Ekologia

10. HYDROSFERA
10.01.
10.02.
10.03.
10.04.
10.05.
10.06.
10.07.
10.08.
10.09.
10.10.
10.11.
10.12.
10.13.
10.14.
10.15.
10.16.
10.17.
10.18.
10.19.
10.20.
Wiadomości ogólne, zasoby wody
Dynamika hydrosfery
Wykorzystanie wody
Opady i odpływy w Polsce w latach1975 - 2007
Pobór wody na potrzeby gospodarki narodowej i ludności w Polsce w latach 1965-2007
Struktura zuŜycia wody względem źródeł poboru w 1980 roku i 2007 roku
Źródła i mechanizmy degradacji wód powierzchniowych
Fosforany, azotany azotyny – substancje biogeniczne
Ładunki zanieczyszczeń wprowadzone do Bałtyku z dorzecza Wisły, Odry i rzek przymorza w latach 1990-2007
Detergenty
Metale cięŜkie
Pestycydy
Oleje i polimery
Podgrzewanie wód
Sole mineralne
Kategorie wód powierzchniowych
Klasyfikacja jakości wód powierzchniowych i podziemnych
Klasyfikacja jakości wód w rzekach w 2007 roku
Stan czystości jezior w Polsce w latach 1990-2006
Ocena jakości wód powierzchniowych wykorzystywanych do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do
spoŜycia w 2007 roku
10.21. Procesy samooczyszczania środowiska wodnego
10.22. Samooczyszczanie środowiska wodnego – rozcieńczanie, sedymentacja
10.23. Samooczyszczanie środowiska wodnego – adsorpcja, biologiczne usuwanie zanieczyszczeń
10.24. Samooczyszczanie środowiska wodnego – wymiana substancji pomiędzy powietrzem i dnem
10.25. Oczyszczanie ścieków
10.26. Ścieki przemysłowe i komunalne wymagające oczyszczenia odprowadzane do wód lub ziemi (1970-2007)
10.27. Stopień oczyszczenia ścieków komunalnych i przemysłowych (2005, 2007)
1
10.01. Wiadomości ogólne, zasoby wody
STRATOSFERA (warstwa izotermiczna o temperaturze – 55 0C, gdzie utrudniona jest
cyrkulacja)
TROPOSFERA
HYDROSFERA
LITOSFERA
ASTENOSFERA (ze względu na bardzo wysokie temperatury woda nie moŜe istnieć
jako związek chemiczny nawet w formie związanej z minerałami)
OGÓLNE ZASOBY WODY ok. 1,5 mld km3
Jeziora słodkie i rzeki
0,009 %
wody powierzchniowe –
Lodowce górskie i lądolody
2,115 %
70 % powierzchni ziemi
Wody glebowe
0,005 %
Wody podziemne
0,580 %
Jeziora słone
0,007 %
Atmosfera
0,001 %
Organizmy Ŝywe (udział
Morza i oceany
0,00005 %
97 %
WODY SŁODKIE 2, 5 % (75 % LODOWCE)
2
10.02. Dynamika hydrosfery
Odnawialność zasobów wody związana jest głównie z cyklem hydrologicznym
obejmującym parowanie i opady, które napędzają cyrkulację w układzie globalnym.
W obiegu tym bierze udział zaledwie 3 % wody zawartej w atmosferze, czyli 0,00003
% całkowitych zasobów wody.
parowanie i transpiracja (pobieranie wody przez korzenie i parowanie z powierzchni liści):
• parowanie mórz i oceanów ……………………………………………………………………………….. 47 %
• parowanie wód powierzchniowych, oddychanie ludzi i zwierząt ……………………………….… .2 %
• parowanie gleby …………………………………………………………………………………………… 13 %
• transpiracja roślin ………………………………………………………………………………………….. 38 %
opad atmosferyczny
13 % - bezpośredni
pobór przez rośliny
48 %
gleba
retencja (37 %)
39 % - opad bezpośredni i spływ
powierzchniowy: cieki wodne, morza i oceany
warstwa wodonośna (11 %)
wody głębinowe
cieki wodne, morza i oceany
3
10.03. Wykorzystanie wody
W Ŝywych komórkach roślinnych i zwierzęcych zawartość wody dochodzi do 90 %
W skali globalnej dla celów gospodarki komunalnej i przemysłu codziennie:
∗ pobiera się 310 km3 wody słodkiej,
∗ zuŜywa bezpowrotnie 85 km3,
∗ wyrzuca w postaci ścieków 225 km3,
∗ które zanieczyszczają 4680 km3 zasobów wody słodkiej.
