Wetlands – דרך טבעית לטפל בשפכים
 מאת מהנדס אמתי אבנון – א.א.מהנדסים, הנדסה סביבתית וחקלאית         

 

גם פשוט גם חכם

דרישות סביבתיות מחמירות, ומודעות ציבורית גוברת, הביאו בעשור האחרון לשדרוג של מערכות הטיפול בשפכים בישראל.
חלק ניכר מהשפכים מטופל כיום ברמה גבוהה יותר מאשר היה נהוג בעבר.
רשויות מקומיות רבות הקימו מתקני טיהור משוכללים ויותר יצרני שפכים מתחברים אליהם. מטבע הדברים, גם עלות הטיפול בשפכים התייקרה.
נטיית הרשויות הנה לחבר יותר יצרנים אל מערכות הטיפול הגדולות, ה"ציבוריות", בהן תפעול המתקנים מבוקר.

ומה עם הישובים המרוחקים? ומה עם המפעלים המרוחקים? כאלו שאין הגיון לחברם למערכות רחוקות. למקרים אלו הפתרונות המקומיים המוצעים נחותים באיכותם ומחייבים בד"כ תחזוקה אינטנסיבית ויקרה אשר לא תמיד מתקיימת לאורך זמן.

כך גם בתחום הרפת, בה מתעוררות כיום שאלות בקשר עם "פתרון הקצה" לשפכים הנוצרים בה.

שפכי רפתות מאופיינים בריכוזים גבוהים של זיהומים אורגניים למיניהם. במיוחד, נמדדים ערכים גבוהים של צח"ב, צח"כ ומוצקים מרחפים. שילוב שפכים אלו במכוני טיהור אזוריים מוגבל בד"כ ע"י מכוני הטיהור, בשל העומס הגבוה. מכוני הטיהור מציבים בד"כ סף עליון לריכוזי מזהמים, אשר מעליו – אין להזרים את השפכים אל המכון.

בנוסף, הזרמת שפכים מרוכזים למכון הטיהור כרוכה בתשלומי אגרה גבוהים, היחסיים לריכוז המזהמים בשפכים, ולכמות השפכים.

בעלי רפתות נדרשים אם כן להפחית את הריכוזים במטרה לאפשר שילוב השפכים במערכות הטיהור האזוריות, וכן במטרה לצמצם את תשלומי האגרה.
מתבקשת מערכת החופשית מתחזוקה עד כמה שניתן.

עם שאלות אלו התמודדנו גם אנו במשרד התכנון בהקשר לפרויקטים שעל הפרק. חיפשנו עבור לקוחותינו משהו חדש - יצירתי יותר, פשוט יותר, טוב יותר...

מתברר שאפשר - ללא מכניקה וללא כימיקלים:
פילטר ביולוגי פשוט וחכם בו מתקיים תהליך טבעי של סינון וטיהור השפכים. שיטה הידועה כ - constructed wetlands ומאפשרת טיפול איכותי מאוד בשפכים, אשר אינו נופל ממערכות טיפול אלקטרו מכניות 'משוכללות'. במבט ראשון – 'קסם'.

תרגום חפשי של המונח wetland לעברית הינו: אדמה רטובה, מקווה מים, או כפי שכונה ע"י אחדים – "אחו- לח" או ''אגנים ירוקים".

אנחנו הצענו לכנות את ה- constructed wetlands כ- 'גני טיהור ירוקים'.

איך זה עובד?

הטיפול בשפכים מתקיים תוך כדי זרימתם בתוך מצע קרקע החדור בשורשי צמחים (ראה תרשים). השפכים ומרכיביהם עוברים מגוון של תהליכים מורכבים המתקיימים בו זמנית.

בהפשטה, ניתן לקבוע שהטיפול בשפכים ב - wetland  כרוך במספר רב של תהליכים המתרחשים באופן טבעי – תהליכים פיזיקליים (- שקוע, סינון, נידוף), תהליכים כימיים (שקוע כימי, ספיחה, הידרוליזה, חמצון) ותהליכים ביולוגיים (פרוק ביולוגי, חילוף חומרים בקטריאלי, ספיחה ע"י צמחים).

