Systemy hydrofitowe do oczyszczania ścieków bytowych. Projektowanie według zasad francuskich

Złoża hydrofitowe to jedno z wielu rozwiązań oczyszczalni ścieków na terenach niezurbanizowanych, które może zostać zastosowane w gminach, szkołach, na kempingach, a nawet w pojedynczych domach. Systemy te są wydajne, proste i niezbyt kosztowne, mają estetyczny wygląd, dzięki czemu wkomponowują się w wiejski krajobraz, a także walory edukacyjne [11].

Dotychczas uważano, że wadami tych systemów są: duże zapotrzebowanie na powierzchnię jednostkową przypadającą na mieszkańca i długi czas wypracowania złóż związany z rozwojem roślin.

Obecnie rośliny, najczęściej trzcina pospolita, kupowane są w specjalistycznych hodowlach, np. roślin do oczek wodnych, co znacznie skraca czas ich adaptacji. Natomiast najnowsza wiedza na temat pracy tych obiektów pozwala na zmniejszenie jednostkowej powierzchni niezbędnej do czyszczenia ścieków odprowadzanych przez jednego mieszkańca (RLM) z dotychczas przyjmowanych 7 m²/RLM do zaledwie 2,5 m²/RLM [9, 11].

W Polsce metoda ta ciągle jest jeszcze mało popularna, ponieważ nie ma wytycznych do projektowania takich oczyszczalni, a stosowane rozwiązania techniczne często bazują na wiedzy sprzed dwóch dziesięcioleci, która jest już nieaktualna. Z tego powodu w artykule szczegółowo przedstawiono rozwiązania technologiczne stosowane z powodzeniem od lat we Francji, gdzie zrezygnowano z osadnika wstępnego, a zamiast pomp zamontowano syfony samozasysające. Pozwoliło to dodatkowo uniknąć powstawania osadów wstępnych.

Wypracowana we Francji metoda projektowania i eksploatacji złóż hydrofitowych pozwala oczyszczać ścieki do wymaganego poziomu bez jednoczesnego powstawania jakichkolwiek osadów ściekowych [3, 9, 12].

Podstawy metody hydrofitowej – charakterystyka złóż z pionowym przepływem ścieków

Oczyszczalnia hydrofitowa z podpowierzchniowym przepływem ścieków składa się z filtru gruntowego, do którego doprowadzane są ścieki, gdzie zachodzą procesy biologiczne z udziałem roślin wodnych lub wodolubnych oraz szeregu mikroorganizmów (najważniejsze z nich to bakterie). Zaprojektowane obiekty, takie jak stawy lub filtry gruntowe, mogą być okresowo lub stale zalewane ściekami [7].

W gruntach nasyconych wodą występuje ograniczona dyfuzja tlenu z atmosfery i w konsekwencji tworzą się warunki beztlenowe [8]. Dopływ tlenu do korzeni i kłączy roślin zasiedlających takie gleby następuje dzięki częściom nadziemnym tych roślin, które przystosowały się do bytowania w takich warunkach i mają tkanki umożliwiające transport gazów (odpowiednio tlenu do podziemnych części i CO₂ do atmosfery). Rozbudowany system korzeni i kłączy pozwala na rozwój dużej grupy mikroorganizmów o różnych upodobaniach zarówno troficznych, jak i tlenowych [7, 6].

W zależności od sposobu przepływu ścieków przez oczyszczalnie hydrofitowe dzielimy je na:

a. oczyszczalnie z przepływem podpowierzchniowym (Subsurface Flow):
- z przepływem poziomym (HSSF – Horizontal Subsurface Flow),
- z przepływem pionowym (VSSF – Vertical Subsurface Flow);
b. oczyszczalnie z przepływem powierzchniowym (Surface Flow);
c. oczyszczalnie wielostopniowe z przepływem kombinowanym [11].

Na rys. 1 przestawiono różnorodne procesy zachodzące jednocześnie w oczyszczalniach hydrofitowych.

