Ekologia-nauka opisująca wzajemne oddziaływanie abiotycznych i biotycznych elementów środowiska. Ekologia powiązana jest ściśle z ochroną środowiska ale nią nie jest.

Do podstawowych abiotycznych (nieożywionych) elementów środowiska zaliczamy:

- atmosferę

- hydrosferę

- litosferę

Do biotycznych (ożywionych) części środowiska zaliczamy:

- florę

- faunę

- człowieka

Atmosfera - mieszanina gazów przylegająca bezpośrednio do powierzchni ziemi utrzymywana przy niej siłami grawitacji. Przeciętny skład atmosfery na poziomie morza:

-78,09% azot

-20,95% tlen

-0,93 argon

-0,03% CO₂

Na pozostały ułamek procenta składają się: para wodna, neon[Ne], hel [He], krypton [Kr], metan[CH₄], wodór [H₂], podtlenek azotu [N₂O]

Średnia temp. globu wynosi 15⁰C (przez ostatnie 100 lat średnia temp. naszego globu podniosła się o 1⁰C). Ciśnienie atmosf. przy powierzchni morza - 1atm

W miarę wzrostu wysokości mniej więcej na każdy kilometr, ciśnienie zmniejsza się o ok. 0,1atm. Wraz ze wzrostem wysokości maleje także temp. Na wysokości ok. 15km wynosi ok. -55^oC.

Ogromna część masy atmosfery znajduje się w najbliższej warstwie ziemi, powyżej poziomu 100km znajduje się już tylko jej 1 mln część.

P[ATM] KM

KM

TEMP[C]

Atmosfera ziemska ma strukturę warstwową licząc od powierzchni ziemi wyróżniamy:

- troposferę

- stratosferę

- mezosferę

- termosferę

Pomiędzy troposferą, a stratosferą, na wysokości ok. 15km n.p.m występuje tropopauza – są to obszary nieciągłości atmosfery, w której występują silne prądy strumieniowe(prędkość wiatru osiąga ok. 400km/h)

TROPOSFERA-znajduje się większość masy atmosfery temp. Tej warstwy spada o ok. 0,6⁰C na kazde 100m wysokości, w warstwie tej przebiegają prawie wszystkie zjawiska pogodowe. Jest to bardzo istotna warstwa ze względu na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń atmosfery

STRATOSFERA- bezpośrednio przylega do tropopauzy (nad troposferą) sięga do wys. 55km n.p.m., ciśnienie spada do tysięcznych części, ale temp rośnie. W tej warstwie wyróżnia się warstwę ozonosferę (15-20km) jest to warstwa o podwyższonej koncentracji ozonu, ozonosfera ma zdolność pochłaniania promieniowania ultrafioletowego (z promieni słonecznych)

UV <240nm

O₂ + hγ_{(kwant energii)} 2O + Q _(ciepło)

O₂ + O O₃

UV >240nm

O₃ + hγ_{(kwant energii)} O₂ + O + Q _(ciepło)

MEZOSFERA-temp. Spada do -80⁰C na 80km , brak reakcji egzotermicznych, nie ma ozonu, rozrzedzone powietrze, stosunek tlenu (nie ilość) do azotu jest taki sam jak przy powierzchni ziemi,

TERMOSFERA- temp.rośnie, reakcje pomiędzy silnym promieniowaniem słonecznym a powietrzem, następuje jonizacja gazów efektem tego są zorze polarne. Ta warstwa ma zdolność odbijania fal radiowych krótkich – odbijają się od jonosfery.

Najbliższa ziemi część troposfery do 2km n.p.m nosi nazwę warstwy przyziemnej , warstwa graniczna (dolna warstwa troposfery), decyduje o warunkach pogodowych oraz o sposobie rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń.

Grubość warstwy laminarnej zależy od rodzaju podłoża. W przypadku terenów zurbanizowanych, zalesionych (ok. 15m), tereny trawiaste (kilka – kilkadziesiąt centymetrów), powierzchnie gładkie, lotniska (kilka milimetrów). Przepływ powietrza jest laminarny(łagodny), z kolei przepływ szybki, gwałtowny to przepływ turbulentny.

Zanieczyszczenia atmosf. rozprzestrzeniają się we wszystkich kierunkach i są transgraniczne. Zanieczyszczenie atmosfery skutkuje zanieczyszczeniem pozostałych elementów środowiska stąd istotnym jest prognozowanie rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń atmosferycznych , znajomość ruchów mas powietrza.

Masa powietrz – to ogromny jego obszar (tysięcy kilometrów sześciennych) charakteryzujący się podobnymi w całej masie wartościami ciśnienia, temp. i wilgotnością , wyróżniamy następujące kategorie mas powietrza:

-masy powietrza arktycznego(A) niska temp., zimne i suche powietrze,

-masy powietrza polarne (P) umiarkowana szer. geograficzna

-masy powietrza zwrotnikowego (Z)

-masy powietrza równikowego (R)

W ramach z każdej z tych grup wyróżniamy podgrupę powietrza kontynentalnego i morskiego

Masy powietrza tworzą się wtedy gdy przebywają odpowiednio długi czas nad obszarem źródłowym (ląd albo morze) aby przejąć ich temp. i wilgotność. Na styku mas powietrza mamy prądy atmosferyczne.

