Analysis of operational difficulties of wastewater treatment plants located in Service Areas (SA)
Wstęp
Na obszarze Polski obserwuje się ciągły rozwój sieci komunikacyjnej, a w ostatnich latach w szczególności rozbudowę sieci autostrad i dróg szybkiego ruchu. Jest to związane zarówno z koniecznością zapewnienia połączeń między ośrodkami miejskimi dla obywateli, ale także wynika z potrzeb rynku opartego na transporcie samochodowym [1,2]. Z rozbudową wysokiej jakości sieci transportowej wiąże się konieczność rozbudowy infrastruktury towarzyszącej zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju. Wdrażanie najlepszych rozwiązań powinno być bezpieczne zarówno dla środowiska jak i użytkowników [3].
Do obiektów lokalizowanych w pobliżu dróg szybkiego ruchu oraz autostrad należą np. stacje paliw z umiejscowionymi w ich pobliżu punktami gastronomicznymi. Innym rozwiązaniem jest budowa tzw. Miejsc Obsługi Podróżnych (MOP) stanowiących punkty postojowe wraz z infrastrukturą sanitarną umożliwiającą skorzystanie z toalety oraz prysznica. W zależności od wyposażenia wyróżnia się trzy klasy MOP I – III. W obiektach klasy I znajdują się miejsca postojowe, urządzenia wypoczynkowe (ławki, place zabaw), jezdnie manewrowe, urządzenia sanitarne oraz oświetlenie, a także w niektórych przypadkach – obiekty małej gastronomii. MOP klasy II wyposażone są dodatkowo w stacje paliw, stanowiska obsługi pojazdów oraz obiekty gastronomiczno-handlowe. W III klasie obiektów, oprócz wyżej wymienionych, znajdują się również miejsca noclegowe oraz mogą znajdować się obiekty takie, jak: agendy pocztowe, placówki bankowe, biura turystyczne czy ubezpieczeniowe [4]. Miejsca Obsługi Podróżnych oprócz miejsc postojowych dla samochodów osobowych, często posiadają także miejsca parkingowe dla samochodów ciężarowych i autobusów. W sezonie letnim uczestnikami ruchu drogowego, a co za tym idzie użytkownikami MOP bywają także kierowcy kamperów oraz przewożący przyczepy kampingowe, z których większość wyposażona jest w toalety kasetowe.
Budowa sanitariatów niesie za sobą konieczność unieszkodliwiania powstających w nich ścieków. Odprowadzanie ścieków powstających w MOP do zbiorczej kanalizacji często jest niemożliwe ze względu na duże oddalenie obiektu od jednostek osadniczych. Rozwiązaniem możliwym do zastosowania jest budowa zbiorników bezodpływowych i okresowe wywożenie ścieków taborem asenizacyjnym, a także budowa lokalnych oczyszczalni ścieków umożliwiających ich unieszkodliwianie w miejscu powstawania. Przy wyborze systemu unieszkodliwiania ścieków powstających w miejscach obsługi podróżnych należy wziąć pod uwagę bardzo dużą nierównomierność dopływu ścieków, a także zróżnicowany ich skład jakościowy.
