Zalety i problemy związane z zagospodarowaniem osadów ściekowych metodą trzcinową

Przez wiele lat w Polsce dominującym sposobem zagospodarowania osadów ściekowych z małych oczyszczalni ścieków było ich składowanie na składowiskach odpadów. Sposoby zagospodarowania osadów w komunalnych oczyszczalniach ścieków pokazano w tabeli 1.

Od 1 stycznia 2016 roku składowanie odpadów o cieple spalania powyżej 6 MJ/kg suchej masy jest zakazane. Tym samym małe oczyszczalnie ścieków stanęły przed wyborem metody zagospodarowania osadów. O ile średnie i duże oczyszczalnie mogły sobie pozwolić na budowę zaawansowanych (bardzo drogich w budowie i eksploatacji) technologii, o tyle małe oczyszczalnie najczęściej ze względów ekonomicznych wybierały najprostszy sposób gospodarowania osadami, tj. odwadnianie mechaniczne i wykorzystanie rolnicze.

Mimo że jest to najprostsza i najtańsza metoda zagospodarowania osadów ściekowych, niesie jednak za sobą szereg problemów. Przede wszystkim przy odwadnianiu mechanicznym konieczne jest stosowanie drogich polielektrolitów.

Dodatkowo odwodnione osady przed rolniczym wykorzystaniem trzeba magazynować na terenie oczyszczalni. Osady najczęściej są składowane bez zadaszenia i podlegają wpływowi opadów atmosferycznych.

Skuteczność odwadniania mechanicznego w małych oczyszczalniach nie przekracza kilkunastu procent suchej masy. Odwodniony osad ma postać mazistą, a magazynowany kilka miesięcy zagniwa. Rolnicze wykorzystanie takiego osadu jest bardzo uciążliwe, dodatkowym problemem jest konieczność aplikacji osadów na pola kilka razy w roku, co najczęściej nie współgra z potrzebami rolników.

Dla małych i średnich oczyszczalni ścieków ciekawą alternatywą może być metoda wykorzystująca systemy trzcinowe do jednoczesnego odwadniania i stabilizacji osadów. Eliminuje ona główne problemy, które występują podczas mechanicznego odwadniania. Przede wszystkim nie wymaga drogich urządzeń do odwadniania, prac związanych z procesem odwadniania mechanicznego i konieczności stosowania drogich polielektrolitów.

Istotna jest też możliwość wyeliminowania uciążliwości związanych z magazynowaniem odwodnionych osadów, ich zagniwaniem (ze względu na zachodzące tlenowe procesy stabilizacji), konsystencją i koniecznością stosowania wielokrotnie w ciągu roku [11].

Zalety systemów trzcinowych

Systemy trzcinowe są przede wszystkim łatwe i proste w obsłudze, charakteryzują się też niskimi kosztami eksploatacyjnymi. Metoda ta jest bardzo elastyczna, co stwarza możliwość dostosowania jej do lokalnych warunków terenowych, a naturalne walory umożliwiają łatwe wkomponowanie w istniejący krajobraz [14].

Systemy te odwodniają i stabilizują osady trzcinowe, opierając się na procesach naturalnych – naśladują warunki zachodzące w systemach bagiennych. W wyniku przerastania osadów dennych kłączami, pobierania z nich składników pokarmowych, mieszania z obumarłymi częściami roślin i mineralizacji powstaje substancja humusowa.

Dzięki silnie rozwiniętym kłączom oraz korzeniom trzcina bardzo intensywnie pobiera i odparowuje wodę z osadów oraz przerasta i napowietrza złoże osadowe, stwarzając tym samym warunki do rozwoju mikroorganizmów, które rozkładają substancję organiczną.

Roślinność wspomaga również grawitacyjny odpływ wody z osadów i zwiększa ich porowatość. Dodatkowo trzcina charakteryzuje się tolerancją na mrozy i upały oraz przede wszystkim dużą odpornością na mikrozanieczyszczenia toksyczne czy metale ciężkie [5, 7, 11, 14].

Naturalny charakter tej metody ma dwie podstawowe zalety.

