RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek Chemie životního prostředí II – Znečištění složek prostředí Hydrosféra (04) Samočistící schopnost vod Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky 2Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Hydrologický cyklus 3Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Schopnost povrchových vod znovu získat svou čistotu po vstupu znečišťujících látek - přírodní - jarní tání, antropogenní vypouštění odpadních vod Samovolné čištění - usazování tuhých částic, oxidace Samoznečištění vod - odumírání živé hmoty, rozkladné procesy Samočistící schopnost vody 4Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Samočištění:  fyzikální procesy: sedimentace, koagulace, rozpouštění kyslíku ze vzduchu, unikání plynných produktů z biochemických reakcí, rozptýlení a zředění znečišťujících látek ve vodách  chemické procesy: oxidace, redukce, neutralizace, srážení, fotochemický rozklad, komplexace  biologické procesy: mineralizace biologicky rozložitelných látek působením mikroorganismů Samočistící schopnost vody 5Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Biologické procesy:  Aerobní děje – proudící voda, letní období (rozklad fenolu – v zimě po více než 100 km, v létě kolem 10 km)  Anaerobní děje – vznik nežádoucích produktů (H2S, NH3, CH4) Samočistící schopnost vody 6Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kyslíkové poměry v tocích Kyslík ve vodách:  Reaerace – výměna plynů  Fotosyntetická asimilace Kyslík rozpuštěný ve vodách se spotřebovává aerobními procesy při biochemickém rozkladu organických látek Denní/sezonní variace Klidná hladina přijímá 1,4 mg O2.m-2.den-1 Zčeřená hladina přijímá 5.5 mg O2.m-2.den-1 Prudce zčeřená hladina přijímá 50 mg O2.m-2.den-1 1 m3 řas (světlo, teplo) vyprodukuje 23 g O2.m-3.den-1 Samočistící schopnost vody 7Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kyslíkové poměry: G = b * D c – F [g.h-1] Kde: G = množství kyslíku prostupující za časovou jednotku fázovým rozhraním plochy F [m2] b = součinitel přestupu hmoty [m.h-1] D c = hnací potenciál přestupu kyslíku [g.m-3] Samočistící schopnost vody 8Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Koncentrace kyslíku v čase t je ct – hnací potenciál se v tomto okamžiku rovná deficitu: D c = Dt = cr - ct Kde: cr = rovnovážná koncentrace kyslíku ct = koncentrace kyslíku c čase t Samočistící schopnost vody 9Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Trvalý pohyb vody – neustálé obnovování koncentračního spádu – kyslík se neustále rozpouští. Množství kyslíku přecházejícího za časovou jednotku do vody způsobí zvýšení jeho obsahu o hodnotu D ct, které se rovná snížení deficitu za stejný čas o D Dt. Pro každou vrstvu vody musí platit: d ct / d t = - dDt / dt Samočistící schopnost vody 10Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Množství kyslíku, který prošel za jednotku času do jednotky objemu vzduchu, je úměrný deficitu: - dDt / dt = Kr * Dt Po integraci dostaneme: Dt = D0 * e-Kr * t Kde: Kr = koeficient reaerace [d-1], obvykle = 0,2 – závisí na druhu recipientu D0 = počáteční deficit v čase t = 0 [mg.l-1] Samočistící schopnost vody 11Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Při přestupu kyslíku ze vzduchu do vody platí Henryho zákon (rozpouštění plynu nereagujícího s vodou). Rozpustnost za stálé teploty je přímo úměrná parciálnímu tlaku plynu nad rozpouštědlem a jeho koncentrace je dána výrazem: C = B * pi Kde: B = konstanta úměrnosti Pi = parciální tlak kyslíku v plynné fázi Samočistící schopnost vody 12Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Všeobecně platí: Pi = Hi * xi Kde: Hi = Henryho konstanta (t = 20 °C, Hi = 4,05 GPa) xi = molární zlomek látky i v kapalné fázi Samočistící schopnost vody 13Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Obsah rozpuštěného kyslíku [mg.l-1] nebo míra nasycení vody kyslíkem (N) (zavisí na T): N = c * 100 / cr Kde: c = koncentrace rozpuštěného kyslíku [mg.l-1] cr = rovnovážná koncentrace rozpuštěného kyslíku [mg.l-1] Zvýšení teploty vede ke zvýšení kyslíkového deficitu – zpomalení nebo až zastavení biochemických aerobních procesů – zákaz vypouštění OV s T > 30 °C. Samočistící schopnost vody 14Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Spotřeba rozpuštěného kyslíku aerobními procesy při biochemickém rozkladu organických látek – deoxygenace. Kyslíková rovnováha: Poměr mezi spotřebou a dodávkou