ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΒΟΗΘΗΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΣΤΗ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΒΟΗΘΗΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ Μάριος Τσέζος Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αρτίν Χατζηκιοσεγιάν Χημικός Μηχανικός Ε.Μ.Π., M.Sc., Ph.D ΑΘΗΝΑ 212

2

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΟΡΙΣΜΟΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Ο ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΚΑΙ Η ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΦΥΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΙΟΤΗΤΟΣ ΥΔΑΤΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ (Suspended Solids) ΘΟΛΕΡΟΤΗΤΑ (Turbidity) ΧΡΩΜΑ (Colour) ΓΕΥΣΗ ΚΑΙ ΟΣΜΗ (Taste and Odour) ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (Temperature) ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΧΗΜΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΟΣ ΓΙΝΟΜΕΝΑ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΟΛΙΚΑ ΔΙΑΛΕΛΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ (Total Disolved Solids) ΜΕΤΑΛΛΑ (Metals) ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (Organics) ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ (Nutrients) ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΝΕΡΟΥ ΠΑΘΟΓΟΝΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΑΠΤΗΞΗΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΚΑΜΠΥΛΗ ΑΝΑΠΤΗΞΗΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΕΙΔΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ / ΜΟΡΦΕΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ MONOD ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (BOD) ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (COD) ΑΣΚΗΣΕΙΣ Άσκηση Άσκηση Άσκηση Άσκηση Άσκηση Άσκηση ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΑΝΟΡΓΑΝΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΤΥΠΟΙ ΚΑΘΙΖΗΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΔΙΑΚΡΙΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ (ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΤΥΠΟΥ Ι) ΣΥΝΟΠΤΙΚΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

4 5.3. ΑΣΚΗΣΗ ΠΡΩΤΟΒΑΘΜΙΑ ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΚΑΘΙΖΗΣΗ ΤΥΠΟΥ ΙΙ ΣΥΝΟΠΤΙΚΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΑΣΚΗΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΔΕΞΑΜΕΝΩΝ ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΙΛΥΟΣ ΑΠΟ ΔΕΞΑΜΕΝΕΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΙΛΥΟΣ ΠΑΧΥΝΣΗ ΜΕΣΩ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ (GRAVITY THICKENING) Ιδιότητες βιολογικής λάσπης (ιλύος) από μονάδες ενεργού ιλύος Κριτήρια σχεδιασμού δεξαμενών καθίζησης ενεργού ιλύος Οι βασικές αρχές της θεωρίας της ροής (flux theory) ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΤΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ (BIOLOGICAL REACTOR MODELS) Αντιδραστήρες ασυνεχούς ροής / διαλείποντος έργου (batch reactors) Άσκηση Αντιδραστήρες πλήρους ανάμιξης συνεχούς ροής (CSTR) χωρίς ανακύκλωση στερεών (without recycle) Αντιδραστήρες πλήρους ανάμιξης συνεχούς ροής με ανακύκλωση στερεών (well-mixed reactors with recycle) Άσκηση ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΙΞΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΠΑΧΥΝΤΗ ΔΙΑΥΓΑΣΗΣ ΝΕΡΟΥ Αντιδραστήρας εμβολικής ροής με ανακυκλοφορία βιολογικών στερεών (continuous plug flow reactor with solids recycle) Σύγκριση βιολογικων αντιδραστήρων... 96

5 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 1.1. ΟΡΙΣΜΟΙ Η ενασχόληση του μηχανικού με θέματα που άπτονται της τεχνολογίας προστασίας του περιβάλλοντος προϋποθέτει την σωστή κατανόηση της δομής και της λειτουργίας των οικοσυστημάτων. Αναλυτικότερη παρουσίαση των αντίστοιχων πληροφοριών έχει γίνει σε μάθημα προηγουμένου εξαμήνου το οποίο έχει ως αντικείμενο την εισαγωγή στις έννοιες της Περιβαλλοντικής Μηχανικής (Environmental Engineering). Είναι απαραίτητο να επαναφέρουμε μερικούς βασικούς ορισμούς ως συνδέσμους με την ύλη του προηγουμένου μαθήματος. Περιβάλλον : Το σύνολο εξωτερικών παραγόντων και συνθηκών το οποίο επηρεάζει ζώντες οργανισμούς καθ οιονδήποτε τρόπο. Το περιβάλλον περιλαμβάνει έμβιες και μη οντότητες. Οικοσύστημα: Λειτουργούσα μονάδα του περιβάλλοντος η οποία περιλαμβάνει όλους τους ζώντες οργανισμούς, τους φυσικούς παράγοντες, καθώς και τις αλληλοεπιδράσεις των μέσα σε μια ορισμένη γεωγραφική περιοχή-χώρο (π.χ. λίμνη, έρημος, κλπ). Τα γεωγραφικά όρια δύναται να είναι πολύ περιορισμένα (μικροοικοσυστήματα) ή πολύ εκτεταμένα (π.χ. ολόκληρος ο πλανήτης). Τα οικοσυστήματα περιέχουν ως συστατικά: (α) Έμβια Συστατικά (Biotic Components). (β) Μη ζώντα συστατικά (Abiotic Components). Τα έμβια συστατικά ενός οικοσυστήματος διαχωρίζονται σε: (1) Παραγωγούς Τροφής (Συνθέτουν μόνοι τους την τροφή τους). (2) Καταναλωτές (Χρησιμοποιούν παραγωγούς οργανισμούς ως τροφή). Οι καταναλωτές ιεραρχούνται ανάλογα με το είδος της τροφής τους, στις ακόλουθες κατηγορίες: Χορτοφάγοι οργανισμοί (Herbivores) Σαρκοφάγοι οργανισμοί (Carnivores) Ανώτεροι Σαρκοφάγοι οργανισμοί (Higher Carnivores) Παμφάγοι οργανισμοί (Omnivores) Υπολειμματοφάγοι οργανισμοί (Detritus Feeders) Τα έμβια μέλη ενός οικοσυστήματος οργανώνονται σε Τροφικές Αλυσίδες 5

6 Τροφική Αλυσίδα: Σειρά τροφικά αλληλεξαρτημένων οργανισμών. Στη βάση μιας τροφικής αλυσίδας συνήθως βρίσκονται παραγωγοί οργανισμοί. Στο Περιβάλλον λειτουργούν πολλοί φυσικοί κύκλοι τους οποίους ήδη έχουμε παρουσιάσει αναλυτικά όπως οι ακόλουθοι: Κύκλος του νερού Κύκλος του Ανθρακος Κύκλος του Αζώτου κλπ Κύρια πηγή ενέργειας που τροφοδοτεί την λειτουργία των διεργασιών της φύσης είναι η ηλιακή ακτινοβολία ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Ρυπαντές: Φυσικές, χημικές ή βιολογικές οντότητες των οποίων η συγκέντρωση υπερβαίνει την μέση τιμή της φυσικής τους συγκέντρωσης στο περιβάλλον ενός οικοσυστήματος. Ο προσδιορισμός της ποιότητος του περιβάλλοντος γίνεται μέσω της μέτρησης σειράς παραμέτρων. Τα προβλήματα ρύπανσης του περιβάλλοντος, τελικά, συνήθως καταλήγουν σε προβλήματα ρύπανσης υδάτων (π.χ. όξινη βροχή) 1.3. Ο ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΚΑΙ Η ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Λόγω της ιδιαίτερης σημασίας του νερού στην Περιβαλλοντική Μηχανική συνοψίζονται κατωτέρω μερικά βασικά χαρακτηριστικά του υδρολογικού κύκλου. Το νερό είναι μία από τις αφθονότερες ενώσεις στη φύση, που καλύπτει σχεδόν τα 3/4 της επιφάνειας της γης. Παρά τη φανερή αφθονία πολλοί είναι οι παράγοντες που περιορίζουν την ποσότητα του νερού η οποία είναι διαθέσιμη για ανθρώπινη χρήση. Περισσότερο από το 97% της συνολικής ποσότητας του νερού περιέχεται στους ωκεανούς, στις αλμυρές λίμνες και θάλασσες, πράγμα που το καθιστά ακατάλληλο για πολλές χρήσεις. Από το υπόλοιπο 3% λίγο περισσότερο από το 2% ευρίσκεται δεσμευμένο σαν πάγος στα πολικά παγόβουνα και, σαν υγρασία στην ατμόσφαιρα και στο χώμα. Το ποσοστό αυτό επίσης δεν είναι εύκολα διαθέσιμο. Έτσι, οι κοινωνίες για τη ζωή και για τις διάφορες τεχνικές και αγροτικές δραστηριότητες εξαρτώνται κυρίως από το υπολειπόμενο περίπου.6% του νερού που βρίσκεται σε λίμνες, ποτάμια καθώς και σε σχετικά εύκολα εκμεταλλεύσιμους υδροφόρους ορίζοντες μέσα στο υπέδαφος. Το νερό βρίσκεται σε διαρκή κίνηση στον υδρολογικό κύκλο. Το ατμοσφαιρικό νερό συμπυκνώνεται και πέφτει στη γη σαν βροχή, χιόνι ή με κάποιες άλλες μορφές κατακρήμνισης. 6

