Oczyszczanie wód opadowych

W artykule opisano standardy dotyczące odprowadzania wód opadowych do środowiska, omówiono uregulowania prawne oraz zwrócono uwagę na kwestie ekonomiczne dotyczące tego zagadnienia. Skupiono się na określeniu wartości maksymalnych stężeń zanieczyszczeń występujących w wodach opadowych oraz warunków, jakie muszą być spełnione przy doborze separatorów. Odniesiono się też do innowacyjnych rozwiązań, przede wszystkim w kwestii konstrukcji separatorów oraz do badań prowadzonych nad zwiększeniem sprawności redukcji zanieczyszczeń w hydroseparatorach w porównaniu do rozwiązań komercyjnych.

1. Prawne i ekonomiczne aspekty procesu oczyszczania wód opadowych

Rozwój przemysłowy przekłada się na coraz większą powierzchnię terenów zurbanizowanych, a tym samym na problem z nasilającymi się spływami opadowymi i odpadowymi z różnego typu powierzchni uszczelnionych [1]. Na procesy gospodarowania, we wszystkich dziedzinach składają się: produkcja, podział, wymiana i konsumpcja. Między nimi istnieją silne związki przyczynowo-skutkowe, co tworzy pełny łańcuch procesu, który obciąża układ ekologiczny. Możliwości absorpcji i regeneracji środowiska nie są wystarczające przy ciągłym rozwoju czynników antropogenicznych, dlatego obowiązkiem jest dostosowanie się do podstawowych praw i zasad ekologii [2]. Związki zachodzące między systemem ekonomicznym a ekologicznym przedstawiono na rys. 1.

Proces produkcji, w którym powstają dobra zaspokajające potrzeby człowieka, skutkuje wzrostem konsumpcji, przy czym w obydwu przypadkach powstają odpady. Te z kolei mogą być częściowo przetwarzane za pomocą recyklingu. Reszta niezagospodarowanych odpadów oddziałuje negatywnie na środowisko jako zanieczyszczenia m.in. wody [2].

Stosowanie rozwiązań w kwestii zagospodarowania spływów opadowych jest zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju i skutkuje w dużej mierze zwiększeniem stopnia obiegu wody w środowisku w naturalnym trybie [1-3].

Obecnie, znowelizowane i obowiązujące przepisy prawa polskiego określają warunki i zobowiązania dla procesu oczyszczania wód opadowych. Dokumenty zostały dostosowane do praw obowiązujących w Unii Europejskiej (obecnie to ponad 70 dyrektyw UE oraz około 21 rozporządzeń UE). Jednymi z fundamentalnych zasad są: stosowanie najlepszych dostępnych technologii, dostępność do informacji o stanie środowiska, zapobieganie zanieczyszczeniom lub unieszkodliwiania ich u źródła, a także odpowiedzialność zanieczyszczającego za szkodę [2, 3].

W Polsce oczyszczanie wód opadowych regulowane jest głównie przez Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. [3-5], a także Ustawę Prawo Wodne z 20 lipca 2017 r. oraz Ustawę Prawo Ochrony Środowiska z 27 kwietnia 2001 r. Ustawa Prawo Wodne z 20 lipca 2017 r. reguluje sposoby gospodarowania wodami zgodnie ze zrównoważonym rozwojem, określa instrumenty zarządzania zasobami wodnymi, dokumentacje hydrologiczne oraz prawa własnościowe wód. Ustawa Prawo Ochrony Środowiska z 27 kwietnia 2001 r. stanowi o zobowiązaniach, programach i warunkach rejestracji, raportowania czy zgłoszeń na temat działań w obrębie ochrony środowiska [7, 8].

W 2014 roku dodano uwarunkowanie prawne, którym jest Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. (Dz. U. z 2014 r. nr 023, poz. 1800) w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska. Określono w nim dokładnie rodzaje substancji szkodliwych dla środowiska wodnego, najwyższe dopuszczalne stężenia zanieczyszczeń oraz warunki jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi [9].

2. Dopuszczalne wartości stężeń zanieczyszczeń w spływach wodnych według uregulowań prawnych

Głównymi zanieczyszczeniami identyfikowanymi w spływach opadowych z dróg i obiektów towarzyszących są: zawiesiny, różnego rodzaju substancje olejowe, w tym węglowodory ropopochodne oraz inne substancje ekstrahujące się eterem naftowym (SEEN), metale ciężkie (Pb, Zn, Cu, Cd, Cr, Ni i in.), związki organiczne i nieorganiczne, określane zawartością węgla całkowitego i organicznego oraz biochemicznym pięciodniowym (BZT₅) i chemicznym (ChZT) zużyciem tlenu, chlorki, Na, Mg, Ca, zanieczyszczenia pływające grube, związki biogenne (azot, fosfor i potas), mikrozanieczyszczenia (np. węglowodory aromatyczne).

