W ciągu ostatnich stu lat temperatura na powierzchni globu ziemskiego wzrosła o 0,6^oC i według niektórych ekstremalnych szacunków [4] może wzrosnąć do 2080 roku nawet o 5^oC. W wielu krajach ocieplenie klimatu oznacza większe opady w zimie i lata z dłuższymi przerwami pomiędzy opadami deszczu w lecie, przy zwiększeniu częstotliwości opadów ekstremalnych [2]. Poziom mórz podnosi się o około 1 milimetr rocznie, co wynika z rozszerzalności cieplnej wody oraz topnienia lodu i śniegu na biegunach. Wpływ na poziom wód w oceanach mają te śniegi i lód, które narosły na lądzie stałym. Natomiast topnienie lodu pływającego w oceanie nie ma wpływu na poziom wód, gdyż zgodnie z prawem Archimedesa góra lodowa i tak wypiera objętość wody o ciężarze równym jej ciężarowi. Tak więc ewentualny wpływ topnienia pływającego lodu na poziom wody w oceanach sprowadza się jedynie do efektu wynikającego z różnych gęstości wody, w której zanurzona była w 90% góra przed stopieniem i gęstości wody po stopieniu lodu.

Zmienność klimatu
    Wśród czynników powodujących krótkotrwałe fluktuacje szczególna rola przypada parze wodnej i aerozolom w powietrzu. Przeciętnie w skali roku do atmosfery ziemskiej dociera promieniowanie słoneczne o mocy 340 W/m₂. To krótkofalowe promieniowanie częściowo jest odbijane przez chmury, a częściowo absorbowane przez aerozole i parę wodną. Zaabsorbowana energia jest następnie wypromieniowywana we wszystkich kierunkach, a więc częściowo w kosmos, a częściowo w kierunku powierzchni globu ziemskiego. Tak więc średnie roczne wartości temperatury powierzchni ziemi są między innymi kształtowane przez przebieg cykli hydrologicznych. Kolejnym krótkotrwałym powodem zmian średnich rocznych temperatur powierzchni ziemi są gazy cieplarniane, które absorbują długofalowe promieniowanie nocne ziemi i następnie częściowo emitują je w kierunku globu. Jest to dwutlenek węgla, metan, tlenki azotu i halogenowęglowodory. Efekt cieplarniany jednego mola dwutlenku węgla jest stosunkowo niski w porównaniu do innych gazów cieplarnianych, ale wielkość emisji zdecydowanie największa.
    O ile zmiany temperatury wywołane działalnością człowieka postrzegamy jako zagrożenie, o tyle generalnie, gdyby nie gazy cieplarniane to klimat na ziemi byłby zbyt zimny dla rozwoju cywilizacji ludzkiej. Szacuje się, że gdyby nie efekt cieplarniany, to średnia temperatura na globie ziemskim wynosiłaby –18^oC, a obecnie wynosi +15^oC [4]. Niezmiernie wielki wpływ efektu cieplarnianego jest widoczny na Wenus, która ma bardzo gęstą atmosferę zbudowaną w ponad 90% z dwutlenku węgla. Gdyby nie ta gęsta atmosfera to szacuje się, że średnia temperatura powierzchni wynosiłaby -46^oC, a obecnie wynosi 464^oC. Spośród innych położonych w pobliżu Ziemi planet Mars ma bardzo cienką atmosferę, a Merkury wcale jej nie ma. W atmosferze ziemskiej mamy około 0,03% CO₂ wagowo, i jak wykazały badania lodów Grenlandii jest to największy udział dwutlenku węgla w atmosferze w ostatnich dziesięciu tysiącach lat. Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze rośnie rocznie o 0,4%, podobnie jak metanu, który jest odpowiedzialny za efekt cieplarniany w 20%. Natomiast halogenowęglowodory w 14% i tlenki azotu w 6%. W bilansie tym nie uwzględniono wody, która stanowi w przybliżeniu 1% wagowo powietrza i występuje zarówno w postaci pary, jak i aerozoli wodnych. Para wodna jest gazem, a więc formalnie to ona, a nie dwutlenek węgla jest najważniejszym gazem cieplarnianym. Niemniej jednak jej udział w atmosferze jest zmienny i mamy na niego mały wpływ, przez co nie jest ona zazwyczaj umieszczana wśród gazów cieplarnianych. Dlatego w statystykach podaje się, że dwutlenek węgla aż w 60% jest odpowiedzialny za efekt cieplarniany [4].
