Dynamika zmian jednostkowej dobowej ilości ścieków w jednorodzinnym gospodarstwie domowym
Dynamics of daily amount of domestic wastewater generated in a single-family detached home
Dynamika zmian jednostkowej dobowej ilości ścieków w jednorodzinnym gospodarstwie domowym
arch. redakcji
W praktyce inżynierskiej rzeczywista ilość ścieków oraz nierównomierność ich dopływu do oczyszczalni ścieków to podstawowe dane, które determinują prawidłowe zaprojektowanie infrastruktury wodno-ściekowej. W praktyce pomiędzy wartościami obliczeniowymi a rzeczywistymi występują znaczne różnice. Zaprezentowane badania dobowej ilości powstających ścieków w gospodarstwie domowym stanowią wskazówkę dla projektantów w procesie wyznaczania bilansu ścieków dopływających do oczyszczalni oraz dla eksploatatorów oczyszczalni przy prognozowaniu charakterystycznych przepływów oraz prac remontowych i modernizacyjnych.
Zobacz także
Xylem Water Solutions Polska Sp. z o.o. Inteligentny system pompowania ścieków Flygt ConcertorTM
Jak wybrać rozwiązanie do przepompowni, które sprosta każdej sytuacji? Odpowiedzią jest pierwszy na świecie zintegrowany inteligentny system pompowania ścieków Flygt ConcertorTM – nowatorskie rozwiązanie...
Jak wybrać rozwiązanie do przepompowni, które sprosta każdej sytuacji? Odpowiedzią jest pierwszy na świecie zintegrowany inteligentny system pompowania ścieków Flygt ConcertorTM – nowatorskie rozwiązanie zapewniające użytkownikowi najwyższą jakość i skuteczność działania przy znacznie ograniczonych kosztach operacyjnych.
HAP Armatura HAP – nowoczesna hurtownia instalacyjna
Praca instalatora to niełatwe zadanie. Ciągłe zmagania z Klientami i zmieniającym się rynkiem mogą uprzykrzać pracę i zafundować kilka siwych włosów. Zapewne nie raz spotkałeś Klienta, który przeszukiwał...
Praca instalatora to niełatwe zadanie. Ciągłe zmagania z Klientami i zmieniającym się rynkiem mogą uprzykrzać pracę i zafundować kilka siwych włosów. Zapewne nie raz spotkałeś Klienta, który przeszukiwał Internet w poszukiwaniu tańszych produktów, bo Twoja oferta wydawała się nieatrakcyjna. Albo czekała Cię godzina tłumaczeń, bo wujek Google podpowiedział mu, co będzie dla niego najlepsze, oczywiście nie uwzględniając podstawowych parametrów, przez co nie do końca była to dobra opcja... Montaż zaplanowany,...
RESAN pracownia projektowa Instalacja wodno-kanalizacyjna: niezawodna i bezpieczna
Każdy budynek musi być wyposażony w instalację wodociągową i kanalizacyjną. Ważne jest nie tylko zapewnienie ciągłości dostawy wody do całego budynku i nieuciążliwy odbiór ścieków, ale też aspekty bezpieczeństwa.
Każdy budynek musi być wyposażony w instalację wodociągową i kanalizacyjną. Ważne jest nie tylko zapewnienie ciągłości dostawy wody do całego budynku i nieuciążliwy odbiór ścieków, ale też aspekty bezpieczeństwa.
Opracowanie bilansu ilościowo-jakościowego dla komunalnych systemów oczyszczania ścieków opiera się najczęściej na prognostycznych danych wyjściowych.
Podstawą do projektowania miejskich oczyszczalni ścieków jest średnia dobowa i maksymalna godzinowa ilość ścieków poddawanych oczyszczaniu. Prognozowanie ilości powstających ścieków bytowo-gospodarczych jest dosyć kłopotliwe. Projektanci posługują się najczęściej wartościami jednostkowymi w przeliczeniu na jednego mieszkańca w skali doby. Powszechnie ilość ścieków bytowo-gospodarczych określa się iloczynem zużycia wody przez jednego mieszkańca i liczby mieszkańców [3, 5, 6, 7].