Ścieki z MOP w ogólnie przyjętej klasyfikacji zaliczane są mylnie do ścieków bytowych. Ścieki bytowe powstające w gospodarstwach domowych, są mieszaniną moczu, ścieków czarnych, ścieków szarych, a znaczną część ich udziału stanowią ścieki kuchenne. W składzie fizykochemicznym dominują wysokie stężenia materii organicznej wyrażonej przez ChZT (200-1000 mgO2∙dm-3) oraz BZT5 (110- 400 mgO2∙dm-3), zawiesiny ogólnej (100- 350 mg∙dm-3) przy stosunkowo niewielkich stężeniach azotu ogólnego (20-85 mg∙dm-3) [5]. W badaniach europejskich i światowych dotyczących składu ścieków pochodzących z miejsc obsługi podróżnych, wyraźnie zaznaczona jest dominująca zawartość azotu ogólnego (24-523 mg∙dm-3) w stosunku do wartości biodegradowalnych związków węgla wyrażonych przez BZT5 (124-880 mgO2∙dm-3). Autorzy badań wskazują także na mocno zróżnicowaną ilość zawiesin ogólnych (140-3400 mg∙dm-3) oraz wysokie nierównomierności stężeń materii organicznej wyrażonej przez ChZT (344-4900 mgO2∙dm-3) [6,7,8,9,10,11]. Tak duże wahania stężeń poszczególnych parametrów związane są z wysoką nierównomiernością dopływu ścieków oraz nierównomiernością dopływających ładunków zanieczyszczeń, co związane jest nierzadko z niekontrolowanymi zrzutami nieczystości z toalet kasetowych, a przede wszystkim – ze zmienną liczbą osób korzystających z sanitariatów. Na uwagę zasługuje fakt, że w przypadku MOP I kategorii niewyposażonych w punkty gastronomiczne, w składzie ścieków dominującą frakcją jest mocz, którego główny składnik – mocznik – ulega przekształceniom prowadzącym do uwalniania amoniaku. Z procesem tym związany jest także wzrost pH ścieków. Konsekwencją uzyskania w ściekach odczynu alkalicznego jest wyjałowienie ich z bakterii, w tym bakterii prowadzących procesy oczyszczania, a co za tym idzie – zahamowanie procesów rozkładu zanieczyszczeń.
Procesy oczyszczania ścieków prowadzone są w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych i mineralnych, które odprowadzane w nadmiernych ilościach mogą mieć niekorzystny wpływ na środowisko. Usuwanie materii organicznej zachodzi już w pierwszym, mechanicznym etapie oczyszczania, ale najlepsze efekty uzyskuje się stosując oczyszczanie dwustopniowe, z biologicznym rozkładem zanieczyszczeń. Aby umożliwić zachodzenie procesów rozkładu materii organicznej musi ona występować w ściekach w postaci biodegradowalnej, łatwo rozkładanej przez mikroorganizmy. O jej biodegradowalności decyduje stosunek ChZT/BZT5, którego wartości powinny być mniejsze niż 1,8 [12]. Z jednoczesną redukcją związków węgla (wyrażaną poprzez wartość BZT5, ChZT, OWO) prowadzone są procesy usuwania związków azotowych [13,14].
Celem artykułu jest analiza skuteczności usuwania zanieczyszczeń ze ścieków powstających w miejscach obsługi podróżnych (MOP) oczyszczanych w klasycznym systemie dwustopniowym zaprojektowanym do oczyszczania ścieków bytowych ze szczególnym uwzględnieniem specyficznego składu fizykochemicznego oczyszczanych ścieków.
Charakterystyka obiektów badawczych
Obiekty badawcze, z których pobierane były próbki do badań jakości ścieków, zlokalizowane są w miejscach obsługi podróżnych I kategorii przy drodze szybkiego ruchu (S-8-1) w pobliżu Wrocławia. Wyposażenie pomieszczeń sanitarnych w każdym MOP składa się z 5 stanowisk z umywalkami i kabinami WC oraz 2 pisuarów. W każdym z obiektów, zaprojektowanym dla wielkości RLM równej 50, ścieki z sanitariatów kierowane są do układu oczyszczania składającego się z dwukomorowego osadnika wstępnego oraz bioreaktora ze stałym złożem zanurzonym, który przedstawiono na rysunku 1. Osadnik wstępny o pojemności 6,9 m3 zapewnia redukcję stężeń zawiesin oraz zasocjowanej z nimi materii organicznej na drodze sedymentacji oraz flotacji. Zdjęcie osadnika przedstawia rysunek 2. Bioreaktor, w którym procesy oczyszczania prowadzi biomasa osiadła na wypełnieniu złoża, wyposażony jest w komorę klarowania, dmuchawy napowietrzające złoże od dołu oraz szafkę sterowniczą. Zdjęcie bioreaktora przedstawia rysunek 3. Dzienne pobory wody w obiektach będących podstawą prowadzonych badań mieściły się w zakresie 1,3-3,9 m3.