Zanieczyszczenia doprowadzane do oczyszczalni usuwane są bądź retencjonowane dzięki różnorodnym procesom fizycznym, chemicznym i biologicznym. Do najważniejszych należy zaliczyć: sedymentację, filtrację, adsorpcję, ulatnianie, redukcję, strącanie, pobieranie związków biogennych i metali ciężkich przez rośliny, niszczenie organizmów patogennych dzięki działaniom promieniowania UV lub oddziaływaniu mikroflory [7, 11].

Złoża o przepływie pionowym

Złoże z pionowym przepływem ścieków (VSSF) zbudowane jest w postaci filtru z warstw piasku lub żwiru (rys. 2). Ścieki doprowadza się od góry, a następnie grawitacyjnie przenikają one w dół i są gromadzone i odprowadzane ze złoża przez drenaż odprowadzający.

Istotą pracy tego złoża jest okresowe doprowadzanie ścieków za pomocą pompy lub syfonu. Drenaż odprowadzający ma wywietrzniki, które napowietrzają złoże, co dodatkowo dostarcza tlen do procesów mikrobiologicznych (np. nitryfikacji). Dyfuzja tlenu dzięki wywietrznikom i sekwencyjnemu dostarczaniu ścieków znacznie bardziej przyczynia się do natleniania złoża filtracyjnego w porównaniu do transportu tlenu tylko przez rośliny, jak to ma miejsce w złożach typu HSSF [10].

Sposób zasilania złóż VSSF ma zdolność potencjalnego dostarczania tlenu od 23 do 64 g  O₂/m²d, podczas gdy zaopatrywanie złoża HSSF w tlen tylko dzięki roślinom (trzcinie pospolitej) pozwala dostarczyć jedynie 2 g  O₂/m²d [13, 6].

Na rosnące zainteresowanie złożami VSSF wpływa znacznie większa zdolność przenoszenia tlenu i w konsekwencji bardziej skuteczne usuwanie BZT₅, ChZT i patogenów przy jednocześnie dużo mniejszych rozmiarach złoża VSSF w porównaniu do HSSF, mających zapewnić taki sam efekt oczyszczania [5].

Oczyszczalnia typu Macrophyltres® (wariant 1)

Od 1997 r. ponad 130 oczyszczalni ścieków zaprojektowała i wykonała na bazie tego samego projektu firma Jean Voisin. Na początku układu technologicznego występują kraty/sito w celu zatrzymania grubych cząstek (> 32 mm). Następnie montowany jest zbiornik z syfonem samozasysającym, który dawkuje ścieki na złoże. Gdy teren nie ma odpowiedniego spadku, zamiast syfonu montowana jest pompa.

Złoże hydrofitowe I stopnia obsadzone trzciną zostało nazwane Macrophyltres® i opatentowane. Powierzchnia tego złoża przypadająca na jednego mieszkańca wynosi ok. 1,2 m²/RLM i podzielona została na trzy lub sześć kwater. Natomiast powierzchnia złoża piaskowego II stopnia wynosi 0,8 m²/RLM i podzielona została na dwie lub trzy kwatery [12]. Stąd pole powierzchni przypadające na jednego mieszkańca wynosi zaledwie 2,0 m²/RLM. Schemat zastosowanego rozwiązania przedstawiono na rys. 3.

Monitorowano pracę 19 oczyszczalni wykonanych w tej technologii, a analizę i pobór próbek wykonały lokalne instytucje rządowe, zwane departamentami. Badania rozpoczęto po 4 miesiącach od rozruchu każdej z analizowanych oczyszczalni. W pobieranych próbkach ścieków oznaczono: azot ogólny, azot Kiejdahla (TKN), zawiesinę ogólną, BZT₅, ChZT, fosfor ogólny (P). W tabeli 1 przedstawiono wyniki badań jakości ścieków doprowadzonych i odprowadzonych z monitorowanych systemów.

