mag . Alenka ŠAJN SLAK, dr. Tjaša BULC , prof. dr. D. VRHOVŠEK

mag. Alenka ŠAJN SLAK * dr. Tjaša BULC**

prof. dr. Danijel VRHOVŠEK**

- 48-HIDROLOGIJA IN EKOLOGIJA

EKOREMEDIACIJSKE METODE ZA ZAŠČITO IN SANACIJO STOJEČIH VODA - PRIMER ŠMARTINSKO JEZERO

POVZETEK

Ekoremediacijske metode, ki vključujejo predvsem fitoremediacijo in rizosferno bioremediacijo, so metode za zaščito in sanacijo onesnaženih vodnih ekosistemov, z neposredno uporabo različnih rastlin , mikroorganizmov in drugih organizmov vodnih in močvirnih ekosistemov. Začetek razvoja teh metod sega v sedemdeseta leta, ko se je v aplikativni ekologiji pojavil koncept ekološke pufrske kapacitete (ecological buffer capacity) . Številne študije so pokazale, da lahko močvirja, jezera in zadrževalniki zadržijo hranilne ter strupene snovi ter tako ščitijo tekoče in stoječe vode pred netočkovnim in točkovnim onesnaženjem. Z dobrim poznavanjem naravnih procesov čiščenja lahko te procese optimiziramo npr. v garjenih močvirjih in dosežemo večjo učinkovitost kot v naravnih sistemih. Primer ekoremediacije je prikazan na primeru predloga sanacije Šmartinskega jezera.

UVOD

Z demografskim, družbenim in tehnološkim razvojem se je obremenitev z organskimi , dušikovimi, fosforjevimi in drugimi snovmi močno povečala , kar ima za posledico slabšanje kakovosti voda. Tako postajajo zahteve za učinkovito zaščito okolja pred vnosi teh snovi in zahteve za sanacijo že onesnaženih vodnih ekosistemov vse ostrejše.

K reševanju te problematike smo pristopili tudi v Sloveniji. "Operatvni program odvod nje in čiščenja komunalnih odpadnih voda s programom projektov vodooskrbe" (MOP, junij 1999) kot sektorski program izvajanja 1. faze NPVO v okviru vsebin celostnega upravljanja z vodami določa prednostne ukrepe s časovnim potekom in finančnim načrtom izvedbe investicij , kar pomeni, da je potrebno večino sanacij virov onesnaženja izvesti med obdobjem od leta 2008 in 2017 z namenom, da bi bilo 91 % prebivalstva Republike Slovenije priključenih na kanalsko omrežje z ustrezno drugo ali tretjo stopnjo čiščenja . V ta sklop sodijo tudi občutljiva področja (evtrofikacijska področja (npr. naravna jezera), močvirja , področja z biološko raznolikostjo vrst, področja vodotokov, ki so določena za kopaine vode, področja vodnih virov za vodooskrbo). Zanje je razvoj novih trajnostnih metod za zaščito in čiščenje zelo pomemben . Mednje sodijo tudi vedno bolj aktualne metode ekoremediacije, ki so zlasti uporabne za sanacijo specifičnih vodnih ekosistemov Uezera, akumulacije, vodotoki na občutljivih območjih , odlagališča odpadkov) in v primeru specifičnih lokalnih razmer (npr. redko naseljena področja , med seboj oddaljeni in majhni zaselki, ruralna področja) , kjer gre za majhne, a stalne količine odpadne vode, za katere so ponavadi na razpolago le nizki investicijski vložki za sanacijo, a velik potencial narave same, ki je pomemben vezni člen ekoremediacije.

Ekoremediacija , ki vključuje predvsem fitoremediacijo (fitotransformacija , fitostabilizacija , fitoekstrakcija , rizofiltracija) ter rizosferno bioremediacijo, je metoda za zaščito in sanacijo onesnaženih vodnih ekosistemov, z neposredno uporabo različnih rastlin , mikroorganizmov in drugih organizmov vodnih in močvirnih ekosistemov.

