Projektowanie, budowa i eksploatacja systemów trzcinowych do odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych

Osady ściekowe są produktem ubocznym powstającym podczas oczyszczania ścieków. Zawierają zwykle cenne substancje nawozowe (azot i fosfor) oraz organiczne. Dzięki temu mogą stanowić produkt służący do rekultywacji zdegradowanych gruntów czy nawet zostać wykorzystane jako nawóz w rolnictwie. Ten sposób wykorzystania zalecany jest szczególnie dla osadów pochodzących z małych i średnich oczyszczalni ścieków.

Przed wykorzystaniem osady muszą najczęściej zostać odpowiednio przygotowane. Ich przeróbka opiera się przede wszystkim na dwóch podstawowych procesach: odwadniania i stabilizacji.

• Podczas odwadniania usuwana jest woda, co powoduje zmniejszenie masy i objętości osadów. Proces ten polega na rozdzieleniu osadów na placek oraz ciecz osadową. Osady pozbawione są płynności i przypominają mokrą ziemię. Dąży się do uzyskania jak największej zawartości suchej masy osadu, aby zmniejszyć koszty oraz ułatwić jego dalszą przeróbkę, transport i zagospodarowanie [1].
• Stabilizacja polega na mineralizacji łatwo rozkładalnych związków organicznych, niwelując podatność osadów na zagniwanie oraz ograniczając wydzielanie gazów o przykrym zapachu. Prowadzi też do zmniejszenia ilości substancji organicznych, a w konsekwencji do redukcji masy osadów oraz obniżenia ilości organizmów patogennych. Proces ten poprawia właściwości reologiczne osadów [1, 14].

Dostępnych jest wiele metod oraz urządzeń służących do odwadniania i stabilizacji osadów. Najczęściej jednak wymagają one wysokich kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych. Z tego powodu poszukuje się alternatywnych, tańszych metod przeróbki osadów.

Czytaj też: Systemy trzcinowe jako metoda odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych dla małych i średnich  oczyszczalni >>>

Jedną z nich są systemy trzcinowe, które symultanicznie odwadniają i stabilizują osady ściekowe. Systemy te naśladują naturalne procesy, które zachodzą w bagnach, i charakteryzują się bardzo wysoką skutecznością odwadniania oraz stabilizacji.

Badania potwierdzają, że po 10–12 latach przeróbki w tego typu systemach osady mają cenne właściwości i mogą zostać wykorzystane jako substancja glebotwórcza lub nawóz [6, 7, 12].

Systemy trzcinowe najlepiej sprawdzają się w małych oczyszczalniach ścieków, znacząco obniżając koszty gospodarowania osadami ściekowymi. Jednak z bardzo dobrymi efektami można je stosować również w oczyszczalniach dużych.

Największy system trzcinowy znajduje się w komunalnej oczyszczalni ścieków w Kolding w Danii (fot. 1 - patrz: zdjęcie główne), która obsługuje 125 000 RLM (Równoważnej Liczby Mieszkańców). W tym systemie trzcinowym unieszkodliwiane jest przeszło 2000 ton suchej masy osadów w ciągu roku. System składa się z 13 poletek o całkowitej powierzchni 3 ha.

Celem artykułu jest przedstawienie zasad projektowania, budowy oraz eksploatacji systemów trzcinowych stosowanych do odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych na podstawie doświadczeń duńskich, oraz polskich.

Projektowanie systemów trzcinowych

Określenie wymaganej powierzchni systemu trzcinowego

Przed projektowaniem systemów trzcinowych należy wykonać bilans osadowy oczyszczalni. Na wymiarowanie systemów trzcinowych ma wpływ szereg czynników, m.in. [8,13]:

• ilość i rodzaj dostarczanych osadów,
• jakość osadu (określana zwykle na podstawie zawartości s.m.) i czas ssania kapilarnego,
• warunki klimatyczne określonego regionu.

Jednak najbardziej znaczącym parametrem, który należy wziąć pod uwagę podczas projektowania systemów trzcinowych, jest obciążenie obiektu. Jest to parametr decydujący o całkowitej powierzchni niezbędnej do przyjęcia danego ładunku zanieczyszczeń. Dawka dozowanego osadu powinna być dobrana na podstawie jego pochodzenia oraz rodzaju.

