Dotychczas niezbyt często rozpatrywano możliwość energetycznego wykorzystania roślin z systemów tego typu. Dlatego postanowiono podjąć ten temat i założono, że biomasa wytworzona podczas eksploatacji oczyszczalni gruntowo-roślinnych, może być dodatkowym źródłem energii odnawialnej w skali lokalnej. Celem artykułu jest ocena plonowania, właściwości energetycznych oraz przydatności do energetycznego wykorzystania biomasy roślin pozyskanych z hybrydowej oczyszczalni gruntoworoślinnej. Charakterystyka badanego obiektu Badania wykonywano w obiekcie, który został wybudowany we wrześniu 2006 r. w miejscowości Dąbrowica koło Lublina. W latach oczyszczalnię stanowił 3-komorowy, przepływowy osadnik gnilny oraz dwa równoległe układy, składające się z podwójnych złóż gruntowo-roślinnych z nasadzeniem wierzby i trzciny: I typu HF-VF, II typu VF-HF [20]. Na początku 2011 r. obiekt zmodernizowano. Obecnie w skład oczyszczalni wchodzą: 2-komorowy osadnik gnilny oraz system 4 złóż gruntowo-roślinnych, połączonych szeregowo (VF-HF-HF-VF) (rys. 1): złoże A z pionowym przepływem z trzciną pospolitą (Phragmites australis Cav. Trin. ex Steud.), złoże B z poziomym przepływem z wierzbą wiciową (Salix viminalis L.), złoże C z poziomym przepływem ze słonecznikiem bulwiastym topinamburem (Helianthus tuberosus L.), złoże D z pionowym przepływem z miskantem olbrzymim (Miscanthusx giganteus J. M. Greef & Deuter ex Hodk. & Renvoize) (fot. 1). Do oczyszczalni dopływa około 0,8 m 3 d -1 ścieków, pochodzących z 8-osobowego gospodarstwa domowego. Po wstępnym oczyszczeniu w osadniku gnilnym ścieki przepływają kolejno przez wszystkie 4 złoża, które mają jednakową powierzchnię 24 m 2 oraz wymiary: 4 m szerokości i 6 m długości. Całkowita powierzchnia złóż wynosi 96 m 2, co przy 8 mieszkańcach po przeliczeniu daje powierzchnię jednostkową 12 m 2 /MR. Złoża B i C mają głębokość 1,0 m, zaś złoża A i D po 0,8 m. Spadek dna wszystkich złóż wynosi 3% w kierunku odpływu ścieków. Do wypełnienia złóż zastosowano tłuczeń kamienny (d = 5,0 10,0 mm) i piasek gruby (d = 1,0 2,0 mm). Złoża zostały oddzielone od naturalnego gruntu folią PEHD o grubości 1 mm, ułożoną na podsypce z drobnoziarnistego piasku, która zabezpiecza folię przed uszkodzeniem. Zastosowanie pomp zatapialnych przed złożami A i D umożliwia okresowe doprowadzanie ścieków w ilości około 0,4 m 3 z częstotliwością 2 razy na dobę [21]. Obciążenie hydrauliczne złoża trzcinowego (A) wynosi około 33 dm 3 m -2 d -1, co odpowiada 33 mm m -2 d -1, nie przekracza zatem wartości dopuszczalnej (60 mm d -1 ) określonej w niemieckich wytycznych ATV [22] dla złóż z pionowym przepływem. Ścieki oczyszczone z badanego obiektu odprowadzane są do ziemi za pomocą drenażu rozsączającego (rys. 1). Rys. 1. Schemat technologiczny hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w Dąbrowicy po modernizacji w 2011 r. [21] GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC

3 Fot. 1. Rośliny na złożach w hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w Dąbrowicy W badanym obiekcie, oprócz trzciny i wierzby, zastosowano roślinność, która do tej pory w gruntowo-roślinnych oczyszczalniach ścieków była wykorzystywana w niewielkim stopniu, tj. topinambur, miskant olbrzymi. Gatunki te cieszą się dużym zainteresowaniem energetyki, ze względu na wysoką wartość opałową i niską wilgotność uzyskiwaną po zakończeniu wegetacji, dzięki czemu mogą być wykorzystywane do bezpośredniego spalania [23]. Metodyka badań Wycinkę oraz badania produktywności biomasy roślin zasiedlających oczyszczalnię, tj. trzciny, wierzby, topinamburu i miskanta olbrzymiego wykonywano w marcu 2012 r., po pierwszym roku od nasadzenia roślin w oczyszczalni. Określono ich objętość oraz masę w stanie świeżym (św. m.), a po wysuszeniu w 105 C reprezentatywnej próby obliczono również plon suchej masy (s. m.). Badania biomasy zostały wykonane w akredytowanym Laboratorium Zakładu Pomiarowo-Badawczego Energetyki Energopomiar w Gliwicach. Do analiz pobrano reprezentatywne próby rozdrobnionej biomasy każdego gatunku rośliny. Badania zostały przeprowadzone zgodnie ze specyfikacją techniczną PKN CEN/ TS 14588, w czterech powtórzeniach i objęły oznaczanie: wilgoci całkowitej metodą wagową, zgodnie z normą PN-EN :2010; popiołu metodą wagową, zgodnie z normą PN-EN 14775:2010; ciepła spalania metodą kalorymetryczną, wartości opałowej metodą obliczeniową, zgodnie z normami PN 81/G i PN ISO realizowany, konieczna jest odpowiednia podaż składników pokarmowych i wody. Jej wielkość na złożach gruntowo-roślinnych, ze względu na ich uszczelnienie, zależy przede wszystkim od przebiegu warunków pogodowych oraz obciążenia hydraulicznego ściekami i ładunkiem zanieczyszczeń. Przy średnim dobowym dopływie ścieków 0,8 m 3 d -1 średnie obciążenie hydrauliczne złoża A wynosi 33,3 dm 3 m -2 d -1. Obciążenie powierzchni złoża A ładunkiem biogenów wynosiło dla azotu ogólnego średnio 3,37 g N m -2 d -1, dla fosforu ogólnego 0,92 g P m -2 d -1. Ścieki surowe zasilają tylko pierwsze złoże z trzciną, dopiero potem jako podczyszczone trafiają do kolejnych elementów oczyszczalni (rys. 1). W skrajnie niekorzystnych warunkach (wysokie temperatury powietrza, niedobór opadów, silne parowanie wody z gruntu i ewapotranspiracja) złoża: C (z topinamburem) i D (z miskantem olbrzymim) mogą być zupełnie pozbawione dopływu ścieków. Ilość i skład ścieków dopływających do oczyszczalni może mieć istotny wpływ na produktywność roślin na złożach. Na rys. 2 i 3 Wyniki badań i dyskusja Jedną z najważniejszych cech ekologicznych roślin wykorzystywanych do unieszkodliwiania ścieków jest wysokie tempo wzrostu, połączone z wytwarzaniem biomasy. Aby wzrost ten mógł być Rys. 2. Stężenia azotu ogólnego i fosforu ogólnego w ściekach przed kolejnymi złożami w gruntowo-roślinnej oczyszczalni w Dąbrowicy w 2011 roku [21] 282 GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC 2013

4 Rys. 3. Wielkości BZT 5 i ChZT w ściekach przed kolejnymi złożami w gruntowo-roślinnej oczyszczalni w Dąbrowicy w 2011 roku [21] przedstawiono średnie stężenia azotu ogólnego i fosforu ogólnego oraz wielkości BZT 5 i ChZT w ściekach przed kolejnymi złożami w badanej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w 2011 r. Z badań Gizińskiej i in. [21] wynika, że największe stężenia azotu ogólnego i fosforu ogólnego notowano w ściekach dopływających do złoża A z trzciną wynosiły one odpowiednio 102 i 27,6 mg dm - 3, natomiast po kolejnych złożach obserwowano stopniowy spadek ich zawartości do odpowiednio 67,7 i 6,6 mg dm -3 w ściekach przed złożem D z miskantem olbrzymim (rys. 2). Podobną sytuację odnotowano w przypadku wielkości BZT 5 i ChZT w ściekach na poszczególnych etapach oczyszczania. Wielkości BZT 5 i ChZT w ściekach przed