Artykuł naukowy

4. Wpływ zmian szorstkości zlewni na odpływ szczytowy maleje
wraz ze wzrostem długości sieci kanałów odwzorowanej w modelu w odniesieniu do jednostkowej powierzchni zlewni.
PIŚMIENNICTWO
[1] James W.: Rules for responsible modeling, CHI, Guelph, Ontario, 2003.
[2] Zawilski M., Sakson G.: Modelowanie spływu ścieków opadowych ze
zlewni miejskiej przy wykorzystaniu programu SWMM. Część I. Kalibracja modelu, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 11/2010, s. 32–36.
[3] Zawilski M., Sakson G.: Modelowanie spływu ścieków opadowych ze
zlewni miejskiej przy wykorzystaniu programu SWMM. Część II. Weryfikacja modelu, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 09/2011, s. 321–323.
[4] Calver A.: Calibration, sensitivity and validation of a physically based rainfall-runoff model, Journal of Hydrology, 103/1988, s. 103–115.
[5] Skotnicki M., Sowiński M.: The sensitivity analysis of runoff from Urban
catchment based on the nonlinear reservoir rainfall-runoff model, Publs.
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc., Monographic volume E-6 (390), 2006,
s. 129–137.
Kowalski A.: Analiza wrażliwości modelu opad-odpływ dla zlewni miejskiej, praca magisterska, Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, 2012.
Rossman L. A.: Storm Water Management Model User’s Manual, version
5.0: US EPA, Cincinnati, OH 45268, 07.2010, www.epa.gov/ednnrmrl/models/swmm.
Skotnicki M.: Modelowanie odpływu ze zlewni miejskich z uwzględnieniem czasowo-przestrzennej zmienności opadów, rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, 2009.
Bogdanowicz E., Stachý J.: Maksymalne opady deszczu w Polsce. Charakterystyki projektowe. Materiały badawcze, seria: Oceanologia i Hydrologia,
IMGW, Warszawa, 1998.
Schmitt T. G.: Komentarz do ATV-A 118. Hydrauliczne wymiarowanie systemów odwadniających, DWA Hennef 2000, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa, 2007.
Produktywność biomasy i właściwości energetyczne roślin
z hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków
w pierwszym roku eksploatacji
Biomass productivity and biomass energy properties of plants of hybrid constructed wetland
wastewater treatment plant in the first year of operation
Magdalena Gizińska*), Krzysztof Jóźwiakowski*), Alina Kowalczyk-Juśko**),
Aneta Pytka*), Michał Marzec*)
Słowa kluczowe: hybrydowe oczyszczalnie gruntowo-roślinne,
rośliny energetyczne, biomasa, wierzba, trzcina, topinambur,
miskant
Keywords: hybrid constructed wetland wastewater treatment
plants, energy crops, biomass, willow, reed, artichokes, miscanthus
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące produktywności biomasy i właściwości energetycznych roślin z hybrydowej
oczyszczalni ścieków. Badania wykonywano w 4-stopniowym
systemie gruntowo-roślinnym typu VF-HF-HF-VF zlokalizowanym w miejscowości Dąbrowica koło Lublina. Wycinkę roślin i próby do badań pobierano pod koniec marca 2012
roku, po rocznej eksploatacji analizowanego obiektu. Uzyskane wyniki badań wskazują, że ciepło spalania badanych roślin
wahało się od 18,0–19,7 MJ∙kg-1, natomiast wartość opałowa
od 16,8–18,4 MJ∙kg-1 i była niewiele niższa od wartości opałowej węgla kamiennego.
Abstract
Summary The paper presents results of research on biomass productivity and energy characteristics of hybrid constructed wetland wastewater treatment plant. The study was performed in the
four-stage constructed wetland system of VF-HF-HF-VF type
located in Dabrowica near Lublin. Felling of plants and testing
sample was collected at the end of March 2012, after a year’s
operation of the analyzed object. Our results indicate that the heat
of combustion of the plants ranged from 18,0–19,7 MJ ∙ kg-1,
while the calorific value of 16,8–18,4 MJ∙kg-1 and was only
slightly lower than the calorific value of coal.
