Przydomowa oczyszczalnia ścieków z drenażem rozsączającym na stoku wzniesienia

Jednym z problemów, z jakimi borykają się gminy wiejskie w Polsce, jest gospodarka ściekowa. Kilkudziesięcioletnie zaniedbania dotyczące odprowadzania i unieszkodliwiania ścieków doprowadziły do powstania dużych dysproporcji między systemem zaopatrzenia w wodę a budową systemów kanaliza­cyjnych.

Obecnie można na wsi zaobserwować podniesienie standardów wyposażenia budynków mieszkalnych w przybory sanitarne i zwiększenie zużycia wody, co skutkuje wytwarzaniem większej ilości ścieków bytowych. W miejscowościach o dużej gęstości zabudowy, w których istnieje rozwinięta infrastruktura, ścieki bytowe odprowadzane są do zbiorczych systemów kanalizacyjnych. Natomiast w miejscowościach o zabudowie rozproszonej najczęściej spotykaną metodą usuwania ścieków bytowych z budynków mieszkalnych i gospodarskich jest gromadzenie ich w zbiorniku bezodpływowym, a później wywóz samochodem asenizacyjnym do oczyszczalni ścieków, niekiedy na pole lub do rowu. W eksploatacji ten system kanalizacji jest drogi, a zbiorniki bezodpływowe są często nieszczelne i nieprawidłowo użytkowane. Ścieki i osady, które są wprowadzane do gruntu bez oczyszczania, stanowią duże zagrożenie sanitarne z uwagi na obecność w nich bakterii chorobotwórczych i jaj pasożytów.

Budowa zbiorczych systemów do zbierania i unieszkodliwiania ścieków bytowych na obszarach wiejskich w wielu przypadkach jest niemożliwa właśnie z powodu rozproszonej zabudowy, niekorzystnej topografii terenu i dużych kosztów inwestycyjnych. W tych warunkach alternatywą mogą być przydomowe gruntowe oczyszczalnie ścieków z drenażem rozsączającym.

W przydomowych gruntowych oczyszczalniach ścieków z drenażem rozsączającym stosuje się dwustopniowy układ oczyszczania ścieków bytowych, czyli oczyszczanie mechaniczne i biologiczne. W mechanicznym oczyszczaniu ścieków bytowych zachodzą procesy sedymentacji, flotacji i fermentacji, podczas których ze ścieków usuwane są zanieczyszczenia mineralne i organiczne o gęstości większej od gęstości cieczy (piasek, fekalia, papier) i gęstości mniejszej od gęstości cieczy (tłuszcze). Mechaniczne oczyszczanie ścieków bytowych realizowane jest w osadniku gnilnym (2 na rys. 1). Natomiast w biologicznym oczyszczaniu ścieków bytowych zachodzą procesy nitryfikacji (usuwanie azotu), adsorpcji i strącania (usuwanie fosforu). Biologiczne oczyszczanie ścieków bytowych realizowane jest na złożu rozsączającym i gruntowym pod drenażem rozsączającym (5 i 8 na rys. 1).

Zakres zastosowania przydomowej oczyszczalni ścieków

Przydomowe oczyszczalnie ścieków na obszarach wiejskich zaleca się stosować na terenach o zabudowie bardzo rozproszonej, gdzie budowa zbiorczych systemów kanalizacji jest ze względów ekonomicznych nieuzasadniona. Ścieki bytowe mogą być odprowadzane do gruntu, gdy pochodzą z wolno stojących budynków mieszkalnych, zlokalizowanych poza obszarami stref ochrony ujęć wody podziemnej oraz gdy ilość ścieków nie przekracza 5,0 m³ · d–1 [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 osadniczych (miasto) q = 200 dm³ · d–1 [8].

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

Budowa i metodyka projektowania

Projektowanie drenażu rozsączającego na zboczu wzniesienia opiera się na teorii filtracji ścieków w strefie nienasyconej i nasyconej. Przyjmuje się, że główny kierunek filtracji ścieków jest poziomy, a nie pionowy w głąb gruntu. Zakłada się, że spadek hydrauliczny filtrującej strugi ścieków z drenażu rozsączającego jest równy przeważającemu spadkowi terenu, na którym chcemy wybudować drenaż rozsączający [7]. Powinien on być budowany na zboczu o spadku od 5 do 30%, ponieważ poniżej 5% główny kierunek filtracji jest pionowy w dół, a nie poziomy [2]. Projektujemy go wzdłuż warstwic terenu i w warstwie gruntu o największej przepuszczalności, jeśli jest to grunt niejednorodny (warstwowy). W tym celu należy wykonać badania hydrogeologiczne terenu. Określić rodzaj gruntu, jego miąższość (bądź rodzaje gruntów i ich miąższość, jeśli jest to grunt niejednorodny), współczynnik filtracji (bądź współczynnik filtracji w laboratorium) albo przepuszczalność gruntu (bądź gruntów) bezpośrednio w terenie oraz spadek terenu. Zaleca się, by przepuszczalność gruntu określać na podstawie testu perkolacyjnego.

Całkowitą długość drenu L (czyli rurociągu rozsączającego ścieki) wyznaczamy na podstawie nomogramu pokazanego na rys. 2. Nomogram ten jest graficznym przedstawieniem równania Darcy’ego–Weibacha dla przepływu wody w gruncie nasyconym [7]. Wykorzystuje się go przy wyznaczaniu całkowitej długości drenu w gruntach niespoistych i spoistych dla średniego dobowego obciążenia ściekami drenażu rozsączającego Q_dśr = 0,91 m³/d ≈ 6 M · 0,150 m³ · d^–1. Dla innych obciążeń wynik należy ekstrapolować liniowo. Do obliczania szerokości drenażu rozsączającego ścieki należy przyjmować jednostkowe obciążenie q = 0,0326 m³ · m^-2 · d^–1 na 1 m² powierzchni dna wykopu drenażu rozsączającego (bez ścianek bocznych).

Pole powierzchni rozsączania ścieków obliczamy z następującego równania [7]:

(1)

gdzie:
A – pole powierzchni rozsączania ścieków, m²;
Q_dśr – średnie dobowe obciążenie ściekami drenażu rozsączającego, m³ · d^–1;
q – jednostkowe obciążenie ściekami na 1 m² powierzchni dna wykopu drenażu rozsączającego (bez ścianek bocznych), q = 0,0326 m³ · m^–2 · d^–1.

Szerokość drenażu rozsączającego ścieki oblicza się z następującego równania [7]:

(2)

gdzie:
b – szerokość drenażu rozsączającego ścieki, m;
A – powierzchnia rozsączania ścieków, m²;
L – całkowita długość drenażu według nomogramu (rys. 2), m.

Z nomogramu (rys. 2) korzystamy w następujący sposób. Znamy efektywną miąższość gruntu (pierwsza kolumna od lewej na rys. 2), definiowaną jako miąższość warstwy gruntu, która będzie przyjmować rozsączane ścieki. Może to być odległość od powierzchni terenu do warstwy nieprzepuszczalnego gruntu lub do zwierciadła wody gruntowej. Z kolumny tej prowadzimy linię do przecięcia się z drugą kolumną (patrz linia przerywana na rys. 2). Jest to spadek powierzchni terenu. Kończymy pierwszą linię na kolumnie trzeciej, która jest załamaniem i końcem pierwszej linii reprezentującej przedłużenie pierwszych dwóch parametrów. Z kolumny trzeciej prowadzimy nową linię do przecięcia się z kolumną czwartą (patrz linia przerywana na rys. 2), która oznacza rodzaj gruntu lub jego przepuszczalność. Kontynuując tę linię do piątej kolumny i przecinając ją, wyznaczamy całkowitą długość drenażu.

Drenaż należy budować z jednym ciągiem rozsączającym ścieki, czyli z jednym przewodem rozsączającym. Wymagane jest stosowanie pompy lub urządzenia lewarowego, gdy długość ciągu drenażu przekracza L ≈ 45,7 m. Średnica rurociągu rozsączającego nie powinna być mniejsza niż d = 0,10 m. W dnie rurociągu rozsączającego powinny być wykonane pojedyncze otwory. Konwencjonalnie perforowany rurociąg do rozsączania ścieków z bocznymi otworami w odległości 10,0–15,0 cm może być także użyty pod warunkiem, że w dnie każdego modułu rurociągu (co 3,0 m) zostanie wywiercony jeden otwór. Moduł rurociągu to pojedyncza rura o długości 3,0 m z odpowiednią perforacją.

Na rys. 3 i 4 przedstawiono rozwiązania takiego drenażu rozsączającego. Głębokość wykopu pod drenaż rozsączający ścieki jak i miąższość warstwy przykrywającej (14) zależą od głębokości przemarzania gruntu w danym regionie Polski. Zaleca się wykonanie wykopu pod drenaż rozsączający nie głębiej niż 0,50 m poniżej powierzchni terenu (typ C2, rys. 3). Im płytszy wykop, tym lepsze warunki filtracji ścieków zgodnie ze spadkiem terenu do warstwy przykrywającej (efektywna miąższość zasypki: 10). Dzięki temu wydłuża się droga filtracji ścieków przez warstwę korzeniową traw rosnących na powierzchni terenu (7 na rys. 3 i 6 na rys. 4) i wzrasta efektywność oczyszczania ścieków.

