Ekologiczne rozwiązania oczyszczania małych ilości ścieków bytowych

Przydomowe oczyszczalnie ścieków są obiektami inżynieryjnymi służącymi do gromadzenia, oczyszczania, a następnie odprowadzania do środowiska oczyszczonych ścieków [9]. Definiowane są jako obiekty obsługujące do 50 mieszkańców. Ich maksymalna przepustowość przyjmowana według Prawa wodnego to 5 m³/d, a według Prawa budowlanego 7,5 m³/d.

Określenie przydomowa oczyszczalnia ścieków, pomimo że powszechnie stosowane, może wprowadzać w błąd, gdyż sugeruje stosowanie oczyszczalni tylko dla domów jednorodzinnych. Dlatego niektórzy dystrybutorzy i producenci używają pojęcia mała lub indywidualna [7,10]. Średnie dobowe zużycie wody na terenach wiejskich wynosi ok. 100 dm³/(M • d), a ścieki te charakteryzują się znacznie większymi stężeniami zanieczyszczeń w porównaniu ze ściekami miejskimi [3].

Chociaż budowa zbiornika bezodpływowego kosztuje mniej niż przydomowej oczyszczalni ścieków, jego eksploatacja jest droższa i bardziej kłopotliwa. W porównaniu do zbiornika bezodpływowego zwrot inwestycji w oczyszczalnię uzależniony jest od rodzaju zastosowanych rozwiązań i waha się od 2 do 7 lat. Podczas użytkowania oczyszczalni przydomowej inwestor ponosi głównie koszty energii elektrycznej do zasilania pompy oraz koszty wywozu osadu (raz na rok lub na dwa lata).

Koszty eksploatacji zbiorników bezodpływowych są znacznie wyższe, gdyż powinny one być opróżniane regularnie. Na budowę oczyszczalni przydomowej można otrzymać preferencyjny kredyt lub dotację [11,12].

Oczyszczalnie przydomowe to także korzyść ekologiczna, gdyż eliminowane jest ryzyko skażenia gruntu i wód w okolicy. Koszty eksploatacji oraz nakłady ekonomiczne, a nie wysoki stopień oczyszczenia, są w dalszym ciągu zasadniczym kryterium wyboru sposobu oczyszczania ścieków przez indywidualnych inwestorów. Najczęściej rozpatrywane są proste sposoby oczyszczania, niskonakładowe i tanie w eksploatacji oraz te, na które można uzyskać dofinansowanie [14].

Przegląd stosowanych oczyszczalni przydomowych

Firmy produkujące oczyszczalnie przydomowe prześcigają się w oferowaniu różnorodnych konstrukcji i technologii oraz coraz szerszych usług. Jednak zasada działania wszystkich oczyszczalni przydomowych jest podobna i polega na dwustopniowym, biologicznym oczyszczaniu ścieków z wykorzystaniem w pierwszej kolejności bakterii beztlenowych, a później tlenowych [11].

Pierwszym etapem jest podczyszczanie ścieków w osadniku gnilnym w warunkach beztlenowych, ścieki zostają tam oczyszczone wstępnie. Na dno opadają ciała stałe, tworząc osad, który podlega powolnemu procesowi fermentacji. W tym czasie cząstki zanieczyszczeń są rozkładane na substancje rozpuszczalne w wodzie oraz nierozpuszczalne substancje mineralne odkładające się na dnie zbiornika.

W górnej części osadnika gnilnego (na powierzchni ścieków) z zanieczyszczeń lżejszych od wody tworzy się tzw. kożuch – są to najczęściej tłuszcze i piana powstająca w trakcie fermentacji substancji zawartych w ściekach. Żeby proces ten był skuteczny, musi trwać co najmniej trzy doby. Dobrze wykonany i prawidłowo umieszczony osadnik gnilny usuwa ok. 65% zanieczyszczeń [15].

