O oczyszczalniach hydrofitowych

Budowa i zasada działania

Oczyszczalnie hydrofitowe to wysoko sprawne systemy biologicznego oczyszczania ścieków. W ich skład wchodzą złoża zasiedlone roślinami wodolubnymi, dzięki którym następuje mechaniczne oczyszczanie ścieków.

Istnieje kilka instrukcji dotyczących wymiarowania oczyszczalni hydrofitowych. W wyniku lat doświadczeń w budowie i eksploatacji tych systemów opracowano wytyczne (np. niemieckie ATV), które zawierają ogólnie akceptowane zasady i uwzględniają zgromadzoną wiedzę na temat tego rodzaju oczyszczalni.

Zasada działania oczyszczalni hydrofitowych jest następująca: wstępnie oczyszczone ścieki wpływają na teren oczyszczalni, gdzie utrzymywany jest wysoki poziom wody, który umożliwia wegetację roślin częściowo zanurzonych, charakterystycznych dla ekosystemów bagiennych takich jak trzcina, pałka wodna. Usuwanie zanieczyszczeń w hydrofitowym systemie oczyszczalni następuje w wyniku procesów mikrobiologicznych, fizyczno-chemicznych oraz wskutek procesów fizjologicznych zachodzących w roślinach. W zależności od konstrukcji złoża gruntowego oraz kierunku przepływu ścieków wyróżniamy dwa typy oczyszczalni hydrofitowych.

Rys. 1: Filtr z poziomym przepływem ścieków.

W filtrach z poziomym przepływem ścieków następuje przepływ ścieków z jednego końca oczyszczalni hydrofitowej do drugiego – innymi słowy jest to przepływ poziomy. Ścieki dopływające są dostarczane do oczyszczalni w sposób ciągły, ze zbiornika magazynowego dla ścieków wstępnie oczyszczonych.

Vertical filters

Rys. 2: Filtr z pionowym przepływem ścieków.

W filtrach z pionowym przepływem ścieków następuje przesiąkanie ścieków przez filtr gruntowy - z części powierzchniowej do dna. Dopływ ścieków podczyszczonych do systemu jest regulowany kilka razy dziennie przy pomocy pompy.

Wypełnienie gruntowe oczyszczalni hydrofitowych stanowi mieszanina piasku i żwiru o różnym uziarnieniu.

Oczyszczanie ścieków następuje w wyniku procesów sorpcji na cząstkach gruntu podczas przesiąkania ścieków. W ten sposób ścieki osiągają wymaganą jakość na odpływie z systemu.

Badania wykazują, że zarówno w filtrach z pionowym jak i poziomym przepływem ścieków występują mniejsze problemy hydrauliczne niż w systemach, gdzie wypełnienie gruntowe stanowią ił lub glina (np. systemy gruntowo-korzeniowe). W rezultacie prędkości przepływu oraz wyniki usuwania zanieczyszczeń są lepsze w oczyszczalniach, w których jako wypełnienia używa się mieszaniny piasku i żwiru.

Usuwanie związków biogennych przez hydrofity (zazwyczaj odmiany trzciny) jak również transport tlenu przez porowatą tkankę roślinną – aerenchymę, od wynurzonych części roślin do ich kłączy i korzeni, ma stosunkowo niewielkie znaczenie. Jednakże rośliny wspomagają funkcjonowanie całego systemu w wyniku swoich własności izolacyjnych w okresie zimowym oraz wskutek przerastania kłączami i korzeniami wypełnienia gruntowego, co wpływa na poprawę jego własności hydraulicznych.

Na początku systemu oczyszczalni hydrofitowej umieszczany jest zazwyczaj osadnik wstępny (w którym zachodzi podczyszczanie ścieków). Zgromadzony w nim osad musi być co pewien okres czasu wypompowywany i odpowiednio zagospodarowywany.

W normie ATV na stronie A 262 określono wymagania dla oczyszczalni obsługujących powyżej 50 MR. Oczyszczalnie hydrofitowe mogą obsługiwać do 3000-5000 MR – większy rozmiar tych oczyszczalni jest nieuzasadniony ekonomicznie, ponieważ charakteryzują się one dużym zapotrzebowaniem powierzchni na jednego mieszkańca równoważnego.

