14.03.2013
Inżynieria środowiska to dyscyplina naukowa w obrębie nauk technicznych.
W oparciu o nauki techniczne, przyrodnicze, prawne i ekonomiczne tworzy podstawy do racjonalnego gospodarowania zasobami przyrody, ale również prognozowania, oceny, zapobiegania i naprawy skutków oddziaływania człowieka na środowisko.
Badania z zakresu inżynierii środowiska mają charakter interdyscyplinarny, bezpośrednio związany z problematyką ekologiczną.
Badania te dotyczą: zanieczyszczenia i przekształcenia środowiska przyrodniczego, opracowania metod i rozwiązań techniczno-organizacyjnych jego ochrony.
Atmosfera posiada 4 warstwy:
- troposferę
- stratosferę
- mezosferę
- termosferę
Troposfera
Jest strefą najbliższą Ziemi
Wysokość od 10 do 20 km
Warstwa graniczna (Bondary layer)
Pionowy gradient stanu atmosfery – jest to zmiana temperatury z wysokością w atmosferze w danym momencie (pionowa zmiana temperatury otaczającego powietrza).
Gradient sucho adiabatyczny (1stC)
- powietrze suche (bez produktów kondensacji)
- adiabatycznie, czyli bez wymiany ciepła z otoczeniem
Gradient wilgotno adiabatyczny (0,5stC)
- dotyczy powietrza wilgotnego (U=100%)
- w wyniku kondensacji uwalnia się utajone ciepło kondensacji
- nie jest wielkością stałą (temp. i ciśnienie)
Zmiany ciśnienia
Ciśnienie atmosferyczne jest to siła parcia, jaką swoim ciężarem wywiera słup powietrza znajdujący się nad jednostką powierzchni Ziemi. Ciśnienie atmosferyczne wyraża się w hektopaskalach (hPa).
Powoduje ruch powietrza w atmosferze, maleje wraz ze wzrostem wysokości.
Cyrkulacja atmosferyczna
Niż atmosferyczny – kierunek wiatru przeciwny do ruchu wskazówek zegara.
Wyż – ruch zgodny z ruchem wskazówek zegara, do góry bo się nagrzewa).
Stratosfera
Sąsiaduje od dołu z troposferą
Miąższość od ok. 10 do 25 km
Występuje warstwa ozonowa
Mezosfera
Nad stratosferą
Miąższość od 25 km
Termosfera
Najwyższa
Wysokość od 100 do 300-400 km
Skład powietrza atmosferycznego
+ Azot- 78,084%
+ Tlen- 20,946%
+ Argon- 0,934
+ Para wodna- 0,5-4%
+ CO2 360ppm
Neon
Hel
Krypton
Wodór
Gazy atmosferyczne – azot, tlen, argon, CO2 i wiele innych, są niewidoczne.
Warstwa ozonowa:
Ozon (z gr. Zapach) silny zapach
90% w stratosferze
10% w troposferze
Absorbuje promieniowanie UV
Zmienność azotu i tlenu jest mała, ale CO2, metan, tlenki azotu i gazy cieplarniane zwiększyły koncentrację w powietrzu. CO2 wzrósł ponad 18% od 1958r.
Woda w atmosferze – stany skupienia:
- stały (solid)
- ciekły (liquid)
- gazowy (gas)
Maksymalna prężność pary wodnej (es) jest to najwyższa wartość ciśnienia, jaka może wystąpić w danej temperaturze.
es jest funkcją temperatury i rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Parowanie to proces powstawania pary na powierzchni swobodnej cieczy.
Zachodzi w każdej temperaturze, rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Polega na tym, że – w warstwie powierzchniowej cieczy – istnieją cząsteczki, które mając dużą energię kinetyczną opuszczają powierzchnię cieczy, obniżając temperaturę.
Kondensacja pary wodnej – fizyczny proces prowadzi do przejścia pary wodnej w wodę w stanie ciekłym, występuje przez ochłodzenie powietrza do temperatury punktu rosy albo przez nasycenia powietrza parą wodną.
Ochładzanie wilgotnego powietrza
- rozprężanie przy ruchu w górę
- napływ ciepłego i wilgotnego powietrza ponad chłodniejsze podłoże
Ochładzanie powietrza poniżej temperatury punktu rosy powoduje powstanie drobniutkich kropelek wody lub kryształków lodu tworzących mgły i chmury.
Chmury
Zbiór cząstek wody i/lub lodu
Tworzą się na skutek kondensacji
Para wodna kondensuje przy odpowiedniej wilgotności względnej
Większość w troposferze
Powstawanie opadu proces koagulacji:
- zderzanie cząsteczek
- chmury wodne
- grawitacja
Proces Bergerona
- chmury mieszane
- parowanie wody – kryształki lodu
21.03.2013
Zanieczyszczenia atmosfery
Rozprzestrzeniają się poprzez ruch powietrza na duże odległości
Problemy ochrony powietrza należy rozpatrywać w skali globalnej i wprowadza się mikroskalowe jednolite normy emisji zanieczyszczeń
Aerozole i pyły atmosferyczne
W powietrzu mogą znajdować się liczne zanieczyszczenia w postaci cząstek stałych i kropelek cieczy – aerozole bądź pyły.
Naturalna i antropogeniczna aktywność powoduje:
Przemieszczanie cząstek gleby, soli i popiołów jako zawieszonych aerozoli
Emisję tlenków azotu i węglowodorów jako zanieczyszczeń
Pyły powstają na skutek procesu tarcia. Źródłem ich powstania może być np. ścieranie jezdni, erozja skał. Powstanie pyłów wiąże się także z różnymi procesami produkcyjnymi jak np. spalanie węgla, produkcja stali i metali nieżelaznych, produkcja cementu.
Negatywne oddziaływanie pyłów:
Zamykanie szparek oddechowych u roślin
Ograniczanie procesu fotosyntezy
Liczne choroby układu oddechowego u człowieka i zwierząt
Wpływa na chemizm wód i gleb
Toksyczne działanie metali ciężkich na organizmy żywe
Wpływ pyłów na bilans cieplny Ziemi i klimat jest tym większy im większe jest ich stężenie w powietrzu atmosferycznym. Cząstki pyłów są ośrodkami skraplania się pary wodnej. Wzrost koncentracji pyłów może zmieniać właściwości chmur.
