Roślinne oczyszczalnie ścieków

Powrót

Opracowanie: Anna Kwarciak*

W ostatnich latach jako alternatywa dla małych "technicznych" oczyszczalni ścieków, szczególnie dla jednego lub grupy budynków, pojawiły się oczyszczalnie ścieków z udziałem roślin. Technologia oczyszczalni ścieków przy użyciu roślin jest stosunkowo młoda. Pierwsza tego typu oczyszczalnia powstała w latach pięćdziesiątych w Izraelu, a w Europie pierwsze prace badawcze zostały podjęte równolegle przez Kathe Seidel z Instytutu Limnologii Maxa Planka w Plon oraz R. Kickutha z Instytutu Gleboznawstwa Uniwersytetu w Getyndze w latach sześćdziesiątych. 

Zaczęto również wykorzystywać funkcje jakie pełnią zadrzewienia w oczyszczaniu gleb ze związków mineralnych. Spowalniając spływ powierzchniowy zmniejszają migrację rozpuszczonych w wodzie składników mineralnych. Efektywnie oczyszczają przesączającą się przez korzenie wodę z zawartych w niej składników pokarmowych. Badania PAN prowadzone w Turwii udowodniły, że w wodzie przesączającej się pod zadrzewieniem o powierzchni ok. 0,6 ha i zróżnicowanym składzie gatunkowym nastąpiło ponad 26-krotne zmniejszenie koncentracji azotanów. Okazało się, że najbardziej efektywnie migrację pierwiastków i zanieczyszczeń ograniczają drzewa i krzewy z rodziny wierzbowatych, wierzby i topole. 
Topole pobierają azot z wody glebowej, kumulują go następnie w postaci białkowej w drewnie i liściach. Wartość biomasy rekompensuje straty spowodowane wyłączeniem fragmentu gruntu spod uprawy rolnej. Jednak ze względu na ich rozmiary nie są popularne w oczyszczalniach biologicznych.
Wierzby, posiadające duże zdolności absorpcyjne składników mineralnych z podłoża, są bardzo często stosowane jako filtry biologiczne, usuwające zanieczyszczenia z wody, gleby i osadów pościekowych (biologiczne oczyszczalnie ścieków). Nadbrzeżne zadrzewienia wierzbowe (choć nie tylko) przyspieszają naturalne procesy samooczyszczania się wody (nawet o 40%). Powodem takiego działania drzew może być mechanizm przyspieszania przez roślinność drzewiastą nasycenia wody tlenem oraz pobierania związków z dna cieku lub zbiornika. 
W Polsce pierwsze prace rozpoczęto w latach osiemdziesiątych i wtedy też wybudowano pierwsze obiekty. Roślinne oczyszczalnie ścieków można ogólnie określić jako urządzenia, w których oczyszczanie ścieków zachodzi przy udziale roślin. Synonimami sformułowania oczyszczalnie roślinne są takie określenia jak "oczyszczalnie hydrobotaniczne", "oczyszczalnie bagienne", "oczyszczalnie korzeniowe", czy bliżej określające stosowaną technologię nazwy tj. "pola trzcinowe", "oczyszczalnie korzeniowe", "oczyszczalnie gruntowo-roślinne" itp. 

Rys. 1. Oczyszczalnia trzcinowa ze zbiornikiem gnilnym i drenażem rozsączającym (dla powiększenia kliknij tu).

Ogólnie oczyszczalnie roślinne można podzielić na: 

• systemy z powierzchniowym przepływem ścieków, 

• systemy z podpowierzchniowym przepływem ścieków, 

• systemy kombinowane.

Inny podział oczyszczalni roślinnych można przeprowadzić biorąc pod uwagę rodzaj roślin zastosowanych do oczyszczania. W tym wypadku oczyszczalnie możemy podzielić na: 

• oczyszczalnie z roślinnością bagienną, 

• oczyszczalnie z roślinnością wodną zakorzenioną, 

• oczyszczalnie z roślinnością wodną pływającą, 

• oczyszczalnie wierzbowe.

Jeszcze innym kryterium podziału może być kierunek przepływu ścieków, na podstawie którego oczyszczalnie roślinne można podzielić na: 

• z przepływem poziomym, 

• z przepływem pionowym, 

• z przepływem mieszanym.

W Polsce szczególne zainteresowanie towarzyszy oczyszczalnią z wykorzystaniem trzciny (Phragmites australis syn. Phragmites komunalis). W zależności od zastosowanego wypełnienia złoża oczyszczalnie trzcinowe można podzielić na: 

• z wypełnieniem żwirowym (metoda Brixa), 

• z wypełnieniem gruntem rodzimym z dodatkami (metoda Kickutha).