Stężenia zanieczyszczeń w odpływie z pierwszego złoża uległy znacznemu obniżeniu (zawiesina ogólna 30 mg/d³, BZT₅ 40 mg/d³, ChZT 130 mg/d³, skuteczność usuwania TKN > 40%). Mimo bardzo dobrej sprawności oczyszczalni nie we wszystkich przypadkach stężenia spełniły francuskie normy (BZT₅ < 25 mg/d³, ChZT < 125 mg/d³) [2].

Drugi stopień oczyszczania w złożu z wypełnieniem piaskowym z łatwością osiągnął wymaganą jakość oczyszczonych ścieków: zawiesina ogólna < 15 mg/d³, BZT₅ < 15 mg/d³, COD < 90 mg/d³, a TKN < 10 mg/d³.

Usuwanie fosforu było niskie i wynosiło ok. 40%. W ten sposób drugi etap zapewnił odpowiednie usuwanie zawiesiny ogólnej i związków organicznych oraz nitryfikację (proces ten rozpoczyna się w I stopniu, ale z powodu rygorystycznych wymagań co do jakości ścieków oczyszczonych konieczna jest jego kontynuacja w II stopniu).

Procentową efektywność usuwania zanieczyszczeń przedstawiono w tabeli 2. Złoże VSSF I osiągnęło wysoki stopień usuwania zawiesiny ogólnej (86–99%) dzięki filtracji przez żwir wzmocnionej działaniem warstwy osadów organicznych skumulowanych na powierzchni złoża.

Wysoka skuteczność usuwania BZT₅ i ChZT (odpowiednio 87–99% i 80–97%) była spowodowana retencją cząstek stałych związków organicznych, ale także działaniem biomasy znajdującej się w materiale filtracyjnym. Skuteczność usuwania azotu Kiejdahla (N-NH₄ + Norg) wynosiła od 44 do 84% i była wynikiem retencji i amonifikacji azotu organicznego oraz częściowej nitryfikacji.

Badania te wykazały, że nie ma istotnych różnic w jakości ścieków w odpływie z całego systemu, nawet gdy następują bardzo duże wahania obciążenia hydraulicznego (między 19 a 320% pojemności projektowej) lub obciążenia ładunkiem organicznym (między 19 a 96%) [12].

Dodatkowo nie stwierdzono istotnych różnic między efektywnością oczyszczalni obserwowaną w sezonie letnim a zimowym, ani dla lokalizacji w północnej, ani w południowej części Francji, mimo znacznych różnic temperatury [12].

Autorzy sugerują jednak, że do uzyskania optymalnej skuteczności w oczyszczaniu niezbędna jest rygorystyczna obsługa i konserwacja systemu. Aby obniżyć stężenie azotanów w ściekach oczyszczonych, pionowe złoże II stopnia (VSSF) należy zastąpić w ciągu technologicznym złożem poziomym (HSSF).

Oczyszczalnia z przepływem pionowym (wariant 2)

Kolejnym interesującym rozwiązaniem okazało się dawkowanie ścieków surowych za pomocą pompy z młynkiem bezpośrednio na złoże VSSF I stopnia. Rozwiązało to problem zarządzania osadami wstępnymi, które w tym przypadku sukcesywnie gromadzą się na złożu i ulegają mineralizacji w pierwszym etapie oczyszczania.

System ten został opracowany przez Cemagref (National Centre of Agricultural Mechanisation, Agricultural Engineering, Water and Forests, aktualnie występujące pod nazwą Irstea – National Institute for Environmental and Agricultural Science and Research). Dobór i eksploatacja systemu oparte zostały na odpowiednim obciążeniu ładunkiem hydraulicznym i organicznym poszczególnych kwater złóż VSSF I i VSSF II [3].

