Petnaesto predavanje. Hemija životne sredine I (T. Anđelković)

Transcript

1 Petnaesto predavanje Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 1

2 CILJEVI PREDAVANJA Prirodna organska materija vode sastav, poreklo, koncentracija BPK HPK TOC ISHODI PREDAVANJA Na kraju predavanja student će biti osposobljen da: objasni poreklo prirodne organske materije objasni sastav i koncentraciju organske materije u vodi objasni BPK, HPK i TOC metodu analize organske materije. Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 2

3 Organski matriks prirodnih voda se sastoji od prirodnih organskih jedinjenja (samo u izuzetnim slučajevima antropogeni polutanti dominiraju). Ne predstavljaju zagađivač u klasičnom smislu reči, ali troše veliku količinu oksidanata i koagulanata u procesu prečišćavanja vode, vezuju se za hidrofobne polutante i teške metale uvećavajući njihovu rastvorljivost, puferuju vode niske alkalnosti, utiču na biološku aktivnost. Prisustvo huminskih materija u vodi koja služi za vodosnabdevanje je nepoželjno iz više razloga: 1) Huminske materije čine vodu obojenom dajući joj žuto-mrki ton. 2) Tokom hlorisanja vode ove materije su prekursori u stvaranju potencijalno opasnih trihalometana i većeg broja organohlornih jedinjenja. 3) Tokom koagulacije stabilizuju dispergovane i koloidne čestice. 4) Tokom ozonizacije se transformišu u biodegradabilna organska jedinjenja i zbog toga povećavaju rast mikroorganizama u distribucionom sistemu. 5) Mogu negativno da utiču na adsorpciju drugih polutanata na granulovanom aktivnom uglju, a kada se nalaze u većim koncentracijama talože se u distribucionom sistemu.

4 Organska materija vode po svojoj prirodi se može podeliti na onu koja ulazi u sastav živih bića u vodi i na organske materije koje prestavljaju proizvode životne aktivnosti i razlaganja izumrlih organizama. Pri koncentracijama DOC koje su veće od 20 mgl 1, huminske supstance postaju vidljive golim okom, dajući žutu boju prirodnim vodama. Koncentracija HS pokazuje tendenciju direktne proporcionalnosti apsolutnoj vrednosti DOC. U vodama sa neizraženom bojom (npr., oligotrofna jezera) 25% rastvorenog ugljenika potiče od HS, dok kod jako obojenih voda (npr., močvarne vode) ta vrednost može biti 90%. Obično su 85% huminskih supstanci fulvo kiseline, a preostalih 15% huminske kiseline.

5 Velika sličnost koja postoji između akvatičnih i terestričnih huminskih supstanci ukazuje na zemljišno, terestrično poreklo barem jednog dela akvatične huminske materije. Izvori huminskih supstanci, mogu biti grupisani u: alohtone, koji ulaze u akvatični sistem iz zemljišta i autohtone, koji potiču iz samog vodenog tela i to alga, bakterija itd. koje rastu u vodi. Veći deo DOC-a potiče od degradacionih proizvoda organskih ostataka koji se izlužuju iz zemljišta i transportuju podzemnim vodama i potocima.

6 Huminske supstance u rekama su alohtonog porekla, potiču iz izvora van vodenog tela, kao što je zemljište i teretrične biljke. Huminske supstance jezera mogu biti i alohtonog i autohtonog porekla. Autohtoni izvori, na prvom mestu alge, postaju glavni izvor ukoliko je jezero veće. U analizama rečne i jezerske organske materije izražavanje koncentracije TOC (engl. Total Organic Carbon - ukupni organski ugljenik) se pokazalo nepotpunim kod analize nefiltriranih uzoraka vode, jer nije poznata frakcija TOC-a koja je prisutna u čestičnoj formi. Stoga je uveden termin DOC (engl. Disolved Organic Carbon rastvoreni organski ugljenik) i POC (engl. Particulate Organic Carbon - čestični organski ugljenik), pri čemu je arbitrarno uzeto da je granica između ovih vrednosti 0.45μm. DOC čine organski molekuli i makromolekuli kao što su HS, lignin, tanin, ugljeni hidrati, amino kiseline, proteini, masne kiseline, dok POC vrednost uključuje bakterije, fito i zooplankton.