• Po pierwsze, jej stosowanie nie wpływa negatywnie na środowisko przyrodnicze, a wręcz przeciwnie. Systemy trzcinowe z czasem przekształcają się w tętniące życiem ekosystemy, będące często ostoją rzadkich gatunków ptaków, płazów i innych zwierząt [14].
• Po drugie, procesy w systemach trzcinowych zachodzą samoczynnie i nie wymagają stosowania drogich urządzeń czy dodatkowych substancji chemicznych, co znacznie zmniejsza koszty ich eksploatacji.

O taniej eksploatacji decyduje również fakt, że jest to metoda niskoenergochłonna – koszty wiążą się z energią zużywaną na pompowanie osadów.

W analizie trzeba również uwzględnić koszty opróżniania poletek – obejmują one wykorzystanie koparki do wydobycia odwodnionego i ustabilizowanego osadu – oraz koszty składowania na przygotowanym placu, jak również ich wywiezienia do wykorzystania rolniczego.

Technologia opróżniania nie jest uciążliwa. Dodatkowo przy prawidłowo wybudowanym i eksploatowanym obiekcie opróżnienie poletka następuje średnio raz na 10–15 lat. Kolejną zaletą jest fakt, że osady ściekowe na poletka są podawane bezpośrednio z komory osadu czynnego lub osadnika wtórnego bez konieczności stosowania dodatkowych zabiegów, co zmniejsza zarówno koszty eksploatacyjne, jak i inwestycyjne.

Przy metodzie trzcinowej można istotnie zaoszczędzić na kosztach transportu, ponieważ przy użyciu poletek ilość osadów ściekowych, które należy przewieźć, spada o 50–60% w porównaniu do odwadniania mechanicznego. Doświadczenia z budowy systemów trzcinowych pokazują, że koszty inwestycyjne budowy poletek wynoszą jedynie około 20% kosztów budowy kompostowni

Z kolei badania przeprowadzone na obiektach trzcinowych pracujących w skali technicznej pokazują, że jeśli są one prawidłowo eksploatowane, uzyskuje się bardzo wysoką skuteczność odwadniania (nawet powyżej 40%) oraz wysoki stopień mineralizacji [6].

Dodatkowo osady ściekowe poddane przeróbce w systemach trzcinowych stanowią cenną substancję humusową oraz charakteryzują się wysoką zawartością substancji biogennych (azotu i fosforu).

W oczyszczalniach, w których fosfor strącany jest chemicznie, osady mają bardzo wysokie stężenia tej substancji (ok. 2–4% suchej masy) [6]. Są to dużo wyższe zawartości niż w przypadku nawozów naturalnych (obornik, gnojówka).

Jeśli przetworzone osady spełniają wymagania (mikrobiologiczne oraz dotyczące zawartości metali ciężkich) określone przez rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie osadów ściekowych (tabela 2), mogą zostać wykorzystane przyrodniczo.

Według rozporządzenia w sprawie komunalnych osadów ściekowych [12] mogą być one stosowane na gruntach, jeżeli spełniają następujące wymagania mikrobiologiczne:

• w przypadku stosowania tych osadów w rolnictwie i do rekultywacji gruntów na cele rolne nie wyizolowano bakterii z rodzaju Salmonella w reprezentatywnej próbce osadów o masie 100 g;

oraz gdy:

• łączna liczba żywych jaj pasożytów jelitowych Ascaris sp., Trichuris sp., Toxocara sp. w 1 kg suchej masy osadów przeznaczonych do badań stosowanych:

1. w rolnictwie oraz do rekultywacji gruntów na cele rolne – wynosi 0,
2. do rekultywacji terenów – jest nie większa niż 300, (...)
3. do uprawy roślin nieprzeznaczonych do spożycia i do produkcji pasz – jest nie większa niż 300. (...)

Ze względu na to, że systemy trzcinowe stosowane są dla małych i średnich miejscowości, gdzie nie ma przemysłu ciężkiego, najczęściej nie ma też problemu z zachowaniem wymaganych zawartości metali ciężkich. Potwierdzają to wyniki badań przeprowadzonych zarówno w Polsce, jak i w Europie, które zostały przedstawione w publikacji [9].

