Rozwiązania gospodarki ściekowej na obszarach niezurbanizowanych. Małe oczyszczalnie ścieków zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju

Gospodarka ściekowa na obszarach niezurbanizowanych jest zagadnieniem, z którym nadal muszą mierzyć się zarówno sami mieszkańcy, jak i lokalne władze. Aspekt ekonomiczny stał się obecnie jednym z najważniejszych przy wyborze układu oczyszczania ścieków. Niezwykle ważne jest dobranie optymalnych finansowo rozwiązań do konkretnych sytuacji i obszarów zastosowań. Gospodarka ściekowa w miastach powinna być realizowana poprzez zbiorcze systemy sieci kanalizacyjnych, natomiast charakter obszarów wiejskich (niska gęstość zaludnienia i rozproszona zabudowa) sprawia, że projektowanie złożonych sieci kanalizacyjnych jest bardzo trudne, a co ważniejsze, nieopłacalne.

Rozpatrywany problem dotyczy niemałej liczby miejscowości, mamy w Polsce 1594 gmin o ludności do 10 000 mieszkańców (64,3% wszystkich). Natomiast miast o liczbie mieszkańców do 10 000 jest 510 (55,5%) [3].

Stan gospodarki ściekowej w Polsce

Odsetek ludności korzystającej z oczyszczalni ścieków stale wzrasta. W 2015 r. wynosił on 72,7%, przy czym w miastach jest to blisko 95% mieszkańców, natomiast na terenach wiejskich 40%.

Stan gospodarki ściekowej pod kątem korzystania z oczyszczalni ścieków w poszczególnych województwach przedstawiono na rys. 1 [4].

W tab. 1 scharakteryzowano polskie miejscowości pod względem liczby funkcjonujących oczyszczalni ścieków dla analizowanych w artykule wielkości oczyszczalni (liczba mieszkańców do 10 000).

Warto zwrócić uwagę, że połowa (dokładnie 50,4%) oczyszczalni ścieków w Polsce obsługuje miasta mające do 10 000 mieszkańców. Wśród wszystkich gmin wiejskich jednostki osadnicze, które użytkują obiekty oczyszczalni, stanowią 89%.

Na rys. 2 przedstawiono ilościowo stosowane sposoby gospodarowania ściekami pochodzącymi z pojedynczych gospodarstw domowych w Polsce. W ciągu ostatnich kilku lat obserwuje się znaczący spadek liczby eksploatowanych zbiorników bezodpływowych, natomiast wzrasta liczba indywidualnych oczyszczalni ścieków.

Liczba zbiorników bezodpływowych spadła z ok. 2192 tys. w 2014 r. do 2136 tys. w 2015 r. (o 2,6%), podczas gdy liczba przydomowych oczyszczalni ścieków wzrosła z ok. 181 tys. w 2014 r. do 203 tys. w 2015 r. (o 11,9%).

Większość, bo prawie 85% przydomowych urządzeń do odprowadzania nieczystości zlokalizowana była na obszarach wiejskich. Znajdowało się tam ok. 84% ogółu zbiorników bezodpływowych i ok. 92% ogólnej liczby przydomowych oczyszczalni ścieków [3].

Dostępne technologie oczyszczania ścieków

Biologiczne oczyszczanie ścieków bytowych oraz komunalnych polega na usuwaniu zanieczyszczeń organicznych, oraz związków biogennych, tj. azotu i fosforu, w postaci rozpuszczonej i cząsteczkowej (koloidy oraz zawiesiny).

Zanieczyszczenia organiczne stanowią najważniejszą grupę zanieczyszczeń ścieków bytowych oraz komunalnych, ich znaczna część stosunkowo łatwo podlega procesom biologicznej biodegradacji. Obecnie oczyszczanie ścieków na obszarach o niewielkiej liczbie mieszkańców nadal skupia się przede wszystkim na konwencjonalnych sposobach (reaktory osadu czynnego czy złoża biologiczne) [2, 5]. Charakterystykę możliwych dla zastosowania technologii oczyszczania ścieków przedstawiono w tab. 2.

Metoda osadu czynnego polega na usuwaniu zanieczyszczeń przez mikroorganizmy tworzące charakterystyczne skupiska, pływające w ściekach poddawanych oczyszczaniu. Zależnie od systemu procesy mogą być prowadzone w warunkach wyłącznie tlenowych lub wielofazowo – w warunkach beztlenowych, anoksycznych i tlenowych. Stąd konieczne są systemy napowietrzania (sprężonym powietrzem, mechaniczne – aeratory powierzchniowe, hydrauliczne) oraz mieszania osadu czynnego (żeby osad w bioreaktorach nie podlegał sedymentacji).