Próbki ścieków do badań fizykochemicznych pobierano z komory osadnika wstępnego oraz z komory klarowania złoża biologicznego. W analizowanych próbkach oznaczono pH, BZT5, ChZT, zawiesinę ogólną oraz azot amonowy, zgodnie z metodami referencyjnymi wymienionymi w Załączniku 12 (Metodyki referencyjne analizy próbek ścieków), zawartymi w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie warunków jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz.U. 2014 poz. 1800) [15].
Oczyszczalnia ścieków w Miejscu Obsługi Podróżnych
Dwukomorowy osadnik wstępny
Bioreaktor ze złożem zanurzonym
Wyniki
badań Skład ścieków dopływających do bioreaktora nie wykazywał typowego składu ścieków bytowych (tab. 1). Odczyn w próbkach ścieków przed biologicznym oczyszczaniem był wysoki (zasadowy), co związane było ze specyfiką dopływających ścieków (głównie moczu). Mocz, w przypadku ścieków powstających w MOP stanowić może ponad 80 % całkowitego azotu [16], w rezultacie powoduje to wysokie stężenia azotu amonowego (średnio 273,9–334,5 mg N-NH4∙dm-3). Tak wysoka koncentracja azotu amonowego (maksimum 529,14 mg N-NH4∙dm-3) wpływa na tempo rozwoju bakterii nitryfikacyjnych [12,17,18]. Wzrost odczynu spowodowany wysokimi stężeniami azotu amonowego powoduje równoczesny wzrost wolnego amoniaku, co przejawia się obniżeniem lub wręcz zahamowaniem procesu nitryfikacji. Za wartość graniczną, przy której zahamowaniu ulegają już obie fazy nitryfikacji przyjmuje się stężenie 150 mg N-NH3∙dm-3 [17].
Ze względu na brak obiektów gastronomicznych niski był również ładunek materii organicznej doprowadzanej wraz ze ściekami do reaktora. Wartości BZT5 kształtowały się w średnim zakresie 109,92 – 213,1 mgO2∙dm-3 z minimalnymi wartościami odpowiednio 6,7 i 13,0 mgO2∙dm-3, natomiast średnie stężenia ChZTCr były w przedziale 387,57 – 938,01 mgO2∙dm-3. Jednym z najbardziej krytycznych parametrów procesu nitryfikacji jest stosunek ChZT/ N w dopływających ściekach [19]. Wpływa on bezpośrednio na wzrost konkurencji pomiędzy populacjami organizmów auto i heterotroficznych. Wpływ na intensywność rozwoju mikroorganizmów osadu czynnego będzie miała zatem ilość biodegradowalnej materii organicznej stanowiącej budulec dla nowych bakterii. Po wyczerpaniu związków organicznych jako substancji pokarmowej w roztworze rozpoczynają się procesy transformacji azotu. Jednym z szacunkowych wskaźników świadczących o biodegradowalności materii jest stosunek ChZT/BZT5, który w przypadku wartości większych niż 1,8 świadczyć może o znacznej ilości materii niepodatnej na biologiczny rozkład [18,19]. W analizowanych obiektach średnie wartości ChZT/BZT5 świadczyły o niekorzystnych warunkach do prawidłowego rozwoju organizmów biofilmu. Zawartość zawiesin ogólnych w ściekach poddawanych oczyszczaniu kształtowała się w szerokim zakresie, od wartości skrajnie niskich 7 mg∙dm-3 po wartości wysokie 1490 mg∙dm-3. Zawiesiny w ściekach dopływających do osadnika wstępnego to głównie materia organiczna pochodząca z sanitariatów, która łatwo ulega procesom sedymentacji. Niestety, przy nierównomiernym obciążeniu hydraulicznym oczyszczalni wynikającym bezpośrednio z natężenia ruchu drogowego [20] zsedymentowany osad przy gwałtownym dopływie ścieków może być wynoszony do części biologicznej oczyszczalni [21].