Warunki, które panują na poletku trzcinowym, przypominają te z pryzm kompostowych, co przyczynia się do zmniejszenia ilości mikroorganizmów chorobotwórczych [10].

Wykorzystanie przyrodnicze osadów jest jedną z bardziej poprawnych ścieżek ich zagospodarowania, ponieważ przyczynia się do zamknięcia obiegu materii organicznej w przyrodzie. Dodatkowo jest to zgodne z wymogami dyrektyw UE, a w szczególności dyrektywy 2000/60/WE ustanawiającej ramy wspólnotowego działania w dziedzinie polityki wodnej [3], która wskazuje, że osady ściekowe muszą być ponownie wykorzystane w każdym przypadku, jeśli zostanie ograniczony do minimum ich niekorzystny wpływ na środowisko przyrodnicze.

Istotny jest fakt, że metoda trzcinowa to nie składowanie czy magazynowanie osadów trzcinowych. Jest to biologiczny proces przekształcania, który powoduje stabilizację osadów i ich przekształcenie w substancję humusową w obecności roślin. Zgodnie z ustawą o odpadach jest to proces odzysku określony symbolem R3 – recykling lub regeneracja substancji organicznych, które nie są stosowane jako rozpuszczalniki (włączając kompostowanie i inne biologiczne procesy przekształcania) [13].

Problemy, które mogą się pojawić w systemach trzcinowych

Mimo szeregu zalet, jak każda inna metoda, systemy trzcinowe mają też pewne wady. Są to rozwiązania, które wymagają dużej powierzchni. Należy sobie również zdawać sprawę, że niezbędny jest czas wpracowania obiektu, potrzebny trzcinie na rozwinięcie systemu kłączy i korzeni – trwa to ok. 2–3 lat. W tym czasie obiekt powinien być zasilany mniejszym ładunkiem zanieczyszczeń [8].

Podczas kolejnych etapów budowy, rozruchu i eksploatacji mogą się pojawić specyficzne problemy.

Problemy na etapie budowy systemów trzcinowych

W związku z tym, że w Polsce poletka trzcinowe są rzadkością, projektanci, nie mając doświadczenia w ich projektowaniu, nie proponują tego rozwiązania inwestorom. Konstrukcja poletka trzcinowego jest bardzo prosta, jednak aby osiągnąć prawidłowe parametry pracy, potrzeba bardzo precyzyjnego projektu wykonawczego, określającego szczegółowe wymagania w zakresie systemu drenażowego i wentylacyjnego oraz jakości i technologii układania warstw filtracyjnych. W tym zakresie popełnianych jest wiele błędów.

Przy budowie poletek należy, oprócz prawidłowo wykonanego projektu budowlanego, zwrócić szczególną uwagę na jakość materiałów oraz realizację budowy. Kluczowym elementem jest precyzyjne wykonanie systemu drenażowo-wentylacyjnego oraz właściwe ułożenie poszczególnych warstw filtracyjnych. Do prawidłowej pracy systemu trzcinowego niezbędna jest wentylacja w celu uniknięcia warunków beztlenowych. Przewody drenażowo-wentylacyjne powinny być obsypane kruszywem gruboziarnistym, co znacznie ułatwia przepływ i zapobiega kolmatacji.

Ważne jest prawidłowe osadzenie rur. System drenażowy należy wybudować z odpowiednim spadkiem w celu zapewnienia prawidłowej prędkości odpływu. System taki powinien być zaprojektowany na maksymalny odpływ ze złoża wynoszący ok. 1,4 dm³/min/m². Na etapie budowy należy uważać, aby nie używać ciężkiego sprzętu w miejscach, gdzie zainstalowany jest system drenażowy, gdyż może to spowodować uszkodzenie przewodów.

Skład warstw filtracyjnych musi być ściśle określony. Wymagane jest, aby zapewniony był odpowiedni stopień przepuszczalności, frakcje stałe pozostawały na filtrze, zawartość gliny i drobnych iłów powinna być niska, również udział substancji organicznych należy ograniczyć. Bardzo istotne jest zastosowanie kruszyw najwyższej jakości. Domieszki ilaste mogą po pewnych czasie spowodować kolmatację złoża i zaburzyć pracę systemu.

