CZ2020328A3 - Způsob ochrany a zlepšení kvality vody v přírodních nádržích s následným využitím tepla přitékající vody - Google Patents

Abstract

Podstata způsobu ochrany a zlepšení kvality vody v přírodních nádržích s následným využitím tepla přitékající vody spočívá v tom, že do zdrojového přítoku a/nebo na další jedno či více míst vodní nádrže se umístí tepelný výměník, napojený na chladící systém. Všechny výměníky chladícího systému jsou provozovány s hygienicky a ekologicky nezávadným chladícím a teplonosným mediem. Ochlazená voda se provzdušní vzduchem nebo kyslíkem. Chladící zařízení lze s výhodou napájet elektřinou z fotovoltaiky umístěné na hladině chráněné nádrže. Získaná ohřátá voda se pro další využití uskladní v zásobníku anebo se využije pro vytvoření oběhu vody v nádrži. Zimní provoz fotovoltaiky se přizpůsobí výrobě elektřiny pro dodávku do sítě.

Description

Způsob ochrany a zlepšení kvality vody v přírodních nádržích s následným využitím tepla přitékající vody

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu ochrany a zlepšení kvality vody v přírodních nádržích, založený na tepelné úpravě vody v nádrži či vody vstupující z vodoteče do vodního reservoáru s následným využitím tepla přitékající vody.

Dosavadní stav techniky

Probíhající klimatická změna zásadním způsobem ovlivňuje hospodaření s vodou, a to jak užitkovou, tak i pitnou pro potřeby zásobování obyvatelstva. Proměňující se klima sebou přináší extremizaci počasí, což se týká i srážkoodtokových událostí. Nerovnoměrné a zejména nárazové srážky způsobují nejen náhlé hydraulické vlny, ale znamenají také velmi významné epizodické vstupy látek do povrchových vod: splachy z polí s anorganickým i organickým materiálem a s odlehčovanými odpadními vodami i znečištění z měst a obcí. To s sebou logicky nese zvýšené riziko eutrofizace, tedy znehodnocování vodních zdrojů.

Klimatická změna přináší zvýšení teploty, které například v centrální Evropě dosáhlo v posledních šedesáti letech zvýšení průměrné roční teploty vzduchu o 1,8 stupně, a zvýšení na teploty povrchových vrstev vody v nádržích přibližně o jeden až dva stupně Celsia. Zároveň dochází k prodlužování vegetační sezóny. Tyto faktory mají významný vliv na vertikální teplotní zvrstvení vody ve stojatých vodách - teplotní gradient hladina/dno se zvětšuje a doba, kdy se vodní sloupec nepromíchává, se prodlužuje.

Uvedené vlivy negativně působí na kvalitu vody ve vodních nádržích, včetně rybníků, které se stávají více náchylnými k zesíleným eutrofizačním projevům. Mezi nej významnější patří rozvoj sinicových vodních květů v povrchových vrstvách vody a bezkyslíkaté poměry v dolní části vodního sloupce, kde se pak ze dna uvolňují sloučeniny manganu, železa a fosforu, dále metan (důležitý skleníkový plyn) a v některých případech i sulfan (sirovodík, toxický pro živé organismy). Tím se (i) zhoršují poměry zejména ve vodárenských přehradních nádržích, ale také (ii) v rybnících. Protože voda propojuje celá hydrologická povodí, dochází takto ke změnám v transportu látek, např. fosforu, takže je tento nej důležitější eutrofizační prvek exportován stále dál, místo aby docházelo k jeho retenci.

Vedle problémů se špatnou kvalitou vody v otevřených nádržích a eutrofizací zdrojů vody i pitné vody je obecným problémem zajištění tepelné energie pro potřeby vytápění obytných i průmyslových objektů z obnovitelné energie. Je zřetelné, že zvyšující se podíl obnovitelně generovaného tepla by měl pozitivní vliv na klimatickou změnu a je podle mnoha autorů stěžejním prvkem zachování současné lidské civilizace.