W rozporządzeniu [9] określono dopuszczalne stężenia zanieczyszczeń w spływach z powierzchni uszczelnionych. Dla zawiesin ogólnych maksymalna wartość graniczna to 100 mg/l, a dla substancji ropopochodnych – 15 mg/l. Podane wartości odnoszą się do tej ilości ścieków opadowych, jaka powstaje z opadu o natężeniu wynoszącym co najmniej 15 l/(s*ha) – spywającego odwadnianej powierzchni szczelnej dróg, parkingów i terenów przemysłowych. W przypadku spływów z terenów magazynowania i dystrybucji paliw – wymienione wyżej graniczne wartości parametrów zanieczyszczeń – obowiązują dla ścieków opadowych powstających z opadu o częstości występowania raz w roku (C = 1) i czasie trwania 15 minut lecz w ilości nie mniejszej niż ilość ścieków odprowadzana z 1 ha powierzchni szczelnej z opadów o natężeniu 77 l/s [1-6].

Dlatego w przepisach podzielono zlewnie zanieczyszczeń na dwa typy, tj. zlewnie typu pierwszego i zlewnie typu drugiego. Typ pierwszy dotyczy terenów przemysłowych, składowisk,  baz transportowych i parkingów, portów, lotnisk, terenów miast, infrastruktury kolejowej oraz dróg wszelkiego rodzaju. Drugi typ odnosi się do magazynów paliw, stacji benzynowych i stacji przeładunku paliw, czyli zlewni w których obecne są substancje ropopochodne, np. paliwa, rozpuszczalniki, żywice, wazeliny, parafiny, mieszaniny węglowodorów naftenowych i aromatycznych [6, 10].

Substancje te, to związki niepolarne, lipofilne, które bardzo słabo rozpuszczają się w wodzie. Dodatkowo ich emisja do środowiska skutkuje powstawaniem cienkich warstw na powierzchni wody, utrudniających wymianę gazową oraz zaburzających równowagę biologiczną zbiorników naturalnych [10, 11]. Wśród węglowodorów ropopochodnych będących w grupie substancji szczególnie szkodliwych są: benzen, naftalen, f luoranten, benzo(a)piren, benzo(b)fluoranten, benzo(k)fluoranten, benzo(ghi)perylen oraz indeno(1,2,3-cd)piren [11].

W tab. 1 przedstawiono dopuszczalne stężenia wybranych substancji ropopochodnych w wodach powierzchniowych [11, 12].

W przypadku wód podziemnych dopuszczalne stężenia zanieczyszczeń olejowych i ropopchodnych regulowane są przez Roporządzenie Ministra Środowiska z dnia 23 lipca 2008 roku w sprawie kryteriów i sposobu oceny stanu wód podziemnych (Dz. U. nr 143 poz. 896) i przez Ustawę z dnia 30 maja 2014 r. (Dz. U. 2014 poz. 850).

3. Charakterystyka i uwarunkowania prawne – separatory wodne

W celu redukcji zawiesin w spływach opadowych wykorzystywane jest zjawisko sedymentacji, zachodzące w urządzeniach retencyjnych i grawitacyjnych. Przy eliminacji substancji ropopochodnych ze strumieni spływów stosowane są procesy flotacyjne i zjawisko wyporu [3, 5]. U podstaw procesu leży wykorzystanie różnic w gęstości pomiędzy fazą olejową a wodną.

Faza olejowa zbiera się w górnych warstwach separatora, po czym jest usuwana. Wydajność separacji grawitacyjnej zależy w dużej mierze od hydrauliki układu i czasu retencji. Wykorzystuje się w niej różnego rodzaju aparaty, które zaprojektowane są w taki sposób, aby zapobiegać powstawaniu nadmiernych turbulencji w układzie i jednocześnie wspomagać proces koalescencji kropel oleju [9].

Separatory stosowane do oczyszczania wód opadowych muszą spełniać również odpowiednie wymagania prawne. W normie PN-S-02204:1997 zamieszczono informacje na temat drogowych urządzeń odwadniających i oczyszczających. Podano ścisłe definicje techniczne wszystkich urządzeń oraz najczęściej spotykanych ich podtypów.

Dla urządzeń odwadniających określono szczegółowo wymagania techniczne w zakresie ich planowania, projektowania, budowy i właściwego użytkowania. Ponadto omówiono podstawowe wymagania ekologiczne w zakresie odwodnienia dróg oraz określono podstawowe zasady wykonywania obliczeń sprawdzających funkcjonowanie urządzeń odwadniających z punktu widzenia technicznego i ekologicznego. W przypadku projektowania separatorów substancji ropopochodnych, zalecane jest, aby spełniały one normy PN-EN 858-1:2005+A1:2007 i PN-EN 858-2:2005, a także wydawane przez Instytut Ochrony Środowiska aprobaty techniczne [5, 9].

