Ρύπανση Υδάτων και Εδαφών

Transcript

1 Ρύπανση Υδάτων και Εδαφών Ενότητα 2η: Ρύπανση υδάτων Παράμετροι ελέγχου - Ευτροφισμός - Μοντέλα διασποράς Τσικριτζής Λάζαρος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας οι φοιτητές θα πρέπει να: αξιολογούν το βαθμό ρύπανσης των υδάτων χρησιμοποιώντας παραμέτρους ελέγχου (DO, BOD, COD, TOC κλπ). γνωρίζουν τις αιτίες και τους μηχανισμούς ρύπανσης των νερών (ευτροφισμός, αερόβιες αναερόβιες διεργασίες κλπ). να ξέρουν τις βασικές μεθόδους πρόληψης και θεραπείας των ρυπασμένων υδάτινων σωμάτων. 4

5 Περιεχόμενα ενότητας Παράμετροι ελέγχου της ρύπανσης των υδάτων, DO, BOD, COD, TOC κλπ. Ευτροφισμός (μηχανισμοί δημιουργίας, μέθοδοι αντιμετώπισης, αερόβιες αναερόβιες καταστάσεις). Πηγές ρύπανσης επιφανειακών και υπόγειων νερών, μοντέλα διασποράς ρύπων. 5

6 Ρύπανση των επιφανειακών νερών (1/2) Διαλυμένο Οξυγόνο DO. ο πιο σημαντικός οξειδωτικός παράγοντας στα νερά. Αντιδράσεις σε όξινα και αλκαλικά νερά. C w =K H P A Νόμος Henry. Διαλυτότητα Ο2. Μειώνεται σε θερμό νερό. Συνήθως 9-10ppm, min 5 ppm. 6

7 Ρύπανση των επιφανειακών νερών (2/2) Οξείδωση οργανικών. CH 2 O(aq) + O 2 (aq) CO 2 (g) + H 2 O. Προσδιορισμός DO: 1) Μέθοδος Winkler και 2) Ηλεκτροχημικά. Winkler: Μn 2+ (ΟΗ) 2 Mn 3+ O(OH). Υπολογισμός του Mn 3+ ιωδιομετρικά. 7

8 Βιοχημικά απαιτούμενο Οξυγόνο BOD (1/2) BOD 5 : To O2 που καταναλώνεται σε 5 ημέρες από μικρο-οργανισμούς για την οξείδωση των οργανικών ενώσεων (σε θ=20 ο C και χωρίς φως). Ενδεικτικές τιμές BOD (πίνακας). Προσδιορισμός: Μέθοδος αραίωσης. Αραίωση δείγματος με νερό οξυγονωμένο. (Συντελ. Α) Μέτρηση DO πριν και μετά: D 1 D 2 (mg/l). BOD=(D 1 -D 2 )/A. D 2 > 1mg/L (αλλιώς αραίωση μικρή). D 1 -D 2 <2 mg/l. 8

9 Βιοχημικά απαιτούμενο Οξυγόνο BOD (2/2) Παράγοντες που επιδρούν στη μέτρηση. Οι μικροοργανισμοί. Η προσφορά θρεπτικών. Θερμοκρασία - φωτισμός και διάρκεια μέτρησης. 9

10 Καμπύλη BOD (αποικοδόμησης) Πηγή: Κουιμτζής και συν. (1998). Καμπύλη αποικοδόμησης οικιακών λυμάτων. Οργανική ύλη C CO 2. Νιτροποίηση ΝΗ 3 NO 2 - NO

11 To ΒΟD συναρτήσει του χρόνου t y=l(1-10 -kt ). Μορφή συνάρτησης: εκθετική με ασύμπτωτο την τιμή y=l. Παραδείγματα. Δίνονται το L και k. Ζητείται το y. Δίνονται το y και k. Ζητείται το L. Δίνονται το L και το y. Ζητείται το k. Δίνονται π.χ το y 3 και το y 5. Ζητείται το L και το k. 11

12 Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο COD Είναι το Ο 2 που καταναλώνεται για τη χημική οξείδωση των οργανικών ενώσεων (mgο 2 / L νερού). To COD ή το TOC χρησιμοποιείται για τα τοξικά, διότι εκεί δεν μπορεί να μετρηθεί το BOD. Προσδιορισμός COD (τάξη μεγέθους 50 mgο 2 /L). 1. με K 2 Cr 2 O 7 παρουσία H 2 SO 4. H περίσσεια K 2 Cr 2 O 7 προσδιορίζεται με Fe 2 SO 4. Οργαν.ενώσεις + K 2 Cr 2 O 7 CO 2 +H 2 O + Cr 3+ + κλπ. 2. με KMnO 4. 12

13 Total Organic Carbon ΤΟC Είναι η ολική φόρτιση των νερών σε οργανικές ενώσεις (mgc / l νερού). C CO2 & προσδιορισμός με φασματοφωτόμετρο υπερύθρου. 13