Asociace pro životní prostředí v jezerech z USA navrhuje ochranu vod v přirozených i umělých nádržích spočívající především v konzervačních postupech, jako například snížení eroze břehů nádrží, výsadbě vegetace okolo nádrží, zamezení či omezení splachů z komunikací a dalších ploch a správný management odpadních vod v okolí nádrží.

Materiál z michiganské univerzity navrhuje zamezit splachům hnojiv do vodoteče správným dávkováním agrochemikálií ve správnou dobu, ochranu vody před kontaminací ze septiků, chrání před choroboplodnými zárodky a doporučuje vysazování porostů vodních rostlin u břehů nádrží.

Uvedené postupy, které jsou rozpracovány i v podmínkách České republiky, jsou zaměřeny na procesy probíhající v povodích, kde je primárně nezbytné zabránit emisím živin či jiných látek z

-1 CZ 2020 - 328 A3 různých typů zdrojů. Problém je, že tento typ opatření se pozitivně projeví obvykle až za několik desítek let, což platí zejména pro kvalitu stojatých vod, kde navíc přistupuje i jejich resilience vůči potřebným změnám. Tato resilience je založena na rovnováhách, které se v nádržích a jezerech ustavily za období špatné jakosti vody. Proto je velmi často nezbytné doplnit opatření v povodí také opatřeními na nádržích, rybnících či jezerech samotných.

Opatření podporující zlepšení jakosti vody aplikovaná přímo na vodních nádržích jsou založena na různých principech. Jedná se například o použití chemických látek pro přímé potlačení sinicových vodních květů či pro omezení dostupnosti živin (fosforu) k růstu fytoplanktonu. Známá a již realizovaná opatření se týkají různých způsobů aerace či promíchávání vodního sloupce. Jsou také publikovány a známy postupy založené na snížení dostupnosti světla pro růst fotosyntetizujících organismů - spočívají např. v zakrytí nádrží plastovými plovoucími koulemi, které mají nádrž zastínit, a tak snížit teplotu vody v nádrži. A zachovat množství rozpuštěného kyslíku. Pohybem vln a větru se ale koule o sebe otírají a na lokacích v Arizoně bylo nutné po několika málo letech díky úplnému obroušení aplikovat nové koule. Obroušený materiál má sice hygienický atest, ale přesto představuje zátěž životního prostředí a stane se součástí těl živých organismů v nádrži i pod ní.

Evropský patent EP 0260904 navrhuje využívat k efektivnímu provzdušnění vody v nádržích oscilační vrtuli, EP 1713957 ke shodnému účelu průtočný oxygenátor, tvořící pomocí mikrobublinek přesycený roztok kyslíku ve vodě.

Vynález 110255835 navrhuje čistit odpadní vody aeračním způsobem pomocí aeračního tanku a aeračního zařízení bez emisí zapáchajících látek do ovzduší a s odstraněním pěny.

Vynález WO2017218426 (Al) používá k provzdušňování kolektor s jedním nebo více vstupy pro vzduch či kyslík do vody. Provzdušňovací zařízení může být integrováno do kolektoru. Čerpadla zajišťují odstraňování sedimentu z dutiny kolektoru.

Patent WO2019214605 popisuje novou konstrukci tepelného čerpadla, které pracuje s vodou z řeky, potoka, jezera nebo moře. Pozůstává z výpamíku bez přepážky, výměníku a vstupů a výstupů chladícího media.

Vynález WO2019160839 popisuje modulární systém, sloužící k prevenci nebo eliminaci rozvoje vodních řas ve vodách tím, že oddělenou část vody provzdušňuje a pomocí prospěšných bakterií upravuje vodu, kterou pak navrací do recipientu.

Aerace vody podle USRE47665 se provádí pomocí elektrolýzy, kdy katoda a anoda jsou v kritické vzdálenosti, což vede k tvorbě malých mikrobublinek a nano bublinek, přičemž tyto mikro bublinky zůstávají v suspenzi a vytvářejí přesycený roztok kyslíku. Přesycená voda se využívá k podpoře růstu rostlin nebo k čištění odpadní vody.