Wstęp
Szybki rozwój gospodarczy staje się przyczyną coraz większego
zapotrzebowania na energię. Zwiększony popyt na paliwa kopalne,
przy ich ograniczonej podaży, stwarza konieczność poszukiwa* ) Mgr inż. Magdalena Gizińska, dr hab. Krzysztof Jóźwiakowski, mgr inż. Aneta Pytka, dr inż. Michał Marzec – Katedra Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji, Uniwersytet Przyrodniczy
w Lublinie ul. Leszczyńskiego 7, 20-069 Lublin,
e-mail: [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
**) Dr inż. Alina Kowalczyk-Juśko – Katedra Produkcji Roślinnej
i Agrobiznesu Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, ul. Szczebrzeska
102, 22-400 Zamość, e-mail: [email protected]
280
nia nowych rozwiązań, które pozwolą oszczędniej gospodarować
zasobami naturalnymi. Jest to niezwykle istotne w obliczu prognoz wskazujących, że szczyt wydobycia ropy naftowej zostanie
osiągnięty w latach 2015–2020 [1]. Światowe zasoby ropy naftowej, przy zachowaniu obecnych trendów eksploatacyjnych, powinny wystarczyć na około 40 lat, gazu na 60 lat, zaś węgla na 200
lat [2]. Głównym elementem polityki oszczędzania zasobów kopalnych surowców energetycznych jest uzyskiwanie energii ze źródeł
odnawialnych: wiatru, wody, słońca i biomasy. Przystąpienie Polski
do Unii Europejskiej zobowiązało nasz kraj do wdrażania i rozwoju
sektora odnawialnych źródeł energii. Zgodnie z Dyrektywą Unii
Europejskiej 2009/28/WE [3], do roku 2020 udział odnawialnych
źródeł energii w całkowitym zużyciu energii w naszym kraju powinien wynieść 15%, natomiast udział biopaliw w transporcie powiGAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ LIPIEC 2013
nien osiągnąć poziom 10% [4, 5]. Alternatywnym źródłem pozyskiwania energii w Polsce jest biomasa, która w naszych warunkach
geograficznych jest najważniejszym źródłem energii odnawialnej.
Biomasę odpadową można pozyskiwać z rolnictwa, przemysłu
drzewnego i rolno-spożywczego, pielęgnacji zieleni miejskiej, odpadów komunalnych. Negatywnymi cechami biomasy odpadowej
są jednak duża różnorodność i rozproszenie.
W ostatnich latach rośnie zainteresowanie uprawą roślin
na cele energetyczne, np. wierzby (Salix sp.) [7, 8], ślazowca
pensylwańskiego (Sida hermaphrodita (L.) Rusby) [8], gatunków
z rodzaju Miscanthus, szczególnie miskanta olbrzymiego [9,
10, 11], a także topinamburu (Heliantus tuberosus L.) [12, 13].
Uprawy takie mogą dostarczyć znaczących ilości jednorodnej biomasy o określonych parametrach energetycznych, a jednocześnie
przyczynić się do wzrostu niezależności na rynku paliw oraz
umożliwić rozwój obszarów wiejskich [14]. Jednak powierzchnia
upraw roślin energetycznych w Polsce rośnie w niezadowalającym
tempie, w związku z czym poszukiwane są takie lokalizacje ich
nasadzeń, które nie kolidowałyby z tradycyjną produkcją rolniczą.
Brane są pod uwagę grunty marginalne, nieużytki czy nasadzenia
pełniące funkcję fitoremediacyjną, m.in. w zakresie oczyszczania
ścieków [15, 16].
W Polsce i na świecie od wielu lat budowane są tzw. hydrofitowe oczyszczalnie ścieków. Głównym elementem tych systemów
są złoża gruntowo-roślinne, które zasiedlane są szybko rosnącymi
gatunkami roślin. Początkowo były to obiekty jednostopniowe z poziomym lub pionowym przepływem ścieków [17, 18]. W ostatnich
latach w Europie i na świecie zaczęto stosować jednak wielostopniowe, hybrydowe oczyszczalnie gruntowo-roślinne, składające
się z dwóch, trzech lub większej ilości złóż, które zapewniają
skuteczniejszą eliminację zanieczyszczeń [19, 20]. W systemach
tych głównym zadaniem roślin jest wspomaganie procesów oczyszczania ścieków oraz pobieranie i akumulowanie substancji biogennych. Dotychczas niezbyt często rozpatrywano możliwość energetycznego wykorzystania roślin z systemów tego typu. Dlatego
postanowiono podjąć ten temat i założono, że biomasa wytworzona
podczas eksploatacji oczyszczalni gruntowo-roślinnych, może być
dodatkowym źródłem energii odnawialnej w skali lokalnej.
Celem artykułu jest ocena plonowania, właściwości energetycznych oraz przydatności do energetycznego wykorzystania biomasy roślin pozyskanych z hybrydowej oczyszczalni gruntoworoślinnej.