Mag . Alenka ŠAJN SLAK univ. dipl. biol., CGS Računalniško podprto projektiranje , GIS in ekologija , d.o.o , Brnčičeva 13,

Ljubljana ;

""dr. Tjaša Bulc univ. dipl. biol. , ""prof. dr. Danijel VRHOVŠEK univ. dipl. biol. , LIMNOS Podjetje za aplikativno eokologijo .0 .0 .,

Požarnice 41 , 1351 Brezovica pri Ljubljani

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2001

mag . Alenka ŠAJN SLAK, - 49 -dr. Tjaša BULC , prof. dr. D. VRHOVŠEK HIDROLOGIJA IN EKOLOGIJA

Med najbolj perspektivne metode ekoremediacije sodi fitotransformacija , ki pomeni privzem in pretvorbo organskih in hranilnih snovi iz zemlje in podtalnice s pomočjo rastlin . Uporabnost te metode se kaže predvsem na področju petrokemije, skladišč , razlitja naftnih derivatov in za čiščenje izcednih voda odlagališč ter čiščenje pesticidov in gnojil za potrebe kmetijstva . Privzem skozi korenine je predvsem odvisen od sposobnosti akumualcije , transpiracije, koncentracije onesnaževal in od vitalnosti same rastline . Po translokaciji organskih snovi lahko rastlina shrani le-to tekom lignifikacije ali izpari med transpiracijo, se metabolizira in spremeni v manj strupeno obliko ali mineralizira do CO2 in H20.

Rizosferna bioremediacija je fitoremediacijska metoda rizosfere, ki omogoča učinkovito razgradnjo onesnaževal v sedimentu oziroma vodi. V procesu sodelujejo tako mikroorganizmi kot rastline, saj lahko le-te inducirajo encimski sistem mikroorganizmov za potrebe razgradnjih procesov kot poročajo iz EPA -laboratorija , Georgija .

Fitostabilizacija , ki postaja predmet številnih raziskav na področju odlagališč odpadkov, izrablja rastline z veliko sposobnostjo transpiracije za preprečevanje prodiranja izcedne vode v globino in onesnaženje podtalnice in recepientov (Dearing, KS, ZDA) . Za podobne primere se lahko uporabljajo tudi rastline s sposobnostjo hiperakumulacije kot fitoekstrakcijska metoda za akumulacijo npr. težkih kovin (Trenton , New York, Pennsylvania , ZDA) .

Za Čiščenje vode pa je predmet številnih raziskav rizofiltracija , ki je kombinacija zgoraj naštetih metod, v praksi pa se najpogosteje in uspešno uporablja kot umetno ali sonaravno močvirje (Černobil , Ukrajina, Milan , Tennessee, ZDA) ali v primerih Čiščenja kovin (odpadki urana Ashtabula , Ohio, ZDA) . Oblika fitoremediacije , ki danes še posebaj stopa v ospredje so blažiina območja (buffering zones) za izboljšanje kvalitete vode , zaščito zraka in tal ter povečevanje biodiverzitete .

PROBLEMATIKA ŠMARTINSKEGA JEZERA

Šmartinsko jezero je bilo zgrajeno leta 1970 z namenom zadrževanja visokih voda in kot rezervoar za potrebe industrije celjskega bazena. Še danes predstavlja jezero edini pomembnejši zadrževalnik visokovodnega vala v občini Celje , kar je tudi njegova prioritetna namembnost. Raba v industrijske namene do danes ni zaživela , predvsem zaradi zmanjšanih potreb po industrijski vodi. Že kmalu po izgradnji pa se je na območju razvila rekreacijska dejavnost in ribištvo. V zadnjem času se ob in na jezeru razvija turistična dejavnost.

Že prve študije , narejene kmalu po ojezeritvi (v letih 1972 in 1973), so pokazale, da potekajo evtrofizacijski procesi v Šmartinskem jezeru zelo hitro ter da lahko resno ogrozijo izvajanje zgoraj navedenih aktivnosti na in ob jezeru. Slabšanje kvalitete vode v jezeru so potrdile tudi vse naslednje raziskave .

Leta 1998 je bila na Šmartinskem jezeru opravljena naloga: Strokovne podlage za sanacijo kakovosti Šmartinskega jezera za večnamensko uporabo njegovega obvod nega in vodnega prostora (Limnos d.o.o. in Nivo vodno gospodarstvo Celje , d.o.o.) Tudi ta raziskava je pokazala , da je jezero v evtrofnem stanju in da kakovost vode ne ustreza izvajanju rekreativne in turistične dejavnosti na jezeru .

V študiji je bilo tudi ugotovljeno, da je veliko hranilnih snovi vgrajenih v sediment jezera. To je posledica dolgotrajnega velikega dotoka hranilnih snovi iz alohtonih virov. V tabeli 1 podajamo oceno obremenitve Šmartinskega jezera s hranilnimi snovmi iz posameznih alohtonih virov.

