Marta Składowska, publ. grudzień 2024 r.
Płytkie systemy geotermalne są coraz częściej wykorzystywane do magazynowania lub gromadzenia energii cieplnej w celach grzewczych lub chłodniczych. System magazynowania energii cieplnej w warstwach wodonośnych (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES), który wykorzystywany jest na całym świecie do ogrzewania i chłodzenia przestrzeni wewnętrznych, napotyka liczne wyzwania technologiczne. Jednym z kluczowych problemów jest kolmatacja (zatykanie) instalacji składających się ze studni geotermalnych służących do magazynowania i odzysku energii cieplnej z warstw wodonośnych, która prowadzi do spadku wydajności ATES, a często nawet awarii systemu.
Procesy kolmatacji można podzielić na trzy główne typy: biologiczne, chemiczne i fizyczne (Baveye i in., 1998; Vandevivere i Baveye, 1992). Każdy z nich ma odmienny mechanizm powstawania i skutki dla funkcjonowania instalacji eksploatujących energię geotermalną, jednak są one ze sobą mocno powiązane, często występują jednocześnie i oddziałują na siebie np. reakcje biologicznie mogą sprzyjać wytrącaniu się związków chemicznych, jak w przypadku wytrącania wodorotlenku żelaza, w wyniku aktywności bakterii utleniających żelazo (np. Burté i in., 2019). W praktyce nie zawsze można łatwo ustalić, który typ mechanizmu kolmatacji jest dominujący, dlatego też poszczególnych procesów nie powinno się rozpatrywać odrębnie.
Kolmatacja biologiczna
Spośród trzech rodzajów mechanizmów odpowiedzialnych za kolmatację systemów ATES, mechanizm biologiczny jest szczególnie interesujący. Kolmatacja biologiczna jest efektem działalności mikroorganizmów, takich jak bakterie czy pierwotniaki.
Kolmatacja mikrobiologiczna może wynikać z gromadzenia się agregatów komórek bakterii w przestrzeniach systemu studziennego, produkcji polimerów pozakomórkowych, uwalniania gazowych produktów ubocznych działalności mikroorganizmów oraz akumulacji nierozpuszczalnych osadów powstających z udziałem bakterii. Identyfikacja poszczególnych grup fizjologicznych mikroorganizmów poprzez mikroskopową obserwację zakolmatowanych układów pozwoliła wyróżnić między innymi bakterie żelazowe (Kuntze, 1982; Updegraff, 1983; van Beek, 1984; Cullimore i Mansuy, 1987), bakterie metanogenne (Ehlinger i in., 1987), algi (Bubela, 1985) czy orzęski (Okubo i Matsumoto, 1983). Wielu badaczy w zakolmatowanych systemach zidentyfikowało różne szczepy bakterii tlenowych (Laak, 1970; Updegraff, 1983), bakterie fakultatywnie beztlenowe (Mitchelland Nevo, 1964; Laak, 1970; Jack i in., 1983) i ściśle beztlenowe bakterie, takie jak bakterie siarkowe redukujące siarczany, które rozwijają się w środowisku o wysokim stężeniu siarczanów i niskiej zawartości tlenu (Davis, 1967; Wood i Bassett, 1975; van Beekand i van der Kooij, 1982). Bakterie redukujące siarczany są szeroko rozpowszechnione w naturze (Ogata i Bower, 1965) i występują w głębokich i płytkich wodach gruntowych na całym świecie (Iverson i Olson, 1984).
Przykładowe rodzaje bakterii to:
bakterie redukujące siarczany i tiosiarczany (np. Thiobacillus), które przekształcają siarczany (SO42-) w siarkowodór (H2S). Produkowany siarkowodór jest przyczyną korozji stali i kolmatacji chemicznej;bakterie nitkowate np. z rodzaju Thiothrix czy Beggiatoa, utleniające siarkowodór (H2S) powstający w wyniku działalności bakterii siarkogennych do siarki elementarnej (S), tworzą gęsty biofilm na powierzchniach instalacji, który stanowi barierę dla przepływu wody;bakterie redukujące siarczany (np. Desulfovibrio), których metabolizm dodatkowo obniża pH środowiska, sprzyjając wytrącaniu minerałów. Współistnienie bakterii redukujących siarczany i utleniających H2S obserwuje się w szerokim zakresie temperatur wody podziemnej wykorzystywanej w ATES (Bonte i in., 2013);bakterie żelaziste, takie jak Gallionella czy Leptothrix były wielokrotnie i obficie znajdowane w zakolmatowanych systemach studziennych (Kuntze, 1982; Houot i Berthelin, 1992). Według Forda (1982), żelazisty osad jest czerwonym do jasnobrązowego galaretowatym osadem zawierającym duże ilości żelaza w połączeniu z bakteryjnym biofilmem. Bakterie te mogą rozwijać się przy bardzo niskich stężeniach tlenu i Fe2+, (Davis, 1967; Ford, 1982; van Beek, 1984). Ponadto ich doskonałe właściwości adhezyjne umożliwiają im kolonizację powierzchni narażonych na bardzo wysokie prędkości przepływu (van Beek, 1984). W przypadku braku środków zapobiegawczych nieuchronnie następuje kolmatacja studni (van Beek, 1984; Driscoll, 1986).