Ważną kwestią w przypadku budowy obiektu ze skarpami ziemnymi jest ich właściwe zabezpieczenie, ponieważ w czasie silnych opadów z ziemi bardzo często wypłukują się frakcje ilaste, które spływają ze skarp bezpośrednio na złoże, pogarszając jego parametry filtracyjne [1, 2, 8, 9].

Problemy przy rozruchu

Kluczowym elementem poletek jest trzcina, która jest rośliną bagienną i wymaga utrzymania stałej wysokiej wilgotności w systemie korzeniowym. Najważniejszą kwestią jest właściwy rozwój roślin, dlatego w pierwszym roku pracy złoża dawka osadów oraz częstotliwość nawadniania powinna być adekwatna do potrzeb roślinności – w tym czasie następuje silny wzrost roślin dzięki nawadnianiu i nawożeniu, dlatego ważne jest stosowanie właściwych dawek osadów.

O ile podczas normalnej eksploatacji poletka system korzeniowy stale znajduje się w warstwach uwodnionego osadu, o tyle podczas rozruchu trzcina posadzona jest w warstwie filtracyjnej, która bardzo szybko odprowadza wodę. Dlatego szczególnie w okresie letnim może pojawić się problem z utrzymaniem wilgotności, tym bardziej że młodej trzciny nie można zbyt intensywnie zasilać osadem.

Poletko trzcinowe w czasie rozruchu przy cienkich warstwach osadu pracuje jak klasyczne poletko do odwadniania osadu. Osad latem przy długich okresach suszy bardzo szybko się odwadnia (wysycha) [1, 2].

Problemy eksploatacyjne

Bardzo często problemy eksploatacyjne związane są z błędami popełnionymi na etapie projektowania, budowy czy rozruchu. Niestety, efekty tych błędów widoczne się dopiero po kilku latach eksploatacji.

Źle wykonany system drenażowo-wentylacyjny oraz nieprawidłowy skład warstw filtracyjnych może prowadzić do zbyt długiego czasu odprowadzania wód odciekowych. Może to skutkować powstaniem warunków beztlenowych, które są niekorzystne ze względu na powstawanie odorów oraz wpływają negatywnie na trzcinę rosnącą na poletku. To z kolei może prowadzić do obumierania trzciny i pogorszenia się procesów odwadniania oraz stabilizacji osadów.

Utrzymywanie warunków tlenowych i dobrej przepuszczalności w warstwie filtracyjnej nie tylko wpływa pozytywnie na procesy odwadniania i stabilizacji, ale również obniża stężenie zanieczyszczeń w odciekach, które najczęściej powracają do początku ciągu technologicznego oczyszczalni ścieków.

Źle przeprowadzony okres rozruchu również wpływa negatywnie na roślinność. Jeśli trzcina nie będzie odpowiednio zakorzeniona, w czasie pełnej eksploatacji może sobie nie poradzić z dostarczonym ładunkiem osadów.

Problemy eksploatacyjne wynikać mogą ze zbyt małej liczby poletek w systemie. System musi obejmować taką ich liczbę, żeby zapewnić należycie długi czas odpoczynku dla poszczególnych poletek. Okres dostarczania osadów na poletko powinien wynosić kilka dni, a faza odpoczynku od dwóch do sześciu tygodni (dokładnie okresy te opisane zostały w nr. 4/2018 „Rynku Instalacyjnego” [9]).

Wraz ze zwiększaniem się grubości warstwy osadu i wieku złoża można zwiększać okres, podczas którego dozowane są osady, np. do tygodnia. Tym samym konieczne jest wydłużenie czasu odpoczynku. Większa liczba poletek umożliwia ustawienie dłuższych serii rotacyjnych, a w efekcie dłuższych okresów odpoczynku, co wpływa na znacznie lepsze rezultaty związane z odwodnieniem oraz stabilizacją osadów.