Przy zastosowaniu tej metody wymagane są osadniki wtórne oraz układy recyrkulacji osadu czynnego i odprowadzania osadu nadmiernego [2, 6]. Najważniejsze elementy techniczne układu oczyszczania z osadem czynnym przedstawiono na rys. 3.

W związku z tym, że wzrost zespołów mikroorganizmów następuje w warunkach stałego przepływu ścieków, konwencjonalne oczyszczalnie z osadem czynnym są mało przydatne dla obszarów użytkowanych sezonowo, przede wszystkim ze względu na nierównomierność dopływu ścieków. Należy podkreślić, że oczyszczalnie z osadem czynnym wymagają stałego obciążenia hydraulicznego oraz ładunkiem zanieczyszczeń [5, 7].

Usuwanie zanieczyszczeń organicznych metodą złóż biologicznych odbywa się przy udziale mikroorganizmów bytujących na powierzchni specjalnego materiału wypełniającego złoże, tworząc błonę biologiczną.

Oczyszczanie ścieków tą metodą polega na sorpcji zanieczyszczeń organicznych na powierzchni błony, a następnie ich wykorzystywaniu przez mikroorganizmy jako pokarmu. Zasadniczo proces oczyszczania ścieków na złożach biologicznych przebiega w warunkach tlenowych.

Realizacja procesu biochemicznego rozkładu zanieczyszczeń wymaga zastosowania osadnika wtórnego lub mikrosita połączonego hydraulicznie ze złożem, w którym od oczyszczonych ścieków oddzielane są kawałki błony biologicznej. Stosuje się również urządzenia do recyrkulacji części oczyszczonych ścieków celem zmniejszenia stężenia zanieczyszczeń doprowadzanych oraz uzyskania obciążenia hydraulicznego umożliwiającego zrywanie części błony biologicznej [2, 6].

Obecnie najczęściej stosowane są układy oczyszczania ze złożem zanurzonym, zanurzonym fluidalnym i obrotowym. Schematyczne przekroje poprzeczne przez złoże zanurzone oraz obrotowe przedstawiono na rys. 4 i rys. 5.

Złoże zanurzone jest rodzajem złoża biologicznego umieszczonego pod powierzchnią ścieków w sposób stały. W konstrukcjach tych najczęściej wykorzystuje się pakietowe wypełnienia z tworzyw sztucznych.

W złożach zanurzonych napowietrzanie realizowane jest za pomocą sprężonego powietrza doprowadzonego od dołu poprzez rury perforowane lub dyfuzory drobnopęcherzykowe.

Z kolei złoże obrotowe składa się z zestawu porowatych, częściowo zanurzonych w ściekach tarcz z wykształconą błoną biologiczną. Podczas zanurzania następuje kontakt błony ze ściekami, a podczas wynurzania natlenianie błony. Jej nadmiar oderwany od obracających się tarcz jest zbierany w dolnej części zbiornika i okresowo przepompowywany. Tarcze napędzane są silnikiem elektrycznym lub wdmuchiwanym sprężonym powietrzem [5, 7].

Oczyszczalnie ze złożem biologicznym nie wymagają stałej specjalistycznej obsługi, jak w przypadku osadu czynnego, co wiąże się z niskimi kosztami eksploatacji. Pewne ograniczenia stosowania tej metody wynikają z powstawania osadów wstępnych i wtórnych oraz braku możliwości biologicznego usuwania fosforu ze ścieków [5].

Oczyszczanie ścieków w systemach hydrofitowych jest wynikiem współdziałania procesów mechanicznych, chemicznych i biologicznych zachodzących w środowisku gruntowo-wodnym przy udziale roślin. Wysokie efekty oczyszczania osiągane są zarówno w zakresie zawiesiny, materii organicznej wyrażonej w BZT₅ i ChZT, jak i związków biogennych. W oczyszczalniach hydrofitowych zachodzi dodatkowo wysokoefektywne usuwanie ze ścieków metali ciężkich, które kumulują się w złożu lub/i roślinach.

W przeciwieństwie do tradycyjnych urządzeń biologicznych systemy hydrofitowe nie wytwarzają wtórnych osadów ściekowych. Do swej pracy nie potrzebują zasilania energią elektryczną lub potrzebują jej znikome ilości. Oczyszczalnie te charakteryzują się odpornością na nierównomierność dopływu ścieków, dlatego są przydatne dla obszarów wiejskich i rekreacyjnych, przy obiektach użytkowanych sezonowo, jak domy wczasowe, ośrodki wypoczynkowe itp. [8, 10, 11]. Przekrój przez typowe złoże hydrofitowe przedstawiono na rys. 6.