למבקשים להתעמק ב'סודות הקסם' להלן ניסיון להצגה עקרונית ופשטנית של המתרחש במהלך הטיפול.

הצמחים המשמשים לתהליך הינם כאלו המסוגלים להתפתח בסביבת מי שפכים – צמחים "אקו-טכניים".

קרקע המכוסה בצמחיה ידועה כבעלת פעילות מיקרוביאלית ערה. פעילות זו מוגברת ע"י שטח פנים גדול ונפח חללים גבוה במבנה הקרקע. תכונה זו מושגת
ב  - wetland ע"י :
א. הכנת מצע קרקע בהרכב חלקיקי מתאים מבחינת גודל החלקיקים והרכבם.
ב. שימוש בצמחים בעלי בית שורשים מפותח – התורם להגדלת נפח החללים.
למשל צמחי קנה – ששורשיהם מהווים מעין תעלות החודרות בעוצמה את הקרקע ופותחות מעברים המאפשרים הן מעבר אויר והן זרימה הידראולית טובה בגוף המצע.
הנושאים הנ"ל הינם חלק משלב התכנון ההנדסי הנדרש לפרויקט.

השורשים מספקים לקרקע את החמצן – במיוחד בשכבות העליונות של המצע. באזורים אלו יתפתחו תנאים ארוביים (עשירי חמצן). באזורים אחרים הדלים בחמצן – יתפתחו תהליכים אנארוביים. גוף הקרקע כולל אם כן "כיסים" ארוביים ואנארוביים במשובץ, ומתפתחת בו פעילות מיקרוביאלית משולבת, בה פרוק החומר האורגני הינו מהיר ומואץ.
הדבר דומה לשלבי הטיפול הארובי והאנארובי במכוני טיהור "קונבנציונלים". אלא שבניגוד להפרדה בין שלבים אלו במכוני הטיהור, כאן תהליכים אלו משולבים זה בזה. אוכלוסיית המיקרואורגניזמים עשירה ומגוונת מאוד, ולכן יכולת פרוק החומר האורגני גבוהה במיוחד.

המיקרואורגניזמים הפעילים בקרקע 'ניזונים' למעשה מה'מזהמים' שבשפכים, המהווים עבורם נוטריאנטים – חומרי הזנה. ריכוז גבוה יותר של מזהמים יגביר את הפעילות המיקרוביאלית.

הפעילות המיקרוביאלית גורמת להתפרקות ושחרור מזהמים (נוטריאנטים) מהשפכים:
זרחן נקשר לחלקיקי הקרקע.
חנקן משתחרר לאטמוספירה בתהליכי ניטריפיקציה/דה-ניטריפיקציה (חנקן אמוניקלי מתחמצן לניטרט, בהמשך התהליך הוא מומר לתחמוצת חנקן נדיפה. החנקן משתחרר לאטמוספירה).

זרימת השפכים בתוך ה - wetland מתקיימת מתחת לפני השטח. פני השטח העליונים יבשים לחלוטין.

השפכים המטופלים (קולחים), משתחררים מהמערכת בזרימה גרביטציונית.

באירופה, בה הנחלים זורמים בכל ימות השנה, מורשית הזרמה אל הנחלים, תוך בקרה תקופתית על איכות הקולחים.
 
תרשים מבנה wetland  

wetlands בעולם הרחב

 השימוש ב-natural wetlands כיעד להזרמת קולחים עירוניים לאחר טיפול, מוכר כבר מהשנים הראשונות של המאה ה- 20. ערים גדולות בארה"ב השתמשו במקווי מים קיימים כפתרון קצה לשפכים הסניטרים לאחר טיפול בהם: כך נהגו ב-Lexington, MA  החל מ- 1912. ערים נוספות בשנים שלאחר מכן.