Glebowo-korzeniowa oczyszczalnia ścieków systemem prof. Kickutha określana popularnie jako „oczyszczalni trzcinowa”. Jest to oczyszczalnia III stopniowa. Podczyszczanie wstępne ścieków zachodzi w 3-komorowym, betonowym osadniku gnilnym. Drugi stopień oczyszczania to filtr glebowo-korzeniowy umieszczony w wyfoliowanym wykopie. Wypełnienie złoża systemem prof. Kickutha to głównie: grunt rodzimy, torf, słoma, kora, bentonit i opiłki żelaza. Złoże obsadzone jest trzciną. Odbiornikiem ścieków jest usytuowany obok staw, który jednocześnie stanowi III stopień oczyszczania.

Rys. 2. Typowa budowa poletek do oczyszczania ścieków (dla powiększenia kliknij tu).

Oczyszczanie ścieków w oczyszczalniach trzcinowych jest wynikiem współdziałania procesów mechanicznych, chemicznych i biologicznych zachodzących w środowisku gruntowo-wodnym. Trzcina posadzona w tej oczyszczalni ma na celu: 

• transportowanie tlenu poprzez źdźbła do kłączy i korzeni, a następnie do strefy gruntu wokół korzenia, 

• rozluźnienie struktury gruntu poprzez przerastanie korzeniami, a tym samym zwiększenie współczynnika filtracji, 

• biokatalityczne działanie korzeni pozwalające na optymalny przyrost mikroorganizmów w strefie gruntowo-wodnej, 

• pobieranie przez roślinę substancji pokarmowych i wbudowywanie ich w swoje komórki.

W wyniku transportu tlenu poprzez pędy do korzeni, wokół korzeni powstaje strefa tlenowa, w której wyniku oddziaływania bakterii tlenowych zostają utlenione związki węgla oraz zachodzi proces nitryfikacji azotu amonowego. Poza strefą tlenową, istniejącą w bezpośrednim sąsiedztwie, istnieje strefa beztlenowa, w której zachodzi proces defosfatacji i denitryfikacji. Taki efekt mozaikowy stref tlenowej i beztlenowej zwany "efektem rezosferycznym" powoduje znaczne zwiększenie ilości mikroorganizmów w glebie (od 10-100 miliardów mikroorganizmów na 1 gram gleby) niż w przypadku terenów nie porośniętych roślinami. Ilości te są porównywalne z ilością mikroorganizmów w metodach technicznych. 
Na przykład: firma Transformer Dansk Roodzone Teknik, która ma na swojej liście referencyjnej ponad dwieście obiektów oczyszczalni trzcinowych socjalno-bytowych oraz przemysłowych o przepustowości od 1 m³/d do 1000 m³/d, proponuje oczyszczalnie o przepływie poziomym wypełnione gruntem rodzimym (jak w metodzie Kickutha) z dodatkami, które są tajemnicą firmy. 
W Polsce firma Dansk Roodzone Teknik ma cztery obiekty zrealizowane oraz cztery będące w realizacji. Największym obiektem zrealizowanym wg technologii tej firmy jest oczyszczalnia ścieków w Inwałdzie, a najstarszą pracującą oczyszczalnią jest oczyszczalnia dla Zespołu Szkół Rolniczych w Bujnach k/Piotrkowa (ponad czteroletnia). 
Po dwóch latach pracy oczyszczalni w Bujnach parametry ścieków na odpływie spełniają wymagania jakim powinny odpowiadać ścieki oczyszczone odprowadzane do wód powierzchniowych lub gruntu. 

Efekty oczyszczania wahają się w granicach: 
 

BZT5                     85 - 97%  ChZT                     72 - 93%  Zawiesina ogólna  82 - 99%

Azot ogólny                     56 - 83%  Azot amonowy                 62 - 88%  Fosfor całkowity                 56 - 82%

W okresie zimowym nie zaobserwowano zamarzania pól trzcinowych, a efekt oczyszczania był ok. 12-18% niższy niż w sezonie wegetacyjnym. 

Cechy oczyszczalni trzcinowej:

• W oczyszczalniach trzcinowych osiągane są wysokie efekty oczyszczania zarówno w zakresie zawiesiny, jak i BZT oraz związków biogennych. Efektywność oczyszczalni w okresie zimowym obniża się o ok. 10-20%. 

• Dla prawidłowej pracy oczyszczalnie trzcinowe wymagają skutecznych urządzeń do mechanicznego oczyszczania ścieków. 

• Niezbędny okres dla wpracowania się oczyszczalni trzcinowych ścieków i ustabilizowania się odpływu wynosi 2-3 lat. 