Przyjmuje się, że dla osadów wtórnych maksymalna dawka osadów wynosi ok. 60 kg suchej masy na m² powierzchni na rok. Natomiast dla osadów z dużą zawartością tłuszczy lub dla osadów przefermentowanych zalecana jest mniejsza dawka, wynosząca do 50 kg suchej masy osadów na m² na rok [7,12].

W okresie rozruchu systemu, który wynosi zwykle ok. 2 lata, zaleca się stosowanie mniejszego obciążenia systemu (poniżej 30 kg s.m./m²/rok). Po tym okresie obciążenie całego obiektu może wzrosnąć do wartości maksymalnej [7,12].

Określenie liczby poletek

Liczba poletek zależy od wielkości oczyszczalni oraz wymaganej częstotliwości odprowadzania osadów z jej ciągu technologicznego. Uwzględniać musi też czas wyłączenia poletka bądź poletek z eksploatacji w czasie wydobywania odwodnionego i ustabilizowanego osadu z systemu oraz czas ponownego rozruchu poletka. Określając liczbę poletek, należy również uwzględnić okresowe doprowadzanie do nich osadów i przerwy na ich „odpoczynek”. Przy większej liczbie poletek uzyskuje się dłuższe przerwy pomiędzy kolejnymi zasileniami.

Polskie doświadczenia pokazują, że oczyszczalnie do 5000 RLM wymagają 2–6 poletek, a oczyszczalnie większe 6–12 poletek. Natomiast według wytycznych duńskich liczba poletek powinna wynosić minimum 8 bez względu na rodzaj i ładunek osadów. Doświadczenia pokazują, że dla obiektów o wydajności do 500, 500–1000 i powyżej 1000 t s.m./m²/rok wymagana liczba poletek wchodzących w skład systemu wynosi odpowiednio 8, 10 i 12–14 [11]. Doświadczenia związane z systemami trzcinowymi pokazują, że zbyt mała liczba poletek powoduje poważne problemy eksploatacyjne i nieprawidłową pracę systemu.

Budowa systemów trzcinowych

Konstrukcja i pojemność poletek

Odpowiednia budowa złoża hydrofitowego jest podstawą jego właściwego działania. Poletka trzcinowe mogą być wykonane jako uszczelnione laguny ziemne bądź szczelne konstrukcje betonowe. W przeszłości podejmowane były również próby adaptowania tradycyjnych poletek osadowych [4,10].

Biorąc pod uwagę czas użytkowania poletka, który wynosi średnio 8–12 lat, istotne jest pozostawienie wolnej przestrzeni na składowanie osadów oraz zapewnienie wymaganej powierzchni (placu składowego) na osad wydobyty z poletka po zakończeniu jego eksploatacji.

Na dnie poletka układa się warstwy filtracyjne, których wysokość wynosi najczęściej 0,6–0,7 m. Optymalna wysokość poletka (nad warstwami filtracyjnymi) wynosi 1,0–1,5 m.

Można budować poletka o mniejszej wysokości, jednak wymaga to większej ich powierzchni i znacząco zwiększa koszty budowy. Funkcjonują również poletka o większej głębokości, nawet do kilku metrów.

Przyrost warstwy filtracyjnej powinien być kontrolowany za pomocą łat pomiarowych, które należy umieścić w wybranych punktach.

System powinien być tak zaprojektowany, aby zapewnić akumulację co najmniej 1 m warstwy osadów, co po uwzględnieniu średniego okresu eksploatacji trwającego 8–10 lat odpowiada średniej szybkości przyrostu miąższości osadów o ok. 0,1 m/rok [12].

Dno poletka

Dno poletka stanowi kluczowy element, który pełni funkcję zarówno odprowadzania odcieków, jak i napowietrzania zdeponowanych osadów. Poprawna budowa tego elementu jest niezbędna dla prawidłowej pracy systemu.

W celu zabezpieczenia wód gruntowych przed zanieczyszczeniem dno poletka należy wyłożyć nieprzepuszczalną folią (geomembraną).

Folię przykrywa się warstwą piasku, aby zapobiec jej mechanicznemu uszkodzeniu. Żeby zapewnić odprowadzenie wód odciekowych zawartych w osadach, należy wypełnić poletko odpowiednimi warstwami filtracyjnymi [3, 13, 15]:

• pierwsza warstwa filtracyjna od dołu (strefa drenażowa): grubość ok. 20–30 cm, kruszywo gruboziarniste o uziarnieniu 10–40 mm,
• druga warstwa filtracyjna od dołu: grubość ok. 20–25 cm, żwir o uziarnieniu 2,5–10 mm,
• trzecia warstwa filtracyjna (górna warstwa, w której sadzi się trzcinę): grubość ok. 10–20 cm, piasek o uziarnieniu 0,2–2,0 mm.