Tabela 1: Obremenitev Šmartinskega jezera s hranilnimi snovmi iz alohtonih virov

Koprivnica 1.769 ,6 33,7 17.699,2 49,6 Loka 92 ,6 1,8 874 2,5 Brezova 843,2 16,1 5121 ,6 14,3 izpiranje zaledja 63,9 1,2 906,9 2,5 Padavine 77 ,6 1,5 1108,8 3,1 komunalne vode 2.400 45,7 9.995,6 28 Skupaj 5.246,9 100 35.706,1 100

Mi Š iČEV VODARSKI DAN 2001

mag. Alenka ŠAJN SLAK, - 50-dr. Tjaša BULC, prof. dr. D. VRHOVŠEK HIDROLOGIJA IN EKOLOGIJA

Iz gornje tabele je razvidno, da sta med alohtonimi viri največja onesnaževalca pritok Koprivnica in iztekanje neočiščenih komunalnih voda direktnega gravitacijskega področja v jezero. Površina kmetijskih in gozdnih površin iz katerih 'run-off direktno izteka v jezero je relativno majhna, zato so bile obremenitve s hranilnimi snovmi iz tega vira nizke. Simulacija procesa evtrofizacije v Šmartinskem jezeru z 'Lake Modelom' je pokazala , da bo stanje jezera, če ne bo prišlo do sanacije, postalo hiperevtrofno. Koncentracije hranilnih snovi bodo naraščale v vodi in vsedimentu. Limitirajoča snov v jezeru je fosfor. Če bi s sanacijskimi ukrepi zmanjšali vnos hranilnih snovi v jezero za 70%, bi proces evtrofizacije potekal precej počasneje, koncentracije hranilnih snovi v vodi in v sedimentu pa bi naraščale bistveno počasneje. Za sanacijo Šmartinskega jezera so bile predlagane ekoremediacijske metode. Avtorji pravkar končujemo izdelavo njihovih idejnih zasnov.

Koprivnica

RČN

Brezova

kombiniran iztok

J ) t\l ~,f~' t-l 'i N {J ~1 ',/IDI-

Slika 1: Pred/og sanacije Šmartinskega jezera z ekoremediacijskimi metodami v okviru naloge Strokovne pod/age za sanacijo kakovosti Šmartinskega jezera za večnamensko uporabo njegovega obvodnega in vodnega prostora

Za delno sanacijo sedimenta smo predlagali izpiranje sedimenta med stratifikacijo s kontroliranim izpuščanjem s hranili bogate in s kisikom revne hipolimnijske vode. Ta metoda je bila uporabljena na številnih evropskih jezerih jezero Kortowo na Poljskem, jezero Wiler v Švici , jezero Reither v Avstriji , jezero Damman na Finskem .... Izkušnje so pokazale, da se z iztokom hipolimnijske vode viša koncentracija raztopljenega kisika v hipolimniju , ter da postane bilanca hranilnih snovi v jezeru ugodnejša. Pri uporabi te metode je potrebno biti pozoren na zmanjšanje termokline (zapornega sloja) , kar pospeši mineralizacijske procese v jezeru . Prav tako je potrebno zagotoviti ekološko sprejemljiv pretok v iztoku iz zadrževalnika (večnivojski izpust in mešanje vode) . Za to pa je nujno potrebno vzpostaviti kontinuirani monitoring kakovosti jezerske vode.

Na obali Šmartinskega jezera smo, predvsem tam , kjer je izpiranje kmetijskih površin intenzivno, predlagali v okviru Strokovnih podlag za sanacijo kakovosti Šmartinskega jezera za večnamensko uporabo njegovega obvod nega in vodnega prostora (Limnos d.o.o. in Nivo vodno gospodarstvo Celje, do.o.) ureditev blažilnih območij (pasovi vegetacije) . Na vtokih Koprivnica, Loka in Brezova smo

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2001

mag. Alenka ŠAJN SLAK, - 51 -dr. Tjaša BULC , prof. dr. D. VRHOVŠEK HIDROLOGIJA IN EKOLOGIJA

predlagali izgradnjo močvirij, medtem ko smo za naselji Loče in Brezova ter posamezne individualne hiše, kmetije , zaselke predlagali izgradnjo rastlinskih čistilnih naprav (RČN) .

. Osnovni oblikovni dejavniki za grajena močvirja so zadrževaini čas , obremenitev z organskimi snovmi , globina vode, razmerje dolžina : širina ter oblika . Tipične vrednosti oblikovnih kriterijev so podane v tabeli 2.