14 Αναερόβια αποικοδόμηση (1/2) Αναερόβιες συνθήκες + βακτήρια. 2CH 2 O CO 2 + CH 4 (φυσαλίδες). Αναγωγή αδιάλυτου Fe 3+ + e Fe 2+ (διαλυτό). Συνύπαρξη αερόβιων και αναερόβιων στρωμάτων. Στα αερόβια: CO 2, HCO 3 -, SO 4 2-, NO 3-, Fe(OH) 3. Στα αναερόβια: CH4, H 2 S,NH 3 NH 4 +,Fe

15 Αναερόβια αποικοδόμηση (2/2) Οξείδωση H 2 S από βακτήρια (Σθένη S). H 2 S +2O 2 H 2 SO 4. Οξείδωση οργανικής ύλης από αναερόβια βακτήρια με τη βοήθεια SO Υπόγειο νερό + Ο 2 : οξείδωση σιδήρου. διαλυτό Fe 2+ αδιάλυτο Fe 3+ + e (χρώμα). 15

16 Ευτροφισμός Αυτότροφοι CO 2, NO 3,κλπ οργ. Ενώσεις. Ετερότροφοι / αποσυνθέτες (καθαριστές). Άλατα Ν και Ρ συμμετέχουν στον κύκλο σε μικρές ποσότητες. Η αύξηση Ν και Ρ προκαλεί ευτροφισμό. Ανάπτυξη αλγών κυανοφυκών (Άνθηση) ακατάλληλων για τροφή του ζωοπλαγκτόν. Αποσύνθεση φυκών (εμφάνιση Η 2 S μείωση Ο 2 ). Φαινόμενο κυρίως των λιμνών (στάσιμα νερά). 16

17 Ο ευτροφισμός ανατρέπει τον κύκλο της υδροχαρούς ζωής Πηγή: Κουιμτζής και συν. (1998). Ο ευτροφισμός ανατρέπει τον κύκλο της υδροχαρούς ζωής. 17

18 Βαθμίδες τροφισμού των λιμνών Ολιγοτροφικές. Καθαρές, λίγο πλαγκτόν, Βαθμός κορεσμού του Ο 2 στον πυθμένα 70% (στο τέλος της στωματοποίησης). Μεσοτροφικές. Μέτριο πλαγκτόν, Βαθμός κορεσμού του Ο %. Ευτροφικές. Θολές, πολύ πλαγκτόν, Βαθμός κορεσμού του Ο %. Πολυτροφικές. ορατότητα ελάχιστη, πολλά θρεπτικά, εξαφάνιση Ο 2 και εμφάνιση Η 2 S (καλοκαίρι). 18

19 Αίτια και συνέπειες ευτροφισμού (1/3) Λιπάσματα, απορρυπαντικά, λύματα, απόβλητα. Σημειακές και μη σημειακές πηγές. Φωσφόρος (από σημειακές πηγές). Απορρυπαντικά και τροφές (λόγω υπερλίπανσης). Λύση α) η μείωση των φωσφ. λιπασμάτων και β) η χρήση απορρυπαντικών χωρίς φωσφόρο. Άζωτο (από μη σημειακές πηγές). Λιπάσματα, νιτρο-ρύπανση, πχ Αξιός στο 10% των πιο επιβαρυμένων. 19

20 Αίτια και συνέπειες ευτροφισμού (2/3) Συνέπειες: Οικολογικές. Πολύ πλαγκτόν, λίγος φωτισμός και οξυγόνο, κυανοφύκη, αναερόβια σήψη, επιπτώσεις στο οικοσύστημα. Οικονομικές. Νερό ακατάλληλο, ασθένειες αλλεργίες, μείωση παραγωγής ψαριών, εμφράξεις δικτύων κλπ. 20

21 Αίτια και συνέπειες ευτροφισμού (3/3) Πηγή: Κουιμτζής και συν. (1998). Μετατροπή λίμνης σε στεριά λόγω ευτροφισμού. 21

22 Έλεγχος και αντιμετώπιση του ευτροφισμού (1/2) Παράμετροι ελέγχου του ευτροφισμού: Ισορροπία και χημεία θρεπτικών συστατικών. Χρόνος παραμονής. Εσωτερική ανάμιξη και ιζηματοποίηση. Ηλιακή ακτινοβολία. 22

23 Έλεγχος και αντιμετώπιση του ευτροφισμού (2/2) Προληπτικές μέθοδοι: Έλεγχος εκροών (ΒΟD, PO4, Αιωρούμενα). Απομάκρυνση θρεπτικών πριν τις λίμνες. Ορθές γεωργικές πρακτικές. Τροποποίηση προϊόντων (π.χ νέα απορρυπαντικά). 23

