Metodyka opracowania programu redukcji fosforu

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu

Autor opracowania: Dr inż. Franciszek Pistelok

Kraków, listopad 2010r. LEMTECH Konsulting sp. z o.o.  ul. Szpitalna 40  tel. +48 12 429-40-31, 429-40-39, 429-40-42, 429-40-57 fax +48 12 429-40-65 e-mail: [email protected] internet: www.lemtech.pl

LEMTECH Konsulting Kraków

31-024 Kraków

 Poland

NIP: 676-21-75-617 Sąd Rejonowy dla Krakowa-Śródmieścia w Krakowie, XI Wydział Gospodarczy KRS 0000050498 kapitał zakładowy 300 tys. PLN

Strona 1

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 2

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu

Spis treści Spis treści....................................................................................................................................3 Część ogólna...............................................................................................................................5 Podstawa prawna opracowania...........................................................................................5 Konieczność działań w zakresie obniżenia zawartości fosforu w wodach powierzchniowych..............................................................................................................6 Proces eutrofizacji wód ......................................................................................................8 Źródła fosforu w wodach powierzchniowych...................................................................13 Źródła punktowe...............................................................................................................13 Ścieki komunalne..............................................................................................................13 Ścieki przemysłowe..........................................................................................................16 Zawartość fosforu w wodach naturalnych........................................................................17 Rozproszone źródła fosforu w wodach powierzchniowych.............................................17 Spływ powierzchniowy z pól i użytków rolnych.............................................................17 Spływ powierzchniowy z obszarów leśnych, nieużytków i obszarów zabudowanych....18 Zawartość fosforu w wodach podziemnych......................................................................18 Zasilanie wewnętrzne fosforem w przypadku zbiorników wodnych................................18 Normy zawartości fosforu w ściekach oczyszczonych.....................................................19 Analiza przypadku: Zlewnia Przemszy.....................................................................................21 Charakterystyka zlewni.....................................................................................................21 Analiza emisji fosforu ze źródeł komunalnych w zlewni Przemszy w latach 1970 - 2030 ...........................................................................................................................................23 Wyniki badań monitoringu powierzchniowych wód płynących.......................................25 Bilans związków fosforu dla zlewni Przemszy.................................................................28 Określenie ładunku wprowadzanego do wód powierzchniowych ze źródeł punktowych28 Ładunek ze źródeł komunalnych......................................................................................28 Ładunek punktowy wprowadzany ze źródeł przemysłowych..........................................29 Naturalna zawartość fosforu w wodzie (tło).....................................................................30 Źródła rozproszone...........................................................................................................30 Spływ powierzchniowy z użytków rolnych......................................................................30 4Spływ powierzchniowy z obszarów nierolniczych.........................................................31 Ładunek zawarty w wodach podziemnych.......................................................................31 Analiza przypadku 2: Zlewnia Przemszy powyżej zbiornika w Przeczycach. ........................38 Charakterystyka zlewni Zbiornik Przeczyce.....................................................................38 Jakość wody w Przemszy..................................................................................................39 Ładunek fosforu wprowadzany do wód powierzchniowych w zlewni zbiornika Przeczyce ...........................................................................................................................................40 Ładunek wprowadzany ze źródeł punktowych.................................................................40 Ładunek pochodzący ze źródeł komunalnych..................................................................40 Ładunek pochodzący ze źródeł przemysłowych...............................................................41 Naturalna zawartość fosforu w wodzie (tło).....................................................................41 Zanieczyszczenia obszarowe............................................................................................42 Spływ powierzchniowy z użytków rolnych......................................................................42 Spływ powierzchniowy z obszarów nierolniczych...........................................................42 Ładunek zawarty w wodach podziemnych.......................................................................42

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 3

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu Zestawienie ładunków, określenie udziału poszczególnych źródeł w całkowitym ładunku wprowadzanym do wód powierzchniowych w zlewni Przemszy powyżej zbiornika w Przeczycach.......................................................................................................................43 Scenariusze ograniczające ładunek wprowadzany do Przemszy ze źródeł komunalnych44 1.Wnioski z przeprowadzonej analizy..............................................................................47 Cel programu redukcji fosforu na obszarze RZGW Gliwice....................................................49 Zakres danych i informacji niezbędnych do realizacji zadania................................................50 Metodyka wykonania przybliżonych obliczeń.........................................................................52 Wykaz możliwych do zastosowania środków technicznych i nietechnicznych Wytyczne do opracowania programu redukcji fosforu na obszarze RZGW Gliwice.....................................55 Ocena efektywności podejmowanych działań i sposób dokumentowania realizacji programu ...................................................................................................................................................59 Analiza istniejących modeli i możliwości ich wykorzystania obejmującą wymagania co do niezbędnych danych..................................................................................................................60 Literatura...................................................................................................................................61

