Metody obnovy eutrofizovaných nádrží

  Vodní květy sinic jsou celosvětovým problémem na jehož řešení neexistuje universální metoda. Existuje však celá řada opatření  a kombinace vhodných metod. Nejlepší způsob jak zabránit eutrofizaci, je narušit mechanismy, které člověk může kontrolovat -  redukovat přísun živin do vodního prostředí. V rámci redukce externího přísunu živin je nutno přijmout následující opatření: modifikace technologií při výrobě pracích prášků (omezení polyfosfátů jako přísady do práškových detergentů), soustavné snižování používání chemických látek obsahujících N a P (např. hnojiv nebo pracích prostředků), využití  moderních technologií při čištění odpadních vod před jejich vpouštěním do životního prostředí (např. zavedení terciárního čištění odpadních vod) a v neposlední řadě revitalizace krajiny včetně protierozních opatření u zemědělské půdy a lesů (ochranné luční pásy, omezení mineralizace půdy v mimovegetačním období výsadbou meziplodin) a  protipovodňová opatření v celém povodí. V některých případech stačí snížit externí přísun živin, zatímco v jiných  musí být provedeny přímé zásahy do ekosystému nádrže. Cílem metod interního přísunu živin je omezení či vyloučení uvolňování živin ze sedimentů, které brání navrácení jezera do původního stavu. Návrhu technického řešení obnovy vodního tělesa musí předcházet limnologický průzkum prováděný po dobu nejméně jednoho roku. Tento průzkum zahrnuje:

Hydrologickou bilanci

Popis společenstev organizmů, jejich životních podmínek a ekologických vztahů, 

údaje o produkci a rozkladu biomasy

Chemické vlastnosti prostředí (odhad množství živin na vstupu a výstupu, jejich

dostupnost v jezeře včetně vnitřního zásobování)

Horizontální distribuci a mocnost sedimentu

Stratigrafii sedimentu (fyzikální a chemické vlastnosti, půdní typ)

Stanovení podmínek pro uvolňování a srážení jednotlivých prvků.

Mezi metody interního přísunu živin nazývané také jako ekotechnologie patří:

SRÁŽENÍ FOSFORU  VE VODNÍM SLOUPCI

Jedná se o metodu, která byla vyvinuta ve Švédsku v letech 1960-1970 a od té doby byla   aplikována, s převážně pozitivními výsledky, na mnoha jezerech po celém světě zejména ve Skandinávii, USA, Kanadě, Německu, a v Polsku. Tato metoda se využívá v jezerech s dlouhou dobou zdržení vody (mnohem delší než 1 rok) a v mělkých jezerech.

Pro srážení fosforu z vodního sloupce se používají sloučeniny hliníku (síran hlinitý Al₂(SO₄)₃) nebo železa (chlorid železitý FeCl₃), které tvoří relativně stabilní, fosfor vážící sloučeniny, které  sedimentují ve formě želatinových vloček.

V  jezerech s nízkou alkalitou může dojít k vyčerpání pufrační kapacity a k vytvoření kyselých podmínek (při hydrolýze síranu hlinitého a chloridu železitého se uvolňují protony), a proto je nezbytné přidat zároveň se sloučeninami železa a hliníku i uhličitan vápenatý a zajistit tak přítomnost dostatečného množství pufru ve vodě i na povrchu sedimentu.

 Srážení síranem hlinitým

 Fosfor se váže buď přímo za vzniku fosforečnanu hlinitého nebo dochází k adsorpci na hydroxid hlinitý:

Al(OH)₃ + PO₄^3-  ® AlPO₄ + 3 OH

Al(OH)₃ + PO₄^3- ® Al(OH)₃ ~ PO₄^3- (aq)

Nadbytečný hliník se usadí v sedimentu a zvyšuje tak jeho kapacitu pro další vázání fosforu.

Ve srovnání se sloučeninami železa je použití hliníku lacinější. Při jeho aplikaci je však třeba postupovat opatrně, neboť hliník může mít toxický vliv na vodní organizmy. Ve vodách s nízkou pufrační kapacitou byla při používání síranu hlinitého pozorována bioakumulace hliníku u ryb a u čeledi Chironomidae. V některých případech je hliník přijímán vodními rostlinami a dochází tak k omezení jejich fyziologické schopnosti přijímat fosfor kořeny.