Część pierwsza normy PN-EN 858:2005 dotyczy zasad projektowania, wyrobu, właściwości użytkowych i badań, znakowania i sterowania jakością, natomiast część druga mówi o wyborze wymiarów nominalnych, instalowaniu, eksploatacji i obsługi. Obie dotyczą instalacji oddzielaczy lekkich płynów (substancji płynnych o ciężarze właściwym do 0,95 g/cm3) [9]. Osadniki, czyli separatory zanieczyszczeń ciężkich (o gęstości większej niż faza ciągła), powinny spełniać kryterium objętości, które określono w normie PN-EN 858-2:2005. Wartość objętości w litrach nie powinna wynosić mniej niż 100-, 200- lub 300-krotność przepustowości nominalnej separatora, wyrażone w jednostce objętości na sekundę [5].

4. Separacja zawiesin ziarnistych

Separatory sedymentacyjne dla zawiesin ziarnistych, inaczej nazywane osadnikami, charakteryzują się prostą budową i często dużymi rozmiarami, ponieważ droga opadania cząstek o gęstości większej niż faza ciągła musi być wystarczająco długa aby doszło do pełnego rozdzielenia faz.

Powierzchnia osadnika jest określona jako stosunek natężenia przepływu wody opadowej do dopuszczalnego maksymalnego obciążenia hydraulicznego [5]. Pod względem technologicznym zakłada się, że na każdy 1 m³/h przepływającego strumienia spływu opadowego niezbędne jest przynajmniej 0,24 m² powierzchni aktywnej. Takie założenie umożliwia utrzymanie 50-procentowej sprawności urządzenia.

Miarą sprawności jest stopień zatrzymania cząstek zawiesin w urządzeniu. Jednakże, istnieje wiele czynników wpływających na efektywność sedymentacji, takich jak wymiar, kształt i gęstość zanieczyszczeń, stężenie zawiesiny czy temperatura wody [3, 5]. Niedawno wprowadzone zostały nowe konstrukcje osadników, które opierają się na zjawisku ruchu wirowego wydłużającego drogę opadania cząstek przy jednoczesnym zachowaniu niewielkiej powierzchni zabudowy w planie. Uzyskują porównywalne efekty redukcji zawiesin przy od 2 do 5-krotnie większych obciążeniach hydraulicznych [3].

5. Separacja substancji ropopochodnych

Separacja substancji ropopochodnych wiąże się z zastosowaniem elementów konstrukcyjnych tworzących komory zatrzymywania frakcji lekkich w zbiorniku separatora. Rozdział może występować grawitacyjnie na podstawie zjawiska wyporu lub ze wspomaganiem procesu koalescencji, gdzie mikrocząsteczki substancji olejowych łączą się w większe krople [5, 13].

Sprawność urządzenia separującego zwiększana jest przez zastosowanie wkładów koalescencyjnych, tj. gąbki poliuretanowe czy pakiety o strukturze plastra miodu [9, 13]. Podstawowymi parametrami pracy takich separatorów są: przepustowość nominalna jako objętość przepływu w czasie, materiały i elementy wyposażenia zbiornika, pojemność magazynowania frakcji lekkiej i dopuszczalna grubość warstwy substancji olejowych w zbiorniku separatora [5].

6. Nowe konstrukcje separatorów

Obecnie trwają intensywne badania nad separatorami o ruchu wirowym. Zaprojektowano konstrukcje, w których możliwe jest uzyskanie wyższych sprawności oczyszczania strumienia wód opadowych niż w dostępnych na rynku rozwiązaniach.

Modyfikacje konstrukcyjne polegają na zastosowaniu króćca wlotowego zanurzonego na różnej głębokości z wlotem w postaci kolanka 135° skierowanego na ścianę zbiornika o przekroju kołowym, co pełni funkcję deflektora kierunkowego wywołującego ruch wirowy. Innowacją jest również zastosowanie przegrody zawieszonej od góry zbiornika osadnika i zanurzonej na badanej głębokości.

W tradycyjnych rozwiązaniach najczęściej spotyka się przegrody poziome tworzące komory przed króćcem wylotowym lub pionowe umiejscowione na dnie zbiornika w strefie osadowej. Schematy poglądowe kilku wybranych zmodyfikowanych konstrukcji przedstawiono na rys. 2.

