Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák II.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

9. fejezet - Vízinövényes tisztítási rendszerek

9. fejezet - Vízinövényes tisztítási rendszerek

Bevezetés

Az első, több mint 100 éve épített vízinövényes rendszerek kialakítása a természetes vizes élőhelyek tisztítási képességének megfigyeléséhez kötődik. A faültetvényes rendszerekhez hasonlóan a vízinövényes rendszerek is a természetet utánozzák, annak öntisztító, illetve tápanyag (N, P, K), valamint CO2, C és CH4 süllyesztő és raktározó képességét felhasználva.

Követelmények:

  • Tudja a vízinövényes tisztítási rendszerek lényegét, működési elvüket, előnyeiket, hátrányaikat!

  • Ismerje csoportosításuk főbb szempontjait!

  • Tudja az épített rendszerek típusait és jellemző tulajdonságaikat a növény élettere szerint!

  • Tanulja meg a mocsári növényes rendszerek a jellemző tulajdonságait a víztest elhelyezkedése szerint!

  • Tanulja meg a mocsári növényes rendszerek jellemző tulajdonságait a víz áramlási iránya szerint!

A vízinövényes rendszerek közös jellemzője, hogy valamilyen közegbe (pl. homok, kavics, talaj, kő, víz) vízinövényeket ültetnek, illetve helyeznek el (pl. a víz felszínére), majd a rendszert szennyvízzel „táplálják”, felhasználva a mesterséges vízi ökoszisztéma „tagjainak”, azaz a növényeknek, a talajnak és a növényeken kialakuló mikrobiológiai hártyáknak a tisztító, lebontó képességét. A vízinövényes rendszereket mindig szigetelik, megakadályozva így a talaj és a felszín alatti vizek elszennyezését. Adott vízinövényes rendszer pontos elnevezése a domináló növények fajától, mennyiségétől, valamint a vízmennyiségtől és annak elhelyezkedésétől függ. A természetes vizes élőhelyekhez hasonlóan a mesterséges rendszerek is hatékonyak a szennyezőanyagok lebontásában, eltávolításában, viszont – mivel tervezhetők – kiküszöbölhetők a természetes rendszereknél jelentkező hátrányok, és a hatékonyság tovább növelhető. A költség- és energiaigény nagy része a rendszerbe beérkező víz minőségétől (vagyis az előkezeléstől), a helyszínre történő szivattyúzástól (ha szükséges) és a víz szétosztásától, be- és elvezetésétől, az elvégzendő földmunkáktól és a telek árától függ.

Az egyes vízinövényes rendszer típusok nemcsak a kialakításuk szempontjából különböznek egymástól, hanem a következő szempontok szerint is:

  • területigény,

  • létesítési költség,

  • előkezelés szükségessége,

  • szennyvíz-tisztítási hatékonyság, különös tekintettel a nitrogén (N) és foszfor (P) eltávolítására,

  • létesítés lehetséges helyszínei (pl. közvetlenül az ingatlan mellett is, vagy csak távolabb a településtől),

  • üzemeltetés egyszerűsége (vagy bonyolultsága),

  • telepített vízinövény hasznosíthatósága, és annak mértéke, költségei,

  • adott rendszer típusával kapcsolatos ismeretek, tapasztalatok bősége vagy hiánya.

A rendszer minél hatékonyabb üzemeltetése érdekében célszerű rendszeresen aratni a növényeket. Ez viszont megfelelően átgondolt tervezés és üzemeltetés esetén, a növények hasznosíthatósága miatt járulékos bevételt eredményezhet.

Épített vízinövényes rendszerek üzemeltetéséhez a szükséges felület nagysága általában 25-40 m2/m3 (szennyvíz), vagy 2-5 m2/LE.

Az épített vízinövényes rendszerek előnyei

  • Általában olcsóbb kivitelezés, mint a hagyományos szennyvíztisztító telepek esetében;

  • általában nem igényel vegyszert és nincs szükség gépi berendezésekre;

  • a szennyvíz mennyiségi és minőségi változásait jobban el tudja viselni, különösen a lebegőhínáros rendszer;

  • sokkal kisebb a felszíni és felszín alatti vizekre gyakorolt negatív hatása, mint a hagyományos rendszerekének;

  • a vízinövények újrahasznosíthatók; állatok takarmányozására, etanol, polietilén olajok és üzemanyag előállítására, stb.;

  • hatékonyak lehetnek a szerves anyagok, a nitrogén, a foszfor, a patogén baktériumok, a nehézfémek, a PAH-ok és a PCB-k eltávolításában.