    Kolejnym istotnym czynnikiem, zaburzającym okresowo wartość średniej rocznej temperatury powierzchni globu ziemskiego, są erupcje wulkanów. Wyrzucają one ogromne ilości siarki i pyłów. Pyły powodują zmniejszenie energii promieniowania słonecznego, która dociera do Ziemi i to nie tylko w skali jednego roku, ale nawet dekady.
    Jak idzie o energię wypromieniowywaną przez słońce, to zmienia się ona zależnie od liczby plam na słońcu o wartość względną od 0,1% do 0,4%. Cykl powstania i zanikania jednej plamy wynosi około 11 lat. Oziębienie w okresie od XIII do połowy XIX wieku, z najniższą temperaturą w wieku siedemnastym, odpowiadało wyjątkowo małej liczbie plam na słońcu.
    Te i inne krótkotrwałe zaburzenia nakładają się na oscylacje, które zachodzą w przebiegu prądów morskich o cykliczności zmian 8-10 lat, a także na takie długoterminowe zmiany klimatu, jak wynikające z okresowych zmian eliptycznego toru kuli ziemskiej wokół słońca o okresie 22 tysiące lat i nachylenia osi kuli ziemskiej w odniesieniu do słońca o okresie zmian 41 tysięcy lat. Ogólnie przyjmuje się, że o krótkotrwałych zmianach klimatu nie można wnioskować na podstawie obserwacji krótszych niż 30 lat. Bowiem temperatura podlega różnym wpływom i w czasie ocieplenia można wyszukać takie kilkuletnie okresy, z których wnioskować można byłoby wręcz o oziębianiu się klimatu, co obecnie nie ma pokrycia w analizach średniej temperatury w okresie kilkudziesięciu i stu lat.
    Oscylacje średniej temperatury globu ziemskiego w bardzo długim czasie można scharakteryzować w taki sposób, że w okresie panowania dinozaurów, a więc więcej niż 10 milionów lat temu, temperatura średnia ze znacznie ponad 20^oC spadała, osiągając mniej niż milion lat temu wartość około 12^oC, a więc o 3^oC mniej niż teraz. Od tego czasu średnia temperatura globu wielokrotnie oscylowała w granicach od 10^oC do ponad 15^oC. Okresowe obniżenia temperatury powodowały zjawisko zlodowacenia części powierzchni Ziemi. Znacznie poważniejsze spadki temperatury notowane były w okresie od 100 tysięcy do 12 tysięcy lat temu. W tym czasie średnia temperatura globu ziemskiego spadała do wartości pomiędzy 7^oC a 8^oC. Lodowce powstawały, a w czasie ociepleń cofały się, żłobiąc doliny rzeczne pokryte czwartorzędowymi utworami piaszczystymi i żwirowymi. Około 12 tysięcy lat temu temperatura podniosła się i ustabilizowała na poziomie 15^oC -16^oC, z wyraźnym oziębieniem w wiekach XIII do połowy wieku XIX. To oziębienie szacowane w skali globalnej na 2^oC - 3^oC, największe w wieku XVII, w niektórych miejscach Europy było lokalnie znacznie większe. Wojska Karola X Gustawa przekroczyły zamarznięty częściowo Bałtyk, atakując Polskę w roku 1655. Trzy lata później Bałtyk był całkowicie zamarznięty, co sprzyjało transportowi zagrabionych dóbr kultury polskiej przez Szwedów. Tak więc efekt cieplarniany wywołany głównie emisją dwutlenku węgla nakłada się na przepotężne siły przyrody, które zmieniają klimat niezależnie od ludzkiej działalności. Niemniej obecnie ogromny wpływ gazów cieplarnianych na średnią temperaturę Wenus, a w czasach historycznych stwierdzony spadek temperatury powierzchni Ziemi wraz ze zmniejszeniem się w atmosferze stężenia CO₂, nie pozwala na lekceważenie działalności przemysłowej człowieka, jako jednego z czynników kształtujących klimat. Badania lodów z odwiertów wykonanych w lodach arktycznych dowodzą, że stężenie CO₂ w powietrzu jest obecnie największe od co najmniej 10 tysięcy lat. Jeszcze w 1958 roku stężenie CO₂ obserwowane w stacji Mauna Loa wynosiło 315 ppm, a w 2002 roku już 350 ppm [1].

