Systemy trzcinowe jako metoda odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych dla małych i średnich  oczyszczalni

Według ustawy o odpadach z dnia 14 grudnia 2012 r. [17] przez osady ściekowe rozumie się pochodzące z oczyszczalni ścieków osady z komór fermentacyjnych oraz innych instalacji służących do oczyszczania ścieków. Ilość i skład osadów uzależnione są od sposobu i stopnia oczyszczania ścieków. Ze względu na zaostrzenie wymagań prawnych dotyczących jakości oczyszczanych ścieków (głównie związków biogennych) ilość osadów ściekowych wciąż wzrasta. Dodatkowo na wzrost ich ilości wpływa rozbudowa sieci kanalizacyjnych, jak i powstające nowe oczyszczalnie [1].

Wzrost ilości osadów ściekowych z komunalnych oczyszczalni ścieków pokazano na rys. 1. Według Krajowego Planu Gospodarki Odpadami 2014 [10] tendencja ta ma być w najbliższych latach zachowana, jednak szybkość przyrostu ma ulec znacznemu zmniejszeniu.

Unieszkodliwianie osadów ściekowych polega na ich usuwaniu lub ograniczeniu uciążliwości poprzez spalanie, pirolizę (odgazowanie), utlenianie na mokro, neutralizację chemiczną, chlorowanie lub inne metody, których efektem jest zmniejszenie lub likwidacja uciążliwości osadów. Jedną z metod unieszkodliwiania osadów ściekowych jest tzw. metoda trzcinowa (z ang. STRB – sludge treatment reed beds).

Metoda ta jest powszechnie znana i wykorzystywana w wielu krajach europejskich, m.in. we Francji, Danii, a także w Szwecji, Norwegii, Hiszpanii i Włoszech. We Francji pracuje ok. 120 obiektów tego typu, a w Danii ok. 105. W Danii 15% osadów ściekowych wytwarzanych w konwencjonalnych oczyszczalniach unieszkodliwiana jest w systemach trzcinowych [7]. W Polsce w skali technicznej pracuje m.in. obiekt trzcinowy na terenie konwencjonalnej oczyszczalni ścieków w Gniewinie k. Wejherowa oraz w Zambrowie w woj. podlaskim [14]. Dla mniejszych oczyszczalni ścieków metoda ta stosowana była m.in. w Darżlubiu k. Pucka oraz Nadolu k. Wejherowa.

O przydatności wyżej wymienionej metody dla małych i średnich oczyszczalni ścieków decydują stosunkowo niskie koszty eksploatacji, które stanowią zaledwie 5–10% kosztów powszechnie stosowanych rozwiązań. Te niewysokie koszty związane są z niewielkim zapotrzebowaniem na energię elektryczną oraz brakiem konieczności stosowania dodatkowych substancji chemicznych poprawiających odwadnialność osadów [5]. Dodatkowo eksploatacja systemów trzcinowych nie wymaga stosowania ciężkiego sprzętu. Jest to zatem metoda przyjazna dla środowiska przyrodniczego [9].

Celem publikacji jest przedstawienie systemów trzcinowych do odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych oraz prezentacja wyników badań osadów zdeponowanych w tego typu systemach.

Systemy trzcinowe do unieszkodliwiania osadów ściekowych

Systemy trzcinowe budowane są dla długookresowej, trwającej średnio 10–15 lat, stabilizacji i odwadniania osadów ściekowych. Metoda polega na stosowaniu wielowarstwowych zalewów osadami ściekowymi, najczęściej o niskim stężeniu suchej masy: 0,5–1%. Jest to jej duża zaleta, gdyż unieszkodliwiane osady nie wymagają dodatkowych zabiegów i mogą być kierowane na złoża trzcinowe bezpośrednio z komory osadu czynnego lub poprzez zbiornik uśredniający.

Unieszkodliwianie odbywa się w specjalnie zbudowanych obiektach naziemnych lub ziemnych zasiedlonych najczęściej trzciną. Roślina ta jest stosowana ze względu na szereg zalet. Przede wszystkim jest ona szeroko rozpowszechniona, a w sprzyjających warunkach szybko się rozrasta. Części nadziemne charakteryzują się dużą odpornością mechaniczną, a system podziemny korzeni i kłączy jest bardzo dobrze rozwinięty (dochodzić może nawet do kilku metrów długości).