7 Όταν φτάσει στην επιφάνεια της γης, το νερό ρέει σε ποτάμια, λίμνες και ωκεανούς ή διηθείται μέσα στο χώμα στους υδροφόρους ορίζοντες που τελικά καταλήγουν σε επιφανειακά νερά. Μέσω της εξάτμισης από τα επιφανειακά νερά και της εξατμισοδιαπνοής (evapotranspiration) από τα φυτά, τα μόρια του νερού ξαναγυρίζουν στην ατμόσφαιρα για να επαναλάβουν τον κύκλο. Αν και η κίνηση διαμέσου ορισμένων τμημάτων του κύκλου μπορεί να είναι σχετικά γρήγορη, η πλήρης ανακύκλωση των υπόγειων υδάτων αργεί πολύ. Το νερό στη φύση είναι περισσότερο καθαρό όταν προέρχεται από εξάτμιση. Η συμπύκνωση των ατμών συνήθως χρειάζεται μία επιφάνεια ή έναν πυρήνα συμπυκνώσεως απ' όπου κατά τη διάρκεια της συμπύκνωσης το νερό μπορεί να αποκτήσει προσμίξεις. Επιπλέον προσμίξεις προστίθενται καθώς το νερό ταξιδεύει στον υπόλοιπο υδρολογικό κύκλο και έρχεται σε επαφή με διάφορα υλικά και με τον αέρα πάνω ή και κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Οι δραστηριότητες του ανθρώπου συνεισφέρουν περαιτέρω, στις προσμίξεις, με τα βιομηχανικά και οικιακά απόβλητα, τα χημικά που χρησιμοποιούνται στη γεωργία και με άλλους λιγότερο προφανείς ρυπογόνες δραστηριότητες. Αυτό που μας ενδιαφέρει περισσότερο είναι η ποιότητα του νερού στα ενδιάμεσα στάδια του υδρολογικού κύκλου δεδομένου ότι σ' αυτά τα στάδια η ποιότητα του νερού επιδρά στη δυνατότητα χρησιμοποίησης του από τον άνθρωπο. Οι προσμίξεις που έχουν συσσωρευτεί στο νερό, κατά τη διάρκεια του υδρολογικού κύκλου, καθώς και σαν συνέπεια των δραστηριοτήτων του ανθρώπου, μπορεί να βρίσκονται σε μορφή αιωρήματος ή και να είναι διαλελυμένες στο νερό. Τα αιωρούμενα υλικά αποτελούνται από σωματίδια μεγαλύτερα από το μέγεθος του μορίου και παραμένουν εν αιωρήσει μέσα στο νερό από διάφορες ανυψωτικές δυνάμεις. Τα διαλελυμένα υλικά αποτελούνται από ενυδατωμένα μόρια ή ιόντα. Τα κολλοειδή είναι πολύ μικρά σωματίδια που πρακτικά αιωρούνται, αλλά συχνά επιδεικνύουν πολλά από τα χαρακτηριστικά των διαλελυμένων ουσιών. Ως ρύπανση του νερού μπορεί να οριστεί η παρουσία στο νερό προσμίξεων σε συγκέντρωση υψηλότερη του φυσικού μέσου όρου, οι οποίες συνήθως εμποδίζουν τη χρήση του νερού για συγκεκριμένους σκοπούς. Η γνώση των παραμέτρων που συνδέονται με την επεξεργασία του νερού και των υγρών απόβλητων είναι ουσιώδης για το μηχανικό του περιβάλλοντος. Το υπόλοιπο αυτού του κεφαλαίου θα αφιερωθεί στην παρουσίαση παραμέτρων που χρησιμοποιούνται στην εκτίμηση των φυσικών, χημικών και βιολογικών χαρακτηριστικών του νερού. 7

8 1.4. ΦΥΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΙΟΤΗΤΟΣ ΥΔΑΤΩΝ Φυσικές παράμετροι (Physical Parameters) είναι τα χαρακτηριστικά εκείνα του νερού που ανταποκρίνονται στις αισθήσεις όπως της όρασης, της αφής, της γεύσης κ.λ.π. Τα αιωρούμενα στερεά, η θολερότητα, το χρώμα, η γεύση, η οσμή και η θερμοκρασία ανήκουν σ' αυτή την κατηγορία ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ (Suspended Solids) Όπως σημειώθηκε και προηγουμένως, στερεά ευρίσκονται διασκορπισμένα στο νερό είτε σε μορφή αιωρήματος είτε διαλελυμένα Τα διαλελυμένα στερεά μερικές φορές μπορούν να γίνουν αντιληπτά από τις αισθήσεις, εμπίπτουν περισσότερο στην κατηγορία των χημικών παραμέτρων και θα συζητηθούν διεξοδικότερα σε επόμενες παραγράφους. Τα χαρακτηριστικά των αιωρούμενων στερεών παρουσιάζονται κατωτέρω Στο νερό τα αιωρούμενα στερεά μπορεί να αποτελούντα από ανόργανα ή οργανικά σωματίδια ή μη αναμίξιμα υγρά. Τα ανόργανα στερεά όπως η άργιλος, η ιλύς και άλλα συστατικά του χώματος απαντώνται συχνά στα επιφανειακά νερά. Οργανικά υλικά όπως ίνες φυτών και βιολογικά στερεά (βακτηρίδια, κλπ) είναι επίσης συνήθη συστατικά των επιφανειακών νερών. Εξαιτίας της δράσης του χώματος ως φίλτρου, τα υπόγεια νερά σπάνια περιέχουν αιωρούμενα στερεά. Αιωρούμενα στερεά μπορούν να προκύψουν και από την ανθρώπινη χρήση του νερού. Τα αστικά υγρά απόβλητα περιέχουν σημαντικές ποσότητες αιωρούμενων στερεών, κυρίως οργανικής φύσεως. Από τη βιομηχανική χρήση του νερού, είναι δυνατόν να προκύψει μεγάλη ποικιλία αιωρούμενων προσμίξεων, οργανικής η ανόργανης φύσης. Μη αναμίξιμα οργανικά υγρά όπως λάδια και λιπαντικά αποτελούν επίσης συνήθη αιωρούμενα συστατικά των υ- γρών αποβλήτων. Η παρουσία αιωρούμενων στερεών δεν είναι αποδεκτή στο νερό για πολλούς λόγους. Πρώτα απ' όλα είναι θέμα αισθητικής και δεύτερον προσφέρουν θέσεις για την προσρόφηση α- νεπιθύμητων χημικών και βιολογικών παραγόντων. Αιωρούμενα οργανικά στερεά μπορούν να αποικοδομηθούν βιολογικά με πιθανότητα να δημιουργηθούν ανεπιθύμητα παραπροϊόντα. Βιολογικώς ενεργά αιωρούμενα στερεά μπορούν να περιέχουν μικροοργανισμούς που προκαλούν ασθένειες ή και μικροοργανισμούς (π.χ. φύκη) που παράγουν ανεπιθύμητες ουσίες. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τη μέτρηση των αιωρούμενων στερεών. Οι περισσότερες είναι σταθμικές μέθοδοι που σχετίζονται με τη μέτρηση της μάζας του υπολείμματος κατάλ- 8

9 ληλης επεξεργασίας του δείγματος. Η μέτρηση των Ολικών Στερεών (Total Solids) μετράει όλα τα στερεά στο νερό (οργανικά και ανόργανα) είτε είναι αιωρούμενα είτε διαλελυμένα. Αυτή η μέτρηση γίνεται με την πλήρη εξάτμιση του δείγματος, ξήρανση και ζύγιση του υ- πολείμματος. Η ολική ποσότητα του στερεού υπολείμματος εκφράζεται συνήθως σε mg/l. Για τον ορθό προσδιορισμό της ξηρής μάζας απαιτείται θερμοκρασία ξήρανσης ελαφρά πάνω από το σημείο βρασμού του νερού (14 C) ώστε να απομακρυνθεί ακόμα και το νερό που έχει προσροφηθεί πάνω στην επιφάνεια σωματιδίων ενώ μία θερμοκρασία γύρω στους 18 C είναι απαραίτητη για να εξατμίσει και το απορροφηθέν από τα αιωρούμενα στερεά νερό. Τα περισσότερα αιωρούμενα στερεά μπορούν να απομακρυνθούν από το νερό με διήθηση. Έτσι, η συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών, σε ένα δείγμα νερού, μπορεί να υπολογισθεί προσεγγιστικά διηθώντας το νερό, ξηραίνοντας το φίλτρο με τα στερεά στους 14 C, και μετρώντας τη μάζα του στερεού υπολείμματος που παρέμεινε στο φίλτρο. Τα αποτελέσματα της μέτρησης των ολικών αιωρούμενων στερεών (Total Suspended Solids) εκφράζονται ως ξηρή μάζα ανά μονάδα όγκου δείγματος(π.χ. mg/l) Το ποσό των Ολικών Διαλελυμένων Στερεών (Total Dissolved Solids) που διαπερνά το φίλτρο και εκφράζεται ως μάζα ανά μονάδα όγκου διαλύματος(π.χ. mg/l) αποτελεί τη διαφορά μεταξύ των ολικών στερεών και των αιωρούμενων στερεών που περιέχονται σε ένα δείγμα νερού. Πρέπει να σημειωθεί ότι η διήθηση του νερού δε διαχωρίζει ακριβώς τα στερεά σε αιωρούμενα και διαλελυμένα σύμφωνα με τους ορισμούς που παρουσιάσθηκαν. Μερικά κολλοειδή μπορούν να περάσουν από το διηθητικό μέσο (να μην κατακρατηθούν) και να μετρηθούν μαζί με το κλάσμα των διαλελυμένων στερεών ενώ μερικά διαλελυμένα στερεά να προσροφηθούν από το υλικό του φίλτρου και να κατακρατηθούν. Γι' αυτό το λόγο, χρησιμοποιούνται συχνά οι όροι "διηθήσιμα" (filterable) και "μη διηθήσιμα" (non filterable) στερεά. Τα διηθήσιμα στερεά περνούν από το φίλτρο μαζί με το νερό και προσομοιάζουν περισσότερο με τα διαλελυμένα στερεά, ενώ τα μη διηθήσιμα συμπεριφέρονται περισσότερο σαν τα αιωρούμενα στερεά. "Διηθήσιμα" και "μη διηθήσιμα" στερεά είναι όροι που χρησιμοποιούνται συχνότερα στις εργαστηριακές αναλύσεις, ενώ "διαλελυμένα" και "αιωρούμενα" στερεά είναι όροι που χρησιμοποιούνται συχνά, στην πράξη, στη μηχανική περιβάλλοντος. 9

