03.12.2019
1
Wstęp do Wiedzy o Środowisku i Ekologii
Zielone Technologie i MonitoringTechnologia Chemiczna
dr inż. Paweł Kubica
Bilans wody
2
• Pod pojęciem ochrony wód rozumie się:▫ zespół środków technicznych, ekonomicznych i administracyjnych
• Cel:▫ ochrona wód powierzchniowych, podziemnych, wód kontynentalnych,
śródlądowych i morskich przed zanieczyszczeniem
• Ochrona wód jest częścią problemu ochrony środowiska
03.12.2019
2
Bilans wody
3
• Ilości wody zużywane w przemyśle chemicznym są ogromne np.:▫ do wyprodukowania 1t amoniaku potrzeba 200 t wody
▫ 1t sody kalcynowanej (węglan sodu) – w zależności od pory roku 150-190t
▫ 1t papieru – 700t
▫ 1t włókien syntetycznych – 1000t
▫ 1t kauczuku syntetycznego – 1000t
▫ 1t suchej masy roślinnej – 500t
▫ 1kg streptomycyny – 2t
Bilans wody
4
• Czystość wody:• wskaźniki fizyczne
▫ temperatura, barwa, zapach, mętność, smak
• wskaźniki chemiczne▫ odczyn pH, utlenialność, BZT5 - biochemiczne pięciodobowe zużycie tlenu,
chemiczne zużycie tlenu, twardość, zasadowość▫ zawartość: związków azotu, chlorków, siarczanów, żelaza, manganu, fluoru,
gazów rozpuszczonych w wodzie, pierwiastków śladowych, substancjitrujących
▫ sucha pozostałość i strata po prażeniu
• wskaźniki biologiczne - zawartość bakterii w objętości próbki wody.
03.12.2019
3
Klasyfikacja wód powierzchniowych
5
• 27 listopada 2002r. Rozporządzenie ministra środowiska.▫ Ustala się trzy kategorie jakości wody:
▫ kategoria A1 - woda wymagająca prostego uzdatniania fizycznego, wszczególności filtracji oraz dezynfekcji;
▫ kategoria A2 - woda wymagająca typowego uzdatniania fizycznego ichemicznego, w szczególności utleniania wstępnego, koagulacji, flokulacji,dekantacji, filtracji, dezynfekcji (chlorowania końcowego)
▫ kategoria A3 - woda wymagająca wysokosprawnego uzdatniania fizycznego ichemicznego, w szczególności utleniania, koagulacji, flokulacji, dekantacji,filtracji, adsorpcji na węglu aktywnym, dezynfekcji (ozonowania i chlorowaniakońcowego)
Ocena stopnia zanieczyszczenia
6
• Klasyfikacja wód powierzchniowych▫ (Dz. U. Nr 32, poz.284, 16 marca 2004r. rozporządzenie ministra środowiska)
• klasa I — wody o bardzo dobrej jakości:▫ uzdatnianie sposobem właściwym dla kategorii A1
• klasa II — wody dobrej jakości:▫ uzdatnianie sposobem właściwym dla kategorii A2
• klasa III — wody zadowalającej jakości▫ uzdatnianie sposobem właściwym dla kategorii A2
• klasa IV — wody niezadowalającej jakości:▫ uzdatnianie sposobem właściwym dla kategorii A3
• klasa V — wody złej jakości
03.12.2019
4
Organoleptyczne właściwości wody
7
• Mętność
• Kolor
• Zapach
• Smak
Mętność
8
• Mętność
▫ Zmętnienie odnosi się do tego, jak czysta jest woda
▫ Im większa ilość całkowitej zawiesiny w wodzie tym jest ona ciemniejsza i tymwyższa zmierzona mętność
• Co powoduje mętność wody?▫ glina▫ muł▫ drobno rozdrobniona materia organiczna i nieorganiczna▫ rozpuszczalne kolorowe związki organiczne▫ plankton▫ organizmy mikroskopijne
03.12.2019
5
Źródła mętności
9
• Głównym źródłem zmętnienia w strefie otwartych wód większości jeziorjest zazwyczaj fitoplankton
• Bliżej brzegu cząstki wpływająca na mętność to▫ gliny i muły z erozji linii brzegowej▫ zawieszone osady denne▫ zanieczyszczenia organiczne ze strumieni i/lub zrzutów ścieków
• Wysokie poziomy zmętnienia przez krótki czas mogą być nieznaczące, a nawetmogą stanowić mniejszy problem niż niższy poziom zmętnienia, który utrzymujesię dłużej.