Charakterystyka badanego obiektu
Badania wykonywano w obiekcie, który został wybudowany we
wrześniu 2006 r. w miejscowości Dąbrowica koło Lublina. W latach
2006–2010 oczyszczalnię stanowił 3-komorowy, przepływowy
osadnik gnilny oraz dwa równoległe układy, składające się z podwójnych złóż gruntowo-roślinnych z nasadzeniem wierzby i trzciny:
I – typu HF-VF, II – typu VF-HF [20]. Na początku 2011 r. obiekt
zmodernizowano. Obecnie w skład oczyszczalni wchodzą: 2-komorowy osadnik gnilny oraz system 4 złóż gruntowo-roślinnych,
połączonych szeregowo (VF-HF-HF-VF) (rys. 1):
● złoże A – z pionowym przepływem z trzciną pospolitą (Phragmites australis Cav. Trin. ex Steud.),
● złoże B – z poziomym przepływem z wierzbą wiciową (Salix
viminalis L.),
● złoże C – z poziomym przepływem ze słonecznikiem bulwiastym – topinamburem (Helianthus tuberosus L.),
● złoże D – z pionowym przepływem z miskantem olbrzymim
(Miscanthusx giganteus J. M. Greef & Deuter ex Hodk. & Renvoize) (fot. 1).
Do oczyszczalni dopływa około 0,8 m3·d-1 ścieków, pochodzących z 8-osobowego gospodarstwa domowego. Po wstępnym
oczyszczeniu w osadniku gnilnym ścieki przepływają kolejno przez
wszystkie 4 złoża, które mają jednakową powierzchnię – 24 m2 oraz
wymiary: 4 m szerokości i 6 m długości. Całkowita powierzchnia
złóż wynosi 96 m2, co przy 8 mieszkańcach po przeliczeniu daje
powierzchnię jednostkową 12 m2/MR. Złoża B i C mają głębokość
1,0 m, zaś złoża A i D po 0,8 m. Spadek dna wszystkich złóż wynosi
3% w kierunku odpływu ścieków.
Do wypełnienia złóż zastosowano tłuczeń kamienny (d = 5,0–
10,0 mm) i piasek gruby (d = 1,0–2,0 mm). Złoża zostały oddzielone od naturalnego gruntu folią PEHD o grubości 1 mm, ułożoną na
podsypce z drobnoziarnistego piasku, która zabezpiecza folię przed
uszkodzeniem. Zastosowanie pomp zatapialnych przed złożami
A i D umożliwia okresowe doprowadzanie ścieków w ilości około
0,4 m3 z częstotliwością 2 razy na dobę [21]. Obciążenie hydrauliczne złoża trzcinowego (A) wynosi około 33 dm3·m-2·d-1, co odpowiada 33 mm·m-2·d-1, nie przekracza zatem wartości dopuszczalnej (60 mm·d-1) określonej w niemieckich wytycznych ATV [22]
dla złóż z pionowym przepływem. Ścieki oczyszczone z badanego
obiektu odprowadzane są do ziemi za pomocą drenażu rozsączającego (rys. 1).
Rys. 1. Schemat technologiczny hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w Dąbrowicy po modernizacji w 2011 r. [21]
GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ LIPIEC 2013
281
Fot. 1. Rośliny na złożach w hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w Dąbrowicy
W badanym obiekcie, oprócz trzciny i wierzby, zastosowano roślinność, która do tej pory w gruntowo-roślinnych oczyszczalniach
ścieków była wykorzystywana w niewielkim stopniu, tj. topinambur, miskant olbrzymi. Gatunki te cieszą się dużym zainteresowaniem energetyki, ze względu na wysoką wartość opałową i niską
wilgotność uzyskiwaną po zakończeniu wegetacji, dzięki czemu
mogą być wykorzystywane do bezpośredniego spalania [23].
Metodyka badań
Wycinkę oraz badania produktywności biomasy roślin zasiedlających oczyszczalnię, tj. trzciny, wierzby, topinamburu i miskanta
olbrzymiego wykonywano w marcu 2012 r., po pierwszym roku od
nasadzenia roślin w oczyszczalni. Określono ich objętość oraz masę w stanie świeżym (św. m.), a po wysuszeniu w 105°C reprezentatywnej próby obliczono również plon suchej masy (s. m.).
Badania biomasy zostały wykonane w akredytowanym Laboratorium Zakładu Pomiarowo-Badawczego Energetyki „Energopomiar” w Gliwicach. Do analiz pobrano reprezentatywne próby
rozdrobnionej biomasy każdego gatunku rośliny. Badania zostały
przeprowadzone zgodnie ze specyfikacją techniczną PKN – CEN/
TS 14588, w czterech powtórzeniach i objęły oznaczanie:
− wilgoci całkowitej – metodą wagową, zgodnie z normą PN-EN
14774-2:2010;
− popiołu – metodą wagową, zgodnie z normą PN-EN 14775:2010;
− ciepła spalania – metodą kalorymetryczną,
− wartości opałowej – metodą obliczeniową, zgodnie z normami
PN – 81/G-04513 i PN – ISO 1928.
