Projekt okładki i stron tytułowych: Weronika Szychowska

Ilustracja na okładce: Weronika Szychowska

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Joanna Forysiak

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Bystrzycka (magdalena.lewocka@pwn.pl)

Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Dział marketingu marketing.pwn@pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-24061-5

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024 r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Nota biograficzna

PROF. DR HAB. INŻ.

Krzysztof Jan Chmielowski

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu

Katedra Inżynierii Gazowniczej

adres: Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

pokój nr: 307 (piętro III)

telefon: 12 617 56 44, kom. 698-611-964

e-mail: krzysztof.chmielowski@agh.edu.pl

W marcu 2020 roku otrzymał od Prezydenta Rzeczpospolitej Polskiej tytuł profesora nauk inżynieryjno-technicznych. W 2013 roku uzyskał stopień naukowy doktora habilitowanego nauk rolniczych w zakresie ochrony i kształtowania środowiska w specjalności gospodarka wodno-ściekowa. Stopień naukowy doktora habilitowanego uzyskał na Wydziale Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytetu Rolniczego im. Hugona Kołłątaja w Krakowie. Jako główne osiągnięcie naukowe przedstawił rozprawę habilitacyjną Skuteczność oczyszczania ścieków w przydomowej oczyszczalni z wykorzystaniem zmodyfikowanego filtru żwirowo-piaskowego. W 2007 roku na wydziale macierzystym obronił rozprawę doktorską Skuteczność oczyszczania w filtrach o przepływie pionowym w przydomowych oczyszczalniach ścieków. Uzyskał stopień naukowy doktora nauk rolniczych w zakresie kształtowania środowiska. Promotorem rozprawy doktorskiej był prof. dr hab. inż. Ryszard Ślizowski. Decyzją Rady Wydziału rozprawa została wyróżniona oraz uhonorowana nagrodą Rektora Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie.

Główne kierunki badań

• innowacyjne rozwiązania związane z gospodarką obiegu zamkniętego

• innowacyjne rozwiązania w przydomowych oczyszczalniach ścieków

• innowacyjne usuwanie azotu amonowego z odcieków z osadów odwadnianych w wirówkach i prasach filtracyjnych

• kofermentacja osadów ściekowych i wytwarzanie biogazu

• przekształcanie osadów ściekowych w produkt nawozowy

• intensyfikacja usuwania związków biogennych w reaktorach z osadem czynnym

• wykorzystanie zaawansowanych metod statystycznych do prognozowania ilości i jakości ścieków dopływających do zbiorczych oczyszczalni ścieków

• analiza zmienności ilości i jakości ścieków odpływających ze zbiorczych systemów kanalizacyjnych

• analiza skuteczności działania zbiorczych oczyszczalni ścieków

Słowa kluczowe: ścieki, przydomowa oczyszczalnia ścieków, gospodarka wodno-ściekowa, biogaz

Wstęp

W życiu człowieka woda jest niezastąpionym elementem, niezbędnym do egzystencji. Zużywamy ją codziennie do różnorodnych czynności, w ilości zależnej od wielu czynników (Obarska-Pempowiak 1996, Szpindor 1998). Nieoczyszczone ścieki bytowe stanowią poważne zagrożenie dla środowiska naturalnego, co wynika z ich potencjału do zanieczyszczania wód gruntowych, powierzchniowych oraz gleby. Problem ten jest szczególnie istotny w Polsce, gdzie duża część kraju znajduje się w basenie Morza Bałtyckiego, narażonego na zanieczyszczenia. Prawo wodne, a także inne krajowe i unijne przepisy, w tym dyrektywa UE w sprawie oczyszczania ścieków komunalnych, zobowiązują Polskę do rozwijania odpowiedniej infrastruktury kanalizacyjnej, aby ograniczyć negatywne oddziaływanie ścieków na środowisko. Wzrost inwestycji w rozwój sieci kanalizacyjnych przyspieszył zwłaszcza po przystąpieniu Polski do Unii Europejskiej i dostosowywaniu się do unijnych norm w zakresie ochrony środowiska. Brak równoczesnej budowy systemów wodociągowych i kanalizacyjnych na tych obszarach przyczynił się do nierówności, co podkreśla konieczność dalszych inwestycji i rozwoju infrastruktury. Szczególnie ważne jest restrykcyjne podejście do kwestii zbiorowego odprowadzania i oczyszczania ścieków, aby sprostać wyzwaniom związanym z ochroną środowiska, zwłaszcza w kontekście zrównoważonego zarządzania zasobami wodnymi.