Analiza rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń atmosferycznych wymaga znajomości nie tylko wielkości emisji i immisji zanieczyszczeń na danym obszarze ale również podanie ich czasoprzestrzennego rozkładu.

Emisja-jest to fakt przedostawania się do środowiska określonej masy substancji lub jej objętości w jednostce czasu. Wymiarem fizycznym jest strumień masy wyrażamy go w jednostkach masy /objętości przez czas, np. tona / rok [t / rok] lub kg / godz. [kg / h]

Immisja-jest rezultatem szeroko pojętej emisji wyrażana jest zawartością danego czynnika (stężeniem) w objętości powietrza np. [mg / dm³], [ug / m³]

Zanieczyszczenia atmosferyczne cechują się:

-łatwością rozprzestrzeniania się na inne elementy środowiska,

-nie ogranicza się ono jedynie do obszaru zanieczyszczonego,

-wiatr oraz opady atmosferyczne zmniejszają stężenie zanieczyszczeń atmosferycznych, ale powodują ich migrację do hydrosfery i litosfery.

Wyróżniamy emitory

-punktowe np. kominy fabryki lub ich grupa,

-obszarowe np. całe miasto,

-liniowe np. trakty komunikacyjne

Gdy jest blisko emitora (wylotu komina), szybkość strumienia zależy od ciągu komina, wielkość emisji zależy zleży od wielkości ciągu, im dalej od komina tym większe znaczenie mają masy powietrza, ruchy turbulencyjne wiatrów, powietrza.

Typowe modele rozprzestrzeniania się pyłowych zanieczyszczeń atmosf.

1.smuga pętlowa

h

T

- im wyżej, tym niższa temperatura.

2.smuga stożkowa

P

T

- wolno spada temperatura,

- szybko rośnie wysokość.

3.smuga wentylacyjna (wznosząca)

- inwersja temperatury

P

T

4.smuga zanieczyszczająca

P

T

Punkt inwersji powyżej wysokości komina – smuga zanieczyszczająca

5.smuga wznosząca

Punkt inwersji poniżej wylotu komina – smuga wznosząca.

Modele rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń pyłowych w zależności od usytuowania emitorów.

Kierunek wiatru

Suma wielkości immisji

Sumują się wielkości immisji

Efekt parasolowy

Kierunek wiatru

Suma wielkości immisji

Zanieczyszczenia atmosfery są jednym z najistotniejszych źródeł zanieczyszczenia środowiska, gdyż podczas procesów samooczyszczania zachodzi zanieczyszczenie pozostałych elementów.

Wyróżniamy dwa zasadnicze źródła zanieczyszczenia atmosfery:

-źródła naturalne, czy te, na które nie mamy wpływu, np. erupcje wulkanów, naturalne pożary lasów, produkty wydalane przez bakterie,

-źródła antropogeniczne - pochodzące z działalności człowieka. Podstawowe źródła to: energetyka, przemysł, ruch komunikacyjny, gospodarka komunalna, rolnictwo.

Substancje dostarczane przez te źródła do atmosfery: CO, CO₂, tlenki siarki, tlenki azotu, węglowodory i ich pochodne, pyły, związki metali ciężkich.

CO₂-gaz bezbarwny, bez zapachu, rozpuszczalny w wodzie, nie palny , powstający w wyniku całkowitego spalania węgla odgrywa ogromną rolę w środowisku, jest niezbędny roślinom do oddychania, jest asymilowany w procesach fotosyntezy, które w wyniku tej reakcji oddają tlen.

Rola negatywna- ma zdolność nie przepuszczania promieniowania podczerwonego, jest jednym z tzw. gazów cieplarnianych (następuje nienaturalne podwyższenie temperatury powierzchni ziemi, z 12g C powstaje 44g CO₂).

Tlenki siarki-gaz bezbarwny, ostry zapach, z wodą tworzą kwasy (siarkowy IV i siarkowy VI)

SO₂ + H₂O - H₂SO₃

SO₃ + H₂O - H₂SO₄

Gazy te połączone z wodą opadową tworzą kwaśne deszcze, które powodują:

-obnizenie ph środowiska (zakwaszenie), sprzyjające zwiększonej migracji zanieczyszczeń, w tym metalicznych (substancje łatwo migrujące są łatwiej wchłaniane przez organizmy żywe),

-zwiekszenie korozji elementów konstrukcji stalowych

-niszczenie budynków (erozja elementów budynków)

-nekrozja roslin(opadanie liści, żółte i brązowe zabarwienie liści, mniejsze plony)

-podrażnienie dróg oddechowych sprzyjające ich stanom zapalnym

Źródłami dwutlenku siarki w środowisku są - spalanie węgla bardzo ważne jest stosowanie sprawnych i wydajnych technologii ograniczających ilość SO₂ i SO₃ w gazach odlotowych.

Metody odsiarczania:

-Metoda sucha

-Metoda mokra

SO₂ i SO₃ reaguje z Ca(OH)₂ , dostarczając dodatkowo O₂ otrzymujemy gips CaSO₄

O₂

SO₂ + Ca(OH)₂ CaSO₄

Tlenki azotu-gaz bezbarwny, rozpuszczalny w wodzie, tworzą kwasne deszcze

N₂O, NO, NO₂, N₂O₄, N₂O₃, N₂O₅ (od I do V stopnia utlenienia), wszystkie z wyjątkiem N2O4 są bezbarwne, ten jest brunatny.

