הוצאת זרחן על ידי CONSTRUCTED WETLANDS

עודפי זרחן, ופריחת האצות המתלווה אליהם, הם אחת הבעיות הנפוצות במקווי מים, והכינרת אינה יוצאת דופן במובן זה.
המדענים אינם תמימי דעים ביחס לתופעת התגברות האצות הכחוליות. יש המייחסים זאת בעיקר לתנודות תקופתיות שהיו גם בעבר (אם כי לא באותה העוצמה), אחרים קושרים זאת ישירות לעליה בכמות כלל הזרחן באגם, ומצביעים על הירידה ברמת החנקן (הנותנת עדיפות לכחוליות על הירוקיות), וברמת הזרחן המומס (הנצרך על ידי האצות), כהוכחה לכך שמקור הבעיה הוא בזרחן.
כך או כך, הנתונים העולמים קושרים את עודפי הזרחן (גם אם המים מגיעים עם אחוזי זרחן נמוכים), להתדרדרותם של אגמים, ומאמץ עולמי אדיר מוקדש למניעת התופעה. 
עודפי הזרחן, המגיעים מתשטיפים חקלאיים ומחוות גידול הפורלים, אינם בערכים גבוהים כשלעצמם, אך הם מצטברים לכמות גדולה של זרחן המגיעה לכנרת.
 
בשנים האחרונות נערכים מחקרים רבים על יכולתן של מערכות CW מסוגים שונים להוות פתרון יעיל וארוך טווח לנושא. מחקרי מעבדה רבים הראו יכולת טובה מאד של הורדת זרחן על ידי מערכות צמחיות משולבות במצעים, אך על יכולת הניבוי של מחקרים אלה מונח סימן שאלה. ביקורת (מוצדקת) נמתחת על עצם הרעיון לנסות ולאושש את טענת יעילות הורדת הזרחן, משתי סיבות עיקריות:
  • מחקרי המעבדה אינם מסוגלים כלל לדמות מערכות אקולוגיות שלמות ולכן לא ניתן להסיק מהם מסקנות לגבי רמת ההורדה בתנאי אמת.
  • מחקרים אלה הם לעיתים קרובות מאד קצרי טווח, ואילו מנגנוני הורדת הזרחן  מתחלקים לקצרי טווח וארוכי טווח, ומטבע הדברים, כאשר מתכננים מערכת צמחית ל - 30-50 שנה, אנו מעונינים לדעת מהם התהליכים ארוכי הטווח.
 
בשאלות אלה עוסקים שני מחקרים: מחקרם של Jacson Dierberg and Pietro   (*1) עוסק בשאלת היכולת להשליך ממחקר על שטח קטן, לגבי מערכות גדולות יותר, כאשר כל המערכות מוצבות בשטח בתנאי אמת. הם בדקו מתקנים של כ- 3 מ"ר, חמישית ההקטר ומערכות של 146 הקטר, ומצאו מתאם יפה בין התוצאות. אף על פי כן, בעבודה זו בחרנו להתייחס רק לעבודות בשטחים גדולים בתנאי אמת, ולאורך זמן.
החוקרים האוסטרלים Lund Lavery and Froend (*2) מנסים להבחין בין תהליכים קצרי וארוכי טווח להוצאת זרחן, וכן בין תהליכי ספיחה מצעית, וצמחית. המודל שלהם נמצא מנבא היטב בטווח של שלוש שנות המחקר, ולפיו ההוצאה קצרת הטווח קטנה בהיקפה לעומת התהליכים הארוכים. בפועל רמת ההוצאה עולה עם השנים, ולא יורדת, כצפוי מתהליכי הספיחה קצרי הטווח.
 
בכנס שנערך בנובמבר 2000 באורלנדו, פלורידה, הוצגו עבודות רבות הבודקות את הורדת הזרחן במערכות אמת לאורך שנים. גם אם נתעלם מיכולת הניבוי של מחקרי המעבדה, יש כאן עדויות רבות ליכולת הטיהור של מערכות משולבות מצע וצמחיה בכל הנוגע לזרחן.
 
רבות מהעבודות בוצעו בשטחי ה- EVERGLADES המהווה מעבדת ענק בת מיליון ק"מר שבה מספר רב של פרוייקטים בעלות צנועה של 650 מיליון דולר.
Debusk, Dieburg, Forrest and Reddy  (*3) סוקרים במחקרם 25 שנות מחקר ותוצאות
של מתקנים עובדים להורדת זרחן בפלורידה. בשנת 2000 קיימות בפלורידה 20 מערכות וותיקות כאלה, והחוקרים מביאים את תוצאות הוותיקות שבהן, בנות 30-45 שנה:
 
 
 
 
מערכת
גודל (הקטר)
זרחן (מג"ל) בכניסה
זרחן (מג"ל) ביציאה
עומס (גר'/מ"ר) בשנה
הורדה (גר'/מ"ר) בשנה
Coral springs
0.5
4.68
4.23
116
11.3
Melbourne
4.9
4.33
3.7
354
51.5
Kissimmee
1.5
1.46
0.27
20.8
16.9
Loxahatchee
3.4
1.06
0.55
108
51.9
Iron bridge1
12.2
0.74
0.35
56.2
29.6
Iron bridge2
12.2
0.30
0.10
26.9
18
 
הטבלה מראה תוצאות יפות גם במקרה של עומסי וריכוזי זרחן נמוכים.
עבודות שנעשו באתרים אלה מצאו שספיחת הזרחן נעשתה כמעט בלעדית על ידי המצעים וחלקי הצמח התת מצעיים. בטווח הארוך, אין לחלקי הצמח העיליים חשיבות רבה.
החוקרים סוקרים עוד שני פרוייקטים גדולים אליהם נמצא התייחסויות מחקריות נוספות: מתקני " הדגמה" (המרכאות במקור) של 1540 הקטר לטיפול בתשטיפים של איזורים חקלאיים ב- EVERGLADES , ומערכת טיהור על ידי סחרור דרך צמחים של מי אגם אפופקה (200 הקטר). ההדגמה באווגליידס ממחישה את יעילות הטיהור על ידי צמחים במים בסיסיים וקשים (הורדה מ- 0.1 מג"ל ל - 0.01  מג"ל זרחן). במחקר זה, שנמשך 15 שנה, הוכחו לראשונה ההבדלים הגדולים בין סוגי צמחיה שונים, כאשר המספרים נעים בין 5.5 גרם לשנה  למ"ר לצמח הגרוע ביותר, ל 19.6 גרם לשנה למ"ר לצמח היעיל ביותר שנבדק בשטח. באגם אפופוקה, הסובל מבעיות דומות לבעיות הכינרת, המים מסוחררים דרך ה- WETLAND עם מגוון צמחים לא מכוון, והתוצאה הקבועה : 4 גרם למ"ר בשנה.
 
הנורווגי Brascerud  (*4) בודק 4 מתקנים שנבנו לצורך הורדת זרחן, במשך 3-7 שנים. נמצאו הבדלים גדולים בין המערכות השונות, שהיו שתולות בסוגי צמחיה שונים, אך בכל המקרים נמצאה הורדה משמעותית בכל ימות השנה, כולל
בחורף הנורווגי הקר. יש קושי להשוות בין המערכות בשל השונות הגדולה בערכי הזרחן הנכנס, ובספיקות. הטבלה מסכמת את התוצאות:
 
מערכת
שנת התחלת עבודה
שנות נתונים
זרחן נכנס (מג"ל)
זרחן יוצא (מג"ל)
אחוז הורדה
הורדה (גר'/מ"ר/שנה)
1
1990
7
0.17
0.10
41
40
2
1990
7
0.25
0.17
32
57
3
1994
4
0.20
0.16
20
17
4A
1993
3
0.43
0.27
37
71
4B
1993
3
0.43
0.24
44
47
 
נמצא שככל שחלקו של הזרחן המרחף גדול יותר, ההוצאה יעילה יותר.
השלב הבא במחקר היה בניית מודלים שינבאו את הורדת הזרחן, והשוואתם לשתי מערכות נוספות, שנתוניהן (במשך 22 עונות) לא נכנסו למערך הנתונים על פיו נבנו המודלים. מודל מספר 3 נמצא מנבא היטב את התוצאות, אך המחבר מבקש לנקוט זהירות רבה בשימוש במודל זה או באחרים, ומניח שיש להתאים כל מודל לתנאים הייחודיים בהם עוסקים.
 
