Hydrobotanika i hydroponika – podstawą działania oczyszczalni hydrofitowych

Hydroponika jest metodą uprawy roślin w roztworach wodnych, bez udziału gleby, gruntu, co sprzyja szybszemu i większemu pobieraniu tlenu i substancji odżywczych przez rośliny.

Hydrobotanika jest działem botaniki zajmującym się badaniem roślin wodnych i zbiorowisk roślinnych.

Oczyszczalnie glebowo – roślinne

Oczyszczanie ścieków w glebie może odbywać się w warunkach naturalnych przy nawadnianiu gleb ściekami lub też w sztucznie tworzonych złożach o nadmiernym uwilgotnieniu. W takich przypadkach wykorzystuje się procesy sorpcji zanieczyszczeń, chemiczne reakcje utleniająco-redukujące oraz biologiczną aktywność odpowiedniej roślinności (Kowalik i Obarska-Pempkowiak,1994). Gleby zasilane ściekami na ogół kształtują się do mokradeł, które zasiedlone są najczęściej przez trzcinę pospolitą (Phragmites australis), turzycę (Carex), pałkę wodną (Typha), sit (Juncus) czy wierzbę krzewistą – wiklinę (Salix viminalis). W warunkach naturalnych biomasa stanowi wtórne zanieczyszczenie wód, gdyż nie jest ona usuwana. W warunkach Polski korzystniejsze jest sztuczne formowanie takich systemów. Wzorcami do budowy takich oczyszczalni mogą być ściekowe filtry gruntowe lub pola irygacyjne. Te drugie użytkowane były już w średniowieczu, m.in. w Bolesławcu na Dolnym Śląsku czy zbudowane w 1871roku w Gdańsku. Do dziś pola takie pracują m.in. we Wrocławiu czy Królewcu.

Roślinne oczyszczalnie ścieków definiuje się ogólnie jako urządzenia, w których oczyszczanie ścieków/wód zachodzi przy udziale roślin. (Roman, 1995) Nazywane są również oczyszczalniami hydrobotanicznymi, bagiennymi, korzeniowymi, gruntowo-roślinnymi, glebowo-korzeniowymi lub jako złoża makrofitowe, złoża trzcinowe itp.

Oczyszczalnie roślinne można podzielić na trzy klasy (Błażejewski, 1996):

• Obiekty rolniczego wykorzystania ścieków

• Właściwe oczyszczalnie hydrobotaniczne (hydrofitowe)

• Stawy ściekowe, glonowe lub z roślinnością pływająca (tzw. akwakultura)

Oczyszczalnie hydrofitowe dzielone są na dwa systemy:

• Systemy z powierzchniowym przepływem wody, gdzie poziom wody utrzymywany jest ponad powierzchnią gruntu, a rośliny zakorzenione w dnie lub na brzegach i wynurzone ponad lustro wody, w których przepływ odbywa się ponad mułem dennym przy stosunkowo małej głębokości (rys.1)

Rys.1. Schemat systemu z powierzchniowym przepływem ścieków w rowie serpentynowym w Wieżycy na Kaszubach (Kowalik i Obarska -Pempkowiak,1998)

• Systemy z podpowierzchniowym przepływem wody, gdzie poziom wody utrzymywany jest poniżej powierzchni terenu, a przepływ odbywa się przez sztucznie uformowany grunt lub złoże żwirowe z zakorzenioną tu roślinnością bagienną. Są to filtry gruntowo-roślinne, w których ścieki przepływają pod powierzchnią złoża w kierunku poziomym albo ścieki rozprowadzane są na powierzchni i infiltrują w złożu w kierunku pionowym. (rys.2) (Osmólska-Mróz, 1995)

Rys. 2 System hydrofitowy z podpowierzchniowym poziomym przepływem ścieków przez złoże piaszczysto-trzcinowe (Kowalik i Obarska-Pempkowiak,1998)

Najbardziej rozpowszechnione są filtry gruntowo-roślinne z podpowierzchniowym przepływem poziomym. Złoże filtracyjne (formowane z piasku lub żwiru), stanowiące podłoże dla roślin jest izolowane od dołu i z boków od naturalnego gruntu za pomocą warstwy gliny, iłu lub folii. Najchętniej stosowanymi roślinami do zasiedlenia takich obiektów jest trzcina pospolita (Phragmites australis) – ze względu na rozbudowany system kłączy i korzeni oraz duża tolerancję na mrozy i upały. Tlen z powietrza atmosferycznego dopływając do części podziemnych przez rozwiniętą w łodygach i liściach trzciny porowatą tkankę gazową (aerenchymę) tworzy wokół kłączy i korzeni lokalne mikrostrefy tlenowe (z O₂), otoczone mikrostrefami niedotlenionymi (bez O₂,w obecności NO₃^-), po których pojawiają się strefy redukcyjne (bez O₂ i NO₃^-), co stwarza warunki umożliwiające rozwój mikroorganizmów heterotroficznych, biorących udział w przemianach biochemicznych zanieczyszczeń(Rys.3). Drugą najchętniej używaną rośliną jest wiklina (Salix viminalis) ze względu na szybki przyrost biomasy, co z kolei wiąże się z intensywnym poborem związków biogennych.