Wpływ mętności
10
• Główny efekt może być po prostu estetyczny▫ ludzie nie lubią wyglądu brudnej wody.
• Jednak zmętnienie powoduje także realne koszty uzdatniania wodypowierzchniowej do wody pitnej▫ zmętnienie musi zostać wyeliminowane, aby mogła nastąpić skuteczna
dezynfekcja (zwykle chlorem w różnych postaciach).
• Cząstki stałe (zawieszona materia) zapewniają także miejsca przyłączania▫ metali ciężkich, takich jak kadm, rtęć i ołów▫ toksycznych zanieczyszczeń organicznych, takich jak PCB, WWA i wiele
pestycydów
03.12.2019
6
Jak zmierzyć mętność?
11
• Nefelometryczne jednostki mętności (NJM), ang. Nefelometric turbidityunits (NTU)
• Są to jednostki, których używa się do pomiaru mętności. Terminnefelometryczny odnosi się do sposobu, w jaki urządzenie mierzy światłorozproszone przez zawieszone cząstki w wodzie.
• Efekt Tyndalla
• Nefelometr jest również nazywany mętnościomierzem
Jak zmierzyć mętność?
12
• Miernik mętności mierzy mętność próbki wody
• Miernik jest kalibrowany przy użyciu standardowych próbek odproducenta miernika
• Zdjęcie z trzema szklanymi fiolkami pokazuje wzorce zmętnienia 5, 50 i500 NTU. Po skalibrowaniu miernika do prawidłowego odczytu tychstandardów można użyć do zmierzenia mętności próbki wody
03.12.2019
7
Wzorce mętności
13
• Formazyna
• Zawieszona glina
formazyna
heksametylenotetraamina(urotropina)
Krążek Secchiego
14
• Wlej próbkę wody do cylindra• Krążek przestanie być widoczny, gdy patrzysz bezpośrednio przez
kolumnę wody.• Obróć cylinder, patrząc w dół na obraz, aby zobaczyć, czy można
wyróżnić czarno-białe obszary• Technika zależna od wykonującego pomiar
03.12.2019
8
Kolor wody
15
• Kolor to parametr optyczny polegający na absorpcji części widmapromieniowania widzialnego przez substancje rozpuszczone w wodzie
• Substancje koloidalne i cząsteczki zawiesiny obecne w wodzie lubściekach też mogą absorbować światło
• Kolor w wodzie może pojawić się w wyniku działania różnych źródeł
• Źródła naturalne:▫ rodzaj roślinności▫ rozkład materii roślinnej▫ substancje humusowe▫ wzrost glonów▫ minerały (żelazo, mangan i miedź)
Kolor wody
16
• Wody naturalne mają żółtozielony kolor
• Wody wypływające z terenów podmokłych i leśnych, bogate wsubstancje humusowe, są żółtawo-brązowe
• Jednym z głównych czynników wpływających na kolor naturalnej wodyjest pH.
• Typy kolorów:▫ Widoczny kolor jest spowodowany kolorowymi zawiesinami i rozpuszczoną materią
▫ Prawdziwy kolor odróżnia się od koloru widocznego przez filtrowanie próbki
Prawdziwy kolor występuje głównie w wodach powierzchniowych, chociaż wody gruntowe mogązawierać trochę koloru, jeśli warstwa wodonośna przepływa przez warstwę roślinności
03.12.2019
9
Kolor wody
17
• Nie ma bezpośredniego związku między kolorem a efektamizdrowotnymi
• Kolor wody jest zwykle jedynie problemem estetycznym, zarówno wwodzie pitnej, jak i ściekach
• Kolor wody może być również wskaźnikiem toksyczności i może plamićtekstylia i elementy wyposażenia
▫ Może to wynikać z obecności kolorowych substancji organicznych, metali (Fe,Mg i Cu) lub odpadów przemysłowych
▫ Większość użytkowników wody (domowych lub przemysłowych) zwykle woliwodę bezbarwną.
Jak zmierzyć kolor wody?
