Napowietrzanie wód zbiorników wodnych z zastosowaniem OZE

Streszczenie

Artykuł przedstawia najczęściej stosowane urządzenia służące napowietrzaniu zbiorników wodnych, w których problemem jest duża ilość materii organicznej, która przyczynia się do procesu eutrofizacji. Opisuje zasady ich działania. Głównym tematem jest przedstawienie możliwości na wykorzystanie odnawialnych źródeł energii do zasilania procesu napowietrzania wód. Omawia napowietrzanie aeratorem strumieniowym dennym (ASD) wspomagającym poprzez panele fotowoltaiczne lub generatory wiatrowe. Kolejnym możliwym do zastosowania opisanym urządzeniem jest pulweryzator mobilny. Przedstawia również sposób wykorzystania rusztów napowietrzających współpracujących z fotowoltaiką i generatorami wiatrowymi. Artykuł wylicza oraz ocenia skutki jakie niesie za sobą napowietrzanie wód warstw przydennych lub naddennych zagrożonego eutrofizacją zbiornika wodnego.

 

Słowa kluczowe: aeracja, napowietrzanie, OZE, pulweryzacja

---

* mgr inż. Sebastian Kawa, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki

1. Wprowadzenie

Budowa sztucznych zbiorników wodnych, a także zagospodarowanie jezior i stawów miały swój rozkwit w XX wieku. Wtedy też rozpoczęto użytkowanie m. in. Zbiornika Solińskiego (1968), Włocławskiego (1970) czy Czorsztyńskiego (1997).

Zmiana ustroju, która nastąpiła w 1989 roku spowodowała rozwój kraju, przyspieszoną urbanizację i rozrost miast. Jednocześnie wzrosło zapotrzebowania na wodę i energię, a co za tym idzie zwiększyła się ilość produkowanych ścieków przemysłowych oraz bytowo-gospodarczych. To właśnie przez braki sieci kanalizacyjnej – głównie na terenach wiejskich – rzeki transportowały zanieczyszczenia do zbiorników wodnych powodując ich degradację. Wieloletnie zaniedbania spowodowały wysokie stężenia azotanów i fosforanów oraz niedobory tlenu w warstwach przydennych w wodach stojących. Stworzyło to konieczność przedsięwzięcia odpowiednich i dynamicznych kroków w celu ochrony środowiska przyrodniczego wód stojących, tak, aby zabezpieczyć je przed procesem eutrofizacji.

Wzrost stężeń zanieczyszczeń spowodował wzrost żyzności wód, a co za tym idzie rozwój glonów oraz sinic, które degradują faunę jeziora oraz powodują jego wypłycanie. Stąd też konieczność prowadzenia rekultywacji jezior i zbiorników wodnych. Jednym ze sposobów jest napowietrzanie wód warstw przydennych, które może być wspomagane poprzez systemy wykorzystujące odnawialne źródła energii (OZE).

Napowietrzanie wód zbiorników wodnych jest jednym z podstawowych zabiegów wykonywanych podczas rekultywacji jezior. Stosowanie tej formy poprawy stanu środowiska naturalnego zbiornika wodnego daje określone rezultaty. Główne efekty stosowania napowietrzania są następujące:

• zasysanie wody z dolnych stref, a zarazem jej mieszanie poprzez drobne pęcherzyki powietrza. Łamana jest w ten sposób stratyfikacja termiczna w zbiorniku wodnym;
• zwiększenie ilości tlenu rozpuszczonego w wodzie;
• rozwój bioróżnorodności ekosystemu wodnego, dzięki dobrym warunkom wodnym i wysokiej jakości wody;
• zabezpieczenie (przez cały rok) przed zjawiskiem przyduchy, natomiast w okresie zimy tworzy dodatkowo naturalne przeręble;
• rozkład materii organicznej, a zarazem ograniczenie możliwości zakwitów glonów i zaistnienia procesu eutrofizacji.

Celem artykułu jest przegląd możliwych do zastosowania urządzeń napowietrzających oraz metod ich konfiguracji z OZE.

2. Urządzenia napowietrzające i ich konfiguracja z OZE

2. 1. Aerator strumieniowy denny (ASD)

Urządzenia ASD stworzono z myślą o zastosowaniu ich w oczyszczalniach ścieków. Okazało się jednak, że w odpowiedniej konfiguracji mogą być również wykorzystywane jako napowietrzacze wód powierzchniowych.

