Dziś dzielę się z Wami swoim opisem ogólnych zasadach działania oczyszczalni hydrofitowych. Poniży tekst wysłałem na jeden z ogólnopolskich konkursów, w którymi byli lepsi ode mnie, więc tekst mogę już upubliczniać. Miłej lektury.

Jak mokradła oczyszczają wodę?

Moja przygoda z roślinnymi (hydrofitowymi) oczyszczalniami wód rozpoczęła się dość niespodziewanie. Swoją karierę naukową chciałem związać z rozwiązaniami retencjonującymi i oczyszczającymi wody opadowe w pierwszym momencie ich zetknięcia z powierzchnią miasta, czyli np. na dachach i trawnikach oraz w najbliższym sąsiedztwie dróg i chodników. Jednakże z dnia na dzień wiatry losu zepchnęły mnie z obranego kursu. Pomimo usilnej walki o powrót na drogę wiodącą do obranego celu, los chciał, że w swoich badaniach zająłem się rozpracowywaniem hydrofitowych (roślinnych) oczyszczalni wód. Z początkowego sceptycyzmu moje podejście do tematu zmieniło się w fascynację nad prostotą procesów odpowiedzialnych za efektywność usuwania zanieczyszczeń w tych systemach. Zapatrzony niczym Frodo Baggins w Martwe Bagna, wpadłem w tematykę mokradeł i nie chcę z niej wychodzić.

Siła miejskiej rzeki

Zanim opowiem o zasadzie działania roślinnych oczyszczalni, należy słowem wstępu wspomnieć o problemach, z którymi należy się mierzyć w oczyszczaniu małych miejskich cieków, które zasilane są ściekami opadowo-roztopowymi.

Zarządzanie jakością wody w miejskiej rzece nie jest łatwym zadaniem. Pierwszym wyzwaniem są gwałtowne zmiany ilości wody płynącej ciekami. Na co dzień takie cieki charakteryzują się niewielkim przepływem. Natomiast w czasie opadów wielkość przepływu wzrasta wielokrotnie w ciągu kilkunastu minut. To tak jakbyśmy w lany poniedziałek byli polewani wodą ze strzykawki i nagle ktoś zamienia ją na wąż strażacki. Z takimi zmianami natężenia przepływu mierzyć musi się rzeczny ekosystem oraz wszystkie rozwiązania stosowane do oczyszczania rzek czy ścieków z kanalizacji deszczowej.

Drugim wyzwaniem jest jakość wody. W okresach niskich przepływów woda charakteryzuje się przeważnie niskim poziomem zanieczyszczeń. Natomiast w czasie opadów, nie dość, że trzeba się mierzyć z siłą węża strażackiego, to jeszcze jest to okres, kiedy do rzek trafia największa ilość zanieczyszczeń wymywanych przez deszcz z powierzchni miasta.

Aby sprostać tym wyzwaniom oczyszczalnie roślinne powinny efektywnie przechwytywać zanieczyszczania w czasie występowania opadów i usuwać je stopniowo w okresach bezopadowych. Jednocześnie taki system trzeba zabezpieczyć przed niszczącą siłą wody w czasie gwałtownych zmian przepływu.

Zatrzymać tsunami

Odpowiednio zaprojektowane i eksploatowane oczyszczalnie roślinne posiadają trzy „specjalne moce”, które usuwają zanieczyszczenia z przepływających przez nie wód. Pierwszą z nich jest sedymentacja – proces opadania cząsteczek na dno – uważana za główny proces usuwania zanieczyszczeń ze ścieków opadowych. Opadaniu ulegają wszystkie cząsteczki i zanieczyszczenia stałe, jak piasek, liście, oraz wszystkie śmieci, które kanalizacją lub ludzką ręką trafiają do rzek. Usuwanie zawiesiny jest ważnym procesem poprawy jakości wody, ponieważ do wszelkich cząsteczek zawiesiny przyczepiają się inne zanieczyszczenia, niczym czepiające się ubrań owoce łopianu (potocznie nazywane dziadami).

