VODA_II POVRCHOVÁ VODA PROCESY V POVRCHOVEJ VODE PITNÁ VODA, ÚPRAVA VODY

Transcript

1 VODA_II POVRCHOVÁ VODA PROCESY V POVRCHOVEJ VODE PITNÁ VODA, ÚPRAVA VODY Voda II 1

2 Rozklad odpadových látok, biochemical oxygen demand Povrchová voda je veľmi citlivá na kontamináciu. Ak sa odpadové látky dostanú do vody, mikroorganizmy (zvlášť baktérie) rozkladajú odpadové látky na jednoduché organické a anorganické substancie. Ak sa tento proces uskutočňuje za prítomnosti kyslíka, môžeme ho popísať nasledovne: Organická látka+o 2 mikroorganizmy CO 2 +H 2 O+stabilné produkty Ak sa proces rozkladu uskutočňuje bez prítomnosti kyslíka, prebieha odlišne a aj s inými mikroorganizmami: Organická látka mikroorganizmy CO 2 +CH 4 +nestabilné produkty Množstvo kyslíka, potrebné na oxidáciu organického odpadu mikroorganizmami za prítomnosti kyslíka nazývame biochemická spotreba kyslíka (BOD - biochemical oxygen demand) a vyjadrujeme ju spravidla v miligramoch kyslíka na liter odpadu. Voda II 2

3 BOD ako funkcia času Predpokladajme, že rýchlosť rozkladu organického odpadu je úmerná jeho aktuálnemu množstvu. Nech L(t) je množstvo kyslíka potrebné na rozklad organického odpadu v čase t. Platí vzťah: dl(t) dt = kl(t) kde k je reakčná konštanta v [čas -1 ]. Riešením je: L t = L t = 0 e kt = L 0 e kt kde L 0 je hraničná spotreba kyslíka, čiže celkové množstvo kyslíka, ktoré potrebujú mikroorganizmy k tomu, aby rozložili všetky odpadové látky na oxid uhličitý a vodu. Voda II 3

4 BOD ako funkcia času Hraničná spotreba kyslíka, L 0, je súčtom už spotrebovaného kyslíka, BOD(t), a kyslíka potrebného na rozklad zvyšných odpadových látok: L 0 = L t + BOD t = L 0 e kt + BOD(t) Voda II 4

5 BOD ako funkcia času (15 min) Riešením tejto rovnice dostaneme: BOD t = L 0 (1 e kt ) Voda II 5

6 5 dňový BOD test Ak by sme chceli odmerať množstvo kyslíka, ktoré sa spotrebuje na rozklad vzorky odpadovej látky, potrebovali by sme veľmi dlhý čas. V praxi preto používame zjednodušený 5 dňový test. Vzorku odpadovej látky vložíme do hermeticky uzavretej nádoby a pri 20 C a za tmy (prečo za tmy?) meriame množstvo rozpusteného kyslíka na začiatku a po piatich dňoch. Pri silne znečistených vzorkách by sa mohlo stať, že všetok kyslík by bol spotrebovaný skôr ako za 5 dní. Aby bol test platný, obsah kyslíka po piatich dňoch musí byť stále nenulový. Preto sa silne znečistené vzorky riedia čistou vodou. Pre výslednú hodnotu platí vzťah: BOD 5 dní = DO i DO f P kde DO i je počiatočná hodnota rozpusteného kyslíka (initial), DO f je konečná hodnota rozpusteného kyslíka (final) v tekutom odpade a P je korekcia na zriedenie: Voda II 6

7 P je korekcia na zriedenie: P = 5 dňový BOD test objem odpadovej vody objem odpadovej vody + riediacej vody = objem odpadovej vody celkový objem vody Ak štandardná BOD 5 nádoba má napríklad 300 ml, tak P bude objem odpadovej vody delený 300 ml. Voda II 7

8 Rôzne typy znečistenia V čom je rozdiel? Voda II 8

9 Reakčná konštanta Rýchlosť rozkladu organického odpadu je úmerná jeho aktuálnemu množstvu: dl(t) dt = kl(t) kde k je reakčná konštanta v [čas -1 ]. Reakčná konštanta je faktor, ktorý indikuje, akou rýchlosťou dochádza k biodegradácii odpadu. Tento proces je závislý od mnohých vplyvov ako sú pôvod odpadu, schopnosť rozložiť odpad baktériami a tiež teplota. Ak vezmeme do úvahy závislosť biodegradácie od teploty, potom platí: k = k 20 Θ T 20 kde k 20 je reakčná konštanta pri 20 C, k je reakčná konštanta pri teplote T a θ je teplotný koeficient, približne Voda II 9