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 4

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu

CZĘŚĆ OGÓLNA PODSTAWA PRAWNA OPRACOWANIA Podstawą prawną opracowania jest umowa zawarta w dniu 1.09.2010 pomiędzy Regionalnym Zarządem Gospodarki Wodnej w Gliwicach a firmą „Lemtech Konsulting” Sp. z o.o. na wykonanie pracy badawczej pt. „Metodyka opracowania programu redukcji fosforu”. Zamawiający zastrzegł, że praca powinna obejmować co najmniej następujące zagadnienia: - zakres danych i informacji niezbędnych do realizacji zadania, - jednolitą metodykę przeprowadzania niezbędnych obliczeń, - wykaz możliwych do zastosowania środków technicznych i nietechnicznych, - metodę oceny efektywności stosowanych działań, - sposób dokumentowania realizacji programu, - analizę istniejących modeli i możliwości ich wykorzystania obejmującą wymagania co do niezbędnych danych. Opracowanie zostało podzielone na trzy części. W pierwszej – teoretycznej omówiono zagrożenia wynikające z występowania podwyższonych stężeń fosforu w wodach powierzchniowych zagadnienia prawne dotyczące emisji fosforu do wód powierzchniowych, w drugiej aspekty techniczne i efekty działania oczyszczalni ścieków, zasady prowadzenia monitoringu i badania efektywności podejmowanych działań. W części trzeciej dokonano analizy przypadku dla zlewni Przemszy.

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 5

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu

KONIECZNOŚĆ DZIAŁAŃ W ZAKRESIE OBNIŻENIA ZAWARTOŚCI FOSFORU W WODACH POWIERZCHNIOWYCH

Konieczność podjęcia określonych działań w zakresie ograniczenia emisji fosforu do wód powierzchniowych jest obecnie jednym z podstawowych zadań ochrony wód. Wynika ona z jednej strony z obowiązującego w Polsce i UE prawa, podjętych przez nasz kraj zobowiązań międzynarodowych (HALCOM), z drugiej zaś z przesłanek ekologicznych i ekonomicznych. Zadanie to powinno szczególnie zainteresować te władze samorządowe, które na swoim terenie mają zlokalizowane większe zbiorniki wodne, zbiorniki zaporowe, itp. Polska jako kraj należący do Unii Europejskiej została zobowiązana do wdrożenia unijnego prawodawstwa, a w szczególności Dyrektywy Rady Europy 91/271/EWG z dnia 21 maja 1991 dotyczącej oczyszczania ścieków komunalnych. Dyrektywa ta wprowadza pojęcie obszarów narażonych na eutrofizację, na których obowiązują zaostrzone normy dotyczące jakości ścieków komunalnych dla oczyszczalni powyżej 15000 mieszkańców równoważnych. Polska jest także sygnatariuszem konwencji o ochronie środowiska morskiego obszaru Morza Bałtyckiego z 29.04.1992. Jej wynikiem jest podjęcie działań w zakresie ograniczenia wartości ładunku azotu i fosforu wprowadzanego w jego zlewisku. Naciski sygnatariuszy na Polskę są w tym przypadku szczególne. Wynikają one z faktu, że zdecydowana większość ładunku tych pierwiastków, decydujących o żyzności Bałtyku, wnoszona jest z wodami Wisły i Odry. Wynikiem tych dokumentów są zapisy prawa wodnego oraz związanego z nim rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzeniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz.U. 06.137.984 z dnia 31 lipca 2006). W przepisach tych obszar całego kraju został zaliczony do obszarów narażonych na eutrofizację. Prowadzi to do konieczności zastosowania do oczyszczania ścieków komunalnych technologii pozwalających na podwyższone usuwanie związków biogennych dla oczyszczalni powyżej 15000 RLM na terenie całego kraju. Jest to kosztowna i jak się wydaje dla południowych regionów kraju nie w pełni uzasadniona decyzja, powodująca znaczący wzrost kosztów oczyszczania. Jest ona jednak w pełni możliwa do realizacji ze względów technicznych. I wymaga poszerzenie ciągu technologicznego o urządzenia do biologicznej denitryfikacji i defosfatacji, a często także do chemicznego strącania fosforu.

