Eutrofizacja jako proces zwiększania żyzności zbiorników wodnych prowadzi między innymi do wzrostu produkcji pierwotnej, czyli większego (nadmiernego) przyrostu roślin. Rośliny wodne zarówno glony, jak i rośliny naczyniowe mogą stanowić substrat do produkcji biogazu.
Zjawisko eutrofizacji
Bardzo niepokojącym zjawiskiem jest pogarszanie się jakości wód powierzchniowych, czego jednym z przejawów jest proces eutrofizacji. Zjawisko to zachodzi w układach pozbawionych ingerencji człowieka, zazwyczaj w sposób bardzo powolny, niezauważalny z punktu widzenia jednego pokolenia. Na przykład jeziora z biegiem lat ulegają naturalnemu procesowi starzenia, przechodząc wiele faz pośrednich od oligotrofii, przez kolejne stadia mezotrofii do eutrofii.
W ostatnich dziesięcioleciach obserwuje się gwałtowne przyspieszenie eutrofizacji, która przebiega w sposób lawinowy. Proces ten obejmuje wszelkie zmiany prowadzące do wyższego poziomu produkcji pierwotnej jeziora. Spowodowany jest on dopływem do wód powierzchniowych dużych ilości soli biogennych i substancji organicznych. Ich głównym źródłem jest postępująca urbanizacja oraz rozwijający się przemysł i związany z tym wzrost objętości powstających ścieków. W dalszym ciągu pomimo restrykcyjnych przepisów istotną rolę odgrywa rolnictwo. Znaczący i ciągle rosnący wpływ na zanieczyszczanie wód śródlądowych ma również turystyka, co szczególnie widoczne na przykładzie żeglugi jachtowej na Wielkich Jeziorach Mazurskich. Na jeziorach tych pływa corocznie ponad 50 tys. żeglarzy, to jest 10-12,5 tys. żaglówek i jachtów. Około 40% jednostek pływających wyposażonych jest w toalety chemiczne.
Decydującą rolę w procesie eutrofizacji zbiorników wodnych odgrywają związki fosforu i azotu. W większości przypadków czynnikiem limitującym wielkość produkcji pierwotnej jest fosfor. Jego koncentracja i obieg w ekosystemach jeziorowych pozostaje w ścisłym związku ze stężeniem żelaza. W warunkach tlenowych żelazo strąca fosforany, powodując ich inaktywacje w osadach dennych. Odtlenienie wód leżących nad osadami dennymi, będące skutkiem mineralizacji sendymentującej materii organicznej, stanowi początek nowego etapu przyśpieszenia eutrofizacji. W warunkach anaerobowych wskutek redukcji żelaza następuje uwalnianie fosforanów z osadów do wody. Od tego momentu dodatkowym, istotnym źródłem biogenów jest zasilanie wewnętrzne. Ładunki wychodzące z osadów przewyższają niejednokrotnie dopływ zanieczyszczeń z zewnątrz. Etapem przełomowym w eutrofizacji jest pojawienie się siarkowodoru. W tych warunkach na powierzchni osadów wytrąca się trudno rozpuszczalny siarczek żelazawy. Jest to moment, od którego eutrofizacja zaczyna przebiegać w sposób lawinowy.
Wzrost zanieczyszczenia wód powierzchniowych wpływa nie tylko niekorzystnie na zmiany fizykochemiczne środowiska, ale przyczynia się też do naruszenia naturalnego ekosystemu, co powoduje zachwianie równowagi biologicznej. W zeutrofizowanych zbiornikach obserwuje się wzrost liczebności glonów (przy jednoczesnym spadku ilości gatunków), intensywny rozwój roślinności naczyniowej w obrębie literału i jej zanik na większych głębokościach. Następuje przebudowa składu gatunkowego ichtiofauny, objawiająca się zmniejszeniem udziału ryb siejowatych na korzyść karpiowatych.