18
• Jednostką koloru jest kolor rozwinięty w 1 dm3 wody destylowanejprzez:
▫ 1 mg rozpuszczonej heksachloroplatyny potasu (IV) (K2PtCl6)
▫ z dodatkiem 0,5 mg kobaltu (chloran kobaltu (II) CoCl2 · 6H2O)
• Limity koloru wody:▫ woda pitna - nie może przekraczać 20 mg (Pt) / dm3
▫ woda gruntowa - nie powinna przekraczać 25 mg (Pt) / dm3
▫ woda powierzchniowa - powinna mieć prawdziwy kolor
03.12.2019
10
Smak i zapach wody
19
• Smak i zapach są zwykle wzajemnie powiązane
• Związki w wodzie, które są postrzegane jako nadające jej smak, są naogół substancjami nieorganicznymi obecnymi w stężeniach znaczniewyższych niż zanieczyszczenia organiczne
• Nieorganicznymi substancjami chemicznymi, które mogą wpływać nasmak, ale nie powodować żadnego zapachu, są sól, minerały, metale
▫ Stężenie soli w wodzie powinno być w przybliżeniu takie samo jak w ślinie, abywoda miała neutralny smak
Smak i zapach wody
20
• Spośród jonów, które mogą być obecne w wodzie:
▫ żelazo można próbować w wodzie destylowanej o stężeniu około 0,05 mg/dm3
▫ miedź przy około 2,5 mg/dm3
▫ manganie około 3,5 mg/dm3
▫ cynku około 5 mg/dm3
• W szczególności podejrzewa się, że żelazo wpływa w praktyce na smakwody.
03.12.2019
11
Smak i zapach wody
21
• Kilka nieorganicznych substancji chemicznych może powodowaćproblemy smakowe i zapachowe▫ Są to amoniak, chlor i siarkowodór
• Organiczne zwykle zwykle wpływają zarówno na smak, jak i zapach
▫ substancje humusowe▫ kwasy hydrofilowe▫ kwasy karboksylowe▫ peptydy i aminokwasy▫ węglowodany▫ węglowodory▫ produkty rozpadu biologicznego▫ produkty ropopochodne i pestycydy
Temperatura wody
22
• Temperatura ma duży wpływ na aktywność biologiczną i wzrost
• Wzrost temperatury prowadzi do:▫ Zmniejszenia ilość rozpuszczonego tlenu (ang. DO, dissolved oxygen)
▫ wzrost biochemicznego zapotrzebowania na tlen (BZT)▫ przyspieszenie nitryfikacji i utleniania amoniaku do azotanów (III) i (V), które
ostatecznie prowadzą do deficytu tlenu w wodzie
03.12.2019
12
Temperatura wody
23
• Wzrost temperatury wody o 10°C prawie podwaja szybkość reakcjichemicznych i biologicznych zachodzących w wodzie
• Wyższa temperatura zwiększa również toksyczność wielu substancji(pestycydy, metale ciężkie) i podatność organizmów na substancjetoksyczne
• Organizmy (w tym ryby) są również wrażliwe na temperaturę, ponieważmuszą migrować przez zmieniające się strefy temperaturowe. Nagłezmiany temperatury dotykają ryb bardziej niż skrajności.
pH wody
24
• pH wody ma kluczowe znaczenie dla organizmów żywych, procesówbiochemicznych i przemysłowego zużycia wody
• pH jest wskaźnikiem istnienia biologicznego życia
• większość z organizmów rozwija się w dość wąskim i krytycznym zakresiepH.
• W zbyt kwaśnych lub zbyt zasadowych wodach życie biologicznewymiera
• Niskie pH wody przyspiesza wypieranie metali ciężkich z osadów
03.12.2019
13
Ścieki. Powstawanie ścieków
25
• Ścieki to mieszanina zużytej wody oraz różnego rodzaju substancjipłynnych, stałych, gazowych, radioaktywnych oraz ciepła usuwanych zterenów miast i zakładów przemysłowych
• Ścieki w ogólnej swej masie zawierają przede wszystkim wodę, którejilość dochodzi nawet do 99,9%
• Same więc zanieczyszczenia stanowią w istocie niewielki procent ścieków
Ścieki
26
• W zależności od pochodzenia rozróżnia się ścieki:▫ miejskie i bytowo-gospodarcze
▫ rolnicze
▫ przemysłowe: ścieki technologiczne (podprocesowe)
wody chłodnicze
ścieki kopalniane (wody dołowe najczęściej silnie zasolone do 150g NaCl /dm3)
03.12.2019
14
Ocena stopnia zanieczyszczenia
27
Przemysł
Zawartość ścieków
nawozów sztucznych
azotany, węglany, siarczany, siarkowodór, fenol
paliwowo-energetyczny
detergenty, ropa i ropopochodne, smary
metalurgiczny związki metali ciężkich (Pb, Hg, Cr) chemiczny kwasy, zasady, mało tlenu celulozowo-papierniczny
chlorki sodu i wapnia, węglan wapnia
spożywczy związki organiczne, kwas np. mlekowy, mało tlenu
tekstylny, garbarski związki organiczne, barwniki, fenole, metale ciężkie, mało tlenu
elektrownie ciepło kopalnie sole mineralne
% udział ścieków
28
ścieki przemysłowe i komunalne km3 %
ogółem 8,98 100
wody chłodnicze 6,86 76
wody wymagające oczyszczania 2,12 24
w tym oczyszczone 1,93 91
nieoczyszczone 0,19 9
03.12.2019
15
Oczyszczanie ścieków
29
• Oczyszczanie ścieków▫ jest to usuwanie ze ścieków zawartych w nich zanieczyszczeń w celu
zminimalizowania ich szkodliwego oddziaływania na wody powierzchniowelub grunty.
