Wykład I

Zanieczyszczenia wód powodują, że woda nie ubywa ilościowo, ale jest nieprzydatna z gospodarczego punktu widzenia. Określeniem zanieczyszczenia wód posługujemy się w stosunku do zmian fizykochemicznych cech wody przez wprowadzanie substancji organicznych i nieorganicznych, energii, przez wprowadzanie pierwiastków promieniotwórczych. Te wszystkie cechy ograniczają w dużym stopniu wartość zasobów wodnych.

Rodzaje zanieczyszczeń:

a) ze względu na pochodzenie:

• pochodzenia naturalnego, np. zasolenie wody, kwasy humusowe (powstające w wyniku rozkładu materii organicznej), związki żelaza naturalnego pochodzenia - często występujące zanieczyszczenie, jest ono wypłukiwane z gruntów (dotyczy to przede wszystkim wód podziemnych). Jeżeli woda jest zanieczyszczona związkami żelaza mówi się, że jest to woda twarda - jeżeli jest ona zbyt twarda to nie nadaje się do celów spożywczych czy gospodarczych, przy czym szczególnie często występuje to w wodach podziemnych w Polsce w środkowej części kraju (w niżowej części Polski), gdzie występują duże pokłady glinów polodowcowych i woda występująca w obrębie tych kompleksów glinów polodowcowych, zawiera często duże ilości rozpuszczonych związków żelaza. Woda taka musi być silnie uzdatniana, aby była przydatna do celów spożywczych.

• pochodzenia sztucznego są to wszelkiego rodzaju odpady z gospodarki

b) ze względu na działanie na organizmy:

• zanieczyszczenia bezpośrednio szkodliwe czyli różnego rodzaju substancje toksyczne, które przedostają się do organizmów

• substancje pośrednio wpływające na szkodliwość wody w ten sposób, że same sobie nie stanowią zagrożenia, natomiast poprawiają procesy powodujące degradację wody, np. związki zubożające wodę w tlen,

c) ze względu na trwałość zanieczyszczeń

• związki nierozkładalne czyli takie, które nie podlegają zmianom chemicznym w naturalnych warunkach, jeżeli nie zostaną oczyszczone w sposób chemiczny (za pomocą specjalnej technologii) to w środowisku zostają

• trwałe - rozkład organiczny jest bardzo ograniczony (do pewnego stopnia środowisko może je neutralizować)

• rozkładalne - substancje organiczne, które są rozkładane przez występujące w przyrodzie bakterie, do postaci prostych związków organicznych (rozkład zależy od stężenia zanieczyszczeń - jeżeli zanieczyszczenia są zbyt duże to procesy naturalne występujące w przyrodzie też przestają być skuteczne)

d) ze względu na źródło

• ścieki komunalne (miejskie, bytowo-gospodarcze) - pochodzące z gospodarstw domowych, gastronomii, itp. Są to przede wszystkim zanieczyszczenia organiczne - mogą one powodować zagrożenie epidemiologiczne (zawierają one przeważnie różne zarazki chorobotwórcze)

• ścieki przemysłowe pochodzące z różnego rodzaju procesów produkcyjnych i przetwórczych (zawierają często substancje toksyczne i takie, które w przyrodzie się nie rozkładają)

• wtórnie przedostające się zanieczyszczenia z atmosfery (głównie związki kwasotwórcze)

• rolnicze (pochodzące z rolnictwa), w tym ścieki. Należą do nich:

• odpady z ferm hodowlanych - bardzo silne zanieczyszczenia powoduje hodowla bezściółkowa, która powoduje powstawanie dużej ilości gnojownicy, z którą nie wiadomo co zrobić

• ścieki z przenawożonych pól, mają one źródło na rozległych polach, gdzie niejednokrotnie wysypuje się nadmierne ilości nawozów sztucznych w ilości przekraczającej bieżące wymagania przez glebę. Po większych opadach woda rozpuszcza te wszystkie nawozy, tylko część z nich trafia do gleby, część spłukiwana jest do rzek , albo co gorsze - do jezior (które mają zamknięty obieg wody)

• środki ochrony roślin - nieprawidłowo stosowane mogą zanieczyszczać wody

Zanieczyszczenia rzek:

III klasy czystości wody w rzekach:

• I klasa - są to najlepszej jakości wody przydatne do celów spożywczych (czystość chemiczna i bakteriologiczna)

• II klasa - wody zdatne do użytkowania w rolnictwie i do kąpieli, aby były stosowane do celów spożywczych muszą być uzdatniane

• III klasa - wody nadające się do wykorzystywania w procesach przemysłowych i do uprawiania sportów wodnych

• wody nie odpowiadające żadnym normom - czyli wody pozakwasowe

Parametry zanieczyszczenia rzek podaje się w okresie:

• kampanijnym - sezon przerobu płodów rolnych, który pogarsza jakość wód (duże zanieczyszczenia powodują wówczas cukrownie)

• pozakampanijnym - jakość wód jest nieco lepsza

Woda zanieczyszczona wymaga uzdatniania, szczególnie jeżeli ma ona służyć do celów konsumpcyjnych i paradoksalnie w procesie uzdatniania mogą powstawać nowe zanieczyszczenia wody, np. do uzdatniania wody stosowany jest powszechnie chlor (oczywiście nie w czystej postaci tylko w postaci różnych związków), który ma za zadanie usuwać skażenie bakteriologiczne. Natomiast chlor w połączeniu z węglowodorami, jeżeli się w tej wodzie znajdą, tworzy chlorofenole, związki które normalnie nie występują, natomiast jeżeli się pojawią są też szkodliwymi substancjami. Dlatego uzdatnianie jest dosyć skomplikowane.

Duża część zanieczyszczeń, szczególnie tych pochodzących z miast, to zanieczyszczenia związkami organicznymi, i szczególnie uciążliwe, stwarzające tutaj duże problemy, tak jak w przypadku zanieczyszczeń powietrza były to przede wszystkim duże ilości związków kwasotwórczych, w przypadku wody takimi związkami są substancje biogenne - biogeny czyli związki sprzyjające bujnemu rozwojowi roślinności wodnej (glony). Przede wszystkim są to związki trzech pierwiastków - azotu, potasu i fosforu. Poziom zanieczyszczenia biogenami podaje się symbolem NPK -poszczególne litery oznaczają pierwiastki odpowiedzialne za te zanieczyszczenia. Te substancje występują zarówno w ściekach komunalnych, jak i w tych pochodzących z rolnictwa (rolnictwo to gałąź gospodarki najbardziej odpowiedzialna za zanieczyszczenia środowiska tymi biogenami). Zwiększanie ilości tych substancji biogennych rozpuszczalnych w wodzie powoduje bujny rozwój roślinności wodnej - zwłaszcza glonów. Przy czym w zależności od zawartości biogenów wody dzielimy na:

• wody oligotroficzne - ubogie w substancje biogenne, ubogie w życie biologiczne

• wody mezotroficzne - zawierające większe ilości biogenów

• wody eutroficzne - zawierające duże ilości substancji biogennych (woda taka przypomina zieloną zupę)

Proces wzbogacania wody w substancje biogenne nazywamy eutrofizacją, co w efekcie powoduje bujny wzrost roślinności wodnej. Jest ona naturalnym procesem zachodzącym w przyrodzie i dotyczy wszystkich zbiorników wodnych (przede wszystkim jezior). Naturalne zbiorniki wodne przechodzą pewną ewolucję, w trakcie której następuje eutrofizacja wody i stopniowo prowadzi to do zaniku takiego jeziora.

Z punktu widzenia samego środowiska, nie można powiedzieć, że jezioro oligotroficzne jest lepsze od eutroficznego. Jest to po prostu inny rodzaj zbiornika wodnego.

Z punktu widzenia gospodarczego duża różnica im silniej woda zeutrofizowana tym trudniej ją uzdatnić (wymaga to większych nakładów). Ale również jeżeli jest ona zbyt dużo zeutrofizowana to może się ona zupełnie nie nadawać do uzdatnienia.

W Polsce jezior oligotroficznych jest w Polsce północnej (głównie na pojezierzu pomorskim, gdzie są obszary zalesione i gdzie rolnictwo nie wpłynęło na eutrofizację) ok. 60-70, również jeziora wysokogórskie (czyli kilkadziesiąt stawów w Tatrach, W Karkonoszach Mały Staw i Wielki Staw). Jeziora w górach nie mają znaczenia z punktu gospodarczego, ponieważ nie czerpie się z nich wody, ponieważ są one oddalone od większych skupisk odbiorców tej wody.