N₂O₃, N₂O₅ – rozpuszczają się w wodzie

N₂O₃ + H₂O 2HNO₂

N₂O₅ + H₂O 2HNO₃

N₂O – jest produkowane przez bakterie osadów dennych mórz i oceanów

Źródła

- zakłady azotowe

-palniki przemysłowe

-silniki spalinowe (ruch komunikacyjny)

1400⁰C O₂ O₂

O₂ + N₂ 2NO NO₂ N₂O₃ / N₂O₅

kataliza

katalizatory – związki niklu ⁺², związki chromu ⁺³

NO + O₂ 2NO₂

NO₂ + hγ_{(promienie słoneczne)} NO + O^-

O + O₂ O₃

O

O + HR (węglowodór) R-C + R`

H

Aldehyd + rodnik (ma niesprawny elektron, jest rakotwórczy, reaguje z DNA)

O O

O₃ + HR (węglowodór) R-C + R-C

H O`

Aldehyd + rodnik kwasowy (rakotwórczy)

O

R-C + NO NO₂ + R-C-O`

O`

R-C-O` + NO₂ + O₂ R(CO)OONO₂ (azotyny peroksydacyjne – silnie rakotwórcze)

Metody redukcji tlenków azotu w dymach odlotowych.

-nie produkowanie tlenków azotu (stosowanie palników nisko azotowych)

-oczyszczanie gazów odlotowych z tlenków azotu (oczyszczanie mokre w absorberach)

WODA

WODA GAZY ODLOTOWE

(OCZYSZCZONE)

GAZY ODLOTOWE

WODA

ABSORBER KOLUMNOWY

Pyły – to drobnodyspersyjna zawiesina cząstek ciała stałego w gazie (w powietrzu). Istnieje wiele rodzajów pyłów według różnych kryteriów podziału np.

1.kryterium sposobu powstawania pyłów

-kondensacyjne – pary metali (gładkie, owalne)

-dyspersyjne (proces mielenia, kruszenia, tacia, ścierania) – krawędzie ostre, nierównomierne.

2.podział na średnice ziaren pyłu

-pyły grube(100-500 µm)

-pyły srednie(10-100µm)

-pyły drobne(poniżej 10 µm a powyżej 1µm)

-ultra pyły – bardzo drobne(poniżej 1µm)

Im drobniejszy pył, tym bardziej szkodliwy, bo dłużej utrzymuje się w powietrzu, w stanie zawieszenia.

3.ze względu na pochodzenie (materiał)

-pyły mineralne (nieorganiczne) – pyły cementu, krzemionkowe,

-pyły tworzyw sztucznych – skondensowanie par polietylenu,

-pyły organiczne – pyłki kwiatowe, pyły drewna, mąki, cukru,

-pyły radioaktywne

4.ze względu na zachowanie się

-pyły respirabilne – wnikają do układu oddechowego i nie są z niego wydalane, cząstki poniżej 5 µm,

-pyły inspirabijne – pyły grube, po wniknięciu do układu oddechowego, są z niego wydalane z wydzieliną, z wydychanym powietrzem

Pylice – u człowieka

Oddziaływanie pyłów na środowisko:

-hamują promieniowanie słoneczne (utrudniają rozwój roślin),

-opadając zanieczyszczają pozostałe elementy środowiska

- zatykają aparaty szparkowe roślin zielonych,

-podrażniają drogi oddechowe organizmów zwierzęcych i człowieka.

Monitorując pyły zanieczyszczenia atmosf. należy wyznaczyć ilość pyłu zawieszonego tzw. frakcji PM10, PM2 (średnica aerodynamiczna ziaren pyłu), pył ogólny zawieszony TSD wszystkie frakcje są mierzone. Wyrażony jest w µg na m³ powietrza [µg/m³]

Normy higieniczne zapylenia atmosf. uwzględniają procentowy udział SiO₂ w pyle, im większy tym normatyw mniejszy, bardziej restrykcyjny.

Opad pyłu kg pyłu / km² * rok, ile pyłu spadło na jednostkę terenu w ciągu roku.

Monitoring prowadzą: WIOŚ, Sanepid (wyspecjalizowane jednostki).

Monitoring jest to ciągły pomiar parametrów.

Wtórne pylenie-polega na powtórnym unoszeniu do przyziemnych warstw powietrza pyłu opadłego.

Stężenie C[mg/m³] stężenie

Wysokość

0 2 5 20 Odległość V[m] 1 2 3 4

Metody redukcji zanieczyszczeń atmosfery

Gazy odlotowe przed ich emisją do środowiska musza być pozbawione subst. toksycznych dla środowiska. W gazach tych wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje zanieczyszczeń:

-zanieczyszczenia pyłowe

-zanieczyszczenia gazowe

1) Usuwanie zanieczyszczeń pyłowych w gazach odlotowych, w procesach tych wykorzystuje się następujące mechanizmy:

-siły grawitacji

-siły bezwładności

-siły odśrodkowe

-zjawisko filtracji

-zjawiska elektrostatyczne

Odpylanie suche

Dobór metody oczyszczania z pyłów gazów odlotowych zależy od ilości zanieczyszczeń pyłowych oraz od rodzaju pyłu. Niejednokrotnie stosuje się równocześnie dwie metody odpylania . Popularną, często stosowaną metodą usuwania gazów odlotowych (oczyszczania) są cyklony:

Zbiornik cylindryczny z lejem, pył w wyniku działania siły odśrodkowej obija się o ścianki i opada. Wykorzystywane są siły odśrodkowe i siły bezwładności .