Po przekwitnięciu, przed okresem zimy źdźbła twardnieją, prawie drewnieją. Pędów trzciny nie kosi się, ponieważ stanowią warstwę ochronną dla kłączy oraz dostarczają im tlen, dodatkowo napowietrzając zdeponowane osady. Stanowią również substancje glebotwórcze [13,16]. Bardzo ważnym elementem systemów trzcinowych jest ułożony na dnie system drenarki połączony z kominkami wentylacyjnymi, który ma dwa zadania. Po pierwsze, odprowadza ze złoża odcieki, które najczęściej zawracane są na początek ciągu technologicznego oczyszczalni, a po drugie, dodatkowo napowietrza złoże i zdeponowane osady.

Mimo podobnej budowy, w odróżnieniu od tradycyjnych poletek ociekowych, gdzie osady ściekowe są odwadniane tylko w oparciu o parowanie z gruntu oraz przesiąkanie części wody, w systemach trzcinowych dzięki obecności trzciny następuje intensyfikacja wielu procesów biochemicznych. Powoduje to nie tylko bardziej intensywne odwadnianie osadów, ale również stabilizację osadów oraz przekształcenie ich w substancję humusową [8]. Pomimo naturalnego charakteru efektywność odwadniania jest porównywalna do tej z zastosowaniem urządzeń mechanicznych. Zawartość suchej masy w odwadnianych osadach może sięgnąć 40%, a nawet więcej [11].

Odwadnianie osadów na złożach trzcinowych przebiega 300 razy szybciej niż w przypadku zwykłych poletek osadowych. Osady odwadniane są długoterminowo (najczęściej 10–15 lat). W tym czasie nie usuwa się ich z systemu, co znacznie zmniejsza koszty. Dzięki obecności trzciny tlen dostarczany jest naturalnie do zdeponowanych osadów. Jego obecność intensyfikuje procesy mikrobiologiczne i zapobiega powstawaniu odorów. Z każdą kolejną warstwą przybywających osadów system korzeniowy trzciny rozrasta się, nie tracąc kontaktu z poprzednimi warstwami. Zapewnia to stałą dobrą przepuszczalność złoża oraz właściwe funkcjonowanie drenażu odwadniającego.

W tradycyjnych poletkach osadowych tylko górna warstwa osadu ulega wysuszeniu, a reszta najczęściej gnije pod spodem, co uniemożliwia dalsze odwadnianie. Natomiast w systemach trzcinowych dolne warstwy osadów ulegają sprasowaniu oraz ciągłej mineralizacji przy udziale tlenu. Po upływie 10–15 lat powstają ustabilizowane osady o właściwościach podobnych do humusu [16, 13, 9].

Obiekty trzcinowe do unieszkodliwiania osadów

Zarówno w Europie, jak i Stanach Zjednoczonych przeprowadzono szereg badań w obiektach wykorzystujących trzcinę do unieszkodliwiania osadów. Obiekty te różniły się znacznie, m.in. liczbą basenów, powierzchnią jednostkową czy rocznym jednostkowym obciążeniem. Liczba basenów wynosiła od 1 (w Polsce) do nawet 18 (w Danii), powierzchnia jednostkowa w obiektach pilotażowych od 0,21 do 0,70 m2/RLM, a roczne jednostkowe obciążenie osadem zmieniało się od 0,1 do 1400 m3/(RLM · rok) [4].

Obecnie obiekty trzcinowe stosowane są zarówno dla przydomowych, jak i dla konwencjonalnych oczyszczalni ścieków. W oczyszczalniach przydomowych za pomocą systemów trzcinowych unieszkodliwiane są osady pochodzące z osadników gnilnych. Są to bardzo małe obiekty wybudowane dla kilku mieszkańców. Natomiast największy system trzcinowy znajduje się w miejscowości Kolding w Danii i unieszkodliwia osady ściekowe z konwencjonalnej oczyszczalni wybudowanej dla 125 000 RLM [11].