Podobnie jak w pierwszym przypadku, złoże hydrofitowe I stopnia podzielone zostało na trzy kwatery, powierzchnia jednostkowa wynosi 1,2 m²/RLM, a złoże hydrofitowe II stopnia o powierzchni jednostkowej 0,8 m²/RLM na dwie kwatery. Rodzaj stosowanych warstw wypełnienia przedstawiono w tabeli 3 i 4. Ścieki dawkowane są naprzemiennie na każdą z kwater za pomocą pompy z nożem tnącym.

Gdy jedna z kwater jest w pełni obciążana, tzn. tylko ona otrzymuje ścieki (przez ok. 3–4 dni), pozostałe „odpoczywają”. Proces ten pozwala kontrolować wzrost biomasy na złożu oraz utrzymać warunki tlenowe, które sprzyjają mineralizacji zawiesiny zawartej w ściekach surowych [9].

Podczas powadzonego monitoringu na złożu VSSF I stopnia zaobserwowano duże różnice obciążenia hydraulicznego (średnio HL = 0,37 m/d, min–max = 0,03–3,9 m/d) i obciążenia organicznego (średnio HChZT = 223 g/m², min–max = 17–1680 g/m²) wynikające między innymi z nierównomierności dopływu (tabela 5).

W konsekwencji efektywność oczyszczania ulegała zmianie w zależności od stopnia obciążenia. Innym czynnikiem mającym wpływ na efektywność usuwania zanieczyszczeń jest wiek oczyszczalni. Zauważono, że poprawa skuteczności oczyszczania ścieków na złożu VSSF I stopnia uzależniona jest od rozwoju błony tworzącej się na jej powierzchni. W pierwszej fazie oczyszczania usuwamy głównie zawiesinę ogólną i ChZT [9].

W drugiej fazie oczyszczania zachodzącej w złożu VSSF II dominuje proces nitryfikacji. Dzięki niskim stężeniom ChZT i zawiesiny ogólnej (odpowiednio ok. 140 mg/l i 40 mg/l) (tabela 6) złoże VSSF II stopnia zapewnia bardzo efektywne doczyszczenie ścieków do parametrów wymaganych we Francji [2].

W złożu VSSF II stopnia nie zauważono znacznej różnicy w poprawie efektywności oczyszczania w zależności od wieku oczyszczalni lub wraz ze zwiększeniem powierzchni złoża. Zaobserwowano natomiast spadek efektywności dla obciążenia hydraulicznego HL > 0,4 m/d [9].

W tabeli 7 przedstawiono efektywność usuwania zanieczyszczeń ze średnimi stężeniami w odpływie z oczyszczalni (po złożu I i II stopnia) dla obciążenia hydraulicznego < 0,75 m/d.

Jak dotychczas tylko w przypadku jednego obiektu pracującego we Francji zaistniała potrzeba częściowego usunięcia osadu nagromadzonego na powierzchni jednej z kwater. Cały obiekt zaprojektowano na 1600 RLM, składa się on z ośmiu złóż o przepływie pionowym i został oddany do eksploatacji w 1987 r. W 1996 r. należało usunąć część osadu z niektórych poletek ze względu na nierównomierne nagromadzenie się go na powierzchni złoża, co mogło spowodować rozlanie ścieków wokół kwater. Średnia wysokość osadu wynosiła 13 cm (min. 6 cm, maks. 27 cm).

W pozostałych obiektach wybudowanych w 1987 r. warstwa osadu w marcu 2001 r. wynosiła średnio 22,5 cm. Warstwa ta zapobiega procesowi zbyt szybkiej infiltracji do gruntu i wpływa na równomierne rozprowadzenie ścieków po całej powierzchni.

Na podstawie badań oszacowano roczny przyrost biomasy na poziomie ok. 1,5 cm/rok [9]. Osad ten powinno się usuwać co 10–15 lat w zależności od charakteru dopływających ścieków. Może on zostać wykorzystany do celów rolniczych, o ile ścieki nie miały domieszek ścieków przemysłowych.