Drugi etap oczyszczania ścieków związany jest z doczyszczaniem tlenowym. Proces ten może być dodatkowo zintensyfikowany poprzez zastosowanie urządzeń napowietrzających. Etap ten może następować w różnych systemach, takich jak drenaż rozsączający, złoże biologiczne, filtr piaskowy czy złoże roślinne. Oczyszczone w ten sposób ścieki wprowadzane są do odbiornika, którym może być woda płynąca lub stojąca bądź grunt.

Wybór odbiornika uzależniony jest od rodzaju zastosowanej oczyszczalni przydomowej oraz warunków gruntowo-przestrzennych [11,15].

W oczyszczalniach przydomowych możliwe jest osiągnięcie wysokiego efektu unieszkodliwiania zanieczyszczeń, zależnego od przyjętego zestawu urządzeń. Stosowane są różne rozwiązania technologiczne, które generalnie można podzielić na układy: z drenażem rozsączającym, filtrem piaskowym, z filtrem gruntowo-roślinnym i ze złożem biologicznym z komorą osadu czynnego [11].

Oczyszczalnie  z drenażem rozsączającym

Przydomowa oczyszczalnia z drenażem rozsączającym to najprostsze rozwiązanie, najtańsze i najczęściej stosowane. Można ją zbudować, jeśli pozwalają na to warunki gruntowo-wodne, inwestor dysponuje działką o odpowiedniej wielkości, występuje niski poziom wody gruntowej, a grunt jest dobrze przepuszczalny.

Wymagania te powinny zostać spełnione, by nastąpiło doczyszczenie ścieków w strefie aeracji, co jest istotne dla zatrzymania bakterii i wirusów oraz niedopuszczenia do skażenia środowiska. W przeciwnym wypadku nie zostaną usunięte wszystkie związki organiczne i dodatkowo nastąpi podtopienie złoża rozsączającego [11,16].

Zasadę funkcjonowania i budowę takiej oczyszczalni przedstawia rys. 1. Ścieki odpływają grawitacyjnie z budynku do osadnika gnilnego, gdzie następuje mechaniczne oraz biologiczne ich oczyszczanie za pomocą bakterii beztlenowych. W uzasadnionych przypadkach przed osadnikiem znajduje się separator tłuszczów.

Po przejściu przez osadnik gnilny ścieki bytowo-gospodarcze są pod względem bakteriologicznym bezpieczne, gdyż bakterie oraz jaja pasożytów niszczone są przez orzęski albo zostają w 99% usunięte wraz z sedymentującym osadem.

Po wstępnym podczyszczeniu za pomocą studzienki rozdzielającej ścieki są równomiernie rozprowadzane do poszczególnych nitek drenażowych. Rozsączane są do gruntu przez otwory w przewodach, gdzie następuje doczyszczanie tlenowe. Wszystkie dreny mogą być połączone rurą zbierającą i studzienką zbierającą, która je napowietrza [11,16].

Instalacja oczyszczalni tego typu może być wykonana w różnych wariantach, stosownie do lokalnych warunków gruntowo-wodnych, a jedną z możliwości jest instalacja z kopcem filtracyjnym (rys. 2).

Rozwiązanie to stosowane jest w warunkach wysokiego poziomu wód gruntowych. Drenaż można ułożyć na wzniesieniu usypanym z piasku (kopiec filtracyjny) i zastosować dodatkowo pompę tłoczącą ścieki. Kształt nasypu można dopasować do kształtu działki lub życzenia klienta. Niestety takie rozwiązanie znacznie zwiększa koszt budowy oczyszczalni i jej eksploatacji (pompy i energia do ich zasilania) [17].

Oczyszczalnie ze złożem biologicznym

Technologia złóż biologicznych to jedno z najstarszych rozwiązań problemu unieszkodliwiania ścieków, które jednocześnie zapewnia wysoki stopień usunięcia zanieczyszczeń.

Do oczyszczania ścieków wykorzystuje się naturalne, tlenowe procesy rozkładu biochemicznego zanieczyszczeń, które przebiegają na specjalnie przygotowanym wypełnieniu przez mikroorganizmy w postaci błony biologicznej. Podłożem dla mikroorganizmów mogą być: żużel, tłuczeń, torf, keramzyt, koks, pakiety z tworzywa, kształtki z tworzyw sztucznych, włókna poliestrowe [9].

