Doba klimatických změn se v oblasti vodárenství mimo jiné projevuje zvýšeným využíváním zásob podzemních vod. Vodárenské společnosti provozují stovky různě hlubokých vrtů, které vyžadují pravidelnou údržbu, aby se zpomalil proces jejich „stárnutí“, kdy dochází k postupnému zanášení vrtu. Nyní se pro ně rozšiřují možnosti efektivní regenerace zdrojů pitné vody. Vědci z Technické univerzity v Liberci vyvinuli a pilotně odzkoušeli ve spolupráci s průmyslovými partnery v rámci projektu Technologická agentury ČR (TA ČR) s názvem Regenerace vrtů — nové postupy cílené regenerace, monitoringu regenerace a preventivních systémů diagnózy stavu vrtů novou, k životnímu prostředí šetrnou technologii hydromechanické regenerace vrtů.
Inkrusty snižují vydatnost vrtů Vrt je zjednodušeně řečeno tvořen trubkou, která je v určitých místech děrovaná. Tyto perforace se však zanášejí, například oxidy železa nebo jílovitými částicemi, a tvoří povlaky — inkrusty. Také štěrkový, případně pískový obsyp kolem trubky se může dlouhodobým provozem vrtu ucpávat. V důsledku toho se pak snižuje vydatnost vrtu a zanedbání regenerace by mohlo vést až k jeho odstavení, protože výměna pažení a obnova konstrukce vrtu je technicky prakticky neproveditelná. V současné době se k regeneraci hydrogeologických vrtů používá řada mechanických či chemických technologií a ke slovu přichází i zařízení pracující na principu ultrazvuku (UZ). Jde o mechanické vlnění vyvolané vzájemným rozkmitáním elastických částic s frekvencí vyšší než 20 kHz, tedy mimo rozsah lidského sluchu. V závislosti na frekvenci se ultrazvukové vlnění dělí na tři kategorie: silový ultrazvuk s frekvencí od 20 kHz do 100 kHz, vysokofrekvenční s frekvencí od 100 kHz do 1 MHz a diagnostický ultrazvuk o frekvencích 1—500 MHz. S vyšší hustotou prostředí stoupá rychlost šíření vlny. Nejpomaleji se vlnění šíří v plynech, rychleji v kapalinách a pevných látkách. Zdrojem uměle vytvářeného ultrazvuku je ultrazvukový generátor. Potvrdilo se, že ultrazvuk zvyšuje efektivnost procesu čištění vodárenských vrtů.
Chemie je riziko Chemické metody regenerace vrtů jsou velmi účinné, ale podle RNDr. Petra Kvapila, Ph.D., z liberecké firmy Photon Water Technology se nedá vyloučit určité riziko zhoršení kvality vody. „Je potřeba k nim přistupovat velmi opatrně, protože do prostředí, ze kterého se čerpá pitná voda, se dostává cizorodá chemická sloučenina, s obsahem například chlorovodíkové, fosforečné nebo citronové kyseliny. Proto chemickým metodám musí předcházet velmi pečlivý komplexní monitoring vrtu,“ zdůrazňuje dr. Kvapil, který se společně s vědci Technické univerzity v Liberci podílel na vývoji nové ultrazvukové technologie. „Vodárenské firmy mají většinou už vyzkoušený standardní postup mechanické i chemické regenerace, o kterém si třeba můžeme myslet, že není úplně optimální. Při využití ultrazvuku v kombinaci s mechanickým čištěním tyto negativní jevy odpadají a vrt je možné bez rizika dál provozovat. Ultrazvuk má v regeneraci vrtů velký potenciál, je šetrný k životnímu prostředí, a může do určité míry suplovat zmíněné chemické metody. Myslím, že se konzervativní přístup k regeneraci vrtů už daří lehce měnit. Díky nové technologii se dá některým těmto rizikům předejít,“ dodává Petr Kvapil.