Az épített vízinövényes rendszerek hátrányai

  • a hagyományos szennyvíztisztító telep helyigényéhez képest, annak 4-10-szerese is lehet a szükséges terület nagysága,

  • a rendszer minél hatékonyabb üzemeltetése érdekében célszerű rendszeresen aratni a növényeket, ami bizonyos esetekben (pl. békalencse) nehézségeket okozhat,

  • hatásfokuk erősen évszaktól függő lehet.

A vízinövényes rendszerekben az egyes szennyezőanyagok eltávolítása többféle módon is történik, ahogy ezt a 8. táblázat is mutatja.

7. táblázat. Az épített vízinövényes rendszerek eltávolítási mechanizmusai

A tápanyagok és a szennyezőanyagok sorsa a növényekben és a rendszerekben

A vízinövényes ökoszisztéma négy részből áll (40. ábra).

40. ábra. Példa az épített vízinövényes rendszer elemeire

Ezekben a növényi tápanyagok megoszlása és sorsa a következő:

  1. növényben:

    • a koncentráció mértéke függ a terheléstől, valamint a növényi résztől (gyökér, szár, levél), pl. nád esetében a csúcslevelek, a járulékos gyökér és a levéllemez jóval több nitrogént tartalmaznak, mint a többi szerv;

    • a növényi szövetnek átlagosan 2%-a nitrogén és 0,4%-a foszfor, de ez függ a növény fajtájától, valamint az egészségi állapotától.

    • a koncentráció mértéke függ az évszaktól, mivel egyrészt a növekedés is évszaktól függ, másrészt télen kioldódnak a tápanyagok, kivéve, ha tökéletes az ásványosodás.

    • a koncentráció mértéke függ az aratástól; az aratás gyakoriságától és intenzitásától. Ha nincs aratás, a növényi szövetekből visszaoldódnak a növényi tápanyagok, és megnő a belső terhelés.

  2. növényi hulladékban:

    • nincs hosszú távú tárolás, kivéve a tőzeglápokat.

  3. talajban:

    • a foszfát ioncserés adszorpcióval kötődik meg tőzegláp esetén;

    • a foszfát kémiai adszorpcióval kötődik meg, ha P < 1 mg/l és fizikai adszorpcióval, ha P > 1 mg/l, az érintkező víz pH-jának, redox-potenciáljának, Ca-, Al- és Fe-koncentrációjának függvényében;

    • a foszfor csapadékképződés formájában is tározódik aerob körülmények között, a talaj pH-jának, valamint az Al-, Fe- és Ca-ionok elérhetőségének függvényében;

    • az ammóniumot a tőzeg- és agyagtalajok kation-cserével adszorbeálják.

  4. vízben:

    • az ammónia egy része légtérbe történő elillanással távozik,

    • nitrifikációval és denitrifkációval az összes nitrogénnek az 50-60%-a távozik.

A különböző növények szöveteinek nitrogén és foszfor tartalmát, valamint tápanyagfelvételét a 9. táblázat mutatja.

Mint a táblázatból látszik, maguk a vízinövények általában kevéssé vesznek részt ténylegesen a szennyvíz tisztításában, ami különösen igaz a mocsári növényekre.

A növények feladata általában az, hogy olyan tényezőket biztosítsanak a vízi környezet számára, ami növeli az adott rendszer szennyvíztisztító kapacitását és/vagy megbízhatóságát. A gyökerek illetve a szárak a vízoszlopban szilárd felületet biztosítanak a lebontást végző mikroorganizmusoknak, valamint közeget a szűrési folyamatokhoz és a szilárd szemcsék adszorpciójához. A víz felszínén vagy fölötte levő levelek és szárak csökkentik a vízbe jutó napfény mennyiségét, ezáltal megakadályozzák az algák elszaporodását. Ezen kívül mérsékelik a szélnek a vízre gyakorolt hatását, vagyis a gázok áramlását a víztér és a levegő között, ugyanakkor oxigént szállítanak a növények gyökereihez, víz alatti részeihez.