7 Kao mera sadržaja organskih materija u otpadnoj vodi određuju se: biološka potrošnja kiseonika (BPK), hemijska potrošnja kiseonika (HPK), ukupni organski ugljenik (TOC). Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 7

8 Mera sadržaja biorazgradljivih komponenata u otpadnoj vodi. BPK je količina kiseonika potrebna da se izvrši biološka oksidacija prisutnih biološki razgradljivih sastojaka vode. BPK se najčešće određuje u toku pet dana na temperaturi od 20 C (BPK5), pri čemu se smatra da se tom analizom obuhvata oko 60-70% biorazgradljivih organskih materija. BPK predstavlja količinu kiseonika koju potroše mikroorganizmi pri prirodnom aerobnom samoprečišćavanju u vodi. Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 8

9 U praksi se određuje ili potpuna BPK ili za period od 21 dan (BPK21), ali kako je proces najintenzivniji prvih pet dana, najčešće se određuje vrednost za 5 dana (BPK5). Metode za određivanje BPK: metoda razblaživanja, manometarska metoda, Kulometrijska metoda. Određivanje BPK vrednosti se sastoji u pripremanju smeše otpadne vode, mikroorganizama i rastvorenog kiseonika i njenog stavljanja u specijalnu zatvorenu posudu tačno poznate zapremine BPK-bocu i merenju utrošene količine kiseonika u funkciji vremena. Kada promena koncentracije rastvorenog kiseonika sa vremenom postane jednaka nuli kao rezultat se dobija potpuna ili ukupna BPK (BPKP).

10 BPK karakteriše biološku aktivnost otpadnih voda i predstavlja glavni pokazatelj zagadjenosti otpadnih voda. Pojedine komponente ne oksidišu do CO2 pri biološkoj reakciji, pa je potrebna manja masa kiseonika u odnosu na vrednost odredjenu stehiometrijskim proračunima veličine HPK. Na primer, biološka reakcija oksidacije glukoze završava se nakon potrošnje 150 g O2 po molu glukoze, dok HPK vrednost iznosi 192 g O2 po molu glukoze. Prisutnost biološki nerazgradivih materija u otpadnoj vodi manifestuje se većom vrednošću HPK u odnosu na BPK.

11 U biološki nerazgradive organske materije spadaju: celuloza, ugljena prašina, lignin, tanin i većina sintetičkih organskih jedinjenja. Odnos HPK/BPK5 karakteristika je pojedine otpadne vode, i u zavisnosti od sastava može biti različit i utvrđuje se laboratorijskim postupcima.

12 Glavne komponente mikrobiološke populacije pri određivanju BPK su bakterije i protozoe, pri čemu se ove druge prvenstveno hrane bakterijama, odnosno imaju ulogu sekundarnih potrošača. Biohemijska oksidacija organske materije je vrlo spor proces i teorijski bi bilo potrebno beskonačno dugo vreme da se ona potpuno završi. Međutim, za 20 dana biva oksidisano 95 do 99% prvobitno prisutne organske materije. Pošto je i to, sa praktične strane gledišta, vrlo dug vremenski period usvojeno je da inkubacioni period pri standardnom određivanju BPK bude 5 dana, pri čemu se, na temperaturi od 20 C, oksidiše 60-70% prvobitno prisutne organske materije (BPK5).

13 Prva faza u kojoj dolazi do oksidacije ugljenika do CO2 i vodonika do vode traje relativno kratko vreme 7-10 dana. Druga faza u kojoj azot oksiduje do nitrita, a zatim do nitrata - nitrifikacija, traje znatno duže vreme. Krive BPK za azot (1) i ugljenik (2)

14 Sa porastom temperature vode, raste i brzina potrošnje kiseonika, odnosno biohemijska oksidacija. Biohemijska potrošnja kiseonika u zavisnosti od vremena za tri različite temperature, 1 - prva faza, 2 - druga faza.

15 Količina kiseonika koju mikroorganizmi troše za potpunu oksidaciju ugljenika i vodonika do ugljendioksida i vode zove se potpuna biohemijska potrošnja kiseonika (BPKpot). U opštem slučaju vrednost BPK proporcionalna je količini ugljenika i vodonika u organskoj materiji, odnosno koncentraciji organske materije. BPK je osnovni pokazatelj koji služi i kao indikator pretpostavljenog uticaja zagadjenih voda na vodu prijemnika u kome dolazi do sniženja sadržaja rastvorenog kiseonika. Kao pravilo važi da se kod odredjivanja stepena prečišćavanja zagadjenih voda na postrojenjima u efluentu postigne takva BPK vrednost koja neće smanjiti sadržaj rastvorenog kiseonika nizvodno u vodotoku (recipijentu).