10 Εφόσον τα δείγματα έχουν ξηρανθεί το οργανικό περιεχόμενο των συνολικών και των αιωρούμενων στερεών μπορεί να υπολογιστεί με θέρμανση του στερεού υπολείμματος στους 6 C για 1 hr. Το οργανικό κλάσμα (Organic Content) θα μετατραπεί σε διοξείδιο του άνθρακα, υδρατμό και άλλα αέρια και υπολογίζεται από την επακόλουθη διαφορά βάρους του ηθμού πριν και μετά την πύρωση. Το υλικό που θα παραμείνει στον ηθμό μετά την πύρωση, αποτελεί το ανόργανο κλάσμα των στερεών (τέφρα). Κατά τη μέτρηση των οργανικών αιωρούμενων στερεών, χρησιμοποιούνται φίλτρα με ίνες ύαλου ή άλλων υλικών που παραμένουν αναλλοίωτα στις αυξημένες θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται κατά τη διαδικασία της μέτρησης. Το οργανικό κλάσμα των αιωρούμενων στερεών αναφέρεται και ως πτητικό κλάσμα (Volatile solids) ΘΟΛΕΡΟΤΗΤΑ (Turbidity) Σε δείγματα από καθαρές πηγές νερού ή από παροχές πόσιμου νερού δεν γίνεται χρήση των κλασσικών σταθμικών μεθόδων της απ ευθείας μέτρησης των αιωρούμενων στερεών. Σε αυτές τις περιπτώσεις για την έμμεση μέτρηση των αιωρούμενων στερεών χρησιμοποιείται συνήθως η παράμετρος της θολερότητας. Η μέτρηση της θολερότητας ανάγεται στο κατά πόσο διερχόμενο φως απορροφάται ή σκεδάζεται από τα αιωρούμενα σωματίδια του δείγματος. Επειδή η απορρόφηση και η σκέδαση επηρεάζεται τόσο από το μέγεθος όσο και από τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του αιωρούμενου υλικού, η θολερότητα δεν αποτελεί πάντα μία άμεση ποσοτική μέτρηση των αιωρούμενων στερεών. Για παράδειγμα, ένα μικρό πετραδάκι σε ένα ποτήρι νερό δε θα προκαλούσε πρακτικά μετρήσιμη θολερότητα. Αν όμως αυτό το ίδιο πετραδάκι θρυμματιζόταν σε χιλιάδες μικρά κομμάτια μεγέθους κολλοειδούς, και κατόπιν διασπείρετο στον ίδιο, όπως προηγουμένως όγκο νερού, θα δημιουργούσε υψηλή θολερότητα. Τις περισσότερες φορές η θολερότητα των επιφανειακών νερών προκύπτει από παρουσία κολλοειδών υλικών όπως πηλός, ιλύς, κομμάτια πετρωμάτων και οξείδια μετάλλων από το χώμα. Στην θολερότητα μπορεί να συνεισφέρουν επίσης φυτικές ίνες και μικροοργανισμοί. Σαπούνια, μέσα καθαρισμού και άλλοι, γαλακτωματοποιητικοί παράγοντες προκαλούν τη δημιουργία σταθερών κολλοειδών που επίσης συμβάλλουν στη θολερότητα των φυσικών υδάτων. Η τελική διάθεσή επεξεργασμένων η μη υγρών αποβλήτων σε φυσικούς αποδέκτες έχει τη δυνατότητα να αυξήσει την θολερότητα του νερού των αποδεκτών. 1

11 Το κολλοειδές υλικό, που σχετίζεται με τη θολερότητα, παρέχει και θέσεις προσρόφησης για χημικές ουσίες, που μπορεί να είναι βλαβερές ή να προκαλούν δυσάρεστες γεύσεις και ο- σμές, αλλά και για μικροοργανισμούς που ίσως να είναι επικίνδυνοι. Στα φυσικά υδάτινα σώματα (ποτάμια, λίμνες κλπ.) η θολερότητα μπορεί να προσδώσει καφέ ή άλλο χρώμα στο νερό. Το χρώμα εξαρτάται από τις ιδιότητες απορρόφησης του φωτός των αιωρούμενων στερεών, που την προκαλούν, επηρεάζει την διείσδυση του ηλιακού φωτός στο νερό και παρεμβαίνει στην διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Η θολερότητα μετράται φωτομετρικά καθορίζοντας το ποσοστό φωτός, γνωστής έντασης, που απορροφάται ή διαθλάται. Η αρχική συσκευή μέτρησης, η οποία λέγεται Θολόμετρο Jackson, βασιζόταν στην απορρόφηση του φωτός ενός καθορισμένου προτύπου κεριού σε μια συγκεκριμένη διάταξη μέτρησης. Το κερί είναι τοποθετημένο μέσα σε μία μαύρη μεταλλική θήκη έτσι ώστε το φως του κεριού να είναι ορατό μόνο από την επάνω πλευρά της συσκευής. Το δείγμα του νερού του οποίου μετράται η θολερότητα προστίθεται αργά στον σωλήνα δείγματος της συσκευής μέχρι το ύψος που το φως του κεριού να μην είναι πλέον ορατό από τον παρατηρητή, δηλαδή να υπάρχει ολική απορρόφηση του φωτός από τον όγκο του υγρού δείγματος. Ο γυάλινος σωλήνας είναι βαθμονομημένος σύμφωνα με την θολερότητα πρότυπων αιωρημάτων διοξειδίου του πυριτίου (SiO 2 ) και από τον όγκο του δείγματος στον σωλήνα της συσκευής υπολογίζεται η θολερότητα του υπό εξέταση δείγματος. Μια μονάδα θολερότητας του Jackson (JTU = Jackson Turbidity Unit) αντιστοιχούσε στη θολερότητα που παράγεται από 1 mg SiO 2 αιωρούμενου σε 1 L απεσταγμένου νερού. Η συσκευή Jackson έχει αντικατασταθεί από ένα νέου τύπου μετρητή θολερότητας στον ο- ποίο πρότυπη πηγή φωτός παράγει δέσμη φωτός που διέρχεται μέσα από ένα μικρό διαφανές φιαλίδιο στο οποίο περιέχεται το προς εξέταση δείγμα. Ενα φωτόμετρο μετράει την ένταση του διερχόμενου φωτός (από την πλευρά του φιαλιδίου που ευρίσκεται απέναντι από την πηγή του φωτός) ενώ στη θέση της διάθλασης ένα φωτόμετρο μετράει την ένταση του φωτός σε γωνία 9 από την πηγή του φωτός. Αν και οι περισσότεροι μετρητές θολερότητας που χρησιμοποιούνται σήμερα, δουλεύουν με την αρχή της διάθλασης, η θολερότητα που προκαλείται από μαύρες ουσίες, που απορροφούν περισσότερο παρά ανακλούν το φως, είναι προτιμότερο να μετράται με την τεχνική της απορρόφησης. Επαναλήψιμα αποτελέσματα βαθμονόμησης των σχετικών συσκευών δίδονται και με την χρήση τη χημικής ένωσης Formazin η οποία έχει αντικαταστήσει το SiO 2 ως στοιχείο βαθμονόμησης θολόμετρων. Τότε η βαθμονόμηση των θολόμετρων γίνεται σε μονάδες FTUs (Formazin Turbidity Units). Ο 11