Celem uniknięcia zwiększenia się oporu przepływu przy zmniejszeniu promienia r skonstruowano baterie Multicyklonów. Rośnie wtedy wydajność, a opory pozostają bez zmian.

Zalety:

-niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne

Wady:

-szybkie zużywanie się części stożkowych cyklonu (ścieranie się)

-niska sprawność dla pyłów drobnych szczególnie dla ziaren poniżej 10µm

Elektrofiltry (odpylanie elektrostatyczne)

Elektrody emisyjne (-) – wysokie napięcie, niskie natężenie,

Elektrody zbiorcze (+)

Cząsteczki pyłu zawieszone w gazie w przestrzeni elektrofiltru przejmują ładunek ujemny (-) z elektrod emisyjnych a nastepnie są przyciągane przez tz. Elektrody zbiorcze połączone z biegunem dodatnim „+” pradu stałego. Elektrody emisyjne i zbiorcze – jest to zespół odpowiednio profilowanych siatek stalowych o dużej powierzchni, zawieszonych naprzemiennie +-+-+- . Po nagromadzeniu się pyłu na elektrodach zbiorczych przerywa się obwód elektryczny i cząsteczki tracą swój ładunek, opadając na dno elektrofiltra, dodatkowo elektrody zbiorcze są wstrząsane co sprzyja oderwaniu się przyległego do nich pyłu. Pył zgromadzony na dnie elektrofiltru zostaje odprowadzony pompą Fulera na składowisko pyłów.

zalety:

-bardzo duża skuteczność i wydajność (99% skuteczności dla ziaren pyłu poniżej 1 µm ; wydajność urządzeń 500.000 m³/h)

-małe opory przepływu

-niskie koszty eksploatacyjne

- mogą pracować w wysokich temperaturach

Wady:

-duże rozmiary

-wrażliwość na zawilgocenie gazów odlotowych

-niebezpieczeństwo wybuchu pyłu

Pyły zebrane na składowiskach, są przekazywane do kopalni na podsypkę (pulpa wodna), część pyłów dodawana jest do produkcji cementu, robienia żużli do produkcji kruszywa do dróg.

Odpylanie mokre

Proces realizujemy w tzw. odpylaczach mokrych. Zasada ich działania polega na przeciwprądowym przepływie wody zraszając ej i gazu odpylonego.

Zalety:

-bardzo duża sprawność w całym spektrum średnic ziaren pyłu

-zraszacz – małe opory przepływu,

Wady:

-zagospodarowanie szlamu (do kopalni, składowiska)

Oczyszczanie gazów odlotowych z gazów toksycznych

Wyróżniamy kilka metod:

- metoda absorpcyjna,

-metoda adsorpcyjna,

-metoda katalitycznego utleniania i redukcji,

-metoda spalania bezpośredniego w płomieniu,

-metoda kondensacyjna,

-metoda kompensacyjna.

1.metoda absorpcyjna:

-realizowana w absorberach

Absorpcja gazów w cieczy zależy od:

-temperatury (im niższa tym lepiej)

-powierzchni absorpcji (wymiany na styku faz – styku pomiędzy cieczą a gazem- im większa, tym lepiej), najczęściej absorberem jest woda.

Zalety:

-stosunkowa duża sprawność

Wady:

-duże opory przepływu

2.Metoda adsorpcyjna- jest to przyłączanie cząstek do powierzchni ciała stałego, najczęściej adsorberem jest węgiel drzewny aktywny (przy jego wykorzystywaniu gazy odlotowe nie mogą mieć zbyt dużej temperatury temp gazy odlotowe, temp. nie może być większa niż 300⁰C – istnieje możliwość zapalenia się węgla) lub silikożel (polikrzemiany – nie zapalą się pod wpływem wysokiej temperatury, ale są bardzo drogie).

cechy dobrego adsorbera:

-obojętny chemicznie (nie reaguje chemicznie z substancjami, które adsorbuje)

-niska cena

-powinien mieć dużą powierzchnię właściwą

-zdolność do jego regeneracji

Pojemność adsorpcyjna jest to stosunek masy zaadsorbowanej do masy adsorbera.

Zalety:

-duża sprawność 99,8%

Wady:

-duże opory przepływu

-konieczność regeneracji adsorbenta

-koszt adsorbenta

3.metoda katalityczna

Polegają na katalitycznym utlenianiu zanieczyszczonych gazów do substancji łatwiej usuwalnych z gazów odlotowych, nie wymagają dużych nakładów energetycznych. Stosowane są wtedy, kiedy inne metody zawodzą. Stosunkowo niska temperatura reakcji.

katalizator

2CO₂ +O₂ 2CO₂

Katalizator bierze udział w reakcji ale nie zmienia swoich właściwości fizykochemicznych.