Vynález EP 0260904 popisuje oscilující provzdušňovací zařízení pro účinnější provzdušňování kapaliny. Oscilační nosný systém nese provzdušňovač s trubicí a vrtuli v ostrém úhlu pod povrchem provzdušňované látky a dále mechanismus pro kmitání trubice, aby rozptýlil vzduch vstřikovaný touto trubicí do látky.

Vynález CN110078229 popisuje zařízení na okysličování vodních těles. Zařízení pozůstává z Venturiho trubice situované podél toku vodního útvaru a čerpadla. Venturiho trubice zasahuje do vodního tělesa a do Venturiho trubice se přivádí okolní voda sycená čistým kyslíkem.

Vynález CN109455830 se týká zařízení pro inhibici růstu řas a zahrnuje provzdušňovací zařízení umístěné pod hladinou. Dmychadlo na břehu přivádí vzduch do podvodního provzdušňovacího zařízení pomocí potrubí a popisuje rozvod vzduchu v jednotlivých částech provzdušňovacího zařízení. Vnější povrch spodní části je opatřen otvory pro nasávání vody a v každém otvoru pro

- 2 CZ 2020 - 328 A3 nasávání vody je umístěno filtrační síto. Zařízení pro inhibici růstu řas nevytváří sekundární znečištění a má za následek trvalé odstranění životního prostředí řas.

Vynález HRP20180981 popisuje způsob úpravy a údržby kvality vody pro velké nádrže za pomoci dávkování flokulantu s následným čištěním dna vodní nádrže pomocí sacího zařízení, postupným dávkováním dalšího flokulantu a průběžnou kontrolou kvality vody. Vynález současně popisuje systém zadržení vody a systém k odstranění olejů a povrchových nečistot a zařízení na čištění tohoto zařízení.

Vynález 109437493 (A) popisuje systém obnovy vnitrozemských vodních toků založený na vstřikování kontinuálním tokem, který zahrnuje aerační jednotku vstřikování vzduchu a další filtrační a dopravní zařízení. Touto cestou je dosaženo obnovy vnitrozemských řek. Vynález má komplexní účinek v širokém rozsahu aplikací, zlepšení kvality vody a životního prostředí.

Vynález WO9421567 je určen pro dekontaminaci a zlepšení kvality vody v rybnících a dalších vodních nádržích. Děje se tak pomocí potrubí, položeného paralelně s břehem vodní nádrže. Distribuční potrubí připojené k hlavnímu potrubí je provozováno postupně, což má za následek cirkulaci vody v nádrži. V každém distribučním potrubí je umístěn aerátor. Pomocí směsi mikroorganismů, enzymů a živných látek v čerpané vodě dochází k vyčištění od kontaminantů.

Vynález FI20185263 popisuje způsob přenosu kyslíkem nasycené horní vrstvy vody do vrstvy, která trpí nedostatkem kyslíku. Zařízení k popsanému způsobu pozůstává z čerpadla a zdroje energie.

Vynález MX2018011489 popisuje způsob remediace anaerobní vrstvy pomocí vody částečně sycené nebo přesycené kyslíkem, za přídavku dusičnanu vápenatého v koncentraci 1 až 20mg/l. Nasycená vrstva obsahuje 50 až 150 % kyslíku. Takto upravená voda se ze směšovacího zařízení čerpá do anoxických vrstev vody.

Vynález CN109626594 popisuje zařízení na in-situ remediaci eutrofizované vody. Zařízení pozůstává z nosné konstrukce, biologické membrány, nosiče vodních tvorů, výsadbovou nádrž a aerační zařízení. Zařízení kombinuje čistící účinek kombinací působení mikroorganismů, vodních tvorů a rostlin za zvýšení koncentrace rozpuštěného kyslíku ve vodě. Uvedené zařízení lze recyklovat a slouží k sanaci vodních nádrží, řek a jezer.

Vynález CN109650654 popisuje ekologickou úpravu říčního kanálu, který zahrnuje původní říční kanál a čištěný říční kanál, jež jsou funkčním způsobem propojeny. Dělené čištění vody se provádí prostřednictvím uzavírací brány, takže je zajištěn normální tok původního říčního kanálu se všemi jeho funkcemi.