Koncentrace hliníku menší než 50 mg/l jezerní vody pravděpodobně nemá škodlivé účinky na organismy.

Srážení chloridem železitým

 Fosfor  se opět  váže  buď přímo do železito-fosforečnanových minerálů nebo je adsorbován hydroxidy železa:

FeO(OH) + H₃PO₄ ® FePO₄ + 2H₂O

FeO(OH) + PO₄^3- ® FeO(OH) ~ PO₄^3- (aq)

Železem je nejlépe vázán anorganický fosfor. Vázání organického fosforu nebylo pozorováno. Rovněž nejsou známy žádné chronické toxické vlivy na organismy. Po sedimentaci železo pokračuje ve vázání fosforu i na povrchu sedimentu. Vazby fosforu na železo jsou citlivé na změnu redoxního potenciálu. Jestliže se v sedimentech vytvoří anoxické podmínky a dojde ke vzniku sirovodíku, fosfor vázaný na železo se začne uvolňovat ze sedimentu a může přecházet do vodního sloupce. Aby se tomu zabránilo, srážení fosforu musí být kombinováno s další metodou  ošetření sedimentu.

Nejvhodnějším obdobím pro srážení fosforu je doba, kdy se fosforové frakce nacházejí ve svém maximu, tj. obvykle od pozdního podzimu do časného jara. Zásah musí být ukončen dříve, než začne intenzívní jarní růst planktonu.

Pevné preparáty se aplikují přímo na led, ale mnohem častěji se preparáty aplikují rozpuštěné. Roztoky jsou dopravovány do jezera ohebným vysokotlakým potrubím a aplikovány pomocí bran z lodě do jezera. 

Obr. Schématické znázornění aplikace chemikálií  do vody jezera

Zdroj: Wetlands International, 1996

OŠETŘENÍ SEDIMENTU (OXIDACE A SRÁŽENÍ FOSFORU V SEDIMENTU)

Další z metod využívá kombinované ošetření oxidovanými sloučeninami dusíku (dusičnan vápenatý, Ca(NO₃)₂)  a sloučeninami železa (chlorid železitý, FeCl₃). Tato metoda se používá  v nádržích a jezerech se silnou vrstvou organické hmoty. Reakce (mineralizace organické hmoty) probíhající při obnově jezera jsou procesy, které jsou přirozené v povrchových vrstvách sedimentů jezer.

 Dusičnany působí za nedostatku kyslíku jako oxidační činidlo (redukují se). Jejich aplikace podporuje rozklad organické hmoty v procesu denitrifikace,  za vzniku molekulárního dusíku (N₂) a oxidu uhličitého:

4 NO₃^- + 5 CH₂O ® 5 CO₂ + 2 N₂ + 3 H₂O + 4 OH^-

Tento proces probíhá v takovém redoxním rozmezí (od –50 do 50 mV,anoxické podmínky), kdy železo ještě není redukováno na bivalentní železnaté ionty nebo když sirovodík soutěží o železnaté ionty s ionty fosforovými. Fosfor se ještě nemůže uvolňovat ze sedimentů a nemůže podporovat primární produkci v pelagiálu. V přírodních jezerech nehraje denitrifikace významnou roli,neboť dusík v oxidovaném stavu je jen zřídka přiváděn přítoky v dostatečném množství.  

 Po vyčerpání dusíku probíhá v sedimentu (redox potenciál < - 50 mV) desulfurikace, při které je organická hmota oxidována , dochází k redukci síranů  a vzniká CO₂ a sirovodík:

2 CH₂O + SO₄^2- + 2 H⁺ ® H₂S + 2 CO₂ + 2 H₂O

V tomto okamžiku se projeví toxický účinek volného sirovodíku, který ovlivňuje vodní organismy.  Nežádoucí sirovodík se mění na sirník železitý a fosfáty reagují s železem buď za vzniku fosforečnanu železitého nebo adsorpcí na hydroxidy železa.

2 FeO(OH) + 3 H₂S ® 2 FeS + S + 4 H₂O

2 FePO₄ +  3 H₂S ® 2 FeS + 2 PO₄^3- + S + 6 H⁺

Ve vodních nádržích s nízkou alkalitou může dojít k okyselení vodního prostředí, a proto se sediment následně neutralizuje uhličitanem vápenatým.