Tabela 2: Tipične vrednosti oblikovnih kriterijev (EcoSys, 2000)

Dejavnik Enota Priporočena vrednost Zadrževaini čas (za odstanitev topnih onesnaževal) Zadrževaini čas (za odstranitev suspendiranih snovi) Največja obremenitev z BPK5

dan dan kg/ha dan M/dan ha/m3 dan /

5 -14 0.5 - 3 80 - 112

Hidravlična obremenitev 0.01 - 0.05 0.002 - 0.014 2:1 -10:1

Potrebni prostor Razmerje dolžina : širina Globina vode - povprečje M 0.1 - 0.5

0-0.5 Nagib dna %

Nekatere funkcije zasajenih in prostih vodnih površin so opisane v tabeli 3. Močvirje na dotoku v jezero bo izboljšalo kvaliteto dotekajoče vode, povečalo pestrost življenjskega okolja ter imelo visoko estetsko vrednost.

Tabela 3: Pomen zasajenih in prostih vodnih površin za posamezne funkcije močvirja

Namen močvirja Kvaliteta vode

Pestrost življenskega okolja

Estetika Rekreacija

Pomen zasajenih in prostih vodnih površin Trstične grede so potrebne za filtracijo , zmanjšanje hranil ter povečanje sedimentacije Globoka prosta voda omogoča uničenje patogenih mikroorganizmov Globoka prosta voda povečuje zadrževaini čas in omogoča mešanje; to povečuje procese odstranjevanja onesnaževal Prosta voda omogoča oksidacijo Površine proste vode so potrebne za pristajanje vodnih ptic Površine globoke proste vode so potrebne za zaščito rib v deževnih in hladnih obdobjih Potrebni so majhni kanali , da lahko ribe odplavajo tudi v močvirje Prosta voda okoli otokov je potrebna za zaščito favne pred pleniici in ljudmi Trstična grede nudijo življensko okolje velikim nevretenča rjem Ravnotežje med prostimi vodnimi površinami za vodne ptice in trstično gredo za velike vretenčarje omogoča pestrost živ. Okolja Proste vodne površine dajejo lep videz in omogočajo pogled na ekosistem Nekaj trstičnih gred je potrebnih za optično uravnoteženost

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2001

mag. Alenka ŠAJN SLAK, - 52-dr. Tjaša BULC , prof. dr. D. VRHOVŠEK HIDROLOGIJA IN EKOLOGIJA

Slika 2: Sonaravno močvirje na dotoku v jezero

Ena najpomembnejših sanacijskih metod pa je čiščenje odpadnih voda na prispevnem območju jezera. Idejne zasnove zbiranja , odvajanja in čiščenja komunalne odpadne vode ter odvajanja meteorne vode so v izdelavi. Pričakujemo , da bodo pokazale, da je določena naselja na neposrednem gravitacijskem območju Šmartinskega jezera smiselno povezati na načrtovano ČN , za oddaljena naselja, zaselke ter individualne hiše, kmetije pa iz izvedbenih (oddaljenost od centralnega kanalizacijskega voda, teren) , ekonomskih ali drugih razlogov to ni mogoče . Pri tem imajo manjše ČN številne prednosti , saj predstavljajo enostaven in učinkovit alternativni način čiščenja , ki je za sanacijo nekaterih naselij ali zaselkov najustreznejša rešitev. RČN v tem kontekstu ponujajo nekatere prednosti (zadrževanje N, P, strupenih snovi , učinkovita redukcija patogenih bakterij , pufrska kapaciteta, nižji investicijski , obratovalno vzdrževalni stroški) , zato smo priporočili njihovo uporabo tudi pri zaščiti Šmartinskega jezera.

ZAKLJUČEK

UPORABLJENA Z roki , ki nam jih je postavila EU v procesu pridruževanja (2008 -2017) , je Slovenija prisiljena v takojšnje izvajanje zaščite stoječih in tekočih voda ter čiščenja odpadnih voda, kar pomeni , da postajajo hitre, enostavne, učinkovite in stroškovno nezahtevne metode kot so ekoremediacije slovenska prespektiva za doseganje časovo in kvalitativno postavljenih normativov. Remediacijske metode, tako fitoremediacija kot ekoremediacija predstavlja Z roki , ki nam jih je postavila EU v procesu pridruževanja (2008 -2017) , je Slovenija prisiljena v takojšnje izvajanje zaščite stoječih in tekočih voda ter čiščenja odpadnih voda, kar pomeni, da postajajo hitre, enostavne, učinkovite in stroškovno nezahtevne metode kot so ekoremediacije slovenska prespektiva za doseganje časovo in kvalitativno postavljenih normativov. Remediacijske metode, tako fitoremediacija kot ekoremediacija predstavljajo novo področje v znanosti , katerega aktualnost izjemno narašča . Področje je izrazito interdisciplinarno, saj združuje ekološke oziroma biološke ter okoljske inženirje vseh smeri . Ena od bistvenih značilnosti ekoremediacije je njena lahka in stroškovno nizka uporabnost, zato je možnost aplikacije tako v Sloveniji kot tudi širše izrazito visoka, kar dokazujejo tudi dosedanje aplikacije npr. ZDA, Černobil , Ukrajina, Skandinavske države ter prioritete 5. in 6. okvirnega raziskovalnega programa EU na področju varstva okolja (ravnanje z vodnimi viri) .