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 6

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu Stosowanie rozwiązań technicznych oczyszczalni zapewniających podwyższone usunięcie związków azotu i fosforu na obszarze RZGW Gliwice należy uznać za wskazane przede wszystkim w zlewniach zbiorników zaporowych, szczególnie tych, z których woda pobierana jest do zaopatrzenia ludności i przemysłu (Wisła, Goczałkowice, Kozłowa Góra, Przeczyce, Rybnik), jak i tych, które w znaczny sposób zaspokajają potrzeby rekreacyjne (Kuźnica Warężyńska, Pogoria III, Pławniowice, Dzierżno Małe). Podejmowane w zlewniach tych zbiorników działania powinny doprowadzić do zmniejszenia obciążenia ich powierzchni ładunkiem azotu i fosforu. Celowe wydaje się przyjęcie założenia, że ludność w całości winna tu korzystać z sieci kanalizacyjnej, zaś oczyszczalnie nawet o przepustowości poniżej 15 000 RLM winny być wyposażone w urządzenia do denitryfikacji i defosfatacji. Należy również przedsięwziąć wszelkie środki umożliwiający taki rozwój

gmin oraz przyjąć takie

zagospodarowanie terenu, aby narażenia na eutrofizację w zbiorniku było jak najmniejsze. Doprowadzenie do intensywnych zakwitów w zbiornikach zaporowych jest praktycznie nieodwracalne i poprawa stanu środowiska wymaga podjęcia radykalnych, kosztownych i długotrwałych działań, nie zawsze przynoszących zadawalające efekty. Ważnym ogniwem w tych pracach winna być edukacja ekologiczna. Należy wykazać nie tylko szkody ekologiczne i utrudnienia w wykorzystaniu rekreacyjnym tych obszarów, ale także konsekwencje ekonomiczne, związane z utratą atrakcyjności terenu czy kosztami funkcjonowania wodociągów. Wydaje się, że ludność i władze samorządowe nie uświadamiają sobie rangi zagrożenia oraz jego skutków.

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 7

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu

PROCES EUTROFIZACJI WÓD Eutrofizacja wód to proces ich wzbogacania w substancje pokarmowe. W jego wyniku następuje wzrost żyzności (trofii) wód i wynikający stąd wzrost produkcji pierwotnej. Proces ten dotyczy głównie wód stojących – jezior, zbiorników zaporowych, a w mniejszym stopniu cieków. W ostatnim dwudziestoleciu szczególną uwagę zwraca się również na postępujący wzrost żyzności Bałtyku. Proces eutrofizacji zaczął narastać od lat czterdziestych XX wieku i ma swoje podłoże antropogeniczne. Urbanizacja obszarów wiejskich, wzrost poziomu życia mieszkańców, w tym

znaczące

zwiększenie

wykorzystania

w

gospodarstwach

domowym

środków

chemicznych (proszki do prania, środki myjące) o wysokich zawartościach związków fosforu powodowały, że do rzek trafiały znaczne ładunki tego pierwiastka, zawarte w nieoczyszczonych lub słabo oczyszczonych ściekach komunalnych. Znaczna część ścieków, także w warunkach polskich, była odprowadzana do odbiorników bez żadnego oczyszczania Dodatkowo usunięcie związków biogennych w konwencjonalnych oczyszczalniach biologicznych, stosowanych powszechnie do początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku, było

niewielkie. Wprowadzone w końcu XX wieku rozwiązania technologiczne

zdecydowanie poprawiły sytuację, chociaż i one nie w pełni zabezpieczają wody powierzchniowe przed negatywnymi skutkami emisji fosforu. Innym, znaczącym źródłem tego pierwiastka w wodach na terenach zurbanizowanych są ścieki z niektórych gałęzi przemysłu, przede wszystkim chemicznego (produkcja nawozów sztucznych, środków piorących i myjących, materiałów wybuchowych) czy też spożywczego. Ta emisja ma najczęściej charakter punktowy. Wzrost żyzności wody wiąże się również z intensyfikacją produkcji roślinnej i zwierzęcej. Przez ostatnie dziesięciolecia intensyfikacja ta wymuszała stosowanie coraz wyższych dawek nawozów sztucznych, w tym nawozów fosforowych. W wyniku tych działań znacząco wzrósł ładunek tego pierwiastka dostający się do odbiorników w wyniku spływu powierzchniowego. Podobnie do obszarowych źródeł fosforu należy zaliczyć także zanieczyszczenia dostające się do odbiorników z wodami deszczowymi i roztopowymi, będące efektem zanieczyszczenia powietrza oraz w wyniku spływu powierzchniowego z obszarów silnie zurbanizowanych, lasów i pozostałych gruntów.