Zużyta woda tworzy ścieki, które, nieoczyszczone, stanowią poważne zagrożenie dla środowiska i ludzi. Konieczne staje się oczyszczenie ścieków. Konsekwencją odprowadzania nieoczyszczonych ścieków do naturalnych odbiorników może być nie tylko zachwianie równowagi biologicznej środowiska, lecz także pogorszenie jakości wód podziemnych i powierzchniowych (Szpindor 1998, Wałęga i in. 2010, Borek i in. 2021, Urbaniak i in. 2021). W obszarach zurbanizowanych sytuacja jest łatwiejsza, gdyż stosuje się tam systemy kanalizacyjne, które transportują nieczystości do oczyszczalni ścieków. Jednakże na terenach wiejskich, gdzie zabudowa jest rozproszona, budowa takich systemów może być nieopłacalna. Błażejewski i Murat-Błażejewska (2020) podają, że co drugi mieszkaniec Polski zamieszkujący tereny wiejskie korzysta ze zbiornika bezodpływowego. W Niemczech i Szwajcarii takie zbiorniki nie są dopuszczone do eksploatacji (Błażejewski i Murat-Błażejewska 2020, Borek i in. 2021, Urbaniak i in. 2021). W takich przypadkach stosuje się przydomowe oczyszczalnie ścieków. Rynek tych rozwiązań się rozwija, a niniejsze opracowanie zawiera wiedzę przydatną dla projektantów i wykonawców, jak również dla uczniów szkół średnich i studentów kierunków inżynieryjnych związanych z ochroną środowiska.

W związku z wprowadzeniem nowelizacji ustawy z dnia 13 września 1996 roku o utrzymaniu czystości i porządku w gminach (art. 3 ust. 3, tekst jedn. Dz.U. 2024 poz. 399) od 1 stycznia 2023 roku każda z gmin w Polsce ma obowiązek prowadzenia kontroli i ewidencji zbiorników bezodpływowych (szamb) oraz przydomowych oczyszczalni ścieków. Utylizacja ścieków na obszarach wiejskich to wciąż aktualny i wymagający rozwiązania problem. Brak równoległej budowy systemów kanalizacyjnych na terenach wiejskich przyczynił się do powstania znacznych dysproporcji między zaopatrzeniem w wodę a odprowadzeniem ścieków (Klugiewicz i Totczyk 1995, Ciupa 1995, Błaszczyk 1999, Eymontt 2000, Błażejewski 2003). Na terenach, gdzie nie można zastosować grawitacyjnego odprowadzenia ścieków, a zbudowanie podciśnieniowej lub ciśnieniowej kanalizacji jest ekonomicznie nieuzasadnione, stosuje się przydomowe oczyszczalnie ścieków. Na rynku jest coraz więcej firm zajmujących się produkcją i wykonawstwem przydomowych oczyszczalni ścieków.

Niniejsze opracowanie dotyczy przydomowych oczyszczalniami ścieków pracujących dla pojedynczego gospodarstwa domowego. Przedstawiono kompendium wiedzy z zakresu przydomowych oczyszczalni ścieków, które z powodzeniem może być wykorzystane przez projektantów i wykonawców. Materiał zawarty w książce może służyć również uczniom szkół średnich oraz studentom z kierunków inżynierskich związanych z ochroną i inżynierią środowiska. Podczas wyboru odpowiedniego systemu technologii oczyszczania należy zwrócić szczególną uwagę między innymi na warunki lokalne, ilość generowanych ścieków i ich rodzaj, a także budżet. Istotne są również regularny serwis i poprawna eksploatacja przydomowych oczyszczalni ścieków, pozwalające na bezpieczne odprowadzenie ścieków oczyszczonych do odbiornika (Mucha i Mikosz 2009, Karczmarczyk 2013, Błażejewski i Murat-Błażejewska 2020, www.bdl.stat.gov.pl 2023, Chmielowski 2024).

1. Charakterystyka ilościowa i jakościowa ścieków bytowych z terenów rozproszonych

1.1. Ilość ścieków bytowych powstających w gospodarstwach domowych

Woda jest zużywana na skutek działalności człowieka i na różnego rodzaju jego potrzeby. W wyniku tego procederu powstają ścieki. Zgodnie z ustawą z dnia 7 czerwca 2001 roku o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków (tekst jedn. Dz.U. 2024 poz. 757) ścieki powstające w gospodarstwie domowym to ścieki bytowe. W gospodarstwach rolniczych, gdzie prowadzi się hodowlę zwierząt oraz uprawy rolnicze, woda nie jest wykorzystywana jedynie do celów bytowych ludzi, jest ona również potrzebna do pojenia zwierząt, nawadniania pól i sadów oraz mycia maszyn rolniczych. Jednakże woda zużywana w procesach hodowlanych nie trafia do standardowych oczyszczalni ścieków, ponieważ ścieki z hodowli charakteryzują się znacznie wyższymi stężeniami zanieczyszczeń, kilkanaście razy większymi niż w ściekach bytowych (Szpindor 1998). Tak duże zanieczyszczenie spowodowałoby zabicie życia biologicznego w potencjalnej oczyszczalni, a co za tym idzie znaczne pogorszenie efektu oczyszczania ścieków i kłopoty eksploatacyjne samego obiektu. Gdy gospodarstwa nie prowadzą żadnej działalności gospodarczej, około 90–95% zużywanej wody trafia do kanalizacji w postaci ścieków bytowych (Heidrich 1998). Około 90% zużytej wody w gospodarstwach domowych jest kierowane do oczyszczalni. Jednak jeśli w gospodarstwach domowych woda jest wykorzystywana do celów inne niż bytowe, takich jak hodowla zwierząt, rozcieńczanie środków ochrony roślin czy utrzymanie czystości wokół gospodarstwa, to znaczna jej część nie trafia do kanalizacji.

Ilość powstających ścieków w małych jednostkach osadniczych zależy od następujących czynników (Osmulska-Mróz 1995, Heidrich 1998):

• wyposażenia w urządzenia sanitarne gospodarstw domowych oraz stanu technicznego tych urządzeń,

• sposobu zaopatrzenia w wodę,

• sposobu rozliczania za zużytą wodę,

• stylu życia mieszkańców, w znacznym stopniu uzależnionego od ich wieku, liczby osób pracujących poza domem, nawyków cywilizacyjnych,

• istnienia zakładów usługowych, produkcyjnych, administracyjnych.

Średnia ilość ścieków powstających w gospodarstwach domowych waha się w szerokim przedziale od 50 do 250 dm³ · M–1 · d–1 (Heidrich 1998). Heidrich zaleca przy projektowaniu przydomowych oczyszczalni ścieków przyjmować dane wynikające z zaleceń niemieckich:

• qdśr = 0,15 m³ · M–1 · d–1 – średniodobowa ilość ścieków,

• Nog = 2,4 – współczynnik nierównomierności zrzutu ścieków,

• qhmax = 0,015 m³ · M–1 · h–1 – maksymalna godzinowa ilość ścieków.

Ilość ścieków powstających na terenie gospodarstw domowych można wyliczyć na podstawie jednostkowej ilość wody zużywanej przez jednego mieszkańca w ciągu jednej doby (dm³ · M–1d–1). Średnio dobowa ilość ścieków z jednego gospodarstwa wynosi:

Qdśr = qdśr · M[m³ · d–1],

(1.1)

gdzie: M – liczba mieszkańców, qdśr – jednostkowa średniodobowa ilość ścieków przypadająca na jednego mieszkańca m³ · M–1 · d–1.

Ponieważ ilość ścieków dopływających różni się w ciągu poszczególnych godzin doby i dni roku, stosuje się współczynniki nierównomierności dopływu ścieków. Ich określenie jest trudne ze względu na losową zmienność dopływu. Można zauważyć, że w mniejszych jednostkach osadniczych współczynniki maksymalnego dopływu są większe, a minimalnego mniejsze (Osmulska-Mróz 1995).

Tabela 1.1. Przeciętne orientacyjne wartości współczynników nierównomierności dopływu ścieków (Tabernacki 1993, Metcalf i Eddy 1990)

Jednostka osadnicza

Współczynniki nierównomierności dopływu ścieków

Ndmax

Ndmin

Nhmax

Nhmin

Nhśr

Pojedyncze domy

3,0

0,3

3,5

0,1

3,0

Osiedla do 2000 mieszkańców

2,5

0,5

3,0

0,3

2,4

Osiedla do 20 000 mieszkańców

2,0

brak danych

2,4

brak danych

1,6

Małe obiekty usługowe (gastronomia, handel)

3,5

0,2

4,5

0,0

3,5

Na podstawie współczynników nierównomierności dopływu ścieków oraz średniego dobowego dopływu ścieków można obliczyć odpowiednio:

• maksymalną dobową ilość ścieków

Qdmax = Qdśr · Nd [m³ · d–1]

(1.2)

• maksymalną godzinową ilość ścieków

,

(1.3)

gdzie: Qdśr – średni dobowy dopływ ścieków [dm³ · d–1], Nd – współczynnik nierównomierności dobowej dopływu ścieków [–], Nh – współczynnik nierównomierności godzinowej dopływu ścieków [–].