Pyły najczęściej siarczany, cząstki węgla, kurz, a w niektórych rejonach sól morska.
Pyły wulkaniczne są emitowane bezpośrednio do stratosfery, gdzie przebywają wiele lat powodując zakłócenia termiczne w stratosferze i troposferze.
Toksyczność ich zależy od średnicy ziaren, od składu chemicznego, zawartości metali toksycznych np. ołowiu, kadmu, niklu, miedzi, cynku i chromu.
Pierwiastki śladowe w powietrzu.
Na ich zawartość wpływ ma emisja metali ciężkich w wyniku procesu spalania węgla kamiennego, a w dalszej części także brunatnego, koksu, gazu, oleju opałowego i drewna. Za emisję ich odpowiada przemysł energetyczny.
Azbest
Posiada działanie rakotwórcze. Szkodliwość zależy od rodzaju azbestu, wymiaru włókien i skumulowanej dawki pyłu azbestowego w ciągu życia osobniczego. Najgorsze są włókna respirabilne, dostają się do pęcherzyków płucnych. Średnica poniżej 3um i długość powyżej 5um.
Do najważniejszych źródeł zanieczyszczenia azbestem zaliczamy:
Źródła naturalne – zanieczyszczenia skorupy ziemskiej, wód przepływających przez złoża zawierające azbest, zanieczyszczenie azbestem eksploatowanych złóż węgla, rud miedzi, kamieni budowlanych itp.
Źródła związane z przetwórstwem azbestu: kopalnie, zakłady produkcji i odpady przetwórstwa azbestu
Zanieczyszczenia powietrza spowodowane stosowaniem wyrobów azbestowych: ścieranie tarcz sprzęgłowych i hamulcowych; korozja płyt azbestowo-cementowych, eternitu
Składniki gazowe
Szczególną rolę w procesie globalnego ocieplenia Ziemi pełnią tzw. Gazy cieplarniane. Poza parą wodną należą do nich: CO2, ozon, tlenki siarki i azotu, gazy śladowe, metan, podtlenek azotu, związki chloru i bromu.
CO2
Uznawany jest za najważniejszy gaz szklarniowy. Badania wskazują, że wszystkie istotne ochłodzenia i ocieplenia od kambru, związane były ze zmianą koncentracji tego gazu w atmosferze. Ponad 80% antropogenicznej jego emisji pochodzi ze spalania paliw kopalnianych. Pozostała część powstaje w wyniku spalania biomasy.
Podstawowym naturalnym źródłem emisji CO2 do atmosfery są procesy wulkaniczne. Z chwilą przekroczenia zawartości 300ppm w powietrzu, CO2 uznawany jest za zanieczyszczenie.
Tlenek węgla
Powstaje w wyniku niezupełnego spalania węgla
Źródłem zanieczyszczenia CO są pojazdy (głównie benzynowe), gospodarstwa domowe i przemysł hutniczy
Metan
Emisja metanu odpowiada za ok. 18% efektu cieplarnianego oraz za niszczenie ozonu w stratosferze
Głównym źródłem jego emisji są na świecie uprawy ryżu, mokradła, spalanie biomasy, zwierzęta przeżuwające i odchody zwierzęce, składowiska śmieci oraz wydobycie węgla i gazu ziemnego
NH4 powstaje w wyniku procesu rozkładu beztlenowego materii biogennej
Obecnie stężenie metanu w atmosferze wynosi ok. 1,72ppm
Dwutlenek siarki
Wszystkie paliwa tak stałe i płynne zawierają siarkę. Dwutlenek siarki może utleniać się w powietrzu do SO3, który z kolei reaguje z wodą zawartą w powietrzu tworząc kwas siarkowy.
Mechanizm przechodzenia SO2 w SO3 – dwie drogi:
Fotochemiczny – w fazie gazowej. Cząsteczka SO2 pobiera energię fotonu promieniowania nadfioletowego i łączy się z cząsteczką tlenu, dając SO3 i O3
Proces katalityczny – w fazie ciekłej, w kroplach mgły, przy której powstaniu sole żelaza i manganu zachowują się jak katalizatory. Szybkość przemiany SO2 maleje ze wzrostem prędkości wiatru, nie jest zależne od promieniowania słonecznego
Tlenki azotu
Główne naturalne źródła związków azotu to wyładowania atmosferyczne i biologiczne wiązania w naturalnych ekosystemach. Ważnym źródłem azotu jest też spalanie surowców energetycznych (głównie węgla i pochodnych ropy naftowej). Tlenki azotu wraz z tlenkami siarki są główną przyczyną zakwaszania opadów.
Podtlenek azotu.
Powstaje w wyniku procesów biologicznych, zachodzących w wodzie i glebie, spalania paliw energetycznych i biomasy oraz nawożenia nawozami sztucznymi. Cechuje go długi okres trwania w atmosferze (150 lat). Jest on jednym z głównych czynników niszczenia warstwy ozonowej.
Amoniak
Ok. 60% emisji amoniaku do atmosfery pochodzi z rolnictwa, przede wszystkim z produkcji zwierzęcej. W atmosferze reaguje z kwasami, głównie siarkowymi i azotowymi. W ujęciu globalnym emisja amoniaku przyczynia się w ok. 50% do zakwaszenia środowiska. Cząsteczka amoniaku powoduje takie samo zakwaszenie jak cząsteczka SO2 i dwa razy większe niż dwutlenek azotu.
WWA
Występują m.in. w dymie papierosowym, powietrzu, wodzie, żywności, glebie, osadach dennych, organizmach wodnych, olejach mineralnych i rafinowanych produktach naftowych, lotnych pyłach i popiołach, powstają przy spalaniu paliw i śmieci. Jak dotąd w powietrzu stwierdzono ok. 500 rodzajów WWA. Wiele z nich po wchłonięciu przez skórę ulega metabolizmowi i tworzy pochodne o działaniu mutagennym i kancerogennym.
Skutki zanieczyszczeń powietrza
Smog – mieszanka pary wodnej lub mgły z dymem, skumulowanie się dużej ilości zanieczyszczeń na niewielkim obszarze (np. w mieście), bezwietrzne warunki pogodowe
Wyróżniamy dwa typy smogów
- siarkowy – Londyński – występuje w klimacie umiarkowanym. jest efektem spalania węgla w połączeniu z dużą koncentracją sadzy oraz tlenków siarki i węgla. Wynikiem oddziaływania a organizm zwierząt i ludzi są schorzenia dróg oddechowych i układu krążenia.
- fotochemiczny – Los Angeles – powstaje w klimacie subtropikalnym lub tropikalnym. Tworzy się ze spalin samochodowych, które zawierają czad, węglowodory, tlenki azotu. Słońce – reaguje – powstają substancje o właściwościach silnie utleniających, uszkadza drogi oddechowe.
Pustynnienie – jest to degradacja ziemi na obszarach suchych, półpustynnych i półwilgotnych
Powody:
- anomalie klimatyczne
- działalność człowieka
* wycinanie obszarów leśnych
* nadmierny wypas zwierząt hodowlanych, powodujących jej wyjałowienie
* złe techniki nawadniania
- zjawisko degradacji gleb dotyczy obecnie ponad 1/3 wszystkich terenów rolniczych na Ziemi i jest problemem globalnym.
Metody zapobiegania zanieczyszczeniom atmosfery
- ograniczenie emisji zanieczyszczeń gazowych do atmosfery w trakcie projektowania procesu technologicznego ( w tym także procesu spalania paliw)
* odpowiedni dobór surowców, ich wstępne oczyszczenie oraz hermetyzacja i automatyzacja procesów przemysłowych
- oczyszczanie gazów odlotowych – gdy nie jest możliwe całkowite zredukowanie emisji zanieczyszczeń w trakcie procesu technologicznego lub spalania paliw
Ograniczenie emisji SO2 realizuje się na etapie oczyszczania paliw oraz zapobiegania wydzielania się SO2 z procesów spalania.
Ograniczanie wydzielania NOx z procesów spalania
- właściwy dobór parametrów prowadzenia procesu spalania
- dodawanie do komory spalania substancji reagujących z powstającymi NOx
- utrzymanie temperatury spalania NOx na niskim poziomie (800-1100stC)
Metody zmniejszenia emisji NOx w elektrociepłowniach
- stosowanie małego nadmiaru powietrza
- dostarczanie wody lub pary do strefy spalania (obniżenie temperatury płomienia)
- recyrkulacja spalin
- spalanie dwustopniowe (w dwóch strefach – palników i ponad palnikami)
Oczyszczanie gazów odlotowych:
Do oczyszczania zanieczyszczeń gazowych wykorzystuje się prawie wszystkie podstawowe procesy fizyczne:
- absorpcję - polega na pochłanianiu zanieczyszczeń gazowych przez ciecz(absorbent). Absorbentami są: woda, roztwory kwasów, zasad, soli o właściwościach utleniających lub redukujących.
- adsorpcję – cząsteczki jednej substancji zostają związane zna powierzchni innej substancji
- kondensację – chłodzenie wodą lub powietrzem z wymiennikami ciepła
- metody membranowe – separacja zanieczyszczeń o rozmiarach cząstek i cząsteczek na poziomie molekularnym i jonowym. membrany są stosowane do eliminacji cząstek o rozmiarach od 500-0,5um oraz do rozdziału składników niewiele różniących się rozmiarami np. gazów, jonów czy związków niskocząsteczkowych.
Spalanie – najbardziej powszechna metoda usuwania z gazów niebezpiecznych dla środowiska substancji palnych np. węglowodorów, tlenków węgla, rozpuszczalników organicznych itp.
Spalanie bezpośrednie zanieczyszczeń gazowych palnych jest możliwe wprost lub z małym dodatkiem paliwa gazowego, ale przy małych stężeniach jest to nieekonomiczne. Stosuje się w przemyśle rafineryjnym, petrochemicznym w pochodniach, które są charakterystyczne dla tych zakładów.
Spalanie termiczne – dozowanie palnych odpadów gazowych (odpowiednie stężenie) do palnika zasilanego gazem ziemnym
- bardzo energochłonne i kosztowne
- w wysokich temperaturach 800-1200 stC
- jeśli temperatura przekroczy 1400stC powstaje tlenek azotu (wtórne zanieczyszczenie atmosfery)
Spalanie katalityczne – przy niskich stężeniach węglowodorów
- bardziej ekonomiczna metoda niż spalanie termiczne
- strumień zanieczyszczonego gazu w mieszaninie z powietrzem przepływa przez warstwę katalizatora
- katalizator umożliwia przeprowadzenie reakcji utleniania zanieczyszczenia w temperaturze 500-7000 stC. Katalizatory – najczęściej metale i tlenki metali.
Metody biologiczne- Najważniejszą przewagą biologicznych metod oczyszczania gazów jest możliwość prowadzenia procesów w temperaturze otoczenia (10-140 stC) i ciśnienia atmosferycznego.