Gdy warstwa nieprzepuszczalna (np. skała macierzysta) lub zwierciadło wody gruntowej znajduje się tuż pod powierzchnią terenu, zaleca się stosowanie drenażu rozsączającego ścieki w postaci kopca filtracyjnego (rys. 4). Minimalna miąższość zasypki poniżej warstwy rozsączającej (10) powinna wynosić 0,30 m.

Podczas budowy drenażu rozsączającego zaleca się nie zagęszczać wbudowywanego gruntu i nie używać ciężkiego sprzętu. Do głównych przyczyn wadliwego działania systemu zaliczyć można: zbyt duże zagęszczenie wbudowywanego gruntu, wykonany wykop pod drenaż nie był w poziomie, cały system był źle konserwowany lub nastąpiło hydrauliczne przeciążenie ściekami drenażu [2].

Tego typu drenaże rozsączające ścieki są z powodzeniem stosowane w USA i Kanadzie. Między innymi taki drenaż został wybudowany w Zachodniej Wirginii niedaleko Stewartstown, na pochyłych brzegach jeziora Cheat, wśród rosnących drzew. Wykonano go w piasku gliniasto-ilastym z jednym ciągiem rurociągów rozsączających o długości L ≈ 40,54 m, w płytkim wykopie o powierzchni rozsączania ścieków A = 28 m² [3].

Z kolei w Nowej Szkocji w Kanadzie wybudowano ich tysiące [2]. Zaczęto je budować również w innych prowincjach Kanady: Prince Edward Island, New Brunswick, Ontario, British Columbia. W laboratorium i bezpośrednio na wybudowanych obiektach przeprowadzono pięcioletnie badania, które wykazały dużą skuteczność usuwania ze ścieków zanieczyszczeń, bakterii i wirusów w osadniku gnilnym.

Całkiem inne rozwiązanie zastosowano na północy w prowincji British Columbia (rys. 5) [4]. Ścieki w tym drenażu rozsączającym filtrują przez boczne ścianki wykopu zgodnie ze spadkiem powierzchni terenu, a nie jak w konwencjonalnym systemie w dół. Drenaż składa się z dwóch równoległych ciągów rurociągów rozsączających o średnicy d = 150 mm i długości L = 260 m. Poniżej rurociągu rozsączającego znajdują się jeszcze dwa perforowane rurociągi o średnicy d = 75 mm. Zasilany jest on urządzeniem dozującym (komora dozująca) cztery razy na dobę. Jedna dawka ścieków z urządzenia dozującego wystarcza do wypełnienia jednego ciągu rozsączającego. W stosunku do konwencjonalnego systemu zajmuje mniejszą powierzchnię, jest tańszy i pozwala oczyszczać więcej ścieków. Przeprowadzone badania wskazują, że skutecznie usuwa zanieczyszczenia, bakterie i wirusy ze ścieków.

Jeśli występuje konieczność wybudowania więcej niż jednego ciągu rozsączania ścieków (np. szerokość działki jest za mała na jeden ciąg rozsączający), poszczególne ciągi łączy się ze sobą w sposób przedstawiony na rys. 1 [1].

Przy projektowaniu drenażu rozsączającego należy sprawdzić stateczność zbocza, na którym zamierzamy wybudować drenaż. Po wybudowaniu drenażu rozsączającego może bowiem nastąpić zachwianie równowagi między siłami utrzymującymi skarpę a siłami działającymi zsuwająco. Siły utrzymujące skarpę wynikają z wytrzymałości gruntu na ścinanie. Siły zsuwające są funkcją obciążeń działających na skarpę, są to: ciężar właściwy gruntu, obciążenie filtrującymi ściekami i obciążenie naziomu.

Przy gruntach niespoistych przyjmuje się założenie, że poślizg następuje wzdłuż płaszczyzny równoległej do skarpy. Założenie to odpowiada rzeczywistemu przebiegowi osuwiska w gruntach niespoistych. Orientacyjnie współczynnik pewności w gruntach niespoistych z uwzględnieniem filtracji można obliczyć z następującego równania (rys. 6) [10]:

(3)

gdzie:
F – współczynnik pewności, -;
a – współczynnik zmniejszający, przyjmuje się w przybliżeniu 0,8;
γ – ciężar objętościowy gruntu, kN · m^–3 (tabela 1);
γ_w – ciężar objętościowy wody, przyjmuje się 10,0 kN ·m^–3;
β – kąt nachylenia zbocza, °;
φ – kąt tarcia wewnętrznego, ° (tabela 2).