• Stwierdzono, że w oczyszczalniach trzcinowych zachodzi wysokoefektywne usuwanie ze ścieków metali ciężkich, które kumulują się w złożu gruntowym. 

• W otoczeniu oczyszczalni trzcinowych nie występują nieprzyjemne odory, chyba że z nieprawidłowo eksploatowanych urządzeń mechanicznych. 

• Stwierdzono w praktyce znaczne różnice pomiędzy ilością ścieków dopływających, a odpływających wynikającej z różnicy pomiędzy parowaniem a ilością opadów. W małych oczyszczalniach może dojść w okresach letnich do braków wypływu. 

• W fazie eksploatacji oczyszczalnia powinna być pod stałym dozorem technologicznym.

Oczyszczalnia typu osadnik gnilny z drenażem rozsączającym firmy NEVEXPOL. Jest to osadnik jednokomorowy wykonany z tworzywa sztucznego o pojemności 2 m³ wyposażony w filtr. Drugi stopień oczyszczania spełnia drenaż rozsączający, wykonany z rur PCV, ułożonych w wykopie na kamiennym tłuczniu o granulacji 20-60 mm. Odbiornikiem oczyszczonych ścieków jest grunt właściciela działki.

Rys. 3.  Oczyszczalnia ze zbiornikiem gnilnym i drenażem rozsączającym

Oczyszczalnia hydrobotaniczna ze złożem o przepływie poziomym z nasadzeniem wierzby. Obiegowa nazwa tej oczyszczalni funkcjonuje jako „oczyszczalnia wierzbowa”. Wstępne podczyszczanie ścieków odbywa się w dwukomorowym osadniku gnilnym. Filtr gruntowo - roślinny o pojemności 180 m³ stanowiący II stopień oczyszczania wykonany jest jako niecka. Dno i skarpy tej niecki wykłada się folią z tworzywa sztucznego Wypełnienie stanowi rodzimy grunt przepuszczalny. Filtr obsadza się wierzbą Salix viminalis. Odbiornikiem oczyszczonych ścieków jest staw usytuowany w obrębie gospodarstwa lub inny zbiornik wodny znajdujący się w okolicy, który jednocześnie spełnia rolę III stopnia oczyszczania.

Rys. 4. Oczyszczalnia wierzbowa

Przy projektowaniu oczyszczalni biologicznych można również wykorzystać naturalne spadki terenu. Na nich buduje się tzn. oczyszczalnie kaskadowe. W tym rozwiązaniu ścieki po 3-komorowym osadniku gnilnym spływają do dwóch filtrów - poletek, gruntowo-roślinnych usytuowanych względem siebie w sposób kaskadowy. Wypełnienie obu poletek stanowi pospółka. Górne obsadzono trzciną, natomiast dolne oczeretem. Stąd ścieki kierowane są do niewielkiego stawu (300 m²) w celu ostatecznego doczyszczenia. Posiada cztery stopnie oczyszczania.

Rys. 5. Oczyszczalnia kaskadowa

Przedstawione powyżej oczyszczalnie biologiczne są tylko przykładem, ponieważ tego typu oczyszczalnie buduje się w zależności od właściwości fizycznych i ukształtowania terenu jak i rodzaju i charakteru ścieków, które maja zostać oczyszczone.
 

Największą popularnością cieszy się oczyszczalnia typu osadnik gnilny z drenażem rozsączającym ścieki do gruntu. Wielu inwestorow interesuje się oczyszczalniami hydrobotanicznymi, ale są one zrealizowane rzadko zarówno w Polsce jak w innych krajach takich jak: Francja. Szwecja, Kanada, Niemcy. Głównym powodem dla którego zdecydowana większość potencjalnych inwestorów oczyszczalni przydomowej decyduje się na osadnik gnilny z drenażem rozsączającym jest cena. Jest to rozwiązanie zdecydowanie najtańsze wśród wszystkich pozostałych oferowanych na rynku. Istotnym jest również fakt, że oczyszczone ścieki są rozsączane do gruntu. Odpada więc problem odbiornika oczyszczonych ścieków, którego najczęściej w pobliżu zagrody nie ma. A jeżeli nawet w pobliżu znajduje się staw lub jezioro czy jakikolwiek inny ciek wodny, to zrzut oczyszczonych ścieków do takiego odbiornika wymaga dodatkowych, dość kłopotliwych dla rolnika zabiegów administracyjnych, a mianowicie uzyskania pozwolenia wodno-prawnego. Osadnik gnilny z drenażem rozsączającym jest oczyszczalnią prostą w budowie, praktycznie można ją samemu zainstalować, a przede wszystkim bardzo łatwą i niekłopotliwą w eksploatacji. Ale rozwiązanie to posiada również wady, z których do najuciążliwszych należy zaliczyć spełnienie wymaganych warunków gruntowo-wodnych. Maksymalny poziom występowania wody gruntowej nie może być wyższy aniżeli 1,5 m od poziomu terenu. Wymagana jest również odpowiednia wodoprzepuszczalność gruntu. Przy niesprzyjających warunkach również można zainstalować oczyszczalnię składającą się z osadnika gnilnego i drenażu rozsączającego. Niestety wiążę się to z dużymi kosztami dodatkowymi.
Zainteresowanie przydomowymi oczyszczalniami ścieków systematycznie wzrasta. 
 