16 BPK se izražava u mg/l, g/m3, g/(st d), g/d. Za gradske kanalizacione vode vrednost BPK5 izražena po stanovniku i danu iznosi oko 60 g/(st dan). Deo BPK5 od učešća rastvorenih materija iznosi 40 g/(st dan), a od učešća suspendovanih iznosi 20 g/(st dan). Za specifičnu potrošnju vode izraženu po stanovniku i danu qsp = 200 l/(st dan) dobija se vrednost za ukupno opterećenje gradskih kanalizacionih voda koje izraženo preko BPK5 iznosi 300 g/m3.

17 Mera organskog opterećenja vode i predstavlja pokazatelj zagadjenosti otpadnih voda. HPK je količina kiseonika potrebna da se izvrši oksidacija svih oksidabilnih materija (organskih komponenata i neorganskih soli) hemijskim putem. HPK se najčešće izražava potrošnjom O2 u mg/l. Laboratorijsko odredjivanje HPK vrši se dihromatnom oksidacijom u jako kiselom rastvoru. Izmerene vrednosti su obično manje od teorijskih. Najbolji pokazatelj koncentracije organskih komponenata je teorijska vrednost HPK, koja odgovara količini kiseonika potrebnoj za oksidaciju organskog ugljenika. Odredjuje se na osnovu stehiometrijskih jednačina reakcija oksidacijeorganskih komponenata poznatog hemijskiog sastava. HPK karakteriše oksidacija komponenata samo u CO2, H2O i NH3. Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 17

18 HPK otpadne vode predstavlja količinu dihromata (K2Cr2O7) redukovanu uzorkom tokom 2h refluktovanja u prisustvu 50% H2SO4 i Ag2SO4 kao katalizatora.

19 Sva organska jedinjenja koja se nalaze u komunalnim otpadnim vodama mogu se zbirno reprezentovati hemijskom formulom C10H19O3N. Hemijski potrebna količina kiseonika (HPK) može se odrediti na osnovu reakcije potpune oksidacije C10H19O3N: 2 C10H19O3N + 25 O2 = 20 CO2 + 2 NH H2O

20 Masa O2 potrebna za oksidaciju 1 kg C10H19O3N je: Hemijski potrebna količina kiseonika HPK je: Poslednja jednačina se koristi za određivanje koncentracije organskog zaprljanja u vodi preko podatka o HPK:

21

22 Mera sadržaja organski vezanog ugljenika u vodi. TOC u površinskim vodama potiče usled razlaganja prirodne organske materije (NOM) i iz sintetičkih izvora. Huminske kiseline, fulvo kiseline, amini i urea predstavljaju česte vidove NOMa. Deterdženti, pesticidi, đubriva, industrijske hemikalije i hlorisane organske supstance predstavljaju sintetičke organske hemikalije. Stupanjem na snagu Safe Drinking Water Act, TOC se javlja kao brz i precizan pokazatelj kvaliteta nasuprot BPK i HPK. Određuje se merenjem količine CO2 nastalog oksidacijom organskog ugljenika. Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 22

23 Ukupni ugljenik TC Ukupni neorganski ugljenik TIC PIC Ukupni organski ugljenik TOC DIC POC NPOC DOC Hemija životne sredine I (T. Anđelković) PtOC 23

24 Ukupni ugljenik Total Carbon (TC) sav ugljenik u uzorku, koji uključuje i neorganski i organski ugljenik. Ukupni neorganski ugljenik Total Inorganic Carbon (TIC) neorganski ugljenik u formi karbonata, bikarbonata i rastvorenog CO2. Ukupni organski ugljenik Total Organic Carbon (TOC) supstance koje potiču od raspadanja vegetacije, bakterijskog rasta, metaboličkih aktivnosti organizama. Neisterljiv organski ugljenik Non-Purgeable Organic Carbon (NPOC) organski ugljenik koji zaostaje u kiselom uzorku nakon propuštanja gasa kroz uzorak. Isterljiv (isparljiv) organski ugljenik Purgeable (volatile) Organic Carbon (POC) organski ugljenik koji je uklonjen iz neutralnog ili kiselog uzorka propuštanjem inertnog gasa. Ovo su iste supstance koje se nazivaju isparljive organske supstance (volatile organic compounds VOC). Rastvoreni organski ugljenik Dissolved Organic Carbon (DOC) organski ugljenik koji zaostaje u uzorku nakon filtriranja uzorka kroz 0.45 μm filter. Suspendovani organski ugljenik Suspended Organic Carbon takođe se zove i čestični organski ugljenik (PtOC); ugljenik u čestičnoj formi koja je suviše velika da prođe kroz filter. Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 24