Regenerace na bázi ultrazvuku Udržovat vrty v optimálním využitelném režimu pravidelným čištěním je nezbytné a rozhodně levnější, než kdyby se péče zanedbala a vrt přestal fungovat. „K vybudování nového vrtu je nutné absolvovat zdlouhavé, drahé a složité legislativní kolečko,“ říká Ing. Jaroslav Nosek, Ph.D., z Oddělení technologie životního prostředí Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci. Právě zde byla vyvinuta nová technologie, která doplňuje metody mechanické a chemické regenerace a umožňuje ošetření vrtů, ve kterých není možné použít chemické metody (třeba vlivem omezení daných konstrukcí vrtu nebo v důsledku hydrogeologických podmínek — např. příliš rychlé proudění podzemní vody, nevhodná geologie atd.) „Naše metoda hydromechanické regenerace zvyšuje komplexnost a univerzálnost technologie regenerace vrtů. Využívá ultrazvukové technologie, kdy jsou po ponoření zářiče do vrtu rozrušeny inkrusty na povrchu pažnice a ve štěrkovém obsypu, obnoví se perforace výstroje vrtu a tím se zvýší vydatnost ošetřovaného vrtu potenciálně až na původní úroveň,“ říká dr. Nosek. Dodává, že účinnost nové metody potvrdily pilotní testy, které Technická univerzita v Liberci provedla ve spolupráci s firmou Aquatest a s provozovatelem vrtu (Severočeské vodovody a kanalizace — SČVK) na lokalitě Horní Chřibská. „Tento vrt byl pro testování naší ultrazvukové metody vybrán proto, že informace a podklady z režimního monitoringu a komplexní diagnostiky SČVK včetně kamerové prohlídky a karotáže vykázaly snížení vydatnosti a zároveň ukázaly, že vrt nelze regenerovat s využitím chemických metod, kvůli vysoké pravděpodobnosti hydraulické komunikace s ostatními vodárenskými vrty jímací oblasti Horní Chřibská,“ říká člen týmu Ing. Tomáš Pluhař s tím, že aplikaci nově vyvíjených postupů metody umožnila dohoda o spolupráci z roku 2017 mezi společnostmi Severočeských vodáren a kanalizací a společností Aquatest.
Malá technologie vhodná pro členitý terén Využití ultrazvuku při regeneraci vodárenských vrtů není novinkou. Že to je metoda účinná, je zřejmé už z dosavadních výsledků, které publikovali například v Německu. Doposud využívané UZ technologie jsou však vhodné převážně pro lokality celoročně přístupné pro těžkou techniku a pro vrty o větším průměru. Publikované výsledky se opírají o použití deskových zářičů, které nejsou příliš výkonné a pro dosažení zhruba 2 kW výkonu ultrazvuku je potřeba silný generátor o výkonu minimálně 40 kW. Doposud používané technologie tak ke spuštění ultrazvuku do studny potřebují velký ultrazvukový zářič, nákladní auta, jeřáb a k tomu samozřejmě několikačlennou osádku. Takové postupy jsou zároveň energeticky náročné. Tým dr. Noska se však ve spolupráci s partnery zaměřil na vývoj technologie použitelné i v členitém terénu a pro vrty o menším průměru. „Jde v podstatě o stejný mechanismus. Ultrazvuk je velmi efektivní čisticí metoda, a pokud se po něm ještě aplikuje mechanické čištění, výrazně se zvyšuje účinnost celého procesu regenerace vrtu. Proto jsme se na něj zaměřili, za cíl jsme si ale dali najít snadnější a kompaktnější technologii,“ říká dr. Nosek. Na vývoji ultrazvukové soustavy spolupracovali liberečtí vědci se slovenskou firmou Ecoson z Nového Mesta nad Váhom. Posunem kupředu je použití piezokeramických zářičů, které dosahují významně vyšší efektivity než deskové zářiče. Ultrazvuková hlava je u nového zařízení poměrně malá a zářič (aktivní část, která vyzařuje ultrazvuk) má délku jen 0,5 m. Na 1 kW ultrazvukového výkonu pak stačí zářič napájet 2 kW elektrické energie. Přitom je ale dosaženo relativně stejného vyzářeného výkonu jako u dvoumetrové aktivní části s použitím deskových zářičů. Další výhodou nově vyvinuté technologie jsou podle Jaroslava Noska skutečnost, že může být použita i pro malé vrty, a snadná manipulace. Lze ji totiž včetně bubnu s nosným kabelem naložit na přívěsný vozík osobního auta. To ji dovoluje nasadit i na méně přístupných místech. Vyhovuje tak potřebám českého terénu.