Wiele substancji zanieczyszczających gazy odlotowe można skutecznie likwidować na drodze biodegradacji za pomocą mikroorganizmów (utleniają zanieczyszczenia organiczne do CO2 i H2O)
Główne procesy biologicznego oczyszczania gazów odlotowych:
- absorpcja zanieczyszczeń w wodzie
- biologiczny rozkład pochłoniętych zanieczyszczeń
W praktyce gazy są oczyszczane biologicznie przede wszystkim w:
- biopłuczkach
- bioskruberach
- biofiltrach
11.04.2013
Odpylacze filtracyjne (tkaninowe)
Najbardziej skuteczne – oddzielają płyn przy przepływie zapylonego gazu przez materiały porowate
Stosuje się różnego rodzaju tkaniny, filce, bibuły. Filtry tkaninowe należą do najdroższych, stosowane są małe prędkości przepływu 0,8-8 m3/s
Bardzo wysoka skuteczność do 99,9% dla ziaren wielkości 1um
Stosowane w przemyśle ceramicznym przy odpylaniu gazów z wapienników, w przemyśle metalurgicznym i innych. Przykładem jest odkurzacz i filtr powietrza w samochodzie
Usuwanie CO2
Najczęściej stosuje się płuczki CO2
Usuwa CO2 z komór chłodniczych
Zawiera aktywny węgiel, o właściwościach adsorbowania CO2
Zadania mające na celu poprawę stanu sanitarno-higienicznego powietrza w Polsce:
Dalsza restrukturyzacja gospodarki
Zmniejszenie jej energochłonności i materiałochłonności
Restrukturyzacja energetyki: konkurencyjność innych paliw, rozwój energetyki jądrowej
Rozwój zdalnych sieci ciepłowniczych (lub zmianę medium grzewczego) w centrach dużych miast
Techniki i technologie w ochronie powietrza:
Realizacja programu ograniczania emisji gazów (zwłaszcza SO2) z zakładów energetyczno-ciepłowniczych
Poprawa skuteczności urządzeń odpylających w zakładach energetycznych
Rozbudowa zakładów wzbogacania i odsiarczania paliw
Wprowadzanie zakazu rejestrowania pojazdów bez katalizatorów i stopniowe wycofywania benzyn ołowiowych
Zmniejszenie emisji:
Wprowadzenie w przemyśle nowych technologii o znacznie niższych wskaźnikach emisji zanieczyszczeń
Realizacja programu znacznego wzrostu lesistości obszaru Polski
Doskonalenie mechanizmów prawnych i ekonomicznych wymuszających dbałość o stan środowiska
Zapewnienie spójności pomiędzy długotrwałą polityką ekologiczną państwa a bieżącą polityką gospodarczą
Zmniejszenie emisji SO2:
Stosowanie paliw o niewielkiej zawartości siarki
Zastępowanie paliwa węglowego gazem ziemnym
Budowa instalacji wzbogacania węgla
Instalowanie kotłów pyłowych, umożliwiających związanie 80-90% siarki oraz ograniczających emisję azotu do atmosfery (z powodu niższej temp. Spalania)
Odsiarczanie spalin poprzez ich przepuszczanie przez płyny alkaliczne (mokra metoda wapienna i amoniakalna)
Stosowanie suchej metody wapiennej, polegającej na wprowadzeniu do komory paleniskowej kotła minerałów zawierających węglany wapnia i magnezu
Stosowanie metody radiacyjnej, polegającej na równoczesnym odsiarczaniu i odazotowaniu spalin – polega na przepływie spalin przez reaktory radiacyjne, gdzie w wyniku aktywizacji wiązka elektronów uzyskuje się nawozy azotowe – siarczan amonowy (NH4)2SO4 i azotan amonowy (NH4NO3)
Technologie „końca rury”
Ze względu na stan skupienia oddzielanych zanieczyszczeń urządzenia oczyszczające dzielimy na:
Urządzenia do oddzielania z gazu rozdrobnionych zanieczyszczeń stałych (pyłu), zwane odpylaczami
Urządzenia do oddzielania kropelek cieczy (mgieł)
Urządzenia do redukcji zanieczyszczeń gazowych
Elektrofiltry – wykorzystujące oddziaływanie pola elektrostatycznego na zanieczyszczenia zawieszone w gazach. Stosowane na ogól dla oczyszczania bardzo dużych ilości gazów.
Komory osadnicze – stosowane do oczyszczania zgrubnego przy bardzo dużych ilościach pyłu, np. cementowego, metalurgicznego.
Technologie przyjazne środowisku:
W ostatnim okresie coraz popularniejsze stają się źródła energii takie jak:
Promieniowanie słoneczne
Siła wiatru
Energia wnętrza Ziemi (tzw. Energia geotermalna)
Energia przypływów i odpływów mórz
Energetyka słoneczna: Najmniej znana. Ze względu na charakter rozkładu gęstości strumienia energii promieniowania i jego strukturę istnieją pewne ograniczenia w możliwości jego wykorzystania, zwłaszcza w okresie zimowym. W kilku regionach kraju stosowane są kolektory słoneczne (cieczowe i powietrzne).
Powietrzne- mają najczęściej zastosowanie w rolnictwie do suszenia płodów rolnych. Są wykorzystywane średnio przez 300-600 h/rok.
Cieczowe – znajdują zastosowanie przede wszystkim do podgrzewania wody
Energetyka wiatrowa: Za wybitnie korzystny dla rozwoju energetyki wiatrowej można uznać obszar wybrzeża Bałtyku. Podobne warunki występują na terenie Suwalszczyzny, nieco gorsze w środkowej Polsce.
Energia wodna: Energetyczne zasoby wodne Polski są niewielkie ze względu na niezbyt obfite i niekorzystnie rozłożone opady oraz niewielkie spadki terenów. Do grupy małych elektrowni wodnych zalicza się obiekty o mocy zainstalowanej poniżej 500 kW. Niewielkie zasoby wodne Polski powodują, iż znaczna część małych elektrowni wodnych dysponuje mocami zainstalowanymi poniżej 100kW. Istotne znaczenie ma również lokalna retencja wód.
WODA
Najwięcej wody w oceanach
Woda na Ziemi:
- woda słona 97%
- woda słodka 3%
* wody podziemne 31,4%
* pokrywa lodowa i lodowce 68,3%
* inne 0,04%
* woda powierzchniowa 0,3% z czego:
- rzeki 2%
- bagna 11%
- jeziora 87%
Bilans wodny – stanowi porównanie przychodów i ubytków (rozchodów) wody w danej przestrzeni bilansowania (powierzchni zlewni lub z góry założonej-przyjętej – powierzchni, dla której można porównywać składniki bilansu) w określonym czasie
Na każdym etapie można bilansować ilość rozpuszczonej w wodzie materii mineralnej.