25 Određivanje TOC-a je značajno zbog: TOC je mera kontaminacije uzorka organskih materija i stepena biodegradacije organskih materija prisutnih na površini vode. Nivo TOC-a je veoma koristan za određivanje efikasnosti tretmana čistih i otpadnih voda.

26 Instrument firme Shimadzu služi za mjerenje koncentracije ugljenika u uzorcima vode. Radi na principu samostalnog uzimanja mikrolitarskih kolicina vode, njihovom spaljivanju u peći na temperaturi od 680 C gde se uzorak pretvara u gasovito stanje, te prolaskom nastalih gasova kroz detektor za CO2 koji beleži nastalu količinu istog. Daljim računskim konverzijama dobija se rezultat sadržaja ugljenika sadržanog u uzorku. Instrument ima mogućnost određivanja 4 različite modifikacije rastvorenog ugljenika u vodi i to: 1. ukupni ugljenik 2. neorganski ugljenik 3. NPOC- non-purgeable organic carbon Za pripremu uzorka koristi se samo zakiseljavanje na ph 2-3 kojim se neorganski ugljenik u obliku hidrogenkarbonata i karbonata prevede u CO2 koji se zatim na instrumentu izdvoji gasom. Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 26

27 Primenom odgovarajuće spetroskopske metode moguće je određivanje ukupnog sadržaja UV apsorbujućih komponenata vode (UV/VIS spektrofotometrija), ukupnih masti, ulja, ugljovodonika poreklom iz nafte (IR spektroskopija), površinski aktivnih supstanci kao i dr. komponenti koje apsorbuju zračenje u datom delu spektra.

28 Predstavlja jednu od metoda koja se zasniva na osobini molekula da apsorbuje elektromagnetno zračenje. UV/VIS spektrofotometrijskom tehnikom moguće je odrediti široku paletu organskih jedinjenja i to: alifatične, aromatične i poliaromatične ugljovodonike, fenole, anjonske i katjonske površinski aktivne komponente, zasićene alifatične halogene komponente, huminske, fulivinske kiseline, odnosno sve organske komponente koje izraženo apsorbuju zračenje u ovom delu spektra.

29 UV/VIS spektrofotometrija ima značajnu primenu u cilju karakterizacije u okviru analize vode. U praksi je veoma rasprostranjenjo merenje intenziteta apsorbcije zračenja na 254 nm. Često se primenjuje i specifična apsobcija koja predstavlja vrednost UV apsorbcije po mg/l TOC.

30 Syringe Sample Inlet Furnace CO2 Detector Condensor O2 Recorder

31 Syringe Sample Inlet CO2 Detector Recorder Condensor UV Reactor O2 Persulfate Solution

32 Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 32

33 Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 33

34 Platino kobaltnom skalom se određuje boja vode. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 34

35 Dozvoljena vrednost turbiditeta za pijaću vodu je 10,0 NTU. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 35

36 Porastom mutnoće vode, koncentracija kiseonika u vodi raste. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 36

37 Elektroprovodljivost vode se izražava u omima. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 37

38 Disanje i razlaganje OM u vodi snižava ph vode. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 38

39 Alkalitet se meri titracijom uzorka bazom. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 39

40 Na ph 8 dobija se karbonatni alkalitet a ukoliko se titracija nastavi do ph 4.5, dobija se ukupni alkalitet. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 40

41 Ukupni neorganski ugljenik vode je neorganski ugljenik u formi karbonata, bikarbonata i rastvorenog CO2. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 41

42 Količina od 8 ppm O2 u vodi je neprihvatljiva za većinu akvatičnih organizama. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 42

43 Voda koja pokazuje BPK manju od 2 ppm, može se smatrati da je zagađena. Tačno Netačno Hemija životne sredine I (T. Anđelković) 43