złożem A z trzciną wynosiły odpowiednio 155 i 342 mgo 2 dm -3, natomiast w ściekach przed złożem D wynosiły zaledwie 3,8 i 20 mgo 2 dm -3 (rys. 3). Gizińska i in. [21] stwierdzili, że oczyszczalnia w Dąbrowicy zapewniała bardzo wysoką skuteczność usuwania substancji organicznej określanej za pomocą wskaźników tlenowych, czyli BZT 5 i ChZT (98,4 i 97,1%) oraz znacznie mniejszą efektywność usuwania azotu ogólnego i fosforu ogólnego (46,4 i 85,6%). Z przeprowadzonych badań wynika, że produkcja biomasy roślinnej na poszczególnych złożach była bardzo zróżnicowana i nie była uzależniona od stężenia zanieczyszczeń w ściekach dopływających. Największą objętość nadziemnych części roślin, na poziomie 215,83 m 3 (p) w przeliczeniu na 1 hektar, pozyskano ze złoża C obsadzonego topinamburem (tab. 1). Jednak uzyskany plon zarówno świeżej, jak i suchej masy (odpowiednio 16,13 Mg ha -1 i 12,81 Mg ha -1 ) był niższy, niż pochodzący z upraw rolnych. Z badań Górala [24] wynika, że plon zielonej masy topinamburu waha się w granicach od 38 do 75 Mg ha -1, a maksymalnie może dochodzić do 200 Mg ha -1. Jednak wyniki te dotyczą plonów roślin zielonych w trakcie sezonu wegetacyjnego. Badania Kowalczyk- Juśko [23] wykazały, że plon zaschniętych nadziemnych części topinamburu w wieloletnim doświadczeniu wahał się w granicach 9,10 12,91 Mgs.m. ha -1, był więc zbliżony do uzyskanego w analizowanej oczyszczalni. Maksymalna wysokość pędów topinamburu w badanym obiekcie wyniosła 400 cm. Znaczny potencjał plonowania topinamburu już podczas pierwszego roku eksploatacji złoża C, w połączeniu z niewielkimi wymaganiami glebowymi, skłania do szerszego zastosowania tego gatunku do produkcji biomasy. W przypadku wierzby uzyskano znacznie mniejszą objętość ściętych prętów, niż w przypadku topinamburu, która wyniosła 130,58 m 3 (p) w przeliczeniu na 1 hektar. Plon świeżej i suchej masy był jednak najwyższy w porównaniu z innymi roślinami i wyniósł odpowiednio 27,34 Mg ha -1 i 13,36 Mg ha -1. Wysoka zawartość wody w biomasie wierzby w literaturze jest wskazywana dosyć często [7]. Również w przypadku wierzby ze złoża B w badanym obiekcie zawartość wody wynosiła około 50%. Z otrzymanych danych wynika, że plon suchej masy wierzby na złożu B w analizowanej oczyszczalni był porównywalny z osiąganym na plantacjach energetycznych, gdzie w optymalnych warunkach ilość rocznie pozyskiwanego drewna wierzby wiciowej wynosi Mg z hektara [25]. Wg Obarskiej-Pempkowiak [26] roczna produkcja biomasy wierzby w systemach hydrofitowych wynosi średnio Mg ha -1, zaś Kuś i Matyka [7] uzyskiwali jej plony w zakresie 8 22 Mg ha -1. Różnice w uzyskiwanych plonach z plantacji produkcyjnych wynikają z warunków glebowych, wieku roślin, odmiany i nawożenia. Produktywność jednorocznego nasadzenia wierzby na gruncie agromeliorowanym osadami ściekowymi wyniosła 10,8-15,8 Mg św.m. ha -1, w zależności od odmiany [15]. Wysokość prętów wierzby w badanym obiekcie maksymalnie dochodziła do 4 m i była wyższa do uzyskiwanej na jednorocznych plantacjach tej rośliny prowadzonych w zakładach doświadczalnych IUNG, gdzie nie przekraczała 3 m [7]. Pomimo, że miskant olbrzymi zasiedlał ostatnie D złoże w badanej oczyszczalni, a przez to często był narażony na brak dopływu ścieków, w pierwszym roku od nasadzenia charakteryzował się wysokim plonem wrażonym w jednostkach objętości 71,88 m 3 (p) z 1 ha i