10 Nitrifikácia (30 min) V čom je rozdiel? Organická látka+o 2 mikroorganizmy CO 2 +H 2 O+stabilné produkty 2NH 3 +3O 2 Nitrosomonas 2(NO 2 ) - +2H + +2H 2 O 2(NO 2 ) - +O 2 Nitrobacter 2(NO 3 ) - Voda II 10

11 Spotreba kyslíka v rieke Rýchlosť rozkladu organického odpadu je úmerná jeho aktuálnemu množstvu a spôsobuje deoxidáciu vody na určitom mieste jej toku. Pre deoxidáciu platí: deoxidácia = dl(t) dt = k d L t = k d L 0 e k dt keďže L t = L 0 e k dt kde k d je reakčná konštanta pre deoxidáciu, čiže tzv. deoxidačná konštanta v [čas -1 ] a L 0 je počiatočná hraničná spotreba kyslíka v mieste zmiešania riečnej a odpadovej vody (predpokladáme dokonalé premiešanie). Voda II 11

12 Spotreba kyslíka v rieke Ak predpokladáme dokonalé premiešanie, platí: L 0 = Q wastel waste + Q river L river Q waste + Q river Q waste a Q river sú prítok odpadovej vody a prietok rieky v mieste ústia odpadu v [m 3 /s] a L waste a L river sú hraničné spotreby kyslíka odpadovej a riečnej vody v [mg/l]. Je to analógia vzťahu hmotnostnej rovnováhy v ustálenom stave. C s Q s + C w Q w = C m Q m = C m (Q s + Q m ) prúd Q s,c s zmes Q m,c m odpad Q w,c w Voda II 12

13 Prevzdušnenie V prípade rieky je proces deoxidácie kompenzovaný (alebo čiastočne kompenzovaný) nasávaním kyslíka zo vzduchu cez povrch rieky. Tento proces sa nazýva prevzdušnenie a jeho rýchlosť je úmerná rozdielu medzi skutočným množstvom kyslíka rozpusteného vo vode a nasýteným množstvom kyslíka: Prevzdušnenie = k r D = k r DO s DO kde DO s a DO sú nasýtená a aktuálna hodnota množstva kyslíka rozpusteného vo vode. D je tzv. kyslíkový deficit. Konštantu úmernosti v tomto vzťahu nazývame konštanta prevzdušnenia. Konštanta prevzdušnenia je veľmi závislá od lokálnych podmienok v rieke. Rýchlo sa pohybujúci a plytký prúd vody bude mať oveľa vyššiu konštantu prevzdušnenia ako pomalý prúd alebo voda v rybníku. Platí empirický vzťah: Voda II 13

14 Konštanta prevzdušnenia Empirický vzťah pre konštantu prevzdušnenia: k r = 3.9 u H 3 kde k r je prevzdušňovacia konštanta pri 20 C v [1/deň], u je priemerná rýchlosť toku v [m/s] a H je priemerná hĺbka vody v [m]. Druhy vôd k r pri 20 C [deň -1 ] stojaté vody a rybníky veľké jazerá a pomalé prúdy rozsiahle prúdy prudké prúdy vodopády > 1.15 Voda II 14

15 Kyslíkový deficit(45 min) Deoxidácia spôsobená mikrobiálnym rozkladom odpadu a okysličovanie (prevzdušnenie) sú dva konkurujúce procesy. Kým deoxidácia kyslík odoberá, a teda zvyšuje kyslíkový deficit, oxidácia (prevzdušnenie) kyslík do vody dopĺňa, a teda znižuje kyslíkový deficit. Kvantitatívne to popisuje rovnica: dd dt = k dl 0 e k dt k r D Prvý člen na pravej strane rovnice popisuje deoxidáciu, ktorá exponenciálne klesá s časom tak, ako sa postupne rozkladá odpad vo vode. Druhý člen na pravej strane popisuje oxidáciu (prevzdušnenie) a je úmerný aktuálnej hodnote kyslíkového deficitu. Pri tečúcej rieke môžeme čas vyjadriť ako vzdialenosť podelenú rýchlosťou toku. Grafickým riešením tejto rovnice je (v skriptách je aj analytické vyjadrenie): Voda II 15