Równanie bilansu wodnego Penecka: P=M+E+deltaR
- max gęstość wody przy temperaturze 4stC – 1,000 kg/cm3
- temperatura zamarzania wody – 0stC
- temperatura wrzenia wody – 1000stC
- pojemność cieplna wody – 4,187kJ/kgK
- -‘’- lodu – 2,108 kJ/KgK
--‘’- pary wodnej – 1,996 kJ/kgK
- utajone ciepło topnienia
- utajone ciepło parowania
Kątowość i polaryzacja wiązań cząsteczki sprawia, że jest ona dipolowa – mówiąc wprost ładunek jest rozłożony niesymetrycznie. W okolicach tlenu znajduje się cząstkowy ładunek ujemny, a przy atomach wodoru cząstkowy ładunek dodatni. Polarność jest niezmiernie ważna w chemii wody, to dzięki niej w wodzie tak dobrze rozpuszczają się substancje polarne i jonowe – sole.
Krążenie wody w przyrodzie oraz fakt, iż jest ona bardzo dobrym rozpuszczalnikiem powoduje, że woda w przyrodzie nie występuje jako czysty chemicznie związek tlenu i wodoru. jest ona bardzo rozcieńczonym roztworem soli, kwasów, zasad i gazów. Poza substancją rozpuszczoną są w niej obecne związki koloidalne i zawiesiny.
Woda zawiera prawie wszystkie substancje naturalnie występujące w skorupie ziemskiej oraz substancje wytworzone przez człowieka.
Ilość i rodzaje substancji obecnych w wodach naturalnych mogą być różne i zależą od ich powszechności w danym środowisku, ich rozpuszczalności oraz zróżnicowanych procesów fizyko-chemicznych.
czynnik X – składniki naturalne i obce
Składniki obce i substancje organiczne – zanieczyszczenia
składniki mineralne – domieszki
Zanieczyszczenia i domieszki dostają się do wody podczas jej krążenia w przyrodzie, a skład wody zależy od środowiska, w którym styka się woda.
- najbardziej podatne na zanieczyszczenia – skały węglanowe
- najmniej – piaski
Domieszki stałe
| Nie rozpuszczone | Rozdrobnione molekularnie | Domieszki gazowe |
|---|---|---|
| kationy | aniony | |
| Glina | Na+ | HCO3- |
| Krzemiany | K+ | Co3- |
| Substancje humusowe | Ca2+, Mg2+ | Cl3-, SO4 2- |
| Wodorotlenki AL.,Fe,Mn | H+, NH4 +, Fe2+, Mn2+ | NO2-, NO3-, OH-, S2-, PO4 3- |
-piasek
- iły
- nieorganiczne części gleby
- organiczne części gleby
- humusy
- organiczne odpady
dysocjacja chemiczna – proces rozkładu cząstek związków chemicznych na jony
Gazy rozpuszczone w wodzie
Co2, O2, N2, H2S, CH4, SO2, H2, Rn, gazy szlachetne
pochodzenie gazów w wodzie
- atmosferyczne: )2, N2, CO2, SO2, gazy szlachetne
- chemiczne: CO2, H2S, H2, N2, CH4, SO2
- biochemiczne: CH4, H2, CO2, N2, H2S – powstają z biologicznego rozkładu substancji organicznej w warunkach tlenowych i beztlenowych
- radioaktywne: Rn, He, T(tryt)
Znaczenie gazów rozpuszczonych w wodzie
- geologiczne(krasowienie) – zmieniają właściwości wody jako rozpuszczalnika skał, minerałów i gruntu
- lecznicze – oddziałują na organizm ludzki
- techniczne – działają agresywnie na materiały budowlane
degradacja (zatrucie, skażenie wody) – pogorszenie, względne osłabienie -> degradacja zasobów wody(jakości-pogorszenie parametrów ilościowych i jakościowych wody):
- skażenie
- zanieczyszczenie
- zatrucie
Skażenie- woda w swoim składzie posiada substancje, które nie występują w niej w warunkach naturalnych
- chemiczne – substancje są rozpuszczone w wodzie. termin skażenie odnosi się również do sztucznie zmienionych właściwości fizycznych
- termiczne – zmiana temperatury wody/wody pochłodnicze
- biologiczne – wprowadzenie do środowiska organizmów nie występujących w danym ekosystemie, wprowadzenie bakterii – skażenie bakteriologiczne
Skażenie często nie powoduje dużego ograniczenia i możemy tak naprawdę z tej wody korzystać.
16.05.2013
Zanieczyszczenia wód – zmiana stanu i składu wód spowodowana bezpośrednio lub pośrednio działalnością człowieka, która czyni wody mniej przydatne do jednego lub wszystkich celów, które mogłyby służyć w stanie naturalnym (Kleczkowski, 1984)
Zatrucie – woda jest zanieczyszczona w takim stopniu, że radykalnemu pogorszeniu ulega jej zdolność do podtrzymywania życia organicznego właściwego danemu ekosystemowi. Przyczyny: substancje toksyczne występujące w wodzie, w postaci mineralnej lub organicznej.
Normy UE:
Dyrektywa 2000/60/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 października 2000r. ustanawiająca ramy wspólnego działania w dziedzinie polityki wodnej (Dz.U.L 327 z 22.12.2000, str. 1)
Ramowa Dyrektywa Wodna – jeden z najbardziej kompleksowych pakietów dotyczących celów, instrumentów i zobowiązań w zakresie gospodarki wodnej.