Jednostkowa dobowa ilość ścieków odprowadzana z gospodarstw domowych może być przyjmowana na podstawie polskich wytycznych do obliczania zapotrzebowania na wodę w miejskich jednostkach osadniczych, które zalecają wartości na poziomie 140–160 dm3/(M ∙ d) w odniesieniu do mieszkań z pełnym wyposażeniem sanitarnym, lokalnym urządzeniem do podgrzewania wody i zbiorczą kanalizacją oraz 80–100 dm3/(M ∙ d) dla mieszkań z niepełnym wyposażeniem sanitarnym i lokalną kanalizacją bądź zbiornikiem bezodpływowym [18]. Przyjmuje się wówczas ilość ścieków równą strumieniowi wody zużytej.
Podobne kryteria postulują Heidrich i Witkowski [7]: przeciętna jednostkowa ilość ścieków dla miejskich jednostek osadniczych wynosi 120–150 dm3/(M ∙ d), a dla terenów wiejskich 80–100 dm3/(M ∙ d).Odnotowuje się jednak znaczne różnice pomiędzy wartością obliczeniową i rzeczywistą.
Obserwowana tendencja spadkowa zużycia wody w Polsce [1, 2, 4, 10, 16] skutkuje zmniejszeniem ilości powstających ścieków komunalnych. W tej sytuacji taki sposób określania przepływów charakterystycznych wydaje się zdezaktualizowany. Weryfikacja przyjętych założeń projektowych skutkuje często mniejszą ilością ścieków dopływających do oczyszczalni, w wyniku czego wiele obiektów, przede wszystkim małych i średnich, funkcjonuje w warunkach niedociążenia hydraulicznego [3, 8].
Zagadnienia analizy oraz dynamiki zmian jednostkowego zużycia wody na cele bytowo-gospodarcze były przedmiotem wielu badań [1, 2, 9, 12, 13, 15, 19]. Brakuje z kolei rozważań naukowych i technicznych związanych z określeniem jednostkowej dobowej ilości ścieków.
Uznaje się najczęściej, że jednostkowa dobowa ilość ścieków bytowo-gospodarczych stanowi wartość dobowego zużycia wody. Niemniej obserwuje się tendencję opomiarowania gospodarstw domowych, przede wszystkim na terenach wiejskich i małych miast, w wodomierze wody bezpowrotnie zużytej oraz wody deszczowej wykorzystanej w celach poza konsumpcyjnych (podlewanie trawnika, pranie itp.).
Możliwa staje się również ankietyzacja społeczeństwa w celu określenia ilości powstających ścieków [11]. W artykule poddano analizie dynamikę zmian ilości ścieków bytowo-gospodarczych powstających w jednorodzinnym gospodarstwie domowym w latach 2003–2014.
Obiekt badawczy
Analizę jednostkowej dobowej ilości ścieków bytowo-gospodarczych przeprowadzono dla lat 2003–2014 w oparciu o archiwalne rozliczenia zużycia wody i odprowadzania ścieków (rachunki, faktury) dokonywane na podstawie odczytów wskazań wodomierza głównego dla wody wodociągowej oraz dodatkowego wodomierza mierzącego ilość wody bezpowrotnie zużytej.
Analizie poddano gospodarstwo domowe w miejscowości Żabno w powiecie tarnowskim (Małopolska) – dwukondygnacyjny budynek jednorodzinny o powierzchni ok. 120 m2. W początkowym okresie badań był on zamieszkiwany przez cztery osoby dorosłe (2003–2006), a w latach 2007–2014 przez trzy osoby.
Gospodarstwo było wyposażone w urządzenia wodociągowo-kanalizacyjne na poziomie IV klasy wg [18]. Woda doprowadzana była siecią wodociągową, a ścieki odprowadzane zbiorowym systemem kanalizacyjnym. Budynek był wyposażony w wodomierz główny oraz podlicznik wody bezpowrotnie zużytej. Woda na cele bytowe była czerpana z dziewięciu punktów (zlew kuchenny, wanna, kabina prysznicowa, trzy baterie umywalkowe, dwie miski ustępowe, pralka automatyczna). Z kolei woda bezpowrotnie zużyta pobierana była z dwóch punktów czerpalnych i wykorzystywana w procesie hodowli drobnego inwentarza i drobiu oraz do utrzymania czystości budynku mieszkalnego i posesji, mycia samochodu, a także pielęgnacji ogrodu (podlewanie roślin, trawnika itp.).