Metodě  ošetření  sedimentu musí předcházet laboratorní pokusy s aplikací sloučenin železa a dusičnanů, na jejichž základě se vypočte plošné dávkování a koncentrace těchto činidel.

Aplikace se provádí zpravidla až v druhé části jarní cirkulace. Technicky je metoda realizována tak,že sedimentem silně organicky znečištěného jezera jsou navijákem protahovány speciální zařízení podobná branám, do jejichž hrotů je zaváděn stlačený vzduch a roztok chemikálií..

 Tento způsob aplikace je velmi účinný, ale také velmi nákladný. Další možností je aplikace chemikálií do přítoků nebo přímo využití vod bohatých na dusičnany, které vytékají z čistírenských zařízení.

Obr. Zařízení použité při ošetření jezera Lillesjön (jižní Švédsko) Tento způsob ošetření  dosáhl vynikajících výsledků, nicméně  finanční náklady byly extrémně vysoké.

Zdroj: Wetlands International, 1996 

AERACE  HYPOLIMNIA

Umělé provzdušňování (aerace) vyrovnává nedostatek kyslíku způsobený větším přísunem nebo vyšší produkcí organické rozložitelné hmoty.  V mělkých jezerech se uplatňuje metoda rozptýleného provzdušňování/destratifikace (diffuse aeration/destratification - DA/D). Provzdušňování brání vzniku teplotního gradientu a následného koncentračního gradientu kyslíku mezi vodou a sedimentem. Teplota a koncentrace kyslíku zůstávají homogenní od hladiny ke dnu. Kyslík slouží k dekompozici  organické hmoty a ke srážení fosforečnanů a udržuje povrch sedimentu v oxidované formě. Provzdušňováním se sinice a řasy dostanou do hlubších vrstev vody, kde vlivem nedostatku světla hynou.

Technicky je metoda realizována tak, že stlačený vzduch proudí přes otvory v perforované trubici umístěné na dno nebo těsně nad jeho povrchem. Vzduch je do trubice vháněn kompresorovým zařízením, umístěným na břehu jezera. Unikající vzduchové bubliny vyvolávají vertikální proudění vody směrem k hladině. K přenosu kyslíku dochází při pohybu bublin vodním sloupcem vzhůru k vodní hladině a při jejich vybublání na hladinu. Množství cirkulující vody je přímo úměrné třetí odmocnině vycházejícího proudu vzduchu - tj. čím více stlačeného vzduchu může být u dna vypuštěno, tím vyšší bude účinnost oxidace.

V hlubokých stratifikovaných jezerech a přehradních nádržích se uplatňuje metoda HYPOX-  provzdušňování  hypolimnia bez porušení teplotní stratifikace (hypolimnetic water aeration). V období  letní stagnace se zásobuje dno kyslíkem, aniž by došlo ke zvýšení teploty vody v hypolimniu a porušení  stratifikace. Zvýšená koncentrace kyslíku způsobí prudký pokles koncentrace fosforu a současně se sníží i obsah železa. Provzdušňování sníží také koncentrace anorganického dusíku a  amonných iontů (pokud se zde vyskytují před začátkem aerace). Jednotky HYPOX se používají v období  letní stagnace, v době jarní a podzimní cirkulace se  nevyužívají a  je-li potřeba, obnoví se jejich  činnost zase v zimě.

 Provzdušňovací jednotku HYPOX tvoří dva soustředné válce, trvale zakotvené betonovými zátěžemi ke dnu. Kompresor na břehu zásobuje provzdušňovač stlačeným vzduchem prostřednictvím hadice, ležící na dně jezera. Proud vzduchu je pomocí rozptylovače roztříštěn na malé vzduchové bublinky, které stoupají vnitřním válcem a vyvolávají tok vody směrem k hladině (princip hydropneumatického čerpadla). Během tohoto intenzívního kontaktu vzduchových bublin s vodou a při styku vody s ovzduším přechází kyslík do vody. Když se voda přelije přes horní okraj vnitřního válce, proud vody se pak obrátí směrem dolů a protéká prostorem mezi vnitřním a vnějším válcem, opuští jednotku skrze výpustě a v podobě mnoha horizontálních proudů se rozptyluje nade dnem. Na kyslík chudá voda z nejhlubších částí hypolimnia je tak nasávána do provzdušňovací jednotky, obohacena o kyslík a skrze jednotku zase vrácena do hypolimnia.

