Skuteczność oczyszczania ścieków w żwirze pod drenażem rozsączającym ścieki

Rozbudowa wodociągów wiejskich i podniesienie standardu wyposażenia mieszkań w urządzenia sanitarne spowodowały wzrost ilości ścieków w gospodarstwach domowych. Budowa zbiorczych systemów do zbierania i unieszkodliwiania ścieków jest w wielu przypadkach niemożliwa z powodu rozproszonego budownictwa, niekorzystnej topografii terenu i dużych kosztów inwestycyjnych. W tych warunkach alternatywą może być przydomowa oczyszczalnia ścieków.

W przypadku obszarów wiejskich przydomowe oczyszczalnie ścieków zaleca się stosować na terenach o zabudowie bardzo rozproszonej, gdzie budowa sieci kanalizacyjnych jest z powodów ekonomicznych nieuzasadniona.

Ścieki bytowe mogą być odprowadzane do gruntu, gdy pochodzą z wolnostojących domów zlokalizowanych poza obszarami stref ochrony ujęć wody podziemnej oraz gdy ilość ścieków nie przekracza 5,0 m³ · d–1 [8, 9]. W małych jednostkach osadniczych (wieś) na jednego mieszkańca przyjmuje się jako optymalną jednostkową ilość ścieków q = 120 dm³ · d–1, a w dużych jednostkach (miasto) q = 200 dm³ · d–1 [4].

Celem artykułu jest ocena skuteczności oczyszczania ścieków w złożu gruntowym bez warstwy wspomagającej i z warstwą wspomagającą pod drenażem rozsączającym ścieki. Zakres badań obejmował złoże gruntowe ze żwiru o miąższości 1,3 m bez warstwy wspomagającej i z warstwą wspomagającą z popiołu mineralnego o miąższości 0,2 m.

Przydomowa oczyszczalnia ścieków z drenażem rozsączającym

Przydomowe oczyszczalnie z drenażem rozsączającym buduje się w gruntach dobrze przepuszczalnych (piaski) i kiedy maksymalny poziom zwierciadła wody gruntowej znajduje się co najmniej 1,5 m poniżej poziomu rozsączania ścieków [8, 9]. Ma to na celu doczyszczenie ścieków w strefie aeracji, w tym zatrzymanie bakterii, wirusów i niedopuszczenie do skażenia środowiska naturalnego.

Przydomowa oczyszczalnia ścieków z drenażem rozsączającym to najtańsza i najprostsza oczyszczalnia ścieków bytowych. System ten jest prosty w budowie i eksploatacji, nie wymaga wykwalifikowanej obsługi oraz nadzoru technicznego i laboratoryjnego. Może być obsługiwany przez odpowiednio przeszkolonego właściciela gospodarstwa domowego.

Drenaż rozsączający to urządzenie służące do wprowadzania do gruntu ścieków bytowych wstępnie oczyszczonych w osadniku gnilnym. W wyniku przesączania się przez naturalne warstwy gruntu ścieki ulegają procesom oczyszczania biologicznego pod wpływem bakterii tlenowych i innych mikroorganizmów, które pobierają tlen z powietrza znajdującego się w gruncie.

Drobne zawiesiny stałe i koloidalne są zatrzymywane na powierzchni ziaren piasku. Część ścieków jest pobierana przez korzenie roślin, część podnosi się ku powierzchni terenu dzięki kapilarności gruntu, skąd paruje, a pozostała ilość infiltruje do wód podziemnych.

Na rys. 1 pokazano budowę i zasadę działania przydomowej oczyszczalni ścieków z drenażem rozsączającym. Ścieki spływają grawitacyjnie przykanalikiem (1) z budynku mieszkalnego do osadnika gnilnego (2), w którym czas zatrzymania ścieków powinien wynosić około 2–3 doby, nie mniej niż dobę.

Po osadniku gnilnym ścieki płyną do dozownika (3), który kieruje je do przewodów rozsączających (5) zakończonych rurami wentylacyjnymi (4). Następnie ścieki przez otwory w rurociągach rozsączających rozpływają się w złożu rozsączającym ścieki (7) i dalej infiltrują w głąb gruntu.