Dlaczego ze zbiornikami zeutrofizowanymi jest tak duży problem? Ponieważ bujny rozwój roślinności wodnej powoduje odtlenianie wody, rośliny wówczas obumierają, woda głęboko pod powierzchnią takich jezior jest pozbawiona tlenu.

Ważnym czynnikiem szczególnie groźnym dla zasobów wodnych są zakwity sinicowe. Sinice to grupa glonów mająca niebieskawą barwę, powstają one w określonych warunkach w zbiornikach wodnych bogatych w substancje biogenne,. Ich szkodliwość polega na tym, że w procesie rozkładu sinic, powstają bardzo niebezpieczne toksyczne związki mogące doprowadzić do trwałych uszkodzeń organizmów czy to zwierzęcych czy ludzkich.

W Polsce problem ten występuje i to nawet w przypadku zbiorników wodnych - głównych źródeł wody pitnej. Zakwity sinicowe od dłuższego czasu występują:

• w zbiorniku Sulejowskim na Pilicy, z którego to źródła czerpie wodę ok. 1 mln. ludzi

• jezioro Dobczyckie na Rabie, z którego wodę czerpie Kraków

• jezioro Turawa (na Opolszczyźnie)- wyeliminowano tam rekreacyjną funkcję tego zbiornika

• Jeziorsko na Warcie (okolice Sieradza) zbudowany w latach 80-tych w celu zaopatrywania w wodę rolnictwa w Wielkopolsce i na Kujawach. Wschodnia Wielkopolska i Kujawy jest to obszar intensywnej produkcji rolnej, który zarazem cierpi na największy deficyt wody w Polsce. Stąd pomysł żeby dodatkowo zaopatrywać rolnictwo w wodę z powstałego zbiornika. W drugiej połowie lat osiemdziesiątych wybudowano zaporę, natomiast w chwili obecnej zanieczyszczenie wody powoduje, że praktycznie do niczego się ona nie nadaje. Skąd takie zanieczyszczenie, jeżeli występuje ono na terenie pozbawionym jakiegoś większego przemysłu? Otóż w górnym biegu Warty leży Częstochowa licząca ok. 300 tys. mieszkańców. Jeżeli więc oczyszczalnia ścieków oczyszcza te ścieki ze skutecznością 80%, to w wodzie już oczyszczonej zostaje nadal 20% zanieczyszczeń (to tak jakby do tego 300 tysięcznego miasta spuszczało w ogóle nie oczyszczone ścieki miasto 60-cio tysięczne). Tutaj warunkiem całkowitego oczyszczenia jest samooczyszczanie wody płynącej w rzece, już po tym procesie technologicznym.

Rzeki są systemami ekologicznymi, otwartymi, i do pewnego stopnia potrafią one same usuwać zanieczyszczenia. Tym niemniej człowiek przez nieprawidłową gospodarkę, ten proces samooczyszczania może znacznie ograniczyć, czy wręcz zlikwidować.

Co sprzyja samooczyszczaniu:

• powolny spływ wody - wówczas rzeka ma więcej czasu na samooczyszczenie - aby te substancje biogenne z wody mogły zostać usunięte (im szybciej woda płynie tym mniejsze możliwości uruchomienia czy utrzymania tych procesów samooczyszczania

• im bardziej naturalny charakter rzeki tym większa zdolność do samooczyszczania - czyli drugi problem to naturalny charakter rzeki. Jeżeli rzeka ma wyprostowane koryto, jeżeli jest pogłębiona, jeżeli jest ona wysypana kamieniami, wówczas ta zdolność do samooczyszczania gwałtownie się obniża

• zachowanie starorzeczy i rozlewisk - w sytuacjach przypływu, woda rozlewa się wtedy na znaczną szerokość, w obrębie doliny na tzw. melasę zawodową, tam sobie spokojnie stoi, i też zachodzą te procesy samooczyszczania

• musi w korycie rzeki i w dolinie występować roślinność pobierająca substancje biogenne, czyli przyrzeczne zalesienia, głównie wierzbowe, zarośla w obrębie melasy zawodowej, jeżeli one tam są wówczas skutecznie eliminują zanieczyszczenia substancjami biogennymi. Wierzby jednak wycinają z powodu istniejących zagrożeń przeciwpowodziowych, co się kłóci z koniecznością oczyszczania rzek przez te rośliny. Jest to konflikt dwóch równie ważnych funkcji.

