Ρύπανση Υδάτων και Εδαφών Ενότητα 1η: Δειγματοληψία και παράμετροι ελέγχου των φυσικών νερών Τσικριτζής Λάζαρος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης
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
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
Σκοποί ενότητας Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας οι φοιτητές θα πρέπει να: σχεδιάζουν μια δειγματοληψία νερού και να επιλέγουν τους κατάλληλους δειγματολήπτες. γνωρίζουν τις παραμέτρους ελέγχου ποιότητας του νερού. γνωρίζουν τις φυσικές ιδιότητες του νερού και πώς αυτές επηρεάζουν την κατάσταση των υδάτων, τα φαινόμενα στρωματοποίησης κλπ. 4
Περιεχόμενα ενότητας Φύση και σύσταση των υδάτων, ιδιότητες. Στρωματοποίηση λιμνών. Κατηγορίες υδάτων. Παράμετροι ελέγχου υδάτων και υγρών αποβλήτων. Δειγματοληψία υδάτων. Mεταφορά συντήρηση δειγμάτων. 5
Χημική ρύπανση των υδάτων Ρύπανση νερού = Απόκλιση από τη φυσική κατάσταση ή από τις απαιτήσεις χρήσης. Σχετικότητα του όρου. Πχ το πόσιμο νερό αν έχει NaCl είναι ρυπασμένο, ενώ το θαλασσινό όχι. Νερό: ποτέ χημικώς καθαρό στη φύση (ούτε η βροχή). Αιτίες : υψηλή διαλυτότητα και διηλ. σταθερά. Επιφανειακά νερά: περισσότερα άλατά, πιο σκληρά. Χρήσεις: πόσιμο/άρδευση /βιομηχανία/ ψυχαγωγία/ υδρόβια ζωή. 6
Φυσικά χαρακτηριστικά νερού Διηλεκτρική σταθερά διαλυτότητα + ιονισμός. Υψηλή θερμοχωρητικότητα αργές αλλαγές θερμ/σίας. Μεγάλη θερμότητα εξάτμισης διατήρηση θερμ/σίας και στον περίγυρο. Μέγιστη πυκνότητα στους 4 0 C επίπλευση πάγων «μόνωση» - ανακυκλοφορία. μεταφορά θρεπτικών. στρωματοποίηση. 7
Στρωματοποίηση λιμνών (1/4) Θέρος : επιλίμνιο υπολίμνιο θερμοκλίνη. Επιφανειακή θέρμανση μικρή πυκνότητα όχι ανάμειξη διαφορετική συμπεριφορά. Επιλίμνιο: πολύ Ο 2 ήλιος άλγες. Υπολίμνιο: αντίθετη εικόνα. Φθινόπωρο: σταδιακή ψύξη επιλιμνίου ίδια θ. ομογενοποίηση αναστροφή (overturn). 8
Στρωματοποίηση λιμνών (2/4) Xειμώνας: βύθιση ψυχρών άνοδος θερμών / υπέρψυξη πάγος (μόνωση) στρωματοποίηση. Άνοιξη: εαρινή αναστροφή. 9
Στρωματοποίηση λιμνών (3/4) Ευτροφικές: βιολογική παραγωγή, λίγο Ο2, θολές. Ολιγοτροφικές: λίγα θρεπτικά (Ν, Ρ), πολύ Ο2, διαυγείς. Δυστροφικές λίμνες: σήψη, αναερόβιες, χαμηλό ph. 10
Στρωματοποίηση λιμνών (4/4) Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). 11
Κατηγορίες νερών παράμετροι ελέγχου Φυσικά νερά σταθερή σύσταση διαχρονικά. Κατηγορίες νερών (Πίνακας). Παράμετροι ελέγχου. Οργανοληπτικές. Φυσικοχημικές. Βιολογικές. Μικροβιολογικές. Ραδιολογικές. Ειδικές. 12
Δειγματοληψία νερών (1/2) Σημασία. Σωστή σχεδίαση. Κανόνες: Σημεία δειγματοληψίας. Παράμετροι. Δοχεία. Κατεργασία συντήρηση δειγμάτων. Μετρήσεις πεδίου. 13