Efektywność usuwania zanieczyszczeń zależna jest od zapewnienia jej odpowiednich warunków oraz zabezpieczenia osadów przed ich wymywaniem. Oba cele można osiągnąć poprzez stworzenie systemu o szerokości większej niż szerokość koryta rzeki. Głębokość systemu też ma znaczenie, jednakże z uwagi na późniejszą eksploatację (szczególnie usuwanie nadmiaru osadów) lepiej jest poszerzyć system niż go pogłębić. Szerszy system spowalnia przepływ ponieważ woda rozlewa się na większym obszarze, co można porównać do używania węża ogrodowego. Im mniejszy otwór, tym woda z węża wydostaje się pod większym ciśnieniem, tryskając z węża z większą siłą i na dalszą odległość. Jak ustawimy większy otwór na końcówce to woda będzie wylatywać parę kroków od nas z siłą, które nie skrzywdziłaby muchy. Na zwiększenie efektywności sedymentacji wpływ ma także zastosowanie odpowiednich struktur wspierających proces. Dodatkowe bariery są niezwykle ważne dla efektywnego opadania cząsteczek, ponieważ gwałtownie zmieniające się przepływy mogą w kilka chwil wypłukać cały zgromadzony na dnie osad. Aby temu zapobiec pędzące niczym tsunami wody rzeki należy spowolnić i z jednego strumienia zrobić kilka. Można to osiągnąć poprzez tworzenie barier (np. wbite w dno drewniane pale czy małe sztuczne wyspy), które na wlocie do roślinnej oczyszczalni rozpraszają siłę przędącej wody niczym falochrony chroniące morskie plaże. Dodatkowo struktury zatrzymują osady w określonej części roślinnej oczyszczalni, dzięki czemu nie obserwuje się wymywania zgromadzonej w systemie zawiesiny w trakcie gwałtownych wezbrań o sile tsunami, które potrafią transportować takie rzeczy, jak koła samochodowe czy duże konary.

Mikroorganizmy w służbie jakości wody

Drugą mocą oczyszczalni roślinnych są mikroorganizmy, które usuwają i rozkładają zanieczyszczenia. O ich znaczeniu w oczyszczaniu wody stanowi fakt, że są one podstawą działania zarówno małych przydomowych, jak i dużych miejskich oczyszczalni ścieków.

Liczne badania wykazały, że mikroorganizmy mogą usuwać lub neutralizować szeroką gamę zanieczyszczeń, od redukcji poziomu azotu i fosforu (zwanych nutrientami lub biogenami) poprzez rozkład substancji ropopochodnych, po neutralizację toksycznego toluenu (stosowany w produkcji farb, lakierów czy tworzyw sztucznych).

W swoich badaniach skupiam się przede wszystkim na procesach związanych z usuwaniem azotu i fosforu (zwanych nutrientami lub biogenami), których nadmiar w wodach jest jedną z przyczyn powstawania zakwitów sinicowych. Nutrienty występują w formie związków organicznych oraz w formie rozpuszczonej, czyli jonowej – im więcej formy jonowej w wodzie tym większe ryzyko wystąpienia zakwitu sinicowego. Niezależnie od formy w jakiej trafiają do oczyszczalni roślinnej biorą one udział w szeregu przemian biochemicznych, które zachodzą w tak zwanej „spirali nutrientów”, czyli obiegu pierwiastków w zasobach wody w cyklu od formy organicznej poprzez rozkład martwej materii organicznej i mineralizację do formy jonowej, która następnie jest pobierana z wody przez organizmy i  wbudowywana w ich tkanki.

Zgodnie z teorią spirali obieg pierwiastków zachodzi szybciej w wyższej temperaturze i przy mniejszej prędkości przepływu. Jakie znaczenie ma prędkość przepływu? Spróbujcie złapać serię piłek zaserwowanych przez zawodowych tenisistów (rekord wynosi 263 km/h) – ile udało Wam się złapać? Z podobnym wyzwaniem muszą mierzyć się bakterie – im szybciej płynie woda tym mniejszą ilość zanieczyszczeń bakterie „łapią” i przetwarzają.  Z kolei temperatura reguluje tempo wielu procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Podobnie jak topnienie lodu czy śniegu, tak i procesy w komórkach bakterii zachodzą szybciej w wyższych temperaturach.

Oczyszczalnie roślinne zapewniają odpowiednie wartości obu parametrów. Wspominanie wcześniej rozwiązania wspierające sedymentację i spowalniające przepływ zapewniają zatem także dogodne warunki do oczyszczania wody przez mikroorganizmy. A wolniej płynąca woda szybciej nagrzewa się od promieni słonecznych. Co prawda zimą woda ma niską temperaturę, co znacząco ogranicza tempo procesów mikrobiologicznych, ale istnieją szczepy bakterii, które i w takich warunkach rozkładają zanieczyszczenia.

Wodni entowie

Ostatnią z trzech specjalnych właściwości oczyszczalni roślinnych zapewniają same rośliny, a dokładniej hydrofity, czyli rośliny wodne. Pełnią one wiele funkcji wspierających i zapewniających poprawę jakości wody, niczym tolkienowscy entowie dbający o ekosystem lasu, hydrofity zapewniają prawidłowe funkcjonowanie ekosystemu oczyszczalni.