- Utlenianie węglowodorów alifatycznych (metan, etan, etanol)

katalizator

C₂H₆ + 9/2 O₂ 3H₂O + 2CO₂

katalizator

C₂H₅OH + 3O₂ 3H₂O + 2CO₂

siarkowodór

katalizator

2H₂S + O₂ 2S + 2H₂O

Disiarczynwęgla

katalizator

CS₂ + 4O₂ 2SO₃ + CO₂

Metoda spalania w płomieniu bezpośrednim

Gazy odlotowe

Palnik przemysłowy

Metoda kondensacyjna- polega na obniżeniu temperatury gazów odlotowych do wartości umożliwiającej skroplenia się zanieczyszczeń. W procesie tym ciśnienie jest stałe. Jest to bardzo energochłonna metoda – energia potrzebna jest do agregatów chłodzących.

Metoda kompensacyjna- sprężamy gazy odlotowe z równoczesnym odbiorem ciepła, temperatura jest stała, zwiększane jest ciśnienie gazów. (para wodna, azot, CO₂)

HYDROSFERA

Zanieczyszczenia hydrosfery rozprzestrzeniają się wolniej niż w przypadku atmosfery, ale z kolei są trudniej usuwalne .

Generalnie ludzkość cierpi na niedostatek wody pitnej.

Właściwości wody

Cząstka wody dzięki polarności ładunków, w naszych warunkach jest cieczą a nie gazem.

Z 18g wody – 22,4l gazu

-ma duże ciepło właściwe (ilość ciepła, jaką trzeba dostarczyć, żeby ogrzać ją o 1⁰C

-woda jest medium chłodniczym i grzewczym

-woda zwiększa swoją objętość po przejściu ze stanu ciekłego w stan stały,

-gęstość wody w temp 4⁰C jest największa i wynosi 1g/cm³

-jest b.dobrym rozpuszczalnikiem

-pH=7

-chemicznie czysta woda nie przewodzi prądu

Główne zastosowanie wody:

-potrzebna do podtrzymania życia

-cele komunalne

-środek transportu

-surowiec w przemyśle

-medium grzewcze i chłodnicze

-stosunkowo tania

Podstawowymi źródłami wody słodkiej są:

-wody opadowe

-wody powierzchniowe

-wody podziemne

Woda opadowa-woda niskiej jakości, zanieczyszczona proporcjonalnie do zanieczyszczeń atmosferycznych, nie nadaje się na wodę pitną.

Wody powierzchniowe - wody wszelkich zbiorników wodnych (stawy, jeziora) jakość wód zależy od jakości środowiska. Są one najczęściej wykorzystywane jako źródło wody pitnej. Jakość tych wód jest sezonowa, w zależności od pór roku , ma niestały skład chemiczny, są zanieczyszczone bakteriami, stopień zanieczyszczenia jest zależny od stanu środowiska. Nie powinna być używana do celów spożywczych. W Polsce najczęściej używa się wód powierzchniowych.

Wody podziemne

-wody zaskórne, to warstwa wodonośna, która znajduje się płytko pod powierzchnią gleby i nie przykrywa ją ani jedna warstwa geologiczna nieprzepuszczalna dla wody, wody te są zanieczyszczone w zależności od zanieczyszczenia środowiska.

-wody gruntowe znajdują się w głębszych warstwach gleby i są oddzielone od powierzchni gleby, co najmniej jedną warstwą geologiczną, nie przepuszczalną dla wody, nadają się one do picia, ich skład jest niezmienny sezonowo, ale mogą być zanieczyszczone bakteriologicznie,

-wody głębinowe znajdują się od kilkudziesięciu do kilkuset metrów pod powierzchnią gleby, przykryte wieloma nieprzepuszczalnymi dla wody warstwami, są to najlepsze wody pitne, mają stały skład chemiczny, kompletnie pozbawione zanieczyszczeń bakteriologicznych

Podział wód ze względu na stan skupienia

-stan gazowy(para)

-stan ciekły(zb.wodne, opady atmosf, część chmur)

-stan stały(część chmur, opad śniegu, gradu, lód, lodowce)

ZANIECZYSZCZENIA WÓD

Wyróżniamy dwa zasadnicze źródła zanieczyszczeń:

1) Naturalne

- wymywanie soli mineralnych z podłoża,

-opady atmosferyczne - cieki wodne wymywające humusy i iły, opadami atmosferycznymi

- mieszanie się wód słodkich ze słonymi,

-naturalne zanieczyszczenia atmosferyczne (wulkany, trzęsienia ziemi, pożary lasów).

2) Antropogeniczne

-przemysł - w zależności od rodzaju przemysłu, ale najniebezpieczniejsze dla środowiska są przemysłowe zrzuty ścieków zawierających metale ciężkie i o skrajnych wartościach Ph (silnie kwaśne lub silnie zasadowe)

-gospodarka komunalna - dostarcza detergentów oraz zanieczyszczenia mikrobiologiczne, bakteriologiczne,

-komunikacja ( transport wodny) - źródło węglowodorów ropopochodnych

-rolnictwo (nawozy sztuczne, środki ochrony roślin) - jest źródłem podwyższonych stężeń azotu, potasu, fosforu, pestycydy (substancje trudno rozkładane w środowisku)

-zanieczyszczenia chemiczne i fizyczne (np. podwyższona temp. wód, zrzuty wody chłodniczej z elektrociepłowni)

Skutki dla środowiska wodnego w zależności od zanieczyszczenia(stałe, ciekłe, gazowe):

-zanieczyszczenie stałe - przedmioty płynące po zbiornikach wodnych lub wleczone po dnie, zawiesiny ciał stałych (piasku, iłu)

-zanieczyszczenia ciekłe - oleje, kwasy, smary, alkohole, ropopochodne, roztwory zasad

-gazowe - w tym przypadku rozpatruje się je pod katem zastosowania wody:

-woda na cele spożywcze powinna zawierać O₂,CO₂ a nie powinna zawierać siarkowodoru, metanu, amoniaku.