Az épített vízinövényes rendszerek csoportosítása életterük alapján

  1. Vízből kiemelkedő (pl. nád, gyékény, sás), vagyis mocsári növényes rendszerek (41. ábra):

    • maguk a növények általában kevéssé vesznek részt ténylegesen (növényi tápanyag felvétellel) a szennyvíz tisztításában, bár ez mindig az adott növényfajtól függ;

      jelentős szerepe van a növények felszínén (levél, szár, gyökér) és a talajszemcsékben kialakult mikrobiológiai hártyának, illetve az abban élő lebontó mikroszervezeteknek.

    41. ábra. Mocsári növényes rendszer

  2. Vízfelszínén úszó vízinövényes (pl. békalencse, vízigázló, tündérrózsa), vagyis lebegőhínáros rendszerek (42. ábra):

    • jelentős a növények felszínén kialakuló mikrobiológiai hártyát alkotó mikroorganizmusok lebontó szerepe,

    • békalencse esetében jelentős a közvetlen növényi tápanyagfelvétellel történő „tisztítás” mértéke,

    • egy vagy több sekély medencéből állnak, mélységük a növény(ek)től függően 0,5-2,0 m, amelyekbe egy vagy több vízinövény faj van elszaporítva,

    • a rendszer működése a csepegtetőtesthez hasonlóan bakteriális élettevékenységen és ülepítésen alapszik, de – különösen egyes növények esetében – fontos szerepe van a növényi tápanyagfelvételnek is (pl.: békalencse),

    • igen hatékonyak a nitrogén és foszfor eltávolítása mellett a PAH-ok, nehézfémek, PCB-k eltávolításában is.

    42. ábra. Lebegőhínáros rendszer

  3. Alámerült (pl.: süllőhínár, átokhínár), vagyis hínáros rendszerek:

    • itt a növények (átokhínár, süllőhínár, vízitorma) az aljzathoz rögzültek vagy a vízben lebegnek;

    • a széndioxidot, az oxigént és a tápanyagot is a vízből veszik fel;

    • a szennyvíztisztításra a gyakorlatban sehol sem használják, mivel a hínárok igen érzékenyek az alga okozta beárnyékolásra és az anaerob körülményekre, illetve mivel nehezen megoldható a rendszeres hínáraratás.

A vízből kiemelkedő, azaz mocsári növényes rendszerek tovább csoportosíthatóak.

A víztér szerinti csoportosítás

  1. Víz a talajfelszín felett van, vagyis felszíni átfolyású rendszer (43. ábra) (előfordul olyan változata, ahol nyílt vízfoltok is találhatók benne):

    • szigetelt, hosszú és keskeny medencé(k)ből vagy csatorná(k)ból áll, amely(ek)ben a mocsári növényeket sekély vízréteg borítja (vízmélység általában 0,1-0,6 m);

      az előtisztított szennyvíz adagolása a rendszerbe folyamatosan történik, a tisztítása addig tart, amíg a víz lassan átáramlik a vízből kiálló növényzet szárai és gyökérzete között;

      a szerves anyag lebontását, eltávolítását a növények gyökerén, szárán, levelén megtelepedett mikroszervezetek végzik;

      a talaj legfontosabb feladata, hogy megfelelő közeget, élőhelyet biztosítson a növényeknek, illetve a lebegőanyag és a szervesanyag egy jelentős része is ide ülepedik le;

      ezeknek a rendszereknek célja lehet az is, hogy élőhelyet biztosítsanak a vadvízi élővilág számára;

      befolyásoló tényezők a hőmérséklet, valamint a növények szárának és levelének összfelszíne;

      hátránya, hogy a talaj és a növények talaj alatti részei gyakorlatilag nem vesznek részt a tisztítás folyamatában, ezért nitrogén és foszfor szempontjából általában viszonylag alacsony hatékonysággal üzemeltethető, illetve a megfelelő tápanyag eltávolítás biztosításához nagyobb területre van szükség;

      a mértékadó nemzetközi tapasztalatok alapján a nyílt vízfelületek növelik a rendszer foszforeltávolító hatását;

      a gyakorlatban viszonylag ritkán alkalmazzák (főleg USA-ban és Hollandiában), mert nagy a területigénye.

