Transcript Metody i technologie rewitalizacji zdegradowanych wód.

Metody i technologie
rewitalizacji zdegradowanych
środowisk wodnych
Możliwości zastosowania w jeziorach
mazurskich
Prof. dr hab. Ryszard J. Chróst – Zakład Ekologii Mikroorganizmów UW
Przyczyny i skutki eutrofizacji wód
podlegające bioremediacji
• Nadmiar substancji biogennych w ekosystemie
– wysokie stężenia N i P w wodzie
– kumulacja biogenów w osadach dennych
– „internal loading” kolumny wody biogenami z osadów dennych
• Masowe zakwity fitoplanktonu:
– dominacja cyjanobakterii (sinic)
– wytwarzanie cyjanotoksyn
• Nadprodukcja materii organicznej w ekosystemie:
– wzrost stężenia DOM w wodzie
– podwyższenie ilości zawiesiny organicznej POM w wodzie
– wzrost miąższości osadów dennych (wypłycanie zbiornika) oraz
zawartości w nich materii organicznej (POM + DOM)
Przyczyny i skutki eutrofizacji wód
podlegające bioremediacji
• Spadek przezroczystości wody
– pogorszenie warunków fotosyntetycznego natleniania wody
• Deficyty tlenowe w wodzie i osadach dennych
–
–
–
–
spadek odczynu pH oraz redox środowiska
przewaga mikrobiologicznych procesów anaerobowych
zahamowanie mineralizacji materii organicznej
wzrost ilości toksycznego siarkowodoru
• Niekorzystne zmiany w biocenozie:
– spadek bioróżnorodności gatunkowej
– zmniejszenie bioróżnorodności funkcjonalnej
– zakłócona równowaga ekologiczna homeostazy
Metody rekultywacji jezior
• Selektywne usuwanie wód hypolimnionu,
• Sztuczne napowietrzanie jezior,
• Usuwanie osadów dennych (bagrowanie),
• Przepłukiwanie/rozcieńczanie,
• Inaktywacja fosforu,
• Metody biologiczne
Selektywne usuwanie wód
hypolimnionu
Po raz pierwszy na świecie przeprowadził ten zabieg Przemysław
Olszewski na jeziorze Kortowskim w Olsztynie.
Selektywne usuwanie wód
hypolimnionu
 Zabieg
ten jest możliwy tylko w jeziorach przepływowych,
polega na odprowadzeniu (na zasadzie syfonu) silnie
przeżyźnionych wód głębinowych, zamiast samorzutnego
odpływu wód powierzchniowych.
 Proces
bardzo powolny, korzystne efekty po długim czasie
stosowania (kilka-kilkanaście lat)
 Odprowadzane
wody hypolimnionu są silnie
zanieczyszczone N i P, beztlenowe, zawierające toksyczny
siarkowodór i metale ciężkie – wymagają specjalnej
technologii oczyszczania
 Metoda
droga i mało skuteczna, dająca niewspółmierny
efekt pozytywny w porównaniu z czasem koniecznym do
zastosowania metody
Sztuczne napowietrzanie jezior
Rodzaje rusztów napowietrzających
Sztuczne napowietrzanie jezior
Metoda bardzo energochłonna przez co bardzo kosztowna
Efektywność napowietrzania i poprawa jakości ekologicznej zbiornika
(wzrost jakości wody, poprawa bioróżnorodności, itp.) jest procesem
bardzo długim, wieloletnim,
 Zaprzestanie napowietrzania powoduje bardzo szybkie pogorszenie
jakości ekologicznej zbiornika do stanu pierwotnego


Usuwanie osadów dennych
(bagrowanie)
Schemat procesu bagrowania osadów dennych wraz z oczyszczeniem
wody
Usuwanie osadów dennych
(bagrowanie)


Metoda bardzo droga
Konieczność składowania osadów i ich kompostowania (kosztowne,
niebezpieczne dla środowiska)
 Nieprzewidywalne skutki bagrowania dla funkcjonowania zbiornika i
jakości jego wód
 „Katastrofa ekologiczna” dla zbiornika
Przepłukiwanie/rozcieńczanie

Metoda możliwa wyłącznie do zastosowania w przypadku
zbiorników o małej objętości wód polegająca na doprowadzeniu
do zanieczyszczonego zbiornika wody czystej (wodociągowej lub z
sąsiedniego zbiornika o lepszej jakości wody).

