Odnowa wody - projekt NCBR

O projekcie odnowy wody

Instytut Ekologii Stosowanej od początku swojej działalności zajmuje się oczyszczaniem ścieków, uzdatnianiem wody i jej odnową. Podstawowym źródłem wody pitnej w siedzibie Instytutu jest woda opadowa, poddawana odpowiedniemu uzdatnianiu. W latach 2019-2022 Instytut realizował projekt badawczy pn.: „Opracowanie technologii roślinno-stawowej oczyszczalni ścieków z usuwaniem biogenów i odnową wody” współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, Program Operacyjny Inteligentny Rozwój, Działanie 1.1 Projekty B+R przedsiębiorstw. Celem technologicznym projektu była odnowa wody odzyskiwanej ze ścieków bytowych, do poziomu parametrów wody do picia. Odnowiona woda nie jest kierowana do ponownego wykorzystania w celach konsumpcyjnych, lecz jest tłoczona do spłuczek toaletowych, podlewania zieleni i innych celów gospodarczych. W ramach prowadzonego projektu w siedzibie Instytutu została wybudowana instalacja prototypowa, na której prowadzone są badania, pozwalające wypracować optymalne warunki zapewniające osiągnięcie zamierzonego efektu oczyszczania.

Wybudowana instalacja składa się z następujących elementów:

Osadnik gnilny służy do mechanicznego oczyszczania surowych ścieków bytowych dopływających z budynku Instytutu oraz budynków gospodarczych.

Przepompownia nr 1 umieszczona w komorze osadnika przetłacza równomiernie w ciągu doby podczyszczone mechanicznie ścieki do filtra kompostowego.

Pierwszy etap biologicznego oczyszczania ścieków odbywa się w filtrze kompostowym umieszczonym w szklarni, co polepsza proces oczyszczania, ogranicza przykre zapachy i chroni przed niską temperaturą w okresie zimowym.

Kolejny etap biologicznego oczyszczania ścieków odbywa się w stawie filtracyjnym, który składa się z trzech złóż filtracyjnych (denitryfikacyjne, fosforowe oraz węglowe). Staw umieszczony jest w murowanym zbiorniku przykrywanym na zimę osłoną szklaną, może również znajdować się w szklarni.

Przepompownia nr 2 umieszczona jest za stawem filtracyjnym. Jej funkcja polega na przetłaczaniu odnowionej wody do stawu buforowego (basenu), a następnie tłoczeniu odnowionej wody do instalacji zasilającej spłuczki toaletowe, zraszaczy nawadniających zielony dach oraz do innych celów gospodarczych. Ponadto w przepompowni umieszczona jest lampa UV, która ostatecznie eliminuje liczbę bakterii w odnowionej wodzie zapewniając jakość wody pitnej.

Element ten pełni dwie funkcje: staw buforowy w okresie jesienno-zimowym gromadzi nadmiar odnowionej wody, która wiosną wykorzystywana jest w całości do nawadniania. W okresie wiosenno-letnim zbiornik ten pełni funkcję basenu kąpielowego i napełniany jest wodą z rowu, która jest oczyszczana do parametrów wody kąpielowej. W tym okresie zasilanie toalet i podlewanie zieleni odbywa się bezpośrednio z przepompowni nr 2. We wrześniu po zakończeniu sezonu kąpielowego woda z basenu jest wypompowywana do nawadniania i ponownie następuje napełnianie stawu nadmiarem czystej odnowionej wody.

Zastosowana instalacja zmniejsza pobór wody o około 50 % w skali rocznej. W naszym przypadku ograniczenie poboru jest bardzo ważne, ponieważ korzystając tylko z wody deszczowej jako wody użytkowej należy pamiętać, że zasób ten jest ograniczony i wyczerpalny. Instalacja obiegu wody w siedzibie Instytutu jest przykładem wykorzystania wody opadowej jako jedynego źródła wody pitnej. Oparcie gospodarki wodnej wyłącznie o wodę opadową jest przykładem modelowym, mającym pokazać możliwości technologiczne w zakresie stosowania naturalnych systemów uzdatniania wody. Takie rozwiązanie eliminuje potrzebę korzystania z sieci wodociągowej czy też budowy własnej studni, daje możliwości samowystarczalności wodnej w oparciu o wodę opadową. Oczywiście nie jest to konieczne, gospodarstwa domowe mogą być podłączone do sieci wodociągowej lub posiadać własną studnię jako źródło wody do picia. W takim przypadku zastosowanie instalacji do oczyszczania ścieków i odnowy wody powodować będzie oszczędność pobieranej wody wodociągowej lub studziennej. Ma to znaczenie nie tylko ekonomiczne, ale przede wszystkim środowiskowe, co jest największym atutem takiego rozwiązania.