12 όρος Nephelometry Turbidity Units (NTU) χρησιμοποιείται συχνά για να δείξει ότι οι μετρήσεις θολερότητας γίνονται σύμφωνα με την αρχή της διάθλασης (Νεφελομετρία). Οι μετρήσεις της θολερότητας γίνονται συνήθως σε χαμηλής ρύπανσης νερά, σε αντιπαράθεση με τα συνήθη υγρά απόβλητα. Δείγματα φυσικών νερών μπορεί να έχουν θολερότητα που ξεκινά από μερικά FTUs και φτάνει μέχρι μερικές εκατοντάδες. Τα κριτήρια ποιότητος των διεθνών οργανισμών για πόσιμο νερό καθορίζουν ως μέγιστη τιμή θολερότητας τιμές ίσες και συνήθως μικρότερες του 1 FTU ΧΡΩΜΑ (Colour) Το καθαρό νερό είναι άχρωμο. Στη φύση πολλές φορές χρωματίζεται από την παρουσία ξένων ουσιών. Το νερό του οποίου το χρώμα οφείλεται μερικώς σε αιωρούμενη ύλη, λέγεται Φαινόμενο Χρώμα (Apparent Colour).Το χρώμα που οφείλεται σε διαλελυμένα στερεά και το οποίο παραμένει μετά την απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών είναι γνωστό σαν Πραγματικό Χρώμα (True Colour). Χρώμα προστίθεται στο νερό μέσω διαφόρων φυσικών και μη οδών: Έτσι στη φύση το νερό μετά την επαφή του με φυσικά οργανικά συστατικά όπως φύλλα, χόρτα ή ξύλα, αποκτά ε- νώσεις όπως οι ταννίνες ή τα χουμικά οξέα τα οποία του δίνουν μία κίτρινο-καφέ απόχρωση. Υγρά απόβλητα από κλωστοϋφαντουργεία, βαφεία, βιομηχανίες χαρτιού, τροφίμων, χημικών, μεταλλευτικών μονάδων κλπ μπορούν επίσης να χρωματίσουν το νερό των φυσικών αποδεκτών όπου καταλήγουν. Χρωματισμός του νερού είναι δυνατός και από τη διάλυση αιώρηση οξειδίων των μετάλλων με έντονο χρώμα όπως τα οξείδια του σιδήρου κλπ. Το χρωματισμένο νερό δε είναι αισθητικά αποδεκτό. Η παρουσία χρώματος στο νερό είναι συνήθως συνδεδεμένη με νερό χαμηλής ποιότητος. Για τους περισσότερους ανθρώπους το διαυγές, άχρωμο νερό με την κατά τα άλλα ίσως χαμηλότερη ποιότητα είναι προτιμητέο, από ίσως υψηλότερης ποιότητας νερό στο οποίο υπάρχει χρώμα. Βαθιά χρωματισμένο νερό είναι ακατάλληλο και για βιομηχανικές χρήσεις. Έτσι, το χρώμα του νερού επηρεάζει την αστική και βιομηχανική χρησιμότητα του. Αν και υπάρχουν διαθέσιμες μέθοδοι μέτρησης του χρώματος, οι πλέον συνήθεις μέθοδοι μέτρησης βασίζονται στη σύγκριση του χρώματος του δείγματος με πρότυπα χρωματισμένα υλικά. Σωλήνες σύγκρισης του χρώματος που περιέχουν μία σειρά από πρότυπα έγχρωμα διαλύματα, χρησιμοποιούνται για απ' ευθείας σύγκριση με δείγματα του προς εξέταση νερού τα οποία έχουν προηγουμένως διηθηθεί ώστε να απαλλαγούν από το "φαινόμενο" χρώμα. Τα αποτελέσματα της μέτρησης του χρώματος δειγμάτων καθαρού νερού συνήθως εκ- 12

13 φράζονται σε μονάδες πραγματικού χρώματος (True Colour Units - ΤCUs) Συνήθης κλίμακα μέτρησης δημιουργείται με το χρώμα που παράγεται διαλύματα που περιέχουν λευκόχρυσο στη μορφή χλωροπλατινικών ιόντων. Για χρώματα διαφορετικά από κίτρινο-καφέ, ιδιαίτερα για χρωματισμένα νερά που προκύπτουν από βιομηχανικές απορροές, χρησιμοποιούνται ειδικές φασματοφωτομετρικές τεχνικές. Συχνά, χρησιμοποιούνται επίσης όργανα που κάνουν χρήση χρωματιστών δίσκων εναρμονισμένων με τα πρότυπα χρώματα. Βιολογικές και φυσικές μεταβολές που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης των δειγμάτων νερού μπορούν να επηρεάσουν το χρώμα του και είναι καλό τα δείγματα να εξετάζονται σύντομα μετά από τη συλλογή τους ΓΕΥΣΗ ΚΑΙ ΟΣΜΗ (Taste and Odour) Οι όροι γεύση και οσμή είναι από μόνοι τους προσδιοριστικοί των παραμέτρων. Οι αισθήσεις της γεύσης και της οσμής συνδέονται στενά και συχνά συγχέονται. Ουσίες που προσδίδουν οσμή στο νερό μπορούν σχεδόν κατά κανόνα να προσδώσουν μία γεύση. Το αντίστροφο δεν είναι πάντα δυνατόν, καθώς υπάρχουν πολλές ουσίες που παράγουν γεύση αλλά όχι οσμή. Πολλές ουσίες με τις οποίες το νερό έρχεται σε επαφή στη φύση ή κατά τη διάρκεια της ανθρώπινης χρήσης, μπορεί να δημιουργήσουν αίσθηση γεύσης ή και οσμής. Αυτές οι ουσίες περιλαμβάνουν ορυκτά, μέταλλα και άλατα του εδάφους, προϊόντα βιολογικών αντιδράσεων και συστατικά αποβλήτων. Οι ανόργανες ουσίες είναι περισσότερο πιθανό να δημιουργήσουν γεύσεις μη συνοδευόμενες από οσμές. Οι αλκαλικές ουσίες (υλικά) συνήθως προσδίδουν μία πικρή γεύση στο νερό, ενώ τα μεταλλικά άλατα μπορεί να δώσουν γλυφή ή πικρή γεύση στο νερό. Οργανικά υλικά, συνήθως προσδίδουν γεύση και οσμή, όπως π.χ. τα προϊόντα πετρελαίου. Η βιολογική αποσύνθεση των οργανικών υλικών επίσης να δημιουργεί γεύση και οσμή ε- μπλουτίζοντας το νερό με τα παραπροϊόντα της διεργασίας. Ο συνδυασμός δύο ή περισσοτέρων ουσιών, από τις οποίες καμία δεν να παράγει από μόνη της είναι γεύση ή οσμή, μπορεί μέσω του φαινομένου της συνεργασίας να δημιουργήσει προβλήματα γεύσης και οσμής όπως π.χ. στην περίπτωση της αντίδρασης οργανικών ενώσεων και του χλωρίου που χρησιμοποιείται για την απολύμανση του νερού και επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων. Απευθείας μετρήσεις της συγκέντρωσης των ουσιών (υλικών) που παράγουν γεύσεις και οσμές μπορούν να γίνουν, αν η χημική ταυτότητα των είναι γνωστή. Η αναλυτική μέτρηση 13

14 οργανικών ουσιών μπορεί να γίνει με την χρήση τεχνικών όπως η αέρια ή υγρή χρωματογραφία. Η χρωματογραφική ανάλυση είναι χρονοβόρα και απαιτεί ακριβό εξοπλισμό. Ποσοτικές μέθοδοι αθροιστικής μέτρησης γεύσης και οσμής σε δείγματα χρησιμοποιούν τις ανθρώπινες αισθήσεις της γεύσης και της οσμής. Ένα παράδειγμα είναι η μέτρηση για του "Οριακού Αριθμού Οσμής" ( TON = Threshold Odour Number) κατά την οποία. σειρά από διαφορετικούς όγκους του υπό εξέτασιν δείγματος τοποθετείται σε δοχεία και αραιώνονται με απεσταγμένο νερό, παρασκευάζοντας μίγματα τελικού όγκου 2 ml. Από 5 έως 1 διαφορετικοί παρατηρητές καλούνται να εντοπίσουν το μίγμα με το ποσοστό αραίωσης στο οποίο η μυρωδιά είναι μόλις και μετά βίας αντιληπτή στην αίσθηση της οσμής. Η τιμή TON του συγκεκριμένου δείγματος, υπολογίζεται κατόπιν χρησιμοποιώντας τον τύπο : A B TON A όπου A : ο όγκος του οσμισμένου νερού (σε ml). B : ο όγκος του αποσμiσμένου νερού που απαιτείται για να παρασκευάσουμε ένα μίγμα 2 ml. Παρόμοια μέθοδος μέτρησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τον ποσοτικό προσδιορισμό της γεύσης ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (Temperature) Η θερμοκρασία είναι μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους για τον προσδιορισμό της ποιότητας επιφανειακών υδάτων. Η θερμοκρασία των επιφανειακών υδάτινων συστημάτων επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τα βιολογικά είδη που μπορούν να επιβιώσουν σε ένα φυσικό υδάτινο σώμα καθώς και τους ρυθμούς δραστηριότητας τους. Τα έμβια όντα έχουν ένα σχετικά στενό εύρος θερμοκρασίας μέσα στο οποίο αναπτύσσονται χωρίς θερμοκρασιακή αναστολή. Η θερμοκρασία έχει και την γνωστή επίδραση και στις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στα επιφανειακά και τα φυσικά νερά (ισορροπία και κινητική των αντιδράσεων). Η θερμοκρασία επιδρά και στις διαλυτότητες των αερίων στο νερό(π.χ. O 2, CO 2 ) (νόμος του Henry) γεγονός υψηλής σημασίας για τη χημεία των υδατικών διαλυμάτων και τις βιολογικές διεργασίες. Η θερμοκρασία των φυσικών υδάτων επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες. Για παράδειγμα ρηχά νερά, επηρεάζονται συνήθως εντονότερα απ τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, απ' ότι τα βαθύτερα νερά. Η χρήση του υδάτινου σώματος ως μέσου για την απόρριψη χαμηλής αξίας θερμότητας (κυκλώματα ψύξης διεργασιών) μπορεί σταδιακά να προκαλέσει 14