Rys.3. Uproszczony schemat warunków utleniająco-redukujących wokół kłączy makrolitów wodnych (np. trzciny) (H. Obarska-Pempkowiak,1998)

BUDOWA OCZYSZCZALNI HYDROFITOWYCH:

Podstawowymi elementami oczyszczalni roślinnej są:

• OSADNIK, w którym następuje wstępne oczyszczanie, następnie wytrącanie osadu ze ścieków i jego opadanie na dno. Część produktów fermentacji unosi się w formie kożucha na powierzchni, a reszta rozkłada na prostsze związki rozpuszczalne w wodzie. Płynne zanieczyszcz. przepływają dalej do filtra glebowo-korzeniowego. Powstałe osady powinno się wybierać, a produkty gazowe z fermentacji odprowadzać na zewnątrz.

• FILTR GLEBOWO-ROŚLINNY, czyli złoże, w którym następuje doczyszczanie ścieków. Wypełniony jest różnymi warstwami materiałów filtracyjnych np. kora drzew lub słoma. Główną jednak warstwę stanowi piasek lub żwir. Filtr zostaje obsadzony roślinnością. Rośliny tylko w niewielkim stopniu przetwarzają związki zawarte w ściekach. Zatrzymują tylko od 15 do 20% związków, ale ponieważ ich korzenie wrastają głęboko w głąb filtra utrzymują one dobrą przepuszczalność złoża i są siedliskiem bakterii. Doprowadzają także tlen w głąb filtra, gdzie następuje biologiczny rozkład ścieków.

• POMPA LUB DOZOWNIK GRAWITACYJNY. Ich rolą jest dozowanie ścieków. Umieszcza się je w wydzielonej komorze osadnika lub też w osobnej studzience za osadnikiem. Ułatwiają one przepływ ścieków z osadnika do filtra.

• STUDZIENKA KONTROLNO-REGULACYJNA służy do kontrolowania jakości ścieków wypływających z filtra, a także do regulacji poziomu ścieków w filtrze.

• ODBIORNIK ŚCIEKÓW: ścieki wypływające z filtra najlepiej odprowadzać do jakiegoś zbiornika wodnego(oczka wodnego/rowu), w których następuje ich natlenienie i całkowite doczyszczenie

Oczyszczalnie takie można budować pod warunkiem, że poziom wody gruntowej jest około 1m poniżej dna oczyszczalni. Ponadto w odległości około 25m od budynków mieszkalnych. Powinny być zlokalizowane w miejscach nasłonecznionych oraz osłoniętych przed wiatrem tak, aby zapewnić szybszy przyrost biomasy.

Przykładowe makrolity zasiedlające strefy przybrzeżne zbiorników wodnych:

Typy ekologiczne makrofitów wodnych :

• Wynurzone :

1. Schoenoplectus acustris – oczeret jeziorny

2. Phragmites australis – trzcina pospolita

3. Typha latifolia – pałka szerokolistna

• Pływające:

1. Nymphaea alba – grzybień biały

2. Potamogeton gramineus – rdestnica trawiasta

3. Hydrocotyle vulgaris- wąkrota zwyczajna

4. Eichhornia crassipes – Hiacynt wodny

5. Lemna minor – rzęsa drobna

• Zanurzone :

1. Potamogeton crispus – rdestnica kędzierzawa

2. Littorella uniflora – brzeżyca jednokwiatowa

Działanie roślin – akumulacja związków biogennych: ma duże znaczenie w systemach z powierzchniowym przepływem ścieków, budowanych jako stawy lub rowy zapewniające serpentynowy przepływ wody. Porównania skuteczności usuwania substancji organicznej i azotu w systemach z podpowierzchniowym przepływem ścieków przeprowadził Tanner (2000) i wywnioskował, że wpływ obecności roślin na usuwanie ładunku substancji organicznej nie jest istotny w przeciwieństwie do azotu ogólnego. Hydrofity wpływają na przebieg reakcji nitryfikacji i denitryfikacji, powodując przekształcenie azotu amonowego do azotu gazowego. Z przeprowadzonych badań wynikły także różnice między gatunkami makrolitów pobieraniu makro i mikroelementów. Dla zobrazowania krótki przykład: spośród makrolitów wynurzonych najwięcej azotu kumuluje w sobie manna mielec (Glyceria maxima) natomiast fosforu i potasu – tatarak zwyczajny (Acorus calamus), a sodu – pałka szerokolistna (Typha latifolia).Najuboższe w azot są tkanki oczeretu jeziornego (Schoenoplectus lacustris) a w fosfor, potas i sód tkanki trzciny pospolitej (Phragmites australis).