16 Klasická Streeter-Phelpsova rovnica grafické znázornenie Voda II 16

17 Kritický čas, kritický bod Rozpustený kyslík dosahuje minimum za určitý čas, za ktorý sa voda dostane na určité miesto (ako ho nájdeme?). Toto miesto nazývame kritický bod, v ktorom deoxidácia a prevzdušnenie sú vo vzájomnej rovnováhe. Za týmto bodom sa voda prirodzeným spôsobom zotavuje. Lokalizácia kritického bodu a jemu zodpovedajúce minimum rozpusteného kyslíka sú zvyčajne veľmi dôležité údaje, pretože v tomto bode sú najhoršie podmienky vo vodnom toku. Priebeh obsahu kyslíka je ovplyvňovaný mnohými ďalšími faktormi. Napríklad, ak stúpa teplota, deoxidácia narastá, ale rozpustnosť kyslíka klesá. Deoxidácia narastá aj pozdĺž rieky, pretože kaly, ktoré sa ukladajú na dne, spotrebovávajú taktiež kyslík. Riasy môžu pridávať kyslík v priebehu dňa v dôsledku fotosyntézy, ale v noci kyslík odoberajú. Ak vezmeme do úvahy tieto ako aj ďalšie faktory, na to, aby sme získali podrobný prehľad o stave vodného toku, by bolo potrebné vytvoriť oveľa podrobnejší, komplexnejší a matematicky náročnejší model. Voda II 17

18 Eutrofizácia vody Vo všetkých jazerách prebieha prirodzený proces ich starnutia eutrofizácia. Jej príčinou je postupné hromadenie bahna a organických látok v jazere. V novovzniknutom, tzv. oligotrofickom jazere je malé množstvo biogénnych látok a vodných rastlín. Komunálna odpadová voda, priemyselný odpad a voda kontaminovaná umelými hnojivami z poľnohospodárskej pôdy pridávajú do nej biogénne látky, čo podporuje tvorbu biomasy. V dôsledku nárastu biomasy sa voda stáva mútnou, obsahuje fytoplanktón. Pri rozpade organickej hmoty dochádza k deoxidácii, jazero sa pomaly premieňa na močiar. Eutrofizácia narastá vplyvom biogénnych látok obsiahnutých v odpade prichádzajúcom do jazera (dusík, fosfor, uhlík, síra, vápnik, horčík, draslík, mangán), z ktorých najdôležitejšie sú fosfor a dusík. Riasy získavajú dusík priamo z atmosféry. Ak chceme spomaliť eutrofizáciu, musíme sa zamerať na fosfor. Na produkciu určitého množstva rias potrebujeme 7-krát viac dusíka ako fosforu. Ak prekročíme koncentráciu P 0,015 mg/l a N 0,3 mg/l, vytvoríme dobré podmienky na tvorbu rias mg/l P sa považuje za akceptovateľnú, mg/l za prekročenú. Voda II 18

19 Problém fosforu Fosfor sa môže dostať do jazera z rôznych zdrojov, a to priamo priesakom z pôdy alebo zo zdrojov priemyselného a komunálneho odpadu. Odstraňuje sa: Odtokom z jazera; Usadzovaním do sedimentov. Rýchlosť usadzovania fosforu je približne v rozsahu 3-30 m/rok. (Kvantitatívna analýza je uvedená v skriptách) Voda II 19

20 Kvalita atmosférickej vody, kyslé dažde (60 min) Atmosférická voda tvorí vzdušnú vlhkosť. Rozpúšťajú sa v nej plyny a tuhé látky, ktoré sa nachádzajú v ovzduší. Celkové množstvo anorganických látok v atmosfére sa pohybuje od 10 do 150 mg/l. V priemyselných oblastiach sa tieto hodnoty pohybujú podstatne vyššie. Ide najmä o oxidy síry a oxidy dusíka, ktoré reagujú so vzdušnou vlhkosťou a vzniká kyselina sírová a kyselina dusičná. Tieto dve kyseliny sú hlavnými zložkami kyslých dažďov. Tieto sa môžu objavovať aj v značných vzdialenostiach od zdrojov exhalátov. Kyslé dažde môžu za určitých podmienok vylúhovať z pôdy toxické látky. Kovy a kyseliny sa najviac nahromadia v zimných mesiacoch v snehu a v ľade, takže najviac kontaminovaná je voda z topiaceho sa snehu v jarných mesiacoch. Takto znečistená voda má potom nepriaznivý vplyv na pôdu, vodné rastliny a živočíchy. Voda II 20

