Migracja zanieczyszczeń

W środowisku wodnym czynnikami inicjującymi transport do powierzchni rozdziału faz woda- powietrze są:

- hydraulicznie indukowana turbulencja i cyrkulacja,

- cyrkulacja termiczna i indukowana przez wiatr

- dyfuzja molekularna

Transport do powierzchni rozdziału faz woda- gleba jest powodowany

- cyrkulacją indukowaną hydraulicznie, termicznie oraz przez wiatr

-adwekcją oraz turbulentną dyspersyją

-sedymentacją

- filtracją

Przenoszenie na granicy faz powietrze- woda, przenoszenie masy zachodzi na drodze parowania i absorpcji

Substancja rozpuszczalna w 2 nie mieszających się fazach rozdzielona będzie przy określonych warunkach temperaturowych, zgodnie z prawem podziału, a stosunek stężeń zwizku w obu fazach określany jako współczynnik podziału. Kązda sus stała czy roztwor mają tendencje do odparowania Az do momentu gdy prężność nad tymi substancjami będzie równa wartości równowagowej w danej temp.

Proces waporyzacji jest to migracja roztworów i ciał stałych do atmosfery.

Drugi rodzaj przenoszenia masy to absorpcja. Gaz jest absorbowany do roztworu na drodze dyfuzji. Trzeci możliwy to adwekcja, wynikająca z warunków przepływu lub mieszania

Przenoszenie zanieczyszczeń na granicy faz woda- gleba:

- adsorpcja to zjawisko polegające na akumulacji substancji rozpuszczonych na granicy rozdziału faz

- adsorpcja jonowymienna- jony adsorbantu koncentrują się na powierzchni adsorbentu jako wynik elektrostatycznego przyciągania do wyznaczonych miejsc na powierzchni

-adsorpcja fizyczna- wynik działania międzycząsteczkowych sił Van der Waalsa

- adsorpcja chemiczna- absorbat poddawany jest chemicznemu oddziaływaniu z centrami a powierzchniami adsorbentu

Model Streetera- Phelepsa pozwala określić szybkość szybkość wzrostu deficytu tlenowego jako funkcji odległości od dopływu ścieków oraz prędkości odtleniania i natleniania rzeki.

- odtnianie wody spowodowane jest biodegradacją rozpuszczonych związków organicznych pochodzenia naturalnego i antropologicznego oraz przez zapotrzebowanie na tlen osadów dennych, przez bentos

- woda w rzece natlenia się w warunkach naturalnych w wyniku absorpcji z atmosfery oraz fotosyntezy roślin wodnych i glonów

- proces absorpcji tlenu z atmosfery to reparacja. Szybkość reparacji jest proporcjonalna do deficytu tlenu rozpuszczonego w wodzie

- wytwarzanie tlenu w procesie fotosyntezy jest funkcją stężenia glonów, mierzonego poziomem chlorofilu, głębokości, temperatury, intensywności nasłonecznienia

Do modelowania zmian jakości wody stosuje się powszechnie 5 modeli reaktorów:

- reaktor porcjowy- charakteryzuje się brakiem dopływu i odpływu. W tego typu reaktorach przeprowadza się testy BZT, oraz testy wyznaczania współczynników kinematycznych reakcji, współczynników dyfuzyjnych oraz parametrów statystyki adsorpcji. Reaktor porcjowy stosowany jest często do modelowania płytkich jezior bezodpływowych, których woda jest całkowicie wymieszana. Reaktor tego typu stosowany jest również do biologicznego lub chemicznego oczyszczania ścieków, w systemie SBR, tam gdzie ilość ścieków jest nieduża, przy dużej nierównomierności ich dopływu.

- reaktor o pełnym wymieszaniu- reaktor o ciągłym przepływie z wymieszaniem, charakteryzuje się tym, że dopływające do niego cząsteczki roztworu , które opuszczają reaktor, opuszczają go w ilości proporcjonalnej do ich statystycznej populacji. Tego typu reaktory stosowane są do modelowania jakości wody w jeziorach i zbiornikach z ciągłym zasilaniem i opływem oraz jednostkowych procesów oczyszczania wody i ścieków.