W artykule przedstawiono wyniki badań jakości osadów pochodzących z czterech systemów trzcinowych – dwóch znajdujących się w Polsce oraz dwóch duńskich. Charakterystykę tych obiektów podano w tabeli 1.

Procesy odwadniania w systemach trzcinowych

Na złoża trzcinowe dostarczane są najczęściej osady o bardzo dużym uwodnieniu. W analizowanych obiektach w Nadolu, Rudkobing oraz Nakskov do systemu dostarczono osady o średnim uwodnieniu, wynoszącym 99%. Jedynie w przypadku Darżlubia ze względu na inny charakter unieszkodliwianych osadów ich uwodnienie było wyższe i wynosiło ok. 95% [7,18]. Zawartość suchej masy w osadach po długookresowym odwadnianiu w systemach trzcinowych pokazano w tabeli 2.

Uzyskane wyniki badań potwierdzają dużą skuteczność procesu odwadniania. We wszystkich obiektach najwyższą zawartość suchej masy osadów stwierdzono w dolnej warstwie, znajdującej się w systemie najdłużej. W małych oczyszczalniach ścieków zauważono znacznie wyższe zawartości suchej masy. Było to spowodowane tym, że obiekty te były znacznie mniej obciążone osadem, a tym samym proces odwadniania zachodził skuteczniej. Na wyższą zawartość suchej masy wpływała długość czasu bez dostarczania osadów. W obiektach nisko oraz wysoko obciążonych wyższą zawartość suchej masy stwierdzono tam, gdzie osady nie były dostarczane przez dłuższy czas, to jest w Nadolu i Rudkobing.

Na złoża trzcinowe dostarczane są najczęściej osady o bardzo dużym uwodnieniu. W analizowanych obiektach w Nadolu, Rudkobing oraz Nakskov do systemu dostarczono osady o średnim uwodnieniu, wynoszącym 99%. Jedynie w przypadku Darżlubia ze względu na inny charakter unieszkodliwianych osadów ich uwodnienie było wyższe i wynosiło ok. 95% [7, 18]. Zawartość suchej masy w osadach po długookresowym odwadnianiu w systemach trzcinowych pokazano w tabeli 2.

Uzyskane wyniki badań potwierdzają dużą skuteczność procesu odwadniania.

We wszystkich obiektach najwyższą zawartość suchej masy osadów stwierdzono w dolnej warstwie, znajdującej się w systemie najdłużej. W małych oczyszczalniach ścieków zauważono znacznie wyższe zawartości suchej masy. Było to spowodowane tym, że obiekty te były znacznie mniej obciążone osadem, a tym samym proces odwadniania zachodził skuteczniej. Na wyższą zawartość suchej masy wpływała długość czasu bez dostarczania osadów. W obiektach nisko oraz wysoko obciążonych wyższą zawartość suchej masy stwierdzono tam, gdzie osady nie były dostarczane przez dłuższy czas, to jest w Nadolu i Rudkobing.

Czytaj też: Aplikacje i programy dla projektantów i instalatorów >>>

Procesy stabilizacji osadów w systemach trzcinowych

Dzięki obecności trzciny tlen z atmosfery jest transportowany za pośrednictwem pędów roślin do korzeni, a z nich do otaczającego środowiska glebowego. Tworzą się w ten sposób lokalne tlenowe mikrostrefy (z O2), wokół których występują mikrostrefy niedotlenione (bez O2, w obecności NO3–), a po nich mikrostrefy redukcyjne (bez O2 i NO3–). Przyczynia się to do rozwoju mikroorganizmów heterotroficznych, biorących udział w przemianach biochemicznych dopływających zanieczyszczeń. W formujących się mikrosferach, dzięki różnym wartościom potencjałów utleniająco-redukcyjnych, następuje rozkład substancji organicznej oraz przemiany związków azotu. W strefach tlenowych natomiast zachodzą reakcje utleniania szkodliwych produktów reakcji beztlenowych oraz tlenowa stabilizacja osadów [18, 13].

O zachodzącym procesie stabilizacji świadczy spadek zawartości substancji organicznej. Jej zmiany w analizowanych systemach trzcinowych pokazano w tab. 3.