Określona ilość wody jest zużywana na różne czynności wykonywane w gospodarstwie domowym, co wpływa na strukturę powstających ścieków. Największa ilość ścieków powstaje głównie podczas spłukiwania klozetów (38%) oraz utrzymania higieny osobistej (36%). Te dwie czynności łącznie wpływają na powstawanie aż 74% całkowitej ilości ścieków. Szczegółowy podział ilości powstających ścieków w pojedynczym gospodarstwie domowym w ciągu doby, według różnych autorów, przedstawiają tabele 1.2 i 1.3.

Tabela 1.2. Przeciętna struktura ścieków powstających w gospodarstwach domowych (Heidrich 1998)

Źródło ścieków

Ilość ścieków

[dm³ · M–1 · d]

[%]

Picie i gotowanie potraw oraz zmywanie naczyń

20

13

Utrzymanie higieny osobistej

54

36

Pranie

19

13

Spłukanie toalety

57

38

Razem

150

100

Tabela 1.3. Ilości ścieków powstających podczas poszczególnych czynności (Osmulska 1995, Tabernacki 1993)

Rodzaj czynności

Jednostkowe ilości ścieków
[dm³ · M–1 · d–1]

według polskich danych

według danych amerykańskich

zakres

zakres

przeciętne

Kąpiel

15–50

24–47

35

Spłukiwanie toalet

20–40

35–75

61

Pranie

10–40

28–44

38

Zmywanie

5–30

4–18

12

Mielenie odpadów przy zlewach

nie występuje

3–5,5

4,5

Korzystanie z umywalki

8–20

b.d.

b.d.

Sprzątanie pomieszczeń

5–10

b.d.

b.d.

Inne

2–10

21,5–30

25

Ogółem

65–200

115,5–219,5

175,5

Od kilku lat zaobserwowano zmniejszenie ilości ścieków powstających w gospodarstwach domowych. Wynika to zarówno z zmiany sytuacji ekonomicznej gospodarstw, jak i z wprowadzenia nowoczesnych, oszczędnych technologii w armaturze wodociągowej. Zmniejszone zużycie wody wiąże się bez wątpienia ze wzrastającą świadomością ludzi na temat wysokich kosztów związanych z wodą. W rzeczywistości za zużytą wodę płaci się potrójnie: po pierwsze za ilość wody pobraną z wodociągu, po drugie za równoważną ilość, która zostaje odprowadzona jako ścieki i musi być oczyszczona w oczyszczalni, po trzecie przez większe zużycie ciepłej wody, co z kolei zwiększa koszty związane z energią (Pawełek 2000).

Współczesna technika sanitarna pozwala na znaczne zaoszczędzenie zużywanej wody. Wielu producentów instalacji sanitarnych proponuje coraz częściej wodooszczędne urządzenia sanitarne. Poza tym warunki ekonomiczne w kraju wymuszają na użytkownikach wodociągów racjonalne zużywanie wody.

1.2. Jakość ścieków bytowych

Ścieki bytowe są mieszaniną wody oraz różnorodnych substancji organicznych i nieorganicznych. Te substancje występują w ściekach w postaci zarówno stałej, jak i rozpuszczonej oraz mogą być zdyspergowane w różnym stopniu – od dużych cząstek do zawiesin koloidalnych. Głównymi składnikami ścieków bytowych są fekalia ludzkie, resztki żywności, środki czyszczące, myjące, papier, szmaty oraz odpady stałe, takie jak żużel i popiół (Osmulska-Mróz 1995).

Zanieczyszczenia zawarte w ściekach można podzielić na (Sikorski 1994):

• łatwe do oddzielenia, charakteryzujące się gęstością mniejszą, równą lub większą od gęstości wody, do których należą zanieczyszczenia makrodyspersyjne oraz zawiesiny i emulsje,

• trudne do oddzielenia, do których zalicza się zanieczyszczenia w postaci koloidalnej, molekularnej i roztworów jonowych.