-reaktor o przepływie tłokowym- charakteryzuje się tym, że cząstki roztworu przemierzają się przez reaktor i wypływają w takiej samej kolejności , w jakiej zasiliły reaktor. Każda cząsteczka roztworu pozostaje w reaktorze przez czas równy teoretycznemu czasowi retencji. Reaktor używany jest do stymulowania przepływu w rzekach i ich ujściach oraz do modelowania procesów oczyszczania wody i ścieków.

- kaskada reaktorów z pełnym wymieszaniem- stosowana do modelowania systemów, w których przepływy korespondują z układami o pełnym wymieszaniu oraz układami tłokowymi. Jeżeli kaskadę stanowi jeden reaktor to obowiązują warunki i zasady dla reaktorów o pełnym wymieszaniu . W przypadku kaskady z nieskończoną ilością reaktorów o pełnym wymieszaniu obowiązują zasady jak dla przepływu tłokowego

- reaktor z wypełnieniem- Reaktory tego typu są wypełnione medium, którego zawartość nie zmienia się w czasie realizacji procesu. W dziedzinie zarządzania jakością wody modele reaktorów z wypełnieniem używane są do badania ruchu wody i zanieczyszczeń w podziemnych warstwach wodonośnych. Kiedy objętość struktury porów medium reaktora wypełniony jest całkowicie roztworem mówi się o przepływie nasyconym. Gdy objętość wypełniona jest częściowo- nienasyconym.

Czynniki decydujące o jakości wód

Mętność - wskaźnik jakości wody określany w mętnościomierzu Baylisa przez porównanie badanej wody z odpowiednio przygotowanymi wzorcami za jednostkę mętności przyjęto taką mętność, jaka powstaje, jeżeli do 1 dm3 wody destylowanej doda się 1 mg zawiesiny ziemi okrzemkowej lub kaolinu.
Barwa - wskaźnik jakości wody wyrażony w jednostkach barwy. Barwa wody jest wywołana obecnością substancji barwnych dostających się do wody wraz ze ściekami, substancjami organicznymi pochodzącymi z gleby, związkami żelaza, koloidami albo zakwitami. Zapach - wskaźnik jakości wody określany organoleptycznie za pomocą powonienia na podstawie skali natężenia zapachu;

Odczyn - wyraża stopień kwasowości lub zasadowości wody i jest określany ilościowo stężeniem jonów wodorowych: Wody o niskim odczynie pH odznaczają się korozyjnością, natomiast wody o wysokim odczynie pH wykazują skłonność do pienienia się.
Twardość ogólna - właściwość wywołana obecnością substancji rozpuszczonych w wodzie, głównie soli wapnia i magnezu (również innych kationów, które występują jednak w dużo mniejszych ilościach, takich jak jony: żelaza, glinu, manganu oraz metali ciężkich). Twardość wody określa się zawartością rozpuszczonych w niej soli wapnia i magnezu. Twardość ogólna jest sumą twardości węglanowej i niewęglanowej lub sumą twardości wapniowej i magnezowej.
Twardość niewęglanowa - jest spowodowana obecnością rozpuszczonych w wodzie chlorków, siarczanów i krzemianów wapnia i magnezu (nie rozkładają się i nie wytrącają z roztworu podczas podgrzewania wody)
Zasadowość - wskaźnik określający zawartość wodorotlenków, wodorowęglanów i węglanów metali alkaicznych (Na, K) i metali ziem alkaicznych (Ca, Mg). Zasadowość p (zmiana barwy przy pH = 8,2) uwzględnia wszystkie alkaicznie reagujące składniki wody, które dysocjują z wydzielaniem jonów OH- Zasadowość m (zmiana barwy przy pH = 4,3) - obejmuje takie występujące w wodzie związki, które reagują z kwasem solnym aż do uzyskania punktu zobojętnienia wobec oranżu metylowego.
Żelazo i mangan - w wodach naturalnych występują przeważnie w postaci węglowodorów, siarczanów, chlorków, związków humusowych i niekiedy fosforanów. Obecność jonów żelaza i manganu jest bardzo szkodliwa dla wielu procesów technologicznych, może tez powodować rozwój bakterii żelazistych i manganowych, których kolonie mogą być przyczyną zarastania przewodów wodociągowych.