- woda na cele przemysłowe nie może zawierać O₂ i CO₂.

Ilość zanieczyszczeń gazowych zawartych w wodzie zależy od:

-temperatury (im wysza temp. tym gaz gorzej rozpuszcza się – rozpuszczalność gazów maleje)

-ciśnienie – im większe ciśnienie, tym mniej gazu rozpuści się

Bardzo ważnym parametrem wody w naturalnych zbiornikach wodnych jest stężenie tlenu, gdyż determinuje ono procesy samooczyszczania się wody. Gdy stężenie to będzie mniejsze niż 4mg O₂/ L wody, następują w niej procesy gnilne. W stanie nasycenia w temp 15⁰C w 1L wody jest rozpuszczone 11mg tlenu. W wodzie znajduje się rozpuszczonych wiele substancji chemicznych pochodzenia naturalnego i antropologicznego.

Substancje pochodzenia naturalnego: MgCO_3, Mg(HCO₃)₂ , CaCO_{3 ,} Ca(HCO₃)₂ , CaSO₄, Ca(SO₄)₂ , Fe³⁺, Cl^-_., stearynian sodu.

Obecność metali ciężkich w ściekach przemysłowych wywołuje spadek aktywności enzymów mikroorganizmów biorących udział w procesach samoczyszczących się wody.

Zmiana pH wody w zbiornikach wodnych powoduje zaburzenia w równowadze bytujących tam organizmów.

W przypadku węglowodorów ropopochodnych powstająca warstwa zanieczyszczeń na powierzchni wody izoluje środowisko od tlenu i promieni słonecznych.

Gospodarka komunalna- detergenty (środki pianotwórcze) tworzą piane na powierzchni zbiornika utrudniając dostęp tlenu i promieni słonecznych, bardzo wrażliwe na detergenty są płazy, stawonogi, mięczaki.

Zwiększenie stężenia azotu, potasu i fosforu w środowisku wodnym powoduje:

-eutrofizacje zbiorników wodnych tj. nadmierny rozrost roślinności które w dalszym etapie powodują zaburzenia równowagi w zbiorniku (utrudniony dostęp światła), zahamowanie procesu samooczyszczenia, prowadzące do procesów gnilnych.

Podczas uzdatniania wody pitnej w procesie chlorowania, które ma na celu zniszczenie bakterii chorobotwórczych w wodzie może dojść do powstania trichlorometanu (THM) który jest rakotwórczy, ma to miejsce wtedy gdy chlorowana woda jest zanieczyszczona węglowodorami.

PROCESY SAMOCZYSZCZENIA WODY- to procesy mechaniczne, fizyczne i biochemiczne, należą do nich:

-sedymentacja - to opadanie cząstek ciała stałego, zawieszonych w cieczy pod wpływem siły grawitacji, zjawisko to sprzyja poprawieniu przejrzystości wody (lepszy dostęp promieni słonecznych), ale powoduje zanieczyszczenie dna zbiornika, w skrajnych przypadkach doprowadzając do zaniku życia na dnie zbiornika.

-reakcje chemiczne-utleniania zachodzące przy udziale tlenu, w wyniku których powstają proste związki nieorganiczne.

-jednym z mechanicznych czynników jest rozcieńczanie zanieczyszczeń wodą zbiornika.

Możemy je rozpisać współczynnikiem rozcieńcza.

$$M = \ \frac{q + Q}{q}$$

Q – objętościowe natężenie przepływu wody w zbiorniku [m³/min]

q – objętościowe natężenie przepływu ścieków zrzucanych do zbiornika [m³/min]

-reakcje biochemiczne- zachodzące przy udziale przy udziale bakterii saprofitycznych (żywiących się odchodami innych bakterii), końcowym produktem tych zanieczyszczeń są takie związki jak CO_2, H₂O, azotany, siarczany. Proces ten zachodzi przy udziale tlenu, który jest niezbędny dla tych procesów. Katalizowany jest natomiast przez enzymy bakterii, zachodzi on dwuetapowo:

1 etap: to hydroliza tłuszczy i węglowodorów oraz rozkład białek w wyniku których powstają aldehydy, alkohole, kwasy karboksylowe, amoniak.

2 etap: to dalsze utlenianie tych substancji do uprzednio wymienionych związków(CO_2,H₂O, azotany, siarczany)

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PROCES SAMOOCZYSZCZENIA SIĘ WÓD:

- dostęp światła-potrzebny aby rosły rośliny, fotosynteza roślin wodnych(asymilacja CO₂ rozpuszczonego w wodzie, w wyniku czego oddają tlen do środowiska)

-właściwy poziom tlenu- nie może być mniejszy niż 4mg/L H₂O.

-właściwe pH wody (odczyn wody) musi zawierać się miedzy 6,5-8,5; gwarantuje to właściwą wydajność procesów.

-odpowiedni skład gatunkowy bakterii saprofitycznych.