Aerator strumieniowy denny zbudowany jest z dyszy powietrznej, stożka iniekcyjnego, rury wznoszącej, płaszcza powrotnego, rury głębokiego ssania (dla jezior głębokich), kierownicy rozpraszającej oraz deflektora tłumiąco-rozpraszającego [1].

Wyżej wymienione elementy stosuje się razem lub wybiórczo w zależności od okoliczności oraz możliwości zastosowania.

Zasada działania aeratora jest bardzo prosta. Sprężone powietrze doprowadzane jest do dyszy powietrznej, która znajduje się na dnie aeratora (bądź w określonej projektowanej wysokości nad dnem w przypadku natleniania jezior głębokich). Na dnie urządzenia umiejscowiona jest pompa ssąca mająca na celu zasysanie wód przydennych. Kolejno woda jest natleniana oraz „wyrzucana” w warstwie powierzchniowej zbiornika. W tym miejscu dodatkowo można stosować płaszcze powrotne w celu zawrócenia napowietrzonej wody w kierunku dna zbiornika oraz deflektor w celu rozproszenia wody w warstwie powierzchniowej.

ASD może być stosowane w systemach współpracujących z OZE. Należy jednak pamiętać, że ma on duże zapotrzebowania na energię (co niesie za sobą duże koszty utrzymania) i często uniemożliwia jego zastosowanie. ASD można zastosować wraz z zasilaniem panelami fotowoltaicznymi (Rys. 1A) lub generatorami wiatrowymi (Rys. 1B). W przypadku paneli monokrystalicznych, zlokalizowane są one na brzegu, podłączone do panelu sterowania, akumulatorów oraz kompresora i pompy. Następnie sprężone powietrze trafia do rurociągu i doprowadzone jest do odpowiadającego mu aeratora. Jedna dmuchawa przypada na jeden aerator. Jeżeli dmuchawy napędzane są przy użyciu generatorów wiatrowych, zlokalizowane mogą być np. na masztach. Będą one przymocowane do panelu dołączonego w górnej części aeratora. Dzięki temu nie będzie konieczności układania długich kanałów doprowadzających powietrze do dysz oraz energii kabli do pompy. W obu wymienionych przypadkach ponad wylotem z aeratora znajduje się deflektor w celu lepszego rozproszenia napowietrzonej wody.

2. 2. Pulweryzator

Pulweryzator jest to urządzenie, które może w sposób mobilny lub stacjonarny dokonywać napowietrzania wody, jak również doprowadzać do niej odpowiednie ilości potrzebnych koagulantów. Zbudowany jest z tratwy pływającej, na której znajduje się specjalne urządzenie (pulweryzator), które doprowadza i napowietrza wodę do odpowiedniego zbiornika zasysając ją ze strefy naddennej. W tym miejscu do wody dodawane są koagulanty lub inne związki w zależności od celów rekultywacyjnych. Następnie woda trafia do warstw głębszych jeziora, gdzie dostaje się specjalnym rurociągiem w sposób grawitacyjny. Coraz częściej stosuje się mobilne aeratory pulweryzacyjne z napędem wietrznym [2].

Pulweryzator mobilny napędzany jest za pośrednictwem turbiny Savoniusa (Rys. 2). Atutem tej turbiny jest bardzo ciche działanie, a także prostota jej budowy. Dodatkowo warto wspomnieć, iż koszty utrzymania takiego systemu są bardzo małe, ze względu na brak okablowania, a także dodatkowych paneli sterowniczych czy kompresorów. Turbina działa przy każdym wietrze, umożliwia także przemieszczanie po zbiorniku całego

2. 3. Ruszty napowietrzające

Wodę w zbiorniku można wzbogacać tlenem oraz powodować jej mieszanie również poprzez instalację odpowiednich rusztów napowietrzających na dnie zbiornika. Stosuje się je najczęściej na mniejszych głębokościach w strefach przybrzeżnych jeziora. Zasada działania rusztów polega na dostarczeniu sprężonego powietrza do zespołu połączonych ze sobą kanałów, na których zlokalizowane są dyfuzory. W zależności od potrzeb można zastosować różne rodzaje dyfuzorów.