Pierwszą z ich funkcji jest wbudowywanie rozpuszczonych form azotu i fosforu w tkanki roślin (proces asymilacji). Ilość pierwiastków pobieranych zależna jest od warunków środowiska, jak i od zdolności poszczególnych gatunków hydrofitów. Poza nutrientami rośliny mogą wyciągać z wody inne zanieczyszczenia, np. metale ciężkie, niektóre z nich posiadają nawet zdolność hiperakumulacji zanieczyszczeń (zdolność gromadzenia w tkankach dużej ilości metali bez szkody dla rozwoju rośliny), która może niekiedy być efektywniejsza od sedymentacji. Ponadto gatunki różnią się między sobą ilością biomasy metra kwadratowego. Dla przykładu tatarak  zwyczajny akumuluje więcej azotu i fosforu na 1 kg suchej masy niż trzcina pospolita czy pałka szerokolistna, jednakże z 1 m² możemy uzyskać nawet kilkukrotnie mniejszą ilość tataraku w porównaniu do pozostałych dwóch gatunków. Ale należy wspomnieć, że po zimie tatarak rozwija się szybciej niż trzcina czy pałka, więc usuwa z wody azot i fosfor w okresie wczesnowiosennym, gdy inne rośliny dopiero planują wzrost. Zatem w celu efektywnego oczyszczania wody należy znać właściwości poszczególnych gatunków, a przede wszystkim ilość i rodzaj spodziewanych zanieczyszczeń dopływających do oczyszczalni wraz ze ściekami opadowymi. Z uwagi na obumieranie nadwodnych części roślin na zimę (łodygi i liście) zaleca się usuwanie większości powstałej w trakcie sezonu biomasy hydrofitów, aby zapobiec uwalnianiu do wody zasymilowanych w ich tkankach pierwiastków. W cieplejszych strefach klimatycznych takie usuwanie biomasy może się odbywać nawet dwa razy w roku. Dzięki usuwaniu rozwiniętych roślin stwarzamy przestrzeń dla rozwoju kolejnych młodszych osobników, które w fazie wzrostu pobierają z wody więcej pierwiastków niż rośliny w pełni rozwinięte. To jak robienie kontrolowanych wycinek w lesie dla odmłodzenia drzewostanu.

Drugą ważną funkcją roślin wodnych jest tworzenie bariery spowalniającej przepływ. Są one zatem naturalną barierą wspierającą proces sedymentacji, która w przypadku naturalnych cieków bardzo dobrze spełnia swoją funkcję zatrzymując zanieczyszczenia w oczyszczalni roślinnej, niczym wał Hadriana zatrzymujący wojownicze plemiona Piktów. Oczywiście w przypadku miejskiej rzeki zasilanej ściekami opadowymi rośliny muszą być wspierane dodatkowymi strukturami, ale nadal biorą udział w zatrzymywaniu zanieczyszczeń w systemie oczyszczającym.

Kolejną zaletą hydrofitów jest stwarzanie korzystnych warunków dla rozwoju mikroorganizmów, o których pisałem wcześniej. Niektóre gatunki jak trzcina czy pałka dzięki pustym w środku łodygom przyczyniają się do napowietrzania osadów i wody tuż nad osadami stwarzając korzystniejsze warunki do tlenowych procesów rozkładu i asymilacji zanieczyszczeń. Ponadto zapewniają ważne dla mikroorganizmów spowolnienie przepływu.

Oczyszczalnie hydrofitowe to nie tylko komary

Wymienione powyżej właściwości oczyszczalni hydrofitowych oraz odpowiednia wiedza o procesach w nich zachodzących powodują, że te systemy oczyszczania wód oparte na procesach naturalnych znalazły szerokie zastosowanie w usuwaniu zanieczyszczeń z wody i ścieków. Początkowo jako zagorzały wróg komarów nie byłem przychylny tego typu rozwiązaniom, ale jego zalety przewyższają wady, a okazuje się, że przy odpowiednim zaprojektowaniu oczyszczalni hydrofitowej, można także ograniczyć liczbę komarów, które będą się z niego wylęgać.

Podobał Ci się mój artykuł? Możesz wesprzeć moją działalność darowizną i zostając moim Patronem lub Mecenasem
tutaj więcej informacji

Możesz też zarejestrować się poprzez poniższy formularz, aby otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach. Nie ujawnię nikomu Twojego adresu!