Technologia oczyszczalni hydrofitowych wpisuje się w założenia inżynierii ekologicznej co do uzyskiwania wysokich efektów (oczyszczania ścieków) przy wykorzystaniu niewielkiej ilości energii ze źródeł zewnętrznych oraz zasobów (na inicjację procesu oczyszczania – zbudowanie oczyszczalni), przy produkcji mniejszej ilości odpadów (osadów ściekowych) i przy jak najmniejszych stratach w środowisku. Przy zastosowaniu naturalnych metod oczyszczania ścieków możliwe jest uzyskanie najwyższego stopnia oczyszczenia przy minimalnym nakładzie kosztów, co wraz z pozostałymi wymienionymi wcześniej zaletami tego procesu stawia go na pierwszym miejscu obok metod osadu czynnego czy złóż biologicznych [9, 11].

Możliwe rozwiązania gospodarki ściekowej na obszarach niezurbanizowanych

Podstawą decyzji o wyborze odpowiedniego rozwiązania techniczno-technologicznego małej oczyszczalni ścieków powinna być staranna analiza rozwiązań z uwzględnieniem kryteriów zrównoważonego rozwoju, obejmujących w sposób zintegrowany aspekty technologiczne, środowiskowe, ekonomiczne i społeczne. Przedstawione na rys. 7 kryteria oceny stosowania i wyboru technologii oraz rozwiązań małych oczyszczalni uwzględniają zasady wyboru systemu oczyszczania ścieków zgodne z kryteriami zrównoważonego rozwoju [5].

Analizując gospodarkę wodno-ściekową na terenach o zabudowie rozproszonej, wyróżnić można trzy dostępne rozwiązania problemu oczyszczania ścieków bytowych [1]:

• wariant 1 – budowa lokalnej oczyszczalni ścieków wraz z siecią kanalizacyjną grawitacyjną i ciśnieniową,
• wariant 2 – budowa przydomowej oczyszczalni ścieków,
• wariant 3 – budowa szczelnych zbiorników bezodpływowych (szamb).

Analizę ekonomiczną poszczególnych wariantów przeprowadzono na przykładzie miejscowości liczącej 180 mieszkańców.

Wariant 1

Zastosowanie kanalizacji grawitacyjnej jest ekonomicznie uzasadnione wtedy, gdy sprzyjające jest ukształtowanie terenu, czyli spadek terenu w zlewni pokrywa się z kierunkiem transportu ścieków. W takim przypadku budowa lokalnej oczyszczalni wraz z siecią grawitacyjną (i jeśli zachodzi konieczność – ciśnieniową) jest rozsądnym rozwiązaniem.

Największy wpływ na koszty całego przedsięwzięcia ma długość sieci kanalizacyjnej, bardzo często koszt jej wykonania znacznie przekracza nakłady potrzebne na wybudowanie samej oczyszczalni. Związane jest to oczywiście z rozproszoną zabudową osad wiejskich, gdzie znaczne odległości między gospodarstwami wymuszają konieczność budowy długich sieci kanalizacyjnych [1].

W tab. 3 podano szacunkowe koszty inwestycyjne związane z wykonaniem sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni ścieków.

Wariant 2

Przydomowe oczyszczalnie ścieków (tzw. POŚ) są definiowane jako obiekty obsługujące do 50 RLM, ich maksymalna przepustowość wynosi 5 m³/dobę (zgodnie z przepisami Prawa wodnego [13]). Istnieje kilka rodzajów możliwych do zastosowania oczyszczalni, dlatego należy zawsze przeanalizować wybór dla konkretnej miejscowości.

W tab. 4 zaprezentowano ogólne koszty trzech systemów indywidualnych oczyszczalni ścieków proponowanych dla gospodarstw domowych.

Koszty inwestycyjne takich obiektów różnią się w zależności od rodzaju oczyszczalni: dla systemu hydrofitowego jest to ok. 2050 zł, a dla złoża biologicznego czy systemu osadu czynnego 3189 zł na 1 mieszkańca.

Wariant 3

Przy ustalaniu rzeczywistych kosztów inwestycji zbiornika bezodpływowego należy uwzględnić także budowę zbiorczej oczyszczalni, do której ścieki z tych zbiorników powinny być transportowane. Średni koszt inwestycyjny zastosowania zbiorników bezodpływowych w przeliczeniu na osobę wynosi ponad 2000 zł i jest porównywalny z kosztem budowy przydomowych oczyszczalni ścieków.