Klasy czystości wód:
Klasa I – wody o bardzo dobrej jakości:
Uzdatnianie sposobem właściwym dla kategorii A1
Brak oddziaływania antropogenicznego
Klasa II – wody o dobrej jakości:
Uzdatnianie sposobem właściwym dla kategorii A2
Niewielki wpływ oddziaływania czynników antropogenicznych
Klasa III – wody zadowalające:
Uzdatnianie sposobem właściwym dla kategorii A2
Umiarkowany wpływ oddziaływania czynników antropogenicznych
Klasa IV – wody o niezadowalającej jakości
Uzdatnianie sposobem właściwym dla kategorii A3
Na skutek oddziaływań antropogenicznych zmiany ilościowe i jakościowe w populacjach biologicznych
Klasa V – wody o złej jakości
Nie mogą być przeznaczone do spożycia
Wartości biologicznych wskaźników jakości wody wskazują na zmiany polegające na zaniku występowania znacznej części populacji biologicznych
Skład chemiczny, czyli obecność w wodzie:
Substancje rozpuszczone, czyli suma kationów (m.in. Ca2+, NA+, Mg2+) i anionów (m.in. HCO3-, SO4-, Cl-) obecnych w wodzie, pochodzących ze związków mineralnych i organicznych. W wodach naturalnych są to przede wszystkim rozpuszczone substancje nieorganiczne i niewielka ilość związków organicznych. Obecność zanieczyszczeń powoduje wzrost zawartości rozpuszczonej materii organicznej.
Gazy rozpuszczone pochodzące z powietrza atmosferycznego oraz powstałe w wyniku rozkładu zawartych w wodzie substancji i zanieczyszczeń (m.in. N, O2, CO2 a także CH4, H2S)
Substancje organiczne pochodzenia naturalnego (głównie związki humusowe) i obcego, czyli zanieczyszczenia (m.in. WWA, pestycydy)
Podział zanieczyszczeń ze względu na pochodzenie:
Naturalne – takie, które pochodzą z domieszek zawartych w wodach powierzchniowych i podziemnych np. zasolenie, zanieczyszczenie związkami żelaza, spływ humusu, części ilastych itp.
Sztuczne – inaczej antropogeniczne, czyli związane z działalnością człowieka np. pochodzące ze ścieków miejskich, przemysłowych, rolniczych, spływy powierzchniowe z terenów rolniczych, składowisk odpadów komunalnych.
Podział zanieczyszczeń ze względu na stopień szkodliwości:
Bezpośrednio szkodliwe – fenole, kwasy cyjanowodorowy, siarkowy, siarczany, kwaśny deszcz (fabryki nawozów sztucznych, celulozownie, fabryki włókien sztucznych) i metale ciężkie
Pośrednio szkodliwe – takie, które prowadzą do zmniejszenia ilości tlenu w wodzie poniżej poziomu niezbędnego do utrzymania przy życiu organizmów wodnych.
Podział zanieczyszczeń ze względu na trwałość:
Rozkładalne – zawierające substancje organiczne, potencjalnie trujące lecz podlegające przemianom chemicznym do prostych związków nieorganicznych przy udziale bakterii (ścieki domowe)
Nierozkładalne – nie ulegające większym przemianom chemicznym i nie atakowane przez drobnoustroje (sole metali ciężkich)
Trwałe – zawierające substancje ulegające rozkładowi biologicznemu w niewielkim stopniu i pozostające w środowisku w niezmiennej formie przez długi czas (pestycydy, fenole, produkty destylacji ropy naftowej)
Podział zanieczyszczeń ze względu na źródło:
Źródła punktowe – ścieki odprowadzane w zorganizowany sposób systemami kanalizacyjnymi, pochodzące głównie z zakładów przemysłowych i z aglomeracji miejskich
Zanieczyszczenia powierzchniowe lub obszarowe – spłukiwane opadami atmosferycznymi z terenów zurbanizowanych nieposiadających systemów kanalizacyjnych oraz z obszarów rolnych i leśnych
Zanieczyszczenia ze źródeł liniowych lub pasmowych – pochodzenia komunikacyjnego, wytwarzane przez środki transportu i spłukiwane z powierzchni dróg lub torfowisk oraz pochodzące z rurociągów, gazociągów, kanałów ściekowych i osadowych
Kategorie zanieczyszczeń wód:
Biologiczne – organizmy chorobotwórcze i substancje organiczne, które mogą podlegać fermentacji
Chemiczne – substancje (neutralne, aktywne i toksyczne), które zmieniają warunki ekologiczne w środowisku wodnym
Fizyczne – ciała pływające, zawieszone i opadające, wody podgrzane i radioaktywne
Główne zanieczyszczenia wody:
Ścieki: komunalne, przemysłowe i rolnicze
Śmieci
Katastrofy ekologiczne (np. uszkodzenia tankowców, powodzie)
Katastrofy ekologiczne. Skutki wycieku ropy naftowej:
Szybko rozprzestrzenia się po powierzchni (warstewka 0,3mm) powoduje zanieczyszczenie wybrzeża
Najlżejsze składniki ropy parują a najcięższe mieszają się z wodą morską i powoli opadają na dno
Na skażonym obszarze ropa uniemożliwia zwierzętom wodnym poruszanie się, oddychanie i odżywianie
Nie przepuszcza tlenu i promieni słonecznych
Bakterie stopniowo usuwają ropę, zużywając do tego celu cały tlen rozpuszczony w wodzie
23.05.2013
Zanieczyszczenie wód podziemnych.: Niekorzystna zmiana ich cech fizycznych (temp, barwa, zapach, smak, przewodnictwo elektryczne), chemicznych lub bakteriologicznych
Bezpośrednio przez wprowadzenie do wód substancji zanieczyszczających
Pośrednio przez przemieszczanie się do ujęcia wód zanieczyszczonych
Ochrona czynna wód podziemnych.
Likwidacja ognisk zagrożenia, uzdatnianie lub oczyszczanie wody w gruncie. Obejmuje zabezpieczenia izolujące potencjalne lub rzeczywiste ogniska zanieczyszczeń np. w postaci ekranów, często w połączeniu z drenażem.
Tworzenie barier hydraulicznych, tj. studni uniemożliwiających napływ wód zanieczyszczonych do ujęcia, ustawionych na drodze przepływu zanieczyszczeń i działających zwykle na zasadzie odpompowywania i odprowadzania wód zanieczyszczonych.
Ochrona bierna wód podziemnych.
Tzw. Strefy ochronne, w których obowiązują zakazy i ograniczenia różnych czynności gospodarczych (np. działalności górniczej, wiercenia, nawożenia itp.)