מחקרם של Comeau, brisson, Reville and Forget (*5) עוסק במים העוברים דרך חוות לגידול דגים בקוויבק, קנדה. התהליך דומה מאד לזה המתרחש בחוות גידול הפורלים בצפון: הזרמה של מים באיכות טובה מנחל לבריכות הגידול, והחזרתם למורדו, עם ערכי זרחן שאינם גבוהים, אך מצטברים לכמויות זרחן שיש בהם כדי להשפיע על איכות המים של האגמים אליהם הם נקווים. הספיקה היומית לחווה המייצרת 100 טון דגים בשנה: 10,000 מ"ק. בארץ אנו מדברים על ספיקות גבוהות יותר.
בקנדה (וגם בארץ) משתמשים בפילטר מכני ביציאה מהחווה. במקרה זה, פילטר של 60 מיקרון, המסנן 60% מהזרחן המרחף, אך כמעט ואינו משפיע על הזרחן המומס. בריכות הטיהור נועדו לטפל בבוצה המצטברת בפילטר, וכן לעשות "פוליש" נוסף למים היוצאים מהפילטר. הבריכות, בשטח של 200 מ"ר, הביאו להורדה של 95% מהזרחן המרחף, ו- 80% מהזרחן המומס (סה"כ 92% הורדה של כלל זרחן), תוך הגעה ליעד של 0.03 מג"ל זרחן.
 
באגם סטוקוונט בנורווגיה, הראו הבדיקות בסוף שנות ה- 90 איכות מים נמוכה. כיוון שמדובר במאגר מי השתיה של העיר הסמוכה, החליטה העיריה על מערכת טיפול ב- CW. (מאמרם של     Yedstebo, Kommdal and Bakke6*) המערכת (בגודל 2 דונם) החלה לעבוד בשנת 1994, והמדידות למחקר זה נמשכו על פני 99-2000. זמן השהיה הממוצע: 20 שעות. כפי שמראה הטבלה, המערכת פעלה יפה גם בטמפרטורות נמוכות:
 
טמפרטורה
ספיקה (ליטר/מ"ר/יום)
עומס זרחן (גר'/מ"ר/יום)
הורדה (%)
נמוך מ 5 מעלות
632.9
0.190
70.6
5-10 מעלות
282.7
0.336
79.4
מעל 10 מעלות
184.2
0.339
84.3
  
הרשויות השונות המעורבות במחקר ובעשייה ב- EVERGLADES מפרסמות מספר רב של מחקרים ודיווחים על הורדת הזרחן.  Gu, DeBusk, Cimmney and Pietro (*7) בדקו שטח של 2610 הקטר המקבל מים שכבר עברו דרך CW וערך הזרחן בהם ירד ל 0.44 מג"ל. המערכת צריכה לבצע פוליש נוסף לפני שיחרור המים לשמורת טבע. מטרת המחקר היתה לאפיין את העומק וזמן השהיה האופטימלים, וכן לבדוק השפעה של קציר בצמחיה טבולה.
ממצאיהם העלו כי אין משמעות לזמן שהיה ארוך להורדת זרחן (כפי שנמצא גם במחקרים אחרים). כן נמצא שאין משמעות לעומק גדול, למרות הגידול בזמן השהיה הנובע מכך. ממצא מעניין הוא השפעת הקציר (איסוף של הצמחיה הטבולה, במקרה זה), שנמצא לא יעיל ואף מזיק.
המדידות  נעשו בשנים 94 99, וניתן לראות בטבלה את התוצאות. בשנים הראשונות ההורדה סובלת מתנודות, אך היא מתייצבת ככל שחולפות השנים.
 
שנה
ריכוז כלל זרחן בכניסה  (מיקרוגרם/ליטר)
הורדה (גר'/מ"ר/שנה)
הורדה (%)
1995
21
0.7
26
1996
29
1.2
31
1997
21
0.7
30
1998
14
1.2
70
1999
13
1.9
61
ממוצע
20
1.2
44
 
גם Nungesser and Chimmney (*8) נמנים על אנשי רשויות המים של פלורידה והם בוחנים את תוצאות כל הפרוייקט בשנים 94-99. היעד של הורדת רמת הזרחן מתחת ל- 0.50 מג"ל, וקבלת הורדה של 75% מערכי הכניסה, הושג במלואו בזמני שהיה משתנים שבים 0.5 ל 15 יום. המחברים מנסים למדוד את בצועי השטחים השונים על פי מגוון הצמחים בהם (במקרה זה הדבר נעשה על
פי ניתוח צילומי אוויר), ואכן תא 4 , עליו עוד ידובר, שהרכב הצמחיה בו שונה  משמעותית מהתאים האחרים, נמצא מצטיין למרות שהוא נמצא במורד הזרימה ומקבל ערכי זרחן נמוכים.             
 