W ciągu ostatnich stu lat temperatura na powierzchni globu ziemskiego wzrosła o 0,6oC i według niektórych ekstremalnych szacunków może wzrosnąć do 2080 roku nawet o 5oC. Źródło fot. www.sxc.hu

Cykle hydrologiczne
    Z promieniowania słonecznego 340 W/m² docierającego do planety przeciętnie 14 W/m² jest absorbowane przez chmury w wyższych partiach atmosfery, 54 W/m² absorbowane przez atmosferę, 68 W/m² odbijane przez chmury w niższych warstwach atmosfery, 20 W/m² odbijane przez molekuły wody w parze wodnej i 14 W/m² odbijane przez powierzchnie oceanów i lądów [3]. Przeciętnie 111⋅1012 m³/rok wody spada w postaci deszczu i śniegu, z czego paruje z powierzchni zielonych lądów 71⋅1012 m³/rok wody i 2⋅1012 m³/rok ze zbiorników słodkowodnych. Reszta zasila wody podziemne i częściowo przez nie, a częściowo przez spływy powierzchniowe zasila cieki wodne, które do oceanów i mórz odprowadzają około 40⋅1012 m³/rok wody. Z powierzchni oceanów paruje około 425⋅1012 m³/rok wody, z czego spada na teren lądów 111⋅1012 m³/rok, a do mórz i oceanów 385⋅1012 m^3/rok [4].

Roczny cykl węgla
    W przybliżeniu 100⋅1012 kg/rok węgla jest emitowane do atmosfery jako dwutlenek węgla i metan w wyniku dekompozycji związków organicznych i oddychania. W wyniku zmniejszania powierzchni lasów 1012 kg/rok węgla mniej rocznie dostaje się do atmosfery. W wyniku biologicznych i chemicznych procesów do atmosfery dostaje się z oceanów 90⋅1012 kg/rok węgla, a z opadami i przez rozpuszczanie powraca 93⋅1012 kg/rok węgla, a więc deponowane jest w wodach 1012 kg/rok węgla. Ponadto w wyniku spalania paliw stałych i ciekłych około 5,4⋅1012 kg/rok węgla dodatkowo dostaje się do atmosfery. Tak więc w wyniku spalania paliw oraz zmniejszenia powierzchni terenu aktywnych biologicznie każdego roku od 3,2⋅1012 kg do 3,4⋅1012 kg węgla przybywa w atmosferze. Całkowita masa węgla tam przebywającego wynosi obecnie 730⋅1012 kg [3].

Redukcja emisji
    Chociaż para wodna i aerozole mają większy wpływ na efekt cieplarniany niż dwutlenek węgla, to jednak na ich udział w atmosferze mamy nieduży wpływ, chyba że pośredni przez zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych i tym samym nieprzyspieszanie cyklu hydrologicznego. Usuwanie dwutlenku węgla z gazów odlotowych jest technicznie wykonalne, ale niepraktyczne pod względem ekonomicznym, a to z uwagi na bardzo dużą wielkość emisji. W dodatku znane obecnie metody składowania dwutlenku węgla są kosztowne i niebezpieczne. Gdyby próbować zatrzymać podniesienie temperatury powierzchni globu od okresu tuż przed uprzemysłowieniem do 2050 roku na poziomie 2^oC, to należałoby ograniczyć emisję dwutlenku węgla w okresie 2010 – 2050 r. do 750 Gt CO₂, co dałoby 2,5t CO₂ [6], co przykładowo dla Niemiec oznaczałoby wyczerpanie limitu emisji CO₂ już po 10 latach, o ile nie zostanie ograniczona dotychczasowa emisja. Tymczasem coraz częściej politycy mówią o ograniczeniu tego ocieplenia do 1,5^oC. Zakładem emitującym największą ilość dwutlenku węgla w Europie jest elektrownia w Bełchatowie, która po zmniejszeniu emisji z roku 2008 w 2009 roku o 4,5% i tak „wyrzuciła” do atmosfery w 2009 roku 29,5 miliona ton CO₂ [1]. Na liście trzydziestu największych emiterów dwutlenku węgla w 2010 roku na miejscu jedenastym umieszczono elektrownię Turów z emisją 11,6 miliona ton CO₂ w 2009 roku, na miejscu dwunastym Elektrownię Kozienice z emisją 10,7 miliona ton CO₂, na miejscu 21 Elektrownię Rybnik z emisją 7,2 miliona ton CO₂ rocznie i na miejscu 28 elektrownię z Konina z emisją 6,1 mln ton CO₂ w 2009 roku [1].

Zakładem emitującym największą ilość dwutlenku węgla w Europie jest elektrownia w Bełchatowie. Fot. K. Ciszewski