15 έντονες αλλαγές στην θερμοκρασία του με επακόλουθες σημαντικές επιδράσεις στην ισορροπία του αντιστοίχου οικοσυστήματος. Τα ψυχρότερα νερά λόγω της αυξημένης περιεκτικότητας σε διαλυμένο οξυγόνο συνήθως στηρίζουν μια ευρεία ποικιλία ζώντων οργανισμών. Οργανισμοί ανώτερης τάξης, όπως τα ψάρια, επηρεάζονται σημαντικά από την θερμοκρασία του νερού και από το επίπεδο του διαλελυμένου οξυγόνου, το οποίο είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας του νερού. Τα ψάρια γενικώς απαιτούν καθαρά νερά ψυχρότερες θερμοκρασίες και υψηλότερα επίπεδα διαλελυμένου οξυγόνου. Σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες, ο ρυθμός βιολογικής δραστηριότητας επιβραδύνεται. Αν η θερμοκρασία αντιθέτως αυξηθεί, η βιολογική δραστηριότητα αυξάνεται. Μια αύξηση κατά 1 C είναι συνήθως επαρκής σχεδόν για να διπλασιάσει τη βιολογική δραστηριότητα, εφόσον υπάρχουν τα απαιτούμενα θρεπτικά συστατικά. Η θερμοκρασία επηρεάζει και άλλες φυσικές ιδιότητες του νερού. Το ιξώδες του νερού αυξάνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Η μέγιστη πυκνότητα του νερού παρουσιάζεται στους 4 C, και ελαττώνεται πάνω ή κάτω από αυτή τη θερμοκρασία (ένα μοναδικό φαινόμενο στα υγρά). Η θερμοκρασία και η πυκνότητα έχουν μια λεπτή επίδραση στους μικροοργανισμούς τύπου πλαγκτόν. Η σχέση θερμοκρασίας-πυκνότητας στην στρωμάτωση των υδάτων κλειστών υδάτινων σωμάτων όπως λίμνες και κόλποι έχει παρουσιαστεί σε προηγούμενο μάθημα και είναι ένα σημαντικό φυσικό φαινόμενο με αξιοσημείωτες επιδράσεις στην φυσική λειτουργία αυτών των φυσικών υδάτινων σωμάτων ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΧΗΜΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΟΣ Το νερό είναι από τους ισχυρότερους διαλύτες και οι χημικές παράμετροι ποιότητάς του (Chemical Parameters) σχετίζονται με τις διαλυτικές του ικανότητες. Τα διαλελυμένα στερεά, η αλκαλικότητα, η σκληρότητα, τα μέταλλα, οι οργανικές ενώσεις και η συγκέντρωση των βασικών θρεπτικών συστατικών είναι χημικές παράμετροι με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τον χαρακτηρισμό της ποιότητας του νερού ΓΙΝΟΜΕΝΑ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ Υπενθυμίζουμε συντόμως τη σημαντική έννοια του γινομένου διαλυτότητας (Solubility Product) και των ισοδύναμων βαρών : Το χημικό ισοδύναμο (equivalent) είναι ως ένοια πολύ σημαντική στη χημεία του νερού. Εκτός του ότι είναι χρήσιμη στον υπολογισμό των στοιχειομετρικών ποσοτήτων για τις επιθυμητές αντιδράσεις στο νερό και στις διεργασίες στα υγρά απόβλητα, τα ισοδύναμα επίσης 15

16 παρέχουν μία έννοια έκφρασης διαφόρων συστατικών των διαλελυμένων στερεών, με κοινούς όρους. Ενα γραμμοισοδύναμο μιας ουσίας είναι χημικώς αντίστοιχο με ένα γραμμοισοδύναμο μιας άλλης ουσίας. Έτσι, η συγκέντρωση μιας ουσίας A μπορεί να εκφραστεί ως μια ισοδύναμη συγκέντρωση του B με την ακόλουθη μέθοδο: (g / L)A (g / equiv)b (g / L)A εκφρασμένο ως B (g / equiv)a Για παράδειγμα, πολλά διαλελυμένα στερεά αναφέρονται συνήθως σε μονάδες ισοδύναμες συγκεντρώσεις ανθρακικού ασβεστίου. Στερεές ουσίες, ιδιαίτερα αυτές με κρυσταλλική δομή, διαλύονται στο νερό. Χωρίς το νερό να είναι ένα αντιδρών συστατικό στην διεργασία. Έτσι για παράδειγμα στην εξίσωση (1.1) μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι αντιδρών συστατικό, ενώ στην εξίσωση (1.2) ότι δεν είναι. (1.1) 2 CaO H2O Ca 2OH NaCl H2O Na Cl (1.2) Όταν το νερό δεν είναι αντιδρών συστατικό, συνήθως παραλείπεται από την εξίσωση. Τα διπλά βέλη στις εξισώσεις υποδεικνύουν μία αντιστρεπτή δράση. Δηλαδή, η στερεά φάση (NaCl) μπορεί να διαχωριστεί στα συστατικά της (διαλύτωση) ή τα συστατικά μπορεί να επανασυνδυαστούν προς κατασκευή της στερεάς φάσης (κατακρήμνιση ιζήματος). Εφ όσον υπάρχει στο διάλυμα μια επαρκής μάζα στερεού, θα επιτευχθεί μια κατάσταση δυναμικής ισορροπίας στην οποία ο ρυθμός της διαλύτωσης και ο ρυθμός της κατακρήμνισης, θα είναι ακριβώς ίσοι. Σε αυτό το σημείο, το νερό είναι πλέον κορεσμένο στα διαλελυμένα είδη. Οι συνθήκες της ισορροπίας μπορούν να εκφραστούν από την εξίσωση δράσης της μάζας. Για την γενικευμένη αντίδραση: (1.3) y x AB Χ Υ xa yb (Στερεά Ενωση) (Ιοντικά Συστατικά) Η αντίστοιχη σχέση δράσης των μαζών γράφεται ως ακολούθως: AB K A B (1.4) 16

17 Οι αγκύλες γύρω απ τα ιοντικά και στερεά είδη υποδεικνύουν, για πρακτικούς λόγους, μοριακές συγκεντρώσεις. Η τιμή K είναι μία σταθερά ισορροπίας για μία δεδομένη ουσία μέσα σε καθαρό νερό και αναφέρεται σε μία δεδομένη θερμοκρασία. Όταν αποκατασταθεί ισορροπία, η στερεά φάση δεν αλλάζει πλέον συγκέντρωση διότι οι ρυθμοί διάλυσης και κατακρήμνισης είναι ίσοι. Έτσι οι ποσότητες: AB Χ Υ, K είναι σταθερές και επομένως A Χ Υ B K KS Ksp (1.5) Η ποσότητα K sp είναι γνωστή σαν γινόμενο διαλυτότητας για το συγκεκριμένο ζευγάρι ιόντων. Αν η συγκέντρωση κάποιου ιόντος ή και των δύο αυξηθεί, το γινόμενο των ιοντικών τους συγκεντρώσεων θα υπερβεί το K sp και θα επακολουθήσει κατακρήμνιση στερεάς φάσης AB Χ Υ για να αποκατασταθούν οι συνθήκες ισορροπίας. Τιμές των γινομένων διαλυτότητας υπάρχουν σε δημοσιευμένους πίνακες. Παρόμοια με τις στερεές ουσίες, στο νερό διαλύονται αέρια στοιχεία καθώς και αέρια μόρια τα οποία μπορούν να οδηγήσουν στη δημιουργία επιπρόσθετων διαλελυμένων στερεών. Ένα σημαντικό παράδειγμα είναι το διοξείδιο του άνθρακα του οποίου η δράση με το νερό συνοψίζεται σχηματικά από τις ακόλουθες αντιδράσεις: CO 2 H2O H2CO 3 H HCO3 (1.6) 2 HCO 3 H CO 3 (1.7) Το διοξείδιο του άνθρακα διαδραματίζει ένα σημαντικό ρόλο στην χημεία των φυσικών υ- δάτινων σωμάτων διαδραματίζοντας και ένα ρυθμιστικό ρόλο. Αρκεί να σκεφτούμε ότι τα ανθρακικά ιόντα σε ένα υδατικό διάλυμα CO 2 μπορούν να καταβυθιστούν ως ανθρακικά άλατα όταν αυξηθεί η μερική πίεση του CO 2 στην αέρια φάση πάνω από το υδατικό διάλυμα. Λεπτομέρειες για την υδατική χημεία του CO 2 δίδονται σε άλλο μάθημα. 17

