Głębokie napowietrzanie jezior jako element ich rekultywacji

Inspiracją do napisania poniższego artykułu była publikacja mgr. inż. Sebastiana Kawy w nr. 7–8/2017 „Rynku Instalacyjnego” dotycząca aeratora strumieniowego dennego (ASD). W ramach rozwinięcia tematu, ale również sprostowania pewnych informacji zawartych w tej publikacji, poniżej omówiono kilka istotnych aspektów związanych z głębokim napowietrzaniem jezior jako elementem ich rekultywacji.

Zagadnieniem napowietrzania głębokich jezior bez zakłócania ich stratyfikacji Instytut Ekologii PAN zajmował się już od lat osiemdziesiątych. Opracowano tam prototypowe urządzenie do tego celu, pod nazwą Ekoflox. W drugiej połowie tej samej dekady w przedsiębiorstwie Biotechnika skonstruowano drugą wersję tego urządzenia, pod nazwą Diflox. Prace nad tym zagadnieniem prowadziła na terenie Polski holenderska firma Multireactor. Obecnie kontynuuje je firma Biopax-WBWW we współpracy z Uniwersytetem Zielonogórskim.

Wyjaśnienia wymaga zjawisko pionowej stratyfikacji termicznej jezior i jej roli w metabolizmie zbiornika. W naszej szerokości geograficznej jeziora o głębokości 10 m i więcej podlegają tzw. pionowej stratyfikacji termicznej. Zjawisko to polega na uwarstwieniu wody, przy czym poszczególne warstwy nie mieszają się ze sobą przez cały okres lata i zimy. Wymieszanie występuje tylko dwa razy w roku, w czasie tzw. cyrkulacji jesiennej i wiosennej. Oznacza to, że latem tworzą się trzy niemieszające się warstwy wody: ciepła, stale natleniana wiatrem warstwa powierzchniowa – epilimnion, przejściowa warstwa – metalimnion (termoklina) oraz zimna warstwa o temperaturze ok. 4–6°C – hypolimnion.

Czytaj też: Podstawy teoretyczne płukania filtrów pospiesznych wody >>>

Termoklina układa się na głębokości ok. 8–10 m. Jednocześnie do głębokości kilku metrów, a więc w obrębie epilimnionu, występuje tzw. strefa fotyczna, do której dociera światło i jest to w związku z tym jednocześnie strefa występowania flory jeziornej. Głębsze warstwy nie są zasilane w tlen pochodzący od działania wiatru i roślin zielonych, a występująca tu najczęściej fauna korzysta z tlenu, który został zmagazynowany w wodzie po cyrkulacji wiosennej. Jeśli przyrost roślinności w epilimnionie jest wysoki, to w hypolimnionie szybko mamy do czynienia z dużą zawiesinę w postaci martwych części roślin, które jako zawiesina organiczna do procesu w swojego rozkładu wymagają dużej ilości tlenu. Jeśli do tego dodamy potrzeby oddechowe fauny wodnej, okaże się, że bardzo często w hypolimnionie występuje zjawisko tzw. przyduchy, czyli znacznego deficytu tlenowego.

Konsekwencją wystąpienia warunków redukcyjnych (niedotlenionych czy nawet beztlenowych) jest niszczenie kompleksu sorpcyjnego naturalnie rozpuszczonego w wodzie żelaza. Żelazo z formy Fe³⁺ przechodzi w Fe²⁺. Doprowadza to do gwałtownego uwalniania fosforu co dalej nakręca i przyspiesza spiralę eutrofizacji (przeżyźnienia), mogącej trwale „uszkodzić” ekosystem zbiornika wodnego.  Pierwszym objawem takiego stanu jest gwałtowny zakwit jeziora. Drugim negatywnym, powszechnie znanym i bardzo widocznym objawem deficytu tlenowego jest masowe śnięcie ryb. Jest to sygnał, że rozpoczął się proces gwałtownego umierania zbiornika.

Jak wynika z powyższego uproszczonego schematu, pierwszym zabiegiem rekultywacyjnym w obrębie samej misy jeziora powinna być likwidacja deficytu tlenowego w hypolimnionie (pod termokliną), a zwłaszcza strefy przydennej, żeby zahamować uwalnianie fosforu i przywrócić zdolność jego wiązania jonom żelaza. Problemem, który tu napotykamy, jest konieczność podjęcia decyzji, czy zburzyć pionową stratyfikację zbiornika. Znakomita większość limnologów jest zdecydowanie przeciwna takim zabiegom, preferując działania jak najmniej inwazyjne. A to właśnie napowietrzenie hipolimnionu bez zakłócenia stratyfikacji zbiornika jest zabiegiem najmniej inwazyjnym w całym przedsięwzięciu. Jego przeprowadzenie jest możliwe za pomocą specjalnie skonstruowanego ASD.

Jeżeli jezioro potraktujemy jako dynamiczny układ chaotyczny, na który chcemy wpłynąć w sposób porządkujący, dający konkretny, zamierzony efekt, musimy wprowadzić czynnik (np. działanie poprzez jakieś urządzenie) na tyle silny, żeby dały się zauważyć skutki w postaci uporządkowania przebiegów procesu w jeziorze. Oznacza to, że działanie w przestrzeni jeziora musi być na tyle znaczące, żeby wpłynęło i ukierunkowało procesy w sposób przez nas pożądany. Nie każde działanie jest bowiem w stanie uporządkować chaos, znamienne jest tu powiedzenie: „kijem Wisły nie zawrócisz”. Z całym szacunkiem dla wszystkich pomysłów, takich jak np. aerator pulweryzacyjny, jedynym urządzeniem mogącym spełnić wszystkie wymienione powyżej warunki jest ASD z szerokim płaszczem powrotnym (rys. 1).