kyslíku – v rozhodující míře ovlivňuje samočistící schopnost toku – je dána deoxygenací a a reaerací vody. Deoxygenace (způsobená znečištěním) a reaerace (vyvolaná vznikem kyslíkového deficitu) – vede k ustálenému stavu mezi zdrojem a spotřebou kyslíku v recipientu. Samočistící schopnost vody 15Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Čas Koncentrace rozpuštěného kyslíku Počáteční deficit D0 Kritický deficit Dk Deficit v čase t Koncentrace O2 v čase t F – inflexní bod  Deoxygenace  Reaerace  Kyslíková křivka Samočistící schopnost vody 16Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Množství rozpuštěného kyslíku [mg.l-1] při dané teplotě: Při koncentraci < 4 mg.l-1 – úhyn ryb a vodních organismů V nádržích závisí množství rozpuštěného kyslíku na hloubce vodní vrstvy: T [°C] 0 10 15 20 25 30 Množství O2 [mg.l-1] 14,62 11,33 10,15 9,20 8,38 7,63 Hloubka [m] 2 1 0,5 0,25 Porovnávací číslo 1 2 4 8 Samočistící schopnost vody 17Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Porovnávací číslo = koncentrace kyslíku v objemu vody s jednotkovou plochou hladiny při proměnné výšce vodního sloupce Přesycení vody kyslíkem – v letním období v důsledku intenzivní asimilační činnosti, současně se zvyšuje pH. Samočistící schopnost vody 18Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Znečišťující látky ovlivňující kyslíkovou bilanci:  Látky rozpuštěné a nerozpuštěné (nesedimentující) ovlivňující kyslíkovou bilanci vody  Nerozpustné látky sedimentující  Toxické látky Znečišťující látky mohou spotřebovávat kyslík chemickou nebo biologickou cestou. Samočistící schopnost vody 19Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Chemická spotřeba kyslíku (CHSK) – množství kyslíku, které se spotřebuje na oxidaci oxidujících se látek přítomných ve vodách – oxidovatelnost organických látek dvojchromanem draselným v silně kyselém prostředí za katalýzy Ag2SO4 Biochemická spotřeba kyslíku (BSK) – množství kyslíku potřebné na biochemickou stabilizaci organických látek; Samočistící schopnost vody 20Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz BSK5 – pětidenní biochemická spotřeba kyslíku – množství kyslíku spotřebovaného mikroorganismy během 5 dnů na rozklad (mineralizaci) organických látek za aerobních podmínek (BSK20). Organické látky – potrava pro heterotrofní bakterie – část aerobní asimilace – zisk E, část syntéza biomasy. Asimilace – spotřebovává se kyslík, produkce CO2 a H2O. BSK – množství kyslíku je úměrné množství přítomných rozložitelných organických látek – odhad stupně znečištění OV. Samočistící schopnost vody 21Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Organická látka - spotřebována při dostatečném přísunu kyslíku asi za 20 dnů - sleduje se z praktických důvodů BSK5. Přepočet BSK5 na BSK20:  pomocí tabulek,  ČOV - BSK5 při 20 °C  68 % BSK20,  přepočet podle vztahu: Lt / L = 10-k * t kde: L = původní BSK odpadní vody Lt = výsledná BSK po dokončení rozkladného procesu k = součinitel závislý na druhu OV - splaškové OV = 0,1 t = počet dnů Samočistící schopnost vody 22Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Průběh BSK = f(t) čas BSK Lagové stádium - buňka má ve své struktuře konstitutivní enzymatický systém, který je schopen organickou látku rozložit. Některé mikroorganismy jej nemají, ale buňka je schopna si tento systém vybudovat (adaptivní enzymy)  počáteční fáze zpomaleného růstu. Samočistící schopnost vody 23Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Vztah CHSK - BSK Závisí na obsahu kyslíku v daných látkách, na obsahu biogenních prvků, na struktuře OL. Při správně prováděných analýzách musí vždy platit: TSK  CHSK  BSKC  BSK5 kde: TSK = teoretická spotřeba kyslíku 24Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz BSK : CHSK - odhad zastoupení biologicky rozložitelných látek ve vodě  čím je hodnota vyšší, tím jsou přítomné organické látky biologicky snáze rozložitelné  vyhodné biologické čištění - hranice použitelnosti BKS : CHSK = 0,5. Saprobita - souhrn vlastností vodního prostředí - biologický stav vyvolaný znečištěním vody (přírodním, antropogenním) biochemicky rozložitelnými látkami. Stanovuje se analýzou společenstev - určení druhů žijících (nebo chybějících) na dané lokalitě. Samočistící schopnost vody 25Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Rozpuštěný kyslík – vliv organických odpadů vypouštěných do řeky 26Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky