W obszarach rolniczych dominują rozproszone źródła zanieczyszczenia wód, w tym także w związków azotu. Najbardziej mobilną formą azotu są jony azotanowe, które wraz z wodami gruntowymi i powierzchniowymi maja dużą zdolność przemieszczania się i jeśli nie zostaną przechwycone lub usunięte przed dotarciem do zbiornika wodnego, to zwiększają tempo eutrofizacji i prawdopodobieństwo wystąpienia zakwitów.

Związki azotu rozkładają się w wodzie do formy jonów azotanowych (NO3), ta forma jest pobierana przez rośliny i fitoplankton, w tym sinice. Alternatywną ścieżką jest proces denitryfikacji, w którym bakterie wykorzystują azotany i w procesie biochemicznym przekształcają do wolnego azotu gazowego, który oddają do powietrza. Efektywność procesu zależna jest jak w większości procesów biologicznych od temperatury, pH, stężenia tlenu rozpuszczonego w wodzie oraz w przypadku tego procesu od dostępności węgla i prędkości przepływu wody. Te pięć czynników ma największy wpływ na tempo denitryfikacji, ale jak na nie popatrzymy to w skali dużych obszarów nie jesteśmy w stanie ich kontrolować z wyjątkiem ilości węgla.

W naturalnych warunkach tylko około 3 mg NO3/l może ulegać denitryfikacji (Niżyńska, 2005). W skali globalnej proces tej jest niezwykle istotny dla podtrzymania życia na Ziemi, ponieważ jest jedynym procesem biologicznym, w którym azot z formy związanej zamieniany jest w formę gazową. Ponadto w świetle jakości wód i unijnej dyrektywy azotanowej, powinniśmy dążyć do ograniczenia ilości azotanów w wodach, ponieważ ich nadmiar powoduje:

  • przy stężeniach powyżej 10 mg/L w wodzie pitnej może prowadzić do methemoglobinemi, choroby, która ogranicza ilość tlenu transportowanej w krwi w związku ze mianami w strukturze hemoglobiny;
  • choroba lub śmierć zwierząt gospodarskich po spożyciu zanieczyszczonej azotanami wody, przyjmuje się odpowiednio wartości 100 mg/L i 300 mg/L;
  • przyspieszenie eutrofizacji zbiorników wodnych – co wiąże się ze zwiększeniem ryzyka pojawienia się zakwitu sinicowego.

Wracają do ilości węgla. Wydaje się, że to jedyny element, którym możemy zarządzać, aby wspomóc proces denitryfikacji w obszarach o rozproszonych źródłach zanieczyszczeń. Badania nad takimi rozwiązaniami prowadzone są głównie w trzech miejscach na świecie: w Kanadzie (pierwsza publikacja Blowes i in., 1994) w Nowej Zelandii (Schipper i Vojvodic-Vukovic, 1998) i w Polsce (pierwsza praca magisterska z 2008, a publikacja Bednarek i in., 2010). Rozwiązania bazujące na dodaniu węgla do środowiska zaczęto nazywać barierami denitryfikacyjnym, w których wyróżnić możemy 3 główne typy: ściana, warstwa i zbiornik (po angielski stosowane są odpowiednio nazwy wall, layer i bed). Ich ogólną charakterystykę przedstawiają poniższe schematy.

sciana
Schemat budowy ściany denitryfikacyjnej dla obszarowych zanieczyszczeń, A – rzut pionowy B – rzut poziomy (na podstawie Schipper i in., 2010)
warstwa
Schemat budowy warstwy denitryfikacyjnej (na podstawie Schipper i McGill, 2008).
loze
Schemat konstrukcji łoża denitryfikacyjnego dla punktowego zrzutu zanieczyszczonej wody (na podstawie Schipper i in., 2010)

 

Oprócz różnych wariantów konstrukcji badano także rodzaj surowca będącego źródłem związków węgla organicznego. Początkowo używano do tego celu głównie odpadów drzewnych jak trociny (odpad z tartaku) czy liście. Później zaczęto szukać innych źródeł węgla organicznego – słoma owsiana, kolby kukurydzy, słoma pszeniczna, kompost, słoma jęczmienna, słoma lniana, paździerz lniany, bawełna, łuski ryżu czy węgiel brunatny o niskiej kaloryczności (tzw. miał).

Na podstawie dotychczasowych badań zidentyfikowano i wskazano możliwe zastosowania tych rozwiązań, czego podsumowaniem jest poniższy schemat.

zastosowania
Możliwe lokalizacje barier denitryfikacyjnych dla ochrony przed obszarowymi źródłami zanieczyszczeń azotowych (na podstawie Bednarek i in., 2014)

Jakie są zalety tych rozwiązań:

  • prosta i nisko kosztowa konstrukcja
  • możliwość zastosowania produktów odpadowych
  • trwałość – działa co najmniej 15 lat
  • nie ingeruje w krajobraz, po zakończeniu budowy niewidoczne na powierzchni (dotyczy ściany i warstwy)
  • wysoka efektywność (zazwyczaj w zakresie 50-99%) w stosunku do kosztów budowy

Rozwiązania te mają też swoje wady:

  • Nie każdy materiał odpadowy się nadaje, oprócz zasobności w węgiel powinien on mieć długi czas rozkładu, dla zapewnienia długoletniej pracy takich barier
  • Efektywność zależy od warunków hydrologicznych – bariera musi być cały czas mokra, aby proces zachodził – ściany i warstwy najlepiej budować, gdy poziom wód gruntowych utrzymuje się przez cały rok na poziomie co najmniej 2-3 metrów. W przypadku zbiornika, stosunek dopływ-odpływ musi zapewnić stałe wypełnienie wodą.
  • Czasami może być problem ze znalezieniem odpowiedniego materiału węglowego w danej lokalizacji, co powoduje wzrost kosztów związanych z transportem

 

budowa
Etapy budowy ściany denitryfikacyjnej A- teren przed budową, B – wykopanie rowu, C – źródła węgla (w tym przypadku paździerz lniany), D – dodanie źródła węgla, E – wymieszanie ziemi ze źródłem węgla, F – teren po zakończeniu prac (czerwoną linią zaznaczono miejsce w którym znajduje się ściana) (Szklarek, 2011).

 


Więcej informacji i aktualności:

  • Strona projektu AZOSTOP – tutaj.

Źródła:

 

 

 

 

Reklamy