Zasadę funkcjonowania i budowę oczyszczalni przedstawia rys. 3.

Podobnie jak w poprzednich przypadkach pierwszym elementem tego systemu jest osadnik gnilny. Ścieki są tam przetrzymywane 2–3 doby i wstępnie podczyszczane, a następnie przepływają grawitacyjnie do drugiego zbiornika ze złożem biologicznym. Na powierzchni wypełnienia rozwija się błona biologiczna – zespół mikroorganizmów składający się głównie z bakterii.

Ścieki powoli przesączają się przez złoże, gdzie bakterie i mikroorganizmy rozkładają zanieczyszczenia. Po doczyszczeniu na złożu biologicznym oczyszczone ścieki mogą być odprowadzane do wody lub gruntu [11].

Oczyszczalnie z osadem czynnym

Oczyszczalnie z osadem czynnym to najbardziej zaawansowane technologicznie systemy do oczyszczania ścieków. Osad czynny to skupiska mikroorganizmów tlenowych, dzięki którym zachodzą procesy oczyszczania.

Podczas pierwszego uruchomienia inicjuje się powstanie mikroorganizmów (kłaczków osadu) dzięki zastosowaniu specjalnych biopreparatów lub pobraniu osadu czynnego z komunalnej oczyszczalni ścieków. W takiej oczyszczalni ilość oraz powierzchnia kłaczków osadu czynnego stale wzrastają, dlatego nadmiar musi być zawracany pompą recyrkulacyjną do osadnika wstępnego, z którego jest okresowo usuwany. Osad powinien zostać poddany właściwym procesom unieszkodliwiania i przeróbki. Eksploatacja takich oczyszczalni wymaga starannej eksploatacji i przeszkolenia użytkownika oraz okresowej kontroli wykwalifikowanego technologa [5,11].

Zasadę funkcjonowania i budowę oczyszczalni z osadem czynnym przedstawia rys. 4. Oczyszczalnie takie mają budowę zbliżoną do oczyszczalni ze złożem biologicznym.

Pierwszym etapem jest podczyszczenie ścieków w osadniku gnilnym. Następnie ścieki są doprowadzane do drugiego zbiornika, składającego się z dwóch komór: komory osadu czynnego i osadnika wtórnego, gdzie następuje drugi etap doczyszczania ścieków. Mikroorganizmy odpowiedzialne za rozkład zanieczyszczeń w ściekach unoszą się swobodnie w zbiorniku. Do zbiornika, w którym zostały zaszczepione kłaczki osadu, niezbędny jest stały dopływ tlenu, żeby oczyszczanie zachodziło prawidłowo, dlatego też montuje się na dnie specjalne membrany, przez które pompa napowietrzająca dostarcza tlen.

Rozwiązanie powyższe pozwala nie tylko na napowietrzanie samych ścieków, powoduje również stałe unoszenie się kłaczków osadu. W kolejnym etapie ścieki przepływają do osadnika wtórnego, w którym oddziela się pozostały osad. Oczyszczone ścieki mogą być bezpośrednio odprowadzane do wód lub gleby poprzez drenaż bądź studnię chłonną [11].

Systemy hybrydowe

Systemy hybrydowe uznawane są obecnie za jedną z najbardziej skutecznych technologii oczyszczania ścieków, są przy tym mało wrażliwe na niekorzystne warunki pracy. Bazują na rozwiązaniu technologicznym opartym na jednoczesnym wykorzystaniu biomasy zawieszonej (osad czynny) oraz utwierdzonej na złożu biologicznym. W Polsce na większą skalę zaczęto je stosować w ciągu ostatnich lat.

Zauważono, że oczyszczalnie z osadem czynnym nie są odporne na duże nierównomierności ilości i składu dopływających ścieków, natomiast oczyszczalnie hybrydowe z dużą skutecznością usuwają związki węgla i azotu.