S spoznavanjem značilnosti različnih habitatov bo omogočeno ohranjanje in izraba strukture in funkcije vodnega okolja kot ekosistema, zaradi česar bo možno izboljšati stanje vodotokov, jezer, podtalnice ter hkrati ohranjati biodiverziteto vodnih in obvodnih organizmov ter izdelati smernice pri opredelitvi ekološkega statusa vodotokov po evropskih merilih , določiti emisijsko sposobnost vodotokov, zaščititi talnico s sanacijo komunalnih deponij , zmanjšati obremenjenost okolja iz virov onesnaženja ter izdelati

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2001

mag . Alenka ŠAJN SLAK, - 53 -dr. Tjaša BULC , prof. dr. D. VRHOVŠEK HIDROLOGIJA IN EKOLOGIJA

strokovne podloge za gospodarjenje s stoječimi vodam i. Primer Šmartinskega jezera nam kaže možne pristope pri sanaciji jezer, ki temeljijo na principih trajnostega razvoja .

S spoznavanjem značilnosti različnih habitatov bo omogočeno ohranjanje in izraba strukture in funkcije vodnega okolja kot ekosistema, zaradi česar bo možno izboljšati stanje vodotokov, jezer, podtalnice ter hkrati ohranjati biod iverziteto vodnih in obvodnih organizmov ter izdelati smernice pri opredelitvi ekološkega statusa vodotokov po evropskih merilih , do loč iti emisijsko sposobnost vodotokov, zaščititi talnico s sanacijo komunalnih deponij , zmanjšati obremenjenost okolja iz virov onesnaženja ter izdelati strokovne podloge za gospodarjenje s stoječ imi vodami. Primer Šmartinskega jezera nam kaže možne pristope pri sanacij i jezer, ki temeljijo na principih trajnostega razvoja .

LITERATURA

EcoSys, 2000: Beitrage zur Okosystemforschung . Guidelines for wetland monitoring, designing and modelling . Ed. Michael Tepel and Silvia Opitz. Bd. 8, TMR Research Network 'wetland Ecology and Technology' (WET), 139 s.

Kadiec, R. H. , Knight, R. L. 1996. Treatment wetlands . Boca Raton , Florida, USA, Lewis Publishers, CRC Press, Inc., 893 s.

Haycock N. E., Burt T. P., Goulding K. W. T., Pinay G. (eds) . 1997. Buffer Zones: Their processes and Potential in Water Protection. Quest Environmental , Foundation for Water Research , Oxford.

Kramer P.J., Boyer J. S. 1995. Water Relations of Plants and Soils . Academic Press, London.

Bilitewski B., Hardtle K.M. 1994. Waste Management. Springer-Verlag , Berlin , Heidelberg.

Koudelkova , B. 1999. Effects of the hydropower peaking on distribution of periphyton in the cross section of a regulated river. Dissertation abstract, Faculty of Sciences, Masaryk University in Brno, department of Zoology and Ecology, Brno, 28 s.

Petts , G. E. 1996. Water allocation to protect river ecosystems. Regulated Rivers: Research and Management, 12, s. 353 - 365.

Guidelines of Lake Management Vol. 1-5, ILEC, Shiga, Japan. 1987-1994

Harper, D., 1992: Eutrophication of Freshwaters. Principles, problems and restoration . Chapman & Hall , London .

Horne,A.J.lGoldman , C. R. 1994. Limnology. "nd ed ition , McGraw-Hill International Editions, Biological Science Series, 586 s.

Vrhovšek D , Šajn Slak A. , Podgoršek T. 1998: Strokovne podlage za sanacijo kakovosti Šmartinskega jezera za večnamensko uporabo njegovega obvodnega in vodnega prostora. Poročilo , Limnos d.o.o., Ljubljana , 67 s.

MiŠ iČEV VODARSKI DAN 2001