• Zespół urządzeń i obiektów służących do oczyszczania ścieków nosinazwę oczyszczalni ścieków
Oczyszczanie ścieków
30
• Stosuje się cztery stopnie oczyszczania ścieków:▫ Oczyszczanie mechaniczne i chemiczne
▫ Oczyszczanie biologiczne (złoża biologiczne, komory osadu czynnego orazkomory fermentacyjne
▫ Usuwanie związków biogennych (azotu i fosforu)▫
▫ Proces odnowy wody
• Przeróbka i unieszkodliwianie osadów ściekowych
03.12.2019
16
Oczyszczanie ścieków - mechaniczne
31
• Wydzielanie ciał stałych (kraty, sita)
• Usuwanie zawiesin opadających▫ piaskowniki▫ osadniki wstępne
Schemat osadnika wstępnego o przepływie poziomym
Oczyszczanie ścieków - mechaniczne
32
• Odtłuszczanie ścieków
03.12.2019
17
Oczyszczanie ścieków - chemiczne
33
• Metody chemiczne oczyszczania ścieków▫ Koagulacja i nawapnianie ścieków – powyżej 50ºC
• Koagulanty:▫ chlorki i siarczany żelazowe i żelazawe, siarczan glinu oraz wapno (węglan
wapnia, tlenek wapnia, woda wapienna)
Al2(SO4)318H2O + 6H2O 2 Al(OH)3 + 3H2SO4 + 18H2O
FeCl36H2O + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl + 6H2O
Oczyszczanie ścieków - chemiczne
34
• Usuwanie fosforanów.▫ Fosfor można usuwać w różnych miejscach ciągu technologicznego
oczyszczalni ścieków▫ wstępne w osadniku,▫ równoczesne – z biologicznym oczyszczaniem▫ wtórne – po biologicznym oczyszczaniu.
• Sole glinu, żelaza i wapnia powodują tworzenie i wytrącanie praktycznienierozpuszczalnych fosforanów
Al2(SO4)318H2O + 2PO43- 2 AlPO4 + 3SO4
2- + 18H2O
Al2(SO4)318H2O + 6H2O 2 Al(OH)3 + 3H2SO4 + 18H2O
FeCl36H2O +2PO43- FePO4 + 3Cl- + 6H2O
FeCl36H2O + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl + 6H2O
03.12.2019
18
Oczyszczanie ścieków - chemiczne
35
• Zobojętnianie ścieków przemysłowych▫ ścieki kwaśne zobojętnia się:
mieszając ścieki kwaśne z zasadowymi neutralizując je chemikaliami przepuszczając przez złoża zasadowe, filtry wypełnione np.CaCO3, MgO wpuszczając je do stawów aeracyjnych
rozcieńczając je wodą rzeczną o odczynie ekko zasadowym lub nawetobojętnym.