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 8

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu Większość jezior, zwłaszcza polodowcowych, jeszcze na początku XX wieku w Polsce była oligotroficzna. Ciągły dopływ do nich substancji z zewnątrz (np. ze zlewni i atmosfery), powodował wzrost koncentracji w wodzie substancji pożywkowych. Przez długie lata proces ten następował stosunkowo wolno. W początkowej fazie charakteryzował go umiarkowany wzrost produkcji pierwotnej w wodach, co było korzystne i przekładało się na wzrost liczebności i masy ryb odławianych z poszczególnych akwenów. Fosfor wprowadzany do zbiorników wodnych z wodami cieków powierzchniowych oraz w wyniku spływu powierzchniowego ulega kumulacji w osadach dennych. W okresie stagnacji letniej i braku wymieszania w warstwach przydennych występują warunki beztlenowe. Dochodzi wówczas do uwalniania znajdującego się w osadzie fosforu, który dyfunduje warstwy ciekłej. Podobny proces dotyczy także przemian związków azotowych. W tym przypadku z osadów dennych do wody dostaje się amoniak. W omawianym cyklu z roku na rok zwiększa się ilość fosforu i azotu uwalnianego z dna, co sprawia, że wzrasta dostępność substratu, jaki może być wykorzystany w procesie produkcji pierwotnej; wzrasta więc żyzność (trofia ) zbiornika. Wprowadzenie fosforu do wód powierzchniowych sprawia, że praktycznie jest on z tego środowiska nieusuwalny. Nieco inaczej problem ten przedstawia się m.in. w przypadku takich makroelementów jak węgiel – możliwość usunięcia w postaci gazowej – dwutlenek węgla tlenek węgla, metan, czy azotu – azot cząsteczkowy (denitryfikacji), amoniak gazowy (amonifikacja). Relacja N:P w wodach powierzchniowych decyduje o tym, jaki pierwiastek stanowi czynnik ograniczający rozwój glonów. W przypadku relacji większej niż 16:1 czynnikiem limitującym jest azot, przy mniejszych - fosfor. Relacja ta decyduje również o charakterze zakwitu. Przyjmuje się, że wartościach większych niż 7:1 w zakwicie dominują zielenice, a przy niższych sinice. Analizując zagadnienie eutrofizacji Vollenweider określił wartości graniczne obciążenia powierzchni zbiorników wodnych związkami azotu i fosforu. Za wartości dopuszczalne, przy których nie występuje zagrożenie procesem eutrofizacji uznał on obciążenia zbiorników azotem i fosforem na poziomie odpowiednio 1,5 g N/m2*rok i 0,25 gP/m2* rok, zaś za niebezpieczne odpowiednio – 3,0 g N/m2*rok oraz 0,5 g P/m2*rok. W jeziorach i zbiornikach zaporowych narażonych na eutrofizację obserwuje się występowanie szeregu niepożądanych zjawisk. Podstawowym jest masowy rozwój fitoplanktonu, określany najczęściej jako zakwit. W silnie zeutrofizowanych zbiornikach dochodzi często do kilkukrotnego zakwitu w ciągu roku, przy czym w różnych porach roku LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 9