Przy budowie warstw filtracyjnych poletka niezbędne jest korzystanie z kruszywa o odpowiedniej granulacji i przede wszystkim wysokiej jakości, bez frakcji ilastych. Bardzo istotne jest również zachowanie odpowiednich miąższości poszczególnych warstw filtracyjnych. Powyżej tych warstw składowane są osady.

W pierwszej warstwie filtracyjnej od dołu układa się rurociągi drenażowe, które zbierają odcieki. Są one najczęściej odprowadzane z powrotem do ciągu technologicznego oczyszczalni.

Zapewnienie odpowiedniego spadku rur drenarskich oraz umieszczenie ich w specjalnej obsypce umożliwia lepsze odprowadzenie odcieków i zapobiega kolmatacji złoża. Cały system drenarski powinien zostać zaprojektowany na maksymalny odpływ wód odciekowych wynoszący ok. 1,4 l/(min · m²) [9].

Odpowiednio gęsta sieć rur drenażowych pozwala szybko odprowadzić odcieki. Zapobiega to powstaniu na poletku warunków beztlenowych, których konsekwencją jest zagniwanie osadów, powstawanie odorów, spowalnianie procesu stabilizacji oraz negatywny wpływ na wzrost trzciny.

System drenażowy powinien być połączony z kominkami wentylacyjnymi, które należy wyprowadzić na zewnątrz obiektu. Wentylacja zapewnia stały dopływ tlenu, zapobiegając tworzeniu się warunków beztlenowych w złożu.

W kolejnym etapie układa się system doprowadzający osady na złoże. Najlepszym sposobem dostarczania osadów są pionowe przewody (zakończone grzybkami – rys. 1, fot. 2). Dzięki nim osady rozlewane są równomiernie na całym złożu. Możliwe jest również ułożenie przewodów wzdłuż jednego boku lub na rogach poletka, jednak przy tym rozwiązaniu trudniej uzyskać równomierne rozprowadzenie doprowadzonych osadów na poletku. W miejscach, gdzie obciążenie jest wyższe, może zanikać trzcina.

Liczba sadzonek, którą umieszcza się w najwyższej warstwie filtracyjnej, w przypadku trzciny wynosi najczęściej 4 szt./m². Sposób, w jaki należy obsadzać złoże trzciną, przedstawiono na fot. 3.

Do obsadzeń można zakupić sadzonki trzciny, jednak lepsze efekty daje wykorzystanie trzciny, która rośnie lokalnie, np. w rowach. Takie rozwiązanie zmniejsza koszty i skraca czas wpracowania (przygotowania) obiektu.

Doprowadzanie osadów

Na poletka trzcinowe podaje się najczęściej osady o uwodnieniu ponad 99% – mniejsze uwodnienie utrudnia równomierne rozprowadzenie osadów na poletku. Osady mogą być doprowadzane z leja osadowego osadnika wtórnego lub bezpośrednio z komory nitryfikacji. Zaletą tego drugiego rozwiązania jest lepsze natlenienie osadów. Istotne jest, że przed dostarczaniem osadów na poletko nie stosuje się żadnych dodatkowych procesów ich przeróbki.

Wydajność pomp tłoczących osady na poletka musi być precyzyjnie dobrana, tak aby nie sedymentowały one przy wylocie z rury tłoczącej, ale równomiernie się rozprowadzały po powierzchni poletka. Dodatkowo wyloty rur podających osady należy rozmieścić równomiernie, a liczba wylotów powinna być dostosowana do powierzchni poletka.

Czytaj też: Systemy hydrofitowe do oczyszczania ścieków bytowychProjektowanie według zasad francuskich >>>

Eksploatacja systemu trzcinowego

Etapy eksploatacji systemu trzcinowego

Cały proces odwadniania i stabilizacji osadów trwa ok. 10 lat. Zwykle po tym okresie zaczyna się proces opróżniania poletka, który najczęściej trwa do 12. roku eksploatacji. Po opróżnieniu poletka mogą być dalej eksploatowane. Długość trwania poszczególnych etapów eksploatacji systemów trzcinowych pokazano w tab. 1.