realizowany, konieczna jest odpowiednia podaż składników pokarmowych i wody. Jej wielkość na złożach gruntowo-roślinnych, ze
względu na ich uszczelnienie, zależy przede wszystkim od przebiegu warunków pogodowych oraz obciążenia hydraulicznego ściekami i ładunkiem zanieczyszczeń. Przy średnim dobowym dopływie
ścieków 0,8 m3·d-1 średnie obciążenie hydrauliczne złoża A wynosi
33,3 dm3·m-2·d-1. Obciążenie powierzchni złoża A ładunkiem biogenów wynosiło dla azotu ogólnego średnio 3,37 g N·m-2·d-1, dla
fosforu ogólnego – 0,92 g P·m-2·d-1. Ścieki surowe zasilają tylko
pierwsze złoże z trzciną, dopiero potem jako podczyszczone trafiają
do kolejnych elementów oczyszczalni (rys. 1). W skrajnie niekorzystnych warunkach (wysokie temperatury powietrza, niedobór
opadów, silne parowanie wody z gruntu i ewapotranspiracja) złoża:
C (z topinamburem) i D (z miskantem olbrzymim) mogą być zupełnie pozbawione dopływu ścieków.
Ilość i skład ścieków dopływających do oczyszczalni może mieć
istotny wpływ na produktywność roślin na złożach. Na rys. 2 i 3
Wyniki badań i dyskusja
Jedną z najważniejszych cech ekologicznych roślin wykorzystywanych do unieszkodliwiania ścieków jest wysokie tempo wzrostu, połączone z wytwarzaniem biomasy. Aby wzrost ten mógł być
282
Rys. 2. Stężenia azotu ogólnego i fosforu ogólnego w ściekach przed kolejnymi złożami w gruntowo-roślinnej oczyszczalni w Dąbrowicy w 2011
roku [21]
GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ LIPIEC 2013
Rys. 3. Wielkości BZT5 i ChZT w ściekach przed kolejnymi złożami w gruntowo-roślinnej oczyszczalni w Dąbrowicy w 2011 roku [21]
przedstawiono średnie stężenia azotu ogólnego i fosforu ogólnego
oraz wielkości BZT5 i ChZT w ściekach przed kolejnymi złożami
w badanej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w 2011 r.
Z badań Gizińskiej i in. [21] wynika, że największe stężenia azotu
ogólnego i fosforu ogólnego notowano w ściekach dopływających
do złoża A z trzciną – wynosiły one odpowiednio 102 i 27,6 mg∙dm3, natomiast po kolejnych złożach obserwowano stopniowy spadek
ich zawartości – do odpowiednio 67,7 i 6,6 mg∙dm-3 w ściekach
przed złożem D z miskantem olbrzymim (rys. 2). Podobną sytuację odnotowano w przypadku wielkości BZT5 i ChZT w ściekach
na poszczególnych etapach oczyszczania. Wielkości BZT5 i ChZT w ściekach przed złożem A z trzciną wynosiły odpowiednio 155
i 342 mgO2∙dm-3, natomiast w ściekach przed złożem D wynosiły
zaledwie 3,8 i 20 mgO2∙dm-3 (rys. 3). Gizińska i in. [21] stwierdzili,
że oczyszczalnia w Dąbrowicy zapewniała bardzo wysoką skuteczność usuwania substancji organicznej określanej za pomocą wskaźników tlenowych, czyli BZT5 i ChZT (98,4 i 97,1%) oraz znacznie
mniejszą efektywność usuwania azotu ogólnego i fosforu ogólnego
(46,4 i 85,6%).
Z przeprowadzonych badań wynika, że produkcja biomasy roślinnej na poszczególnych złożach była bardzo zróżnicowana i nie
była uzależniona od stężenia zanieczyszczeń w ściekach dopływających. Największą objętość nadziemnych części roślin, na poziomie 215,83 m3 (p) w przeliczeniu na 1 hektar, pozyskano ze złoża C obsadzonego topinamburem (tab. 1). Jednak uzyskany plon
zarówno świeżej, jak i suchej masy (odpowiednio 16,13 Mg·ha-1
i 12,81 Mg·ha-1) był niższy, niż pochodzący z upraw rolnych. Z badań Górala [24] wynika, że plon zielonej masy topinamburu waha
się w granicach od 38 do 75 Mg·ha-1, a maksymalnie może dochodzić do 200 Mg·ha-1. Jednak wyniki te dotyczą plonów roślin
zielonych w trakcie sezonu wegetacyjnego. Badania KowalczykJuśko [23] wykazały, że plon zaschniętych nadziemnych części topinamburu w wieloletnim doświadczeniu wahał się w granicach
9,10–12,91 Mgs.m.·ha-1, był więc zbliżony do uzyskanego w analizowanej oczyszczalni.
Maksymalna wysokość pędów topinamburu w badanym obiekcie wyniosła 400 cm. Znaczny potencjał plonowania topinamburu
już podczas pierwszego roku eksploatacji złoża C, w połączeniu
z niewielkimi wymaganiami glebowymi, skłania do szerszego zastosowania tego gatunku do produkcji biomasy.