Zanieczyszczenia dodatkowo powodują zbiorniki zaporowe, które gromadzą w swoich zbiornikach wodę już zanieczyszczoną - tego robić nie wolno (skrajna sytuacja ukazująca niekonsekwencję i nieprawidłową gospodarkę wodną to budowa zapory we Włocławiu na Wiśle - wybudowano tam zbiornik zaporowy w sytuacji, gdy Warszawa nie ma jeszcze wybudowanej porządnej oczyszczalni ścieków. Specjaliści uważają obecnie, że jest to bomba ekologiczna w tej części kraju. Na obszarze Dolnego Śląska takim przykładem podobnym tylko na mniejszą skalę jest zbiornik Mietkowski na Bystrzycy - zapora została dana do użytku w 1996 roku, w czasie kiedy Cieplica nie miała jeszcze porządnej oczyszczalni ścieków. Można tutaj jeszcze wspomnieć zbiorniki na Warcie - Jeziorsko i na Pilicy - zbiornik Sulejowski. W momencie kiedy te zbiorniki były budowane, nie była uregulowana gospodarka ściekowa w zlewniach rzek. Na Kujawach i w Wielkopolsce, gdzie nie jest rozwinięty przemysł, ale występuje tam gęsta sieć osadnicza i miejscowości na tych terenach nie były skanalizowane co powodowało spływ różnych nieczystości do wód.

Zagrożeniem jest również budowanie wodociągi bez kanalizacji, co powoduje, że zużycie wody zwiększa się kilkakrotnie. Jeżeli nie ma kanalizacji odpowiedniej, ścieki m.in. spływają do szamb, co też jest niedopuszczalne z punktu widzenia ochrony środowiska. Karygodne jest, gdy ludzie odprowadzają ścieki do studni, których sami nie użytkują, ponieważ z tych studni mogą korzystać przecież inne wioski. W ten sposób zanieczyszczone wody też trafiały do rzek i to wskazuje się jako jedną z przyczyn tego silnego zanieczyszczenia Warty właśnie w obrębie zlewni Jeziorsko.

Oczyszczalnie ścieków nie są w 100% skuteczne. Jest jeszcze jeden czynnik, który powoduje, że warto i powinno się przy oczyszczaniu wód uruchamiać te naturalne procesy przyrodnicze - procesy samooczyszczania, są to koszty.

Koszty

efekt oczyszczania

Jest tak, że jeżeli przedstawimy sobie wykres pokazujący skuteczność (efekt) oczyszczania i koszty, które należy ponieść, aby ten efekt uzyskać, to wykres ma taką właśnie postać. Im wyższą skuteczność chcemy osiągnąć stosując różne techniczne rozwiązania, tym szybciej zaczynają rosnąć koszty. To powoduje, że coraz trudniej w miarę poprawiania efektywności wygospodarować środki na odpowiednie technologie i tym samym mniejsze jest zainteresowanie społeczne stosowania takich rozwiązań (spowodowane jest to tym, że koszty oczyszczania są bardzo wysokie, a efekty zmian są niewielkie). Natomiast w momencie, jeżeli wprowadzi się do tego metody wykorzystujące naturalne procesy, wówczas można znacznie niższymi kosztami jeszcze podnieść efektywność tych działań. W Europie Zachodniej w tej chwili coraz częściej zaczyna się naprawiać skutki błędnych decyzji sprzed lat i m.in. zaczyna się inwestować duże pieniądze w rekultywację (czyli przywracanie naturalnych cech środowiska) rzek. Jednym z takich działań jest np. stosowanym w Niemczech, odtwarzanie naturalnego charakteru cieku - czyli wyprostowanym korytom rzecznym z powrotem się przywraca ich naturalny kształt, sadzi się roślinność przybrzeżną m.in. właśnie po to, by przywrócić tę zdolność do samooczyszczania wody. Jest pewnym paradoksem, że w Polsce mimo zaniedbań w dziedzinie ochrony wód, zanieczyszczenie związkami fosforu nie jest tak katastrofalnie wysokie jak to ma miejsce na Zachodzie (a to właśnie dlatego, że rzeki na terenie Polski w znacznie większym stopniu zachowały tę zdolność do usuwania tych związków w wyniku naturalnych procesów. Niestety te błędy, które na Zachodzie się naprawia u nas w Polsce cały czas się powiela.