Okres rozruchu trwa ok. 2–3 lat i jest potrzebny, aby rośliny przystosowały się do nowego środowiska oraz rozkrzewiły równomiernie na całej powierzchni poletka. W tym czasie należy zadbać o to, by dawka osadów była proporcjonalna do potrzeb roślinności. Nie może być zbyt duża, gdyż będzie to przeszkadzało w zakorzenieniu się roślin i w konsekwencji może doprowadzić do ich obumierania. Zbyt mała dawka osadów może nie wystarczyć do nawodnienia szybko rozwijających się sadzonek.

Przyjmuje się, że w czasie rozruchu obciążenie osadem powinno wynosić poniżej 30 kg suchej masy na m2 na rok [13].

W okresie rozruchu osady należy dozować bardzo ostrożnie, aby nie doprowadzić do obumarcia sadzonek (przenawożenia lub utopienia).

Ilość osadów nie powinna przekraczać 1/3 wysokości pędów trzciny w danym roku, aby zapewnić im odpowiednią powierzchnię do asymilacji. Roślinność najpierw rozbudowuje swoje kłącza, skupiając na tym prawie całą swoją energię, a dopiero w drugiej kolejności poświęca ją na rozbudowę części nadziemnych i kwitnienie. Z tego powodu w pierwszym roku pracy trzcina nie będzie zbyt gęsta i wysoka (kwitnie zaledwie 10–20%). Jednak im dłużej pracuje system, tym bardziej porasta roślinnością i uzyskuje znacznie lepszą efektywność odwadniania. Prawidłowo rozwiniętą roślinność na złożu pokazano na fot. 4.

Po okresie rozruchu systemu następuje okres jego pełnej eksploatacji, w którym na poletko można dostarczać pełną zaprojektowaną dawkę osadów. Na tym etapie obciążenie wynosi zwykle ok. 50–60 kg suchej masy/m² / rok, w zależności od rodzaju i jakości osadów [8,12].

Zarówno w okresie rozruchu, jak i pełnej eksploatacji systemy trzcinowe powinny pracować w cyklu naprzemiennym: nawadnianie (obciążenie) – nienawadnianie (spoczynek).

Po zasileniu poletka osadami potrzebny jest czas na ich odwodnienie, w tym czasie osady powinny być dostarczane na inne poletko. Osady zawsze powinny być dostarczane tylko na jedno poletko, pozostałe powinny w tym czasie „odpoczywać”.

Według zaleceń duńskich osady powinny być dostarczane na jedno poletko przez 7–8 dni, a następnie powinno ono odpoczywać przez ok. 55–56 dni. Natomiast zalecenia francuskie określają, że poletko powinno być zasilane osadem przez 2–3 dni, a 14–21 dni powinno odpoczywać [9,12].

Według wytycznych duńskich lepsze efekty daje gwałtowne, ale krótkotrwałe dostarczanie osadów.

Optymalnie w ciągu godziny na poletko należy dostarczyć warstwę osadów o miąższości 0,15 m. W krótkim czasie po zalaniu poletka płynnym osadem następuje szybki grawitacyjny odpływ odcieków do systemu drenażowego. Po pewnym czasie woda odcieka w znikomym stopniu.

Zauważono, że po pierwszych dwóch latach oraz gdy zawartość suchej masy w osadach przekracza 20%, ilość odprowadzanych odcieków jest ograniczona i w ciągu 1–2 dni odpływ ustaje.

Zwykle po ciężkich opadach objętość odcieków wzrasta. Przy prawidłowo pracującym i zasilanym poletku odpływ odcieków powinien wyglądać jak na rys. 2.

Jeśli występują problemy eksploatacyjne, odpływ odcieków z poletka wygląda jak na rys. 3.

Wykres natężenia przepływu taki, jak na rys. 3 może wskazywać, że nastąpiła kolmatacja złoża i odpływ odcieków jest utrudniony [11].

Jak wspomniano wcześniej, po 10 latach zaczyna się zwykle etap opróżniania, który trwa najczęściej do 12. roku eksploatacji. Jeśli taki schemat ma być zachowany, już w 6–7 roku muszą być widoczne oznaki prawidłowej pracy złoża. Poletka powinny być opróżniane sukcesywnie, w zależności od potrzeby oraz od ich liczby. Poletka opróżniane są w odpowiedniej, wcześniej ustalonej kolejności.