Dyrektywa azotanowa z 1991 r. jest jednym z pierwszych aktów prawnych UE mających na celu kontrolę zanieczyszczeń i poprawę jakości wód. Wprawdzie azot jest ważnym składnikiem pokarmowym, pomocnym w uprawie roślin i zbóż i przyczyniającym się do ich wzrostu, jednak w wysokich stężeniach jest szkodliwy dla ludzi i przyrody. Azotany zawarte w nawozach organicznych i chemicznych wykorzystywanych w rolnictwie stanowią jedno z głównych źródeł zanieczyszczenia wód w Europie. W państwach UE-15 stopniowy spadek zużycia mineralnych nawozów azotowych po raz pierwszy odnotowano na początku lat dziewięćdziesiątych, a w ciągu ostatnich czterech lat ta tendencja się ustabilizowała. Natomiast we wszystkich 27 państwach członkowskich razem zużycie azotu wzrosło o 6%. Ogólnie rzecz biorąc, rolnictwo odpowiada za ponad 50% całkowitej ilości azotu wprowadzonej do wód powierzchniowych.

Dyrektywa azotanowa – podstawowy dokument Unii Europejskiej w sprawie ochrony wód przed zanieczyszczeniami powodowanymi przez azotany pochodzące ze źródeł związanych z rolnictwem. Zgodnie z ustanowioną dyrektywą o jakości wody pitnej, stężenie azotanów w takiej wodzie nie może przekraczać 50 mg NO₃⁻ lub 11,3 mg N–NO₃ w 1 dm³.

Dyrektywa azotanowa precyzuje pod adresem krajów członkowskich Unii Europejskiej następujące wymagania:

• monitorowanie zawartości azotanów w wodach gruntowych i otwartych

• ustanowienie dobrowolnych kodeksów dobrej praktyki rolniczej

• wyznaczenie stref szczególnej wrażliwości na skażenie wód azotanami

• sprecyzowanie obligatoryjnych zabiegów agrotechnicznych w strefach szczególnej wrażliwości

Transformacja zanieczyszczeń – przy bilansowaniu stężeń zanieczyszczeń w środowisku wodnym istotne, obok mechanizmów migracji, jest również mechanizm transformacji tych zanieczyszczeń jakie mogą zachodzić w wodach powierzchniowych i gruntowych. Najważniejszym, ponieważ powszechnym, mechanizmie przemian zanieczyszczeń w hydrosferze jest reakcja hydrolizy. Hydroliza znaczy dosłownie rozkład substancji pod wpływem wody. Jest to reakcja podwójnej wymiany, przebiegająca pomiędzy wodą i substancją w niej rozpuszczoną, prowadząca do powstania cząstek nowych związków chemicznych reakcję hydrolizy można przedstawić ogólnym równaniem

AB +H20 = AH + BOH

Szybkość reakcji- szybkość , z jaką substraty przekształcają się w produkty.

Reakcje homogeniczne – przebiegają tylko w jednej fazie. W reakcjach tego typu reagenty rodzielane są w fazie w sposób ciągły, nie zawsze jednostajnie, ale dążność reakcji do zachodzenia występuje w każdym punkcie fazy.

Reakcje heterogeniczne- zachodzą na granicy międzyfazowej.

Rząd reakcji suma wykładników potęg, w których występują stężenia reagentów w równaniu opisującym szybkość reakcji chemicznej.

Reakcje nieodwracalne to takie, w których występuje tylko jeden etap reakcji. Nieodwracalne reakcje złożone charakteryzują się większą ilością etapów.

Reakcje odwracalne:

Reakcje nasycenia( saturacji) mają prędkość max., czyli pkt, w którym prędkość staje się niezależna od stężenia substratu.

Bilans masowy- jest ilościowym opisem wszystkich substancji, które dopływają do systemu i odpływają z niego oraz są w tym systemie generowane, przy zdefiniowanych warunkach granicznych. Bilans bazuje na prawie zachowania masy. Ogólny zapis opiera się na zależności, iż szybkość akumulacji masy w systemie równa się szybkości dopływu masy do systemu, pomniejszonej o szybkość odpływu z systemu i powiększonej o szybkość generowania masy w systemie.