18 ΟΛΙΚΑ ΔΙΑΛΕΛΥΜΕΝΑ ΣΤΕΡΕΑ (Total Disolved Solids) Οι ενώσεις που παραμένουν στο νερό μετά τη διήθηση για την μέτρηση των αιωρούμενων στερεών θεωρείται ότι αποτελούν διαλελυμένη μάζα. Το υλικό αυτό το οποίο μένει σαν ένα στερεό υπόλειμμα μετά την εξάτμιση του νερού, αποτελεί ένα μέρος των ολικών στερεών και αποκαλείται: Ολικά Διαλελυμένα Στερεά (TDS) Απ' ευθείας μέτρηση των Ολικών Διαλελυμένων Στερεών (Total Disolved Solids) μπορεί να πραγματοποιηθεί εξατμίζοντας και ξηραίνοντας ένα δείγμα νερού το οποίο έχει προηγουμένως διηθηθεί προς απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών. Τα εναπομείναντα υπολείμματα ζυγίζονται και αντιπροσωπεύουν τα "Ολικά Διαλελυμένα Στερεά" (TDS) στο νερό. Η περιεκτικότητα TDS εκφράζεται σε μονάδες μάζας ανά όγκο (π.χ. mg/l). Τα οργανικά και α- νόργανα κλάσματα μπορούν να διαχωριστούν θερμαίνοντας το υπόλειμμα της μέτρησης TDS στους 6 C ακολουθώντας πρότυπες μεθόδους μέτρησης. Μια κατά προσέγγιση μέτρηση TDS γίνεται συνήθως υπολογίζοντας την ηλεκτρική αγωγιμότητα του νερού. Η ικανότητα ενός δείγματος νερού να άγει (να μεταφέρει) το ηλεκτρικό ρεύμα είναι γνωστή ως "ειδική αγωγιμότητα", και είναι μια συνάρτηση της ιοντικής του ι- σχύος. Η ειδική αγωγιμότητα μετριέται σε συσκευή αγωγιμότητας, η οποία χρησιμοποιεί την αρχή της γέφυρας του Winston. Κατά την πρότυπη διαδικασία, μετράται η αγωγιμότητα σε ένα πεδίο ενός κυβικού εκατοστού δείγματος στους 25 C, και εκφράζουμε τα αποτελέσματα σε μονάδες όπως millisiemens ανά μέτρο (ms/m). Η σχέση ειδικής αγωγιμότητας και συγκέντρωσης TDS, είναι γενικώς γραμμική. Οι ιονισμένες ουσίες συνεισφέρουν στην ειδική αγωγιμότητα. Οργανικές ύλες και ενώσεις οι οποίες διαλύονται χωρίς να ιονίζονται δεν συνεισφέρουν αντίστοιχα στην αγωγιμότητα του διαλύματος. Η ειδική αγωγιμότητα επηρεάζεται από το σθένος των ιόντων στο διάλυμα, την ευκινησία τους και άλλες σχετικές παραμέτρους. Η θερμοκρασία έχει επίσης σημαντική επίδραση στην ειδική αγωγιμότητα, η οποία γενικώς αυξάνεται όταν η θερμοκρασία του διαλύματος αυξάνεται. Η μετατροπή της ειδικής αγωγιμότητας ενός διαλύματος σε μονάδες TDS θα πρέπει να γίνεται με την χρήση μιας κατάλληλης σταθεράς συσχέτισης. Ενδεικτικές τιμές τις σταθεράς συσχετισμού των ms/m σε mg/l, για φυσικά νερά, κυμαίνονται από.55 έως.9. Για να χρησιμοποιηθεί η ειδική αγωγιμότητα σαν μια ποσοτική παράμετρος παρακολούθησης του TDS, θα πρέπει να διεξαχθούν κατάλληλες εργαστηριακές μετρήσεις, για τον υπολογισμό ενός συντελεστή μετατροπής τιμών αγωγιμότητας σε τιμή TDS. Γι' αυτόν το λόγο, 18

19 η ειδική αγωγιμότητα χρησιμοποιείται πιο συχνά ως μια ποιοτική παράμετρος για να παρακολουθούμε τις αλλαγές στις τιμές TDS και όχι στις απόλυτες τιμές τους ΜΕΤΑΛΛΑ (Metals) Όλα τα μέταλλα είναι, σε κάποιο βαθμό, διαλυτά στο νερό. Παρά το γεγονός ότι υψηλές συγκεντρώσεις του οποιουδήποτε μετάλλου μπορεί να δημιουργήσουν κινδύνους για την υγεία, μόνο τα μέταλλα τα οποία είναι επιβλαβή σε σχετικά μικρές ποσότητες, αναφέρονται ως τοξικά. Τα άλλα μέταλλα ανήκουν στη κατηγορία των μη-τοξικών. Πηγές εμπλουτισμού των φυσικών υδάτων σε μέταλλα είναι η διάλυση από φυσικά πετρώματα και τα αστικά, βιομηχανικά ή αγροτικά απόβλητα που διατίθενται σε φυσικούς αποδέκτες. Η μέτρηση της συγκέντρωσης των μετάλλων σε δείγματα νερού, γίνεται με διάφορες τεχνικές κυρίως φασματοφωτομετρικές. Μη-τοξικά Μέταλλα (Non Toxic Metals) Πέρα από τα συνήθη ιόντα της σκληρότητας του νερού όπως το ασβέστιο και το μαγνήσιο, άλλα συνήθη μη τοξικά μέταλλα που βρίσκονται στο νερό, είναι το νάτριο, ο σίδηρος, το μαγγάνιο, το αλουμίνιο, ο χαλκός και ο ψευδάργυρος. Το νάτριο, το πιο κοινό μη τοξικό μέταλλο που βρίσκεται στα φυσικά ύδατα, είναι άφθονο στο φλοιό της γης. Τα άλατα του νατρίου είναι ευδιάλυτα στο νερό. Υψηλές συγκεντρώσεις Na, δημιουργούν μία πικρή γεύση στο νερό και αυξημένο κίνδυνο στην υγεία των καρδιοπαθών και νεφροπαθών ασθενών. Το νάτριο είναι επίσης διαβρωτικό για τις μεταλλικές επιφάνειες και σε μεγάλες συγκεντρώσεις είναι τοξικό για τα φυτά. Ο σίδηρος και το μαγγάνιο συχνά συνυπάρχουν και δεν είναι επικίνδυνα για την υγεία στις συνήθεις φυσιολογικές συγκεντρώσεις των φυσικών υδάτων. Όπως αναφέρθηκε προηγούμενα, ο σίδηρος και το μαγγάνιο σε πολύ μικρές ποσότητες μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα χρώματος στο νερό. Για παράδειγμα, συγκεντρώσεις σιδήρου.3 mg/l και συγκεντρώσεις μαγγανίου της τάξεως των.5 mg/l, μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα χρώματος. Επιπροσθέτως, μερικά βακτήρια χρησιμοποιούν τις ενώσεις του σιδήρου και του μαγγανίου σαν πηγή ενέργειας και η επακολουθούσα ανάπτυξη μικροργανισμών μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα γεύσης και οσμής στο νερό. Ο σίδηρος στα συστήματα φυσικών υδάτων, συνήθως συνδέεται με χλωριόντα (FeCl 2 ), όξινα ανθρακικά [Fe(HCO 3 ) 2 ]ή θειικά (FeSO 4 ) ανιόντα. Η πλέον διαλυτή μορφή του σιδήρου 19

20 είναι η δισθενής. Παρουσία οξυγόνου, το ιόν του δισθενούς σιδήρου (Fe 2+ ) οξειδώνεται προς το ιόν του τρισθενούς σιδήρου (Fe 3+ ) και δημιουργεί εύκολα αδιάλυτο υδροξείδιο (Fe(OH) 3 ). Ετσι, σημαντικές ποσότητες διαλελυμένου σιδήρου υπάρχουν συνήθως μόνο σε συστήματα χωρίς οξυγόνο όπως στα υπόγεια ύδατα, ή ίσως στα κατώτερα στρώματα των στρωματωμένων λιμνών. Παρομοίως, τα ιόντα του μαγγανίου (Mn 2+ και Mn 4+ ) ενωμένα με χλωριόντα, νιτρικά και θειικά ιόντα είναι διαλυτά, ενώ οι οξειδωμένες μορφές (Mn 3+ και Mn 5+ ) είναι λιγότερο διαλυτές. Οργανικά οξέα που παράγονται από φυσικές διεργασίες δύνανται να συμπλοκοποιήσουν μέταλλα όπως τον σίδηρο και το μαγγάνιο, αναστέλλοντας την οξείδωση τους και την επακόλουθη καθίζηση τους από τα φυσικά ύδατα συμβάλλοντας με αυτό τον τρόπο στην αύξηση της συνολικής συγκέντρωσης του διαλελυμένου μετάλλου στα φυσικά νερά. Τα άλλα μη τοξικά μέταλλα, γενικώς βρίσκονται σε πολύ μικρές ποσότητες στα συστήματα φυσικών υδάτων. Τα περισσότερα θα προκαλούσαν προβλήματα γεύσης πολύ πριν οι συγκεντρώσεις τους να έφθαναν τα τοξικά επίπεδα. Παρόλα αυτά, ο χαλκός και ο ψευδάργυρος θεωρούνται συνεργιστικά μέταλλα και όταν υπάρχουν και τα δύο μαζί, ακόμη και σε μικρές ποσότητες, μπορούν να ασκήσουν τοξική δράση σε πολλούς οργανισμούς. Τοξικά Μέταλλα (Toxic Metals) Όπως αναφέρθηκε ανωτέρω, τα τοξικά μέταλλα είναι επιβλαβή, για τους ανθρώπους και τους άλλους οργανισμούς, σε μικρές ποσότητες. Ανάμεσα στα τοξικά στοιχεία τα οποία θα μπορούσαν να υπάρξουν σε διαλυτή μορφή στο νερό περιλαμβάνονται το αρσενικό, το βάριο, το κάδμιο, το χρώμιο, ο μόλυβδος, ο υδράργυρος και ο άργυρος. Τα τοξικά μέταλλα συνήθως εμφανίζονται μόνο σε πολύ μικρές ποσότητες στα περισσότερα συστήματα φυσικών υδάτων. Σημαντικές συγκεντρώσεις τοξικών μετάλλων ανιχνεύονται συνήθως στις όξινες απορροές μεταλλείων, στα βιομηχανικά, στα γεωργικά απόβλητα κλπ. Τα μέταλλα βιοσυσσωρεύονται μέσω της τροφικής αλυσίδας και με αυτό τον τρόπο αποτελούν μεγαλύτερο κίνδυνο για τους οργανισμούς που βρίσκονται κοντά στην κορυφή της τροφικής αλυσίδας ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (Organics) Πολλές οργανικές ενώσεις είναι διαλυτές στο νερό. Τα οργανικά υλικά στα συστήματα φυσικών υδάτων προέρχονται από φυσικές πηγές ή είναι παραπροϊόντα των ανθρωπίνων δρα- 2