Jednym z najczęstszych błędów powodujących poważne problemy eksploatacyjne jest zbyt duże obciążenie systemu trzcinowego dawką osadów. Przy osadzie nadmiernym maksymalna dawka nie może przekraczać 60 kg suchej masy na m² na rok.

W przypadku przeciążenia systemu trzcinowego stosunkowo szybko zaczynają występować problemy z rozwojem roślin, spada efektywność odwadniania i mineralizacji [7, 8, 9].

Na problemy eksploatacyjne może wpływać również zła jakość osadów. Chodzi tu między innymi o dużą zawartość substancji tłuszczowych, dużą zawartość lotnych substancji stałych, wysoki indeks objętościowy osadu, jego słabe właściwości sedymentacyjne czy występowanie bakterii nitkowatych.

Dodatkowo na właściwości osadów może wpływać sposób ich transportu. Dozowanie osadów poprzez pompy wysokociśnieniowe może przyczyniać się do rozbijania struktury kłaczków, co utrudnia odwadnianie. Natomiast transport długimi przewodami może również doprowadzić do pogorszenia właściwości osadu lub do powstania warunków beztlenowych.

W przypadku stosowania osadów o złej jakości konieczne jest obniżenie ładunku dostarczanego na poletka nawet o połowę.

Wnioski

Systemy trzcinowe mogą stanowić bardzo dobre rozwiązanie dla małych oczyszczalni ścieków, które dysponują ograniczonymi środkami finansowymi. Na podstawie polskich i europejskich doświadczeń z tego typu rozwiązaniami można sformułować następujące wnioski:

1. Systemy trzcinowe mają wiele zalet.
2. Powodują równoczesną stabilizację i odwadnianie osadów, opierając się na procesach naturalnych. Pozwala to nie obciążać środowiska przyrodniczego oraz daje wymierne ekonomiczne oszczędności.
3. Są stosunkowo łatwe w budowie i eksploatacji.
4. Metoda ta, jak każda inna, ma jednak swoje wady i ograniczenia.
5. Systemy trzcinowe wymagają dużych powierzchni.
6. Błędy na etapie projektowania, budowy czy rozruchu widoczne się dopiero po kilku latach eksploatacji.
7. Jednym z najczęstszych błędów, powodującym poważne problemy eksploatacyjne, jest zbyt duże obciążenie systemu trzcinowego dawką osadów.
8. Mimo wielu zalet obiekty trzcinowe nie są powszechnie stosowane w Polsce, ponieważ brakuje specjalistów, którzy potrafią je prawidłowo zaprojektować.

Literatura

1. 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.
2. Brix H., Sludge dewatering and mineralization in sludge treatment reed beds, „Water” Vol. 9, No. 3, 2017, p. 160–165.
3. Dyrektywa 2000/60/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 23 października 2000 r. ustanawiająca ramy wspólnotowego działania w dziedzinie polityki wodnej.
4. GUS, Ochrona środowiska 2016, Warszawa.
5. Kalisz L., Sałbut J., Wykorzystanie trzciny do odwadniania i mineralizacji osadów stabilizowanych w warunkach beztlenowych. Monografia, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa 2008.
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”, 98, 2017, p. 346–353.
7. 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.
8. Kołecka K., Rohde D., Projektowanie, budowa i eksploatacja systemów trzcinowych do odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2018, s. 105–109.
9. 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.
10. Nielsen S., Helsinge sludge reed beds systems: reduction of pathogenic microorganisms, „Water Science and Technology”, 56 (3), 2007, p. 175–182.
11. Obarska-Pempkowiak H., Kołecka K., Buchholtz K., Gajewska M., Ekoinżynieria w zintegrowanym odwadnianiu i stabilizacji osadów ściekowych w systemach trzcinowych, „Przemysł Chemiczny” Vol. 94, nr 12, 2015, s. 2299–2303.
12. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 6 lutego 2015 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych (DzU 2015, poz. 257).
13. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 grudnia 2014 r. w sprawie katalogu odpadów (DzU 2014 poz. 1923).
14. Sobczy R., Sypuła M., Wykorzystanie makrofitów do przetwarzania osadów ściekowych na mursz, „Forum Instalatora” nr 4/2011, s. 46–48.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!