FIZYKA I CHEMIA GLEB

Literatura przedmiotu:

Kowalik P. Ochrona środowiska glebowego, PWN, Warszawa 2001

Klasy degradacji gleb, normy

Oczyszczalnia glebowo-roślinna

Normy i klasy degradacji glebTło, lub zerowy stopień zanieczyszczenia:(pomierzone wg naturalnych zawartości

metali ciężkich):Cd 0,3 – 1,0 mg/kgCu 10 – 25 mg/kgCr 20 – 50 mg/kgNi 10 – 50 mg/kgPb 20 – 60 mg/kgZn 50 – 100 mg/kg

wg Kabaty-Pendias

Pierwiastek Gleby PolskiŚrednia zawartość w glebach Polski

Średnia Światowa

Cd 0,2-0,31 0,22 0,5

Pb <0,20 13,8 25-40

Zn <0,40 33,2 27-235

Cu 6-53 6,7 1-140

Ni <10 6,5 <100

Zawartość metali ciężkich wg Greinerta

Stopnie zanieczyszczenia (IUNG Puławy)

0 – zawartość naturalna (Cd 0,3-1mg/kg; Pb 20-60mg/kg; Zn 50-100mg/kg) – gleby nadające się pod wszystkie uprawy ogrodnicze i rolnicze, a zwłaszcza pod uprawy roślin przeznaczonych dla dzieci

I – zawartość podwyższona (Cd 1-3mg/kg; Pb 70-150mg/kg; Zn 100-250mg/kg) – gleby przeznaczone do pełnego wykorzystania rolniczego

II – zanieczyszczenie małe (Cd 2-5mg/kg; Pb 100-500mg/kg; Zn 200-500mg/kg) – na glebach tych należy wykluczyć uprawę warzyw, dozwolona uprawa roślin zbożowych, okopowych i pastewnych

III – zanieczyszczenie średnie (Cd 3-10mg/kg; Pb 500-2000mg/kg; Zn 700-2000mg/kg) – dopuszczalna uprawa roślin zbożowych, pod warunkiem okresowych kontroli, zalecane uprawy roślin przemysłowych i traw nasiennych

Stopnie zanieczyszczenia (IUNG Puławy)

IV – zanieczyszczenie duże (Cd 5-20mg/kg; Pb 2500-7000mg/kg; Zn 1500-5000mg/kg) – gleby te powinny być wyłączone z produkcji, przeznaczane pod zadrzewienie lub zadarnienie, ew. rośliny przemysłowe – len, konopie, wiklina, materiał siewny zbóż i traw i ziemniaki dla przemysłu spirytusowego i rzepaku na lej techniczny

V – zanieczyszczenie bardzo duże, gleby powinny być wyłączone z produkcji rolniczej i użytkowania pastwiskowego

Stopnie zanieczyszczenia (IUNG Puławy)

V – zanieczyszczenie bardzo duże, gleby powinny być wyłączone z produkcji rolniczej i użytkowania pastwiskowego;

W Polsce najsilniej zanieczyszczona może zawierać: Cd>20 mg/kg; Cr 1000 mg/kg; Ni 1000 mg/kg; Pb 7000 mg/kg; Zn >5000 mg/kg

Stopnie zanieczyszczenia (IUNG Puławy)

Jakość środowiska w PolsceSkład chemiczny opadów i depozycja

zanieczyszczeń do gleby (w latach 1985-1998) dwukrotnie zmniejszyła się ilość wszystkich zanieczyszczeń

np.. Siarki siarczanowej od 0,5 t/km2 na północy kraju do 2 t/km2 na Śnieżce

Azotu azotanowego od 0,3 t/km2 do 1 t/km2 na Śnieżce

Oczyszczalnie glebowo-roślinne Zaliczane są do rozwiązań naturalnych i

półnaturalnychZaliczyć tutaj możemy:- Filtry gruntowe bez roślinności- Drenaże rozsączające- Pola intensywne nawadniane ściekami

(pola irygowane)- Ściekowe stawy rybne- Stawy stabilizacyjne- Stawy napowietrzane

Oczyszczalnie roślinne- Oczyszczalnie hydrobotaniczne- Oczyszczalnie bagienne- Korzeniowe- Gruntowo-roślinne- Glebowo-korzeniowe- Złoża makrofitowe- Złoża trzcinowe

Tak wygląda korzeniowa oczyszczalnia ścieków w Gronowie Elbląskim, 9 lat po oddaniu do eksplpoatacji. Inwestor UG Gronowo Elbl. (fot.M.Gajda)

- oczyszczalnie z roślinnością bagienną,  - oczyszczalnie z roślinnością wodną zakorzenioną,  - oczyszczalnie z roślinnością wodną pływającą,  - oczyszczalnie wierzbowe.