21 Pitná voda Veľa chorôb, ktoré sa vyskytujú vo svete, pochádza z nedostatku pitnej vody alebo z nezdravej vody. Zabezpečenie dodávky zdravej pitnej vody si vyžaduje koordináciu viacerých zložiek, ako sú vedecké pracoviská, výskumníci, hydrológovia a regulačné orgány. Z fyzikálnych vlastností pitnej vody sa hodnotí vzhľad, pach, chuť a teplota. Z mikrobiologického hľadiska sú prípustné limitované množstvá mezofilných a koliformných baktérií. Fekálne znečistenie musí byť negatívne. Obsah dusičnanov nemá prekročiť 50 mg/l pre dospelých a 15 mg/l pre deti. Pri vyšších množstvách sa prejavuje toxicita dusičnanov, ktorá spočíva v ich účinku po redukcii na dusitany. Dusitany reagujú s hemoglobínom a vytvára sa metamoglobín, ktorý na rozdiel od hemoglobínu neprenáša kyslík. To vedie k nedostatočnému okysličeniu tkanív a orgánov, čo sa prejavuje sivomodrým zafarbením pier, zvýšeným pulzom a črevnými ťažkosťami. Takéto ochorenie sa nazýva methemoglobinémia. Zvlášť nebezpečné je u dojčiat, ktoré ešte nemajú vyvinutý enzýmový systém, ktorý premieňa metamoglobín na hemoglobín. Voda II 21

22 Rozbor pitnej vody mikrobiologické parametre Voda II 22

23 Rozbor pitnej vody chemické parametre Dusičnany... NO 3 - Dusitany... NO Voda II 23

24 Úprava pitnej vody Mechanická zábrana odstránenie rozptýlených mechanických častíc. Miešanie pridávanie chemikálií, ktoré podporujú koaguláciu malých častíc na väčšie častice, aby sa lepšie usadzovali. Flokulácia proces vytvárania väčších častíc - flokúl. Odstránenie malých častíc, ktoré sa nedajú zachytiť bežným filtrovaním. Ako koagulant sa často používa [Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O]. Voda II 24

25 Úprava pitnej vody pokračovanie (75 min) Sedimentácia (1 až 10 hodín), pravidelné odstraňovanie tuhých zložiek, ktoré sa usadzujú na dne sedimentačného bazéna. Pieskové filtre niekoľko vrstiev piesku naložených na vrstve štrku. Dezinfekcia vody odstraňovanie patogénnych organizmov. Na dezinfekciu sa najčastejšie používa chlórovanie. Voda II 25

26 Dezinfekcia vody Pridávanie chlóru do vody spôsobuje reakciu: Cl 2 + H 2 O HClO + HCl pričom vzniká kyselina chlórna a kyselina chlórovodíková. Obidve čiastočne disociujú na H + a ClO - respektíve na H + a Cl -. Hlavnou výhodou chlórovania je, že chlór zostáva vo vode aj po opustení čistiacej linky. Nevýhodou chlórovania je možnosť tvorby trihalometánov, ako je napríklad chloroform (CHCl 3 ). Tieto vznikajú vtedy, ak voda obsahuje organické substancie ako napríklad rozkladajúce sa rastliny. Jedným z alternatívnych dezinfekčných prostriedkov je ozón. Ozón pôsobí dokonca efektívnejšie proti cystám a vírusom ako chlór a je bez chuti a nepríjemného zápachu. Ozónovanie je však oveľa drahšie ako chlórovanie. Voda II 26

27 Úprava tvrdej vody Ak sú vo vode prítomné katióny hlavne vápnika a horčíka, označujeme takúto vodu ako tvrdú. Ak sa tvrdá voda zohrieva, vznikajú uhličitan vápenatý (CaCO 3 ) a hydroxid horečnatý [(Mg(OH) 2 ], ktoré tvoria tzv. vodný kameň. Tvrdosť všeobecne je definovaná ako koncentrácia všetkých viacmocných iónov v roztoku. Okrem vápnika a horčíka sú to aj železo, mangán, stroncium a hliník, ktoré sa však zvyčajne vyskytujú vo vode v menších množstvách. Tvrdosť sa meria v jednotkách mmol/l. Povrchová voda (na rozdiel od podzemnej) zvyčajne nebýva tvrdá, preto zariadenia na jej zmäkčovanie nebývajú štandardnou súčasťou úpravy vody. Opakom je podzemná voda, ktorá býva zvyčajne veľmi tvrdá. Existujú dva spôsoby ako vodu zmäkčiť: pridávanie vápnika vo forme CaO alebo Ca(OH) 2. Týmto stúpne hodnota ph (zopakovať kyslosť a zásaditosť) a mení rozpustné ióny HCO 3- na nerozpustné CO Voda II 27

28 Úprava tvrdej vody (koniec) Existujú dva spôsoby ako vodu zmäkčiť: pridávanie vápnika vo forme CaO alebo Ca(OH) 2. Týmto stúpne hodnota ph (zopakovať kyslosť a zásaditosť) a mení rozpustné ióny HCO 3- na nerozpustné CO iónovou výmenou v procese iónovej výmeny prechádza tvrdá voda cez kolónu, ktorá obsahuje drobné guľky zo živice, ktorá na seba viaže Ca 2+ a Mg 2+ ióny z vody. Voda II 28