Bariery azotowe – ochrona wód w obszarach rolniczych.

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.

 

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.

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

 

Podobał Ci się mój artykuł? Możesz wesprzeć moją działalność darowizną i zostając moim Patronem – tutaj więcej informacji

Możesz też zarejestrować się poprzez poniższy formularz, aby otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach. Nie ujawnię nikomu Twojego adresu!

 

---

Więcej informacji i aktualności:

• Strona projektu AZOSTOP – tutaj.

Źródła:

• Bednarek A., Stolarska M., Ubraniak M., Zalewski M. 2010. Application of permeable reactive barriers for groundwater protection in agricultural areas – preliminary results. Ecohydrology & Hydrobiology 2-4.
• Bednarek A., Szklarek S., Zalewski M. 2014. Nitrogen pollution removal from areas of intensive farming—comparison of various denitrification biotechnologies. Ecohydrology & Hydrobiology, 14 (2): 132-141.
• Niżyńska A. 2005. Denitryfikacja azotanów w wodach podziemnych. Instytut Ochrony Środowiska. Wrocław
• Schipper L. A., McGill A. 2008. Nitrogen transformation in denitrification layer irrigated with dairy factor effluent. Water Research 42: 2457-2464.
• Schipper L. A., Robertson W. D., Gold A. J., Jaynes D. B., Cameron S. C. 2010. Denitrifying bioreactors – An approach for reducing nitrate loads to receiving waters. Ecological Engineering 36: 1532-1543.
• Szklarek S., 2011. Zastosowanie geowłókninowych, biodegradowalnych złóż do usuwania zanieczyszczeń azotanowych i fosforanowych z ekosystemów wodnych. Katedra Ekologii Stosowanej, Uniwersytet Łódzki. Łódź – zainteresowanym mogę wysłać pdf 😉