Δειγματοληψία νερών (2/2) Ορολογία: Location. Sampling point. Source. Grab or Catch sample. Composite sample (ίδιο σημείο, διαφορετικοί χρόνοι) Integrated sample (διαφορετικά σημεία στον ίδιο χρόνο). 14
Μεταφορά και συντήρηση δειγμάτων (1/2) Pyrex, PET, Teflon, Plexiglass. Προσρόφηση / Προσμίξεις υλικού. Μειονεκτήματα γυάλινων δοχείων. Ιοντο-ανταλλαγή. Μεταβολή ιόντων SiO3 2- F -. Μικρή αύξηση ph. Εύθραυστα. 15
Μεταφορά και συντήρηση δειγμάτων (2/2) Μειονεκτήματα πλαστικών δοχείων. Όχι οργανικά (φυτοφάρμακα, PAHs κλπ). Σχολαστικός καθαρισμός. Τύποι δοχείων (Επίδειξη στο Εργαστήριο). (μηχανισμοί για ανάδευση και για διαλυμένα αέρια). 16
Δοχεία δειγματοληψίας Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). 17
Συντήρηση δειγμάτων (1/2) Παράμετροι ελέγχου. Σταθερές, Συγκέντρωση =σταθερή (οργανοχλωριομένα, θειικά, βορικά). Μεταβλητές (φωσφορικοί εστέρες, φαινόλες). Ψύξη και κατάλληλες προσθήκες (Πίνακας). Διήθηση 0,45 μm. Ηθμός μέταλλα κ.α. μετά από διαλυτοποίηση. Διήθημα. 18
Συντήρηση δειγμάτων (2/2) Μετρήσεις πεδίου. Θερμοκρασία/ Γεύση/ Οσμή / Θολερότητα. ph / δυναμικό οξειδοαναγωγής/ Αλκαλικότητα. ΝΟ2 -, ΗS -, Fe ++, I -. DO. 19
Δοχεία και διατήρηση δειγμάτων Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). 20
Τεχνικές δειγματοληψίας νερών Δείγματα επιφανείας (απλή τεχνική). Δοχεία ανοιχτά και πωματιζόμενα. Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). Δοχεία συλλογής επιφανειακών δειγμάτων νερού. Δείγματα βάθους. Δοχεία ειδικά (βαρίδι/ πλέγμα/ πώμα με μηχανισμό / σχοινί. Δοχεία κυλινδρικά με ανοιχτά τα δύο άκρα +θερμόμετρο. Αυτόματοι δειγματολήπτες 24ωρα δείγματα. 21
Δοχεία για υπο-επιφανειακά δείγματα (1/2) Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). 22
Δοχεία για υπο-επιφανειακά δείγματα (2/2) Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). Δειγματολήπτες υπό-επιφανειακών δειγμάτων νερού. 23
Αυτόματοι δειγματολήπτες Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). 24
Δειγματοληψία λιμνών Σημεία / βάθη (χάρτης) / συχνότητα/ παράμετροι. Πλωτό μέσο αντίθετα στον άνεμο. Νερά / Ιζήματα/ Βιολογικά δείγματα. 25
Δειγματοληψία ποταμών Μεταβολή παραμέτρων. χωρική (μήκος και μερικές φορές πλάτος). και χρονική (μετά από λιπάνσεις εδαφών). Στις διακλαδώσεις. Σύνθετο (Composite) αναλογικό δείγμα. Επιλογή sampling points με κριτήρια: Λεκάνη απορροής. Παραπόταμοι. Αποχετεύσεις οικισμών. Σημεία υδροληψίας. 26
Δειγματοληψία ιζημάτων (1/2) Ιζήματα: Υδαρής μάζα βυθού. Προέλευση: Φερτές ύλες, κυρίως ανόργανες. Δειγματολήπτες. 1. Κατακόρυφοι κυλινδρικοί με βαρίδι και δύο πώματα. 2. Οριζόντιοι με πλάγιες πόρτες. 3. Ειδικοί σωλήνες για σκληρούς βυθούς (cediment cores). 27