Stan ustalony- gdy dopływ substancji do układu równy jest odpływowi

Stan nieustalony- taki, w którym szybkość akumulacji w systemie jest zmienna w czasie( następuja zmiana zawartości w czasie)

Czynniki powodujące zakłócenia w stosowaniu modeli idealnych:

-dyspersja-wydłużony i poprzeczny transport masy wywołany turbulencją oraz dyfuzją molekularną

- nieczynne objętości- takie, w których nie ma przepływających strug,

- występujące krótkie zwarcia ( reaktor z pełnym wymieszaniem i jego modele)

- stratyfikacja gęstości cieczy w zbiornikach

Istnieją dwa warianty przebiegu reakcji heterogenicznych. Pierwszy gdy szybkość reakcji jest mniejsza od szybkości transportu. Drugi, gdy czynnikiem limitującym jest transport, szybkość transportu jest mniejsza niż szybkość reakcji. W wariancie 1 następuje wzrost stężenia reagenta na granicy rozdziału faz i spadek gradientu stężenia. W wariancie 2 stężenie maleje w warstwie granicznej, a co za tym idzie, gradient stężenia rośnie.

W szacowaniu ruchu zanieczyszczeń w biosferze rozróżnia się 4 elementy transportu:

- transport wewnątrz każdego zasadniczego elementu biosfery

- transport do powierzchni rozdziału faz

- transport przez powierzchnię rozdziału faz

- transport od powierzchni rozdziału faz do głębi fazy

Naturalne przenoszenie zanieczyszczeń odbywa się poprzez transport powietrza i wody. Uwolnione do środowiska wodnego zanieczyszczenia poruszają się w strumieniach, nurtach rzek i podziemnych formacjach wodonośnych.

W większości naturalnych systemów wodnych, przy minimalnych przemianach zanieczyszczeń, podstawowe mechanizmy przenoszenia masy w systemie to napływ ( adwekcja), hydrodynamiczne rozproszenie (dyspersja) praz dyfuzja molekularna.

W przenoszeniu adwekcyjnym zanieczyszczenia przenoszone są z prędkością z jaką woda przepływa w otwartych i zamkniętych kanałach czy też przez porowate media.

Jakim reakcją podlegają zrzuty do rzek

- reakcja hydrolizy- rozkład substancji pod wpływem wody. Jest to reakcja podwójnej wymiany, przebiegająca między wodą i substancją w niej rozpuszczoną, prowadząca do powstania cząsteczek nowych związków chemicznych

-reakcje fotochemiczne- cząstki oraz jony występujące w wodzie, które po zaabsorbowaniu energii słonecznych promieni świetlnych są bardzo reaktywne. Reakcją fotochemiczną jest powszechnie występujący w środowisku naturalnym proces fotosyntezy zachodzący w roślinach zielonych

- reakcje redox- reakcje chemiczne przebiegające ze zmianą liczby utlenienia reagujących atomów lub jonów na skutek utraty lub pobrania elektronów.

- konwersja bakteryjna- w wyniku procesów życiowych mikroorganizmów wodnych następuje transformacja związków organicznych pochodzenia naturalnego i wprowadzonych do systemu c10h19o3n > 10co2+8h20+nh3

Procesy samooczyszczania wód

- rozcieńczanie zanieczyszczeń wodą odbiornika i mieszanie w wyniku przepływu, dyspersji, dyfuzji molekularnej.

- sedymentacja zawiesin- polega na opadaniu cząsteczek substancji szkodliwych zanurzonych na dno zbiornika

-adsorpcja

-biosorpcja- wstępny rozkład substratu

-minaralizacja- enzymatyczny rozkład związków organicznych

- biokumulacja- czerpanie z wody związków lub jonów i ich odkładaniu w komórce

-immobilizacja

Źródłami skażenia wód podziemnych jest praktycznie większość rodzajów działalności ludzkiej. Wylewanie na powierzchnie gruntu różnorodnych org i nieorg chemikaliów powodują i ich migracje do warstwy wodonośnej i skażenie. Mogą być ponadto:

- kwaśne deszcze (NOx SOx)

-aktywność rolnicza (sztuczne i naturalne nawozy, pestycydy i herbicydy)

-chemiczne odśnieżanie dróg

-usuwanie ścieków metodą studni chłonnych (radionuklidy)

-żle zabezpieczone wysypiska odpadów komunalnych, niebezpiecznych i przemysłowych( zw org i norg, bakterie)

-górnictwo(eksploatacja kopalń powoduje likwidacje w.wodonosnych)

-intruzja wód słonych

-nadmierna eksploatacja wod podziemnych