W przypadku wierzby uzyskano znacznie mniejszą objętość
ściętych prętów, niż w przypadku topinamburu, która wyniosła
130,58 m3 (p) w przeliczeniu na 1 hektar. Plon świeżej i suchej masy
był jednak najwyższy w porównaniu z innymi roślinami i wyniósł
odpowiednio 27,34 Mg·ha-1 i 13,36 Mg·ha-1. Wysoka zawartość
wody w biomasie wierzby w literaturze jest wskazywana dosyć
często [7]. Również w przypadku wierzby ze złoża B w badanym
obiekcie zawartość wody wynosiła około 50%. Z otrzymanych
danych wynika, że plon suchej masy wierzby na złożu B w analizowanej oczyszczalni był porównywalny z osiąganym na plantacjach energetycznych, gdzie w optymalnych warunkach ilość rocznie pozyskiwanego drewna wierzby wiciowej wynosi 10–15 Mg
z hektara [25]. Wg Obarskiej-Pempkowiak [26] roczna produkcja
biomasy wierzby w systemach hydrofitowych wynosi średnio 12–
20 Mg·ha-1, zaś Kuś i Matyka [7] uzyskiwali jej plony w zakresie
8–22 Mg·ha-1. Różnice w uzyskiwanych plonach z plantacji produkcyjnych wynikają z warunków glebowych, wieku roślin, odmiany i nawożenia. Produktywność jednorocznego nasadzenia wierzby na gruncie agromeliorowanym osadami ściekowymi wyniosła
10,8-15,8 Mg św.m.·ha-1, w zależności od odmiany [15]. Wysokość
prętów wierzby w badanym obiekcie maksymalnie dochodziła do
4 m i była wyższa do uzyskiwanej na jednorocznych plantacjach tej
rośliny prowadzonych w zakładach doświadczalnych IUNG, gdzie
nie przekraczała 3 m [7].
Pomimo, że miskant olbrzymi zasiedlał ostatnie D złoże w badanej oczyszczalni, a przez to często był narażony na brak dopływu
ścieków, w pierwszym roku od nasadzenia charakteryzował się wysokim plonem wrażonym w jednostkach objętości – 71,88 m3 (p) z 1 ha i masy – 10,71 Mg św.m.·ha-1 oraz 8,09 Mg s.m.·ha-1 (tab. 1).
Według Koteckiego [11] miskant w pierwszym roku uprawy uzyskuje wysokość około 2 m i daje plon suchej masy z 1 ha w granicach od 1 do 3 Mg·ha-1. Wyniki badań własnych wskazują, że pomimo niekorzystnych warunków wilgotnościowych i najmniejszego
zaopatrzenia w składniki pokarmowe, wzrost i rozwój miskanta
przebiegał prawidłowo, a wolumen plonu był znacznie wyższy od
uzyskiwanego na plantacjach energetycznych [11].
Ścieki dopływające na pierwsze złoże z trzciną niosły ze sobą
największe stężenie azotu i fosforu (rys. 2), a stały ich dopływ
stwarzał najlepsze warunki dla rozwoju roślin. Pomimo tego trzcina pospolita, która porastała to złoże, charakteryzowała się najmniejszą objętością ściętych pędów (43,75 m3 (p) na 1 hektar) spośród czterech badanych gatunków roślin (tab. 1). W porównaniu
z badaniami Jóźwiakowskiego [20], który w tym samym obiekcie
w latach 2009–2010 stwierdził średnią objętość trzciny na poziomie 68 m3 (p) z 1 hektara, można zauważyć znaczny spadek plonu
trzciny, wyrażony w jednostkach objętości. Ze względu na to, że
łodygi trzciny zawierały znacznie mniej wody niż pędy wierzby,
Tabela 1
Produktywność roślin w hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków w 2011 roku
Rodzaj rośliny i numer złoża
Parametr
Jednostka
Trzcina
ze złoża A
m3(p)·ha-1
43,75
130,58
215,83
71,88
Świeża masa roślin*
Mg·ha
-1
4,92
27,34
16,13
10,71
Sucha masa roślin
Mg·ha
-1
4,13
13,36
12,81
8,09
Objętość biomasy
Wierzba
ze złoża B
Topinambur
ze złoża C
Miskant olbrzymi
ze złoża D
* zeschnięte nadziemne części roślin; m3(p) – metr sześcienny przestrzenny
GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ LIPIEC 2013
283
Tabela 2
Parametry energetyczne roślin z hybrydowej gruntowo-roślinnej oczyszczalni ścieków
Rodzaj rośliny i numer złoża
Parametr
Wilgoć całkowita
Popiół
Jednostka
%
Trzcina ze złoża A
Wierzba
ze złoża B
Topinambur
ze złoża C
16,04
51,13
20,59
Miskant olbrzymi ze złoża D
14,46
%
7,84
2,13
3,05
3,51
Ciepło spalania
MJ·kg-1
17,99
19,73
18,87
19,09
Wartość opałowa
MJ·kg-1
16,85
18,44
17,56
17,85
produkcja świeżej masy trzciny z 1 ha złoża była pięć razy mniejsza, niż w przypadku wierzby i wyniosła 4,92 Mg·ha-1. Natomiast
plon suchej masy trzciny nie różnił się znacząco od masy świeżej i wynosił 4,13 Mg·ha-1. Zbiór trzciny przeprowadzano w marcu
2012 r. – przed rozpoczęciem sezonu wegetacyjnego, po zaschnięciu części nadziemnych, które zawierały niewielką ilość wody,
dlatego różnice między plonem świeżej i suchej masy okazały się
niewielkie.