רק בחצי הראשון של שנות ה- 80, כאשר כבר מאות ערים השתמשו ב - wetlands החלה הסוכנות האמריקאית לאיכות הסביבה, ה- EPA, לבדוק את איכות המים וההיבטים הסביבתיים של פעולות אלו. החלו להתברר התכונות הייחודיות של wetlands על מגוון הצמחים שבהן, כמערכות אקולוגיות ייחודיות
(ecosystems)  המסוגלות לטפל במים ולפרק מזהמים.

המחקרים האקדמיים הראשונים בנושא החלו דווקא באירופה. Prof. R.Kickuth החל את מחקריו על סילוק פנולים וטיפול בשפכי רפת באמצעות צמחי מים מסוימים ב – 1952.

בשנים שלאחר מכן התרחב המחקר בנושא. תחילה על אגני מים טבעיים ובהמשך גם על wetlands מלאכותיים (constructed wetlands ) שהוקמו באופן ייעודי לצורך הטיפול בשפכים.

יישום השיטה לצורכי טיפול בשפכים תעשייתיים החל באמצע שנות ה – 70 .

התרחבות השיטה והיישום החלו סביב 1985. מאז השתכללו המערכות והניסיון שהצטבר איפשר הקמת והפעלת מערכות wetlands באין ספור תחומים ויישומים.

כיום ניתן לראות את השיטה בתחומי התעשייה, חקלאות, שפכים עירוניים, תעשיות מזון ועוד שימושים רבים.

המהנדסים האקולוגים מסוגלים כיום לתכנן מערכות טיפול תוך הכרת ההיבטים ההידראוליים, הבוטניים והסביבתיים המשפיעים על התוצאות. מערכות wetland פועלות ברחבי העולם בתנאי אקלים שונים – באירופה, בארה"ב, בדרום אמריקה, בהודו ובעומן. באזורים קרים עד כדי קפיאה, ובאקלים חם ומדברי. במקרים רבים משלבים תכנון נופי מתוך הכרה שאין מדובר רק במערכת פרקטית הנדסית, אלא בהזדמנות לתרום לסביבה נאה ואקולוגית.

להלן דוגמאות ספורות מסיור באירופה:

 אזור תעשיה Hog Industrial Village, שבדיה

אזור התעשייה מאכלס תעשיות קלות ויבשות. בתי מלאכה, נגריה, מוסכים, תחנת שטיפה לאוטובוסים וכיו"ב.

כל השפכים הסניטרים נסנקים אל כיכר הכניסה לאזור התעשייה – המשמשת גם כאי תנועה. באמצע הכיכר (!!!) ממוקם wetland בו מטופלים כל שפכי אזור התעשייה (ראה תצלום).

שטח כולל – 1,000 מ"ר. הקולחים המטופלים משתחררים בגרביטציה אל בריכת נוי סמוכה (עם שולחן לפיקניקים בצמוד), וממנה גולשים אל הנחל הסמוך. האיכויות מבוקרות ע"י הרשויות.

המערכת פועלת כבר 10 שנים. המבקר במקום אינו יכול להבחין כלל בעובדה שמדובר בטיפול בשפכים. הזרימה כולה מתקיימת מתחת לפני הקרקע, אין שום ריחות רעים,
ופריחת הצמחים בבריכת הנוי  מקשטת את פינת הישיבה הסמוכה.

שדה התעופה  Schonefeld, ברלין, גרמניה

זהו אחד משלושת שדות התעופה המשמשים את ברלין.

בגלל תנאי החורף הקשים, מצטבר קרח על החלקים החיצוניים של המטוסים. תקנות הבטיחות אינן מאפשרות למטוסים להמריא במצבים אלו ולכן מרססים את המטוסים בחומרים מונעי קפיאה בטרם ההמראה. פעולה הנקראת deicing.