Skutki zanieczyszczeń wody:
Zmniejszenie ilości wody nadającej się do pożycia
Eutrofizacja
Ochrona zasobów wodnych:
Retencja
Sztuczne zasilanie wód podziemnych
Zmiany użytkowania terenu
Oszczędność
1. Retencja:
Podstawowy sposób zwiększania zasobów wodnych zlewni, a tym samym ochrony zasobów wodnych
Retencja podziemna – najbardziej efektywna
Retencja powierzchniowa – duże straty na parowanie
Najkorzystniejsze – połączenie retencji powierzchniowej i podziemnej
Naturalne procesy gromadzenia wody:
Ograniczenie spływu powierzchniowego i parowania terenowego
Zwiększenie infiltracji
Retencja zbiornikowa:
Praca zbiornika – gromadzenie wody w okresach jej nadmiaru i oddawanie w okresach niedoboru – zwiększenie zasobów dyspozycyjnych. W zbiornikach retencyjnych znajduje się ok. 3,6 km3 wody (6% wielkości rocznego odpływu z obszaru Polski).
Plusy i minusy:
Ochrona przeciwpowodziowa, zapewnienie wyższych przepływów niżówkowych i zaopatrzenie w wodę – wraz z małą retencją stanowią skuteczny sposób zwiększania zasobów wód powierzchniowych
Kontrowersje wokół budowy zbiorników – zagrożenia zyski i straty budowy. Zbiornik Nasera – powierzchnia 5200 km2, zamulanie zbiornika, zwiększone parowanie, ok. 14km3 rocznie.
Mała retencja: Zbiorniki o niewielkiej pojemności powodujące nieznaczne piętrzenie wody w ciekach. Cele – najczęściej rolnicze.
Samooczyszczanie wód:
Degradacja (redukcja) – przebiega przy braku tlenu, następuje rozwój grzybów ściekowych (głównie pierwotniaków) znoszących niedobór tlenu. W osadach osadza się czarny muł z siarczkami żelaza.
Biooksydacja – prowadzi do utleniania produktów rozkładu i następuje zanik bakterii, pierwotniaków i grzybów na rzecz glonów, które korzystają z nagromadzonych soli mineralnych i CO2.
Odnowa – ścieki są praktycznie zmineralizowane i w rzece pojawiają się wielogatunkowe zespoły organizmów.
Konstrukcje poprzeczne:
Stabilizują dno, które cechuje skłonność do erozji i wypłycania
Wydłużają bieg rzeki i zmniejszają prędkość płynącej wody
Zamulają głębokie łożyska rzeczne
Kształtują nową linię cieku
Ponieważ ich celem jest poprawa funkcji ekologicznych, często do budowy konstrukcji używa się wyłącznie naturalnych, rodzimych materiałów budowlanych w połączeniu z roślinnością. Konstrukcje te pełnią zazwyczaj kilka funkcji jednocześnie.
Przykłady:
Próg z okrąglaków – ma opaskę zawsze na równi z dnem i służy przede wszystkim jego stabilizacji. Przed i za drewnianym progiem układa się na całej szerokości dna płaskie płyty kamienne, zapobiegające wymywaniu dna w sąsiedztwie progu.
Palisady – najprostszym sposobem utworzenia stopni wodnych jest wbicie w dno prętów ze stali zbrojeniowej lub palików drewnianych. Wbija się je w odstępach o 5 cm mniejszych niż największe ziarna rumoszu. Przed palisadą pozostają grubsze kamienie, na nich zatrzymują się mniejsze, aż po żwir i piasek.
Półpalisady – paliki umieszcza się tylko na połowie szerokości dna. Stosowanie ich w układzie na przemian wymusza przerzucanie nurtu i meandrowanie.
Okładziny – służą przede wszystkim zabezpieczeniu brzegów i zbudowane są z konstrukcji roślinnych lub kombinowanych. Okładziny czasem usytuowane są jako pozioma ochrona przed wymyciem.
Podcinanie gałęzi – nacina się 2-3 najgrubsze pędy z rosnących na brzegu krzewów. Pędy przechylają się, lecz pozostają częściowo połączone z podstawą fragmentami kory. Pozostałe pędy rosną normalnie i chronią brzegi w czasie powodzi, wywołując zawirowania i osłabiając napór wody.
Płotki wierzbowe – umacniają osuwiska brzegu. Stosuje się je w ciekach, gdzie podnóże zbocza doliny znajduje się w odległości min. 1,5 m od naturalnie umocnionego dna. Wielka woda przepływając przez ostrogi zmniejsza prędkość i sprzyja osadzaniu się materiału. Zwiększa się zalądowienie.
Poldery :
Lokalizacja: terasy zalewowe, starorzecza i przyległe obszary łąkowe.
Poldery otwarte – brak zabezpieczenia dna doliny wałami przeciwpowodziowymi – celem budowy jest zalanie doliny i efektywne obniżenie kulminacji wezbrania na odcinku rzeki poniżej, są one niesterowalne, bez możliwości regulacji dopływu wody
Poldery zamknięte – zasilane wodami wezbraniowymi przepusty lub system przelewów w obrębie wałów, mogą być stale lub okresowo zamykane, wielkość zróżnicowana.
Zmiany użytkowania terenu.
Odwrócenie procesów zmian struktury użytkowania ziemi:
Lasy, podmokłości -> grunty orne -> urbanizacja
Tereny przekształcone -> powrót do pierwotnych siedlisk? -> zalesianie, zachowanie i ochrona siedlisk seminaturalnych (starodrzewów, lasów łęgowych)
Renaturyzacja obszarów zmienionych przez ludzką działalność – jednak nie zawsze można odwrócić procesy.