21 στηριοτήτων. Τα περισσότερα φυσικά οργανικά υλικά είναι προϊόντα αποσύνθεσης των οργανικών υλών, ενώ η παρουσία συνθετικών οργανικών μορίων είναι συνήθως αποτέλεσμα της απόρριψης υγρών αποβλήτων ή παραπροϊόντα αγροτικών δραστηριοτήτων. Τα διαλελυμένα στο νερό οργανικά διαιρούνται συνήθως σε δύο μεγάλες κατηγορίες: στα βιοαποικοδομήσιμα (biodegradable) και στα μη-βιοαποικοδομήσιμα. (non-biodegradable) Βιοαποικοδομήσημα Οργανικά Υλικά (biodegradable organics) Τα βιοαποικοδομήσιμα υλικά αποτελούνται από οργανικά μόρια τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τροφή από τους φυσικά υπάρχοντες στο περιβάλλον μικροοργανισμούς, μέσα σε ένα λογικό διάστημα χρόνου. Τα υλικά αυτά συνήθως αποτελούνται από άμυλο, λίπη, πρωτεΐνες, αλκοόλες, οξέα, αλδεύδες, εστέρες κλπ. Συνήθως είναι το τελικό προϊόν της βιολογικής αποσύνθεσης των ιστών των φυτών ή των ζώων, ή μπορεί να εμπεριέχονται σε απορριπτόμενα αστικά ή βιομηχανικά υγρά απόβλητα. Μερικά από αυτά τα υλικά μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα χρώματος, γεύσης και οσμής στους φυσικούς αποδέκτες. Το σημαντικότερο πρόβλημα που δημιουργούν οι βιοαποικοδομήσιμες οργανικές ενώσεις όταν απορρίπτονται σε φυσικά υδάτινα σώματα προκύπτει από την χρήση των ενώσεων αυτών από φυσικούς μικροοργανισμούς και η οποία οδηγεί στην κατανάλωση και μείωση του διαλελυμένου οξυγόνου των φυσικών υδάτινων σωμάτων (π.χ. λιμνών, ποταμών, θαλασσίων περιοχών) στερώντας το οξυγόνο αυτό από αλλούς ανώτερους οργανισμούς. Περισσότερα στοιχεία επί της βιοχημείας της βιοαποικοδόμησης (χρησιμοποίησης) οργανικών μορίων από μικροοργανισμούς δίδονται σε επόμενο κεφάλαιο. Η χρησιμοποίηση των διαλελυμένων οργανικών από τους μικροοργανισμούς μπορεί να συνοδεύεται από οξείδωση ή από αναγωγή του οργανικού μορίου. Είναι πιθανόν οι δύο διεργασίες να συμβούν ταυτόχρονα. Η διεργασία της οξείδωσης είναι πολύ πιο αποτελεσματική και η επικρατέστερη όταν υπάρχει οξυγόνο. Σε "αερόβια" (παρουσία οξυγόνου) περιβάλλοντα τα τελικά προϊόντα της βιολογικής αποσύνθεσης των οργανικών ενώσεων, είναι συνήθως σταθερές και περιβαλλοντικά αποδεκτές ενώσεις. Η "αναερόβια" (απουσία οξυγόνου) αποσύνθεση αποδίδει συνήθως ασταθή και ανεπιθύμητα τελικά προϊόντα. Εάν αργότερα το οξυγόνο ξαναγίνει διαθέσιμο, τα τελικά προϊόντα της αναερόβιας διεργασίας είναι δυνατό να οξειδωθούν περαιτέρω σε τελικά προϊόντα τυπικά των αερόβιων διεργασιών. Η έμμεσα δημιουργούμενη λόγω της βιολογικής δράσης απαίτηση σε οξυγόνο των βιοαποικοδομήσιμων οργανικών ενώσεων είναι υψίστης σημασίας για τα φυσικά υδάτινα συστήματα. 21

22 Έτσι για παράδειγμα, όταν η κατανάλωση οξυγόνου από τους αερόβιους οργανισμούς σε ένα φυτικό υδάτινο σώμα υπερβεί την δυνατότητα παροχής του οξυγόνου μέσω διάχυσης απ' την ατμόσφαιρα, οι αναερόβιες συνθήκες που τελικά θα επικρατήσουν στο υδάτινο σώμα θα επηρεάσουν βίαια την οικολογική του ισορροπία. Μη-Βιοαποικοδομήσημα Οργανικά Υλικά (Non-biodegradable organics) Μερικά οργανικά υλικά, ανθίστανται στην βιολογική αποικοδόμηση. Τανίνες, λιγνίνες, κυτταρίνη και οι φαινόλες συναντώνται συχνά στα συστήματα φυσικών υδάτων. Είναι συστατικά των ξυλωδών φυτών και αποικοδομούνται αργά ώστε συνήθως θεωρούνται μηαποικοδομήσιμα βιολογικά. Μόρια με εξαιρετικά ισχυρούς δεσμούς (μερικά από τους πολυσακχαρίτες) και δομές δακτυλίου άνθρακος (βενζόλικοι δακτύλιοι) θεωρούνται δύσκολα για βιοαποικοδόμηση. Μερικά οργανικά μόρια είναι πρακτικά μη-βιοαποικοδομήσιμα διότι είναι τοξικά στους συνήθεις οργανισμούς. Τέτοια για παράδειγμα είναι τα οργανικά παρασιτοκτόνα, μερικά βιομηχανικά χημικά και ενώσεις υδρογονανθράκων που έχουν ενωθεί με χλώριο. Τα παρασιτοκτόνα, που περιλαμβάνουν εντομοκτόνα και ζιζανιοκτόνα, έχουν ευρεία χρήση στην σύγχρονη κοινωνία τόσο στις αστικές όσο και στις αγροτικές περιοχές. Κακές πρακτικές χρήσης η απορροή και το ξέπλυμα των αγροτικών καλλιεργήσιμων εκτάσεων από τις βροχοπτώσεις ή και διαρροές μπορεί να προκαλέσουν ρύπανση των επιφανειακών ρευμάτων και τελικά υπόγειων υδροφόρων οριζόντων η τελικών υδάτινων αποδεκτών με αυτά τα επικίνδυνα αγροτικά χημικά. Τα οργανικά εντομοκτόνα περιλαμβάνουν και χλωριωμένους υδρογονάνθρακες όπως Aldrin, Dieldrin, Endrin και Lindane. Τα παρασιτοκτόνα περιέχουν συνήθως χλωροφαινολικές ενώσεις (π.χ. 2,4,5-τριχλωροφαινοξυπροπιονικό οξύ κλπ). Παρασιτοκτόνα, και συσσωρευμένες τοξίνες, προκαλούν σοβαρά προβλήματα στα ανώτερα επίπεδα της τροφικής αλυσίδας μέσω της διεργασίας της βιοσυσσώρευσης. Ως παράδειγμα αναφέρεται η βιοσυσσώρευση του εντομοκτόνου DDT, η χρήση του οποίου πλέον απαγορεύεται στις αναπτυγμένες χώρες. Μετρήσεις των μη-βιοαποικοδομήσιμων οργανικών γίνονται συνήθως με τη μέτρηση του χημικώς απαιτούμενου οξυγόνου (COD). Τα μη-βιοαποικοδομήσιμα οργανικά μπορούν επίσης να υπολογισθούν από την ανάλυση του Ολικού Οργανικού Άνθρακα (TOC). Το COD και το TOC μετράνε και το κλάσμα των βιοαποικοδομήσιμων οργανικών, κι έτσι από την σχέση των τιμών του BOD, με τις τιμές του COD ή το ισοδύναμο TOC είναι δυνατόν να ε- 22