Problem co zrobić/gdzie odprowadzić wodę z zanieczyszczonego
zbiornika

Metoda całkowicie nieprzydatna w przypadku jezior
Inaktywacja fosforu
Wytrącenie fosforu mineralnego (ortofosforanowego) z wody i/lub wody
interstycjalnej osadów dennych przez chemiczne koagulanty. W
zależności od zastosowanego koagulantu wytrącony na powierzchnię
osadów dennych fosfor mineralny jest krócej lub dłużej immobilizowany i
niedostępny biologicznie – metoda wyłącznie pomocna w kontroli
biomasy fitoplanktonu w zbiornikach limitowanych fosforowo.
W Polsce najczęściej stosowane są koagulanty oparte na wiązaniu
fosforu mineralnego przez związki żelaza (PIX) lub aluminium (PAX) –
wytrącone z wody i osadzone na powierzchni dna kompleksy fosforu z
żelazem lub aluminium są nierozpuszczalne i stabilne wyłącznie w
środowisku dobrze natlenionym, stają się rozpuszczalne w odtlenionych
środowiskach.
Aluminium
Żelazo
Inaktywacja fosforu
Najlepszym koagulantem do inaktywacji fosforu jest preparat Phoslock
(opatentowany w 1998 r. w Australii, prawie niestosowany w Polsce)
oparty na naturalnej glince kalinicie wzbogaconej w lantan. Połączenie
fosforu mineralnego z lantanem jest bardzo trwałe i nie zależy od
stopnia natlenienia środowiska.
Schemat działania Phoslock w jeziorach
Metody biologiczne





Zmiany struktury gatunkowej ryb w piramidzie troficznej zbiornika
(biomanipulacja)
Struktury biologiczne o dużej filtracji zawiesiny (np. Dreisena
polymorpha), lub dużej powierzchni czynnej porośniętej peryfitonem
asymilującym biogeny z wody
Fitoremediacje
Naturalne algicydowe właściwości słomy jęczmiennej – zapory
balotowe
Bioremediacja mikrobiologiczna
Zalety
Oparte na ekologicznych prawach
funkcjonowania ekosystemów
wodnych
Stosunkowo mało inwazyjne
Wykorzystujące naturalne
właściwości i interakcje
międzygatunkowe
Dosyć długotrwały efekt końcowy
Wady

Wymagają długiego czasu
stosowania i kontroli
Wymagają profesjonalnej wiedzy
podczas kontrolowania zabiegów

Bioremediacja mikrobiologiczna






Stosowana w zbiornikach wodnych od kilkunastu lat na
świecie.
W Polsce stosowana dopiero od 2-3 lat.
Metoda oparta na wykorzystywaniu naturalnych właściwości
degradatywnych specjalnie dobranych zespołów
mikroorganizmów o dużym potencjale biochemicznometabolicznym do rozkładu i wykorzystywania substancji
organicznych.
Nieinwazyjna i bezpieczna w środowisku.
Działa zarówno na degradację zanieczyszczeń w wodzie jak i
w osadach dennych.
Oparta na procesach i interakcjach mikrobiologicznych w
ekosystemie.
Konsumpcja materii organicznej w zbiornikach
wodnych
① Konsumpcja rozpuszczonej w
wodzie materii organicznej
(DOC) przez mikroorganizmy
pikoplanktonowe (głównie
bakterie) inicjuje transfer
cząstkowej materii organicznej
w obrębie sieci pokarmowych
do wyższych poziomów
troficznych.
② Najważniejszym etapem w tym
procesie jest biotransformacja
rozpuszczonej w wodzie
materii organicznej (DOC) do
cząstkowej (partykularnej)
materii organicznej POM
wyłącznie przeprowadzana
przez bakterie heterotroficzne i
wytworzenie ich biomasy.
Metabolizm bakterii w procesach przemian
materii organicznej
Asymilacja materii organicznej
10-30%
BIOMASA
bakterii
70-90%
ENERGIA
Powstaje w drodze biologicznego utleniania
(biologicznego „spalania”)
związków organicznych
Metabolizm bakterii w procesach przemian
materii organicznej
CO2
Biogeny mineralne
(m.in. PO43-, NH4+)
Materia organiczna
BIOMASA
Metabolizm bakterii w procesach przemian
materii organicznej
Aktywny metabolizm bakterii w procesach asymilacji i
mineralizacji materii organicznej doprowadza do:
•produkcji biomasy bakterii, w której związane zostały znaczne
ilości związków organicznych i biogennych (C, N, P, S)
•szybkiej konsumpcji wytworzonej biomasy przez bakterio-żerców
i organizmy zwierzęce z wyższych poziomów troficz-nych, których
końcowymi ogniwami są gatunki o komercyjnym znaczeniu w
gospodarce człowieka zasobami wodnymi (duże bezkręgowce,
ryby, ptaki, ssaki).
•eksploatacja gatunków komercyjnych doprowadza do wyniesienia z ekosystemu dużej porcji materii organicznej w postaci
odławianej biomasy
•zasadnicza część (70-90%) asymilowanej przez bakterie wodne
materii organicznej jest mineralizowana w warun-kach tlenowej
respiracji do dwutlenku węgla (CO2), soli mineralnych N, P, S
Czym są Eco-TabsTM?
Wielofunkcyjne tabletki zawierające:
 inokulum wyspecjalizowanych szczepów
niepatogennych bakterii tlenowych oraz
grzybów, mikroorganizmów występujących
w środowiskach naturalnych wysoce
aktywnych metabolicznie do biochemicznej degradacji materii organicznej
 substancje buforujące wodę oraz laktozę
- czynniki regulujące pH i dostarczające
startowy dwucukier w metabolizmie bakterii, które zapewniają optymalne warunki
rozwoju
 donor tlenu cząsteczkowego O2 uwalnianego do wody w Technologii Separacji
Microdot (TSM), nano-micro pęcherzyki
tlenu doskonale natleniające wodę i
powierzchnie zawiesiny warunkujące
szybkie procesy mineralizacyjne materii
organicznej
Jak działają Eco-TabsTM?
Stymulują i przyśpieszają
naturalne procesy obiegu
materii organicznej i
mineralnej w środowisku
CO2
O2
Eco-tabs
Materia organiczna
Biogeny mineralne
(m.in. PO43-, NH4+)
BIOMASA
bakterii
Jak działają Eco-TabsTM w zbiornikach wodnych?
EFEKT
Wzrost natlenienia kolumny wody
oraz osadów dennych
SKUTEK
 Stymulacja rozwoju bakterii i organizmów
tlenowych w zbiorniku
 Oksydacja H2S do siarczanów