We wszystkich analizowanych osadach najmniejszą zawartość substancji organicznej stwierdzono w najniższej warstwie, która była najdłużej unieszkodliwiana. Wyższe zawartości substancji organicznej stwierdzono w małych oczyszczalniach. Było to prawdopodobnie spowodowane znacznie wyższymi wartościami tego parametru w osadach surowych w porównaniu do obiektów z Danii. W najniższej warstwie osadów we wszystkich analizowanych systemach zawartość substancji organicznej była mniejsza niż 50% s.m.

Właściwości nawozowe osadów ściekowych unieszkodliwianych w systemach trzcinowych

O właściwościach nawozowych decyduje przede wszystkim stężenie związków biogennych, to jest azotu i fosforu. Ich stężenia w osadach ściekowych z analizowanych obiektów pokazano w tab. 4 i tab. 5.

W przypadku azotu we wszystkich analizowanych obiektach jego najmniejsze stężenia stwierdzono w warstwie dolnej. W Darżlubiu, Rudkobing oraz Nakskov stężenie azotu malało wraz z głębokością. Jedynie w Nadolu stwierdzono niewielki wzrost stężania azotu w warstwie środkowej. W systemach trzcinowych ze względu na obecność w pobliżu korzeni i kłączy stref tlenowych i beztlenowych zachodzą procesy nitryfikacji i denitryfikacji, które przyczyniają się do zmniejszenia stężenia azotu [14]. Uzyskane stężenia były porównywalne do stężeń azotu w gnojowicy, które wynoszą średnio 2,0% s.m. [7].

W przypadku fosforu trudno określić jednoznacznie tendencje zmian wraz z głębokością i czasem unieszkodliwiania. W przypadku Nakskov stwierdzono wyraźny spadek wraz z głębokością. Natomiast w pozostałych obiektach najwyższe stężenia fosforu występowały w warstwie środkowej. Najniższe stężenia fosforu, wynoszące ok. 0,2% s.m., stwierdzono w obiekcie w Darżlubiu. Tak niskie stężenia były spowodowane charakterem osadów. W Darżlubiu unieszkodliwiano osady wstępne oraz pochodzące ze zbiorników bezodpływowych. Natomiast w osadach z Danii stwierdzono zdecydowanie wyższe stężenia, nawet powyżej 4% s.m. – powodem było chemiczne strącanie fosforu ze ścieków. Dla porównania średnie stężenie fosforu w gnojowicy wynosi ok. 1,2% s.m. [7]. Stosunkowo wysokie stężenia związków biogennych powodują, że osady ściekowe odwodnione i ustabilizowane w systemach trzcinowych mogą stanowić potencjalne źródło nawozów. W tym celu muszą jednak spełnić warunki określone w rozporządzeniu w sprawie komunalnych osadów ściekowych, dotyczące metali ciężkich [15]. Stężenia wybranych metali w osadach ściekowych pochodzących z analizowanych systemów trzcinowych pokazano w tab. 6.

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że wybrane metale ciężkie w osadach ściekowych unieszkodliwianych w systemach trzcinowych osiągały wartości znacznie poniżej dopuszczalnych obowiązujących przy wykorzystaniu rolniczym.

Dodatkowo przeprowadzone badania potwierdziły, że wieloletnie składowanie osadów porośniętych kłączami trzciny i zmieszanych z masą obumarłych części roślin wytwarza warunki podobne do panujących w pryzmie kompostowej. Zachodzące procesy przyczyniają się do obniżenia liczby bakterii chorobotwórczych i jaj pasożytów naturalnie występujących w świeżych osadach. Liczba bakterii wskaźnikowych w warstwie powierzchniowej osadów (0–10 cm) akumulowanych w systemach trzcinowych zmniejsza się w czasie [12].

 W okresie 3–4 miesięcy od ostatniego dozowania osadów ilość bakterii obniżyła się odpowiednio do 2/100 g osadów dla salmonelli, poniżej 10 /g dla enterokoków i poniżej 200/100 g dla E. coli.