Średnie sprawności oczyszczania ścieków powstających w Miejscach Obsługi Podróżnych dla wybranych wskaźników zanieczyszczeń
Zakresy i średnie wartości pH, azotu amonowego i materii organicznej w ściekach dopływających do bioreaktora dla analizowanych oczyszczalni
Zakres zmian skuteczności oczyszczania ścieków dopływających do oczyszczalni w Miejscach Obsługi Podróżnych dla wybranych wskaźników zanieczyszczeń
Średnią sprawność oczyszczania dla wybranych wskaźników zanieczyszczeń przedstawiono na rysunku 4, a zakres zmian zestawiono w tabeli 2. Najefektywniej pod względem poziomów redukcji, układ pracował w przypadku materii organicznej wyrażonej przez BZT5 i ChZTCr. Najniższe średnie wartości dla analizowanych parametrów wystąpiły w przypadku BZT5 dla obiektu 2 (25,0%), a w przypadku ChZTCr dla obiektu 3 (46,5 %). Większymi wahaniami skuteczności oczyszczania charakteryzowały się zawiesina ogólna i azot amonowy (tabela 2).
Najniższy średni poziomy redukcji równy 22,5% obserwowany dla pracy obiektu 1, przy największych zmianach w ciągu okresu badawczego, mógł być wynikiem nagłych zmian obciążenia hydraulicznego i gwałtownych dopływów ścieków do części biologicznej. Specyficzny skład ścieków będący wynikiem większościowego udziału moczu w ogólnym strumieniu oczyszczanych ścieków oraz wynikającymi z tego trudnościami w realizacji procesu nitryfikacji powodował niskie wartości sprawności oczyszczania. Dla obiektu nr 1 i 3 obserwowano sytuacje większego stężenia azotu amonowego na odpływie niż w dopływających ściekach (rys. 4). Jedynie dla dwóch obiektów (obiekt 1 i 3 zlokalizowane po tej samej stronie drogi) średnia skuteczność oczyszczania w odniesieniu do azotu amonowego była wartością dodatnią i wynosiła odpowiednio 39,7% i 17,7 %.
Podsumowanie i wnioski
Na skuteczność oczyszczania ścieków powstających w miejscach obsługi podróżnych (MOP) przy wykorzystaniu klasycznych metod biologicznych ma wpływ wiele czynników i trudno określić ten, który jest czynnikiem wiodącym. Najbardziej znaczącym zdaje się być nierównomierny dopływ ścieków (obciążenie hydrauliczne) będący wynikiem zmiennego natężenia ruchu drogowego oraz niekontrolowane zrzuty ścieków z pojazdów wyposażonych w przenośne toalety np. kampery. Całkowicie odmienny skład ścieków dopływających do analizowanych oczyszczalni (zmienny w czasie ładunek zanieczyszczeń) stanowi poważną przeszkodę dla właściwego procesu oczyszczania. Brak dostatecznej ilości substancji pokarmowych dla bakterii i innych organizmów osadu czynnego oraz toksyczne dla tej biocenozy stężenia azotu amonowego powodują trudności w prowadzeniu procesu oczyszczania klasyczną metodą biologiczną. Skład ścieków dopływających do oczyszczalni jest wypadkową korzystania przez podróżnych z sanitariatów oraz zabiegów związanych z utrzymaniem czystości obiektu. W takim przypadku utrudniona jest kontrola zużycia chemicznych środków czystości, które w swoim składzie zawierać mogą substancje uszkadzające lub eliminujące organizmy osadu czynnego.
Rozwiązaniem środowiskowo bezpiecznym w przypadku miejsc obsługi podróżnych jest odprowadzenie ścieków tam powstających do centralnych układów kanalizacyjnych lub wywóz nieczystości do miejskich oczyszczalni ścieków. Stosowanie natomiast klasycznych układów (przeznaczonych do oczyszczania ścieków bytowych), ze względu na odmienny skład ścieków powstających w MOP może powodować trudności z osiągnięciem wymaganych pozwoleniami wodnoprawnymi efektów oczyszczania.