החומרים המשמשים הינם כימיקלים ( Glycols ואחרים) המוחלפים מידי פעם ונחשבים רעילים מאוד לסביבה. שאריות חומרים אלו מתפזרות ע"פ משטחי הבטון בשדה, וביחד עם מי הנגר מהווים תשטיפים רעילים ומזיקים.

לפיכך, כל מי הנגר בשדה נאספים ומטופלים על פני 15 דונם של wetlands. המערכת כוללת מספר שלבי טיפול: בשלב הראשון התשטיפים נאגרים במערכת המיועדת הן לטיפול והן לאגירה בתקופת החורף. ההזרמה אל שלב הטיפול השני מתקיימת לאורך כל השנה, במטרה לצמצם את גודל המערכת (טיפול בכל התשטיפים הנוצרים בחורף בזמן אמת היה מחייב שטחי טיפול גדולים יותר). התשטיפים המטוהרים מוזרמים אל גוף מים טבעי הסמוך לשדה ומהווה חלק מנוף המים בסביבה (ראה צילום).

האוניברסיטה הטכנית של קופנהגן

בלב הקמפוס, בעיר קופנהגן, מצויה מערכת wetland קטנה המשתלבת בתכנון הנופי של החצר בה היא ממוקמת. המערכת מיועדת לטיפול מוקדם בשפכים המשתחררים ממעבדה כימית בקמפוס. ע"פ החוק בדנמרק – אין להזרים שפכים כאלו אל מערכת הביוב הציבורית ללא טיפול קדם. המערכת בנויה מעל פני השטח, ומכוסה בהיקפה בצמחי נוי. בסמוך ל – wetland ישנם ספסלים המיועדים למנוחה והנאה מהשמש, שאינה אורח יומיומי באזור זה. המערכת מיועדת לטפל בכמות מירבית של 10 מ"ק ליום. השפכים המטופלים מוזרמים הלאה אל מערכת הביוב העירונית להמשך טיפול 'קונבנציונלי'. הפתרון הנופי שהוצג מרשים וידידותי – רק מי שכך נאמר לו - ידע שמדובר במערכת טיפול בשפכים (ראה צילום).

שאלות אופייניות

האם אין מטרדי יתושים?

התפתחות יתושים מחייבת שילוב של תנאי רטיבות וחום. המערכות שתוארו לעיל מאופיינות בזרימת שפכים מתחת לפני השטח בתווך נקבובי. זרימה כזו אינה חשופה לאטמוספירה ואינה גורמת לשטחים לחים או רטובים. אין יתושים.

מה לגבי מטרדי ריח?

תהליכי פרוק אנארובי של חומרים אורגניים עלולים להיות מלווים בהיווצרות גזים בעלי ריחות רעים. גזים אלו נספחים ע"י חלקי חרסית וקולואידים במצע הקרקע אשר הינם בעלי יכולת ספיחה גבוהה. כתוצאה מכך ובתוספת העובדה שהתהליך מתקיים מתחת לפני השטח לא מורגשים ריחות רעים ליד מתקני ה -wetlands .

איך מחושב השטח הנדרש?

שטח המערכת תלוי בגורמים רבים וביניהם: סוג ואופי השפכים, כמות וספיקה, התנאים הסביבתיים, ריכוזי המזהמים בכניסה למערכת והריכוזים המתבקשים במוצא.

הגורם היותר משמעותי הוא הספיקה היומית של השפכים הנכנסים למערכת.

השטח הינו יחסי ישר לכמות השפכים.

בהקשר לתנאים הסביבתיים יש לנו בארץ יתרון ע"פ ארצות בעלות אקלים חם פחות.

ככלל – התהליכים הביולוגיים מואצים ככל שטמפרטורת הסביבה גבוהה יותר.

