Wiadomości wstępne
Złoża hydrofitowe bazujące na roślinności bagiennej (trzcina) są alternatywą dla stabilizacji osadów ściekowych głównie dla małych oczyszczalni ścieków. W złożu hydrofitowym, przypominającym pod względem budowy środowisko bagna, uzyskuje się odwodnienie osadów częściowo przez ich ewaporację powierzchniową, a częściowo przez pochłanianie w strefie korzeniowej roślin. Jednocześnie proces wzrostu i asymilacji przez rośliny wielu składników organicznych, prowadzi do ich rozkładu, chroniąc środowisko przed szkodliwymi zapachami, obniża stężenie patogenów, a w konsekwencji nadaje odwodnionym osadom właściwości glebotwórcze. Po okresie 10-12 lat przebywania na poletkach hydrofitowych osady stanowią często bogaty w związki mineralne nawóz. Poniżej omówię typowe rozwiązania poletek osadowych na bazie doświadczeń duńskich. Materiał pochodzi głównie z artykułu który ukazał się w „Rynku Instalacyjnym” – Projektowanie, budowa i eksploatacja systemów trzcinowych do odwadniania i stabilizacji osadów ściekowych, a także pracy Hansa Brixa „Sludge Dewatering and Mineralization in Sludge Treatment Reed Beds”. W obu pracach znajdziecie inną dostępną literaturę.
Zakładanie poletka
Według badań duńskich kluczowym parametrem przy obliczaniu wymaganej powierzchni złoża hydrofitowego jest jego obciążenie suchą masą osadów w ciągu roku w przeliczeniu na 1m2. Przyjmuje się, że nie powinna ona przekraczać:
- 60 kg s.m./rok na 1 m2 dla osadów o małej zawartości tłuszczy
- 50 kg s.m./rok na 1 m2 dla osadów bogatych w tłuszcze lub pochodzących z fermentacji metanowej
W okresie początkowym, rozruchowym poletek hydrofitowych, zaleca się zmniejszenie masy osadów nawet do 30 kg s.m./rok na 1 m2 . Okres ten wynosi zwykle dwa lata, po czym dawka osadu może wzrosnąć do wartości jw. Ilość poletek zależy od całkowitego rocznego ładunku zanieczyszczeń. Należy przy tym brać pod uwagę przerwy eksploatacyjne związane z okresowym usuwaniem z poletek odwodnionych osadów i ponownym ich uruchamianiem. Doświadczenia polskie wskazują, że dla oczyszczalni do 5000 RLM wystarczy zwykle 2-6 poletek hydrofitowych, a dla większych jednostek 6-12. Doświadczenia duńskie wymagają minimum 8 poletek. Przy mniejszej ich ilości Duńczycy zaobserwowali zbyt słabe odwodnienie i skrócenie czasu eksploatacji systemu.
Jak funkcjonuje poletko hydrofitowe?
Eksploatacja poletek zakłada zazwyczaj okres co najmniej 30 lat; okres ten jest podzielony na dwie lub trzy fazy trwające po 8-12 lat. Każda faza składa się z uruchomienia, normalnego załadunku, opróżnienia i ponownego uruchomienia systemu.
Długość okresów załadunku i okresów odpoczynku między załadunkami zależy od wieku systemu/zbiornika, zawartości suchej masy, itp. Poletka zalewane są osadem 1-3 razy dziennie przez okres nie dłuższy niż 1 godzina. Osad na poletka kierowany jest najczęściej bezpośrednio z osadnika osadu nadmiernego osadników wtórnych. Na poletko przepompowywany jest pionowymi rurami, skąd rozpływa się grawitacyjnie po całej ich powierzchni.
Fot. Doprowadzanie osadu na poletko hydrofitowe odbywa się pionowymi rurami.
Obciążenie poletek osadem musi być stosunkowo szybkie, aby zapewnić dobre jego rozprowadzenie na całej powierzchni złoża. Większość wody przesącza się od razu przez filtr pionowy i powraca do systemu oczyszczalni ścieków w ciągu kolejnych godzin/dnia. Stała frakcja osadu pozostaje na powierzchni złoża. Po każdym obciążeniu dopuszcza się okres odwadniania, zanim nowa warstwa osadu zostanie doprowadzona na wierzch odwodnionego osadu. Złoże wchodzi następnie w stosunkowo długi okres spoczynku, w którym warstwa osadu może wyschnąć. W tym czasie osad kurczy się, a jego powierzchnia ulega spękaniu.
Fot. Wygląd osadu na poletku pilotażowym Whitacre po jednym dniu (po prawej) i po trzech tygodniach „odpoczynku” (zdjęcie lewe, źr. Orbicon)
Dyfuzja tlenu przez warstwę drenażową od dołu i przez spękaną powierzchnię osadu umożliwia mikroorganizmom tlenowym istnienie w pozostałościach osadu i stopniową jego stabilizację. Całkowity czas załadunku poletka trwa w początkowym okresie kilka dni (3 do 7 dni), po czym następuje długi okres odpoczynku trwający od 21 do 49 dni. W miarę dojrzewania systemu, okresy ładowania i odpoczynku mogą być dłuższe, w zależności od rzeczywistej wydajności hydraulicznej złóż. Naprzemienne ładowanie i odpoczynek trwają do momentu, aż złoże zostanie wypełnione osadem i będzie musiało zostać opróżnione.