W odniesieniu do kosztów eksploatacyjnych jest to zdecydowanie najdroższe rozwiązanie – ok. 33 zł/m³, uwzględniając koszty gromadzenia i opłatę za oczyszczenie ścieków [1].

W tab. 5 podsumowano poszczególne rozwiązania pod względem koniecznych nakładów inwestycyjnych i eksploatacyjnych.

Wariant 1 wydaje się rozwiązaniem najdroższym, ponieważ koszty inwestycyjne wynoszą w tym przypadku ok. 6442 zł na jednego mieszkańca, a roczne koszty eksploatacji również są wysokie. Największy wpływ na koszty eksploatacji ma roczna stawka amortyzacyjna (przyjmuje się najczęściej ok. 4,5%). Ponadto w przypadku lokalnej oczyszczalni ścieków istnieje potrzeba zatrudnienia wyspecjalizowanej kadry.

Analiza ekonomiczna prezentowanych opcji pokazuje znaczące różnice w kosztach unieszkodliwiania ścieków.

Najwyższy jednostkowy wskaźnik inwestycyjny ma system sieciowy (wariant 1).

Z kolei najniższe koszty inwestycyjne występują w wariancie 2 (2050 zł na osobę).

Z analizy kosztów eksploatacji wynika, że najwyższe nakłady finansowe związane są z utrzymaniem zbiorników bezodpływowych ze względu na ich specyfikę działania, natomiast koszty eksploatacji oczyszczalni hydrofitowych są niskie i wynoszą niewiele ponad 2 zł za 1 m³ ścieków.

Podsumowanie

• Wybór sposobu oczyszczania ścieków na obszarach o zabudowie rozproszonej powinien się opierać na kryteriach środowiskowych (wpływ na środowisko naturalne i estetykę), kryteriach technicznych (prostota obsługi i konserwacji, jak również bezpieczeństwo w razie awarii) oraz ekonomicznych (koszty inwestycji i eksploatacji), a także kryterium niezawodności działania.
• W aspekcie finansowym powinny być brane pod uwagę zarówno koszty inwestycyjne, jak i koszty utrzymania.
• Przeprowadzona analiza wykazała, że najlepszym rozwiązaniem gospodarki ściekowej na obszarach niezurbanizowanych jest w dłuższej perspektywie stosowanie indywidualnych oczyszczalni ścieków pracujących w technologii złóż hydrofitowych.

Literatura

1. Gajewska M., Kołecka K. i in., Pre-feasibility study for treatment wetland application for wastewater treatment in dispersed development, „Journal of Ecological Engineering” Volume 17, Issue 3, 2016, p. 79–86.
2. Geneja M., Technologia oczyszczania ścieków. Ścieki bytowe i komunalne. Materiały do wykładu z przedmiotu Technologia Wody i Ścieków, Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Katedra Technologii Wody i Ścieków, Gdańsk 2014, s. 222–224, 232–233, 244.
3. Główny Urząd Statystyczny, Infrastruktura komunalna w 2015 r., Warszawa 2016.
4. Główny Urząd Statystyczny, Ochrona Środowiska 2016 r., Warszawa 2016.
5. Grygorczuk-Petersons E., Boruszko D. i in., Techniczne, prawne i ekonomiczne uwarunkowania stosowania przydomowych oczyszczalni ścieków, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko, Białystok 2015, s. 8, 38–39.
6. Heidrich Z., Zasady projektowania przydomowych oczyszczalni ścieków, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 6/2004, s. 209–211.
7. Miksch K., Sikora J., Biotechnologia ścieków, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010, s. 111, 142.
8. Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M., Wojciechowska E., Hydrofitowe oczyszczanie wód i ścieków, PWN, Warszawa 2010, s. 1–4, 49–69, 130–146, 240–264.
9. Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M. i in., Nowe aplikacje technologii hydrofitowej w gospodarce komunalnej, „Technologia Wody” nr 5, s. 39–45.
10. Sadecka Z., Zalety i wady oczyszczalni hydrobotanicznych, „Ekotechnika” nr 4/2005, s. 24–27.
11. Vymazal J., Removal of nutrients in various types of constructed wetlands, „Science of Total Environment”, 2007, 380, p. 48–65.
12. www.enviropro.co.uk/entry/115537/ARM-Ltd/Forced-Bed-Aeration (11.01.2017).
13. Ustawa z dnia 18 lipca 2001 r. Prawo wodne (DzU 115/2001, poz. 1229, ze zm.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!