Według Ozimek i Renmana (1996) maksymalna zawartość pierwiastków biogennych wyrażona w procentach suchej masy, w częściach nadziemnych trzciny wynosi od 4,4N i 0,23P, manny mielec zaś : 7,54N i 1,22P. Ilości pierwiastków biogennych jakie mogą pobrać rośliny zależy od gatunku rośliny, tempa wzrostu, od zakresu tolerancji ekologicznej wobec różnych związków, a także od kondycji rośliny. Istotnie wpływają też czynniki abiotyczne: temperatura, odczyn pH, stężenie poszczególnych jonów, stosunki zawartych pierwiastków.

Podsumowanie:

Główne cechy oczyszczalni hydrofitowych:

• Bezobsługowe funkcjonowanie zabudowanej już instalacji

• Niskie koszty eksploatacji – niewielkie ilości lub nawet brak zużycia energii oraz braz zużycia wszelkich szkodliwych związków chemicznych

• Duża elastyczność i odporność w zmianach ilości i jakości ścieków

• Roślinność jednakowo dobrze radzi sobie ze ściekami, a także wykazuje dużą odporność przy działaniu szkodliwych środków chemicznych

• W czasie procesu oczyszczania powstaje produkt uboczny, który może być wykorzystany jako nawóz

• Duże zapotrzebowanie na przestrzeń ok. 5-10 m²/mieszkańca

• Wyższe koszty inwestycji w stosunku do podłączenia do miejskiej kanalizacji w niektórych rejonach

• Kilkumiesięczny okres rozruchu wymagający osiągnięcia pełnej sprawności posadzonych roślin

• Długa żywotność ok.50lat

• W otoczeniu takich oczyszczalni nie występuje nieprzyjemny zapach, jedynie może on pochodzić ze źle eksploatowanych urządzeń mechanicznych

• Stanowią one bardzo efektywny sposób oczyszczania ścieków zwłaszcza dla wsi, małych osiedli oraz prywatnych domów, w których mogą być oczkiem wodnym w ogrodzie.

• W okresie zimowym ich efektywność spada do bardzo małego procentu

Oczyszczalnie hydroponiczne

• Stanowią jeden zwarty obiekt budowlany, w którym są wszystkie urządzenia do oczyszczania mechanicznego i biologicznego,

• Wymagają bardzo mało powierzchni i są kompletnie izolowane od otoczenia

• Oczyszczanie odbywa się w 3 etapach. [4]

Oczyszczanie mechaniczne

• Pierwszy etap, w którym rozwiązania są standardowe

• Stosowane są bloki, w których usuwane z dużą skutecznością różne zanieczyszczenia. [4]

Oczyszczanie biologiczne

• II etap, realizowany w reaktorze biologicznym

• Wykorzystanie osadu czynnego i biomasy na zanurzonych złożach przepływowych. [4]

Doczyszczanie ścieków na lagunie hydroponicznej

• Trzeci etap oczyszczania

• Przepływowa laguna to wzmożona symulacja naturalnego cieku wodnego, która ma na celu ostateczne doczyszczanie i naturalizowanie wód

• Wykorzystywane tutaj są systemy korzeniowe roślinności pływającej

• Laguna pełni funkcję zbiornika buforowego zbiornika buforowego, który w czasie awarii przejmuje nieoczyszczone ścieki. [4]

Cechy oczyszczalni hydroponicznych:

• Obiekty wykorzystujące kwiatową roślinność pływającą,

• O wysokiej niezawodności działania,

• Zestawienie wielu gatunków roślin (nie tylko jeden jak w typowych oczyszczalniach hydrofitowych),

• Bardzo mała powierzchnia zabudowy terenu,

• Atrakcyjna forma wykonania(mogą być ogrodowymi, oczyszczalniami , oczkami wodnymi itp.),

• Możliwość pełnienia funkcji centrum ekologicznego,

• Ponadto wiele cech pokrywa się z cechami oczyszczalni hydrofitowych,

• Naturalny proces mechaniczno-biologiczny z trzecim hydroponicznym stopniem oczyszczania, który

w sytuacjach awaryjnych stanowi bufor zabezpieczający. [4]