Vynález CN109592798 obsahuje způsob a systém optimalizace ekologických parametrů přirozených vodních útvarů, kdy se použije umělé provzdušňování pomocí ventilátoru a provzdušňovacího zařízení na generování mikro a nano bublin. Provzdušňovací zařízení se umístí poblíže dna vodní nádrže.

Vynález CN109516578 popisuje metodu a zařízení na aeraci vody pomocí suspenze bublin vzduchu nebo kyslíku. Směs vody a plynu vstupuje na vodní hladině do svislého potrubí, aby se smíchala, a tato postupuje dále do generátoru a děliče bublin k vodnímu dnu. Popsanou metodou se zvýší kontaktní plocha, zmenší velikost bublin a zvýší zádrž kyslíku ve vodě.

Energeticky úsporné a hospodárné čištění vodních nádrží, především akvakultumích nádrží, se podle vynálezu WO2019IB50550 realizuje pomocí provzdušňování stlačeným a na určitou teplotu ohřátým či ochlazeným vzduchem. Ten se dávkuje na dno vodního útvaru. Systém dále může obsahovat i dávkování kapaliny. Pomocí tohoto vynálezu se zajišťuje žádoucí úroveň fyzikálních

-3CZ 2020 - 328 A3 parametrů a chemického složení, především obsah rozpuštěného kyslíku, teplota, pH, amoniak a dusitany.

Vynález CN20181077482 používá k okysličování vody Venturiho trubici s čerpadlem, pomocí které se do vodního objemu injektuje čistý kyslík.

Vynález CN 110063291 řídí teplotu vodních nádrží pro akvakulturu pomocí tepelného čerpadla pracujícího s vodou či vzduchem, přičemž se teplo odebírá z vody či vzduchu, deklaruje zlepšené COP tepelného čerpadla v uvedeném technickém uspořádání. Systém umožňuje zlepšené ohříváni či chlazení vodních nádrží.

Vynález CN109775868 navrhuje čistit znečištěnou vodu pomocí komplexního působení funkčních bakterií, vodních rostlin a vodních živočichů, kteří nastaví požadovanou biocenózu. Čištění podle vynálezu zabrání hnilobě, růstu řas a eutrofizaci a pomocí této metody je dosaženo čištění a ekologické obnovy kontaminovaných vodních útvarů.

Vynález CN 109764447 popisuje systém využití systému vodních rezervoárů propojených potrubním systémem, který zajišťuje zajištění požadované teploty a vlhkosti vzduchu. Využívá k tomu rozdílné teploty vodních rezervoárů ve vyšších a nižších polohách, které se vzájemně mění v závislosti na ročním období.

Postupy založené na probublávání nádrže vzduchem nebo kyslíkem mohu mít v některých případech negativní vliv na promíchávání vody a výnos nutrientů, především fosforu a dusíku do vyšších vrstev vodního objemu.

Dna vodních nádrží v anaerobním režimu jsou nezanedbatelným zdrojem skleníkových plynů, především metanu.

Uvedené nevýhody jsou řešené pomocí ochrany vody ve vodních nádržích, založené na tepelné úpravě vody vstupující z vodoteče do vodního reservoáru s následným využitím tepla.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob ochrany a zlepšení kvality vody v přírodních nádržích s následným využitím tepla přitékající vody podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že teplota přitékající vody, popřípadě vrchní vrstvy stojaté vody, se sníží pomocí tepelného čerpadla a odebrané teplo se dále externě využije. Způsob ochrany a zlepšení kvality vody v přírodních nádržích spočívá ve snížení teploty vody na povrchu nádrže v letním období s využitím tepelných čerpadel, což vede ke zlepšení jakosti vody stojatých vod postižených eutrofizaci a rozvojem eutrofizačních projevů.

