Wysokoefektywna retencja

Badania naukowe

Ładunek zanieczyszczeń pozostających po akumulacji ścieków w wielokomorowych zbiornikach retencyjnych jest cztero-, a czasem pięciokrotnie mniejszy niż w klasycznych.

Mariusz Karwowski

 Początek lat 80. był w Polsce okresem, który w żaden sposób nie sprzyjał wprowadzaniu innowacji technologicznych, nawet wtedy, gdy ich skuteczność potwierdzona była wieloletnimi badaniami naukowymi. To zjawisko nie ominęło także ochrony środowiska. Nic dziwnego, skoro wydatkowano nań niespełna 0,5 proc. PKB. Tymczasem już wtedy blisko 1/3 wód nie nadawała się nawet do celów przemysłowych. Zdziwienie musi budzić fakt, że właśnie w takich okolicznościach w głowie prof. Józefa Dziopaka z Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Rzeszowskiej zrodziła się koncepcja wielokomorowych zbiorników retencyjnych.

– Pomyślałem, że skoro coś, co już funkcjonuje, można zrobić jeszcze efektywniej, a przy tym ograniczyć koszty nawet do 20 proc., to czemu nie spróbować? Zacząłem szukać nowych rozwiązań inżynierskich w postaci zbiorników wielokomorowych do regulowania, uśredniania i sterowania odpływem ścieków w dowolnych systemach kanalizacji – wspomina trudne początki

SZEROKIE SPEKTRUM

Zasoby wód powierzchniowych w Polsce są małe. Zbiorniki retencyjne służą właśnie temu, by przechowywać wodę i wykorzystywać w okresach jej niedoboru. Jeszcze do niedawna wody opadowe stanowiły uciążliwość, a kwestia odprowadzania ścieków traktowana była marginalnie. Dopiero gdy zrozumiano, jak cenny jest to surowiec, dostrzeżono znaczenie zbiorników retencyjnych. Zaczęto także szerzej spoglądać na możliwości ich wykorzystania.

– Dziś nie chronią one tylko przed powodzią, ale również wyrównują poziom wód w rzekach w celach żeglugowych, zaopatrują przemysł, rolnictwo i odbiorców komunalnych w wodę, wreszcie wykorzystywane są do celów rekreacyjnych i turystycznych. Niestety, ich pojemność jest zbyt mała. Przechwytują zaledwie 6 proc. rocznego odpływu, co w gruncie rzeczy uniemożliwia racjonalną gospodarkę wodną – przyznaje prof. Dziopak.

Zbiorniki odciążające w dużej mierze sieć hydrauliczną, gromadzą nie tylko wodę deszczową, ale i ścieki. Po przejściu fali przepływów zawartość zbiornika transportowana jest do oczyszczalni. Zatrzymanie wód opadowych niejako u źródła i ich infiltracja do gruntu na terenach zurbanizowanych traktowana jest jako proces proekologiczny, który wpływa korzystnie na utrzymanie równowagi ekologicznej w zlewni, choćby poprzez zwiększenie poziomu wód gruntowych i poprawę kondycji drzew i roślinności. Prowadzi to także do ochrony rzek przed punktowymi zrzutami dużych ilości ścieków deszczowych i ładunków zanieczyszczeń.

Przez ostatnich kilkanaście lat świadomość ekologiczna wzrosła na tyle, że zrozumiano potrzebę zwiększenia wydatków na te cele. I od razu widać efekty. W 2000 roku w Głogowie oddano do użytku najnowocześniejszy zbiornik w Polsce. W innych miastach, m.in. w Przemyślu, Nowym Sączu, Dobrodzieniu, Słupsku i Kwidzynie, dobiegła końca faza projektowa. Miał w tym udział również prof. Dziopak, będąc głównym projektantem całej modernizacji sieci.

– W Przemyślu zostawiłem z tyłu nawet Niemców, których projekt też startował w przetargu. Obliczono jednak, że w mojej koncepcji oszczędność dochodzi nawet do 1/4 kosztów. Zaczynając swoje prace nad wielokomorowymi zbiornikami, chciałem uzyskać taki efekt, by już na samym początku procesu ciśnienie było maksymalne. W tym wypadku ciśnienie jest różnicą między zwierciadłem ścieków a osią kanału odpływowego. Im większa wysokość tego zwierciadła, tym większe ciśnienie, a co za tym idzie – wzrastający dopływ – tłumaczy.