Modyfikacje osadników wirowych skutkowały zwiększeniem sprawności separacji zawiesin ziarnistych w porównaniu do standardowych rozwiązań rynkowych [14].

7. Podsumowanie

Należy bezwzględnie pamiętać, że przed wprowadzeniem do środowiska zanieczyszczonych wód opadowych i roztopowych trzeba je podczyścić. Wymaga to zastosowania odpowiednich systemów podczyszczania, które bazują na urządzeniach o zróżnicowanej sprawności działania. W ich wyborze pomoże projektant, jednak warto wiedzieć, jakie mamy możliwości i o czym należy pamiętać planując odwodnienie.

Przystępując do projektowania powinniśmy kierować się następującymi zasadami:

• poznać aktualny stan wiedzy o obowiązujących rozporządzeniach i ustawach związanych z procesem oczyszczania wód opadowych,
• określić ilość i jakość spływów odprowadzanych ze zlewni,
• dobrać odpowiedni typ systemu oczyszczania na podstawie specyfikacji technicznej
• przestrzegać warunków montażu i eksploatacji urządzeń.

Aby zminimalizować ilość zanieczyszczeń w wodach opadowych, warto dbać także o czystość zlewni, stan techniczny nawierzchni drogowych, sieci kanalizacyjnej oraz pozostałych urządzeń.

8.  Literatura

[1] Sakson G., Zawilski M., Badowska E., Brzezińska A., Zanieczyszczenie ścieków opadowych jako podstawa wyboru sposobu ich zagospodarowania, Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, XXXI, 61, 2014, 253–264.

[2] Marciniak S. red nauk., Makro- i Mikroekonomia. Podstawowe problemy współczesności, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2013.

[3] Królikowska J., Urządzenia inżynierskie z ruchem wirowym stosowane na sieci kanalizacyjnej do zmniejszenia ładunku zawiesiny w ściekach deszczowych, Inżynieria Ekologiczna, 26, 2011, 156–170.

[4] Bąk Ł., Górski J., Górska K., Szeląg B., Zawartość zawiesin i metali ciężkich w wybranych falach ścieków deszczowych w zlewni miejskiej, Ochrona Środowiska, 34, 2, 2012, 49–52.

5] Sawicka-Siarkiewicz H., Oczyszczanie wód opadowych w separatorach i osadnikach w kontekście wymagań określonych w przepisach prawnych, Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 52, 2011, 140–152.

[6] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 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. nr 137, poz. 984 z późn. zm.).

[7] Ustawa Prawo Wodne z dnia 20 lipca 2017 r. (Dz. U. nr 115, poz. 1229, z późn. zm.).

[8] Ustawa Prawo Ochrony Środowiska z dnia 27 kwietnia 2001 r. (Dz. U. nr 62, poz. 627 z późn. zm.).

[9] Rećko K., Separator substancji ropopochodnych – ważny element gospodarki ściekowej na stacji demontażu pojazdów wycofanych z eksploatacji, Bezpieczeństwo i ekologia – Autobusy, 9, 2018, 66–70.

[10] Rakowska J., Radwan K., Ślosorz Z., Pietraszek E., Łudzik M., Suchorab P., Usuwanie substancji ropopochodnych z dróg i gruntów, Wydawnictwo Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego Państwowego Instytutu Badawczego, Józefów, 2012.

[11] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 21 lipca 2016 r. w sprawie sposobu klasyfikacji stanu jednolitych części wód powierzchniowych oraz środowiskowych norm jakości dla substancji priorytetowych. (Dz.U. 2016, poz. 1187).

[12] Włodarczyk-Makuła M., Zagrożenie zanieczyszczenia środowiska  wodnego związkami ropopochodnymi, LAB Laboratoria, Aparatura, Badania, 21, 1, 2016, 12–16.

[13] Ling L.P., Hei N.L., Kuok W.K., Yusof A.A.R Pgn. Hj., Development and Performance Tests of a Separator for Removal of Physically Emulsified and Free Oils From Wastewaters, Journal – The Institution of Engineers, Malaysia, 67, 2, 2006, 10–19.

[14] Markowska M., Kruszelnicka I., Ginter-Kramarczyk D., Krupińska A., Ochowiak M., Fus A., Okupniak K., Woziwodzki S., Włodarczak S., Matuszak M., Eksperymentalna weryfikacja symulacji CFD procesu separacji cząstek  zawiesin w zmodyfikowanych osadnikach wirowych, Instal, 12, 2018, 63–66.

mgr inż. Małgorzata Markowska dr hab. inż. Marek Ochowiak

Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej

dr inż. Izabela Kruszelnicka, dr inż. Dobrochna Ginter-Kramarczyk

Politechnika Poznańska, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska

…

Źródło: Technologia Wody nr 5/2019