Způsob ochrany a zlepšení kvality vody přitékající do vodní nádrže přehradního typu spočívá v tom, že před vtokem do nádrže se sníží teplota přitékající vody. Naprostá většina takových vodních nádrží je co do jakosti vody závislá téměř výhradně na tom, kolik sloučenin fosforu, tedy nej důležitější živiny pro sladkovodní prostředí, se dostane z přitékající vody do povrchových vrstev nádrže, tedy do tzv. produkční vrstvy či epilimnia. Toto množství záleží zejména na teplotě přitékající vody a také na teplotních poměrech v dané vodní nádrži. Teplota vody určuje hustotu vody a hustota přitékající vody určuje, do které vrstvy v nádrži se bude přitékající voda zasouvat. Pokud bude přitékající voda mít nízkou teplotu, bude se zasouvat ke dnu nádrže, sloučeniny fosforu zůstanou ve své většině mimo dosah řas a sinic a biomasa těchto organismů tak bude omezena nedostatkem živin.

Způsob ochrany a zlepšení kvality vody v nádrži spočívá v ochlazení povrchové vrstvy vody, která po ochlazení klesne do dolní části vodní nádrže typu přehrada nebo rybník. Cílem je ochlazením

-4CZ 2020 - 328 A3 zvýšit hustotu kyslíkem bohaté vody při hladině a přimět jí tak klesat ke dnu, kde je voda naopak kyslíkem chudá. Okysličení dolní části vodního sloupce je důležité opatření ke zlepšení jakosti vody, protože má vliv i na koloběh živin, zejména sloučenin fosforu, jenž se z anoxického sedimentu uvolňuje. Běžné způsoby aerace či promíchávání vodního sloupce jsou logisticky a energeticky náročnou záležitostí.

Potřebná elektrická energie pro ochlazení se s výhodou získá z plovoucí fotovoltaiky umístěné na hladinových pontonech poblíž tepelných čerpadel. Takto umístěná fotovoltaická elektrárna, vedle svého úkolu napájet chladící zařízení přispěje k dalšímu ochlazení vody ve vodním reservoáru zastíněním. V režimu napájení bude elektrárna především v letních měsících, kdy bude nutno ochlazovat vstupující vodu z otevřené vodoteče. Naopak v chladném období, kde nebude třeba vodu ochlazovat, bude fotovoltaická elektrárna sloužit jako zdroj elektrického proudu k externímu použití.

Přínosy tohoto vynálezu jsou následující.

1) Ochlazení přítoku do nádrže bude mít v nádrži důležitý vliv na:

a/ Chemické procesy, a to vnosem kyslíku a dusičnanových iontů, tedy důležitých oxidačních činidel, ke dnu nádrže, kde se rozvíjejí už v polovině vegetační sezóny anoxické až anaerobní poměry, jež dále ovlivňují zejména živinový režim.

b/ Biologické procesy, a to omezením intenzity rozvoje sinicových vodních květů a vegetačních zákalů řas v nádrži tím, že většina sloučenin fosforu přinášených přítokem se dostane mimo produkční vrstvu vody v nádrži.

Ovlivnění chemických i biologických procesů vede ke snížení produktivity nádrže. To znamená snížení rozvoje fytoplanktonu a zlepšení živinového a kyslíkového režimu v nádrži. Tento přínos je důležitý nejen z pohledu jedné konkrétní vodní nádrže, ale také z pohledu transportu sloučenin fosforu mimo nádrž. Vysoce produktivní nádrže se silně rozvinutými eutrofizačními projevy se totiž vyznačují tím, že při odtoku vody z dolní části vodního sloupce (to je běžný způsob) odtékají sloučeniny fosforu, které se rozpustily ze sedimentu. Tím se proces eutrofizace šíří dále povodím a klesá tak pozitivní vliv nádrží na jakost vody v povodích.

