Problematika trofizace vodárenských nádrží – realizace opatření na Brněnské údolní nádrži

12. 2. 2013

V průběhu roku 2010 byl spuštěn projekt Realizace opatření na Brněnské údolní nádrži. Přípravy tohoto projektu sahají až do roku 2006, kdy se zpracoval projekt Čisté povodí Svratky – realizace opatření I.etapa a následně v roce 2007 Studie proveditelnosti. V roce 2008 byla podána žádost o finanční podporu z Operačního programu Životního prostředí a během roku 2009 byla zpracována dokumentace pro zadávací řízení. Současně s touto administrativní a projekční činností, již však probíhala přípravná opatření jako letecké ošetření obnaženého dna vápenným hydrátem na podzim roku 2007, v únoru a listopadu 2008 a  poslední v dubnu 2009. Téhož roku se také podařilo projednat mimořádnou manipulaci na vodním díle spočívající ve snížení hladiny o cca 10 m . Od června do září 2009 brázdila na snížené hladině loď se speciální provzdušňovacím zařízením a technologií pro sběr biomasy . Samotný projekt byl zahájen již na běžné provozní hladině a to spuštěním provozu aeračních věží a zahájení ošetření přítoku do nádrže síranem železitým.

Klíčová slova: sinice ; opatření; aerace; fosfor

Úvod

Neustále se zvyšující koncentrace fosforu v povrchových vodách řeky Svratky způsobila nadměrný růst sinic a tím proměnila koupací vodu brněnské přehrady v zapáchající jezero. Na brněnské přehradě dosáhla trofizace takové míry, že voda blízko u hladiny se podobala „vrstvě špenátu“. Koupací sezóna na přehradě před rokem 2009 prakticky vůbec nezačala, protože voda na začátku prázdnin již nebyla vhodná ke koupání. Na základě těchto skutečností se přikročilo k již zmíněnému návrhu opatření, které měli přispět k obnovení přehrady jako koupacího místa pro město Brno. Popis opatření zahrnovala již „Studie proveditelnosti k realizaci opatření na Brněnské údolní nádrži“. Konkrétní návrh například opatření „Aerace“ vodní nádrže nebo opatření „Dávkování solí železa na vtoku do nádrže“ byl technicky zpracován až v realizační dokumentaci. Projekt je hodnocen dvěmi kritérii a to snížení množství sinic v sedimentech o 50% a zvýšení koncentrace kyslíku 1,0 m nade dnem na 2 mg/l. Nutno podotknout, že se jedná o projekt, který nemá v celosvětovém měřítku obdoby. Soubor všech navržených opatření funguje úspěšně jako cele a nelze použít jednotlivá opatření odděleně.

Navržená opatření:

Vápnění

Mezi první opatření, které bylo realizováno na nádrži, bylo letecké ošetření obnažených břehů vápenným hydrátem. Cílem tohoto opatření bylo urychlení přirozené mineralizace organických sedimentů a redukce živin obsažených v sedimentech, tak aby se omezilo jejich využití sinicemi a dosáhlo se tak zlepšení hygienických podmínek v nádrži. Toto vápnění probíhalo vždy na sedimenty odkryté při pravidelném snížení hladiny v rámci běžné manipulace na vodním díle. Celková plocha aplikace byla závislá na výšce hladiny a tím ploše obnažených sedimentů. Na podzim roku 2007 proběhla první aplikace, další letecká aplikace se uskutečnila v únoru a listopadu roku 2008 a  poslední pak v dubnu 2009. Aplikace vápenného hydrátu neměla negativní vliv na vodní ekosystém, na úhyn ryb a ani na rozvoj zooplanktonu.

Upuštění nádrže – letnění

V roce 2009 se podařilo projednat a schválit mimořádnou manipulaci na vodním díle, spočívající ve snížení hladiny o cca 10 m . Od června se začala snižovat hladina až na kótu 219,00 m n.m. a to rychlostí zhruba 30 cm za den. V toto období byla na hladinu spuštěna speciální loď vybavená provzdušňovacím zařízením a technologií pro sběr sinic.

Výměna rybí obsádky

Vzhledem ke snížené hladině v roce 2009 a  z toho vyplývající zvýšené aktivitě rybářů a záchrannému transferu ryb v roce 2008, došlo k významnému snížení obsádky bílých ryb. Záchranným transferem bylo odvezeno zhruba 11 200 ks bílých ryb a tím se významně omezil vyžírací tlak planktonofágních ryb na zooplankton, který redukuje rozvoj fytoplanktonu. Do nádrže bylo navíc v roce 2010 a  2011 dodáno 4 400 ks štik a 12 500 ks candáta. Pro udržení vhodné rybí obsádky byl zabezpečen opakovaný odlov bílých ryb i v roce 2009 – 3 500 ks, 2011 – 9 000 ks a v roce 2012 - 3 050 ks. V současné době se provádí průzkum pro získání představy o složení rybího společenstva a jeho vývoji v následujících letech. Na základě tohoto průzkumu bude dále navrženo případné zarybnění dravými rybami či opětovný odlov bílých ryb.