Podsumowanie

Na terenach o rozproszonej zabudowie oczyszczanie ścieków może się odbywać z zastosowaniem metody hydrofitowej, która od lat stosowana jest na całym świecie. W artykule zaproponowano i porównano dwa rodzaje oczyszczalni ścieków stosowanych we Francji (tabela 8).

System francuski polega na usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków w sekwencyjnie pracujących złożach z pionowym przepływem ścieków (VSSF I i VSSF II). Zaletami tego rozwiązania są: brak powstawania wstępnych osadów ściekowych (dla wariantu 2), których zagospodarowanie jest kosztowne i uciążliwe, brak osadnika wstępnego, wysoka skuteczność usuwania zanieczyszczeń i niskie koszty inwestycji. Jedną z wad jest konieczność instalowania pompy/syfonu przed złożem I stopnia.

Oczyszczalnie hydrofitowe często nazywane są „zieloną technologią”, zarówno z powodu niskiego zapotrzebowania na energię elektryczną, jak i naturalnego wyglądu, który zwiększa walory krajobrazu.

Dodatkowo technologia ta spełnia wszystkie wymagania zrównoważonego rozwoju, a przy zastosowaniu żwiru jako materiału wypełniającego złoża spełnia również najnowsze wymogi zarządzania środowiskiem z zastosowaniem oceny czasu życia produktu. Należy jednak pamiętać o tym, że są to urządzenia techniczne, które muszą zostać zaprojektowane, wykonane i eksploatowane zgodnie z zasadami.

Literatura

1. A Guide to Creating Wetlands for Agricultural Wastewater, Domestic Wastewater, Coal Mine Drainage and Stormwater in the Mid-Atlantic Region, Constructed Wetlands Handbooks (Volumes 1–5), 1993–2000.
2. Arrêté du 22 juin 2007 relatif à la collecte, au transport et au traitement des eaux usées des agglomérations d’assainissement ainsi qu’à la surveillance de leur fonctionnement et de leur efficacité, et aux dispositifs d’assainissement non collectif recevant une charge brute de pollution organique supérieure à 1,2 kg/j de DBO5.
3. Boutin C., Lienard A., Constructed wetlands for wastewater treatment: French experience, 1st International Seminar on „The use of aquatic macrophytes for wastewater treatment in contructed wetlands”, Portugal, 2003.
4. Brix H., Arias C., The use of vertical flow constructed wetlands for on-site treatment of domestic wastewater: New Danish guidelines, „Ecological Engineering” Vol. 25, 2005.
5. Gajewska M., Obarska-Pempkowiak H., Efficiency of pollutant removal by five multistage constructed wetlands in a temperate climate, „Environ. Protect. Engin.” Vol. 37 No. 3/2011.
6. Gajewska M., Wpływ składu chemicznego ścieków i odcieków na specjację, konwersje i usuwanie azotu w oczyszczalniach hydrofitowych, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 2013.
7. Kadlec R.H., Wallace S., Treatment wetlands. Second edition, CRC Press Taylor&Francis Group, Boca Raton: London, New York, 2009.
8. Kowalik P., Ochrona środowiska glebowego, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001.
9. Molle P., Lienard A., Boutin C., Merlin G., Iwema A., How to treat raw sewage with constructed wetlands: an overview of the French systems, „Wat. Sci. Tech.” Vol. 51 No. 9/2005.
10. Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M., Dopływ tlenu i jego konsumpcja w systemach hydrofitowych, „Wiadomości Melioracyjne i Łąkarskie” r. 41 nr 3/1998.
11. Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M., Wojciechowska E., Hydrofitowe oczyszczanie wód i ścieków, PWN, Warszawa 2010.
12. Paing J., Voisin J., Vertical flow constructed wetlands for municipal wastewater and septage treatment in French rural area, „Wat. Sci. Tech.” Vol. 51 No. 9/2005.
13. UN-HABITAT, Constructed Wetlands Manual, Water for Asian Cities Programme Nepal, Kathmandu, 2008.
14. The use of constructed wetlands for wastewater treatment, Wetlands International – Malaysia Office.