2) Podpora promíchávání vodního sloupce bude mít zásadní vliv přímo na:

a/ Procesy probíhající u dna (v hypolimniu), a to vnosem rozpuštěného kyslíku. To znamená podporu oxidačních procesů a zrušení anaerobic a anoxie, kdy se ze sedimentů uvolňují nejen rozpuštěné (redukované) formy Mn a Fe, které ruší úpravu vody na vodu pitnou ve vodárenských nádržích, ale uvolňují se i rozpuštěné sloučeniny fosforu, který je pak rizikem v odtékající vodě, případně i jako tzv. vnitřní zatížení pro další rozvoj eutrofizačních projevů v nádrži samotné. V bezkyslíkatých podmínkách se navíc mohou vytvářet pachotvomé látky s negativním vlivem na kvalitu pitné vody. Anoxická - a zejména anaerobní voda s vysokým obsahem redukovaných látek odtéká základovou výpustí, případně přes turbínu vodní elektrárny a je zásadním rizikem pro život organismů ve vodním toku pod nádrží (ryby i bezobratlí živočichové), kde pak není možné dosáhnout dobrého ekologického stavu či potenciálu dle Rámcové směrnice o vodách.

b/ Vývoj biocenózy v povrchové vrstvě, který je silně závislý nejen na chemických, ale také na fyzikálních podmínkách. Pokud se promíchává vodní sloupec, musí se planktonní organismy také pohybovat po celé jeho výšce. To má zásadní vliv zejména na fotosyntetizující organismy, tedy na řasy a sinice, které se dostávají na relativně dlouhou dobu do podmínek s omezenou dostupností světla. Tím je omezována primárně tvorba biomasy fytoplanktonu, což je přínosné z pohledu vodárenského i rekreačního využití: zvýšená průhlednost vody, minimalizace sinicových vodních květů, zlepšení poměrů u dna, kam sedimentuje méně odumřelé biomasy. Zároveň ale pohyby vody ve vertikálním profilu jsou silným selekčním tlakem ovlivňujícím druhové složení fytoplanktonu:

-5CZ 2020 - 328 A3 znevýhodněny jsou sinice vodního květu a favorizovány jsou druhy, které sinicím konkurují, zejména rozsivky.

Teplá voda získaná z chladícího zařízení může být uskladněna pro další použití.

Navrhované řešení přináší několik základních výhod, zlepšuje a zvyšuje kvalitu vody ve vodárenských i dalších nádržích, snižuje náklady na další úpravu vody a zajišťuje zdroj teplé vody pro další využití.

Nezanedbatelným přínosem navrhovaného řešení je omezení tvorby skleníkových plynů, především metanu.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, na kterém obr. 1 představuje, jak tepelné čerpadlo ochlazuje celý přítok vody a obr. 2 představuje, jak tepelné čerpadlo ochlazuje část přítoku.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález je osvětlen laboratorním příkladným provedením:

1) Do izolované nádrže o objemu 200, naplněné vodou o teplotě 18 °C, simulující přírodní vodní nádrž, byla přiváděna trubicí voda o teplotě 4°C. Měřením teploty bylo zjištěno, že chladná voda se při různých rychlostech nátoku umístí ve spodní vrstvě nádrže a vytvoří stabilní termoklinu.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob ochrany a zlepšení kvality vody v přírodních nádržích s následným využitím tepla přitékající vody vyznačující se tím, že do zdrojového přítoku a/nebo na další jedno či více míst vodní nádrže se umístí tepelný výměník, napojený na chladící systém.
2. 2. Způsob ochrany podle nároku 1 vyznačující se tím, že všechny výměníky chladícího systému jsou provozovány s hygienicky a ekologicky nezávadným chladícím ateplonosným mediem.
3. 3. Způsob ochrany podle nároku 1 vyznačující se tím, že ochlazená voda se provzdušní vzduchem nebo kyslíkem.
4. 4. Způsob ochrany podle nároku 1 vyznačující se tím, že chladící zařízení lze s výhodou napájet elektřinou z fotovoltaiky umístěné na hladině chráněné nádrže.
5. 5. Způsob ochrany podle nároku 1 vyznačující se tím, že získaná ohřátá voda se pro další využití uskladní v zásobníku anebo se využije pro vytvoření oběhu vody v nádrži.
6. 6. Způsob ochrany podle nároku 1 vyznačující se tím, že zimní provoz fotovoltaiky se přizpůsobí výrobě elektřiny pro dodávku do sítě.