Z wykonanych badań wynika, że najmniejszą wilgoć całkowitą miał miskant olbrzymi – 14,46% i trzcina – 16,04%, natomiast
największą wierzba – 51,13% (tab. 2). Uzyskane wyniki wskazują, że oprócz wierzby wszystkie pozostałe rośliny mogą być wykorzystywane do celów energetycznych bez dodatkowego procesu
suszenia.
Przeciętna zawartość popiołu w biomasie roślin niedrzewnych
kształtuje się na poziomie od 3 do 7% [23]. W badanych próbach
biomasy ilość ta nie przekraczała typowych wartości dla surowców
roślinnych (tab. 2). Najwyższą zawartością popiołu charakteryzowała się trzcina (7,83%), natomiast najniższą wierzba (2,13%),
której biomasa zaliczana jest do surowców drzewnych, a więc
o niższym poziomie substancji mineralnej. Topinambur i miskant
olbrzymi miały zbliżoną zawartość popiołu, która wynosiła odpowiednio 3,05 i 3,51%.
Ciepło spalania badanych roślin w stanie suchym wahało się od
17,99 MJ·kg-1 w przypadku trzciny do 19,73 MJ·kg-1 dla wierzby, zaś wartość opałowa odpowiednio od 16,85 do 18,44 MJ·kg-1
(tab. 2). Były to wartości typowe dla różnych rodzajów biomasy,
zgodne z wieloma danymi literaturowymi [7, 8, 11, 23, 16]. Biorąc
pod uwagę fakt, że wartość opałowa węgla kamiennego, w zależności od jego jakości, zawiera się w granicach 20–30 MJ·kg-1, należy
wysoko ocenić parametry energetyczne badanych rodzajów roślin.
Ekwiwalent energetyczny 1 tony węgla wynosi 1,2–1,5 tony biomasy badanych roślin, które nie tylko są surowcami odnawialnym, ale
też znacznie mniej szkodliwym dla środowiska [27].
Wnioski
1. Produkcja biomasy roślinnej na czterech złożach gruntowo-roślinnych w badanej oczyszczalni była bardzo zróżnicowana i nie
była uzależniona od ilości oraz stężenia zanieczyszczeń w ściekach dopływających.
2. Największą objętość nadziemnych części roślin, na poziomie
215,83 m3 (p) w przeliczeniu na 1 hektar, pozyskano ze złoża C
typu HF obsadzonego topinamburem, natomiast najmniejszą ze
złoża A typu VF porośniętego trzciną – 43,7 m3 (p).
3. Największy plon suchej masy roślin uzyskano w przypadku
wierzby (złoże B typu HF) – 13,36 Mg·ha-1, zaś najmniejszy
w przypadku trzciny – 4,13 Mg·ha-1 (złoże A typu VF). Na pozostałych złożach C (typu HF) i D (typu VF) plon suchej masy
topinamburu i miskanta olbrzymiego wynosił odpowiednio
12,81 Mg·ha-1 i 8,09 Mg·ha-1. Plony suchej masy roślin na złożach gruntowo-roślinnych w badanej oczyszczalni były porów-
284
nywalne lub większe (w przypadku miskanata) od osiąganych na
typowych plantacjach energetycznych.
4. Ciepło spalania badanych roślin w stanie suchym wynosiło od 17,99 MJ·kg-1 w przypadku trzciny do 19,73 MJ·kg-1
dla wierzby, zaś wartość opałowa odpowiednio od 16,85 do
18,44 MJ·kg-1. Biorąc pod uwagę fakt, że wartość opałowa węgla kamiennego zawiera się w granicach 20–30 MJ·kg-1, należy wysoko ocenić parametry energetyczne badanych rodzajów
roślin.
5. Z przeprowadzonych wstępnych badań wynika, że rośliny takie
jak: trzcina, topinambur i miskant olbrzymi, a w mniejszym
stopniu wierzba, z powodzeniem mogą być stosowane nie tylko
do wspomagania procesu oczyszczania ścieków w hybrydowych
systemach gruntowo-roślinnych, ale jednocześnie do produkcji
biomasy wykorzystywanej na cele energetyczne.