L I T E R AT U R A
[1] Krysiuk C., Brdulak J., Nowacki G. Miasta, udrożnienie szlaków komunikacyjnych w Polsce. Autobusy 10 /2018, s. 66-73.
[2] Brdulak J., Pawlak P., Krysiuk C., Zakrzewski B. Domykanie sieci dróg ekspresowych i autostrad czynnikiem mnożnikowym gospodarczego rozwoju regionów. Logistyka 3/2014, s. 716-722.
[3] Nowacki G., Krysiuk C., Kopczewski R. Dangerous goods transport problems in the European Union and Poland. TransNav: the International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation 10/2016, s. 143-150.
[4] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 43, poz. 430), rozdział 3, §114.
[5] Metcalf end Eddy Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, McGraw-Hill, 2013, 1058. [
6] Sylvester R.O., Seabloom R.W. Rest area wastewater disposal. Washington State Highway Comission, 1972, s. 83.
[7] Heitman R.H., Engineers M., Kitchen J.D. Evaluation of a Water-Reuse Concept for Highway Rest Areas. Municipal Water Pollution Control Abstracts November 1977 – October 1978, 1978, s. 37–39.
[8] Etzel J.E. Treatment of sanitary wastes at interstate rest areas. Highway Research Project School of Civil Engineering Purdue University, 1981, s. 54-85.
[9] Scharfe C.W., Malina J.F. Jr. Water and Wastewater Systems at Highway Rest Areas. Research Report 442-3. Center for Transportation Research, The University of Texas, Austin, March 1987.
[10] Londong J., Meyer D. Abwasserbehandlung an PWC-Anlagen. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, 2010.
[11] Kiss A., Hai F.I., Nghiem L.D. Roadside rest area wastewater treatment system: Performance evaluation and improvement. Desalination and Water Treatment, 32/2011, s. 389-396.
[12] Mo Y., Park D., Sung D., Moon J. Inhibitory effects of toxic compounds on nitrification process for cokes wastewater treatment. Journal of Hazardous Material, 152/2008, s. 915–921.
[13] Zhou Z., Qiao W., Xing C., Wang C., Jiang L.M., Gu Y., Wang L. Characterization of dissolved organic matter in the anoxic–oxic-settlinganaerobic sludge reduction process. Chemical Engineering Journal, 259/2015, s. 357–363.
[14] Radetic B., Lehmann, C. Carbon, Nitrogen, and Phosphorous Removal, Basics and Overview of Technical Applications. Handbook of Water and Used Water Purification, J. Lahnsteiner, Ed. Cham: Springer International Publishing, 2018, s. 1–39.
[15] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie warunków jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz.U. 2014 poz. 1800).
[16] Pronk W., Koné D. Options for urine treatment in developing countries. Desalination, 248/2009, s. 360–368.
[17] Fux C., Boehler M., Huber P., Brunner I. Biological treatment of ammonium-rich wastewater by partial nitritation and subsequent anaerobic ammonium oxidation (anammox) in a pilot plant. Journal of Biotechnology, 99/2002, s. 295–306.
[18] Van Hulle S.W.H., Vandeweyer H.J.P., Meesschaert B.D., Vanrolleghem P.A., Dejans P., Dumoulin A. Engineering aspects and practical application of autotrophic nitrogen removal from nitrogen rich streams. Chemical Engineering Journal, 162/2010, s. 1–20.
[19] Carrera J., Vicent T., Lafuente J. Effect of influent COD/N ratio on biological nitrogen removal (BNR) from high-strength ammonium industrial wastewater. Process Biochemistry, 39/2004, s. 2035–2041.
[20] Pawęska K., Bawiec A. Problemy oczyszczania ścieków w miejscach obsługi podróżnych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 4/2018, s. 150-154.
[21] Makowska M., Mazurkiewicz J. Treatment of wastewater from service areas at motorways. Archives of Environmental Protection, 42/2016, s. 80-89.