Rozliczenia za dostarczaną wodę wodociągową oraz odprowadzanie ścieków, z uwzględnieniem wody bezpowrotnie zużytej, prowadzone były w latach 2003–2014 z częstotliwością jednego miesiąca, czasami w cyklach dwumiesięcznych i kwartalnych.
Zebrane dane posłużyły do obliczenia jednostkowej dobowej ilości ścieków bytowo-gospodarczych (qj) poprzez pełną charakterystykę statystyczną (wartości maksymalne, minimalne i średnie, odchylenie standardowe, mediana, współczynnik zmienności, rozstęp oraz percentyl 15% i 85%) w skali roku, miesięcy, kwartałów oraz pór roku. Określono także rozkład częstości występowania wartości qj dla całego rozpatrywanego okresu. Dodatkowo dokonano ogólnej analizy jednostkowego dobowego zużycia wody przez mieszkańców w gospodarstwie (qw) oraz ilości wody bezpowrotnie zużytej (qb).
Analiza wyników i dyskusja
Konfrontacja zużycia wody oraz ilości powstających ścieków bytowo-gospodarczych wykazała, że blisko 15% strumienia wody wykorzystanej w gospodarstwie domowym stanowiła woda bezpowrotnie zużyta (rys. 1, tab. 1). Jednostkowy jej wskaźnik w przeliczeniu na 1 mieszkańca (qb) wynosił od 0,2 dm3/(M ∙ d) (grudzień 2007) do 134,2 dm3/(M ∙ d) (maj 2006).
Tabela 1. Jednostkowe zużycie wody, ilość wody bezpowrotnie zużytej oraz jednostkowa ilość ścieków bytowo-gospodarczych w latach 2003–2014 [dm3/(M ∙ d)]
Rys. 2. Zależność pomiędzy zużyciem wody a ilością powstających ścieków bytowo-gospodarczych (n = 4383)
W analizowanym okresie wartość jednostkowego dobowego zużycia wody kształtowała się na poziomie 78,1–275,6 dm3/(M ∙ d), a jednostkowa dobowa ilość ścieków wynosiła od 62,5 do 220 dm3/(M ∙ d). Co oczywiste, odnotowano zależność statystyczną pomiędzy zużyciem wody a ilością powstających ścieków bytowo-gospodarczych (rys. 2), jednak nie zawsze wysokim wartościom qw odpowiadały wysokie ilości qj.Przedstawione w tabelach wyniki pozwalają w sposób syntetyczny określić dynamikę zmian jednostkowej ilości ścieków w cyklach rocznych (tab. 2) i miesięcznych (tab. 3).
Tabela 2. Charakterystyka jednostkowej dobowej ilości ścieków bytowo-gospodarczych w analizowanym gospodarstwie domowym w latach 2003–2014
Z analizy histogramu i dystrybuanty rozkładu wskaźnika qj wynika, że dominujący przedział jego wartości w analizowanym okresie wynosił 120–140 dm3/(M ∙ d), czyli 37,3% zbioru danych (rys. 3). Najniższe wartości jednostkowe dobowe ilości ścieków na poziomie <70 dm3/(M ∙ d)) stanowiły zaledwie 2,7%, z kolei najwyższe 130–140 dm3/(M ∙ d) – 21,2%.
Wartości zbliżone do średniej arytmetycznej występowały w 8,5% danych. Na zwrócenie uwagi zasługują również przedziały wartości wskaźnika qj na poziomie 70–90 dm3/(M ∙ d) oraz 100–110 dm3/(M ∙ d), które stanowiły odpowiednio 20 i 10% obserwacji. Pozostałe zakresy wartości jednostkowej ilości ścieków [>150 dm3/(M ∙ d)] występowały sporadycznie, średnio 2% obserwacji, a sumarycznie nie przekroczyły 7,5% zbioru danych.