Zanieczyszczenia i ochrona gleb i litosfery
Przemysł – odpady (radioaktywne), zanieczyszczenia gleby, wody, powietrza, przekształcenie krajobrazu, zmiany użytkowania ziemi
Pedosfera – zmiany właściwości gleb – człowiek
Wzrost żyzności
- nawożenie mineralne
- uprawa mechaniczna
- melioracje
Degradacja
- wylesianie
- wypas
- nadmierne odwadnianie
- ścieki
Właściwości gleb i ich zdolność produkcyjna
- skład i stopień przekształcenia części mineralnej
- ilość i jakość materii organicznej
- wody glebowej
- powietrza glebowego
- zasobności składników pokarmowych dla roślin
Czynniki degradujące glebę
- wypalanie na skutek pożarów
- nasycenie metalami ciężkimi
- nasycenie pozostałościami środków ochrony roślin
- osadzanie pyłów i gazów przemysłowych
- erozja wodna i eoliczna
- wyjałowienie i pustynnienie
- zasolenie
Zakwaszenie
- zwiększa poziom stężenie potencjalnie toksycznych dla korzeni roślin jonów H+, Al3+, Mn2+, Fe2+, Fe3+
- przyczynia się do strat składników mineralnych – kationów zasadowych 9potas, wapń, magnez)
- hamuje proces rozkładu resztek organicznych
- zakwasza wody gruntowe
Monokultury – niekorzystne
Melioracje – trwałe polepszanie właściwości fizycznych gleby, głównie przez regulację jej stosunków wodnych, tj. osuszanie bądź nawadnianie
Wady melioracji
- zmiana krajobrazu rolniczego
- szybka degradacja gleby prowadząca do erozji
- nieodwracalny zanik pierwotnych ekosystemów
- zasolenie i wymywanie nawozów
- zanieczyszczenie wód powierzchniowych i gruntowych
Degradacja mechaniczna
- odwracalna – gdy wierzchnie warstwy gleby zostały zagęszczone (zbite), ale profil glebowy nie uległ przekształceniu
* możliwość jej zlikwidowania – odpowiednie zabiegi agrotechniczne
- nieodwracalna – gdy profil glebowy uległ przekształceniu (zwłaszcza warstwa orno-próchnicza)
* zachodzi dość często, tylko lokalnie – na względnie małych powierzchniach
Degradacja chemiczna
- spowodowana różnego rodzaju zanieczyszczeniami i skażeniami chemicznymi itp.
- nie zawsze spadek plonowania, a raczej:
* obniżają wartość konsumpcyjną i użytkową plonu
Erozja wodna – wymywanie
Erozja wietrzna – wywiewanie (stopień odsłonięcia gleby)
Zabiegi rekultywacyjne
Techniczne
- kształtowanie terenu – zasypywanie wyrobisk, wyrównywanie hałd, doprowadzenie do stanu, w którym ilość wody i powietrza w glebie jest wystarczająca, by mogły rosnąć na niej rośliny
- neutralizacja szkodliwych środków – szkodliwych substancji
- dekoncentracja (rozrzedzenie) – polega na wymieszaniu gleby skażonej przez bardzo trujące substancje z glebą nieskażoną na dużej powierzchni
Biologiczne
- nawożenie organiczne, nawozy zielone
- zabiegi agrotechniczne
- wprowadzenie roślinności pionierskiej, czyli takiej, która może rosnąc w bardzo złych warunkach i powoli przygotowywać odpowiednie warunki dla roślin bardziej wymagających
Rekultywacja hałd i składowisk obejmuje
- przykrycie odpadów czaszą lub geomembraną i warstwą ziemi, na której jest nasadzana roślinność
- odgazowywanie hałd i składowisk, polega na wprowadzeniu instalacji odgazowniczej i wykorzystanie gazu do wytwarzania energii cieplnej
Odpady niebezpieczne
- pojemnik metalowy
- pojemnik metalowy z umieszczonym wewnątrz workiem z tworzywa sztucznego
- pojemnik metalowy z umieszczonym wewnątrz workiem z tworzywa sztucznego i zamknięciem z anhydrytu
- zbiornik wewnętrzny umieszczony w większym pojemniku metalowym, wolna przestrzeń do górnej krawędzi zbiornika wewnętrznego wypełniono betonem
- to samo, tylko cała wolna przestrzeń wypełniona betonem
- kontenery metalowe
Mogilniki – podziemne zbiorniki uniemożliwiające bezpośredni kontakt ze środowiskiem dla najgroźniejszych odpadów toksycznych
Rodzaje mogilników
- z kręgów betonowych
- w formie betonowych zbiorników
* wewnątrz wykładzina uszczelniająca ściany i dno
* szczelne zamknięcia (pokrywy), najczęściej z metalu lub betonu
Odpady składa się luzem lub w opakowaniach – pojemnikach szklanych z tworzyw, metalu lub workach foliowych.
Zbiorniki zamknięte – służą do składowania odpadów niebezpiecznych, które musza być całkowicie izolowane od środowiska. Stosowane głownie do tymczasowego przechowywania odpadów np. przed ich unieszkodliwieniem lub gospodarczym wykorzystaniem. Wykonane są z betonu lub stali.
Baseny – zbiorniki otwarte, w których umieszcza się odpady płynne lub półpłynne. Najczęściej są wykonane z betonu lub cegły, czasem z podłoża naturalnego (np. gliny). Baseny musza być także wyposażone w system odprowadzania nadmiaru wód (nadosadowych), które są kierowane do oczyszczalni ścieków.
W basenach nie powinno się deponować osadów wydzielających pary lub gazy szkodliwe.
Unieszkodliwianie odpadów niebezpiecznych – eliminacja zawartych w nich składników szkodliwych i toksycznych, np. przez rozkład na związki nie stwarzające już zagrożenia la środowiska naturalnego.
Gospodarcze wykorzystanie odpadów
- surowce wtórne (np. metale kolorowe, żelazo, makulatura, szkło, tworzywa sztuczne)
- substancje do nawożenia w rolnictwie i rekultywacji gleb zdegradowanych np. komposty z odpadów komunalnych, przemysłu cukrowniczego, z ferm hodowlanych, szlamy, osady ściekowe
- materiał do budowy dróg i rekultywacji terenów – odpady przeróbcze tworzyw, żużle hutnicze, pyły lotne, odpady górnicze, odpady komunalne