Jak to możliwe przy zachowaniu zasady, że zbiornik spełnia to samo zadanie, czyli redukuje przepływ do określonej wartości? Sedno całej zagadki tkwi w jak najmniejszej objętości. Zbiorniki wielokomorowe wyposażone są w układ hydrauliczny, który steruje wielkością przepływu i w ten sposób wykorzystuje w pełni przepustowość kanału odpływowego. Na tym opiera się ich efektywność i zarazem oszczędność. Typowy zbiornik dwukomorowy, zajmujący objętość 720 m3, spełnia to samo zadanie co klasyczny (1000 m3).

Potrzebuje więc o 30 proc. mniej powierzchni pod zabudowę, przy zachowaniu tej samej wysokości użytkowej. To w prosty sposób zmniejsza koszty.

NAJ, NAJ, NAJ ...

Głównym elementem zbiorników wielokomorowych jest komora przepływowa, zwana też sterująco-regulującą. W wyniku jej zastosowania zbiorniki mają mniejszą pojemność użytkową oraz wyróżniają się lepszą sprawnością retencyjną komór akumulujących i wyższą zdolnością hydrauliczną kanału odpływowego niż klasyczne obiekty jednokomorowe. W komorze przepływowej odbywa się regulacja wysokości ciśnienia hydrostatycznego i jednocześnie rozdzielanie ścieków. Bo z nimi jest tak samo, jak z pieniędzmi. Nadmiar najlepiej oddać do banku. Dlatego ścieki właśnie z tej komory odpływają do komory grawitacyjnej albo przez nią do komory podciśnieniowej. Korzyść z tego taka, że przy mniejszych opadach deszczu nie zanieczyszcza się kolejnych komór, a jeszcze można wykorzystać je do spłukania osadów ściekowych. W znakomitej większości przypadków, tj. w około 60 proc. liczby opadów, wykorzystywana jest tylko pierwsza komora. Przez to również w eksploatacji, przy naprawach czy konserwacjach, zbiorniki wielokomorowe wydają się o wiele bardziej opłacalne.

– Najprostsze, najtańsze i najbardziej optymalne dla retencjonowania ścieków deszczowych są zbiorniki dwukomorowe. Jaki byłby sens użytkowania takich zbiorników, gdyby np. opad deszczu wypełnił wszystkie komory jedynie na wysokość pół metra? Później wszystkie trzeba by czyścić – sugeruje uczony.

Dlatego na przykład w Głogowie, gdzie wybudowano grawitacyjno-pompowy zbiornik czterosegmentowy o pojemności 18 tys. m3, dopiero w momencie, gdy jedna komora zostanie wypełniona, otwierana jest następna. To typowy zbiornik z grawitacyjnym napełnianiem. Jego opróżnianie odbywa się za pomocą pomp ściekowych, które odprowadzają ścieki z komory przepływowej. Odbywa się to w sposób sterowany, tzn. w zależności od tego, jaki jest dopływ ścieków z sieci. Różnicę między nim a możliwościami znajdującej się obok oczyszczalni reguluje właśnie wspomniana pompownia. Część ścieków transportowanych do oczyszczalni jest poddawana również płukaniu. Zbiorniki retencyjne bardzo często budowane są tuż przed oczyszczalnią. Wówczas spełniają jeszcze jedno ważne zadanie, uśredniają dopływ ścieków w określonym czasie. To dodatkowa ich zaleta – zapewnienie w miarę stałego, regularnego dopływu. Nadmiar ścieków przelewa się do zbiornika, tam są akumulowane i dopiero po opadach spływają do oczyszczalni.

– Najczęściej stosuje się jednocześnie retencję i pompownię. Można wówczas dokładnie sterować ilością odprowadzanych ścieków i regulować czasowo wielkość dopływu oraz podnosić ścieki z nisko ułożonego kolektora na wymaganą wysokość, w zależności od sytuacji – tłumaczy prof. Dziopak.

Nie byłoby to możliwe przy zbiornikach jednokomorowych, tym bardziej że tu dochodzi jeszcze oczyszczanie ścieków. W trakcie pompowania, po opróżnieniu komory, ścieki wykorzystywane są do przemywania dna zbiornika, który zawsze ma spadek w kierunku odpływu. A zatem przepływając, jednocześnie spłukują dno z nagromadzonych osadów. Ponieważ jest kilka wylotów w górnej części dna tego zbiornika, proces odbywa się na całej szerokości komór akumulujących.

NA SZARYM KOŃCU

Budowa głogowskiego zbiornika, częściowo finansowana z funduszy unijnych, trwała ponad 2 lata. Koszt metra sześciennego wyniósł ok. 400 zł. Cała inwestycja kosztowała zatem blisko 7 mln. W tej chwili wszystko funkcjonuje wzorcowo.