24 Θεραπευτικές μέθοδοι μείωσης Αλλαγή κατεύθυνσης. Αραίωση. ευτροφισμού Εκβάθυνση (βοηθά στη στρωματοποίηση και μειώνει την ανάδευση). Απομάκρυνση της ιλύος (αποφεύγεται η επαναδιάλυση του ΡΟ4 / υψηλό κόστος). Άντληση του υπολιμνίου. Χημικές τεχνικές (καταβύθιση). Τεχνητός αερισμός (εμπλουτισμός με Ο2). 24

25 Μοντέλα ελέγχου του ευτροφισμού (1/2) Στοχαστικά (στατιστικά) και καθορισμένα. Προσαρμογή στα τοπικά δεδομένα. 1. Watershed models. Εκτίμηση φορτίου θρεπτικών. εμπειρικά μοντέλα. μοντέλα αποτίμησης. Υπολογισμός. 25

26 Μοντέλα ελέγχου του ευτροφισμού 2. Water body models. (2/2) Πώς ανταποκρίνεται η λίμνη στη μειωση των θρεπτικών. Πιο πολύπλοκα και ακριβή. Παίρνουν υπόψη τους και βιολογικές παραμέτρους. 3. Management models. Συμπληρωματικά. 26

27 Θερμική ρύπανση Υγρά απόβλητα ψηλής θερμοκρασίας στους αποδέκτες (κυρίως από πύργους ψύξης βιομηχανιών ). Μείωση Ο 2 (ελάττωση διαλυτότητας + επίπλευση θερμού νερού). Αύξηση ταχύτητας χημικών αντιδράσεων και μεταβολισμού. Αλλαγή βιολογικών ισορροπιών, μείωση αντίστασης στα τοξικά. Υπέρμετρη αύξηση βακτηρίων. 27

28 Ρύπανση από αιωρούμενα στερεά Φερτές ύλες + υγρά απόβλητα. Επιπτώσεις των αιωρουμένων. Μειώνεται η διαπερατότητα του φωτός. Βλάβες στη βιοκοινωνία. Πιθανοί φορείς τοξικών. 28

29 Ρύπανση των υπόγειων νερών Ρυπαντές. Ανόργανοι / οργανικοί/ παθογόνοι οργανισμοί. Ικανότητα διήθησης / όμως οι ιοί εισχωρούν. Είδη ρυπαντών. Na + Cl - SO 4 2- NO 3 - ( mg/l). Μέταλλα, εφόσον το ph χαμηλό (κυρίως άνω στρώμα). Οργανικοί ρύποι ( π.χ χλωριωμένοι + αρωματικοί HC). Μεταφέρονται εύκολα. Λόγοι : διαλυτότητα + ανθεκτικότητα. Ρόφηση από το έδαφος. Έχει σχέση με % C εδάφους και συντελεστή Κ ow (οκτανόλης -νερού). 29

30 Monitoring ρύπανσης και Μοντέλα Πηγές ρύπων: Αστικά λύματα, χωματερές, βιομηχανία, βιοτεχνίες, μη σημειακές. Ελλιπής έλεγχος και μόνο χλωρίωση. Συνέπεια: υποβάθμιση υπόγειων νερών / κίνδυνοι. Συνεχής παρακολούθηση (monitoring) παραμέτρων. Απαραίτητη η υδρογεωλογική γνώση. Χαμηλές ταχύτητες νερού γραμμική ροή. Σχήμα και μέγεθος πλουμίου. Παραδείγματα. Μαθηματικά μοντέλα. 30

31 Μορφές διασποράς ρύπων (πλούμια) Πηγή: Κουιμτζής και συν. (1998). 31

32 Βιβλιογραφία (1/2) Τεχνολογίες αποκατάστασης εδαφών και υπογείων υδάτων από επικίνδυνους ρύπους, Ε. Γιδαράκος, Μ. Αιβαλιώτη, Εκδόσεις Ζυγός, Θεσσαλονίκη, Μέθοδοι ελέγχου ρυπάνσεως περιβάλλοντος, Γ.Σ. Βασιλικιώτης, Κ.Κ. Φυτιάνος., Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, Έλεγχος ρύπανσης περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Σαμαρά Κωνσταντίνου, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, Χημεία Περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Φυτιάνος, Κ. Σαμαρά- Κωσταντίνου, Εκδόσεις University Studio Press, Θεσσαλονίκη, Εργαστηριακές ασκήσεις εδαφολογίας, Κ. Σινάνης, Θεσσαλονίκη, Εξυγίανση εδαφών και υπόγειων υδάτων από επικίνδυνα απόβλητα, Ε.Α. Βουδριάς, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Έκδοση του Πανεπιστημίου, Ξάνθη,

33 Βιβλιογραφία (2/2) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater; American Public Health Association; 20th edition; Σημειώσεις εργαστηρίου (Ε. Αμανατίδου - Λ. Τσικριτζής, και συν., ΤΕΙ ΔΜ, Κοζάνη 2009). 33

34 Τέλος Ενότητας