masy 10,71 Mg św.m. ha -1 oraz 8,09 Mg s.m. ha -1 (tab. 1). Według Koteckiego [11] miskant w pierwszym roku uprawy uzyskuje wysokość około 2 m i daje plon suchej masy z 1 ha w granicach od 1 do 3 Mg ha -1. Wyniki badań własnych wskazują, że pomimo niekorzystnych warunków wilgotnościowych i najmniejszego zaopatrzenia w składniki pokarmowe, wzrost i rozwój miskanta przebiegał prawidłowo, a wolumen plonu był znacznie wyższy od uzyskiwanego na plantacjach energetycznych [11]. Ścieki dopływające na pierwsze złoże z trzciną niosły ze sobą największe stężenie azotu i fosforu (rys. 2), a stały ich dopływ stwarzał najlepsze warunki dla rozwoju roślin. Pomimo tego trzcina pospolita, która porastała to złoże, charakteryzowała się najmniejszą objętością ściętych pędów (43,75 m 3 (p) na 1 hektar) spośród czterech badanych gatunków roślin (tab. 1). W porównaniu z badaniami Jóźwiakowskiego [20], który w tym samym obiekcie w latach stwierdził średnią objętość trzciny na poziomie 68 m 3 (p) z 1 hektara, można zauważyć znaczny spadek plonu trzciny, wyrażony w jednostkach objętości. Ze względu na to, że łodygi trzciny zawierały znacznie mniej wody niż pędy wierzby, Tabela 1 Produktywność roślin w hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w 2011 roku Rodzaj rośliny i numer złoża Parametr Jednostka Trzcina ze złoża A Wierzba ze złoża B Topinambur ze złoża C Miskant olbrzymi ze złoża D Objętość biomasy m 3 (p) ha -1 43,75 130,58 215,83 71,88 Świeża masa roślin* Mg ha -1 4,92 27,34 16,13 10,71 Sucha masa roślin Mg ha -1 4,13 13,36 12,81 8,09 * zeschnięte nadziemne części roślin; m 3 (p) metr sześcienny przestrzenny GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC

5 Tabela 2 Parametry energetyczne roślin z hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków Rodzaj rośliny i numer złoża Parametr Jednostka Trzcina ze złoża A Wierzba ze złoża B Topinambur ze złoża C Miskant olbrzymi ze złoża D Wilgoć całkowita % 16,04 51,13 20,59 14,46 Popiół % 7,84 2,13 3,05 3,51 Ciepło spalania MJ kg -1 17,99 19,73 18,87 19,09 Wartość opałowa MJ kg -1 16,85 18,44 17,56 17,85 produkcja świeżej masy trzciny z 1 ha złoża była pięć razy mniejsza, niż w przypadku wierzby i wyniosła 4,92 Mg ha -1. Natomiast plon suchej masy trzciny nie różnił się znacząco od masy świeżej i wynosił 4,13 Mg ha -1. Zbiór trzciny przeprowadzano w marcu 2012 r. przed rozpoczęciem sezonu wegetacyjnego, po zaschnięciu części nadziemnych, które zawierały niewielką ilość wody, dlatego różnice między plonem świeżej i suchej masy okazały się niewielkie. Z wykonanych badań wynika, że najmniejszą wilgoć całkowitą miał miskant olbrzymi 14,46% i trzcina 16,04%, natomiast największą wierzba 51,13% (tab. 2). Uzyskane wyniki wskazują, że oprócz wierzby wszystkie pozostałe rośliny mogą być wykorzystywane do celów energetycznych bez dodatkowego procesu suszenia. Przeciętna zawartość popiołu w biomasie roślin niedrzewnych kształtuje się na poziomie od 3 do 7% [23]. W badanych próbach biomasy ilość ta nie przekraczała typowych wartości dla surowców roślinnych (tab. 2). Najwyższą zawartością popiołu charakteryzowała się trzcina (7,83%), natomiast najniższą wierzba (2,13%), której biomasa zaliczana jest do surowców drzewnych, a więc o niższym poziomie substancji mineralnej. Topinambur i miskant olbrzymi miały zbliżoną zawartość popiołu, która wynosiła odpowiednio 3,05 i 