▫ ścieki o odczynie zasadowym: przez przepuszczanie przez nie gazów spalinowych przez neutralizację kwasami przez przesączenie ich przez filtr gruntowy
Oczyszczanie ścieków - biologiczne
36
• Biologiczne oczyszczanie ścieków w środowisku wodnym
• We wszystkich metodach biologicznego oczyszczania ścieków zachodząnastępujące procesy:▫ rozkład substancji organicznych do CO2, H2O i NH3▫ nitryfikacja, czyli utlenienie NH3 za pomocą mikroorganizmów (bakterii) do
azotynów, a następnie do azotanów▫ denitryfikacja, czyli przemiana azotanów do postaci azotu cząsteczkowego N2
03.12.2019
19
Oczyszczanie ścieków - biologiczne
37
• Amonifikacja▫ N2 + mikroorganizmy heterotroficzne -> NH3/NH4
+
• Nitryfikacja, czyli utlenienie NH3 za pomocą bakterii Nitrosomonas doazotynów, a następnie za pomocą bakterii Nitrobacter do azotanów
NH4+ + 1,5O2 NO2
- + 2H+ + H2ONO2
- + 0,5O2 NO3-
• Denitryfikacja▫ usuwanie azotanów ze ścieków za pomocą mikroorganizmów
4NO3- + 5[CH2O] + 4H+ 2N2 + 5CO2 + 7H2O10[H] + 2H+ + 2NO3
- N2 + 6H2O
Oczyszczanie ścieków - biologiczne
38
03.12.2019
20
Oczyszczanie ścieków - biologiczne
39
• Mikroorganizmy, stosowane w oczyszczaniu ścieków mogą występowaćjako skupisko w postaci błony biologicznej lub osadu czynnego.
• Biologiczne oczyszczanie ścieków zachodzi w:
▫ komorach napowietrzania z osadem czynnym
▫ na złożach biologicznych
▫ glebie
▫ stawach biologicznych (stabilizacyjnych, napowietrzanych, rybnych)
Oczyszczanie ścieków - biologiczne
40
• Schemat stopnia oczyszczania biologicznego w komorachnapowietrzania z osadem czynnym
03.12.2019
21
Oczyszczanie ścieków - biologiczne
41
• Oczyszczanie ścieków na złożach biologicznych• Złoża biologiczne są zbiornikami wypełnionymi luźno ułożonym
materiałem ziarnistym i porowatym• Rodzaje wypełnień:
▫ naturalne: materiał pobrany z dna rzek kruszywa – żużel, koks, kamienie
▫ Sztuczne kształtki z polistyrenu, PCW, poliamidu itp..
• Najważniejszą warstwą w złożu jest błona biologiczna.
Oczyszczanie ścieków - biologiczne
42
• Zbiorniki osadowe
03.12.2019
22
Biomonitoring – jak sprawdzić jakość wody
43
• Biomonitoring – obserwacje, zazwyczaj długoterminowe, zmierzające dooceny stanu zanieczyszczeń wody na podstawie obecności, liczebności izachowania organizmów żywych (gatunki wskaźnikowe)
• W ocenie czystości wody używane są:▫ ryby▫ małże słodkowodne▫ owady wodne
• Pełnią one rolę bioindykatorów
Biomonitoring – bioindykator
44
• Bioindykator to gatunek wskaźnikowy▫ o wąskim zakresie tolerancji wobec wybranych czynników ograniczających
• Cechy dobrego bioindykatora:▫ występowanie w określonym środowisku▫ długi cykl życiowy▫ powszechność występowania▫ duża populacja▫ łatwość oznaczania (obserwacji)
03.12.2019
23
Biomonitoring – bioindykator
45
• Oczyszczalnia w Straszynie
• Biomonitoring oparty jest na pomiarze zachowania małżysłodkowodnych z gatunku skójka zaostrzona (Unio tumidus)▫ Małże spełniają wszystkie wymagania stawiane organizmom wskaźnikowym, a w
porównaniu z innymi wykazują wiele korzystnych cech.
▫ Organizmy te dzięki swej wrażliwości, na mogące pojawić się w wodzie związkitoksyczne reagują nagłym całkowitym zamknięciem muszli
Biomonitoring – bioindykator
46
• Oczyszczalnia w Straszynie
• Biomonitoring działa w wyniku połączeniabiologii i elektroniki. Zachowanie małżyżyjących w akwarium i odżywiających sięsubstancjami zawartymi w wodzie, jestmonitorowane za pomocą specjalnychczujników.
• Ich zachowanie przekłada się na impulsyelektryczne, rejestrowane przez komputer.
• W sytuacji pojawienia się zanieczyszczenianastępuje natychmiastowa sygnalizacjazdarzenia.
03.12.2019
24
Biomonitoring – bioindykator
47
• Alarmy programowe podzielono na cztery rodzaje:▫ alarm czerwony – gwałtowne zamknięcie dużej grupy małży▫ alarm żółty – zamknięcie licznej grupy małży w dłuższym czasie▫ ostrzeżenie zielone – zamknięcie grupy małży w określonym czasie,
niekwalifikujące się do wygenerowania alarmów czerwonego lub żółtego▫ ostrzeżenie niebieskie – zamknięcie określonej grupy małży bez warunku
czasowego dla zebrania grupy
Top Related