To the top

Możliwości usuwania zanieczyszczeń w hydrofitowych oczyszczalniach ścieków

Podobnie jak w przypadku oczyszczalni konwencjonalnych, zadaniem oczyszczalni hydrofitowych jest przede wszystkim usuwanie związków organicznych oraz azotu i fosforu. Ze ścieków powinny być także usuwane mikroorganizmy chorobotwórcze.

W przypadku oczyszczalni hydrofitowych w prosty sposób można usunąć znaczny ładunek związków azotu, tak, że stężenie azotu w odpływie może być nawet wyraźnie niższe od wymaganego.

W wypełnieniu gruntowym panują warunki sprzyjające konwersji przez bakterie azotu organicznego do amonowego, a następnie do azotanowego i w końcu do azotu cząsteczkowego, który jest w sposób ostateczny usuwany z wody do atmosfery.

Fosfor usuwany w oczyszczalni hydrofitowej jest zatrzymywany w gruncie.

Niewielka powierzchnia (2-5 m²/MR) zazwyczaj zapewnia wysoką efektywność usuwania zanieczyszczeń.

W filtrach z pionowym przepływem ścieków uzyskuje się wysoką efektywność usuwania CHZT oraz niemal całkowitą nitryfikację.

Wielu autorów (m.in. Kunst & Flasche, 1995; Bahlo, 1997; Platzer, 1997) wykazują wyższą skuteczność filtrów z pionowym przepływem ścieków niż filtrów z poziomym przepływem ścieków. Średnie stężenie azotanów na odpływie z filtrów z pionowym przepływem ścieków wynosi 67 mg/l i jest wyższe niż ten sam wskaźnik na odpływie z filtrów z poziomym przepływem ścieków – 52 mg/l )m.in. Geller, 1997).

Purification performance of vertical and horizontal filters

Rys. 3: Porównanie efektywności usuwania zanieczyszczeń przez filtry z pionowym i poziomym przepływem ścieków.

Badania nad przestrzennym rozmieszczeniem aktywności mikrobiologicznej wskazują, że co najmniej 80% rozkładu ChZT zachodzi w warstwie gruntu do głębokości 20 cm. W przypadku nadzwyczaj dobrych warunków dostarczania tlenu, efektywność usuwania ChZT osiągała nawet 90%, w warstwie gruntu o tej samej grubości (Kunst & Flasche, 1995; Platzer, 1997).

Również nitryfikacja następuje niemal wyłącznie w tej warstwie. Nitryfikacja azotu amonowego osiąga wydajność wynoszącą 95% w warstwie gruntu do głębokości 20 cm, pod warunkiem istnienia korzystnych warunków tlenowych. Górne 5 cm gruntu posiada największy potencjał nitryfikacji. Strefa nitryfikacji przenosi się do niższych warstw gruntu w wyniku wzrostu obciążenia hydraulicznego i ładunku substancji organicznych.

W filtrze z pionowym przepływem ścieków, zbudowanym z piasku i żwiru ponad 80% azotu ogólnego na głębokości 50 cm stanowią azotany, a tylko około 10% - azot amonowy. Efektywność usuwania azotu całkowitego jest na tej głębokości dość niska, co wynika z dość dużych zawartości tlenu.

Opisane rezultaty badań prowadzą do następujących wniosków:

filtry z pionowym przepływem ścieków osiągają bardzo dobre rezultaty nitryfikacji,
czynnikiem ograniczającym usuwanie azotu całkowitego jest denitryfikacja,
wyższe stężenia CHZT powodują przeniesienie nitryfikacji do niższych warstw gruntu.

Oczyszczalnie hydrofitowe mogą pracować w długim okresie czasu przy przyjętej powierzchni jednostkowej 3-5 m²/MR, bez ryzyka uszkodzenia. Wymagane stężenia ChZT i BZT₅ w odpływie mogą być spełnione bez żadnych trudności. Obciążenie ładunkiem ChZT, według ostatnich prac (Platzer, 1998 i Kunst&Flasche, 1995) powinno wynosić 20-25 g ChZT/m.