Oczyszczanie ścieków a efekt cieplarniany
    Tradycyjne tlenowe oczyszczanie ścieków jest energochłonne. Główne nakłady energii są ponoszone na napowietrzanie osadu czynnego. Oczyszczalnie hydrofitowe korzystają ze światła słonecznego jako źródła energii. Tak więc ich eksploatacja nie jest związana z emisją dwutlenku węgla, ale wymagają one starannego zastosowania sedymentacji wstępnej, a osady często stwarzają większy problem od oczyszczanych ścieków. Powierzchniowe oczyszczalnie hydrofitowe mogą stwarzać uciążliwości dla otoczenia. Dlatego częściej stosowane są oczyszczalnie podpowierzchniowe o głębokości około 60 cm, gdyż do takiej głębokości dochodzi system korzenny stosowanych w tych oczyszczalniach roślin. Ich rolą nie jest pobieranie znaczących ilości pierwiastków uwolnionych ze zmineralizowanych osadów ściekowych tylko dostarczenie tlenu i stworzenie w żwirowym złożu obszarów aerobowych, anoksycznych i anaerobowych. Oczyszczalnie te nie są wysokosprawne w usuwaniu biogenów. Natomiast pod względem redukcji takich parametrów, jak ChZT, BZT₅ i zawiesina pozwalają na uzyskanie bardzo dobrych efektów.
    O ile w czasie napowietrzania osadu czynnego zużywana jest energia, a więc przyjmuje się w ocenach, że w miejscu jej wytwarzania emitowany jest CO₂ w części odpowiadającej w danym kraju udziałowi energii cieplnej w wytwarzaniu prądu elektrycznego, o tyle w procesach nitryfikacji-denitryfikacji uwalniany jest N₂O, a w wydzielonych komorach fermentacji CH₄. Ta sama masa metanu powoduje 21-krotnie większy efekt cieplarniany niż CO₂. Natomiast taka sama masa N₂O powoduje aż 310-krotnie większy efekt cieplarniany niż CO₂. Tak więc spalanie metanu i wytwarzanie energii elektrycznej nie tylko poprawia ujemny bilans energetyczny tlenowych oczyszczalni ścieków, ale przyczynia się również do zmniejszenia emisji metanu z WKF-ów, którego wpływ cieplarniany jest większy od emitowanego ze spalania dwutlenku węgla. Należy jednak pamiętać o różnicach w okresie przebywania w atmosferze CO₂ i CH₄. Dwutlenek węgla asymilowany jest przez rośliny i rozpuszcza się w kroplach deszczu, a wraz z nimi dociera do oceanów i na powierzchnie lądów. Spływając po powierzchni terenu uczestniczy w rozpuszczaniu węglanów. Natomiast metan reaguje w troposferze z jonami hydroksylowymi OH-. Średni czas przebywania metanu w atmosferze ocenia się na 12 lat, a dwutlenku węgla od 5 do 200 lat [4].
    W Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej w czasie oczyszczania ścieków i odpadów wytwarza się około 3% antropogenicznie wytworzonych gazów cieplarnianych. Porównano pracę trzech oczyszczalni ścieków w Kalifornii [5], z których dwie bazowały na technologii osadu czynnego, a trzecia na stawach z glonami, które to glony później podlegały fermentacji w Wydzielonych Komorach Fermentacji. Dzięki korzystaniu z energii słonecznej trzecia oczyszczalnia nie wymagała dostawy energii elektrycznej w czasie oczyszczania ścieków w stawach. Nadwyżka metanu z WKF-ów była spalana w celu wytworzenia energii elektrycznej. Pozostałe po fermentacji osady były kierowane do spalarni. Całkowita emisja gazów cieplarnianych była o 50% niższa w oczyszczalni z zastosowaniem stawów z glonami.
    Ilość metanu wytwarzanego w Wydzielonych Komorach Fermentacji można zwiększyć, stosując mechaniczną lub ultradźwiękową dezintegrację osadów, co jednak prowadzi do wzrostu stężenia biogenów w wodach nadosadowych. W przypadku spalania osadów należy zastanowić się, czy zyski energetyczne, wynikające ze zwiększenia ilości metanu, nie zostaną niemal całkowicie zniwelowane na etapie spalania osadów, które po dezintegracji będą miały mniejszą wartość opałową.

 Literatura
1 Agren C., And the winner is…, Acid News, 2010, June, no.2, str. 3-3.
2 Ashley R.M.,Clemens F.H.L.R., Tait S.J., Schellart A., Climate change and the implications for modeling the quality of flow in combined sewers, 11th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK,2008,1-10.
3 Houghton J.T., Jenkins G.J., Ephraums J.J., Climate change. The IPCC scientific assessment, 1990, Styczeń,01, s. 365.
4 International Panel on Climate Change, Climate Change 2007: Synthesis report: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I. II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, IPPC, Geneva, 104pp.
5 McCarty P.L., Palmer S.H., Climate change challenges for waste treatment, summary of Pre-conference Workshop at WEFTEC 08 „Wastewater Treatment in Tomorrow’s Climate Change-Driven World, AAEE oraz WEF, 2008, październik 18
6 Pape R., The remaining carbon budget, Acid News, 2011,1,1-4.

 

Autorzy: Wojciech Dąbrowski, Barbara Dąbrowska, Krzysztof Głód – Politechnika Krakowska

Artykuł został opublikowany w magazynie "Ochrona Środowiska" nr 1/2012