PIŚMIENNICTWO
[1] Schleicher S.T. 2005. The renewables in the future energy mix. Central European Biomass Conference, Gratz, Austria.
[2] Bocheński C., Bocheńska A., 2008. Ocena zasobów ropy naftowej i perspektywy jej substytucji biopaliwami. Motrol, 10, 23–30.
[3] Dyrektywa Unii Europejskiej 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE (Dz. U. UE L 09.140.16).
[4] Dyrektywa 2001/77/WE z dnia 27 września 2001 r. w sprawie wspierania
produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych. (Dz. Urz. WE L 283 z 27.10.2001 r.).
[5] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do
umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach
energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii
elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii. (Dz. U. Nr 156,
poz. 969).
[6] Heller M.C., Keoleian G.A., Mann M.K., Volk T.A. 2004. Life cycle energy
and environmental benefits of generating electricity from willow biomass.
Renewable Energy. Vol. 29. Iss. 7, 1023–1042.
[7] Kuś J., Matyka M. 2010. Plonowanie i cechy biometryczne wierzby w zależności od warunków siedliskowych. Problemy Inżynierii Rolniczej, nr 3,
59–65.
[8] Denisiuk W. 2005. Możliwości wykorzystania ślazowca pensylwańskiego
w energetyce. Inżynieria Rolnicza. Nr 6 s. 105–113.
[9] Deuter M., Jeżowski S. 2002. Stan wiedzy o hodowli traw olbrzymich z
rodzaju Miscanthus. Postępy Nauk Rolniczych. Nr 2, 59–67.
[10] Himken M., Lammel J., Neukirchen D., Czypionka-Krause U., OLFS H.W.
1997. Cultivation of Miscanthus under West European conditions: Seasonal
changes in dry matter production, nutrient uptake and remobilization. Plant
and Soil. Vol. 189, 117–126.
[11] Kotecki A. (red.) 2010. Uprawa miskanta olbrzymiego: energetyczne i pozaenergetyczne możliwości wykorzystania słomy. Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu.
[12] Augustynowicz J., Pietkiewicz S., Kalaji M.H., Russel S. 2010. Wpływ
nawożenia osadem ściekowym na wybrane parametry aktywności biologicznej gleby oraz wydajności aparatu fotosyntetycznego słonecznika bulwiastego (Helianthus tuberosus L.). Woda Środowisko Obszary Wiejskie.
T. 10. Z. 2 (30), 7–18.
[13] Frączek J., Mudryk K., Wróbel M. 2011. Wybrane właściwości fizycznomechaniczne topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Inżynieria Rolnicza.
Nr 6 (131), 29–36.
GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ LIPIEC 2013
[14] Piotrowski K., Wiltowski T., Mondal K. 2004. Biomasa – kłopotliwe pozostałości czy strategiczne rezerwy czystej energii? – charakterystyka głównych grup surowców bioenergetycznych. Czysta Energia, 10, s. 16–19,
Czysta Energia, 11, 16–18.
[15] Kaniuczak J., Błażej J., Niemiec W., Jasiński T., Hajduk E., Puchalski C.,
Właśniewski S. 2005. Produkcyjność biomasy wierzby energetycznej w cyklu jednorocznym na agromeliorowanej glebie piaszczystej. [w:] Wybrane
aspekty zagospodarowania odpadów organicznych a produkcja biomasy
wierzby energetycznej, Uniwersytet Rzeszowski, 171–177.
[16] Kowalczyk-Juśko A. 2011. Wykorzystanie wybranych gatunków roślin
w ochronie środowiska i energetyce. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 560,
137–142.
[17] Haberl R., Perfler R., Mayer H. 1995. Constructed of wetlands in Europe.
Water Science & Technology. vol. 32. no. 3, 305–315.
[18] Vymazal J. 2005. Horizontal sub-surface flow and hybrid constructed wetlands systems of wastewater treatment. Ecological Engineering. Vol. 25,
Issue 5, 478–490.
[19] Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M. 2003. The removal of Nitrogen
Compounds in Constructed Wetlands in Poland. Polish Journal of Environment Studies. vol. 122, no. 6, 739–746.
[20] Jóźwiakowski K. 2012. Badania skuteczności oczyszczania ścieków
w wybranych systemach gruntowo-roślinnych. Monografia. Rozprawa
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
habilitacyjna. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich. PAN Oddział
w Krakowie. Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi, 1/2012, 232.
Gizińska M., Jóźwiakowski K., Pytka A., Marzec M. 2013. Wstępne badania skuteczności usuwania zanieczyszczeń w 4-stopniowej hybrydowej
oczyszczalni gruntowo-roślinnej. Gaz, Woda i Technika Sanitarna nr 2,
47–50.