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu zmieniają się organizmy dominujące. Początkowo, na przełomie maja i czerwca następuje zakwit okrzemek. Nie występują wówczas znaczące zmiany organoleptyczne i chemiczne wody. W wielu przypadkach zakwit ten jest niezauważalny. Zdecydowanie bardziej są one widoczne w czasie późniejszego zakwitu mającego miejsce w miesiącach letnich ( lipiec – wrzesień). Jest to najczęściej zakwit zielenicowo – sinicowy. W tym okresie dochodzi do wyraźnych zmian organoleptycznych wody. Zmniejsza się przeźroczystość (szczególnie warstw powierzchniowych), wzrasta mętność i barwa. W wyniku fotosyntezy przy powierzchni dochodzi do przetlenienia wody, a także do podwyższenia odczynu, którego wartość w przypadku wód miękkich może znacząco przekraczać pH= 10. W warstwach przydennych utrzymują się warunki beztlenowe. Wzrost ilości sinic sprawia, że na powierzchni zbiornika tworzą się kożuchy. Po wyczerpaniu się substratu i w wyniku samozatrucia, często dopiero we wrześniu, dochodzi do obumierania organizmów wywołujących zakwit. Dochodzi wówczas do wtórnego zanieczyszczenia wody. Większość pochodzącej z zakwitu materii organicznej opada sedymentuje. Po tym okresie w wodzie wzrastają stężenia utlenionych form azotu oraz fosforanów, poprawiają się własności organoleptyczne - wzrasta przeźroczystość wody, spada mętność i barwa, zanika przesycenie tlenem. Zakwity wody są szkodliwe z punktu widzenia ekologicznego i gospodarczego. Wpływają one na skład gatunkowy flory i fauny. Ograniczona w wyniku zakwitu penetracja światła sprawia, że ustępuje roślinność zanurzona, pogarszają się warunki tlenowe (przetlenienie wody przy powierzchni, całkowity brak w warstwach przydennych). Często, w przypadku zmiany pogody, występuje zjawisko przyduchy i związane z tym masowe śnięcie ryb. Zmienia się skład gatunkowy fauny, zanikają gatunki wymagające dobrych warunków środowiskowych. W płytkich zbiornikach do śnięć ryb dochodzić może także w okresie zimowym, co także związane jest z wyczerpaniem tlenu. Niekorzystne skutki eutrofizacji negatywnie wpływają na poziom życia mieszkańców. Wydzielane przez sinice toksyny mogą niekorzystnie oddziaływać na organizm ludzki. Powodują one głównie odczyny alergologiczne oraz wywoływać zatrucia pokarmowe. Pogorszeniu ulegają własności organoleptyczne wody (barwa, mętność), następuje wydzielanie nieprzyjemnych zapachów (siarkowodór amoniak). W rezultacie niemożliwe staje się jakiekolwiek

rekreacyjne wykorzystanie zbiorników wodnych, a nawet

przylegających terenów. Wywiera to negatywny wpływ na lokalną gospodarkę – spada LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 10

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu atrakcyjność terenu, zmniejsza się zainteresowanie turystyczne, następuje obniżenie wartości działek, itp. Efektem tych zjawisk jest pogorszenie warunków ekonomicznych życia mieszkańców. Intensywne zakwity glonów w zbiornikach wodnych znacząco wpływają na możliwość wykorzystania wody do pokrycia potrzeb mieszkańców i przemysłu. Występują trudności z utrzymaniem właściwej pracy pomp ujmujących wodę, zwiększa się dawka reagentów oraz powstających w procesie odpadów, niekiedy pogarsza się jakość dostarczanej wody – barwa, zapach. Często, w przypadku możliwości korzystania z innych źródeł rezygnuje się z jej wykorzystania do potrzeb gospodarczych. W praktyce stosowanych jest szereg metod rekultywacji zbiorników wodnych. Przykłady działań w zakresie rekultywacji zbiorników wodnych można znaleźć także na terenie RZGW Gliwice. Należy do nich zaliczyć zbiornik wodny w Goczałkowicach oraz zbiornik wodny w Pławniowicach. W pierwszym przypadku znaczącą poprawę wody w zbiorniku osiągnięto poprzez usunięcie znacznej ilości biogenów poza układ w wyniku wycięcia i wywiezienia roślinności zasiedlającej dno zbiornika w okresie jego remontu. Oszacowano, że wywieziono wówczas około 48 000 t zielonej masy roślin, zaś zgodnie co odpowiadało około 12 t czystego fosforu. Ta operacja oraz utrzymywanie się roślinności wyższej na zbiorniku sprawiają, że do dnia dzisiejszego (w ciągu 2 lat od remontu) nie występowały znaczące zakwity glonów na w rejonie tego zbiornika. Dobre rezultaty przynosi zastosowanie w rekultywacji jezior i zbiorników wodnych rury Olszewskiego. Proces rekultywacji polega w tym przypadku na na odprowadzeniu wody z hypolimnionu, wody, bogatej w okresie letnim w związki fosforu. Rozwiązanie to zastosowane zostało z powodzeniem w zbiorniku w Pławniowicach. Rurę zainstalowano w roku 2003 i od tego czasu notuje się stałą poprawę jakości wody, ograniczenie intensywności zakwitu oraz poprawę przeźroczystości wody. Prowadzenie rekultywacji pozwoliło na utrzymanie funkcji rekreacyjnej tego zbiornika. Zastosowanie rury Olszewskiego ma jednak sens przy zachowaniu odpowiednich warunków – letnia stratyfikacja wody w zbiorniku, odpowiedni układ dna, występowanie głęboczków, itp. Stosowane są także inne rozwiązania rekultywacji zbiorników zaporowych i jezior, polegające m.in. na napowietrzaniu wody w zbiorniku wodnym w celu likwidacji stratyfikacji i oraz poprawy warunków tlenowych w hipolimnionie, zastosowanie związków żelaza i glinu