w przypadku obciążenia złoża ładunkiem substancji organicznej wyrażonym w ChZT niższym od 20 g/m²*d oraz obciążenia powierzchni azotem mniejszego niż 2-3 g/m²*d, możliwa jest całkowita nitryfikacja oraz 90% denitryfikacja. Stężenia ChZT wynoszą zazwyczaj poniżej 40 mg/l (Fehr, 1990). Aby zapewnić takie obciążenie powierzchni należy przyjąć powierzchnię jednostkową 5-7 m²/MR.
Efektywność nitryfikacji oraz denitryfikacji ulega znacznej poprawie przy zastosowaniu okresowego dopływu ścieków do systemu (2 – 6 przerw w dostarczaniu ścieków w ciągu doby).
Wzrost efektywności usuwania związków fosforu można uzyskaćw wyniku wzbogacenia wypełnienia gruntowego filtra opiłkami żelaza. Skuteczne wiązanie fosforanów w wodach charakteryzujących się wysoką twardością węglanową uzyskuje się stosując strącanie wapnem (Aulenbach, 1988).
Uruchomienie oczyszczalni jest możliwe wyłącznie w sezonie wegetacyjnym. Rola roślin jest szczególnie istotna dla potrzymania denitryfikacji oraz dla uniknięcia kolmatacji systemu.

To the top

Niezawodność eksploatacyjna

Oczyszczalnie hydrofitowe zapewniają osiąganie wysokich efektywności usuwania zanieczyszczeń we wszystkich porach roku, co zostało potwierdzone w wielu systemach pilotażowych. Czasami odnotowuje się pewne pogorszenie efektywności w okresie chłodnych miesięcy, co wynika ze spowolnienia procesów metabolicznych. Pomimo to zazwyczaj uzyskuje się stabilne rezultaty pracy, a także dotrzymywane są stężenia zanieczyszczeń w odpływie – jest to możliwe dzięki utrzymywaniu się stabilnej temperatury wody oraz wskutek izolacyjnego działania roślin.

Wielkość odpływu zmniejsza się w miesiącach letnich wskutek zwiększonej ewaporacji. Niekiedy odpływ kompletnie zanika.

Wysoka skuteczność i niezawodność eksploatacyjna może być dodatkowo podniesiona poprzez właściwe i regularnie prowadzone zabiegi eksploatacyjne.

To the top

Eksploatacja długookresowa

Wyniki pracy oczyszczalni hydrofitowych w długim okresie czasu (powyżej 10 lat) są obecnie dostępne co najwyżej dla systemów eksploatowanych od 15 lat, ponieważ dopiero wówczas uruchomiono pierwsze takie systemy. Systemy hydrofitowe pozwalają na uzyskanie bardzo dobrych rezultatów oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych w warunkach ciągłej eksploatacji. Analizy chemiczne ścieków wykazują, że efektywność usuwania zanieczyszczeń jest wyraźnie wyższa w przypadku filtrów zbudowanych z przepuszczalnego, nieściśliwego piasku i żwiru w porównaniu z systemami korzeniowymi zbudowanymi ze ściśliwego iłu czy gliny. Zastosowanie filtrów piaskowo-żwirowych umożliwia spełnienie wymagań nie tylko odnośnie małych oczyszczalni (mniejszych niż 1000 mieszkańców równoważnych), ale nawet bardziej surowych warunków stawianych większym oczyszczalniom (chodzi tu o warunki stawiane przez niemiecką normę ATV).

Rys. 4: Stężenia zanieczyszczeń w odpływie z oczyszczalni hydrofitowej po 5-10 latach nieprzerwanej eksploatacji.

Substancje organiczne zawarte w ściekach ulegają rozkładowi mikrobiologicznemu, ulatniają się albo też osadzają się w gruncie tworząc związki humusowe. Przepuszczalność gruntów nie ulega zmianie w wyniku odkładania się humusu, natomiast powoduje to wzrost efektywności usuwania zanieczyszczeń. Nie istnieje ograniczenie czasowe eksploatacji omawianych systemów spowodowane rozkładem cząstek organicznych czy też związków azotu.

Wzrost roślin oraz przerastanie gruntu ich kłączami i korzeniami w zasadzie gwarantuje wystarczające warunki hydrauliczne nawet po upływie wielu lat, o ile złoże zbudowane jest z nieściśliwego, przepuszczalnego materiału. Równoczesne występowanie różnych jednostkowych procesów eliminacji zanieczyszczeń bez zorganizowanego dostarczania tlenu może jednak prowadzić do kolmatacji, jak również do akumulacji mułu i materiału organicznego w złożu filtracyjnym.

