Dynamika zmian jednostkowej dobowej ilości ścieków w jednorodzinnym gospodarstwie domowym

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 (q_w) oraz ilości wody bezpowrotnie zużytej (q_b).

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 (q_b) wynosił od 0,2 dm³/(M ∙ d) (grudzień 2007) do 134,2 dm³/(M ∙ d) (maj 2006).

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).

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 q_j, 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 (q_j^r) kształtowała się na poziomie 29,0–56,6 m³/(M ∙ a) i ma wyraźną tendencję spadkową w czasie (rys. 4). Średnia wartość rocznego wskaźnika q_j^r 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).

Maksymalne wartości q_j 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 q_j kształtowała się na poziomie od 25,5 do 65,4 dm³/(M ∙ d).

Analiza średnich wartości wskaźnika q_j 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 q_j (rys. 7).

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 q_j 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 q_j 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 q_j 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].

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 q_j = 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

1. Bajer J., Iwanejko R., Dynamika zmian jednostkowego zużycia wody w wybranych miastach Polski południowej, „Instal” nr 4/2014.
2. Batóg B., Batóg J., Analiza tendencji zużycia wody w polskich miastach w sektorze gospodarstw domowych, „Zarządzanie i Finanse” nr 3/2013.
3. Chotkowski W., Lis G., Krótkoterminowe prognozowanie dopływu ścieków do oczyszczalni na podstawie ilości zużywanej wody, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 5/2006.
4. Heidrich Z., Jędrzejkiewicz J., Analiza zużycia wody w miastach polskich w latach 1995–2005, „Ochrona Środowiska” nr 4/2007.
5. Heidrich Z., Kozak T., Ocena stopnia wykorzystania przepustowości istniejących miejskich oczyszczalni ścieków w Polsce, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 12/2008.
6. Heidrich Z., Stańko G., Ilość i jakość ścieków dopływających do miejskiej oczyszczalni ścieków, „Przegląd Komunalny” nr 7/2003.
7. Heidrich Z., Witkowski A., Urządzenia do oczyszczania ścieków, Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2010.
8. Kaczor G., Jednostkowe odpływy ścieków z kanalizacji wiejskiej w gminie Koszyce, „Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich” nr 2/2006.
9. Kłoss-Trębakiewicz H., Osuch-Pajdzińska E., Analiza tendencji zmian zużycia wody w miastach polskich, „Ochrona Środowiska” nr 4/2005.
10. 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.
11. Masłoń A., Charakterystyka jednostkowych dobowych ilości ścieków bytowo-gospodarczych w województwie podkarpackim, „Technologia Wody” nr 2/2014.
12. Mikołajczyk M., Analiza jednostkowych wskaźników zużycia wody w gospodarstwach domowych w warunkach miejskich i wiejskich, „Instal” nr 2/2012.
13. Nowakowski E., Zużycie wody wodociągowej w budynkach mieszkalnych, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2010.
14. Pawełek J., Kaczor G., Jednostkowe zużycie wody w gospodarstwie domowym w 8-letnim okresie obserwacji, „Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich” nr 2/2006.
15. 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.
16. 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.
17. Rocznik Statystyczny Województw 2014, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa, grudzień 2014 r.
18. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r. w sprawie określenia przeciętnych norm zużycia wody (DzU nr 8, poz. 70).
19. Żuchowicki A., Gawin R., Struktura zużycia wody w budynkach jednorodzinnych, „Rocznik Ochrona Środowiska” nr 15/2013.