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 11

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu do wiązania fosforu, zaś w przypadku zbiorników osuszanych także usuwanie górnej warstwy osadów w celu ograniczenia zawartości w nich związków biogennych. Wymienione procesy są jednak procesami długotrwałymi i kosztownymi, nie zawsze przynoszącymi spodziewane efekty. Analizując przedstawione powyżej uwagi można dojść do wniosku, że podstawowym działaniem pozwalającym na ograniczenie procesu eutrofizacji jest zmniejszenie obciążenia zbiorników związkami biogennymi. Ten cel można osiągnąć poprzez podejmowanie szeregu działań administracyjnych, technicznych i edukacyjnych. W pierwszym przypadku konieczne jest uwzględnienie spraw związanych z ochroną zbiorników zaporowych w planach zagospodarowania przestrzennego. Działania te powinny zmierzać do ograniczenia osadnictwa na tych obszarach, zmniejszenia obciążenia cieków zasilających zbiornik oraz samego zbiornika związkami i fosforu – odpowiednie zagospodarowanie obrzeży zbiorników i

cieków

wodnych,

wprowadzanie

ścieków

do

odbiorników

poniżej

obiektów

hydrotechnicznych, zastosowanie najlepszych dostępnych technologii oczyszczania ścieków zapewniających maksymalną redukcję związków azotu i fosforu podczas oczyszczania, zmianę użytkowania gruntów z uprawnych na leśne, minimalizację użycia nawozów naturalnych i sztucznych, ograniczenie użycia proszków do prania o wysokiej zawartości fosforu, itp.

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 12

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu

ŹRÓDŁA FOSFORU W WODACH POWIERZCHNIOWYCH. ŹRÓDŁA PUNKTOWE ŚCIEKI KOMUNALNE Na terenach zurbanizowanych ścieki komunalne stanowią podstawowe źródło fosforu w wodach. W latach osiemdziesiątych i na początku dziewięćdziesiątych XX wieku szacowano, że ładunek jednostkowy wytworzony przez mieszkańca wynosi 2,5 – 3,5 g/M*d. Podjęte w ostatnich latach działania zmierzające do ograniczenia zużycia w gospodarstwach domowych środków piorących i myjących zawierających fosfor doprowadziły do znacznego ograniczenia tej wartości. Ładunek jednostkowy fosforu wprowadzany do ścieków w wyniku metabolizmu człowieka zgodnie z tymi obliczeniami wynosi około 1,6 g P/M*d. Fosfor występuje tu głównie w kale i w urynie, w postaci związków organicznych. W opracowaniach różnych autorów podawane są wartości wahające się w granicach 1.3 – 1,6 gP/M*d. Określając całkowity ładunek jednostkowy fosforu wprowadzany do ścieków należy jednak uwzględnić dodatkowo ładunki wytwarzane w wyniku stosowania środków myjących i piorących. W roku 2004 ładunki te w różnych krajach Unii Europejskiej były zróżnicowane. Różnice te są rezultatem przyjętej przez dany kraj strategii w zakresie stosowania proszków do prania zawierających fosfor. W niektórych państwach stosowany w przeszłości powszechnie do zmiękczania wody polifosforan sodu (STTP) został w całości zastąpiony przez zeolity. Z tego powodu ładunek jednostkowy pochodzący ze środków piorących wahał się w granicach od 0 g P/ M*d dla takich państw jak Austria, Belgia i Luksemburg. Włochy, Niemcy, Holandia, Irlandia do ponad 1,0 g/M*d dla Grecji, Portugalii i Hiszpanii. Dla Polski wartość ta wyniosła około 0,452 g P/M*d i była zbliżona dla średniej uzyskanej dla EWG – 0,453 g P/M*d. Ładunek fosforu wprowadzany w wyniku stosowania środków myjących uzależniony jest głównie od wyposażenia mieszkań w zmywarki automatyczne. Określone na podstawie danych Winda wartości ładunku jednostkowego wahają się w granicach od 0,023 g P/M*d dla Polski do 0,316 g P/M*d dla Finlandii, przy czym średnia wartość dl UE wyniosła 0,166 gP/M*d .