בזמן השהיה האופטימלי עוסק גם מחקרם של Newman and Lynch  (*9) שמצאו כי הזרחן המומס אינו מושפע כלל מזמן השהיה (ירד ב- 80% בכל זמן שהיה), אך הזרחן המרחף הושפע מזמני שהיה משתנים.
 
Irons, Dierberg, Reddy and DeBusk  (*10) עוסקים בשאלה שמטרידה חוקרים רבים: יכולת השיחרור של זרחן שנספח למצעים כאשר התנאים משתנים. החוקרים לקחו מצעים מחלקים שונים של המערכת ב- EVERGLADES והעבירו אותם שינוי תנאים חריף (PH , רדוקס, כימיכלים שונים ועוד). רק 11-12% מהזרחן הכלוא במצעים השתחרר בתנאים אלה.
 
נראה איפה, שמערכות CW מסוגלות להוריד בהצלחה זרחן, גם בספיקות גדולות, עם זמן שהיה קצר, וגם כשמדובר ב"פוליש" ובערכים נמוכים. אין כל ספק שיש להתאים את סוגי המצעים, סוגי הצמחים וצורת הזרימה ספציפית למטרה זו.                                                                    
 
גם אם אין בטחון מוחלט בקשר הסיבתי בין כמויות הזרחן למצב הכנרת, אין זה פוטר אותנו מכל מאמץ להוריד את הכמויות הללו, ולאפשר לכנרת, המגלה בסה"כ יציבות מרשימה לאורך השנים, להמשיך ולתפקד לאורך שנים. יש אפשרות לבצע את המטלה באמצעות מערכות CW, וחובה עלינו לבדוק את האפשרות הזו באופן רציני.
 
References
 
העבודות המצוטטות במאמר זה הוצגו בכנס Water systems for water pollution control  בנובמבר 2000 באורלנדו, פלורידה.
 
*1 . Effects of Ecosystem scale on P removal in wetlands dominated by submerged aquatic vegetation / S Jackson and F Dierberg, DB Environmental laboratories,FL , USA ,C Pietro, S. Florida Management District FL. USA
 
*2 . Removing filterable reactive P from highly coloured stormwater using CW / M A LundPS Lavery and R F Froend, Centre for ecosystem management, Edith Cowan University. Australia
 
*3 . The use of Macrophyte – based systems for P removal: an overview of 25 years of research and operational results in Florida / T A DeBusk, F E dierberg, and K R Reddy, University of Florida FL USA
 
*4 . Measurement and modeling of P retention in small CW treating agricultural non point source pollution /B. C. Braskerud, Jordforsk, Norway
 
*5 . P removal from Trout farm effluents by CW / Y Comeau, Ecole polytechnic, Montreal, Canada, J Brissn,Institute de recherche en biologie vegetele, Montreal, Canada, C Forget and A drizo, Ecole polytechnic , Montreal, Canada
 
*6 . Seasonal variations in nutrient removal in cold climate CW / L Ydstebo, Stavanger university college, Stavanger, Norway, R Kommdal and R Bakke, Tellemark university college, Porsgrum, Norway
 
*7 . P removal from Everglades agricultural area runoff by submerged aquatic vegetation / limerock treatment technology: an overview of research / B Gu, S. Florida water management district, FL USA, T a deBusk, DB envinromental laboratories FL USA, M j Chimmney and K C Pietro, S. Florida water management district, FL USA, T Aziz, Florida department of envinromental protection, FL USA
 
*8 .  Evaluation of P retention in a South Florida treatment wetland / N K Nungesser and N J Chimmney, S. Florida water management district FL USA .
 
*9.  The Everglades nutrient removalproject test cells: STA optimization – Status of the research at the north side / J N Newmanand T Lynch, S Florida water management district, FL USA
 
*10 . Stability of P in Calcareous sediments from a treatment wetland dominated by submerged aquatic vegetations / D Irons and F Dierberg, DB envinromental laboratories, FL USA, K R Reddy and W DeBusk, Institute of food and agricultural sciences, university of Florida FL USA