-nieobecność w wodzie jonów metali ciężkich, bowiem ich obecność powoduje spadek aktywności enzymów bakterii, a tym samym spowolnienie procesów samoczyszczania.

WYBRANE WSKAŹNIKI WODY

1. pH wody (wskaźnik kwasowości wody)

2. przewodnictwo właściwe ( [µS] – mikrosimensy (jednostka przewodnictwa) 1/Ω) im woda czystsza tym ma mniejsze przewodnictwo (woda podwójnie destylowana przewodnictwo =0)

3. mętność

4. zawiesina ogólna [mg] cząstek ciała stałego zawieszona w 1L wody

5. ChZT-chemiczne zapotrzebowanie tlenu jest to ilość tlenu [mg], jaka jest potrzebna do przemian chemicznych zanieczyszczeń zawartych w 1L wody.

6. BZT₅-biologiczne zapotrzebowanie tlenu jest to ilość tlenu [mg], jaka jest niezbędna dla procesów mikrobiologicznego utlenienia zanieczyszczeń zawartych w 1L wody w odniesieniu do pierwszych 5 dni procesu. Jest to miarą zanieczyszczeń, ilości zanieczyszczeń organicznych zawartych w wodzie. Im jest ich więcej tym wartość BZT₅ jest większa.

7. Zawartość fenoli lotnych [mg / l], im mniej tym lepiej, możliwość powstawania podczas chlorowania-bifenoli.

8. Zawartość jonów wapnia Ca²⁺ , Mg²⁺ składających się na twardość wody [mg / l].

9. Zawartość siarczanów SO^- , chlorków Cl^- , azotanów NO^3- , azotynów NO^2- .

10. Jony metali ciężkich Pb²⁺ , Cd²⁺ , Hg²⁺ ,Ni²⁺ , Cr³⁺ , Mn²⁺ , Fe³⁺ , Cu²⁺ (gdy są sinice)

METODY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW:

Zanieczyszczenie ponadnormatywnie wody muszą być przed ich odprowadzeniem do środowiska oczyszczone. Technologia oczyszczania ścieków zależy od:

-jakości ścieków

-ilości zawartych w nich zanieczyszczeń

Wyróżniamy 2 zasadnicze rodzaje ścieków:

-ścieki komunalno-bytowe

-ścieki przemysłowe

1.Ścieki komunalno-bytowe- ścieki te zawierają w swym składzie przede wszystkim zanieczyszczenia bytowe człowieka(fekalia), bakterie chorobotwórcze, mikroorganizmy, substancje powierzchniowo czynne, których obecność jest wynikiem stosowania środków czystości (mydła, proszki, detergenty), wiele substancji organicznych będących produktem rozkładu np.żywności, nie wykorzystane leki. Skład chemiczny oraz ilościowy takich ścieków jest zmienny sezonowo co wynika z sezonowości warunków atmosferycznych. Ścieki bytowe są mieszane z opadami atmosferycznymi.

Zakłady oczyszczające ścieki komunalne to oczyszczalnie ścieków komunalnych, zadaniem ich jest:

-zmniejszenie stężenia zanieczyszczeń zawartych w ściekach do wartości dopuszczalnych

Oczyszczanie takie składa się z następujących części technologicznych:

-wstępne oczyszczanie mechaniczne

-oczyszczanie biologiczne

-obiekty redukujące zanieczyszczenia ze związków fosforowych i azotowych (denitryfikacja i defosforyzacja),

-część uzdatniania osadów pościekowych

SCHEMAT OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW

Odprowadzanie metanu do zbiornika

CH₄

1. Kolektor ścieków – uśrednienie składu chemicznego ścieków

2. Oczyszczanie wstępne SKRAT – zespół kratownic wykonanych z drutu zbrojeniowego o odpowiednich wymiarach. Na których zatrzymują się większe zanieczyszczenia stałe

3. Osadniki wstępne – wydzielenie się innych mniejszych części stałych osadów (sedymentacja) – w postaci długich zbiorników.

4. Oczyszczanie biologiczne – mikroorganizmy (bakterie odpowiedniego gatunku, odpowiednio dobrane do składu ścieków, mogą być z dostępem tlenu (aerobowe) lub bez dostępu tlenu (anaerobowe). Zachodzą tam procesy biochemiczne, w których następuje rozkład zanieczyszczeń organicznych (węglowodorów, tłuszczów itp.), przy udziale bakterii. Końcowym produktem są proste związki chemiczne.

Wyróżniamy 2 zasadnicze rodzaje prowadzenia reaktorów biologicznych:

- aerobowe (tlenowe) – napowietrzanie reaktorów (duży przyrost biomasy, produktami przemiany są CO2, H2O, azotany, siarczany, fosforany – nie dają nieprzyjemnych odorów),

- anaerobowe (ograniczony dostęp tlenu) – nie ma problemu z osadem nadmiarowym – końcowymi produktami przemiany materii są: amoniak, aldehydy, siarkowodór – wydzielają się nieprzyjemne odory.

5) Wtórne osadniki - żeby nie tracić bakterii, są one odzyskiwane z osadników

6) Chlorowanie - po przejściu przez kolejne osadniki, należy zabić pozostające w ściekach bakterie, w tym celu stosuje się chlorowanie. Można też zastosować ozonowanie. Chlorowanie jest zabiegiem niebezpiecznym.