Konkretnym przykładem, nieprawidłowego rozwiązania, gdzie działania mające na celu ochronę środowiska jeszcze stworzyły nowe problemy, jest wspomniany już zbiornik w Sulejowie na Pilicy. Występują tam owe zakwity sinicowe, jest to zbiornik doprowadzający wodę pitną, ale dodatkowo nieopodal tego zbiornika, położony jest Tomaszów Mazowiecki, w którym w latach osiemdziesiątych wybudowano oczyszczalnię ścieków (popełniono jeden kardynalny błąd wynikający właśnie z nieuwzględnienia wiedzy ekologicznej przez projektantów, a mianowicie te oczyszczone (oczywiście niecałkowicie oczyszczone - bo jest to niemożliwe) ścieki zamiast spuszczać do rzeki poniżej zbiornika, gdzie rzeka jest systemem ekologicznym otwartym, ujście z tej oczyszczalni zrobiono do zbiornika Sulejowskiego - co powodowało, że cały czas te wszystkie substancje biogenne jeszcze do tego zbiornika docierały. Natomiast jezioro jest systemem zamkniętym i jeżeli te substancje tam dochodzą, to one szybko się tam kumulują. Usunięcie ich z jeziora jest procesem bardzo skomplikowanym i kosztownym (i raczej niemożliwe jest zrobienie tego z całą skutecznością).

Jeżeli zanieczyszczeniu ulega woda w rzekach, rzeki po części same sobie z tym radzą, natomiast w momencie kiedy ten dopływ zanieczyszczeń zostanie powstrzymany rzeka szybko się regeneruje. Natomiast zanieczyszczone jezioro jeżeli zostanie zdegradowane, jest praktycznie nie do zrekultywowania. W przypadku zbiorników zaporowych można jeszcze spróbować spuścić wodę i usuwać osad na dnie, w przypadku naturalnych jezior tego zrobić nie można. Na terenie Polski mamy jeziora, które zostały zdegradowane przez puszczanie do nich zanieczyszczeń, np. jezioro Dąbie koło Szczecina, na pojezierzu mazurskim jezioro Niegocin koło Girzyska.

Zanieczyszczenie wód morskich - przez wiele lat doszło do silnego zanieczyszczenia wód w niektórych morzach, co doprowadziło do powstania tzw. pustyń tlenowych, czyli powstawały akweny znacznie zubożałe w występowanie tlenu. Z tego również wynika tworzenie się wtórnych zanieczyszczeń, a także negatywne skutki dla gospodarki wyrażające się chociażby w ograniczenie populacji ryb. Jedno z najsilniej zanieczyszczonych mórz na świecie jest Bałtyk. Wynika to z dwóch zasadniczych powodów: po pierwsze jest to akwen prawie że odcięty od otwartego oceanu (jedynym połączeniem morskim są cieśniny duńskie, gdzie przepływ wody jest niewielki), po drugie do Bałtyku uchodzi kilka wielkich rzek niosących zanieczyszczenia.

Woda coraz częściej staje się surowcem strategicznym i kwestia dostępu do wody odpowiedniej jakości może być nawet przyczyną konfliktów politycznych. Przykładem takiego konfliktu, który w podłożu ma m.in. kwestię zaopatrzenia w wodę (o której rzadko się mówi), jest konflikt Izraelsko - Palestyński. Głównym źródłem zaopatrzenia w wodę jest tutaj rzeka Jordan uchodząca do Morza Martwego i zwiększanie liczby mieszkańców (tworzenie się osiedli ludności palestyńskiej) na tym terenie powoduje coraz większe zapotrzebowanie na wodę. W sytuacji kiedy po II wojnie światowej na obszar ten napłynęli żydowscy osadnicy, zaczęła gwałtownie rosnąć liczba ludności, do tego dochodzi jeszcze wysoki przyrost naturalny w społeczeństwie palestyńskim. Czynniki te są więc jedną z przyczyn wybuchu tego konfliktu.

Tego typu problem występuje zresztą na całej kuli ziemskiej, gdzie występują duże skupiska ludności.

---