Analiza cyklów rocznych wskazuje na duże zróżnicowanie jednostkowej dobowej ilości ścieków w gospodarstwie domowym. Średnia jednostkowa ilość ścieków wynosiła od 77,4 do 155,4 dm3/(M ∙ d)) w zależności od roku (tab. 2).
Maksymalne wartości qj odnotowano w 2003 i 2005 r., a najniższe w latach 2013–2014. W okresie tym wartość qj nie przekroczyła 90,0 dm3/(M ∙ d). Od 2009 r. obserwuje się systematyczną regresję ilości powstających ścieków.
Tendencja spadku zużycia wody w wyniku jej racjonalnego wykorzystania prezentowana była w wielu pracach [2, 9, 10, 15, 16]. Ponadto badania wykazały, że liczebność mieszkańców w gospodarstwie domowym nie wpływa na poziom jednostkowej dobowej ilości ścieków.
Zarówno w latach 2003–2006, jak i 2007–2014 odnotowano zróżnicowane wartości wskaźnika qj, dla których nie stwierdzono statystycznej zależności względem liczby mieszkańców.
Największą nierównomierność powstających ścieków w analizowanym gospodarstwie odnotowano w 2005 roku (największy rozrzut wartości w całym wieloleciu), a najmniejszą w 2014 r. Określona jednostkowa roczna ilość ścieków (qjr) kształtowała się na poziomie 29,0–56,6 m3/(M ∙ a) i ma wyraźną tendencję spadkową w czasie (rys. 4). Średnia wartość rocznego wskaźnika qjr wyniosła 42,4 m3/(M ∙ a). Analiza ilości powstających ścieków w gospodarstwie domowym w latach 2013–2014 wykazuje, że uzyskane wartości roczne są o ok. 40% mniejsze od średniej dla województwa małopolskiego i średniej dla całego kraju, które wynoszą odpowiednio 49,2 i 46,0 m3/(M ∙ a) [17], przy czym wartości statystyczne oparte są na bezwzględnej ilości ścieków dopływających do komunalnych oczyszczalni, a tym samym mogą uwzględniać np. wody przypadkowe lub infiltracyjne.
Dynamika zmian jednostkowej dobowej ilości ścieków w poszczególnych miesiącach również wskazuje na duże zróżnicowanie. Obserwowana jest tendencja spadkowa ilości ścieków w okresie miesięcznym (tab. 3, rys. 5).
Rys. 5. Przebieg jednostkowej dobowej ilości ścieków w latach 2003–2014 (średnie wartości miesięczne)
Maksymalne wartości qj ścieków odnotowano najczęściej w lipcu (2005, 2006, 2007, 2010, 2011), sierpniu (2006, 2012, 2013) oraz w maju i czerwcu (2003, 2007).
Największa różnica pomiędzy jednostkową ilością ścieków w poszczególnych miesiącach wystąpiła w roku 2005, wynosząc aż 138,8 dm3/(M ∙ d), natomiast najmniejsza na poziomie 11,3 dm3/(M ∙ d) w 2014. W pozostałych latach wartość qj kształtowała się na poziomie od 25,5 do 65,4 dm3/(M ∙ d).
Analiza średnich wartości wskaźnika qj w poszczególnych miesiącach wskazuje, że najwyższe wartości wystąpiły w lipcu – 130,0 dm3/(M ∙ d) i sierpniu – 129,5 dm3/(M ∙ d), a najniższa w marcu – 107 dm3/(M ∙ d) (rys. 6).
Interesująca wydaje się sezonowa dynamika zmian jednostkowej ilości ścieków w poszczególnych kwartałach i porach roku. Kwartalna dynamika zmian jednostkowej dobowej ilości ścieków również wykazuje znaczne zróżnicowanie w rozpatrywanym okresie. Analiza danych wykluczyła dynamikę periodyczną. Okresy kwartalne w poszczególnych latach charakteryzowały się bowiem odmiennym przebiegiem wartości qj (rys. 7).
Rys. 8. Średnia jednostkowa dobowa ilość ścieków bytowo-gospodarczych w poszczególnych kwartałach (średnia wartość dla analizowanego wielolecia)
Najwyższa jednostkowa dobowa ilość ścieków odnotowana została siedmiokrotnie w III kwartale (2005–2007, 2010–2012, 2014), czterokrotnie w II kwartale (2003, 2004, 2008, 2009) i raz w IV kwartale w 2013 r.