Dávkování síranu železitého na vtoku do nádrže

Dávkování PIXu 113 (což je obchodní název pro 41 %-ní roztok síranu železitého) na vtoku do nádrže mělo za úkol vysrážet fosfor přitékající do nádrže z povodí nad nádrží. Tato aktivita má velkou důležitost, protože prostřednictvím nízké dávky síranu železitého bylo dosaženo snížení fosforečnanů až o 96 %. Dávkování probíhalo kontinuálně od počátku května do konce září. Dávka síranu železitého se odvíjela od koagulačních testů a od nalezení optimální koncentrace síranu železitého v závislosti na snížení fosforu v toku a na vynaložených nákladech za chemikálie. Dávka PIXu byla též závislá na průtoku v řece, kde informace o průtoku byly přenášeny z limnigrafické stanice ČHMU, takže bylo možné reagovat téměř okamžitě zvýšenou dávkou koagulantu v závislosti na stoupajícím průtoku. Celý systém dávkování běžel v automatickém režimu s přenosem informací on-line přes GPS s vizualizací a možností ovládání manuálně nebo automaticky přes internet.

Projekt „Dávkování síranu železitého na vtoku do nádrže“ byl oceněn organizací IWA – Mezinárodní asociací pro vodu v mezinárodní soutěži – čestným uznáním.

Aerace

Aktivita aerace zajišťovala dostatečnou koncentraci kyslíku v celém vodním sloupci, konkrétně však v místech, kde dříve vznikalo bezkyslíkaté prostředí. Aeraci zabezpečuje 20 aeračních věží, z toho 5 věží vybavené aerátorem a 15 věží s míchacími čerpadly. Věže jsou rovnoměrně rozmístěny v polygonu, který odpovídá rozsahu jejich působnosti. Napájení věží je zajištěno ze strojoven – kontejnerů rozmístěných na břehu hlavního jezera přehrady. Ve strojovnách je kromě rozvaděče s dotykovým panelem pro manuální ovládání jednotlivých věží umístěn i kompresor. Kompresor slouží k zásobování aerátoru vzduchem. Pro kontrolu účinnosti aerace jsou zařazeny i kontinuální sondy pro měření koncentrace rozpuštěného kyslíku s přenosem dat. Veškeré ovládání aeračních věží (zapínání/vypínání) provádí operátor buď manuálně přímo na místě v jednotlivých kontejnerech, nebo vzdáleným přístupem přes internet. Řídicí systém umožňuje i přenos SMS zpráv při definovaných stavech jako je výpadek proudu, porucha jednotlivých věží, či narušení objektu kontejneru neznámou osobou.

Dávkování PAXu do vodního sloupce

Dávkování polyaluminiumchloridu ze speciální lodi je navrženo jako opatření na eliminaci dostupných živin a vysrážení sinic z vodního sloupce. Jednalo se o záložní aktivitu pro případ, že by se koncentrace sinic v nádrži výrazně zvýšila. V průběhu tří let byla koncentrace sinic tak nízká, že nebylo potřeba toto opatření spustit.

Sběr biomasy

Pro odstraňování biomasy vodního květu sinic z hladiny a zabránění jeho sedimentaci slouží technologie na principu mechanické separace. Technologie je založena na sběru biomasy z povrchu vodní hladiny a odseparování částic biomasy na mechanickém filtru. Opatření bylo navrženo jako záložní pro případ zvýšeného počtu buněk sinic přímo na vodní hladině. Sběr biomasy probíhal pouze několik dní v průběhu celých 3 let trvání projektu, jinak zásah speciální technologické lodi nebyl zapotřebí.

Monitoring

Monitoring je prováděn průběžně po celou dobu realizace projektu a je rozdělen do dvou částí. Kritéria projektu se sledují v základním monitoringu prováděném v intervalu 14 dní a to v podélném a zároveň i v příčném profilu od přítoku až pod hráz VD Brno. Do tohoto monitoringu jsou také zahrnuty všechny přítoky do nádrže. Jsou sledovány fyzikálněchemické ukazatele jakosti vody, kvantitativní a kvalitativní složení fytoplanktonu a zooplanktonu, chlorofyl, vliv aplikovaných přípravků na biotu (ryby) a jakost vody na koupacích místech. Čtyřikrát do roka je prováděn monitoring sedimentu v podélném profilu nádrže. Druhou částí monitoringu je sledování chemického a ekologického stavu povrchové vody v rámci aplikačních opatření jako je srážení fosforu na přítoku síranem železitým. Tato část monitoringu je prováděna jednou týdně.

Výsledky tříletého provozu

Z výsledků monitoringu je zřejmé, že Brněnská přehrada je po víceletém průběhu opatření proti sinicím z biologického i rekreačního hlediska ve zlepšeném stavu. Tento stav je evidentní na hodnocení koupacích vod, které pravidelně provádí Krajská hygienická stanice ve čtyřech lokalitách nádrže. Před spuštění projektu byl každý rok během letní sezóny vydán zákaz koupání – hodnocení 5. Během projektu se hodnocení výrazně změnilo a nejčastější známkou byl stupeň číslo 1. Při srovnání fytoplanktonu je zásadní především změna kvality společenstva. Do roku 2008 byly sinice vždy dominantou fytoplanktonu a jejich biomasa překračovala hygienický limit. Od roku 2009 dominanci převzaly rozsivky a sinice jsou zastoupeny pouze minoritně. Tento rozdíl je snadno zhodnotitelný také laicky pouhým okem.