Systemy te są bardziej odporne na przeciążenia hydrauliczne i mogą przyjąć większy ładunek zanieczyszczeń niż system klasyczny (z osadem czynnym) ze względu na możliwość zgromadzenia większej ilości biomasy w dwóch postaciach. Są również odporne na okresowe braki energii elektrycznej. Oprócz tego po odpowiedniej modyfikacji (w stosunku do klasycznych rozwiązań) mogą być w nich prowadzone symultaniczne procesy usuwania zanieczyszczeń [4,18].

Zasadę funkcjonowania i budowę oczyszczalni hybrydowej przedstawia rys. 5.

Ścieki przepływają przykanalikiem do osadnika gnilnego, w którym zachodzą wstępne procesy oczyszczania, głównie na drodze mechanicznej. Dzięki deflektorowi na wlocie dopływające ścieki nie powodują poderwania osadów z dna zbiornika. Tłuszcze i oleje flotują, tworząc na powierzchni tzw. kożuch, natomiast cząstki łatwo opadające sedymentują na dno zbiornika. Na odpływie wbudowany jest filtr szczelinowy, który dodatkowo filtruje ścieki z niesionej zawiesiny. Zachodzą tu procesy fermentacji beztlenowej [20].

Podczyszczone ścieki przepływają grawitacyjnie do komory bioreaktora, która pracuje jako napowietrzane złoże zanurzone. W celu równomiernego wymieszania i napowietrzania ścieków oraz uzyskania odpowiedniego obciążenia hydraulicznego złoża zastosowano powietrzny podnośnik cieczy pracujący jako wewnętrzny cyrkulator bioreaktora. Wywołuje to procesy biologicznego oczyszczania [20].

Ścieki przepływają do drugiej komory reaktora przez dolną szczelinę w przegrodzie oddzielającej obie strefy bioreaktora. W komorze tej ścieki są napowietrzane przez membranowy dyfuzor dyskowy. Komora pełni także funkcję osadnika wtórnego dla obumarłej lub zerwanej błony biologicznej oraz osadu nadmiernego [20]. Filtr szczelinowy końcowy stanowi ostatni element reaktora. Zabezpiecza przed przedostaniem się unoszonej przez pracujący dyfuzor zawiesiny. Filtr ten pełni jednocześnie funkcję komory anoksycznej, która pozwala na częściową denitryfikację ładunku zanieczyszczeń [20].

Głównymi zaletami takich oczyszczalni są: bardzo dobra wydajność przy nierównomiernym zrzucie ścieków, niewielka powierzchnia wykopu, brak konieczności budowania drenażu rozsączającego. Odbiornikiem oczyszczonych ścieków mogą być grunt, urządzenia wodne lub wody płynące [20].

Porównanie wybranych typów przydomowych oczyszczalni ścieków

Oczyszczalnia z drenażem rozsączającym

W tabeli 1 przedstawiono charakterystykę oczyszczalni ścieków z drenażem rozsączającym. Systemy dobrano na zbliżoną wartość RLM 4–5, w taki sposób, by można je było porównać. Osadniki wstępne zostały wykonane z podobnego materiału – polietylenu wysokiej gęstości (PEHD), trwalszego i odporniejszego na napór gruntu, oraz polietylenu (PE).

Przy założeniu, że jedna osoba wytwarza dziennie 0,15 m³ ścieków, proponowana przepustowość jest dla każdego z modeli prawidłowa. Jedynie w module In-Dran jest ona większa, ale w żadnym stopniu nie powoduje to gorszej pracy niż w pozostałych przypadkach.

Oczyszczalnia z drenażem rozsączającym wymaga dużo miejsca na działce, gdyż spore są powierzchnie montażu. Dobrym rozwiązaniem jest tu oczyszczalnia In-Dran, w której dzięki modułowi można zmniejszyć powierzchnię zabudowy nawet ośmiokrotnie.

Analizując stopnień oczyszczenia ścieków, można stwierdzić, że liczba nitek drenażu, jego długość oraz materiał, z którego jest wykonany, nie wpływają na efekty końcowe oczyszczania. Wartości procentowe efektu usuwania zanieczyszczeń są bardzo zbliżone. Najważniejsze w oczyszczalniach drenażowych jest to, by ścieki były rozprowadzane równomiernie, wtedy ich działanie będzie najbardziej efektywne.