Wnioski

Na podstawie danych dostępnych w literaturze oraz przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski:

1. Systemy trzcinowe mają wiele zalet i mogą być stosowane do unieszkodliwiania osadów ściekowych zarówno z małych, średnich, jak i dużych oczyszczalni ścieków.
2.  systemach trzcinowych bardzo skutecznie zachodzą procesy odwadniania i stabilizacji bez konieczności stosowania dodatkowych środków chemicznych.
3. Osady ściekowe unieszkodliwiane w systemach trzcinowych charakteryzują się stosunkowo wysokimi stężeniami związków bio­gennych.
4. W analizowanych osadach metale ciężkie miały wartości niższe od dopuszczalnych, obowiązujących przy wykorzystaniu rolniczym.
5. Osady ściekowe odwadniane i stabili-zowane w systemach trzcinowych mogą być potencjalną substancją nawozową.

Literatura

1. Bień J., Neczaj E., Worwąg M. et al., Kierunki zagospodarowania osadów w Polsce po roku 2013, „Inżynieria i Ochrona Środowiska” tom 14, nr 4, 2011, s. 375–384.
2. GUS, Ochrona środowiska 2016, Warszawa.
3. Kalisz L., Sałbut J., Wykorzystanie trzciny do odwadniania i mineralizacji osadów stabilizowanych w warunkach beztlenowych. Monografia, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa, 2008.
4. Kołecka K., Długookresowe zmiany specjacji metali ciężkich w osadach ściekowych utylizowanych w złożach trzcinowych, rozprawa doktorska, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2007.
5. Kołecka K., Metody unieszkodliwiania i zagospodarowania osadów ściekowych, monografia „Ochrona i kształtowanie zasobów wodnych na terenach wiejskich”, FDPA, 2017, s. 110–117
6. Kołecka K., Obarska-Pempkowiak H., The quality of sewage sludge stabilized for a long time in reed basins, „Environment Protection Engineering” Vol. 34, No. 3, 2008, p. 13–20.
7. Kołecka K., Obarska-Pempkowiak H., Potential fertilizing properties of sewage sludge treated in the Sludge Treatment Reed Beds (STRB), „Water Science and Technology”, 68 (6), 2013, p. 1412–1418.
8. Kołecka K., Gajewska M., Obarska-Pempkowiak H., Rohde D., Integrated dewatering and stabilization system as an environmentally friendly technology in sewage sludge management in Poland, „Ecological Engineering”, 98, 2017, p. 346–353.
9. Kołecka K., Pyszka J., Zelba K., Charakterystyka jakości odcieków z osadów ściekowych odwadnianych i stabilizowanych w złożach trzcinowych, seria „Ochrona i Inżynieria Środowiska”, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2017.
10. Krajowy Program Gospodarki Odpadami 2014, Załącznik do uchwały nr 217 Rady Ministrów z dnia 24 grudnia 2010 r., poz. 1183.
11. Nielsen S., Sludge drying reed beds, „Water Science and Technology” Vol. 48, No. 5, 2003, p. 101–109.
12. Nielsen S., Helsinge sludge reed beds systems: reduction of pathogenic microorganisms, „Water Science and Technology”, 56 (3), 2007, p. 175–182.
13. Obarska-Pempkowiak H., Gajewska H., Wojciechowska E., Hydrofitowe oczyszczanie wód i ścieków, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
14. Obarska-Pempkowiak H., Kołecka K., Buchholtz K., Gajewska M., Ekoinżynieria w zintegrowanym odwadnianiu i stabilizacji osadów ściekowych w systemach trzcinowych, „Przemysł Chemiczny” Vol. 94, nr 12, 2015, s. 2299–2303.
15. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 6 lutego 2015 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych (DzU 2015, poz. 257).
16. Sobczyk R., Sypuła M., Wykorzystanie makrofitów do przetwarzania osadów ściekowych na mursz, „Forum Eksploatatora” tom 4, 2011, s. 46–48.
17. Ustawa z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach (DzU 2013, poz. 21).
18. Zwara W., Obarska-Pempkowiak H., Polish experience with sewage sludge utilization in reed beds, „Water Science and Technology” 41 (1), 2000, s. 65–68.

Czytaj też: Ochrona przed zalaniem i cofaniem się ścieków >>>