Ruszty napowietrzające można stosować w połączeniu z OZE. W celu prawidłowego działania, na brzegu lokalizuje się bazę zasilającą, która dostarcza energię do skrzynki z akumulatorami (Rys. 3) [3]. Baza jest wyposażona w dwa generatory wiatrowe oraz panele fotowoltaiczne monokrystaliczne. Podobnie jak w przypadku systemu ASD, kolejnymi elementami są panel sterowania oraz kompresor. Powietrze pod zadanym ciśnieniem docierać ma kanałami do kanałów rusztu napowietrzającego i kolejnych deflektorów. W ten sposób do przydennych warstw jeziora będzie docierało powietrze.

2. 4. Inne urządzenia

Innymi urządzeniami służącymi do napowietrzania wody są m. in. fontanny pływające. Stosuje się je głównie w celu poprawy warunków wizualnych. Urządzenie składa się z siatki zabezpieczającej przed zassaniem dużych fragmentów mogących zniszczyć pompę, a także różną liczbą dysz, które mają na celu wyrzut wody. W trakcie, gdy woda znajduje się „w powietrzu” dochodzi do jej napowietrzania. Następnie woda trafia wyłącznie do powierzchniowej warstwy zbiornika. Jest to sposób mało efektywny, który poprawia stan wód stojących w sposób iluzoryczny. Zasilane mogą być one z pobliskiej sieci elektrycznej, bądź z instalacji OZE.

3. Elementy systemu wspomagania napowietrzania

Koszty rekultywacji zbiorników wodnych często są bardzo wysokie, często osiągają miliony złotych [5], a sam proces trwa niekiedy kilka lub kilkanaście lat. Stąd też próby zmniejszania kosztów utrzymania urządzeń służących m. in. do natleniania wód warstw przydennych. Jednym ze sposobów jest stworzenie systemu zasilania wykorzystującego OZE.

W skład systemu zasilania stosującego OZE wchodzą:

• panele fotowoltaiczne monokrystaliczne dla uzyskania możliwie najwyższych sprawności. Liczba paneli powinna być wystarczająca do zasilania urządzenia.
• generator wiatrowy w odpowiedniej liczbie sztuk zlokalizowany bezpośrednio nad urządzeniem zasilanym lub na brzegu zbiornika wodnego. Umieszczany jest na maszcie o wysokości umożliwiającej swobodne i efektywne działanie. Liczba generatorów uzależniona jest od potrzeb urządzenia zasilanego.
• turbina Savoniusa, która jest silnikiem rotorowym napędzanym poprzez wiatr. W przekroju przypomina dużą literę „S”, wirnik najczęściej wyposażony jest w dwa lub trzy ramiona. Jest bardzo odporna na zmiany warunków atmosferycznych oraz kierunku wiatru. Jej obroty są bardzo powolne dlatego nie wykorzystuje się jej do wytwarzania energii elektrycznej.
• panel sterowania, który jest konieczny do prawidłowego działania systemu.
• akumulatory, które mają na celu magazynowanie energii elektrycznej oraz zasilanie pompy tłoczącej wodę lub powietrze w zależności od rodzaju obsługiwanego urządzenia.
• kompresor lub pompa, mające na celu pobieranie powietrza atmosferycznego (lub wody – dla pompy) i wtłaczanie go do rurociągu pod odpowiednim ciśnieniem. Powietrze będzie zużywane do napowietrzania wód warstwy przydennej.

W zależności o miejsca lokalizacji „napowietrzacza”, każdy system składać się będzie z urządzenia generującego prąd elektryczny lub napędzającego bezpośrednio urządzenie, panelu sterowania, akumulatorów oraz kompresora (nie będzie ich w przypadku zastosowania pulweryzatora) lub/i pompy (dla ASD).

Literatura:

[1] Sadecka Z., Waś J., Nieinwazyjne metody poprawy jakości zbiorników wodnych – perspektywa, w: „Oczyszczanie ścieków i przeróbka osadów ściekowych”, Oficyna Wyd. UZ, 2008.
[2] Dondajewska R.,  Operat wodno-prawny na przeprowadzenie procesu rekultywacji Jeziora Nowogardzkiego, Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Poznań, marzec 2013.
[3] CRAAQ, ,  Aménagement d’un système d’aération pour les étangs d’irrigation, Québec, Listopad 2011, [http://www.agrireseau.net] dostęp 5 styczeń 2016.
[4] Etang.ca,  Systèmes d’aération pour applications industrielles à privé, [http://www.canadianpond.ca] dostęp 5 styczeń 2016.
[5] Portal Teraz Środowisko, Szekalska E.,  Łączenie metod najbardziej korzystne w rekultywacji wód, [http://www.teraz-srodowisko.pl] dostęp 22 styczeń 2016.