Oczyszczalnia z osadem czynnym

W tabeli 2 przedstawiono charakterystykę wybranych oczyszczalni ścieków z osadem czynnym. Systemy zostały dobrane w taki sposób, żeby można było je porównać – na zbliżoną do siebie wartość RLM (5–6) oraz dla porównania jedna na większą liczbę (RLM 15). Jak widać, jedynie oczyszczalnie Bioekocent 3300 oraz KiwiTreat mają osadnik gnilny i nie są oczyszczalniami kompaktowymi.

Drugi etap oczyszczania opiera się wyłącznie na wykorzystaniu osadu czynnego. Przy założeniu, że jedna osoba wytwarza dziennie 0,15 m3 ścieków, przepustowość jest prawidłowa dla każdego z modeli oprócz KiwiTreat. Jest ona w tym wypadku nieznacznie mniejsza, ale przy większej planowanej liczbie osób nie powinno to mieć negatywnego wpływu na efekty pracy osadnika. Powierzchnia zabudowy jest znacznie mniejsza niż w przypadku oczyszczalni z drenażem rozsączającym – zależy od wielkości i liczby posadowionych na działce zbiorników.

Analizując dane poszczególnych oczyszczalni widać, że oczyszczalnia zbudowana z jednego zbiornika podzielonego na trzy komory zajmuje prawie trzy razy więcej miejsca niż oczyszczalnia mająca trzy oddzielne zbiorniki.

Rozpatrując stopnień oczyszczenia ścieków, można stwierdzić, że sposób budowy oczyszczalni nie wpływa na efekt końcowy oczyszczania. Najważniejsze, by ścieki były odpowiednio napowietrzane, wtedy praca oczyszczalni będzie najbardziej efektywna.

Analizując ceny oczyszczalni, widać, że nie zależy ona od liczby mieszkańców – nie działa tu zatem zasada im więcej, tym drożej.

Oczyszczalnie ścieków ze złożem biologicznym

W tabeli 3 przedstawiono dane wybranych oczyszczalni ścieków ze złożem biologicznym. Jedynie w oczyszczalni Bio-Uno nie ma oddzielnego zbiornika, w którym zachodzi pierwszy etap oczyszczania. W pozostałych przypadkach zastosowano osadnik wstępny.

Drugi etap oczyszczania w przypadku oczyszczalni ZBR oraz Traidenis NV wspomagany jest matami rozsączającymi lub nisko obciążonym osadem czynnym. W pozostałych oczyszczalniach zastosowano wyłącznie złoże biologiczne.

Przy założeniu, że jedna osoba wytwarza dziennie 0,15 m³ ścieków, przepustowość jest prawidłowa dla każdego z modeli. W oczyszczalniach firm Haba oraz Bioires jest ona większa, ale w żadnym stopniu nie powoduje to gorszej pracy niż w poprzednich przypadkach. Powierzchnia zabudowy jest znacznie mniejsza niż w przypadku oczyszczalni z drenażem rozsączającym i podobna do oczyszczalni z osadem czynnym. Zależy od wielkości i liczby posadowionych na działce zbiorników.

W przypadku oczyszczalni ZBR powierzchnia jest większa, ponieważ ścieki nie są odprowadzane bezpośrednio do odbiornika ze złoża piaskowego biologicznego, a zostały zastosowane dodatkowo maty rozsączające.

Podsumowanie

Nie istnieją rozwiązania uniwersalne pod względem ekonomicznym i technologicznym. Porównanie kosztów wskazuje, że najtańsze są oczyszczalnie z drenażem rozsączającym. Jednak w przypadku gdy inwestor dysponuje działką o małej powierzchni, nie jest możliwe zainstalowane najtańszych technologii.

Pomimo że oczyszczalnia z drenażem rozsączającym ma najwięcej elementów i jest najbardziej rozbudowana, nie wymaga od użytkownika specjalistycznej wiedzy o jej eksploatacji, tak jak oczyszczalnie z osadem czynnym. Technologia osadu czynnego nie wymaga dużej powierzchni, ale jest wrażliwa na sposób eksploatacji, w tym dostawy energii elektrycznej i nierównomierny dopływ ścieków oraz dbałość o złoże.

Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki (N N304 274840)

Literatura

1. Burszta-Adamiak E., Kęszycka M., Ryglewska B., Użytkowe i estetyczne walory oczyszczalni hydrofitowych, „Architektura Krajobrazu” nr 2/2008.
2. Goleń M., Warężak T., Postawy prawne i finansowe budowy oczyszczalni przydomowych. Poradnik dla gmin oraz mieszkańców terenów niezurbanizowanych, Szkoła Główna Handlowa – Oficyna Wydawnicza, Warszawa 2012.
3. Obarska-Pempkowiak H., Oczyszczalnie hydrofitowe, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2002.
4.  Reagin M., Nature’s filter: Constructed wetlands, American City & County, April 2002.
5. Dymaczewski Z., Technologie w przydomowych oczyszczalniach ścieków, „Wodociągi-Kanalizacja” nr 1/2005.
6. Heidrich Z., Przydomowe oczyszczalnie ścieków. Poradnik, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa 1998.
7.  Ryńska J., Przydomowe oczyszczalnie ścieków. Poradnik, Log InMedia, 2006.
8. Dlaczego oczyszczalnie przydomowe? www.przydomowe-oczyszczalnie.pl/podstawowe-informacje-na-temat-przydomowe-oczyszczalnie-ciekow/12-dlaczego-oczyszczalnie-przydomowe.html.
9. Goleń M., Oczyszczanie ścieków na wsi – którędy droga?, „Wodociągi-Kanalizacja” nr 3/2008.
10. Błażejewski R., Aktualny status przydomowych oczyszczalni ścieków i perspektywy ich rozwoju, „Wodociągi-Kanalizacja” nr 1/2005.
11. Brzostowski N., Hawryłyszyn M., Karbowski D., Paniczko K., Przydomowe oczyszczalne ścieków. Poradnik, Podlaska Stacja Przyrodnicza Narew, Białystok 2008.
12.  Dlaczego warto wybrać oczyszczalnię ścieków? muratordom.pl/instalacje/instalacje-kanalizacyjne/dlaczego-warto-wybrac-oczyszczalnie-sciekow,38_5218.html.
13.  Wolska M., Przydomowa oczyszczalnia ścieków. 2×EKO czyli ekonomicznie i ekologicznie, www.ladnydom.pl.
14.  Infrastruktura komunalna w 2012 roku. Informacje i opracowania statystyczne, GUS, Warszawa 2013.
15.  Rosen P., Przydomowe oczyszczalnie ścieków, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa PP, Warszawa 2002.
16.  Kalenik M., Rozwiązania konstrukcyjne przydomowych oczyszczalni, „Wodociągi-Kanalizacja” nr 3/2008.
17.  Lewandowska M., Oczyszczalnie z drenażem rozsączającym, www.wodkaneko.pl/artykuly/oczyszczalnie-z-drenazem-rozsaczajacym-59678-6.
18. Makowska M., Kolanko H., Kinetyka przyrostu biomasy w reaktorach hybrydowych, Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu, „Melioracje, Inżynieria Środowiska”, z. 26, 2005.
19. Krzanowski S., Wałęga A., New technologies of small domestic sewage volume treatment applied in Poland, „Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich” nr 3/2007, PAN, Oddział w Krakowie.
20. Katalog firmy Sotrarenz, www.sotralentz.pl/images/Sotralentz_Katalog_Produktow_2014.pdf (5.07.14).
21.  www.centroplast.com.pl (5.07.14).
22.  www.ekodren.pl (5.07.14).
23.  www.pipelife.com (5.07.14).
24.  instalacjeb2b.pl (5.07.14).
25. www.aquaeco.pl (5.07.14).
26. www.conplast.com.pl (5.07.14).
27.  www.roth-polska.com (5.07.14).
28.  www.haba.pl (5.07.14).
29.  www.cozaile.pl (5.07.14).
30.  www.bioires.pl (5.07.14).