Práce v terénu je snadná Nově vyvinutou akustickou regenerační soustavu tvoří titanový zářič o délce 0,5 m a průměru 100 mm. Ten je napojen na ultrazvukovou hlavici s keramickými krystaly (generátor) s výstupním UZ výkonem 1 kW. Krystaly aktivované vhodným napětím začnou kmitat, roztahovat se a přenášet tak oscilace na zářič. Součástí je také samonosný kabel o délce 100 m, navíjecí buben s automatickým návinem a výkonovou a řídicí technologií, monitorovací a řídicí jednotkou technologie (notebook) a trojnožku s kladkou. Mezi výhody nové technologie řadí Jaroslav Nosek její jednoduché ovládání, malou velikost a automatické řízení: „Technologii můžeme odnést v rukách. Máme buben se zakomponovaným automatickým řízením spouštění. Na něm je navinut 100m nosný kabel, na jehož konci je připojena ultrazvuková hlava. My tedy jenom přijedeme k vrtu, postavíme stojan, na který zavěsíme kladku a spustíme do vrtu kabel s ultrazvukovou technologií. Zároveň naprogramujeme, v jaké hloubce se má spustit ultrazvuk a jaký má být jeho výkon. Můžeme mu třeba zadat interval 20 až 50 mm s tím, že na každém půlmetru bude působit přiměřeně dlouho vzhledem ke stavu výstroje vrtu. Vše probíhá automaticky a na obsluhu stačí jeden člověk. To se provozovatelům vodárenských vrtů při prezentaci dost líbilo.“
Monitoring vrtu je před regenerací nezbytný Regeneračnímu procesu musí bezpodmínečně předcházet monitoring vrtu, čerpací zkouška a zkouška složení čerpané vody, aby bylo průkazné, že nedošlo ke zhoršení její kvality. Po chemické regeneraci je typicky nutné vodu odčerpávat tak dlouho, dokud lze detekovat i malé zbytky chemického činidla. U mechanické regenerace je postup jednodušší, protože mechanické zbytky přirozeně sedimentují na dno vrtu, které je opatřeno kalníkem. Tam buď zůstávají, nebo se ze dna odsají. Často se provádějí kamerové zkoušky i karotáž, při které se do vrtu spouštějí sondy měřící průměr vrtu po celé hloubce. Díky tomu je vidět, v kterých místech jsou usazeniny a v jakém množství. Karotáž poskytne vstupní informace o stavu vrtu tak, aby mohlo být při regeneraci dosaženo co nejlepšího výsledku. Kamerou lze pak porovnat stav vrtu před regenerací a po ní.
Z laboratoře do terénu Pilotní zkoušky provedené na lokalitách v Ústeckém kraji díky vstřícnosti Severočeských vodovodů a kanalizací jako provozovatele vrtů už potvrdily funkčnost a efektivnost nové technologie. Čerpací zkouška před nasazením metody a po něm ukázala zvýšení vydatnosti konkrétního vrtu až o 50 %. Je tedy co nabídnout a některé vodárenské společnosti už o tuto technologii projevily zájem. Komerční nasazení do praxe si vzala na starost liberecká společnost Photon Water Technology. „Jde o relativně levnou, snadno použitelnou technologii bez negativních dopadů. Je to rozhodně jedna z metod, která by mohla být široce nasazena. Je šetrná k životnímu prostředí a do určité míry by mohla suplovat chemické postupy, navíc je vhodná i pro malé vrty u rodinných domů. To může být zajímavá informace pro podnikatele, kteří se chtějí věnovat regeneraci vrtů. Myslím, že vodárenské společnosti výhody této smart technologie ocení. Velkým přínosem je, že se dá nasadit i do hodně starých vrtů, u kterých už standardní razantnější postupy přinášejí z hlediska životnosti vrtu vážná rizika,“ uzavírá Petr Kvapil, ředitel Photon Water Technology. Jaroslav Nosek k tomu dodává, že Technická univerzita v Liberci už má připraven pokračující projekt, ve kterém se s partnery z praxe zaměří výhradně na aplikaci nově vyvinuté technologie. /Jaroslava Kočárková/