ע"מ לתת סדרי גודל בלבד, ניתן לומר שבתנאי הארץ הטיפול בשפכים סניטרים יחייב בין 2-3 מטרים רבועים לנפש (כתלות בנתונים הספציפיים,) ע"מ להביא את הקולחים לאיכות הנדרשת ע"פ החוק. כך, ישוב בן 500 נפש המייצר כ – 100 מ"ק שפכים ליום יידרש ל-wetland   בשטח כולל שבין 1,000-1,500 מטרים רבועים.

יתרונות עיקריים ביחס למערכות טיהור אחרות

בהיות המערכת מאוזנת מבחינה ביולוגית לא נוצרת בוצה עודפת בתהליך. לפיכך, אין צורך לפנות בוצה ולטפל בה. כל החומר האורגני מאוכל, אין הצטברות חומרים עודפים במערכת. המערכת אינה תלויה בתחזוקה חיצונית – אין ציוד אלקטרו-מכני ואין תוספים כימיים. אין צורך לטפל בצמחיה – ההתרבות הינה טבעית ואפילו אגרסיבית.

יישום מערכות wetlands לטיפול בשפכים חוסך התחברות אל מערכות טיפול ציבוריות או אזוריות. לפיכך נמנעים תשלומי אגרה שנתיים לרשויות על טיפול בביוב.

ניתן לנצל את המערכת ליישום פתרונות בעלי ערך נופי – שילוב צמחיה מיוחדת ויצירת 'נקודה ירוקה בנוף'.

יישום בארץ ויחס הרשויות.

אצל הגורמים הממסדיים האמונים על אישור מערכות טיפול בשפכים ישנו חשש ממתקני טיפול המחייבים תחזוקה אינטנסיבית.

גם במשרדנו אנו, למדנו שמערכות המוחזקות בארגונים קטנים – עלולות להיכשל בגלל 'עייפות' המתחזקים או בגלל חוסר מקצועיות של הממונים על התחזוקה.

מינוי גורם חיצוני מסחרי לתחזוקה עשוי להיות פתרון טוב, אלא שבשלב זה או אחר העניין מתחיל להוות נטל כלכלי ועלול לקרות שהדברים יוזנחו.

מערכות wetlands חופשיות למעשה מתחזוקה ובכך יתרונן הבולט. יש בהחלט מקום להציע בישראל מערכות wetlands כאשר התנאים מתאימים לכך.

במגעינו עם משרדי הממשלה השונים נתקלנו בפתיחות רבה ל'טכנולוגיה' המוצעת.

התקבלו אישורים עקרוניים ליישום מערכות wetlands ממשרדי הבריאות, איכות הסביבה ונציבות המים.

ברור שכל מערכת ספציפית חייבת לקבל את אשור המוסדות כחוק.

מספר מערכות wetlands הנמצאות בשלבי תכנון מתקדמים או לקראת ביצוע קיבלו כבר את אישורי המוסדות הרלוונטיים. יתרה מזו – אושרו גם מענקים ייחודיים לפרויקטים לדוגמה.

ב 'א.א.מהנדסים' לקחנו על עצמנו כאתגר את קידום יישום מערכות ה-wetlands בארץ.

זאת מתוך הבנה שישנה בכך הזדמנות להציע מערכות אמינות מאוד אשר תוכלנה לפעול היטב בתנאים המקומיים גם לאורך זמן. מזה למעלה משלוש שנים עוסקים בתכנון וקידום הנושא בליווי צמוד של חברת יעוץ בינלאומית אשר התנסתה בתכנון מאות מתקנים בתנאי אקלים שונים ברחבי העולם – באירופה, באפריקה, במזרח התיכון, דרום אמריקה ועוד.

הגם שהמערכות הן פשוטות לכאורה, הניסיון התכנוני וההנדסי הינו קריטי להצלחה.

למי זה מתאים?