Fot. Biomasa wodna w zeutrofizowanym zbiorniku

„Energia” glonów
To niekorzystne zjawisko z punktu przyrodniczego można wykorzystać w sposób pozytywny – jako potencjalne źródło energii odnawialnej. W takich krajach jak USA i Meksyk materię organiczną pozyskuje się na wielką skalę z roślin „niższych”. Należą do nich glony, np. Chlorella, Scenedesmus, występujące w otwartych zbiornikach wodnych. Jeżeli energię potencjalną, dostępną z wysuszonych glonów, porówna się z energią słoneczną wnikającą do zbiorników hodowlanych, to okazuje się, że można odzyskać część dochodzącą do 8%. Odpowiada to produkcji suchej materii w ilości 30 kg/m2 rocznie. W naszych warunkach klimatycznych i nasłonecznieniu uzyskuje się wyniki bliższe wydajności dla „wyższych” roślin, takich jak kukurydza czy lucerna. Bardzo popularnym źródłem materii organicznej jest rzęsa wodna. W Polsce pospolite są: rzęsa drobna (Lemna minor) – roślina bezlistna, mająca pędy koliste o średnicy 2-3 mm, i rzęsa trójrowkowa (Lemna trisulica) o pędach lancetowatych, mających 4-10 mm długości. W naturalnych warunkach rzęsa jest pokarmem ptactwa wodnego. W warunkach sprzyjających rzęsa drobna szybko rośnie i jej masa podwaja się co 1-3 dni. W ciepłym klimacie ze stawów zasilanych ściekam miejskimi bez żadnych wstępnych zabiegów można otrzymać ponad 13 ton suchej rzęsy z hektara rocznie. Przy użyciu pokrewnego gatunku, rzadziej występującego w Polsce, ilość ta wzrasta do 24 ton suszu z hektara rocznie. Jest to biomasa, którą stosunkowo łatwo można zebrać z powierzchni zbiornika.
Na całym świecie na dużą skalę wykorzystuje się różne formy glonów morskich. Są one pozyskiwane na cele konsumpcyjne i przemysłowe, a jednym z najbardziej znanych jest wykorzystanie glonów w kosmetologii. Glony (łac. algi) są grupą organizmów określaną na podstawie kryteriów morfologicznych i ekologicznych. Mianem tym tradycyjnie określa się kilka niespokrewnionych linii ewolucyjnych organizmów beztkankowych. Do glonów zalicza się organizmy jedno- lub wielokomórkowe, samożywne, czasem mikroskopijnej wielkości, a czasem występujące w postaci rozłożystych plech. Cechami łączącymi typy składające się na tę grupę morfologiczno-ekologiczną jest autotrofizm Pełnią one funkcję pierwotnego producenta materii organicznej w zbiornikach wodnych.
Przeprowadzone we Francji badania (CEVA Centre d'Etude et de Valorisation des Algues, France) wykazały duży potencjał wykorzystania glonów z rodzaju Ulva sp. jako ważnego źródła substratu do produkcji biogazu. Badacze uzyskali biogaz o stężeniu metanu aż 83%, a wielkość produkcji biogazu osiągała 280 l CH4/kg ChZT. Wskazuje to na ogromy potencjał energetyczny, który stwarza możliwość wykorzystania roślinności wodnej do produkcji biogazu.
Możliwości wykorzystania biomasy wodnej
Również w Polsce, pomimo niekorzystnych warunków wegetacyjnych, należy poszukiwać substratu w postaci biomasy wodnej (fot.). Na przykład można do tego celu wykorzystać największy zbiorniki wodny w kraju, jakim jest Zalew Wiślany, po stronie rosyjskiej nazywany Kaliningradzkim. Powierzchnia części polskiej Zalewu wynosi 326 km2 (cały Zalew ma 837 km2). Średnia głębokość Zalewu 2,3 m (maksymalnie 4,6 m). Zalew jest zbiornikiem silnie zeutrofizowanym z uwagi na wieloletnie odprowadzanie do niego nieoczyszczonych ścieków komunalnych z miejscowości nadzalewowych – do teraz do Zalewu odprowadza nieoczyszczone ścieki komunalne i przemysłowe, pięciomilionowa aglomeracja Kaliningradu. Wykorzystanie produkcji pierwotnej tego zbiornika (glonów i roślin naczyniowych) jako potencjalnego substratu do procesu fermentacji umożliwi przeprowadzanie inwestycji w postaci budowy wzdłuż wybrzeża sieci kilku biogazowni wykorzystujących biomasę roślin wodnych. Zaproponowane rozwiązania umożliwią produkcję energii odnawialnej, a jednocześnie poprawią jakość wody w Zalewie Wiślanym. Wyprowadzanie nadmiaru produkcji pierwotnej ograniczyłoby ilość dostępnych miogenów, a tym samym spowolniłoby proces eutrofizacji zbiornika.
Innym całkowicie nowatorskim rozwiązaniem docelowym są biogazownie wykorzystujące roślinność wodną, ale działające w układzie zamkniętym (rys). Biomasa pochodziłaby ze specjalnych zbiorników z izolacją termiczną, co pozwoliłoby na produkcję biomasy, która zasilałaby fermentory niezależnie od pory roku. Powstający metan byłby przetwarzany na energię elektryczną, odpadowe ciepło służyłoby do utrzymania właściwych warunków temperaturowych zbiorników z roślinnością. Powstający w procesie dwutlenek węgla nie byłby produktem odpadowym, jak ma to miejsce w klasycznych biogazowniach, ale służyłby do zasilania roślin, zwiększając ich przyrost.


Rys. Układ zamknięty do wytwarzania i przetwarzania biomasy wodnej
 
O konieczności poszukiwania odnawialnych źródeł energii nie trzeba przekonywać nikogo. Ogromne zaangażowanie środków w możliwości wykorzystania procesu fermentacji metanowej spowodowało powstanie na całym świecie licznych biogazowni. Okazuje się jednak, iż wykorzystanie w tym procesie roślin lądowych z upraw kierunkowych stwarza pewne trudności. Przede wszystkim wzrastające ceny surowca, związane z ogromnym zapotrzebowaniem na biodiesel i bioetanol, hamują rozwój tego typu biogazowni. Możliwe do wykorzystania areały ziemi uprawnej nie wystarczą do zaspokojenia potrzeb żywnościowych oraz energetycznych ludności. Wydaje się budzić pewne wątpliwości masowe wykorzystywanie np. nasion zbóż do fermentacji czy produkcji biopaliw przy jednoczesnej klęsce głodu w wielu rejonach świata. W tym aspekcie ciekawą alternatywą wydaje się wykorzystanie roślinności wodnej. Możliwość ograniczenia stopnia degradacji zbiorników wodnych przy jednoczesnej produkcji energii otwiera nowe możliwości dla rozwoju energii odnawialnej. Przedstawione w artykule nowatorskie rozwiązanie to przyszłość, która rodzi się już dziś.
dr hab. Mirosław Krzemieniewski, prof. UWM
dr inż. Marcin Zieliński,
dr inż. Marcin Dębowski,
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski,
Wydział Ochrony Środowiska i Rybactwa