"Ekohydrologiczne podstawy ograniczania eutrofizacji w systemach rzecznych i zbiornikach zaporowych"

Transkrypt

1 "Ekohydrologiczne podstawy ograniczania eutrofizacji w systemach rzecznych i zbiornikach zaporowych" AgnieszkaBEDNAREK 1,2, Joanna MANKIEWICZ-BOCZEK 1,2, IlonaGĄGAŁA 1, LilianaSERWECIŃSKA 1, Sebastian SZKLAREK 1, ZbigniewDRACZYŃSKI 3, JerzyKUPIEC 4, WłodzimierzŻELEŹNIK 5, Edyta Kiedrzyńska 1, Magdalena Urbaniak 1, Katarzyna Izydorczyk 1, Maciej ZALEWSKI 1,2 1 European Regional Centre for Ecohydrology of the Polish Academy of Sciences, 3 Tylna, Łódź, Poland, erce@erce.unesco.lodz.pl 2 Department of Applied Ecology, Institute of Ecology and Environmental Protection, Faculty of Biology and Environmental Protection, University of Lodz, 12/13 Banacha, Łódź, Poland 3 Department Material and Commodity Sciences and Textile Metrology, Faculty of Material Technologies and Textile Design, Łódź University of Technology, 116 Zeromskiego, Łódź, Poland 4 Department of Ecology and Environmental Protection, Faculty of Environmental Engineering and Landscape Planning, Poznan University of Life Sciences, Piątkowska 94C, Poznań, Poland 5 Mikronatura Środowisko Ltd, Wachowiaka 8/B, Poznań

2 Polska należy do krajów o niewielkich zasobach wodnych, które w przeliczeniu na jednego mieszkańca wynoszą ok m 3 /rok i należą do najniższych w Europie - Egipt Europy

3 Źródła zanieczyszczeń związkami azotu i fosforu wód morza Bałtyckiego Cele Redukcyjne dla Polski Redukcja 7480 tonp rok -1 Redukcja ton N rok -1 Zanieczyszczeniea obszarowe (HELCOM, 2011; SYKE, 2011)

4 Ekohydrologia jako narzędzie do redukcji zanieczyszczeń ze zlewni Inżynieria Costs Mechanistic deterministic Ekohydrologia Biotechnologie ekosystemowe 10 1 Ewoluctionary systemic Punktowe źródła zanieczyszczeń( miejskie i przemysłowe > 1 mg/l Nie punktowe źródła zanieczyszczeń (rolnictwo i obszary zurbanizowane) mg/l Tło naturalne (ekosystemy lądowe i słodkowodne) < 0.1 mg/l Integracja inżynierii, procesów ekohydrologicznych i biotechnologicznych pozwala na wzrost efektywności rozwiązań i redukcję kosztów ( Zalewski 2014)

5 Bariery denitryfikacyjne jako narzędzie Ekohydrologii Źródła węgla: Trociny sosnowe DENITRYFIKACJAzależy głownie od dostępności węgla organicznego. 2NO 3-2NO 2-2NO N 2 O N 2 Słoma owsiana Produkt końcowy zależy od phw złożu: > 7.3 N 2 < 7.3 NO i N 2 O Węgiel brunatny Pażdzierze lniane (Schipper etal.,2008; 2010; Bednarek et al.,2010; 2014 )

6 Problem in Polsce składowanie obornika bezpośrednio na powierzchni gruntu w małych i średnich gospodarstwach Rozwiązanie Odciek ze składowiska obornika (Bednarek et al., 2014) Stężenie(NO 3 - ) w wodzie gruntowej 300 mg/l to 2000 mg/l Długość 15 m Objętość dodanych trocin 10 m 3 (30%)

7 P1 Źródła obszarowe zb. Czarnocin Źródła punktowe Uniejów Źródła obszarowe Tresta Źródła punktowe Jerwonice - A Źródła punktowe Jerwonice - B N R / 2009 GEOWŁÓKNA-Development of model geofibrous, biodegradable, biological deposits for recultivation of nitrogen and phosphorus in threatened areas of agricultural landscape

8 Bariery denitryfikacyjne jako narzędzie EH Uzyskane wyniki Źródło zanieczyszczeń Węgiel organiczny Średnia redukcja azotanów (%) Maxymalny łądunek azotanów (mg/l) Maxymalna redukcja (%) Rozproszone Pola uprawne Pola uprawne Pażdzierze lniane Mix torcin i słomy NO , ,9 NO ,9 Obornik bydlęcy Węgiel brunatny 65 > 2000 NO 3-84,8 Punktowe Obornik bydlęcy Obornik trzody chlewnej Paździerze lniane Trociny sosnowe NO , NO