– Zakładając 15-procentową efektywność takich zbiorników, należy przyjąć, że zaoszczędziliśmy prawie milion zł – kalkuluje mój rozmówca.

Na terenach, gdzie występuje mniej opadów, zaleca się stosowanie mniejszej liczby komór. Największe zbiorniki mają nawet ponad 20 tys. m3, średnie 8-10 tys., a małe 1-5 tys. Z retencją wód powierzchniowych, nie jest jednak w Polsce najlepiej. Zbiorników jest ledwie 150, a ich łączna pojemność nie przekracza 1 mln m3. Można w nich zgromadzić tylko 6 proc. średniego odpływu wód. To trzykrotnie mniej niż wynosi średnia krajów sąsiednich. W ciągu minionych 12 lat w Polsce ogólna ilość wytwarzanych ścieków, odprowadzanych do wód powierzchniowych zmniejszyła się o blisko 1/5, a ilość ścieków oczyszczanych wzrosła do 77,6 proc. Niestety, jeśli chodzi o zasoby wód powierzchniowych zajmujemy wciąż jedno z ostatnich miejsc w Europie. Na 1 mieszkańca przypada u nas tylko 1600 m3 rocznie, podczas gdy w Finlandii 6100 m3, a we Włoszech 3400 m3. Niezbędne wydaje się więc tworzenie sieci małej retencji, czyli zbiorników, które opóźniają spływ wody do morza, a stanowią przydatne zasoby wody do wielu celów, w tym również przeciwpowodziowych.

Z rządowej strategii wynika, że do 2006 roku na wybudowanie zbiorników o łącznej pojemności ok. 100 mln m3 przeznaczonych zostanie prawie 200 mln zł. Do tego dojdą fundusze unijne. Problem w tym, że trudno będzie dogonić europejską czołówkę.

– Tylko w zlewni miasta i okolic Stuttgartu pokazywano mi szereg zbiorników, których jest około 300. W Niemczech kanalizacja ulega ciągłej rozbudowie. Dołączanie nowych osiedli jest możliwe poprzez sterowanie dopływem zbiornikami retencyjnymi – mówi prof. Dziopak.

Jego zdaniem, właśnie wielokomorowe zbiorniki retencyjne powinny być standardem także i w Polsce. To obecnie jedyne efektywne rozwiązanie.

W sumie opatentowano już do stosowania ponad dwadzieścia innowacyjnych modeli. Podstawowym zbiornikiem wielokomorowym jest CONTRACT, w którym nadmiar ścieków z komory przepływowej trafia do akumulacyjnej. Tam odbywa się właściwa retencja. Objętość tej komory jest średnio mniejsza o 25 proc. od zbiornika klasycznego. W przegrodzie między komorami zastosowano tzw. zawór klapowy, który w trakcie opróżniania zbiornika otwierany jest samoczynnie, różnicą ciśnień hydrostatycznych w kierunku kanału odpływowego.

– Jeżeli porównamy sumaryczny hydrogram odpływu ze zbiorników klasycznych i zbiorników, gdzie uzyskuje się maksimum odpływu i później jest on stały, to powierzchnia, którą się oszczędza, dochodzi nawet do 45 proc. Ale to w wyjątkowych sytuacjach. Najczęściej jest to ok. 15-20 proc. I o tyle mniejszy jest koszt budowy – wyjaśnia prof. Dziopak.

W większości zbiorników występuje szeregowy podział komór. W czasie większych opadów deszczu zawór klapowy na najbardziej oddalonej komorze jest zablokowany, a po samoczynnym opróżnieniu wcześniejszych komór można otworzyć tę klapę i wykorzystać pojemność na perfekcyjne wypłukanie z dna osadów. Nie potrzeba więc żadnych dodatkowych urządzeń, by oczyścić komory.

Ale jeszcze efektywniejszy jest grawitacyjny zbiornik dwupoziomowy. Kiedy komora na górze wypełni się, ścieki spadają na dół. Tu też jest zawór klapowy, który reguluje ich dopływ. Takie piętrowe obiekty najlepiej zdają egzamin w okolicy zakładów przemysłowych, które nie dość, że zrzucają spore ilości ścieków, to jeszcze proces ten powtarza się dość często, co godzinę, dwie. Objętość takiego zbiornika, w stosunku do CONTRACTU, można zmniejszyć nawet o kolejne 20 proc.