Δειγματοληψία ιζημάτων (2/2) Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). 28
Δειγματοληψία βιολογικών δειγμάτων Φυτοπλαγκτόν, Ζωοπλαγκτόν. 1. Ανοιχτά δοχεία με αντλία για δείγμα νερού +πλαγκτού (Διαχωρισμός στο Εργαστήριο). 2. Δοχεία με πλέγμα για διαχωρισμό πλαγκτού in situ. Βένθος (φυτικοί και μη κινητοί ζωικοί οργανισμού βυθού). Σάκος με πλέγμα και βαρίδι. Νεκτόν (ιχθείς, όστρακα). Αλιευτικά εργαλεία. 29
Δειγματοληψία υπόγειων νερών (1/2) Λόγοι και σημεία δειγματοληψίας. Πηγές / πηγάδια / γεωτρήσεις / ορυχεία. Δειγματοληψία από επιφανειακές πηγές: Απλή Δειγματοληψία από γεωτρήσεις. Από την έξοδο (σύνθετα). Από διάφορα βάθη (πιεζομετρικοί σωλήνες). 30
Δειγματοληψία υπόγειων νερών (2/2) Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). 31
Δειγματοληψία νερού εδάφους Λυσίμετρα : δημιουργία κενού /απόσπαση κάθε είδους νερού (υγροσκοπικού - τριχοειδούς - διηθητού). Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). 32
Δειγματοληψία βροχής Λόγοι (κατανόηση ατμοσφαιρικής ρύπανσης). Event sampling (μέχρι και κάθε ώρα). Accumulative sampling (εβδομαδιαία, μηνιαία). Καταγραφή έντασης, ύψους, προέλευσης. Επιλογή θέσης. όχι επιμολύνσεις, (πχ CaCO3, NH3). Μικρό ιοντικό φορτίο. Μια σταγόνα ιδρώτα τριπλασιάζει τα ΝαCl σε ένα λίτρο. Άμεση ανάλυση. 33
Δειγματολήπτες βροχής (1/2) Μικτοί δειγματολήπτες (bulk collectors). Μη αυτόματοι, ανοιχτοί. Σωρευτική λήψη υγρής και ξηρής απόθεσης. Μειονέκτημα η επιμόλυνση από επαναιώρηση. Δειγματολήπτες βροχής (wet only collectors). Κάλυψη με καπάκι που απομακρύνεται όταν βρέχει με αισθητήρα υγρασίας. Δειγματολήπτες βροχής-πίπτουσας σκόνης. Δύο παράλληλα δοχεία (βροχής σκόνης). Διήθηση υγρής φάσης για απομάκρυνση των SS της βροχής - διατήρηση στους 4 0 C. Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά (1994). 34
Δειγματολήπτες βροχής (2/2) Πηγή: Κουιμτζής και Σαμαρά(1994). 35
Παράμετροι οργανοληπτικού ελέγχου Οσμή (ενεργός άνθρακας). Υποκειμενική εκτίμηση (πόσιμο / υγρά απόβλητα). Γεύση. Οφείλεται στην παρουσία αλάτων MgSO4 κλπ. Οργανικές ενώσεις + χλώριο. Ιχθυοκαλλιέργειες τροφική αλυσίδα. Χρώμα. Στα επιφανειακά νερά (λόγω χουμικών), Στα υπόγεια νερά (λόγω οξειδίων). Χρώμα και Φαινομενικό (apparent) χρώμα. Συγκριτική οπτική μέθοδος (χρώμα Δ. λευκοχρυσου 1mg/L). Φασματοφωτομετρική μέθοδος. 36
ΧΡΩΜΑ: οπτική μέθοδος Εκτέλεση. Πρότυπα διαλύματα Pt-Co με διάφορες συγκεντρώσεις. Κάθετη παρατήρηση σωλήνων- Σύγκριση. Όρια. Πόσιμο < 20 μονάδες (ΕΕ) στην πράξη 1 μονάδα. Απόβλητα < 75 μονάδες (Ν.Α.Θεσ/νίκης.) Έντονο Χρώμα: συνήθως ένδειξη ρύπανσης. Ερυθρό: μειωμένη φωτοσύνθεση. 37