Oczyszczalnie biologiczne z wykorzystaniem rzęsy wodnej (Lemna minor)

Rzęsa wodna jest kolejną rośliną, która zyskuje coraz większą popularność w oczyszczaniu ścieków biologicznych. Należy do jednych z nowszych metod oczyszczania biologicznego, dlatego jeszcze nie ma zbyt wiele dostępnych informacji na jej temat. 
Lemna Minor jest gatunkiem, który unika bardzo czystych wód o niskiej koncentracji biofilnej, natomiast lubi wody bardzo żyzne. Jest rośliną dobrą do hodowli, gdyż w optymalnych warunkach bardzo szybko namnaża się pobierając składniki pokarmowe z wody jak również z powietrza. Z drugiej strony jest to gatunek wymagający, `pracuje' tylko przy odpowiedniej temperaturze i nasłonecznieniu. Oczyszczalnie tego typu uzależnione są od warunków klimatycznych, pracują tylko w sezonie letnim przez kilka miesięcy. Nie można ich wykorzystywać przez cały rok.
Ich zaletą jest to, że rzęsa występuje od bardzo kwaśnych do bardzo zasadowych środowisk (zakres pH 3,5 - 10,4) oraz maja bardzo duży zakres tolerancji na pierwiastki (m.in. wapń, magnez, sód, potas, fosfor, wodorowęglany, chlor, siarkę).

Schemat procesów biologicznych zachodzących w oczyszczalni wykorzystującej rzęsę wodną.

Na podst. M.D. Smith and Moelyowati, I. "Duckweed based wastewater treatment (DWWT): design guidelines for hot climates." Water Sci. & Tech. 43 (11) (2001) : 291-299

Oczyszczanie rzęsowe wymaga, aby ścieki przeszły przez osadnik wstępny, a następnie wpuszczane są do napowietrzanego stawu o głębokości 3 m. Staw ten zaopatrywany jest w bariery pływające, aby uniemożliwić zdmuchiwanie rzęsy z wody przez wiatr. Rzęsa powinna pokryć całą powierzchnię wody, aby zapobiec namnażaniu się fitoplanktonu poniżej lustra wody. Poza tym, trzeba co jakiś czas wybierać cześć rzęsy, aby powstający kożuch z przyrastającej rzęsy nie zrobił się za gruby i aby dolna jego część, do której nie dociera światło słońca, nie obumierała wydzielając do wody dodatkowy ładunek związków organicznych. 
Oczyszczalnie biologiczne wykorzystujące rzęsę wodną są mało efektywne w klimacie jaki panuje w Polsce, ponieważ mamy za krótki okres wegetacji. Co więcej, podatna jest na wiele czynników, które w klimacie umiarkowanym są bardzo zmienne.

Literatura:

1. Kontenerowe i przydomowe oczyszczalnie ścieków oraz stacje uzdatniania wody, Materiały z VIII Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej z cyklu „Problemy gospodarki wodno-ściekowej w regionach rolniczo-przemysłowych”; Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko, 1996.
2. www.przysiek.pl/~agrobiznes/mechanizacja/oczyszczalnia.htm
3. www.otzo.most.org.pl/publikacje/hydro/fidrysiak.htm
4. www.bn.most.org.pl/czystetech/korzenie.html
5. http://www8.chatham.k12.nc.us/project/wetlands/documents/house_article.pdf
6. http://www.environmental-center.com/articles/article670/article670.htm
7. http://www.oieau.fr/ciedd/contributions/at3/contribution/ramos.htm
8. http://www.geocities.com/RainForest/Canopy/3631/
9. http://lbewww.epfl.ch/COST837/larnaca2001/session1.pdf
10. http://www.hyd.uu.se/swm/Remediation_of_Rynaszewski.htm
Zainteresowanym gorąco polecam stronę: http://star.wckp.lodz.pl/leonardo/budown/matuszew-en/4b.htm
___________________
Anna Kwarciak - studentka IV roku Międzywydzialowych Studiów Ochrony Środowiska U.W. w roku akad. 2002 / 2003

---