Realizacja projektu

Realizacja projektu podzielona była na dwa okresy: okres badań przemysłowych oraz okres prac rozwojowych.

Realizacja badań przemysłowych była podzielona na 4 następujące etapy.

  • Etap I – czas trwania 4 miesiące, w etapie tym zaprojektowano i wybudowano część instalacji prototypowej odpowiedzialnej za prowadzenie badań dotyczących oczyszczania ścieków w filtrach roślinnych. Ostatni miesiąc tego etapu obejmował już pełny monitoring badań efektywności oczyszczania.
  • Etap II – czas trwania 24 miesiące i obejmował prowadzenie badań technologicznych na wybudowanej w etapie 1 pierwszej części instalacji prototypowej. W tym okresie prowadzone były w odstępach 2 tygodniowych pełne i uproszczone analizy ścieków surowych oraz oczyszczonych w poszczególnych filtrach. Analizy obejmowały oznaczanie: BZT5, ChZT, zawiesina, azot (NO3, NO2, NH4), fosfor (PO4), bakterie grupy Coli.
  • Etap III – czas trwania 4 miesiące, w etapie tym zaprojektowano i wybudowano drugą część instalacji prototypowej odpowiedzialnej za odnowę wody. Również i w tym przypadku ostatni czwarty miesiąc był okresem pierwszych badań.
  • Etap IV – czas trwania 24 miesiące i obejmował prowadzenie badań technologicznych na złożach (denitryfikacyjnym, fosforowym i węglowym) realizowanych średnio w odstępach dwutygodniowych. Analizy obejmowały oznaczanie BZT5, ChZT, Utlenialność, NO3, NO2, NH4, PO4, Fe, Mętność, Barwa, Bakterie grupy coli, Ogólna liczba bakterii w 22 0

Niezależnie od realizacji opisanych etapów i budowy instalacji instalacji prototypowej wybudowany został dodatkowo zbiornik retencyjny, który gromadzi nadmiar wody i umożliwia jej wykorzystanie do spłukiwania toalet oraz nawadniania w siedzibie Instytutu.

Realizacja projektu zakładała, że w odpływie z instalacji odnowiona woda charakteryzować się będzie następującymi wartościami parametrów w ujęciu średniorocznym:

Zawiesina< 5 mg/dm3
BZT5< 1 mg dm3
ChZT< 10 mg dm3
Utlenialność< 5 mg/dm3
NO3< 50 mg dm3
NO2< 0,5 mg dm3
NH4< 0,5 mg dm3
PO4< 0,5 mg dm3
Fe< 0,2 mg dm3
Mętność< 1 NTU
Barwanaturalna
Bakterie grupy coli NPL0 / 100 ml
Ogólna liczba bakterii w 22 0 C< 200 / 1ml

W czasie realizacji projektu wprowadzono drobne korekty wartości stężeń w odpływie. Zmianie uległo planowane stężenie ChZT w odpływie z 10 do 25 mg/dm3 oraz stężenie fosforanów z 0,5 do 5 mg/dm3.

Uzyskane wyniki badań z realizacji etapów od 1 do 4 są przewidziane do publikacji. Jako pierwsze opublikowane zostały w czerwcu 2022 roku wyniki usuwania ze ścieków substancji organicznej. Wyniki te jak i cały artykuł poświęcony temu zagadnieniu można przeczytać pod: From Domestic Sewage to Potable Water Quality: New Approach in Organic Matter Removal Using Natural Treatment Systems for Wastewater

W dalszej kolejności publikowane będą wyniki usuwania substancji biogennych a następnie usuwania zanieczyszczeń sanitarnych.

Dokumentację fotograficzną prezentującą wybudowaną instalację przedstawiają zdjęcia zamieszczone powyżej w ogólnym opisie projektu.