– Nasze badania doprowadziły do powstania nowej generacji zbiorników grawitacyjno-podciśnieniowych, np. typu COMMODUS, MIRUS i PARKUS. Ich główną zaletą jest regularny odpływ ścieków ze zbiornika oraz brak potrzeby znacznego zagłębiania całej konstrukcji poniżej terenu. Ścieki są bowiem magazynowane ponad swobodnym zwierciadłem w kanale dopływowym. W ten sposób ścieki akumulowane są na poziomie nawet dwukrotnie wyższym w porównaniu ze zbiornikami grawitacyjnymi – opisuje prof. Dziopak.

W zbiornikach tych użyto instalacji do samoczynnego odprowadzania powietrza z komory podciśnieniowej. To prawdziwy ewenement techniczny, który na dodatek nie wymaga użycia energii z zewnątrz!

NA ZBIORNIKU... GARAŻ

W budowie zbiorników retencyjnych nie ma specjalnych różnic. Główna konstrukcja pozostaje ta sama, w rozwiązaniach wielokomorowych dodaje się jedynie przegrody. Mogą być budowane praktycznie wszędzie, tzn. tam, gdzie są potrzebne. Badania pokazały nawet, że ładunek zanieczyszczeń pozostających po wykorzystaniu zbiornika jest w nich cztero-, a czasem pięciokrotnie mniejszy niż w zbiornikach klasycznych. Jedyny wymóg jest taki, by na kanalizacji ogólnospławnej na terenach zurbanizowanych budować zbiorniki kryte.

– Jest to niezbędne, gdyż zamknięty zbiornik, odcięty od otoczenia, nie oddziałuje, np. zapachem z niego się wydobywającym, na środowisko. Zbiorniki otwarte mogą być jedynie na kanalizacji deszczowej.

Okazuje się, że zbiorniki wielokomorowe, oprócz wyżej wspomnianych, mogą pełnić jeszcze sporo innych funkcji. W Opolu, na przykład, zastosowane będzie niezwykle ciekawe rozwiązanie architektoniczne, a mianowicie połączenie zbiornika i... wielopoziomowego garażu, który służyć będzie okolicznym mieszkańcom. Jeżeli tylko realizowana inwestycja stanie się widocznym elementem architektury centrum miasta, garaż zostanie umieszczony ponad terenem, a w dolnej części powstanie zasadniczy zbiornik. Działka zakupiona pod jedną inwestycję, spełniać będzie zatem dwie funkcje.

Rocznie ilość ścieków bytowo-gospodarczych aż czterokrotnie przekracza ścieki deszczowe. Dlatego m.in. znacznie łatwiej jest projektować oczyszczalnie na ścieki sanitarne, które w swojej ilości i składzie są mało zróżnicowane, a zauważalne wahania nie przekraczają 30 proc. Zupełnie inaczej jest przy ściekach deszczowych. Tu wszystko zależy od wielkości opadu. Wiadomo, że mniejszy zmywać będzie drobne pyły, a większy potrafi spłukiwać nawet żwir. Co więcej, prawie nigdy nie występuje opad równomierny. Zdarza się, że nad połową miasta świeci słońce, a w drugiej trwa oberwanie chmury.

– Jeśli są to tereny przemysłowe, opad zmyje nawet zanieczyszczenia ropopochodne, po czym wpłynie do kanalizacji, a stamtąd do oczyszczalni. Nazajutrz może wystąpić opad podobny co do przepływu ścieków, ale w innym rejonie i znowu powstaje inny skład. Z tego też względu oczyszczanie ścieków deszczowych jest niezwykle trudne – przyznaje prof. Dziopak.

Swoje dokonania prezentował już niemal na całym świecie, na licznych wystawach, kongresach i sympozjach, od Londynu po Osakę. Otrzymał kilkanaście prestiżowych medali, pucharów, wyróżnień i nagród, w tym także finansowych. Najbardziej ceni sobie jednak Special Merit Award, przyznaną w Tokio za rzadkie technologie.

– Sądzę, że w ciągu najbliższych 10 lat na budowę lub modernizację systemów odprowadzania ścieków wydanych zostanie ponad 20 mld zł. Zbiorniki retencyjne należą bez wątpienia do najkosztowniejszych inwestycji, ale nie bez satysfakcji mogę powiedzieć, że dzięki opracowaniu wielu modeli zbiorników wielokomorowych, a zwłaszcza ostatniej generacji zbiorników grawitacyjno-pompowych, możemy osiągnąć spore oszczędności, przy równoczesnym zachowaniu identycznego poziomu niezawodności ich działania – konkluduje uczony.

Komentarze