Ogólnie cały okres eksploatacji dzieli się na trzy okresy. Podczas rozruchu (około dwóch lat) obciążenie osadem jest mniejsze niż projektowana ładowność (<50%). Po tym okresie posadzone trzciny są już w pełni rozwinięte, a poletko można załadować projektowaną ładownością (w Danii zwykle 50 do 60 kg suchej masy na metr kwadratowy rocznie). W trzecim okresie rozpoczynającym się po około ośmiu latach działania, niektóre z poletek (zwykle dwa z ośmiu) są opróżniane. Przed opróżnieniem, poletka mają okres odpoczynku w suchych miesiącach letnich, aby zmaksymalizować zawartość suchej masy w osadzie. Po opróżnieniu, mogą być ponownie ładowane, jednak początkowo w zmniejszonej szybkości, aby zapewnić dobry odrost roślin. Pozostałe poletka są opróżniane sukcesywnie, zwykle po dwa w każdym z kolejnych lat w przypadku systemu z ośmioma poletkami. Stąd faza opróżniania trwa najczęściej cztery lata, aby utrzymać ciągłą ładowność nawet w fazie opróżniania.
Po co te trzciny?
Zastosowanie na poletku hydrofitowym roślin bagiennych (najczęściej trzcina pospolita „Phragmites australis„) ma ogromne znaczenie dla prawidłowego działania złoża. System korzeniowy i łodygi pomagają doprowadzać powietrze do złoża, dzięki czemu woda może swobodnie spływać z osadu do systemu drenażowego. Wzrost kłączy i ruchy łodyg wywołane przez wiatr, powodują pęknięcia i otwory na ich obwodzie. Inną ważną funkcją roślin jest też usuwanie wody kapilarnej z osadu poprzez jej pobieranie i transpirację przez rośliny.
Fot. Po prawej Otwory w osadzie wokół łodyg Phragmites australis spowodowane ruchami roślin na wietrze. Otwory te są ważne dla utrzymania wysokiej przepuszczalności wody w warstwie osadu nagromadzonej na powierzchni złoża (zdjęcie: H. Brix).
Szybkość parowania i transpiracji trzcin jest bardzo wysoka, może być nawet wyższa niż potencjalne parowanie z otwartej powierzchni wody. Jest to bardzo ważne w fazie spoczynku poletka, w której woda kapilarna z osadu zostanie wyparowana, a w rezultacie osad skurczy się i pęknie. Powstałe pęknięcia umożliwią z kolei łatwe przenoszenie powietrza (a tym samym tlenu) do osadu, co pobudza jego mineralizację i dalsze odwadnianie. Ewapotranspiracja jest szczególnie ważna w ostatnim okresie spoczynku (zwykle kilka miesięcy w lecie), zanim złoża muszą zostać opróżnione. Ze względu na wysokie wskaźniki ewapotranspiracji trzcin, które wykorzystują wodę kapilarną w osadzie, zawartość suchej masy w osadzie może wynosić nawet 40% po opróżnieniu złóż.
Budowa poletka hydrofitowego
Poletko wykonywane jest zwykle jako zbiornik betonowy lub ziemny w kształcie laguny, z uszczelnieniem ścian i podłoża. Na dnie poletka układa się warstwę drenażową do zbierania wód odciekowych, które w czasie normalnej eksploatacji spływają do studni zbiorczej, a stamtąd przepompowywane są na początek oczyszczalni ścieków.
Rys. Budowa poletka hydrofitowego (źr. Orbicon)
W części środkowej, w jednym lub kilku miejscach, umieszcza się rurę doprowadzająca osad ściekowy. Poszczególne warstwy pokazuje powyższy rysunek. W typowym poletku hydrofitowym warstwa mineralizacji wynosi od 1-1,5m.
Rys. Przekrój przez wszystkie warstwy. Ostatnia, 130cm, tworzona jest przez doprowadzany systematycznie osad.
Szczelność od podłoża zapewnia warstwa betonu lub (w przypadku budowli ziemnych) folia (geomembrana). Rury drenażowe obsypuje się warstwą żwiru o grubości około 30cm i uziarnieniu, początkowo 10-40mm, potem 2,5-10mm. Rura drenażowa w końcowym odcinku wyprowadzana jest na powierzchnię, powyżej poletka, aby umożliwić grawitacyjny spływ odcieku. Na warstwie drenażowej układa się się rury doprowadzające osad, po czym całość zasypuje warstwą piasku lub piasku gliniastego o miąższości 15-20cm. W tej ostatniej warstwie sadzi się trzcinę, przyjmując na każdy metr kwadratowy cztery sadzonki.
Fot. Poletko hydrofitowe po obsadzeniu sadzonkami trzciny. (źr. Rynek Instalacyjny)
Opisany powyżej system hydrofitowy nosi nazwę pionowego, z uwagi na sposób doprowadzenia osadów do poletka. Jego wadą jest konieczność stosowania bardzo mocno uwodnionych osadów, o zawartości wody 99% i więcej. W przeciwnym razie przy punktowym doprowadzeniu osadu, równomierne rozprowadzanie po całym poletku staje się problematyczne. Napisałem na początku, że systemy hydrofitowe przeznaczane są dla małych oczyszczalni ścieków. W praktyce ich możliwości zależą tylko od dostępnego wolnego obszaru oczyszczalni. Na zdjęciu poniżej jedna z największych tego typu instalacji, pracująca w Danii, w miejscowości Kolding, obsługująca 125000 RLM. Ilość osadu odwadnianego rocznie na poletkach dochodzi tutaj do 2000 ton suchej masy.
Fot. Oczyszczalnia ścieków w miejscowości Kolding (Dania), z poletkami hydrofitowymi na 2000 ton s.m. rocznie