Współczynnik zmniejszający a zaleca się przyjmować jako 0,8, ale potrzebne są dalsze badania nad jego uściśleniem. Współczynnik pewności mówi nam, czy skarpa, na której wybudujemy drenaż rozsączający, będzie stabilna czy nie. Dla gruntów niespoistych współczynnik pewności F powinien wynosić minimum 1,2, nie wystąpi wtedy zjawisko osuwiska skarpy.

W gruntach spoistych zakłada się, że poślizg nastąpi wzdłuż powierzchni cylindrycznej. Rozpatruje się siły działające wzdłuż powierzchni poślizgu. Współczynnik pewności wyraża się stosunkiem momentów utrzymujących do momentów zsuwających względem środka obrotu powierzchni poślizgu. Do obliczenia współczynnika pewności F w gruntach spoistych najczęściej stosuje się metodę Felleniusa lub Bishopa [10]. Współczynnik pewności w gruntach spoistych F powinien wynosić minimum 1,4, nie wystąpi wtedy zjawisko osuwiska skarpy.

Wszystkie parametry potrzebne do obliczania stateczności zbocza zarówno w gruntach niespoistych, jak i spoistych należy dla każdego obiektu wyznaczyć na podstawie bezpośrednich badań. W praktyce inżynierskiej stateczność zboczy gruntów niespoistych również oblicza się metodą Felleniusa lub Bishopa. Krawędź wykopu drenażu rozsączającego powinna się znajdować w odległości nie mniejszej niż 4,5 m od skarpy zbocza (rys. 7) [6].

Podsumowanie

Należy unikać budowy drenaży rozsączających w gruntach o małej przepuszczalności oraz zawierających znaczne ilości próchnicy, humusu i torfu. Po przefiltrowaniu ścieków przez takie złoże nie zostaną usunięte z nich wszystkie związki organiczne, a dodatkowo następuje podtopienie złoża rozsączającego. Zjawisku temu należy zapobiegać poprzez zmniejszenie dopuszczalnego obciążenia hydraulicznego drenażu rozsączającego i zastosowanie pod złożem rozsączającym warstwy wspomagającej, która spowoduje wydłużenie czasu przebywania ścieków w warstwie pozbawionej związków organicznych.

Ze względu na coraz większy deficyt w gospodarce światowej wody pitnej i wody do nawodnień upraw rolniczych, wskazane jest propagowanie rolniczego wykorzystania oczyszczonych ścieków bytowych. Związki azotowe i fosforowe są bardzo dobrze przyswajane jako pokarm przez rośliny. Obecnie obowiązujące w kraju przepisy dopuszczają rolnicze wykorzystanie ścieków [9]. W złożach gruntowych występuje bardzo dobra skuteczność usuwania zawiesin ogólnych ze ścieków, co może prowadzić do szybkiej kolmatacji złoża pod drenażem rozsączającym. Dlatego należy tak projektować osadniki gnilne, aby mogły zatrzymać jak najwięcej zawiesin ogólnych – np. osadniki kilkukomorowe zamiast jednokomorowych.

Literatura

1. Canter L.W., Knox R.C., Septic Tank System Effects on Ground Water Quality, Lewis Publishers, Inc., 1985.
2. Gover N., Researcher explains design. Treatment aspects of contour systems, „Small Flows – Spring”, Vol. 9, No. 2, 1995.
3. Gover N., Lakeside home has WV’s first contour disposal field, „Small Flows – Spring”, Vol. 9, No. 2, 1995.
4. CMHC: Assessment of the Takla Landing Contour Trench Wastewater Disposal System, May 1989, http://publications.gc.ca/collections/collection_2017/schl-cmhc/nh18-1/NH18-1-370-1989-eng.pdf (dostęp: 2.01.2020).
5. Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzanie ścieków, Wydawnictwo SGGW, Wydanie drugie poprawione – Warszawa 2015.
6. Kaplan O.B., Septic Systems Handbook, CRC Pres. Boca Raton, 1991.
7. Pask D., Design process outlined of contour disposal fields, „Small Flows – Spring”, Vol. 9, No. 2, 1995.
8. PN-EN 752:2008. Zewnętrzne systemy kanalizacyjne.
9. Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej z dnia 12 lipca 2019 roku w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego oraz warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu do wód lub do ziemi ścieków, a także przy odprowadzaniu wód opadowych lub roztopowych do wód lub do urządzeń wodnych (DzU 2019, poz. 1311).
10. Wiłun Z., Zarys geotechniki, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1976.