3,51%. Ciepło spalania badanych roślin w stanie suchym wahało się od 17,99 MJ kg -1 w przypadku trzciny do 19,73 MJ kg -1 dla wierzby, zaś wartość opałowa odpowiednio od 16,85 do 18,44 MJ kg -1 (tab. 2). Były to wartości typowe dla różnych rodzajów biomasy, zgodne z wieloma danymi literaturowymi [7, 8, 11, 23, 16]. Biorąc pod uwagę fakt, że wartość opałowa węgla kamiennego, w zależności od jego jakości, zawiera się w granicach MJ kg -1, należy wysoko ocenić parametry energetyczne badanych rodzajów roślin. Ekwiwalent energetyczny 1 tony węgla wynosi 1,2 1,5 tony biomasy badanych roślin, które nie tylko są surowcami odnawialnym, ale też znacznie mniej szkodliwym dla środowiska [27]. Wnioski 1. Produkcja biomasy roślinnej na czterech złożach gruntowo-roślinnych w badanej oczyszczalni była bardzo zróżnicowana i nie była uzależniona od ilości oraz stężenia zanieczyszczeń w ściekach dopływających. 2. Największą objętość nadziemnych części roślin, na poziomie 215,83 m 3 (p) w przeliczeniu na 1 hektar, pozyskano ze złoża C typu HF obsadzonego topinamburem, natomiast najmniejszą ze złoża A typu VF porośniętego trzciną 43,7 m 3 (p). 3. Największy plon suchej masy roślin uzyskano w przypadku wierzby (złoże B typu HF) 13,36 Mg ha -1, zaś najmniejszy w przypadku trzciny 4,13 Mg ha -1 (złoże A typu VF). Na pozostałych złożach C (typu HF) i D (typu VF) plon suchej masy topinamburu i miskanta olbrzymiego wynosił odpowiednio 12,81 Mg ha -1 i 8,09 Mg ha -1. Plony suchej masy roślin na złożach gruntowo-roślinnych w badanej oczyszczalni były porównywalne lub większe (w przypadku miskanata) od osiąganych na typowych plantacjach energetycznych. 4. Ciepło spalania badanych roślin w stanie suchym wynosiło od 17,99 MJ kg -1 w przypadku trzciny do 19,73 MJ kg -1 dla wierzby, zaś wartość opałowa odpowiednio od 16,85 do 18,44 MJ kg -1. Biorąc pod uwagę fakt, że wartość opałowa węgla kamiennego zawiera się w granicach MJ kg -1, należy wysoko ocenić parametry energetyczne badanych rodzajów roślin. 5. Z przeprowadzonych wstępnych badań wynika, że rośliny takie jak: trzcina, topinambur i miskant olbrzymi, a w mniejszym stopniu wierzba, z powodzeniem mogą być stosowane nie tylko do wspomagania procesu oczyszczania ścieków w hybrydowych systemach gruntowo-roślinnych, ale jednocześnie do produkcji biomasy wykorzystywanej na cele energetyczne. PIŚMIENNICTWO [1] Schleicher S.T The renewables in the future energy mix. Central European Biomass Conference, Gratz, Austria. [2] Bocheński C., Bocheńska A., Ocena zasobów ropy naftowej i perspektywy jej substytucji biopaliwami. Motrol, 10, [3] Dyrektywa Unii Europejskiej 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE (Dz. U. UE L ). [4] Dyrektywa 2001/77/WE z dnia 27 września 2001 r. w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych. (Dz. Urz. WE L 283 z r.). [5] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii. (Dz. U. Nr 156, poz. 969). [6] Heller M.C., Keoleian G.A., Mann M.K., Volk T.A Life cycle energy and environmental benefits of generating electricity from willow biomass. Renewable Energy. Vol. 29. Iss. 7, [7] Kuś J., Matyka M Plonowanie i cechy biometryczne wierzby w zależności od warunków siedliskowych. Problemy Inżynierii Rolniczej, nr 3, [8] Denisiuk W Możliwości wykorzystania ślazowca pensylwańskiego w energetyce. Inżynieria Rolnicza. Nr 6 s [9] Deuter M., Jeżowski S Stan wiedzy o hodowli traw olbrzymich z rodzaju Miscanthus. Postępy Nauk Rolniczych. Nr 2, [10] Himken M., Lammel J., Neukirchen D., Czypionka-Krause U., OLFS H.W Cultivation of Miscanthus under West European conditions: Seasonal changes in dry matter production, nutrient uptake and remobilization. Plant and Soil. Vol. 189, [11] Kotecki A. (red.) Uprawa miskanta olbrzymiego: energetyczne i pozaenergetyczne możliwości wykorzystania słomy. Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu. [12] Augustynowicz J., Pietkiewicz S., Kalaji M.H., Russel S Wpływ nawożenia osadem ściekowym na wybrane parametry aktywności biologicznej gleby oraz wydajności aparatu fotosyntetycznego słonecznika bulwiastego (Helianthus tuberosus L.). Woda Środowisko Obszary Wiejskie. T. 10. Z. 2 (30), [13] Frączek J., Mudryk K., Wróbel M Wybrane właściwości fizycznomechaniczne topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Inżynieria Rolnicza. Nr 6 (131), GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC 2013

6 [14] Piotrowski K., Wiltowski T., Mondal K Biomasa kłopotliwe pozostałości czy strategiczne rezerwy czystej energii? charakterystyka głównych grup surowców bioenergetycznych. Czysta Energia, 10, s , Czysta Energia, 11, [15] Kaniuczak J., Błażej J., Niemiec W., Jasiński T., Hajduk E., Puchalski C., Właśniewski S Produkcyjność biomasy wierzby energetycznej w cyklu jednorocznym na agromeliorowanej glebie piaszczystej. [w:] Wybrane aspekty zagospodarowania odpadów organicznych a produkcja biomasy wierzby energetycznej, Uniwersytet Rzeszowski, [16] Kowalczyk-Juśko A Wykorzystanie wybranych gatunków roślin w ochronie środowiska i energetyce. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 560, [17] Haberl R., Perfler R., Mayer H Constructed of wetlands in Europe. Water Science & Technology. vol. 32. no. 3, [18] Vymazal J Horizontal sub-surface flow and hybrid constructed wetlands systems of wastewater treatment. Ecological Engineering. Vol. 25, Issue 5, [19] Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M The removal of Nitrogen Compounds in Constructed Wetlands in Poland. Polish Journal of Environment Studies. vol. 122, no. 6, [20] Jóźwiakowski K Badania skuteczności oczyszczania ścieków w wybranych systemach gruntowo-roślinnych. Monografia. Rozprawa habilitacyjna. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich. PAN Oddział w Krakowie. Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi, 1/2012, 232. [21] Gizińska M., Jóźwiakowski K., Pytka A., Marzec M Wstępne badania skuteczności usuwania zanieczyszczeń w 4-stopniowej hybrydowej oczyszczalni gruntowo-roślinnej. Gaz, Woda i Technika Sanitarna nr 2, [22] ATV Arbeisblatt A Grundsätze für Bemessung und Betrieb von Pfanzenbeeten für kommunales Abwasser bei Ausbaugröben bis 1000 Einwohnerwertte: [23] Kowalczyk-Juśko A Badania nad energetycznym wykorzystaniem wybranych gatunków roślin wieloletnich. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 556, [24] Góral S Słonecznik bulwiasty topinambur uprawa i użytkowanie, IHAR Radzików. [25] Perttu K.L Plantacje energetyczne. Aura, 3, [26] Obarska-Pempkowiak H Oczyszczalnie hydrofitowe. Politechnika Gdańska, 214. [27] Sławińska M., Kowalczyk-Juśko A The environmental and economic effect of changing the carrier of thermal energy in a chosen enterprise. [w:] Companies on climate change, M. Cygler, C. Colard-Fabregoule (red.), SGH, Warszawa, s Mobilność metali ciężkich w osadach ściekowych na przykładzie wybranego obiektu N The mobility heavy metals in the sewage sludge Joanna Długosz, Jarosław Ireneusz Gawdzik* ) Słowa kluczowe: osady ściekowe, metale ciężkie, ekstrakcja sekwencyjna, specjacja metali Streszczenie Ocena mobilności metali ciężkich w osadach ściekowych z oczyszczalni ścieków w Opatowie (woj. świętokrzyskie).wyniki badań dla ustabilizowanych tlenowo osadów ściekowych potwierdziły obserwowaną tendencję koncentracji metali ciężkich we frakcjach niemobilnych, tu w połączeniach z glinokrzemianami (chrom 53,4%; ołów 80,2%). Wynika z tego, że dominujące formy występowania badanych metali ciężkich są niemobilne. Wykazano, że sumaryczna zawartość metali ciężkich w osadach ściekowych nie jest obiektywnym kryterium oceny zagrożenia środowiska. Mając to na uwadze należy jednak nadmienić, iż immobilizowane we frakcji F-III metale ciężkie mogą stanowić potencjalne niebezpieczeństwo dla gruntu w strefie aeracji. Keywords: sewage sludge, heavy metals, sequential extraction, metals speciation Abstract Evaluate the mobility of heavy metals in sewage sludge from wastewater treatment plants in Opatów (the Świętokrzyskie Province). The results for oxygen stabilized sewage sludge confirmed a trend being observed in heavy metals concentration in the immobile fractions, here in combination with aluminosilicates (chromium 53.4%, lead 80.2%). On the basis of the investigations, it can be concluded that the dominant forms of heavy metals are immobile. It was shown that the total content of heavy metals in the sewage sludge does not provide an objective criterion for the environmental risk evaluation. Bearing that in mind, however, it should be noted that heavy metals immobilized in the fraction F-III, may pose a potential hazard to soil in the aeration zone. Zasadniczym elementem decydującym o stanie środowiska wodnego, mający wpływ na poziom życia ludności jest sprawność systemów oczyszczania ścieków i przeróbki osadów ściekowych. Oczyszczalnie ścieków służą ochronie zdrowia, życia, środowiska oraz chronią zasoby czystej wody, która będzie wykorzystana * ) Joanna Długosz absolwentka kierunku Inżynieria Środowiska, Politechnika Świętokrzyska, j_długosz@interia.eu; Dr inż. Jarosław Ireneusz Gawdzik adiunkt w Katedrze Inżynierii i Ochrony Środowiska, Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, Kielce, tel. ( ) , jgawdzik@tu.kielce.pl przez przyszłe pokolenia. Podczas procesów oczyszczania ścieków powstaje produkt uboczny, czyli różnego rodzaju odpady takie jak skratki, piasek, a także tłuszcze oraz osady. Pośród nich największą ilość, czyli około 2 3% objętości ścieków, stanowią osady ściekowe [10]. Komunalne osady ściekowe zgodnie z art. 3 ust. 3 pkt. 2 ustawy [17] to pochodzący z oczyszczalni ścieków osad z komór fermentacyjnych, a także innych instalacji służących do oczyszczania ścieków komunalnych lub ścieków o składzie zbliżonym do komunalnych. Osady ściekowe stanowią istotny problem eksploatacyjny, a także ekonomiczny. Muszą być usuwane z terenu oczyszczalni ścieków, ze względu na techniczne oraz prawne ograniczenia możliwości ich magazynowania. Nie ma jednej uniwersalnej metody zagospodarowania i utylizacji osadów powstających w procesach oczyszczania GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA LIPIEC