קיבוצים, מושבים, ישובים קהילתיים: ישובים מסוג זה מרוחקים בדרך כלל ממערכות אזוריות. בחלק מהם פועלות עדיין ברכות חימצון למיניהן או אפילו מאגרי קולחים. הרבה מאוד מבריכות החימצון אינן פועלות כבר כמתוכנן (אולי מהעמסת יתר במשך השנים או רמת תחזוקה נמוכה). עכ"פ - בודאי שאיכות הקולחים המופקים מהן כבר אינה תואמת את הדרישות העדכניות.

יישום טכניקת ה-wetlands בישובים כאלה תבטיח טיפול עצמאי בשפכים הנוצרים בישוב, איכות טיפול גבוהה, ומניעת הצורך לשלם אגרות ביוב למפעלי הטיהור האזוריים. למעשה - הורדת עלות הטיפול השוטף בשפכים כמעט לאפס.

מפעלי תעשייה ושפכים תעשייתיים : גם למפעלי תעשיה מרוחקים ישנם יתרונות בהקמת מערכת עצמאית לטיפול בשפכים. כמו כן, מפעלי תעשיה בהם נוצרים שפכים תעשייתיים מוגבלים ע"י החוק בסף עליון של ריכוז מזהמים המורשים להשתלב במערכות הטיפול האזוריות. במקרה כזה נדרש 'טיפול קדם' בתחום המפעל. מערכות Wetlands מסוגלות לשמש לטיפול קדם – הכנה להזרמת השפכים למערכת הציבורית. ברוב המקרים ישנה יכולת טובה לסילוק מתכות כבדות מתוך השפכים. אלו נספחות אל חלקיקי המצע או גם נקלטות ע"י הצמחים המותאמים למרכיבים הספציפיים שבשפכי התעשייה.

טיפול בבוצה : בוצה הינה תערובת רטובה של שפכים המכילים ערכים גבוהים יחסית של מוצקים. יכולת הסינון והמיצוי של הפילטר הביולוגי משמשת גם לטיפול וייצוב בוצה. השיטה נקראת sludge mineralization. הבוצה מופרדת לפרקציית נוזלים ולפרקציית מוצקים. אלו עוברים תהליך ייבוש והתפרקות ביולוגית שבסופו רק המינרלים הבלתי מתפרקים נותרים כאבקה מיובשת.

הפתרון מתאים למכוני טיהור בהם נוצרת בוצה עודפת, וכן לטיפול בשפכי בעלי חיים - רפת, אווזיות וכד'. כך למשל, מתוכננות כיום מספר מערכות אשר יטפלו בשפכי רפת כטיפול קדם לפני שילובם במערכת האזורית כטיפול קצה.

שיקום נחלים : המציאות היא שרבים מהנחלים בישראל מהווים יעד להזרמת שפכים בלתי מטופלים. Wetlands הינם פתרון מתאים מאוד לטיפול בשפכים לפני כניסתם לנחלים.

ניתן לפתח פארקים נופיים על גדות הנחלים ע"פ שטחים נרחבים שיהוו אטרקציית נופש תוך מניעת זיהום נחלים.

סיכום

הטיפול בשפכים באמצעות wetlands מבוסס על תהליכים טבעיים הפועלים כמסנן ביולוגי ואינו כרוך בהפעלת ציוד אלקטרו מכני. השיטה משמשת ברחבי העולם והשימוש בה הואץ והתבסס בשני העשורים האחרונים. ייחודה של השיטה הינו בהיותה חפשית בעיקרה מתחזוקה ומאוד אמינה. ניתן לטפל בשפכים ממקורות שונים ולהגיע לאיכויות קולחים גבוהות.

הטיפול נחשב כאקסטנסיבי משוכלל ומחייב הקצאת שטח להקמת גני הטיהור. יישום wetlands מתאים לישובים ומפעלי תעשיה המרוחקים ממערכות איסוף וטיפול אזוריות. באמצעות wetlands  ניתן גם לבצע טיפול קדם לשפכים קשים לפני שילובם במערכות הטיפול הקונבנציונליות. המסנן הביולוגי משמש גם לטיפול בבוצות העשירות בחומר אורגני וחומר יבש.