Jako další ukazatel výrazného zlepšení stavu nádrže je množství buněk sinic v sedimentu oproti sezónám před realizací projektu. Množství inokula sinic v sedimentech se snížilo zhruba o 90 %, viz obr. 1, což je jedno z kritérií projektu, kde podmínkou je snížení o min. 50 % buněk sinic.

Druhým kritériem projektu je zvýšení koncentrace kyslíku 1,0 m nade dnem na 2 mg/l a to formou aerace. Data z měření poukazují na ovlivnění, která se projevují zvýšenými teplotami vody u dna nádrže a to o cca 2 - 4°C vyšší teploty než v letech minulých. Teplotní rozdíl mezi hladinou a dnem byl do roku 2008 zhruba 6 – 14°C v letních měsících a během projektu se rozdíl pohyboval v intervalu 1 – 7°C . Průběh stratifikace kyslíku je také rozdílný, během projektu byl pozvolnější a hodnoty koncentrací kyslíku jsou zvýšené. V profilu Hráz, s max. hloubkou nádrže 16 m , se před rokem 2008 koncentrace kyslíku pravidelně snižovala téměř na hodnotu anoxie již v hloubce 10 – 12 m . Od roku 2010 je v hloubce 15 m ( 1 m nade dnem) průměrná hodnota koncentrace kyslíku 3,7 mg/l.

V rámci monitoringu byla prokázána dobrá účinnost srážení fosforečnanů na přítoku do nádrže a to 90 – 96 % v závislosti na velikosti dávky 20 – 60 mg/l síranu železitého. Ze sledovaných změn různých forem fosforu vyplývá, že v úseku nádrže od dávkování po Mečkov (cca 1 km pod srážením) dochází ke snížení koncentrací fosforu, což odpovídá mechanismu sedimentace železitých částic. Na lokalitě Mečkov vzrostla koncentrace celkového železa na 1,5 mg/l ve všech hloubkách. Železo rovnoměrně vyplnilo celé koryto a velmi dobře sráželo fosfor. Dále po toku již koncentrace železa klesala, tak jak probíhala sedimentace pevných částic a do hlavního jezera se již žádné měřitelné železo nedostávalo.

Zhodnocení a závěr

Závěrem lze konstatovat, že i přes původně pesimistické prognózy se projekt již 3 roky zdárně vyvíjí. Jak již bylo na začátku zmíněno, jedná se o ojedinělý projekt kombinace několika opatření, které fungují pouze jako jeden celek – nikoliv samostatně. Tříletý provoz prověřil jak rok suchý, tak vodný i z hydrologického hlediska tzv. běžný rok. Cíl projektu byl úspěšně dosažen a došlo k naplnění obou kritérií projektu.

Výměna bílé ryby za dravce měla za následek zamezení rozrývání dnových sedimentů a tím zamezení uvolňování látek ze sedimentů do vodního sloupce. Podporou populací dravých druhů ryb, které kontrolují biomasu drobných planktonofágních druhů ryb, došlo ke snížení jejich vyžíracího tlaku a umožnění rozvoje populací filtrujícího zooplanktonu, který účinně omezuje rozvoj fytoplanktonu.

Aerace zajistila dostatečné prokysličení celého objemu (cca 12 mil m ³ ) hlavního jezera nádrže. Prokysličení úspěšně obstálo i v extrémně suchém a teplém roce 2012.

Dávkování síranu železitého na vtoku do nádrže se zdá být velmi užitečnou metodou snižování fosforu v nádržích potažmo v tocích. Je to jedno z možných řešení managementu nádrže z hlediska snižování koncentrací fosforu z bodových a liniových zdrojů. Jak ukazuje projekt – je toto řešení i vysoce účinné - až 96%-tní účinnost odbourání fosforečnanů. Toto řešení samozřejmě ani v nejmenším nezbavuje povinnosti větších čistíren odpadních vod srážet fosfor na odtoku z ČOV. Následně pak by také mělo být i nadále dbáno na snižování vnosu fosforu do řeky z liniových zdrojů znečištění.

Ing. Jiří Palčík, Ph.D., ASIO, spol. s r.o., Tuřanka 1,627 00 Brno, palcik@asio.cz
Ing. Jan Moronga, Povodí Moravy, s.p., Dřevařská 11, 601 75 Brno, moronga@pmo.cz
Ing. Roman Sládek., ASIO, spol. s r.o., Tuřanka 1,627 00 Brno, sladek@asio.cz

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k seminářům ASIO, spol. s r.o. „Pitná voda – novinky a souvislosti … aneb What's NEW? N-nutrients; E-energy; W-water“, podzim 2012.