    43. ábra. Felszíni átfolyású rendszer

  2. Víz csak a talajfelszín alatt folyik, vagyis gyökérmezős (gyökérzónás) rendszer:

    • a víz a növények gyökérzónájában, és az azt magába foglaló közegen folyik keresztül, legnagyobb szerepe a gyökérzetet tartó közegnek van (homok, kavics, talaj);

    • a lejtés a terepi adottságoktól függ, de lehetőleg 1% a javasolt;

    • nagy előnye, hogy nincs szaghatás, és ezért a településeken közvetlenül a lakóházak mellett/között is megépíthető, amennyiben elegendő szabad terület áll rendelkezésre;

    • hátránya, hogy a gyékény kivételével a mocsári növényeknek kicsi a tápanyagfelvétele, azaz a növényi tápanyag-eltávolítási hatékonysága alacsony, ezért önmagában csak ott alkalmazható, ahol nem sérülékeny vízbázis a befogadó, azaz nincs szükség nagymértékű tápanyag-eltávolításra, vagy pedig másik rendszerrel (pl.: faültetvényessel) kell kombinálni.

    A gyökérzónás rendszer a vízáramlás iránya szerint tovább csoportosítható:

    • függőleges vízáramlású vagy szivárgású (nitrifikációs biológiai tisztításra) (44. ábra);

    • vízszintes vízáramlású vagy átfolyású; (biológiai utótisztításra és denitrifikálásra) (45. ábra);

    44. ábra. Függőleges vízáramlású gyökérmezős rendszer

    45. ábra. Vízszintes vízáramlású gyökérmezős rendszer

  3. A víz a talajfelszín alatt és felett egyaránt áramlik, vagyis átszivárgásos rendszer (46. ábra):

    • ez a rendszer is nyílt vízfelszínű, mivel a területet elárasztják szennyvízzel, csak itt a víz nem elfolyik a területről, hanem függőlegesen beszivárog a talajba, és onnét kerül elvezetésre drén csövekkel;

      a közeg, amibe a növényeket telepítik különböző lehet a tisztítandó szennyvíz minőségétől függően. Települési szennyvíz esetében lehet kavics, homok, kő, illetve ezek kombinációja. (Megjegyzés: ez mindegyik mocsári növényes rendszerre igaz);

      a felszínt szakaszosan árasztják el megfelelő mennyiségű vízzel (5-6 cm/d), így a növényt tartó közeg pórusaiba felváltva kerül víz és levegő. Ennek következtében felváltva alakul ki aerob (oxigént tartalmazó) és anaerob (oxigénmentes) időszak, ami különösen a növényi tápanyagok eltávolítása szempontjából fontos;

      egyesíti az előző két rendszer előnyeit: a víz függőlegesen és vízszintesen is keresztülfolyik a homok-kavics-talaj közegen, minden elem (talaj, az egész növény, mikroorganizmusok) részt vesz a lebontó-tisztító folyamatokban, ezért nagyobb tisztítási hatékonysággal rendelkezik, mint a másik két mocsári növényes rendszer;

      utótisztításként a szivárogtató mezőket általában a szeptimtartályokkal kombináltan használják az elfolyó szennyvíz tisztítására. A szivárogtató mezőn gyakorlatilag perforált dréncsöveket helyeznek el kavicságyban a felszín alá, 0,8 m mélység alá, hogy a fagy ne tegyen kárt a rendszerben. Szerencsés, ha két párhuzamos mezőt alakítunk ki, amelyet felváltva üzemeltetünk.

    46. ábra. Átszivárgásos rendszer, függőleges és vízszintes

Kistelepülések esetében hatékonyabb a nagyobb flexibilitású, összetettebb rendszerek tervezése és kiépítése az alábbi szempontok szerint:

  • a rendszer jól illeszkedjen a befogadói paraméterekhez;

  • a téli és nyári üzemre külön üzemeltetési alternatívát biztosítson.

A 47. ábra több kombinációs alternatívát mutat be.

47. ábra. A gyökérzónás szennyvíztisztítás technológiai kombinációi

A mocsári növényes rendszerek főbb tervezési paraméterei

  • Felület igény függőleges átfolyású rendszer esetén 1,0 m mélység mellett 3-5 m2/LE, vízszintes átfolyású rendszer esetén 0,6 m mélység mellett 5 m2/LE;

  • hidraulikai terhelés függőleges átfolyás mellett 50-60 mm/d (szakaszos víz rávezetéssel), vízszintes átfolyás mellett 40 mm/d;

  • felületi BOI-terhelés 10-20 g/m2/d;

  • mélység 1,0-1,2 m;

  • szigetelés igény minden esetben, ha a talaj vízáteresztő képessége nagyobb, mint 10-8-10-3 m/sec között: az agyagásvány tartalom ne haladja meg az egész szűrőközeg 5%-át;

  • településtől való védőtávolság igény 150-300 m;

  • a perforált elosztó vezetékek egymástól való távolsága 2-3 m lehet;

  • a szakaszos adagolást megfelelő adagoló szerkezettel (adagoló szifon, vagy billenővályús adagoló, vagy adagoló szivattyú) kell biztosítani;

  • a víz elvezetést 4-6 m-re elhelyezett dréncsövek biztosítják.