Obr. Různá provzdušňovací zařízení, jejich výhody a nevýhody

Zdroj: Kalff, 2002

ODSTRAŇOVÁNÍ SEDIMENTU

Odstranění sedimentu (odbahnění) je velmi radikálním a konečným způsobem obnovy. Tato metoda se uplatňuje  zejména v mělkých nádržích, ve kterých dochází k mocnému ukládání sedimentu a rychlému stárnutí  nádrže.  K odstraňování sedimentu se používá  tradiční metoda vyhrnování  a  modernější a technologicky podstatně náročnější odsávání pomocí sacího bagru.

 Metoda vyhrnování   je osvědčená, dlouho používaná, transportovaný sediment neobsahuje zbytečně velké množství vody. Nevýhodou je, že je zpravidla odstraněno veškeré bahno, včetně vrstvičky aktivního bahna, nutného pro vyváženost ekosystému a podstatně ovlivňujícího primární produkci rybníka. Po takto provedeném zásahu trvá i několik let, než se produkce rybníka navrátí do původní podoby. Navíc těžká těžební i transportní technika značně devastuje okraje rybníka a okolní porosty.

 Použití sacího bagru má  oproti  vyhrnování  výhodu v tom, že  nádrž není nutné vypouštět a odstraňují se pouze  selektivně určené vrstvy sedimentu. Lze ji použít tam, kde není technicky možné nádrž vypustit, nebo tam, kde by po vypuštění mohlo dojít k narušení statiky okolní zástavby. Další z výhod je, že  činnost není spojena s provozem nákladních automobilů, což zabraňuje jakékoliv kontaminaci či poškození okolí rybníka Odsávání může probíhat i v době hnízdění ptáků.

Technicky se tato metoda realizuje pomocí sací bagru, který je vybaven automatickým řídícím systémem. Čidla sledují hloubku vody, hustotu, průtok a další fyzikálně-chemické parametry odčerpávaného sedimentu a směsi sediment/voda. Cílem je  za pomocí laseru přesně  odstranit  určené vrstvy sedimentu. Odsátá plocha je mnohem důležitější než objem odstraněného sedimentu (některé spodní vrstvy sedimentu jsou díky své adsorpční kapacitě dokonce prospěšné). Sací bagr musí být přiměřeně veliký velikosti nádrže a musí být lehce přepravovatelný. Při sání by nemělo docházet k víření a pohybu sedimentu, aby nedocházelo k obohacování vodního sloupce živinami a ke snižování koncentrace kyslíku ve vodě, sediment by neměl být ředěn vodou více, než je nutné pro jeho čerpání (poměr mezi vodou a sedimentem při čerpání homogenního sedimentu by měl být konstantní). 

Pro eutrofizovaná mělká jezera se silným vodním květem je typická nepřítomnost ponořených rostlin. Častým rysem jsou naopak bujné porosty vzplývavé a vzpřímené vegetace. Přítomnost živých stonků a  kořenů v sedimentu způsobuje velké problémy a musí se pomocí půdní frézy upevněné na pontonech rozřezat na hmotu vhodnou k odsávání. Tato předběžná úprava dna jezera by měla být provedena alespoň jeden rok před tím, že se začne s vlastním odsáváním.

Odsávaný sediment je zvodnělý a musí být ukládán do usazovacích nádrží, kde vysychá. Na úložiště je transportován systémem potrubí. Pokud vyhovuje normám pro zemědělství či zahradnictví, může být po usazení  využit pro přihnojování půdy. V nejlepším případě může být aplikován přímo na pole. Tím odpadá nutnost budování usazovacích nádrží a úpravy vody, která z nich vytéká.

Pokud je plocha nádrže větší než několik ha a objem sedimentu větší než 10 000 m³ je  odsávání  levnější než vyhrnování . Ve srovnání s ozdravnými zásahy popsanými v úvodu je ovšem technicky, finančně i časově náročnější.

 Sací bagry, původně konstruované podle požadavku limnologů, našly uplatnění také v těžebním průmyslu. V současné době jsou využívány na Severní Moravě pro odsávání směsi uhelného prachu, popela a vody z vytěžených dolů. Tento materiál je dopravován potrubím do koksárny a  dále zpracováván.   