W osadniku gnilnym następuje wstępne mechaniczne oczyszczanie ścieków bytowych, w którym BZT5 dopływających ścieków musi być zredukowane co najmniej o 20%, a zawartość zawiesiny ogólnej o co najmniej 50% [8, 9]. Zbyt duża zawartość zawiesin ogólnych w ściekach rozsączanych powoduje bowiem przyspieszenie kolmatacji gruntu pod drenażem rozsączającym, a przez to zmniejsza się okres prawidłowego funkcjonowania urządzenia.

W osadniku gnilnym zachodzą procesy sedymentacji i flotacji, które powodują zatrzymywanie zanieczyszczeń stałych, oraz procesy biologiczne beztlenowego rozkładu osadów zgromadzonych na dnie zbiornika. Ogólna pojemność osadnika gnilnego nie może być mniejsza niż 2,0 m³ [6], a ponadto do 4,0 m³ należy stosować osadniki gnilne dwukomorowe, natomiast powyżej 4,0 m³ trzykomorowe, jeżeli osadniki gnilne nie są wyposażone w kosze filtracyjne.

Jako wypełnienie kosza filtracyjnego stosuje się keramzyt lub puzzolanę. W celu ograniczenia wypływu zawiesiny z osadnika gnilnego dolna krawędź trójnika, kosza filtracyjnego lub osłony powinna być zagłębiona w ściekach na 0,4 m. Z osadnika gnilnego raz lub dwa razy w roku należy usunąć osady zgromadzone na dnie zbiornika.

Rurociągi rozsączające wykonywane są ze sztywnych rur PVC o minimalnej średnicy wewnętrznej 100 mm, perforowanych otworami o średnicy 8,0–10,0 mm w odstępach co 20 cm. Spadek rurociągu rozsączającego wynosi 5–10‰.

Rozstaw rurociągów rozsączających powinien wynosić od 1,5 do 2 m, a głębokość ich ułożenia 0,8–1,2 m. Długość rurociągów rozsączających nie powinna przekroczyć 20 m. W celu zapewnienia wentylacji złoża rozsączającego na końcach rurociągów rozsączających instaluje się rury wentylacyjne z otworami wyniesionymi minimum 0,5 m nad poziom terenu [4].

Złoże rozsączające składa się z tłucznia kamiennego lub płukanego żwiru o średnicy 15–40 mm. Grubość złoża to 30–35 cm, a szerokość 50–120 cm. Warstwa oddzielająca (8 na rys. 1), chroniąca złoże rozsączające przed zamuleniem, może być wykonana z włókniny filtracyjnej lub pięciocentymetrowej warstwy słomy czy papieru [4].

Metodyka badań

Badania skuteczności oczyszczania ścieków w złożu gruntowym ze żwiru pod drenażem rozsączającym wykonano na wybudowanym stanowisku pomiarowym w postaci szczelnego pojemnika o następujących wymiarach: długość 1,20 m, wysokość 1,70 m, szerokość 0,20 m (rys. 2). Pojemnik został wykonany z płyt z tworzywa sztucznego (8), zamocowanych w metalowych ramach (10).

Ścieki ze zbiornika przewodem tłocznym (4) podawano pompą (2) do przewodu rozsączającego o średnicy 100 mm (5), który ułożony został w warstwie złoża rozsączającego (6) wykonanego z kamieni o średnicy 20–40 mm. Pompa była włączana i wyłączana przez sterownik (3). Wymiary warstwy złoża rozsączającego wynoszą: długość 0,50 m, szerokość 0,20 m, wysokość 0,20 m. Ścieki do warstwy złoża rozsączającego filtrowały przez otwór o średnicy 8 mm znajdujący się w dnie przewodu rozsączającego.

Podczas pierwszego cyklu badań ścieki po przefiltrowaniu przez warstwę rozsączającą (rys. 2a) filtrowały przez złoże gruntowe ze żwiru (7). Natomiast podczas drugiego cyklu badań ścieki po przefiltrowaniu przez warstwę rozsączającą filtrowały przez warstwę wspomagającą z popiołu mineralnego (12) w głąb złoża ze żwiru (rys. 2b).