ATV Arbeisblatt A262 1998. Grundsätze für Bemessung und Betrieb von
Pfanzenbeeten für kommunales Abwasser bei Ausbaugröben bis 1000 Einwohnerwertte: 2–10.
Kowalczyk-Juśko A. 2010. Badania nad energetycznym wykorzystaniem
wybranych gatunków roślin wieloletnich. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln.
556, 421–427.
Góral S. 1999. Słonecznik bulwiasty – topinambur – uprawa i użytkowanie, IHAR Radzików.
Perttu K.L. 1992. Plantacje energetyczne. Aura, 3, 10–11.
Obarska-Pempkowiak H. 2002. Oczyszczalnie hydrofitowe. Politechnika
Gdańska, 214.
Sławińska M., Kowalczyk-Juśko A. 2011. The environmental and economic effect of changing the carrier of thermal energy in a chosen enterprise.
[w:] Companies on climate change, M. Cygler, C. Colard-Fabregoule (red.),
SGH, Warszawa, s. 269–284.
Mobilność metali ciężkich w osadach ściekowych
na przykładzie wybranego obiektu „N”
The mobility heavy metals in the sewage sludge
Joanna Długosz, Jarosław Ireneusz Gawdzik*)
Słowa kluczowe: osady ściekowe, metale ciężkie, ekstrakcja sekwencyjna, specjacja metali
Keywords: sewage sludge, heavy metals, sequential extraction,
metals speciation
Streszczenie
Ocena mobilności metali ciężkich w osadach ściekowych
z oczyszczalni ścieków w Opatowie (woj. świętokrzyskie).Wyniki badań dla ustabilizowanych tlenowo osadów ściekowych
potwierdziły obserwowaną tendencję koncentracji metali ciężkich we frakcjach niemobilnych, tu w połączeniach z glinokrzemianami (chrom – 53,4%; ołów – 80,2%). Wynika z tego, że
dominujące formy występowania badanych metali ciężkich są
niemobilne. Wykazano, że sumaryczna zawartość metali ciężkich w osadach ściekowych nie jest obiektywnym kryterium
oceny zagrożenia środowiska. Mając to na uwadze należy jednak nadmienić, iż immobilizowane we frakcji F-III metale ciężkie mogą stanowić potencjalne niebezpie­czeń­stwo dla gruntu
w strefie aeracji.
Abstract
Evaluate the mobility of heavy metals in sewage sludge from
wastewater treatment plants in Opatów (the Świętokrzyskie
Province). The results for oxygen stabilized sewage sludge confirmed a trend being observed in heavy metals concentration in
the immobile fractions, here in combination with aluminosilicates (chromium – 53.4%, lead – 80.2%). On the basis of the
investigations, it can be concluded that the dominant forms of
heavy metals are immobile. It was shown that the total content
of heavy metals in the sewage sludge does not provide an objective criterion for the environmental risk evaluation. Bearing that
in mind, however, it should be noted that heavy metals immobilized in the fraction F-III, may pose a potential hazard to soil
in the aeration zone.
Zasadniczym elementem decydującym o stanie środowiska
wodnego, mający wpływ na poziom życia ludności jest sprawność
systemów oczyszczania ścieków i przeróbki osadów ściekowych.
Oczyszczalnie ścieków służą ochronie zdrowia, życia, środowiska oraz chronią zasoby czystej wody, która będzie wykorzystana
przez przyszłe pokolenia. Podczas procesów oczyszczania ścieków
powstaje produkt uboczny, czyli różnego rodzaju odpady takie jak
skratki, piasek, a także tłuszcze oraz osady. Pośród nich największą
ilość, czyli około 2 ÷ 3% objętości ścieków, stanowią osady ściekowe [10]. Komunalne osady ściekowe zgodnie z art. 3 ust. 3 pkt. 2
ustawy [17] to pochodzący z oczyszczalni ścieków osad z komór
fermentacyjnych, a także innych instalacji służących do oczyszczania ścieków komunalnych lub ścieków o składzie zbliżonym do
komunalnych.
Osady ściekowe stanowią istotny problem eksploatacyjny, a także ekonomiczny. Muszą być usuwane z terenu oczyszczalni ścieków,
ze względu na techniczne oraz prawne ograniczenia możliwości ich
magazynowania. Nie ma jednej uniwersalnej metody zagospodarowania i utylizacji osadów powstających w procesach oczyszczania
* ) Joanna Długosz – absolwentka kierunku Inżynieria Środowiska,
Politechnika Świętokrzyska, j_dł[email protected];
Dr inż. Jarosław Ireneusz Gawdzik – adiunkt w Katedrze Inżynierii
i Ochrony Środowiska, Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia
Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, tel. (+ 48 41) 34 24 571,
[email protected]
GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA ■ LIPIEC 2013
285