Badania wykazały, że podczas długookresowej eksploatacji zanieczyszczenia są usuwane na drodze transformacji, filtracji i sorpcji, a także w wyniku reakcji strącania. W różnych obiektach zanieczyszczenia są gromadzone albo w pobliżu dopływu, w poszczególnych warstwach złoża filtracyjnego albo też równomiernie w całym złożu. Znaczny stopień zanieczyszczenia materiału filtracyjnego stwierdzano w systemach korzeniowych (Rys. 5), podczas gdy w oczyszczalniach hydrofitowych o złożach piaskowo-żwirowych nie stwierdzono dużej akumulacji zanieczyszczeń w ciągu okresu 15 lat eksploatacji.

^{^{HG
- background figure

("12345Nullprobe")

Ah - resting level

oyYr - gravel

(basalt, shell lime)

Y - silt}

Rys. 5: Oczyszczalnia Schwalmtal-Hopfgarten, zawartość
cynku (w materiale złoża).

^{Ah - resting level

Y - Sand / gravel}

Rys. 6: Oczyszczalnia Gemerswang, zawartość cynku (w
materiale złoża).}

Największą zawartość zanieczyszczeń obserwowano w miejscach dopływu substancji, które usuwane są na drodze filtracji oraz w miejscach, gdzie wskutek obumierania biomasy powstawał humus. OWO, AOX, Zn, Cu oraz związki biogenne można potraktować jako substancje wskaźnikowe (Hagendorf, 1999). Zawartość tych zanieczyszczeń w materiale filtracyjnym jest bliska granicznym wartościom normatywnym, a zatem częściowo podlegają obowiązkowi usunięcia z systemu i utylizacji.

	oczyszczalni hydrofitowa Germerswang	oczyszczalnia hydrofitowa See	oczyszczalnia hydrofitowa Mannerdorf	dopuszczalna zawartość w gruncie	normal content in the ground ∗
wszystkie wartości w mg/kg suchej masy
ołów	7,4	29	0,35	900	2-60
kadm	0,05	śl.	0,01	10	<0,5
chrom	11,6	42	0,24	900	5-100
miedź	7	20	0,73	800	14642
nikiel	8,7	29	0,33	200	18384
rtęć	0,01	śl.	śl.	śl.	<0,5
cynk	52,4	104	1,59	2500	29495
związki chloroorganiczne	17	8	śl.	500
dioksyny	0,12	śl.	śl.	100	0,7-5

Scheffer/Schachtschnabel 1989
Geller/Thum 1999

Tabela 2: Procentowa zawartość próbek materiału złóż dla których zawartość zanieczyszczeń przekraczała wartości normatywne.

Obiekt	Schwalmtal Hopfgarten			Höhenberg						See				Germerswang
Złoże	1			1			2			1		2.1 / 2.2		1			2

Poziom gruntu z którego pobierano próbki	Ah	oyYr	Yr	Ah	Yor	Yr	Ah	Yor	Yr	Fr/Ah	Yr	Yr	Yo/Yr	Ah	Yor	Yr	Ah	Yor	Yr

Całkowita liczba próbek	9	10	6	1	9	3	1	6	3	6	5	8	8	9	11	12	13	13	13

Ścieki bytowo-gospodarcze
TOC [mg/l]	8 (89%)	4 (40%)		1 (100%)						5 (83%)				9 (100%)			13 (100%)
NH₄-N [mg/l]	7 (78%)	1 (10%)		1 (100%)						6 (100%)	3 (60%)	4 (50%)	4 (50%)	2 (22%)			7 (54%)	4 (31%)	8 (62%)

Metoda oczyszczania
Zn [mg/kg s.m.]	1 (11%)
Cu [mg/kg s.m.]

Total sample percentage: n (%)

Source: U. Hagendorf, UBA, 2000

Efektywność usuwania substancji organicznej i azotu jest niezależna od czasu eksploatacji obiektu.

Czas eksploatacji systemów ze wstępnym podczyszczaniem, których wielkość została odpowiednio dobrana do planowanego ładunku zanieczyszczeń, jest uzależniona przede wszystkim od wyposażenia technicznego (np. pompy).

To the top

Mikrobiologia i stan sanitarny

Oczyszczalnie hydrofitowe mogą skutecznie usuwać mikroorganizmy patogenne.