Badania zostały przeprowadzone dla złoża ze żwiru o miąższości 1,30 m i warstwy wspomagającej o miąższości 0,20 m. W dnie stanowiska pomiarowego zostały wykonane trzy otwory (9), które umożliwiały odpływ przefiltrowanych ścieków do naczyń zbierających (11). Pojemnik napełniano żwirem warstwami o miąższości 5 cm i zagęszczano je przez ubijanie.

Do badań użyto ścieków syntetycznych, które sporządzano wg PN-C-04616/10 [7]. Ścieki syntetyczne (ścieki surowe) dozowano trzy razy na dobę, a ich dobowa dawka została określona w zależności od rodzaju złoża gruntowego i minimalnego dopuszczalnego obciążenia hydraulicznego gruntu ściekami według polskich zaleceń [1, 10].

Przed wprowadzeniem ścieków surowych na złoże gruntowe, jak i po przefiltrowaniu ich przez złoże gruntowe oznaczano następujące wskaźniki zanieczyszczenia ścieków [8, 9]: zawiesiny ogólne, BZT5 i ChZT, azot ogólny, fosfor ogólny. Oznaczenia wskaźników zanieczyszczeń w ściekach wykonywano raz na tydzień, uwzględniając czas filtracji ścieków przez złoże gruntowe ze żwiru i warstwę wspomagającą z popiołu mineralnego.

Zawartość poszczególnych frakcji uziarnienia gruntu została określona metodą analizy sitowej. Badania wykonano na trzech próbkach, a uzyskane wyniki wykazały, że jest to żwir [2]. Współczynnik filtracji dla żwiru określono w aparacie Z. Wiłuna ITB-ZW-K2. Pomiar wykonano dla sześciu próbek. Dla badanego żwiru współczynnik filtracji (k) wyniósł 0,005 m³ · s–1.

Znając rodzaj gruntu (żwir) i jego współczynnik filtracji (0,005 m³ · s–1), określono dobową dawkę ścieków (3,0 dm³), odnosząc ją zgodnie z zaleceniami polskimi [1, 10] do długości przewodu rozsączającego ścieki. Obciążenie hydrauliczne przewodu rozsączającego wg zaleceń polskich odnosi się do 1 m długości przewodu i dla żwiru wynosi 15 dm³ · m–1 · d–1. Dobową dawkę ścieków podzielono na trzy dawki po 1,0 dm³ i podawano na złoże rozsączające o godzinie 8.00, 12.00 i 16.00.

Ścieki syntetyczne (surowe) były przygotowywane co sześć dni, a wskaźniki zanieczyszczeń w nich były oznaczane na początku, w środku i na końcu okresu dozowania, po czym zostały uśrednione (tabela 1 i 2). Zawiesiny ogólne oznaczano metodą wagową, BZT5 metodą elektrochemiczną Sensomat firmy Lovibond, a ChZT metodą miareczkowania z dwuchromianem potasu. Azot ogólny i fosfor ogólny oznaczano spektrofotometrem firmy Hach.

Wyniki i ich analiza

Analizując wyniki badań, można stwierdzić, że po przefiltrowaniu ścieków surowych przez żwir bez warstwy wspomagającej (tabela 1) i z warstwą wspomagającą z popiołu mineralnego (tabela 2) nastąpiło obniżenie zawartości zawiesiny ogólnej, BZT5 i ChZT (związków organicznych) oraz azotu ogólnego i fosforu ogólnego (związków biogennych) w ściekach oczyszczonych.

Wykonane badania skuteczności oczyszczania ścieków w złożu gruntowym ze żwiru pokazują (tabela 1), że zawiesiny ogólne nie są usuwane w zadowalającym stopniu i nie spełniają obowiązujących zaleceń [8, 9]. Duża ilość zawiesiny ogólnej wprowadzanej do złoża gruntowego powoduje jego szybką kolmatację [5]. W związku z tym zmniejsza współczynnik przepuszczalności złoża i ogranicza żywotność przydomowej oczyszczalni ścieków z drenażem rozsączającym.