W obiektach kanalizacji zagrodowych ścieki bytowe charakteryzują się bardzo dużą zmiennością wskaźników zanieczyszczeń. Ta zmienność wynika głównie z różnic w ilości zużywanej wody na jednego mieszkańca, ładunku zanieczyszczeń, czasu zatrzymywania się ścieków oraz warunków klimatycznych (Heidrich i Witkowski 1993). Jakość ścieków można scharakteryzować za pomocą dwóch głównych parametrów (Osmulska-Mróz 1995): stężenia zanieczyszczeń oraz ładunku zanieczyszczeń. Stężenie zanieczyszczeń można określić przez obliczenie jednostkowego ładunku zanieczyszczeń, który uwzględnia jednostkową średnią dobową ilość ścieków

,

(1.4)

gdzie: sx – jednostkowy ładunek zanieczyszczeń x przypadający na jednego mieszkańca [g · M–1 · d–1], qdśr – jednostkowa średnia dobowa ilość ścieków przypadająca na jednego mieszkańca [m³ · M–1 · d–1].

W tabeli 1.4 przedstawiono stężenia ścieków z gospodarstw domowych. Wartość BZT₅ (Biochemical Oxygen Demand) w surowych ściekach domowych może być różna w zależności od wielu czynników, takich jak rodzaj działalności gospodarczej, sezonowość czy stosowane technologie oczyszczania. W literaturze można znaleźć szeroki zakres wartości BZT₅ dla surowych ścieków domowych, ale typowo mieści się ona w zakresie od około 200 do 600 mg O₂ · dm–3.

Tabela 1.4. Stężenia ścieków z gospodarstw domowych (Heidrich 1998, Osmulska-Mróz 1995)

Wskaźnik zanieczyszczenia

Wartości wskaźników

dla q = 150 – 170 [dm³ · M–1 · d–1]

dla q = 200 [dm³ · M–1 · d–1] (przyjmowane w polskiej praktyce projektowej)

stężenie [g · m–3]

stężenie [g · m–3]

BZT₅

200–290

300

ChZT

680–730

b.d.

Zawiesina ogólna

200–290

325

Azot ogólny

35–100

65

Fosforany

18–29

b.d.

Według Sikorskiego (1994) utrzymuje się stała tendencja większych stężeń zanieczyszczeń w ściekach kanalizacji zagrodowych w porównaniu ze stężeniem zanieczyszczeń w ściekach z kanalizacji zbiorowych. Wynika to między innymi z faktu oszczędnego gospodarowania wodą przez użytkowników indywidualnych oraz złej eksploatacji urządzeń kanalizacyjnych w zagrodach.

Jak wspomniano wcześniej, drugim parametrem określającym jakość ścieków jest ładunek zanieczyszczeń, który można obliczyć z następującej zależności:

Ł = S · qdśr [g · M–1 · d–1], (1.5)

gdzie: S – stężenie zanieczyszczeń [g · m–3], qśr – jednostkowa średnia dobowa ilość ścieków przypadająca na jednego mieszkańca [m³ · M–1 · d–1].

Średnie jednostkowe ładunki zanieczyszczeń dla wybranych wskaźników według różnych autorów przedstawiono w tabeli 1.5.

W zależności od źródła danych wartość BZT₅ waha się od 45 do 80 gO₂¹ · M–1 · d–1. ChZT przyjmuje wartości od 55 do 210 gO₂ · M–1 · d–1. Jest to szeroki zakres danych wynikający z różnej ilości zużywanej wody oraz czynności wykonywanych w domu. Jednostkowy ładunek fosforu ogólnego według wyżej wymienionych autorów kształtuje się od 2,5 do 2,7 gPO₄ · M–1 · d–1. Dane według Sikorskiego (1994) wydają się zawyżone lub odnoszą się do fosforanów.

Tabela 1.5. Średnie jednostkowe ładunki zanieczyszczeń według różnych opracowań

Wskaźnik

Jednostka

Wartość według autora

Hanze
i Tichończuk 1995

Sikorski 1998

Błażejewski 1994

Metcalf
i Eddy 1991

Szwedzki urząd ochrony przyrody 1990

BZT₅

gO₂ · M–1 · d–1

57,0

45–50

55–85

80

b.d.

ChZT

gO₂ · M–1 · d–1

b.d.

55–60

120–210

b.d.

150

Zawiesiny ogólne

g · M–1 · d–1

71,5

45–0

60–95

90

70

Azot ogólny (Nog)

g · M–1 · d–1

12,8

10–12

10–18

12,3

12

Fosfor ogólny (PO₄)

g · M–1 · d–1

2,7

10–12

2–7

2,7

2,5