23 κτιμήσουμε τα περιεχόμενα δυσκόλως βιοαποικοδομήσιμα οργανικά υλικά. Συγκεκριμένες οργανικές ενώσεις μπορούν να ταυτοποιηθούν και να μετρηθούν μέσω εξειδικευμένων χημικών αναλύσεων όπως π.χ. αέρια χρωματογραφία κλπ ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ (Nutrients) Ως θρεπτικά ορίζονται τα βασικά στοιχεία, απαραίτητα για την ανάπτυξη και αναπαραγωγή των φυτών και των ζώων. Τα υδρόβια είδη εξαρτώνται από το περιβάλλον νερό που τους παρέχει τα θρεπτικά. Τα σημαντικότερα θρεπτικά είναι : ο άνθρακας, το άζωτο και ο φωσφόρος. Ο άνθρακας είναι εύκολα διαθέσιμος από πολλές πηγές. Το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, τα ανθρακικά ιόντα (αλκαλικότητα) οι οργανικές ύλες, όλα παρέχουν άνθρακα στους οργανισμούς. Σε πολλές περιπτώσεις το άζωτο και ο φωσφόρος είναι τα θρεπτικά στοιχεία που μπορούν να αποτελέσουν τον περιοριστικό παράγοντα της ανάπτυξης των οργανισμών λόγω χαμηλής διαθεσιμότητας τους. Άζωτο Το αέριο άζωτο (Ν 2 ) είναι κύριο συστατικό της γήινης ατμόσφαιρας. Είναι χημικά σταθερό και αντιδρά με το οξυγόνο σε περιβάλλοντα υψηλής ενέργειας όπως ηλεκτρικές εκκενώσεις ή καύσεις προς σχηματισμό οξειδίων του αζώτου. Παρότι μερικά βιολογικά είδη έχουν την ικανότητα να οξειδώνουν το αέριο άζωτο, το άζωτο ως θρεπτικό συστατικό είναι διαθέσιμο στους οργανισμούς κυρίως από πηγές διαφορετικές απ το ατμοσφαιρικό άζωτο. Το άζωτο είναι ένα συστατικό των πρωτεϊνών, της χλωροφύλλης και πολλών άλλων βιολογικών ενώσεων. Μετά το θάνατο των φυτών ή των ζώων, σύνθετες οργανικές ουσίες αποικοδομούνται σε απλές μορφές μέσω της βιολογικής αποσύνθεσης. Οι πρωτεΐνες, για παράδειγμα, μετατρέπονται σε αμινοξέα και στη συνέχεια σε αμμωνία (NH 3 ). Αν υπάρχει οξυγόνο, η αμμωνία οξειδώνεται σε νιτρώδη (NO - 2 ) και μετά σε νιτρικά (ΝΟ - 3 ) ιόντα. Τα νιτρικά ιόντα είναι παράδειγμα μορφής αζώτου εύκολα διαθέσιμης σε οργανισμούς για τις βιοτικές ανάγκες τους. Άλλες πηγές αζώτου είναι τα υγρά απόβλητα, (αστικά και βιομηχανικά) και οι γεωργικές απορροές λιπασμάτων. Οι ενώσεις του αζώτου μπορούν να οξειδωθούν προς νιτρικά ιόντα από μικροοργανισμούς στη φύση. Η συνεχής συνεισφορά αζώτου στα φυσικά υδάτινα σώματα από τις ανωτέρω πηγές είναι δυνατόν να οδηγήσει στον υπερεμπλουτισμό των φυσικών υδάτων σε άζωτο. 23

24 Επιπρόσθετα με τα προβλήματα του υπερεμπλουτισμού για τα οποία έχει γίνει αναφορά σε προηγούμενο μάθημα, ενώσεις του αζώτου μπορούν να έχουν και άλλες επιπτώσεις. Η αμμωνία είναι αέριο σε θερμοκρασία και πιέσεις που απαντώνται συνήθως σε συστήματα φυσικών υδάτων. Η αέρια αμμωνία (NH 3 ) βρίσκεται σε ισορροπία με την υδατική ιονική μορφή (NH + 4 ). NH 3 H2O NH 4 OH (1.8) Η συγκέντρωση του ιόντος του υδροξυλίου του νερού, άρα το pη, ρυθμίζει την σχετική παρουσία κάθε είδους. Η οξείδωση της αμμωνίας (ΝΗ 3 ) και του αμμωνίου (ΝΗ + 4 ) προς νιτρικά και άλλα ιόντα, από μικροοργανισμούς, δημιουργεί μια πρόσθετη βιοχημική απαίτηση οξυγόνου, όπως συζητήθηκε σε προηγούμενη ενότητα. Μετρήσεις για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης αζώτου σε δείγματα αποβλήτων η φυσικών υδάτων συνήθως περιλαμβάνουν ανάλυση για αμμωνία (περιλαμβάνοντας αμμωνία και αμμώνιο), νιτρικά και ολικό άζωτο. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων συνήθως εκφράζονται σε μονάδες συγκέντρωσης (mg/l). των επί μέρους ειδών ως άζωτο. Μετρήσεις για αμμωνία και ολικό άζωτο είναι πιο συνηθισμένες στα υγρά απόβλητα, ενώ οι μετρήσεις για νιτρικά ιόντα είναι πιο συνήθεις σε δείγματα καθαρών υδάτων και επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων. Φωσφόρος Ο φωσφόρος σε υδατικό περιβάλλον εμφανίζεται με τη μορφή φωσφορικών ιόντων (ΡΟ 3-4 ). Υπάρχουν διάφορες μορφές φωσφορικών αλάτων οι οποίες περιλαμβάνουν ορθοφωσφορικά άλατα (πυρο-, μετά-, και πολυφωσφορικά άλατα) και οργανικά δεσμευμένα φωσφορικά ά- λατα. Όπως το άζωτο, έτσι και τα φωσφορικά άλατα περνούν μέσω του κύκλου της αποσύνθεσης και της φωτοσύνθεσης. Τα φωσφορικά άλατα είναι συστατικά των εδαφών και χρησιμοποιούνται εκτενώς στα λιπάσματα για να ενισχύσουν τις φυσικές συγκεντρώσεις στα γεωργικά εδάφη. Τα φωσφορικά άλατα είναι επίσης συστατικό των αποβλήτων των ζώων και μπορούν να συσσωρευτούν στο έδαφος στους βοσκότοπους και στις περιοχές όπου εκτρέφονται ζώα. Οι απορροές απ' τις αγροτικές περιοχές είναι σημαντικός συντελεστής εμπλουτισμού των επιφανειακών υδάτων σε φωσφόρο. Η τάση των φωσφορικών αλάτων να απορροφώνται στους κόκκους του εδάφους, περιορίζει την κινητικότητα τους στο φυσικό περιβάλλον. Τα αστικά υγρά απόβλητα είναι μια σημαντική πηγή εμπλουτισμού των επιφανειακών υδάτων με φωσφορικά άλατα. Τα συμπυκνωμένα φωσφορικά άλατα χρησιμοποιούνται εκτενώς 24

25 ως συστατικά των απορρυπαντικών, και τα οργανικά φωσφορικά άλατα είναι συστατικά των αποβλήτων του σώματος και των καταλοίπων των τροφών. Άλλες πηγές φωσφόρου είναι τα βιομηχανικά απόβλητα δεδομένου ότι φωσφορικά άλατα χρησιμοποιούνται για σκοπούς όπως η επεξεργασία του νερού στους ατμολέβητες κλπ. Ενώ τα φωσφορικά άλατα δεν είναι τοξικά και δεν αποτελούν μια άμεση απειλή για την υ- γεία των ανθρώπων ή άλλων οργανισμών, αποτελούν μια σοβαρή έμμεση, απειλή για την ποιότητα του νερού. Όπως σημειώθηκε νωρίτερα, τα φωσφορικά άλατα είναι συχνά το περιοριστικό θρεπτικό για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών στα φυσικά υδάτινα σώματα. Όταν η διαθεσιμότητα αυξάνεται, είναι δυνατό να επακολουθήσει απότομη αύξηση του πληθυσμού των μικροοργανισμών, με σοβαρές συνέπειες στο ισοζύγιο οξυγόνου των υδάτινων σωμάτων. Τα φωσφορικά άλατα μετρώνται συνήθως χρωματομετρικά. Τα ορθοφωσφορικά άλατα μπορούν να μετρηθούν άμεσα, ενώ άλλες μορφές θα πρέπει πρώτα να μετατρέπουν σε ορθοφωσφορικά άλατα. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων αναφέρονται σε μονάδες συγκέντρωσης φωσφορικών αλάτων ( π.χ. mg./l) ως ισοδύναμος φωσφόρος ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΝΕΡΟΥ Το νερό λειτουργεί ως το μέσον στο οποίο μεγάλος αριθμός βιολογικών ειδών διανύουν ένα σημαντικό μέρος από τον κύκλο ζωής τους. Οι υδρόβιοι οργανισμοί ποικίλουν σε μέγεθος και σύνθεση απ' τον μικρότερο μονοκύτταρο οργανισμό μέχρι το μεγαλύτερο ψάρι. Η παρουσία των διαφόρων μελών της βιολογικής κοινότητας είναι, σε κάποιο βαθμό, ενδεικτική της ποιότητας του νερού. Η παρουσία ή η απουσία τους υποδεικνύει σε γενικές γραμμές την ποιότητα ενός δοθέντος δείγματος νερού. Ως παράδειγμα, η γενική ποιότητα του νερού σε ένα ποτάμι όπου ζούνε πέστροφες αναμένεται να είναι πολύ καλύτερη από το νερό ενός ρεύματος όπου επικρατέστερο είδος ψαριού είναι ο κυπρίνος. Αντίστοιχα αφθονία σε φύκη σε μια λίμνη συνδέεται πάντα με την παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων θρεπτικών συστατικών στο νερό. Οι βιολόγοι χρησιμοποιούν συχνά δείκτες ποικιλίας των ειδών (που σχετίζοται με τον αριθμό των ειδών και την σχετική αφθονία των οργανισμών κάθε είδους) ως μια ποιοτική παράμετρο για τα νερά σε ποτάμια και λίμνες. Ενα δείγμα νερού που φιλοξενεί μεγάλο αριθμό από είδη, με καλά ισορροπημένους πληθυσμούς θεωρείται ότι προέρχεται από ένα υγιές υ- δάτινο σύστημα. Με βάση την γνωστή ανοχή τους για ένα δεδομένο ρύπο, ορισμένοι οργανισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως δείκτες της παρουσίας συγκεκριμένων ρύπων. 25