Z kolei najniższe wartości qj występowały w I kwartale. Zarówno w II, jak i III kwartale znaczne ilości ścieków związane były z wysokimi temperaturami i w konsekwencji zwiększonym zużyciem wody na cele sanitarne.
Analiza średnich wartości jednostkowej ilości ścieków w ujęciu kwartalnym wskazuje, że najwyższe wartości qj występują w III kwartale(126,7 dm3/(M ∙ d), natomiast najniższe w I kwartale (108,3 dm3/(M ∙ d). Średnia jednostkowa ilość ścieków w III kwartale była wyższa o odpowiednio 16,9%, 6,4% i 13,6% względem I, II i IV kwartału.
Podobnie jak w przypadku analizy kwartalnej, zmiany jednostkowej ilości ścieków w poszczególnych porach roku również były zróżnicowane (rys. 9).
Przebieg zmienności wskaźnika qj pokrywał się częściowo w cyklach kwartalnych i pór roku. Najwyższa jednostkowa dobowa ilość ścieków odnotowana została siedmiokrotnie latem (2005–2007, 2010–2012, 2014), trzykrotnie wiosną (2003–2004, 2009) i dwukrotnie jesienią (2008, 2013).
Analiza danych w całym wieloleciu wskazuje, że średnia jednostkowa ilość ścieków w sezonie letnim [127,3 dm3/(M ∙ d)] była znacznie wyższa niż w pozostałych porach roku, średnio o ok. 10%.
W okresie letnim z oczywistych względów następuje wzrost ilości ścieków związany z kąpielami i częstym praniem. Wiosną średnia wartość qj wyniosła 117,2 dm3/(M ∙ d), a w pozostałych dwóch porach roku była jeszcze niższa, jesienią 112,7 dm3/(M ∙ d) oraz w zimie 108,1 dm3/(M ∙ d). Podobne spostrzeżenia w zakresie sezonowego zużycia wody odnotowali Pawełek i Kaczor [14].
Rys. 9. Średnia dobowa jednostkowa ilość ścieków bytowo-gospodarczych w poszczególnych porach roku (wartość średnia dla analizowanego wielolecia)
Podsumowanie i wnioski
Obserwowana obecnie tendencja spadkowa zużycia wody, wynikająca z kosztów wody wodociągowej, wodooszczędnej armatury sanitarnej oraz edukacji ekologicznej, powodująca zmniejszenie się ilości ścieków bytowo-gospodarczych staje się istotnym problemem zarówno na etapie projektowania, jak i funkcjonowania systemów oczyszczania ścieków.
Prognozy wskazują na utrzymywanie się w najbliższym okresie malejącego zapotrzebowania na wodę w sektorze gospodarstw domowych [2,10]. Odzwierciedleniem takiego stanu rzeczy jest eksploatacja oczyszczalni ścieków, przede wszystkim małych i średnich przepustowości, w warunkach niskiego, poniżej optymalnego, obciążenia hydraulicznego. Właściwe określenie wartości jednostkowej dobowej ilości ścieków na etapie projektowania oczyszczalni determinuje zatem jej poprawne działanie.
Zaprezentowana w artykule dynamika zmian jednostkowej dobowej ilości ścieków powstającej w jednorodzinnym gospodarstwie domowym umożliwia inne spojrzenie na problematykę oszacowania strumienia ścieków względem zużycia wody i w konsekwencji na poprawność sporządzania bilansu ilościowego ścieków komunalnych dopływających do oczyszczalni.
W analizowanym gospodarstwie domowym jednostkowa dobowa ilość ścieków bytowo-gospodarczych kształtowała się na poziomie 62,5–220 dm3/(M ∙ d), przy średniej wartości 116,4 dm3/(M ∙ d). Woda bezpowrotnie zużyta stanowiła średnio 15% wody wykorzystanej w gospodarstwie domowym.