Średnia skuteczność usuwania związków organicznych (oznaczanych wskaźnikiem BZT5 i ChZT) w złożu gruntowym ze żwiru jest wysoka i wynosi powyżej 85%, natomiast średnia skuteczność usuwania azotu ogólnego jest niska – tylko 26%.

Zastosowanie warstwy wspomagającej z popiołu mineralnego o miąższości 0,2 m (tabela 2) znacznie poprawiło średnią skuteczność usuwania zawiesiny ogólnej, bo aż o 46% i tym samym wyniosła ona 99%. Średnia skuteczność usuwania zawiesiny ogólnej w złożu ze żwiru bez warstwy wspomagającej wynosiła 53%, a z warstwą wspomagającą 99%. Poprawiła się również średnia skuteczność usuwania azotu ogólnego, która wzrosła do 45%, tj. o 19%.

Fosfor ogólny, zarówno w złożu gruntowym bez warstwy wspomagającej (tabela 1), jak i z warstwą wspomagającą (tabela 2) był w trakcie badań usuwany, ponieważ w ściekach surowych występował w bardzo małej ilości. Natomiast w ściekach oczyszczonych fosfor ogólny występował w ilościach śladowych (tabela 1 i 2), a jego średnia skuteczność zmniejszenia jest wysoka i wynosi powyżej 90%.

Podsumowanie

W złożu gruntowym z samego żwiru wskaźniki BZT5, ChZT, azotu ogólnego i fosforu ogólnego są usuwane w ilości zgodnej z obowiązującymi zaleceniami [8, 9].

Natomiast zawiesiny ogólne nie są usuwane w zadowalającym stopniu i nie spełniają obowiązujących zaleceń. Dopiero zastosowanie w złożu gruntowym ze żwiru warstwy wspomagającej z popiołu mineralnego o miąższości 0,2 m spowodowało zwiększenie skuteczności usuwania zawiesiny ogólnej oraz azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych.

Przeprowadzone badania pokazują, że przydomowe oczyszczalnie ścieków można również budować w gruntach ze żwiru, ale tylko z warstwą wspomagającą o miąższości co najmniej 0,2 m.

Bardzo dobra efektywność usuwania zawiesiny ogólnej ze ścieków surowych w żwirze z warstwą popiołu mineralnego może być przyczyną szybkiej kolmatacji drenażu rozsączającego. W związku z tym należy tak zaprojektować osadnik gnilny, aby co najmniej 70% zawiesin ogólnych ze ścieków surowych była w nim zatrzymywana.

Literatura

1. CUGW, Budownictwo oczyszczalni ścieków. Wytyczne techniczne projektowania drenaży rozsączających i filtrów piaskowych, Wyd. Katalogów i Cenników, Warszawa 1971.
2. Kalenik M., Ambroziak R., Skuteczność oczyszczania ścieków w złożu gruntowym ze żwiru pod drenażem rozsączającym ścieki, Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych nr 506/2005.
3. Kalenik M., Wilkowska M., Badania modelowe oczyszczania ścieków w żwirze z warstwą wspomagającą, Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych nr 526/2008.
4. Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzanie ścieków, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2009.
5. Łomotowski J., Kolmatacja drenaży rozsączających, V Ogólnopolskie Sympozjum Szkoleniowe „Projektowanie i eksploatacja przydomowych oczyszczalni ścieków”, Poznań-Kiekrz, 1999.
6. PN-EN 12566-1:2004/A1 Małe oczyszczalnie ścieków dla obliczeniowej liczby mieszkańców (OLM) do 50. Prefabrykowane osadniki gnilne.
7. PN-C-04616/10 Woda i ścieki. Badania specjalne osadów. Hodowla standardowego osadu czynnego w warunkach laboratoryjnych.
8. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (DzU nr 137/2006, poz. 984).
9. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 28 stycznia 2009 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (DzU nr 27/2009, poz. 196).
10. Tabernacki J., Heidrich Z., Sikorski M., Kuczewski K., Łomotowski J., Jasiński P., Lipowski K., Album wzorcowych rozwiązań odprowadzania i unieszkodliwiania ścieków bytowo-gospodarczych z wiejskich gospodarstw zagrodowych, IMUZ, Falenty 1990.