7) w komorze fermentacyjnej, bez udziału tlenu następuje rozkład substancji organicznych, które nie rozłożyły się w reaktorach biologicznych. Na tym etapie odzyskujemy biomasę i CH4 – do ogrzewania

8) Osady są wstępnie na prasach pozbawiane wody i pozostawia się ja na poletkach osuszających – unieszkodliwia się je przez stabilizację, np. posypuje się je palonym wapnem (posiada silne właściwości utleniające), giną wtedy pasożyty i bakterie chorobotwórcze.

Stabilizowany osad jeżeli spełnia odpowiednie warunki pod względem zawartości metali ciężkich może być dalej wykorzystany do celów rolniczych, ale nie do produkcji żywności, ale np. do rekultywacji terenów poprzemysłowych, składowisk odpadów, jako dodatek do paliwa.

Metody oczyszczania ścieków przemysłowych.

Technologie oczyszczania tych ścieków muszą być dostosowane do ich składu chemicznego. Wyróżniamy następujące metody oczyszczania tych ścieków:

Ścieki przemysłowe dzielimy na trzy grupy:

-ścieki które są zbliżone składem chemiczny do komunalno-bytowych i są podatne na procesy biodegradacji, należą do nich np. ścieki z przemysłu gorzelniczego, spożywczego, owocowo – warzywnego, zakładów przetwórstwa mięsnego, przemysłu cukrowego,

-ścieki przemysłowe które poddają się procesom biodegradacji po wstępnym oczyszczeniu np. przemysł petrochemiczny, zakłady papierniczo - celulozowe, koksownicze,

-ścieki które nie poddają się procesom biodegradacji i trzeba stosować odpowiednio dobrane metody, np., ścieki o skrajnych wartościach pH, zawierające jony metali ciężkich, ścieki zakładów chemicznych, zawierające pestycydy, detergenty.

METODY OCZYSZCZANIA TAKICH ŚCIEKÓW SĄ NASTĘPUJĄCE:

1.neutralizacja-stosujemy tę metodę w przypadku gdy ścieki mają zbyt duże lub zbyt małe pH, gdy ścieki są zbyt kwaśne to pH podwyższamy mlekiem wapiennym(wapnowanie), jeżeli mają zbyt małe pH wtedy używamy torfu, jako środka zmniejszającego zasadowość ścieków

2.wymiana jonowa-ma na celu pozbawienie ścieków jonów - kationów i anionów (zanieczyszczeń jonowych), np. metali ciężkich[kationy: Pb²⁺, Cd²⁺ , Ni²⁺ , Hg⁺ , Hg²⁺ , Cr⁺ , Cr⁵⁺ , Mn⁺ , Mn²⁺ , Cu²⁺ ],

[aniony: NO₂^-_, NO_3, SO₄^2- , PO₄^- , Cl^- , CO₃^2- ]

Instalacja kolumn jonitowych:

H⁺KATIONIT +K⁺ H⁺ + K^- KATIONIT

Anionity (OH^-) + Anion OH^- + A^-anionit

H⁺ + OH^- H₂O

Kationit – posiada wymienialny jon wodoru (H⁺).

Srtosuje się dwie baterie kationitów I anionitów, które działaą naprzemiennie, gdy I jest regenerowana, to II działa. HCL do kationitów – otrzymujemy KCl, a NaOH do anionitów – otrzymujemy NaCl.

3.reakcja utleniania i redukcji polega na zmianie stopnia utlenienia zanieczyszczeń do chemicznych form dających się łatwiej odseparować od ścieków.

4.reakcje strącania- dodajemy substancję do ścieków, która wytrąca osad (sedymentacja); strącanie osadu to proces zachodzący w wyniku reakcji chemicznej, polega na wytrąceniu się z roztworu któregoś z produktów w postaci osadu, np. defosforyzacja

Fe²⁺ + PO₄^3- Fe₃PO₄

Cyjanki

CN^- + Cu²⁺ Cu (CN)₂ (związek nierozpuszczalny)

5.elektroliza-przy użyciu prądu stałego dokonujemy rozkładu elektrolitycznych związków zawartych w ściekach, np. związki miedziowe, Szlam anodowy, zawiera np. złoto, platynę, srebro.

6.adsorbcja-proces przyłączania się na powierzchni ciała stałego cząstek innego związku (powierzchnia adsorbera musi być duża)

7.ekctrakcja-jest to rozdział danej substancji pomiędzy dwie nie mieszające się między sobą ciecze w taki sposób że jest duża różnica stężeń tych substancji w wykorzystywanych cieczach. Ekstrakcją rządzi prawo Nernsta

$$\frac{\mathrm{\text{CiA}}}{\mathrm{\text{CiB}}} = N = constans,\ przy\ t = constans\backslash n$$

Stosunek stężeń w danej substancji w rozpuszczalniku A do stężenia tej substancji w rozpuszczalniku B jest wielkością stałą , charakterystyczną dla danego układu przy stałej temperaturze.

8.odparowanie- np. podgrzewamy ścieki i odparowujemy z nich rozpuszczalniki

9.destylacja- skroplenie par rozpuszczalnika w chłodnicy, a powstałe opary po skropleniu są z powrotem zawracane do produkcji (np. przy bardzo drogich rozpuszczalnikach).