9 Dobór substratu węglowego Przygotowanie aktywizatorów mikrobiologicznych Substraty węglowe węgiel brunatny paździerz lniany trociny sosnowe słoma owsiana mieszanka węgiel/słoma Izolacja szczepów bakterii, uzyskanie czystych kultur - Mikrobiologiczne aktywizatory Charakterystyka wybranych właściwości metabolicznych I. Aktywizator mikrobiologiczny na bazie wyselekcjonowanych hodowalnych bakterii denitryfikacyjnych Charakterystyka mirobiotyzłóż pracujących w terenie II. Aktywizator mikrobiologiczny na bazie mikrobiotyzłóż pobranych z aktywnie pracujacychbarier denitryfikacyjnych

10 Optymalizacjabarier denitryfikacyjnych pod kątem redukcji związków azotu Kontrola bez dodatku węgla mix słoma/węgiel brunatny 1 1 CDB 2 MIX 3 1 bez dodatku dodatkowej puli bakterii 2 z dodatkiem bakterii hodowalnych(cdb) 3 - z dodatkiem bakterii środowiskowych- mikrobiota złoża The best option of selected carbon and microbiological activator Sewage NO mg/l; NO mg/l and NH mg/l Concentration [mg/l] NO3- NO2- NH4+ 0 Control th Sep 2014 (after 45 days of experiment)

11 Optymalizacja pracy złóż weryfikacja w terenie NO 3 [mg/l] mix straw/lignite and mix of microbiota of deposits and culturable denitrifiers reduction ± 73% I II III IV month NH 4 [mg/l] mix straw/lignite and mix of microbiota of deposits and culturable denitrifiers reduction ± 100% I II III IV Department of Applied Ecology month

12 Mikrobiologiczne aktywatory w złożach denitryfikacyjnych stosowanych do oczyszczania zanieczyszczeń azotanowych dla wdrażania Ramowej Dyrektywy Wodnej i Dyrektywy Azotanowej PBS1/A8/5/2012 Odciek. NO 3 mg/l NO 2 mg/l NH 4 mg/l ,2 8,2 2401, , , ,4 2,5 889,3

13 Main conclusions The application of methods based on enhancement of denitrification process create an opportunity to increase the efficiency of ground water protection in the ecosystem scale. In the catchment of intensive farming or pasture, around the point source, e.g. storage manure, or near a coastline, denitrification ditches seem to be the most appropriate solution. The highest denitrification effect was observed at ditches constructed around the pointsources egz. storage manure, due spring and autumn period (even above 95% of nitrogen reduction). In the case of denitrification ditches construction there is no landscape deformation. Construction the manure plates permanently change the landscape. These biotechnology seems to be the alternative solutions for building the manure plates. It is important to use easily-obtained, locally-available carbon-rich materials to minimize transport costs. Department of Applied Ecology

14 Ekotony dla redukcji zanieczyszczeń obszarowych EKOROB LIFE08 ENV/PL/ Partnerzy : Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej w Warszawie Europejskie Regionalne Centrum Ekohydrologii PAN Okres realizacji: Koszt projektu : euro

15 Wysokoefektywne strefy buforowe (roślinne pasy wzmocnione ścianą denitryfikacyjną lub barierą na bazie wapienia) jako narzędzie dla ograniczenia zanieczyszczeń obszarowych (Izydorczyk i in. 2013)

16 PRZED: Wysokoefektywna strefa buforowa (roślinne pasy wzmocnione ścianą denitryfikacyjną) narzędziem dla redukcji zanieczyszczeń azotanowych Wody zanieczyszczone wg Dyrektywy Azotanowej

17 Biogeochemical limestone-based barriers to enhance phosphorus reduction in buffer zone 14 Phosphate concentration in groundwater [mgpo 4 /l] of barrier 0 przed za (Izydorczyk i in. Ecohydrology & Hydrobiology 2013)

18 Strefy buforowej wzmocnione ścianą denitryfikacyjną jako narzędzie dla ograniczenia zanieczyszczeń azotanowych Fot. M. Szelest, udostepniona przez Gminę Sulejów Denitryfikacja: azotany rozpuszczone w wodzie gruntowej przepływającej przez ścianę ulegają denitryfikacji do gazowych form azotu

19 Spotkanie informacyjno-edukacyjne dla mieszkańców

20 Hybrydowy Sekwencyjny System Biofiltracyjny w O.Ś. w Rozprzy służący doczyszczaniu ścieków komunalnych Sekwencyjne filtrowanie ścieków Biologiczne oczyszczanie ścieków 1 Faza 2 Faza 3 Faza 4 Faza Złoże wapienne Złoże węglowe Złoże trocinowe Wetland z makrofitami 3,5 m 0,5 3,45 0,5 3,5 0,5 I II III IV Dopływ ścieków z O.Ś. Stanowisko poboru prób System regeneracji złoża Odpływ doczyszczonych ścieków do rzeki Kiedrzyńska et al. (2017) Scientific Reports

21 4 Faza Oczyszczalni hydrobotaniczna z makrofitami 1 Złoże Manna mielec 2 Złoże Tatarak zwyczajny 3 Złoże Pałka szerokolistna Glycera maxima Acorus calamus Thypha latifolia 5 m 0,5 5 m 0,5 5 m 0,5 4 Złoże Trzcina pospolita Phragmites australis dopływ V VI VII VIII 5 m Odpływ oczyszczonych ścieków do rzeki Stanowisko poboru prób Kiedrzyńska et al. (2017) Scientific Reports