Średnia grubość warstwy zakumulowanego osadu wynosi zwykle 1–1,3 m, a zawartość suchej masy szacuje się na poziomie ok. 20–30%. Osady charakteryzują się także odpowiednio wysokim stopniem mineralizacji wynoszącym ok. 25%. Poletko przed opróżnieniem przez około rok nie powinno być eksploatowane w celu zwiększenia zawartości suchej masy.

Po opróżnieniu poletka można je dalej eksploatować. W celu skrócenia czasu ponownego wpracowania obiektu można w złożu pozostawić kłącza i korzenie trzciny. Trzcina, która rosła już na poletku zasilanym osadami, potrzebuje mniej czasu na przystosowanie się do panujących warunków.

Wnioski

Na podstawie doświadczeń polskich i duńskich z projektowania, budowy i eksploatacji systemów trzcinowych do odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych pochodzących z konwencjonalnych oczyszczalni ścieków można sformułować następujące wnioski:

1. Wymaganą powierzchnię systemu trzcinowego określa się na podstawie maksymalnej dawki suchej masy osadów, którą można dostarczyć do systemu.

2. Ważne jest dobranie odpowiedniej liczby poletek, gdyż zbyt mała powoduje poważne problemy eksploatacyjne i nieprawidłową pracę systemu.

3. Odpowiednia budowa złoża hydrofitowego jest podstawą jego właściwego działania.

4. Dno poletka stanowi kluczowy element, który pełni funkcję zarówno odprowadzania odcieków, jak i napowietrzania zdeponowanych osadów.

5. Cały proces odwadniania i stabilizacji osadów w systemach trwa ok. 10 lat, zwykle po tym czasie zaczyna się opróżnianie, które trwa do 12. roku eksploatacji.

6. Systemy trzcinowe powinny pracować w cyklu naprzemiennym: nawadnianie (obciążenie) – nienawadnianie (spoczynek).

7. Jedynie prawidłowo zaprojektowane, wybudowane oraz eksploatowane systemy trzcinowe gwarantują efektywne odwanianie i stabilizację osadów ściekowych.

Literatura

1. Bień J., Pająk T., Wystalska K., Unieszkodliwianie komunalnych osadów ściekowych, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2014.
2. Brix H., Integrated sludge dewatering and mineralization in sludge treatment reed beds, Proceeding of 14th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control, Shanghai (China) 2014.
3. Brix H., Sludge dewatering and mineralization in sludge treatment reed beds, „Water” Vol. 9, No. 3, 2017, p. 160–165.
4. Cytawa S., Odwadnianie osadów na poletkach trzcinowych, materiały Seminarium Naukowo-Technicznego w ramach programu szkoleniowego „Zlewnia rzeki Rawki”, Schlußler (red.), „Przeróbka, wykorzystanie i usuwanie osadów ściekowych”, Warszawa 1996, s. 62–65.
5. http://waterandcarbon.com.au/project_category/sludge-treatment-reed-beds/ (1.03.2018).
6. 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”, Vol. 98, 2017, p. 346–353
7. 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.
8. Kołecka K., Obarska-Pempkowiak H., Operation of reed systems used to stabilisation of sewage sludge, „Polish Journal of Environmental Studies”, Vol. 6, 2009, p. 60–69.
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. Nicoll E.H., Sludge treatment and disposal. Small water pollution control works, John Wiley & Sons, New York 1998, p. 411–431.
11. Nielsen S., Sludge drying reed beds, „Water Science and Technology” Vol. 48, No. 5, 2003, p. 101–109.
12. Nielsen S., Sludge treatment reed bed facilities – organic load and operation problems, „Water Science and Technology” Vol. 63, No. 5, 2011, p. 941–947.
13. Obarska-Pempkowiak H., Kołecka K., Buchholtz K., Gajewska M., Ekoinżynieria w zintegrowanym odwadnianiu i stabilizacji osadów ściekowych w systemach trzcinowych, „Przemysł Chemiczny” nr 12/2015, s. 2299–2303.
14. Podedworna J., Umiejewska K., Technologia osadów ściekowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.
15. Sobczyk R., Sypuła M., Wykorzystanie makrofitów do przetwarzania osadów ściekowych na mursz, „Forum Eksploatatora” tom 4, 2011, s. 46–48.
16. Źródła własne autorów, fotografie: Dariusz Rohde
17. Kołecka K., Rohde D., Systemy trzcinowe jako metoda odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych dla małych i średnich oczyszczalni, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2018, s. 102–105.

Czytaj też: Projektowanie pompowni ścieków – wybrane zagadnienia >>>