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 13

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu Przyjmując przedstawione wielkości można określić sumaryczne jednostkowe ładunki fosforu wytwarzane prze mieszkańców. Wartość tego ładunku dla Polski wyniosła 2,08 g P/M*d; podobne wartość dla województwa śląskiego uzyskano w innych badaniach. Średnia dla całej UE wyniosła 2,22 g P/M*d. W przedstawionym zestawieniu minimalną wartość uzyskano dla Irlandii i była ona równa 1,67 g P/M*d, zaś w szeregu innych krajach uzyskano wartości poniżej 1,9 g P/M*d. Wartości maksymalne określono dla Grecji i Portugalii i wyniosły one około 3,3 g P/M*d. Analizując przedstawione dane należy przyjąć, że ładunek jednostkowy fosforu na poziomie 1,9 g P/M*d jest wartością realną, którą w warunkach polskich można uzyskać doprowadzając do dalszego ograniczenia zużycia proszków do prania zawierających polifosforany. Należy jednocześnie założyć, że w wyniku poprawy komfortu życia, dojdzie w najbliższym czasie do zwiększenia ilości gospodarstw domowych wyposażonych w zmywarki. Ograniczenie

jednostkowego

ładunku

fosforu

wprowadzanego

do

ścieków

w

gospodarstwach domowych w warunkach polskich korzystnie wpłynęłoby na zmniejszenie eutrofizacji. Dziś znaczna ilość ścieków trafia do środowiska bez żadnego oczyszczania. Zmniejszenie zużycia fosforu w ściekach surowych to równoczesny spadek stężenia jego związków w wodzie odbiornika. Wpłynie ono także korzystnie na jego usunięcie w procesie oczyszczania. Zawartość związków fosforowych w ściekach surowych wyraźnie przekracza ich zapotrzebowanie. Optymalna relacja dla oczyszczania biologicznego BZT5;P wynosi jak 100:1. Obecnie dla warunków polskich (zgodnie z przedstawionymi wyliczeniami) wynosi ona 29:1, zaś możliwe jest osiągnięcie relacji 32:1. Ta zmiana spowoduje łatwiejsze uzyskanie wartości normowych w ściekach oczyszczonych oraz niższą dawkę reagentów w przypadku konieczności prowadzenia chemicznego strącania fosforu. Część zawartego w ściekach surowych ładunku jest usuwana w procesie oczyszczania. Jego efekt jest uzależniony od wykorzystywanych metod. W oczyszczalniach mechanicznych usunięcie tego pierwiastka wynosi od 5 – 15 %, w konwencjonalnych oczyszczalniach mechaniczno – biologicznych 10 – 40 %, zaś w oczyszczalniach mechaniczno - biologicznych z podwyższonym usunięciem biogenów przekracza 85%. W razie konieczności dalszą redukcję fosforu można uzyskać w wyniku chemicznego strącania.

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 14

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu Usunięcie fosforu w oczyszczalniach mechanicznych następuje głównie w wyniku procesu sedymentacji. Pierwiastek ten stanowi składnik zawiesiny opadającej na dno osadników. Dochodzi wówczas jedynie do usunięcia fosforu zawartego w zawiesinie łatwo opadającej, w której występuje niewielka część tego pierwiastka. W konwencjonalnych oczyszczalniach mechaniczno – biologicznych, dodatkowo następuje usunięcie fosforu wbudowanego w osad nadmierny. Jest ono dprowadzany poza układ oczyszczający ścieki i poddawany dalszej przeróbce. Możliwość usunięcia fosforu jest jednak ograniczona. Przyjmuje się, że zawartość fosforu w suchej masie bakterii nie przekracza 2 %. Nowe możliwości przyniosło wykorzystanie w praktyce własności bakterii posiadających zdolność kumulowania w swoim organizmie zwiększonych ilości fosforu. Rozwiązanie to weszło szeroko do praktyki w latach dziewięćdziesiątych XX wieku. Metoda ta polega na poddawaniu osadu czynnego naprzemiennie warunkom tlenowym i beztlenowym. W strefie beztlenowej bakterie te uwalniają zmagazynowany w komórkach fosfor, który dostaje się do ścieków w postaci rozpuszczalnych ortofosforanów. W tej strefie bakterie te pobierają octany, które przekształcane są w złożone związki organiczne i magazynowane w komórkach. W strefie tlenowej następuje synteza nowych komórek, do której wykorzystywane są zawarte w ściekach fosforany, przy jednoczesnym wykorzystaniu jako pokarmu zmagazynowanych w komórkach związków. w ten sposób ilość fosforu odprowadzana poza układ w osadzie nadmiernym jest zdecydowanie wyższa niż w konwencjonalnych oczyszczalniach z osadem czynnym. Dla prawidłowego prowadzenia tego procesu konieczne jest uzyskanie odpowiedniej relacji węgla do fosforu w ściekach surowych. W układach z osadem niskoobciążonym dobre wyniki uzyskiwane są przy relacjach BZT5: P wyższych niż 25 :1. Z tego względu korzystne jest sygnalizowane wcześniej ograniczenie ładunku fosforu wprowadzanego do ścieków w gospodarstwach domowych. W