Ścieki bytowo-gospodarcze zawierają znaczne ilości mikroorganizmów chorobotwórczych. W zależności od ich rodzaju i ilości, mogą one stanowić zagrożenia dla zdrowia ludzi i z tego powodu powinny być usuwane w procesie oczyszczania ścieków. Można założyć, że w ściekach znajdują się aktywne zarazki wielu chorób zakaźnych.

Powierzchnie, na których osadzają się mikroorganizmy tworząc błonę biologiczną (cząstki gruntu, korzenie) mają ogromne znaczenie dla skutecznej inaktywacji i usuwania patogenów w oczyszczalni hydrofitowej. Formowanie się biofilmu na tych powierzchniach następuje na całej powierzchni systemu mającej kontakt ze ściekami, natomiast ich budowa, grubość oraz aktywność poszczególnych mikroorganizmów jest różna w różnych częściach i warstwach każdego obiektu.

Mikroorganizmy tworzące błony biologiczne usuwają chorobotwórcze bakterie i wirusy, co w znacznym stopniu poprawia stan sanitarny ścieków. Skuteczność usuwania patogenów uzależniona jest od różnych czynników takich jak początkowa ich zawartość w ściekach czy dostępność tlenu dla różnych kultur mikroorganizmów.

Ocena efektywności usuwania mikroorganizmów chorobotwórczych w oczyszczalniach hydrofitowych dotychczas polegała na badaniach reakcji organizmów wskaźnikowych (np. E. coli, Streptococcus typu fekalnego oraz bakterie coli). Szczególnie wysoką skuteczność tego typu oczyszczalni potwierdzają bardzo dobre efekty usuwania mikroorganizmów wskaźnikowych, których zawartości zmniejszały się nawet o 5 rzędów wielkości. Badania nad usuwaniem mikroorganizmów chorobotwórczych (np. Campylobacter, Clostridium, Salmonella, Yersinia) były prowadzone tylko w odosobnionych przypadkach. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość osiągania wysokich efektywności ich usuwania przy spełnieniu pewnych warunków.

Rys. 7. Usuwanie E.coli w różnych oczyszczalniach hydrofitowych.


Rys. 8. Usuwanie Streptococcus fekalnego w różnych oczyszczalniach hydrofitowych.

Znaczna skuteczność usuwania ma szczególnie istotne znaczenie w przypadku niewielkich, przydomowych oczyszczalni obsługujących indywidualne domy czy gospodarstwa.

Picture of a private wastewater purification plant

Rys. 9: Zdjęcie przydomowej oczyszczalni hydrofitowej.

To the top

Koszty

Na terenach wiejskich oczyszczalnie hydrofitowe stanowią ekonomiczny i przyjazny dla środowiska, alternatywny sposób oczyszczania ścieków wszędzie tam, gdzie budowa kanalizacji i podłączenie do oczyszczalni konwencjonalnej jest kosztowne. Odpowiednio zaprojektowane i eksploatowane oczyszczalnie hydrofitowe zapewniają spełnienie wymagań dotyczących jakości odpływających ścieków.

Construction costs depending on the plant′s size

Rys. 10: nakłady inwestycyjne na budowę oczyszczalni hydrofitowej w zależności od wielkości obiektu.

Oczyszczalnie hydrofitowe wymagają stosunkowo małych nakładów ma utrzymanie oraz eksploatację obiektu.

Wymagane wyposażenie techniczne oczyszczalni jest bardzo małe – niektóre obiekty są całkowicie pozbawione zasilania elektrycznego. Jeżeli w obiekcie zainstalowana jest pompa, to przeważnie pracuje ona tylko przez kilka minut każdego dnia. Jak dotąd nie wykorzystywano skomplikowanych urządzeń kontrolnych.

W oczyszczalniach hydrofitowych nie powstaje biologiczny (nadmierny) osad ściekowy, jak ma to miejsce w oczyszczalniach konwencjonalnych. Osad powstający podczas wstępnego podczyszczania ścieków (osad surowy) musi podlegać przeróbce i utylizacji, podobnie jak w innych oczyszczalniach ścieków.

Rys. 11: Nakłady eksploatacyjne w zależności od ilości mieszkańców równoważnych (MR).

To the top