22 Średnia redukcja stężeń zawiesiny w ściekach przepływających przez poszczególne złoża 24 Zawiesina organiczna Stężenie [mg dm-3) % redukcja stężeń 0 O.Ś. Zł. wapienne Zł. węglowe Zł. trocinowe Manna mielec Tatarak zwyczajny Pałka szerokolistna Trzcina pospolita Zawiesina całkowita 38% redukcja stężeń Kiedrzyńska et al. (2017) Scientific Reports

23 Redukcja stężeń TP i TN w odprowadzanych ściekach Redukcja stężeń TP w ściekach przepływających przez poszczególne złoża w okresie letnim Maksymalna redukcja TP 76% Średnia redukcja TP 26% Redukcja stężeń TNw ściekach przepływających przez poszczególne złoża w okresie letnim Maksymalna redukcja TN 97% Średnia redukcja TN 48% Kiedrzyńska et al. (2017) Scientific Reports

24 Obszar przed inwestycją

25 Zastosowanie systemu sedymentacyjno-biofiltracyjnego jako hybrydowego biotechnologicznego rozwiązania Lokalizacja stanowisk monitoringowych na Strudze Gnieźnieńskiej 8a a 2 3 3a 1

26 Zastosowanie systemu sedymentacyjnobiofiltracyjnego jako hybrydowego biotechnologicznego rozwiązania Konstrucja systemu Sediments removal Bilding the barrier for increasing sedimentation in pound part

27 Zastosowanie systemu sedymentacyjno-biofiltracyjnego jako hybrydowego biotechnologicznego rozwiązania 8a 3a

28 Zastosowanie systemu sedymentacyjno-biofiltracyjnego jako hybrydowego biotechnologicznego rozwiązania Strefa biofiltracji 8a 3a

29 Zastosowanie systemu sedymentacyjno-biofiltracyjnego jako hybrydowego biotechnologicznego rozwiązania Sekcja A na stawie Sekcja B na strumieniu 7. activation of denitrification 2. Increasing sedimentation and activation of microbial decomposition 3a. Plant accumulation of nutrients 3. Phoshorus binding 8. Plant accumulation of nutrients 7. activation of nitrogen removal 6. Phoshorus sequstration 5. Increasing sedimentation and activation of microbial decomposition

30 Zastosowanie systemu sedymentacyjno-biofiltracyjnego jako hybrydowego biotechnologicznego rozwiązania Redukcja nutrientów NH 4 - NO 3 - NO 2 - PO % 70% 99% 52% 8 1

31 Zastosowanie systemu sedymentacyjno-biofiltracyjnego jako hybrydowego biotechnologicznego rozwiązania Poprawa stanu sanitarnego dopływającej wody Bacteria coli group Escherichia Coli 46% 43%

32 EFEKTY DZIAŁANIA SYSTEMU SED-BIO Znaczne ograniczenie dopływu biogenów do wód jeziora Jelo Ograniczenie dopływu zanieczyszczeń biologicznych Poprawa stanu sanitarnego jeziora Ograniczenie rozwoju toksycznych sinic Ograniczenie zakwitów i przyduchy Korzystny wpływ na bioróżnorodność akwenu

33 Production and application of hybride solution for agricultural point sources pollution New project: Development and implementation of innovative biotechnology products for agriculture and wastewater management in order to reduce the pollution of waters TANGO2/339929/NCBR/2017 AZOSTOP The AIM of the PROJECT isto develop solutions to reduce the outflow of biogenic compounds (nitrogen and phosphorus) from point sources of pollution: "organic manure plate " (OPO) for removal toxic leaching from unprotected storage manure Fot. Ilona Gągała

34 Production and application of hybride solution for agricultural point sources pollution New project: Development and implementation of innovative biotechnology products for agriculture and wastewater management in order to reduce the pollution of waters TANGO2/339929/NCBR/2017 AZOSTOP The AIM of the PROJECT isto develop solutions to reduce the outflow of biogenic compounds (nitrogen and phosphorus) from point sources of pollution: "sequential sedymentation - biofiltration system" (SSBS) for small sewage treatment plants, for the removal of nitrogen and phosphorus compounds loads from urban waste water INNOVATION hybridesystems easy to transport, install, add to and delete after the operation time possibility of simultaneous control and regulation of processes in different zone of biofilter

35 Dziękuję za uwagę Prof. Maciej Zalewski Prof. Joanna Mankiewicz-Boczek Dr Agnieszka Bednarek Dr hab. Edyta Kiedrzyńska Dr Liliana Serwecińska Dr Ilona Gągała-Borowska Dr Sebastian Szklarek Dr hab. Magdalena Aleksandra Jaskulska, Urbaniak PhD student Arnoldo Font Najera, PhD student Department of Applied Ecology