Θολερότητα (1/2) Ανεπιθύμητη. Αίτια: Σωματίδια, πλαγκτόν, υπολείμματα. Μέθοδος Νεφελομετρίας. Θολερότητα ανάλογη του σκεδασμού του φωτός. 38
Θολερότητα (2/2) Μέθοδος. 1. Πρότυπο διάλυμα γνωστής θολερότητας (φορμαζίνη κλπ) 500 NTU (nephelometric turbidity units). 2. Παρασκευή προτύπων διαφορετικής θολερότητας. 3. Μέτρηση έντασης σκεδαζόμενου φωτός. 4. Σχεδίαση καμπύλης αναφοράς. 5. Σύγκριση (σε λευκή επιφάνεια κάθετα). ΟΡΙΑ. ΝΤU >10 ακατάλληλο για πόση. Αυξημένος ευτροφισμός περιορισμένη φωτοσύνθεση. 39
Στερεά (1/2) Ολικά στερεά ΤS (total solids). Εξάτμιση / Ζυγίσεις μετά από ξήρανση / Αναγωγή σε mg/l. Αιωρούμενα στερεά SS (suspended solids). Ευρίσκονται σε λεπτό διαμερισμό. Διήθηση υπό κενό με ηθμό 0,45 μm/ Ζυγίσεις μετά από ξήρανση / Αναγωγή σε mg/l. Χρησιμοποιείται πολύ στα υγρά απόβλητα. 40
Στερεά (2/2) Ολικά διαλυμένα στερεά ΤDS. Διήθηση υπό κενό με ηθμό 0,45 μm. Εξάτμιση του διηθήματος / Ζυγίσεις μετά από ξήρανση / Αναγωγή σε mg/l. Χρησιμοποιείται πολύ στο πόσιμο νερό. Όριο τα 1500 mg/l, συνήθως 300-400 mg/l. Καθιζάνοντα στερεά SSS (Settable SS). Αιωρούμενα που καθιζάνουν μόνα τους. Ογκομετρικός προσδιορισμός. Φιάλη Imhoff, 45min + 15 min, V= Σταθμικός προσδιορισμός. Διαφορά (αιωρ. + καθιζ.) αιωρ. 41
Έκφραση αποτελεσμάτων (1/2) mg/l. Αν C<0,1 mg/l τότε χρήση μg/l. Αν C > 0,1 mg/l τότε χρήση g/l ή %. ppm part per million (= mg/l) αν d=1. Διόρθωση σε στερεά δείγματα ή σε υγρά με d 1 ppm w/w = mg/l /d % w/w = mg/l /10000. d. 42
Έκφραση αποτελεσμάτων (2/2) Στις αναλύσεις νερών meq/l. (χιλιοστο-ισοδύναμα milli - equivalent). meq/l = (mg/l ) x (Σθένος/ΑΒ ή ΜΒ). Παραδείγματα υπολογισμών. 43
Βιβλιογραφία (1/2) Τεχνολογίες αποκατάστασης εδαφών και υπογείων υδάτων από επικίνδυνους ρύπους, Ε. Γιδαράκος, Μ. Αιβαλιώτη, Εκδόσεις Ζυγός, Θεσσαλονίκη, 2005. Μέθοδοι ελέγχου ρυπάνσεως περιβάλλοντος, Γ.Σ. Βασιλικιώτης, Κ.Κ. Φυτιάνος., Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 1986. Έλεγχος ρύπανσης περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Σαμαρά Κωνσταντίνου, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 1994. Χημεία Περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Φυτιάνος, Κ. Σαμαρά- Κωσταντίνου, Εκδόσεις University Studio Press, Θεσσαλονίκη, 1998. Εργαστηριακές ασκήσεις εδαφολογίας, Κ. Σινάνης, Θεσσαλονίκη, 2003. Εξυγίανση εδαφών και υπόγειων υδάτων από επικίνδυνα απόβλητα, Ε.Α. Βουδριάς, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Έκδοση του Πανεπιστημίου, Ξάνθη, 2000. 44
Βιβλιογραφία (2/2) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater; American Public Health Association; 20th edition; 1999. Σημειώσεις εργαστηρίου (Ε. Αμανατίδου - Λ. Τσικριτζής, και συν., ΤΕΙ ΔΜ, Κοζάνη 2009). 45
Τέλος Ενότητας