praktyce

stosowanych

jest

szereg

rozwiązań

technologicznych

układów

wykorzystujących omawiane zjawisko. Do najbardziej znanych zaliczyć należy trój- i pięciostopniowy system Bardenpho, system UCT, system Steppe, itp. Stosunkowo dobre wyniki daje także zastosowanie reaktorów sekwencyjnych (SBR), reaktorów o działaniu porcjowym, odpowiednio zmodyfikowanych układów ze złożami biologicznymi oraz rozwiązań opartych o systemy naturalne (stawy, oczyszczalnie glebowe, itp.).

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 15

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu ŚCIEKI PRZEMYSŁOWE Znaczącym źródłem fosforu w wodach powierzchniowych mogą być ścieki pochodzące z niektórych gałęzi przemysłu. Dotyczy to zwłaszcza zakładów przemysłu chemicznego (produkujących nawozy sztuczne, środki myjące i piorące, środki wybuchowe) oraz zakładów spożywczych. W pierwszym przypadku są to zakłady wykorzystujące do swojej produkcji znaczne ilości związków fosforu, w drugim problem stanowić mogą środki myjące, stosowane do utrzymania czystości pomieszczeń, urządzeń technologicznych. W krajach europejskich udział przemysłu w emisji fosforu do wód powierzchniowych w ostatnich latach znacząco spada. Redukcja ta w roku 2000 w większości z nich wyniosła ponad 80 %. Obecnie udział fosforu wprowadzanego do odbiorników w ściekach przemysłowych wynosi około 2 % całkowitego ładunku tego pierwiastka pochodzącego ze źródeł antropogenicznych. Ścieki przemysłowe zawierające fosfor można podzielić na dwie grupy. Pierwsza to ścieki biodegradowalne, które mogą być oczyszczane razem z bytowo – gospodarczymi lub samodzielnie. Do ich oczyszczania należy wykorzystywać metody mechaniczno – biologiczne zbliżone do stosowanych w przypadku ścieków komunalnych, zaś sam proces powinien być dostosowany do składu ścieków, a w szczególności do relacji C:N:P. W przypadku ścieków niebiodegradowalnych do usuwania fosforu stosuje się zwykle metody chemiczne – strącanie związkami glinu lub żelaza. Należy zwrócić jednocześnie uwagę na brak danych o emisji fosforu z niektórych gałęzi przemysłu. Uwaga ta dotyczy między innymi zawartości fosforu w wodach dołowych z kopalń węgla kamiennego. Oprócz tego w przypadku tych gałęzi przemysłu fosfor może być emitowany wraz ze ściekami bytowymi, zwłaszcza w zakładach, w których znaczna część załogi zmuszona jest do kąpieli po wykonaniu pracy (ścieki połazienne), gdzie może występować znaczący nadmiar związków fosforu w stosunku do związków węgla i azotu, co może uniemożliwiać jego usunięcie w konwencjonalnych oczyszczalniach biologicznych. Ładunki fosforu emitowane przez poszczególne zakłady są trudne do oszacowania. Uzależnione są one od szeregu czynników, charakterystycznych dla danego zakładu – specyfiki produkcji, zastosowanych rozwiązań technologicznych, wykorzystywanych urządzeń oczyszczających, a nawet kwalifikacji załogi. Ich wartości można określić jedynie

LEMTECH Konsulting Kraków

Strona 16

Metodyka opracowania programu redukcji fosforu na podstawie badań laboratoryjnych. Dodatkowo wiele informacji dotyczących ścieków przemysłowych jest niepełnych i konieczna jest ich weryfikacja. ZAWARTOŚĆ FOSFORU W WODACH NATURALNYCH Fosfor w wodach naturalnych występuje głownie w postaci ortofosforanów. Przyjmuje się, że ich zawartość waha się w granicach