Rozwiązania takie jak aerator pulweryzacyjny i podobne, działające w zależności od warunków atmosferycznych i charakteryzujące się przeważnie stosunkowo małym wydatkiem, można stosować, ale raczej w sytuacjach utrzymania status quo, po głównych zabiegach rekultywacyjnych, by zapobiec zjawiskom odprężania.

Urządzenie ASD pracuje w oparciu o zasadę działania pompy mamut i zostało skonstruowane specjalnie do głębokiego napowietrzania jezior stratyfikowanych termicznie. Aerator usytuowany jest tuż nad dnem. Jego dolna część ma kształt stożka, pod którym umieszczona jest dysza emitująca powietrze podawane z urządzenia sprężającego. Sprężarka (dmuchawa) może być usytuowana na brzegu bądź na platformie pływającej przy ASD, a zasilanie energetyczne może pochodzić z sieci energetycznej lub z dowolnego OZE. Powietrze do dyszy doprowadzane jest rurociągiem łączącym dyszę ze sprężarką. Emitowana przez dyszę chmura pęcherzyków powietrza wznosi się w rurze pionowej. Mieszanina wody i pęcherzyków powietrza ma więc wypadkową gęstość o wiele mniejszą (0,5–0,7) niż otaczająca je woda. W związku z tym pod płaszcz dolnego stożka następuje gwałtowne zasysanie wody przydennej, do zassania której niepotrzebna jest żadna inna pompa z dodatkowym zasilaniem energetycznym. Wydajność pompująca takiego urządzenia zależy od średnicy rury pionowej, głębokości zbiornika i wydajności źródła powietrza. Wynosi ona przy średnicy rury pionowej 1 m i większej nawet do kilku tysięcy m³/h przepompowanej wody.

Pompowana w ten sposób mieszanina wody i powietrza wypływa na powierzchnię do przestrzeni ograniczonej wystającym z wody płaszczem powrotnym. W czasie ruchu w górę i w przestrzeni nad rurą pionową (gdzie następuje końcowe mieszanie i zawrócenie strugi wypompowywanego medium w kierunku dna) następuje wymiana międzyfazowa – rozpuszczanie tlenu w wodzie. Średnica płaszcza powrotnego musi być dobrana w ten sposób, żeby prędkość wody w dół (Vw) na zewnątrz rury pionowej była mniejsza od prędkości wzniosu w wodzie pęcherzyków powietrza (Vp). Przy takich warunkach struga powrotna uwolni się całkowicie od pęcherzyków powietrza. Dzięki temu natleniona woda, wydostając się spod płaszcza pod termokliną, nie ma tendencji do wznoszenia się do góry, tylko zostaje w strefie przydennej, co właśnie chciano osiągnąć. Mankamentem takiego napowietrzania jezior jest konieczność dostarczania energii elektrycznej do urządzeń sprężających powietrze, jednak, jak już wspomniano, energia ta zużywana jest wyłącznie na sprężanie powietrza – nie występują tam żadne inne pompy, ponieważ sam aerator jest gigantyczną pompą. 

Zapotrzebowanie na energię zwiększa się wraz z głębokością zbiornika (rośnie spręż powietrza, a więc i konieczna moc dmuchawy). Istnieje jednak rozwiązanie, które powoduje, że zapotrzebowanie na energię niekoniecznie musi drastycznie rosnąć wraz z głębokością zbiornika. Aerator głębokiego ssania (rys. 2) został skonstruowany na potrzeby jezior o głębokości powyżej 10 m (graniczna wielkość działania dmuchaw systemu Roots). Maksymalnie na tej głębokości umieszczana jest dysza powietrza, natomiast urządzenie przedłużone jest w dół, poniżej dyszy, aż do strefy przydennej jeziora o głębokości np. 20 m. Wytworzenie nad dyszą medium o niskiej gęstości powoduje zasysanie przez dołączoną poniżej dyszy rurę pionową zdegradowanej wody znad dna. Dalej zjawisko to przebiega tak, jak opisano wcześniej.

Całe lata beztroskiego zanieczyszczania wód powierzchniowych, w tym niestety również stojących, doprowadziły do znacznego zdegradowania wielu jezior w Polsce. Nie da się niestety usunąć skutków takich zachowań, nie ponosząc kosztów. Trzeba zapłacić za lata tej nieodpowiedzialnej działalności. Dlatego próby przeprowadzania zabiegów rekultywacyjnych bez przeznaczenia na to odpowiednich środków będą nieskuteczne i spowodują dalsze straty – zarówno w ekosystemach wodnych, jak i w budżetach jednostek, które będą próbowały rozwiązywać problem częściowo. Przykładem próby takiego częściowego rozwiązania jest zastosowanie jednego aeratora na jeziorze Kortowskim czy plany rekultywacji tylko części jeziora Jamno. 

Czytaj też: Jak uzdatnić wodę w domu? >>> 

Literatura

1. Kawa S., Napowietrzanie wód zbiorników wodnych z zastosowaniem OZE, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2017. 

2. Sadecka Z. Waś J., Cyrkulacyjny przepływowy reaktor biologiczny, „Wodociągi – Kanalizacja” nr 1/2008.

3. http://www.biopax.eu.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!