Realizacja prac rozwojowych – podzielona została na 2 etapy.

  • Etap I – czas trwania 8 miesięcy, obejmował on zaprojektowanie i wybudowanie trzech instalacji pilotażowych pracujących w warunkach naturalnych. Instalacja pierwsza została wybudowania dla budynku jednorodzinnego i znajduje się w miejscowości Lubogoszcz gm. Maszewo (zdjęcie nr 1). Instalacja druga (zdjęcie nr 2) została wybudowana dla małej szkoły (około 60 uczniów) w miejscowości Szczawno, gmina Dąbie, trzecia największa instalacja została wybudowana dla szkoły (200 uczniów) w Wężyskach gm. Krosno Odrzańskie (zdjęcie 3).
  • Etap II – czas trwania 8 miesięcy obejmował monitorowanie pracy wybudowanych instalacji pilotażowych. Wyniki prowadzonych badań na instalacjach pilotażowych będą publikowane i udostępniane w następnej kolejności.

Realizacja projektu zakończyła się w czerwcu 2022 roku.

Kadra realizująca projekt

Do prac badawczo-rozwojowych zaangażowano kadrę Instytutu Ekologii Stosowanej: Kierownik prac B+R Wojciech Halicki; Główny wykonawca prac B+R Artur Zając, Anna Popowczak; Specjalista ds. analiz fizykochemicznych i bakteriologicznych Paulina Cierlikowska, Marharyta Hudziak; specjalista ds. opracowywania danych Marharyta Hudziak, Joanna Dankowska; pracownik techniczny Józef Piotrowski.

Zarządzenie projektem realizowano przez Zespół Zarządzający Projektem (ZZP) tj.: Kierownik Zarządzający Projektem (KZP) Robert Jagodziński, Asystentka KZP ds. administracyjnych oraz rozliczeń finansowych (AKZP) Anna Popowczak, Koordynator ds. realizacji analiz i realizacji etapów projektu (KRAiEP) Marharyta Hudziak, Koordynator ds. zamówień i marketingu (KZiM) Joanna Dankowska.

Efekty realizacji projektu

  • Najważniejszym efektem projektu było potwierdzenie przyjętych założeń, że wykorzystując procesy naturalne można konstruować rozwiązania techniczne, które w łatwy i tani sposób pozwolą skutecznie oczyszczać ścieki i zapewnią, że oczyszczone ścieki poddane dalej procesowi odnowy wody mogą pozwolić, że w odpływie z takich instalacji uzyskujemy wodę, której zasadnicze parametry będą spełniać kryteria wody do picia.
  • Drugim co do znaczenia efektem projektu są wyniki badań skuteczności oczyszczania w filtrach kompostowych. Trzyletni okres badań wykazał, że dobrze skonstruowane filtry kompostowe są w stanie jednocześnie oczyścić ścieki jaki i dokonać znaczącej odnowy wody bez usuwania biogenów. Wyniki projektu wskazały jednoznacznie, że uzyskana po filtrach kompostowych woda, wprawdzie nie spełnia kryteriów jakości wody do picia, ale spełnia wszelkie stosowane do tej pory na Świecie kryteria jakości wody odnowionej ze ścieków przeznaczonej do ponownego wykorzystania, w tym i do spłukiwania toalet. Ponadto należy dodać, że jak wykazały badania projektu, filtry kompostowe bez stosowania lampy UV czy innej metody dezynfekcji wody, zapewniają, że pod względem sanitarnym oczyszczona woda spełnia najbardziej rygorystyczne wymagania jakości wody kąpielowej w Polsce.

Kolejne efekty to:

  • Uzyskanie patentu na opracowaną technologię. Decyzją Urzędu Patentowego Rzeczpospolitej Polskiej: P.425741.10.ejak, został nadany Instytutowi Ekologii Stosowanej sp. z o.o. w Skórzynie patent pod nazwą: Roślinno-stawowa oczyszczalnia ścieków z usuwaniem biogenów i odnową wody.
  • Powstanie instalacji prototypowej w siedzibie Instytutu. Obiekt ten przystosowany do prowadzenia wielu różnych badań technologicznych dotyczących oczyszczania ścieków oraz odnowy wody będzie nadal służył oczyszczaniu ścieków i odnowie wody w Instytucie. Ponadto będzie wykorzystywany do prowadzenia dalszych badań, zarówno przez kadrę instytutu jak i przez studentów chcących zgłębiać swoją wiedzę w zakresie technologii naturalnych stosowanych do oczyszczania ścieków jak i odnowy wody.
  • Powstanie instalacji pilotażowych. Wszystkie trzy instalacje po zakończeniu projektu będą służyły oczyszczaniu ścieków i odnowie wody. Należy w tym miejscu podkreślić, że obiekty te, ze względu na fakt oczyszczania ścieków i odnowy wody do jakości wody do picia są unikatowe w skali Świata. Jak do tej pory (na podstawie prowadzonego stałego monitoringu światowej literatury w tym zakresie) nie opracowano i nie wdrożono tak skutecznych systemów pozwalających oczyszczać ścieki do jakości wody do picia dla tak małych obiektów jak domy jednorodzinne, czy szkoły. Z tego powodu Instytut zamierza wykorzystywać te obiekty do promocji tego rodzaju rozwiązań na terenie województwa lubuskiego nie tylko z powodów środowiskowych, ale i też ekonomicznych. Jak się okazało w pierwszym roku eksploatacji instalacji w Szczawnie gmina Dąbie szkoła uzyskiwała miesięczne z tytułu niewywożenia ścieków i zmniejszonego poboru wody oszczędności w wysokości 1200 zł.
  • Wiedza, trzyletni okres intensywnych badań oraz prowadzenia licznych eksperymentów technologicznych dały kadrze Instytutu odpowiedzialnej za merytoryczną część projektu ogromną wiedzę z zakresu chemii wody i ścieków, biologii i mikrobiologii ścieków, wody i gleby oraz technologii wody i ścieków. Również prowadzenie prac budowlanych związanych z budowaniem instalacji prototypowej i instalacji pilotażowych dały kadrze Instytutu liczne nowe doświadczenia inżynierskie, które przyczynią się do lepszego i efektywniejszego projektowania przyszłych systemów oczyszczania ścieków i odnowy wody.

Wdrażanie projektu

Zakończenie projektu badawczego rozpoczyna jednocześnie kolejny etap, czyli czas wdrażania rezultatów projektu.

Przeprowadzone badania na instalacji prototypowej, budowa i eksploatacja instalacji pilotażowych, prowadzone rozmowy marketingowe z różnymi potencjalnymi odbiorcami doprowadziły do powstania następującej strategii wdrażania efektów projektu obejmującej 3 następujące warianty:

  • Wariant pierwszy – obejmuje on projektowanie oraz projektowanie i budowę oczyszczalni kompostowych z odnową wody ale bez usuwania biogenów, z których odpływ spełniać będzie najbardziej rygorystyczne kryteria wody ponownie wykorzystywanej ze ścieków określone jako kategoria A, w ROZPORZĄDZENIU PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY (UE) 2020/741 z dnia 25 maja 2020 r. w sprawie minimalnych wymogów dotyczących ponownego wykorzystania wody. Odnowiona woda wykorzystywana będzie w tym przypadku do całorocznego nawadniania terenów zielonych oraz do celów gospodarczych. Główną grupę odbiorców stanowić będą właściciele domków jedno i wielorodzinnych.
  • Wariant drugi – obejmuje projektowanie oraz projektowanie i budowę oczyszczalni kompostowych z pełną odnową wody przeznaczonej do spłukiwania toalet oraz podlewania zieleni. Oczyszczalnie przeznaczone będą dla odbiorców indywidualnych oraz dla szkół.
  • Wariant trzeci – obejmuje projektowanie lub projektowanie i budowę oczyszczalni kompostowych z pełną odnową wody wykorzystanej do: celów rekreacyjnych, przyrodniczych i przeciwpożarowych poprzez wybudowanie naturalnego zbiornika rekreacyjnego pełniącego jednocześnie rolę zbiornika p. poż. oraz z wykorzystaniem odnowionej wody do nawadniania zieleni i spłukiwania. Wariant ten przeznaczony będzie głownie dla gmin z uwagi na możliwe zastosowanie tego wariantu dla szkół czy też małych miejscowości. Ponadto odbiorcami mogą być właściciele hoteli, agroturystyk, terenów rekreacyjnych itp.

Przykładowe realizacje