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