ODSTRAŇOVÁNÍ BIOMASY MAKROFYT

V mělkých jezerech, z důvodu zvýšeného přísunu živin nebo z důvodu snížení vodní hladiny, dochází k nadměrnému růstu makrofyt. Makrofyta postupně kolonizují dno nádrže a při rozkladu vytváří obrovskou masu hrubého detritu, která se hromadí a nádrž vyplňuje. Při spotřebě většího množství živin, než je nezbytné, dochází u makrofyt k tzv. nadbytečnému příjmu. Na jaře živiny putují do rostoucích nadzemních částí rostlin, ale před koncem vegetační sezóny, se alespoň část těchto živin spolu s rozpustnými hydrouhličitany vrací zpět do rhizomů. Dalčí část živin zůstává v nadzemních částech rostlin až do konce vegetačního období a nakonec je uložena do sedimentu spolu s detritem, nebo je vyluhována z nadzemních částí rostlin a uvolňuje se do vody během nebo po skončení vegetačního období.

Obr. Distribuce živého a mrtvého materiálu v porostech Phragmites. Na počátku obnovy jezera Hornborga dosahovala tlouťka vrstv B a C 75 cm.
A….kořeny a rhizomy, B....velmi hrubý rákosový detritus, C….horizontálně uložené stonky několika generací nadezemních částí spolu s bazálními částmi zlomených stonků, D….vzpřímené živé stonky a několik generací mrtvých stonků

Zdroj: Wetlands International, 1996

K odstranění zelených částí vzpřímených rostlin (rákos, orobinec, skřípinec) se používají jednoduché kosy, křovinořezy, malé loďky se sekacími lištami a nákladné žací stroje. Pontonové stroje mohou být vybaveny hráběmi na sbírání a dopravu posečeného materiálu nebo masy volně plovoucích vzplývavých rostlin na břeh. K odstranění strniště kořenové vrstvy je možno použit rotující kultivátor vybavený zahnutými noži.
Obvykle je nejpraktičtější začít s odstraňováním makrofyt podél břehů vystavených působení větru a vln. Posečený rostlinný materiál je nutné dopravit na břeh, kde se může spálit nebo zkompostovat. Kosit můžeme v létě i v zimě. Letní kosení je tzv. kosení na rezervy. Sečení porostů je nutno povést před dozráním semen (např. u rákosu před objevením lat). Pokosený porost ještě do konce sezóny regeneruje s využitím zbylých zásob v oddencích. Pokosíme-li i tento obnovený slabší porost, v následujícím roce podzemní orgány již většinou nejsou schopny vytvořit souvislý porost. Při zimní kosení je nutno mechanicky poškodit zimní pupeny, protože v opačném případě podporujeme vitalitu a vyrovnanost porostů. Zimní kosení je třeba načasovat na obvykle krátké období, po které jsou rybníky zamrzlé.

Obr. Kosení makrofyt na rybníku žací lodí

ODSTRANĚNÍ BIOMASY POMOCÍ HERBIVORNÍCH  RYB

K ostranění biomasy makrofyt se využívají  býložravé ryby -  amur a tolstolobik. Amur bílý (Ctenopharyngodon idella) pochází z čínských řek a z řeky Amuru. Odtud byl před lety dovezen a aklimatizován do rybníků v okolí Moskvy a v roce 1961 i k nám. V pozdějších letech následovala aklimatizace  tolstolbika bílého (Hypopthalmichthys molitrix) a  tolstolobika pestrého (Aristichthys nobilis ).  Typickými znaky všech tří druhů  je  rychlý růst, vysoká plodnost a přizpůsobivost k intenzívnímu chodu v rybnících.  