Oczyszczalnie roślinneKlasy oczyszczalni roślinnych:- Obiekty rolniczego wykorzystania ścieków- Właściwe oczyszczalnie hydrobotaniczne

(hydrofitowe)- Stawy ściekowe, glonowe, lub z roślinnością

pływającą

Oczyszczalnie hydrofitowe (złoża gruntowe z roślinnością) można podzielić- Systemy z powierzchniowym przepływem

wody – poziom wody utrzymywany jest ponad powierzchnią gruntu, a rośliny zakorzenione w dnie lub na brzegach

- Systemy z podpowierzchniowym przepływem wody – poziom wody utrzymuje się poniżej powierzchni gruntu, a przepływ odbywa się przez grunt lub złoże żwirowe z zakorzenioną roślinnością

Najbardziej rozpowszechnione – filtry gruntowo-roślinne z podpowierzchniowym przepływem poziomym

Złoże jest izolowane od dołu i z boków ekranem (glina, folia),

Złoże takie ma specjalne wymagania związane z: uziarnieniem, współczynnikiem filtracji, porowatościa, wysokością i długością warstwy filtracyjnej

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 „oczyszczalnia 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.

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.

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 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.

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.

Oczyszczalnie biologiczne z wykorzystaniem rzęsy wodnej

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).

Oczyszczanie rzęsowe wymaga, aby ścieki przeszły przez osadnik wstępny, a następnie wpuszczane są do napowietrzanego stawu o głębokości 3 m. 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.

Błędy przy projektowaniu i wykonawstwie oczyszczalni gruntowo-trzcinowych Źle dobrane parametry złoża filtracyjnego(zastosowanie materiału o małej

przepuszczalności hydraulicznej, min. wymagane to >250 m d-1)

Kolejny błąd to warstwowanie złożaZbyt krótkie złoże, w którym mogą nie

zachodzić prawidłowo procesy amonifikacji, nitryfikacji, denitryfikacji (min. 15-20m)

Błędy przy projektowaniu i wykonawstwie oczyszczalni gruntowo-trzcinowychZbyt płytkie złoże – dla naszych warunków

klimatycznych powinno wynosić min. 120cm, aby zapewnić w zimie przepływ ścieków na głębokości min. 60cm (zapewni to właściwą temperaturę nie spadającą poniżej 8-10stC)

a w okresie wiosny i lata ścieki powinny popłynąć jak najpłycej terenu

Błędy przy projektowaniu i wykonawstwie oczyszczalni gruntowo-trzcinowychNiewłaściwe prowadzenie wzrostu i rozwoju

trzciny porastającej złoże (najkożystniej sadzić w dużych donicach błotno-roślinnych)

Złoże powinno mieć wysoką przewodność hydrauliczną, dużą porowatość i znaczą głębokość aby stworzyć warunki do rozwoju błony biologicznej na powierzchni ziarn gruntu, i korzeni trzciny, błona ta jest aktywna przez cały rok

Zestawienie niektórych zmiennych opisujących pracę oczyszczalni gruntowo-trzcinowych

A – powierzchnia czynna oczyszczalni (m2)Vb – objętość czynna (m3) (objętość złoża

filtracyjnego- część wypełniona ściekami)Vn – objętość czynna netto (m3) (objętość

porów złoża biorących udział w przepływie ścieków

F – powierzchnia przekroju przepływu (przekrój poprzeczny) (m2)

Q – dobowy dopływ ścieków , uśredniony (m3d-1)

C – stężenie zanieczyszczeń w ściekach, można wyrażać w BZT5 (g m-3), albo Nog lub Pog (g m-3)

Lo – ładunek zanieczyszczeń w dopływających ściekach (g d-1)

Le - ładunek zanieczyszczeń w odpływających ściekach (g d-1)

η – sprawność oczyszczalni (efekt oczyszczania)

η = 100 (1 – Le/Lo) %

Zestawienie niektórych zmiennych opisujących pracę oczyszczalni gruntowo-trzcinowych

zagadnienia

1. Przyczyny degradacji i dewastacji gleb2. Skutki intensyfikacji produkcji rolniczej3. Minimum rolno środowiskowe4. Rekultywacja gruntów, pojęcie i fazy rekultywacji5. Kierunki rekultywacji, dobór kierunku6. Prace w ramach procesów rekultywacyjnych7. Normy i klasy degradacji gleb8. Oczyszczalnie roślinne, rodzaje, omówić

przykładową9. Błędy przy projektowaniu i wykonawstwie

oczyszczalni glebowych