A szükséges területigényt és a tisztítási hatásfokot meghatározó tényezők (10. táblázat):

  • a vegetáció felületének nagysága,

  • a tartózkodási idő,

  • a szennyvíz hőmérséklete.

A szükséges felület nagysága általában 25-40 m2/m3 (szennyvíz), vagy 2-5 m2/LE.

9. táblázat. A rendszer átlagos területigényének alakulása

A hazai gyökérzónás rendszerek technológiai sorba illesztési módja általában a lehető legegyszerűbb. A kialakított rendszerekben nincsenek az üzemeltetés flexibilitását biztosító elemek. A jövőben a tervezési fázis során ügyelni kell arra, hogy a hazai szennyvíztöménységhez és a hideg téli időszakokhoz jobban illeszkedő műtárgysorokat alakítsunk ki. Nagyon fontos, hogy a technológia elég rugalmas legyen, azaz megfelelő üzemváltások lehetősége fenn legyen tartva a rendszerben. A Dittrich magyarországi kutatásai alapján a gyökérzónás rendszerek eddigi tapasztalatait az alábbiakban foglalta össze.

Kistelepülési szennyvíz magas koncentrációi ellenére a kiépített technológiák sem előkezelésükben, sem utókezelési módjaikban nem különböznek a nyugat-európai 1980-as években épült telepek alapkoncepciójától. Ez az egyik oka annak, hogy ezek a telepek általában nem tartják be a befogadói határértékrendszer szabta követelményeket.

A hosszanti átfolyású rendszerek nem megfelelő hidraulikai működése miatt a fajlagos szervesanyag leválasztási teljesítmény egy nagyságrenddel alacsonyabbnak adódott, mint a függőleges átfolyású rendszereknél. Ennek oka alapvetően a nem megfelelő töltetanyag választás. A hosszanti átfolyású telepeink lebegő anyag eltávolítási teljesítménye alacsonyabb, mint a függőleges átfolyású telepeinkké. Ennek oka szintén a vizsgált műtárgyak nem megfelelő hidraulikai működése. A függőleges átfolyású rendszereink nitrifikációs teljesítménye magasabb, mint a hosszanti átfolyásúaké. A töltetek eltömődöttsége és a magas szervesanyag-terhelés miatt a nitrifikációs teljesítmény azonban romolhat.

Összefoglalás

A mocsári növényes rendszereknek három nagy csoportja van, melyeknek mind megvannak az előnyei és hátrányai (48. ábra.).

48. ábra. A mocsári növényes rendszerek csoportosításának összefoglalása

Az épített vízinövényes rendszerek csoportosítása

Az épített rendszerek típusai a növény élettere szerint csoportosíthatóak:

  • mocsári növényes,

  • lebegőhínáros,

  • hínáros.

A lebegőhínáros és a hínáros rendszerek esetében nincs további csoportosításnak értelme. A mocsári növényes rendszerek esetében további két szempont szerint lehet folytatni a csoportosítást, a víztest elhelyezkedése és a víz áramlási iránya szerint.

Mocsári növényes rendszerek a víztest elhelyezkedése szerint:

  • felszín feletti átfolyású,

  • felszín alatti átfolyású,

  • a kettő kombinációja.

Mocsári növényes rendszerek a víz áramlási iránya szerint:

  • vízszintes áramlás,

  • függőleges áramlás,

  • mindkettő irányba történő áramlás.

Ellenőrző kérdések és feladatok

Kérdések

  1. Mi a közös jellemzője a vízinövényes rendszereknek?

  2. Mik az előnyei és hátrányai az épített vízinövényes rendszereknek?

  3. Milyen részekből áll a vízinövényes ökoszisztéma és ezekben mi a növényi tápanyagok megoszlása és sorsa?

  4. Csoportosítsa az épített vízinövényes rendszereket és jellemezze az egyes csoportokat!

  5. Jellemezze a mocsári növényes rendszerek főbb csoportjait!