 Z poznatků východoasijských chovatelů vyplynulo, že dvouletí amuři bílí v počtu 30 ks na 1 ha omezují a v počtu 100 ks na 1 ha zcela potlačují rybniční vegetaci. V našich podmínkách bylo zjištěno, že v polykultuře s kaprem jsou tříletí amuři schopni za vegetační období zlikvidovat 80-100 % ponořených a 30-40 % emerzních (tvrdých) porostů. Ačkoliv v jejich potravě převažuje rostlinná potrava, je živočišná složka v potravě amurů nenahraditelná a její nedostatek je limitujícím faktorem jejich růstu (Krupauer 1989).  Pípalová, 2000 zjistila, že amur bílý při obsádce 29 kg.ha^-1 statisticky výrazně snížil biomasu vodních makrofyt (zvláště vláknité řasy Cladophora globulina) a  změnil také  druhové složení společenstva vyšších vodních rostlin.  Bohužel trávení rostlinné potravy amurem je neúplné; přibližně polovinu přijaté potravy amur vylučuje v podobě výkalů do vody. Tímto způsobem se 50 % fosforu a dusíku vázaných v rostlinách dostává zpět do vodního prostředí, což může vést k eutrofizaci nádrže.

Tolstolobik bílý a pestrý jsou na rozdíl od amura typičtí planktonofágové, v jejichž potravě zcela chybí bentické organismy. Živí se hlavně planktonními sinicemi a řasami a v malé míře i detritem. Z některých laboratorních pokusů a sledování vyplývá, že tolstolobik bílý (případně i pestrý) bez obtíží přijímají sinice, ale nemají schopnost je ve svém trávicím traktu rozložit a strávit, takže buňky sinic procházejí trávicím traktem prakticky beze změn a nepoškozené.

POUŽITÍ ALGICIDNÍCH PŘÍPRAVKU

Použití  algicidů je v mnoha zemích zcela zakázáno nebo omezováno. Jestliže jsou použity, není možno takovýto zdroj využít jako pitnou vodu ani pro rekreační účely. Toto omezení se vyhlašuje až do doby konečné degradace toxinů.

Z algicidů se nejčastěji používají síran měďnatý, chlór a citráty mědi. Tyto přípravky ničí buňky řas a cyanobacterií, ale při aplikaci dochází k nežádoucímu  uvolnění toxinů do vody. Uvolněné toxiny nepříjemně ovlivní chuť i pach vody  Kromě toho mohou některé algicidy vést k selekci rezistentní druhů.  Přípravky se aplikují na počátku rozvoje cyanobacterií (na konci fáze „clear water“). Na počátku svého rozvoje jsou sinice nejzranitelnější, přijímají nejvíce látek ze svého okolí a po přezimování jsou zesláblé. V případě, že jsou sinice v dobrém fyziologickém stavu nelze zásah realizovat.

Síran měďnatý je  často využíván pro svoji nízkou cenu, měď má však bioakumulační účinky. Cheláty na bázi mědi (citráty  mědi) jsou užívány ve vodách s vyšší alkalickou reakcí.

POUŽITÍ  CYANOFÁGU

Cyanofágy jsou viry ničící cyanobacterie. Nemohou napadnou žádný jiný organismus než specifický druh sinice. Nevýhodou této vysoce specifické metody je, že je zatím známo jen málo cyanofágů, přičemž nám chybí právě ty nejdůležitější, specializované na sinice tvořící vodní květ.

BIOMANIPULACE

Teoretickým základem biomanipulace je model trofické kaskády „top-down control“ (méně planktivorních ryb, více zooplanktonu a méně fytoplanktonu). Během období snížené rybí obsádky kaprovitých ryb (malí okouni, plotice, cejn velký) se zvýší poměr velkých perlooček >0,7 mm (hlavně rod Daphnia) k celkové biomase zooplanktonu. Ovlivnění rybí obsádky (řízená rybí obsádka ) se dosáhne buď selektivním odchytem planktivorních ryb, manipulací vodní hladiny v době jejich tření  nebo nasazením dravých ryb (candát, štika, sumec, bolen dravý). Při nízké rybí obsádce filtrující zooplankton, ve kterém převládají velké druhy účinně kontroluje rozvoj fytoplanktonu. Průhlednost vody je větší. Biomasa fytoplanktonu (naměřená jako koncentrace chlorofylu-a) odpovídá poloviční biomase naměřené v období s vysokou rybí obsádkou při téměř nezměněných koncentracích limitujících živin (fosfor). Všechny výsledky potvrzují, že pozitivní vliv ovlivňování potravní sítě může být snadněji dosažen a udržen po delší dobu v menších (do 25 ha), mělkých (max. 3 m hloubka) a plně kontrolovaných vodních nádržích  než ve větších, stratifikovaných nádržích, a to při nižší úrovni přísunu fosforu.