Interpretacja danych wskazuje, że średnia jednostkowa ilość ścieków oszacowana w rozpatrywanym okresie dla gospodarstwa domowego jest porównywalna z wartością wskaźnika qj = 111,0 dm3/(M ∙ d) dla grupy miejscowości o wielkości 2000–5000 mieszkańców w województwie podkarpackim [11].
Przeprowadzone badania stanowią istotną wskazówkę interpretacyjną dla projektantów w celu zdefiniowania racjonalnego bilansu ścieków dopływających do oczyszczalni. Dodatkowo znajomość sezonowej struktury ilości powstających ścieków może być przydatna dla eksploatatorów oczyszczalni w procesie prognozowania charakterystycznych przepływów, a tym samym zaplanowania np. remontów bądź modernizacji wybranych urządzeń czy obiektów.
Analiza ilości ścieków przeprowadzona w sposób zaprezentowany w artykule obarczona jest mniejszym błędem niż obliczenia wykonywane w oparciu o rzeczywiste zużycie wody albo badania ankietowe.
Publikacja powstała w ramach projektu U-547/DS
Literatura
- Bajer J., Iwanejko R., Dynamika zmian jednostkowego zużycia wody w wybranych miastach Polski południowej, „Instal” nr 4/2014.
- Batóg B., Batóg J., Analiza tendencji zużycia wody w polskich miastach w sektorze gospodarstw domowych, „Zarządzanie i Finanse” nr 3/2013.
- Chotkowski W., Lis G., Krótkoterminowe prognozowanie dopływu ścieków do oczyszczalni na podstawie ilości zużywanej wody, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 5/2006.
- Heidrich Z., Jędrzejkiewicz J., Analiza zużycia wody w miastach polskich w latach 1995–2005, „Ochrona Środowiska” nr 4/2007.
- Heidrich Z., Kozak T., Ocena stopnia wykorzystania przepustowości istniejących miejskich oczyszczalni ścieków w Polsce, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 12/2008.
- Heidrich Z., Stańko G., Ilość i jakość ścieków dopływających do miejskiej oczyszczalni ścieków, „Przegląd Komunalny” nr 7/2003.
- Heidrich Z., Witkowski A., Urządzenia do oczyszczania ścieków, Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2010.
- Kaczor G., Jednostkowe odpływy ścieków z kanalizacji wiejskiej w gminie Koszyce, „Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich” nr 2/2006.
- Kłoss-Trębakiewicz H., Osuch-Pajdzińska E., Analiza tendencji zmian zużycia wody w miastach polskich, „Ochrona Środowiska” nr 4/2005.
- Legutko-Kobus P., Rozwój infrastruktury ochrony środowiska w latach 2007–2010 w kontekście dotychczasowej realizacji Strategii Rozwoju Kraju 2007–2015 oraz kluczowych strategii sektorowych, Ministerstwo Rozwoju Regionalnego, Warszawa 2011.
- Masłoń A., Charakterystyka jednostkowych dobowych ilości ścieków bytowo-gospodarczych w województwie podkarpackim, „Technologia Wody” nr 2/2014.
- Mikołajczyk M., Analiza jednostkowych wskaźników zużycia wody w gospodarstwach domowych w warunkach miejskich i wiejskich, „Instal” nr 2/2012.
- Nowakowski E., Zużycie wody wodociągowej w budynkach mieszkalnych, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2010.
- Pawełek J., Kaczor G., Jednostkowe zużycie wody w gospodarstwie domowym w 8-letnim okresie obserwacji, „Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich” nr 2/2006.
- Pawęska K., Bawiec A., Włodek S., Smaga E., Wstępna analiza średniego zużycia wody w jednorodzinnych gospodarstwach domowych, „Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich” nr 1/2013.
- Piasecki A., Analiza wielkości i struktury zużycia wody w miastach Polski, [w:] Ciupa T., Suligowski R. (red.) „Woda w mieście”, Monografie Komisji Hydrologicznej PTG – tom 2, Kielce 2014.
- Rocznik Statystyczny Województw 2014, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa, grudzień 2014 r.
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r. w sprawie określenia przeciętnych norm zużycia wody (DzU nr 8, poz. 70).
- Żuchowicki A., Gawin R., Struktura zużycia wody w budynkach jednorodzinnych, „Rocznik Ochrona Środowiska” nr 15/2013.