Mikroorganizmy te bytują w warstwach wodonośnych, w których występują sprzyjające warunki redoks oraz wysokie stężenia siarczanów i organicznych związków węgla. Mogą również przedostać się do systemu wodonośnego poprzez infiltrację wód powierzchniowych lub zanieczyszczenia antropogeniczne.
Zmieniające się warunki, takie jak podwyższenie temperatury wody, stymulują metabolizm bakterii, co skutkuje wzrostem produkcji biofilmu (np. Psudomonas) lub trójwymiarowych agregatów komórkowych o różnych rozmiarach (np. Arthrobacter) na powierzchniach systemów studziennych i intensyfikacją procesu kolmatacji (Bonte i in., 2013; Vandevivere i Baveye, 1992).
Wg Allison (1947) produkty metabolizmu drobnoustrojów, takie jak szlamy, śluzy, odgrywają znaczącą rolę w procesie kolmatacji biologicznej. Zdecydowana większość tych zidentyfikowanych wydzielin składa się zasadniczo z polisacharydów będących egzopolimerami. Są one zwykle silnie uwodnione ze względu na swoją hydrofilową naturę i zawierają około 99% wody (Rittman i McCarty, 1980). Ten wysoki stopień uwodnienia utrudnia ich obserwację za pomocą mikroskopii elektronowej (Vandevivere i Baveye, 1992). Egzopolimery mogą tworzyć strukturę żelową lub wysoce lepki śluz (Gardner, 1972) co jednoznacznie wpływa na przepływ wody, zwiększając lepkość płynu i zmniejszając rozmiar porów w systemach studziennych. Ponadto bakteryjne egzopolimery mogą powodować wysoki opór tarcia (Characklis, 1971). Tworzenie się tego śluzowatego biofilmu związane z metabolizmem bakterii ma miejsce w środowiskach zróżnicowanych pod względem warunków redoks. Często wiąże się z wytrącaniem minerałów (głównie tlenków i wodorotlenków żelaza i manganu) indukowanym mechanizmami reakcji chemicznych, które mogą być aktywowane przez te bakterie utleniające żelazo i mangan (kolmatacja biochemiczna).
Tym samym, kolmatacja biologiczna prowadzi do obniżenia efektywności systemów magazynowania energii cieplnej w warstwach wodonośnych oraz zwiększa koszty eksploatacji z powodu konieczności częstych prac konserwacyjnych. Chociaż dostępnych jest wiele informacji na temat aspektów kolmatacji biologicznej, jednak aby ilościowo przewidzieć jego zakres w danej sytuacji konieczne są dalsze badania. Jest to szczególnie ważne w przypadkach, w których występują czynniki komplikujące, takie jak np. konkurencja między mikroorganizmami występującymi w danym środowisku (Baveye i in., 1998). Konkurencja między mikroorganizmami może skutkować wyselekcjonowaniem organizmów lub grup o skrajnych właściwościach, co prowadzi do znacznie większego lub mniejszego procesu kolmatacji, niż wynikałoby z eksperymentów prowadzonych z czystymi kulturami bakterii. Również drapieżnictwo pierwotniaków oraz namnażanie bakteriofagów mogą istotnie wpływać na tempo i zakres kolmatacji systemów ATES.
Kolmatacja (bio)chemiczna
Proces chemicznej i biochemicznej kolmatacji wynika przede wszystkim z utleniania jonów żelaza (Fe2+) i manganu (Mn2+) obecnych w wodach gruntowych. W obecności tlenu oraz bakterii utleniających żelazo (FeOB) i mangan (MnOB), dochodzi do wytrącania nierozpuszczalnych tlenków i wodorotlenków. Osady te, wzbogacone o wydzielane przez bakterie egzopolisacharydy (EPS), tworzą biofilm, śluz zatykający elementy instalacji, takie jak filtry, pompy czy rury (Kappler i in., 2016).
Reakcje chemiczne leżące u podstaw tego procesu obejmują:
Utlenianie jonów żelaza – wytrącony wodorotlenek żelaza Fe(OH)3 stanowi podstawowy składnik osadów;Utlenianie jonów manganu – MnO2 jest również nierozpuszczalnym minerałem, który przyczynia się do kolmatacji instalacji;Reakcje katalizowane przez bakterie – niektóre bakterie, takie jak Gallionella czy Leptothrix, przyspieszają te procesy, dodatkowo produkując egzopolisacharydy, które nadają osadom śluzowaty charakter (Kappler i in., 2016). Powstający biofilm nie tylko utrudnia przepływ wody, ale także stanowi miejsce dalszej akumulacji osadów.
Zjawisko to nasila się w środowiskach mikroaerofilnych, gdzie aktywność bakterii może prowadzić do szybkiego wzrostu osadów. Co więcej, reakcje te są autokatalityczne, co oznacza, że powstałe osady przyspieszają kolejne procesy wytrącania, co skutkuje koniecznością częstej konserwacji systemów (Stumm i Lee, 1961; Tamura i in., 1976).
Kolmatacja chemiczna może być także wywołana wytrącaniem się węglanu wapnia (CaCO3) w wyniku destabilizacji równowagi wapniowo-węglowej wywołanej różnego rodzaju czynnikami, jak np. wzrost temperatury wody w obiegu systemu, obecność cząstek mineralnych, zanieczyszczeń organicznych czy zmiany w zawartości rozpuszczonych gazów (O2, CO2) wywołane pompowaniem wód podziemnych (Burté i in., 2019).