Wzrost biomasy bakterii i grzybów
tlenowych w wodzie i osadach
dennych
 Zwiększona konsumpcja i respiracja
bakterii na materię organiczną,
 Wzrost zapotrzebowania pokarmowego
na zawiesinę organiczną przez
organizmy sieci troficznych w zbiorniku
Gwałtowna mineralizacja materii
organicznej przez mikroorganizmy,
zwiększona ilość CO2 w wodzie
 Precypitacja chemiczna utlenionych form
fosforanu mineralnego (zablokowanie P w
osadach dennych)
 Procesy nitryfikacji i anammox – usuwanie związków azotu w postaci N2
 Wzrost przezroczystości wody
Spadek zawartości materii
organicz-nej DOM i POM w wodzie i  Spadek miąższości osadów dennych
 Wzrost głębokości zbiornika
osadach dennych
Jak działają Eco-TabsTM w zbiornikach wodnych?
EFEKT
SKUTEK
Zmniejszenie stopnia eutrofizacji
zbiornika
 Polepszenie jakości wody dla celów
konsumpcyjnych i rekreacyjnych
Korzystne zmiany w składzie
fitoplanktonu, zooplanktonu i ryb
 Ograniczenie zakwitów wody
 Zmniejszenie ryzyka występowania
toksycznych zakwitów cyjanobakterii
 Zwiększenie atrakcyjności rekreacyjnej
zbiornika
Zwiększenie bioróżnorodności
organizmów wodnych
 Polepszenie ekologicznej jakości wód
zbiornika
 Zwiększenie stabilności homeostazy
ekosystemu
 Wzrost atrakcyjności rekreacyjnej
zbiornika
Odnowa biologiczna i ekologiczna
zbiornika
 Wzrost znaczenia gospodarczego i
społecznego zbiornika
 Wzrost atrakcyjności rekreacyjnej
zbiornika
W jakich zbiornikach wodnych stosować
biotechnologię Eco-TabsTM?
 Płytkie jeziora i zbiorniki wodne
 Płytkie zatoki dużych jezior
 Stawy rybackie i hodowlane
 Stawy miejskie i rekreacyjne
 Laguny w oczyszczalniach ścieków
 Starorzecza o niewielkim przepływie wód
Do czego stosować Eco-TabsTM w
bioremediacji zbiorników wodnych?
Zastosowanie Eco-TabsTM w bioremediacji jest polecane w celu:
 Dodatkowego natlenienia wód i osadów dennych
 Wspomożenia naturalnych procesów samooczyszczania się wód
 Usunięcia nadmiaru skumulowanej materii organicznej
w wodzie i osadach dennych
 Usunięcia nadmiaru osadów organicznych
 Mineralizacji zasobów fosforu organicznego i
unieczyn-nienia nadmiaru fosforanów mineralnych w
wodzie i osadach dennych
 Kontroli silnych zakwitów fitoplanktonu i eliminacji
dominacji cyjanobakterii (sinic)
 Wzrostu efektywności rybackiej gospodarki hodowlanej
poprzez poprawienie jakości biologiczno-chemicznej i
sanitarnej wód oraz poprawę ich bioróżnorodności
Dlaczego stosować biotechnologię
Eco-TabsTM w bioremediacji?
 Naukowe podstawy biotechnologii Eco-TabsTM oparte są
na naturalnych procesach samooczyszczania się wód i
mikroorganizmach prowadzących ten proces
 Biotechnologia Eco-TabsTM nie wprowadza do środowiska
naturalnego syntetycznych substancji chemicznych i
mikroorganizmów genetycznie zmodyfikowanych
 Eco-TabsTM są bezpieczne dla środowiska naturalnego a
ich działanie polega na stymulacji przebiegu i
intensyfikacji naturalnych procesów biochemicznych i
biogeochemicz-nych samorzutnie zachodzących w
środowiskach wodnych
 Bioremediacja zbiorników wodnych w technologii EcoTabsTM nie powoduje niepożądanych skutków ubocz-nych
dla środowiska naturalnego (w przeciwieństwie do wielu
technologii powszechnie stosowanych w rekultywacji
zbiorników wodnych, np. usuwania osadów, koagulacji
chemicznej fosforu, itp.).
TM
Eco-Tabs
Nadzieja dla zdegradowanych
zbiorników i środowisk wodnych
Prof. dr hab. Ryszard J. Chróst – Zakład Ekologii Mikroorganizmów UW