ZwaŜywszy, Ŝe :
∗ całkowity opad deszczu na lądy wynosi
∗ odpływ ∗ transpiracja -
180 000 km3/rok,
37 000 km3/rok,
71 000 km3/rok,
zasoby czystej wody słodkiej wynoszą 72 000 km3/rok
(200 km3/dzień).
4
10.04. Opady i odpływy w Polsce w latach
1975 - 2007
Źródło: GUS Ochrona środowiska
RóŜnica pomiędzy opadem a odpływem to dyspozycyjny zasób wody
5
10.05. Pobór wody na potrzeby gospodarki
narodowej i ludności w Polsce w latach
1965-2007
Źródło: GUS Ochrona środowiska
6
10.06. Struktura zuŜycia wody względem źródeł
poboru w 1980 roku i 2007 roku
2007 rok
1980 rok
roczny pobór wód
14,1 km3
wody powierzchniowe
11,9 km3
9,7 km3
11,4 km3
wody z odwadniania
0,3 km3
0,1 km3
wody podziemne
1,9 km3 1,6 km3
1,3 km3
9,2 km3
1,4 km3
0,6 km3
1,3 km3
1,1 km3
7,9 km3
0,7 km3
0,2 km3
1,4 km3
do nawadniania
do produkcji
na cele komunalne
1,3 km3 1,1 km3
10,1 km3 8,2 km3
2,7 km3 2,1 km3
7
10.07. Źródła i mechanizmy degradacji wód
powierzchniowych
czynniki
źródło pochodzenia
skutki
fosforany
rolnictwo
nawozy sztuczne
ścieki komunalne
azotany, azotyny
NOx z atmosfery
ścieki organiczne i mineralne
detergenty
ścieki komunalne
izolacja akwenów od dostępu tlenu
działanie kancerogenne
metale cięŜkie
ścieki przemysłowe
opad pyłów
działanie kancerogenne
zaburzenia metabolizmu
pestycydy
rolnictwo
zaburzenia ekosystemów wodnych
toksyczność
oleje i polimery
chemia i petrochemia
transport
izolacja akwenów od dostępu tlenu
toksyczność
podgrzewanie wód
energetyka
zaburzenia ekosystemów wodnych
sole mineralne
kopalnictwo
mineralizacja wody
wirusy i bakterie
ścieki komunalne
epidemie cholery, tyfusu, choroby
pasoŜytnicze przewodu pokarmowego
turystyka i rekreacja
człowiek
zaburzenia ekosystemu
eutrofizacja
zaburzenia metabolizmu ludzi i zwierząt
8
10.08. Fosforany, azotany azotyny –
substancje biogeniczne
nadmiar substancji pokarmowych
nadmiar nawozu azotowego
rozwój
fitoplanktonu
(szybki
metabolizm) –
zakwity wód
EUTROFIZACJA
azotany w wodzie pitnej
rozwój
zooplanktonu
gwałtowny przyrost odpadu
organicznego
rozkład materii organicznej –
pobór tlenu i wytwarzanie
dwutlenku węgla, siarkowodoru
azotyny w organizmie
hemoglobina methemoglobina
niedotlenienie organizmu
śmierć
martwe strefy zwane azoicznymi
(pozbawione organizmów Ŝywych)
ZMIANY METABOLIZMU
9
10.09. Ładunki zanieczyszczeń
wprowadzone do Bałtyku z dorzecza Wisły,
Odry i rzek przymorza w latach 1990-2007
Biologiczne zuŜycie
tlenu (BZT5)
jest to ilość tlenu zuŜyta w
ciągu 5 dni w procesie
biologicznego utleniania
substancji (głownie
organicznych) zawartych w
wodach i ściekach przy uŜyciu
Ŝywych bakterii i enzymów
pozakomórkowych
Źródło: GUS Ochrona środowiska
10
10.10. Detergenty
∗ naleŜą do grupy środków powierzchniowo czynnych
∗ jako związki rozpuszczalne w wodzie mogą infiltrować do wód
podziemnych (studnie w pobliŜu zanieczyszczonych rzek –
stęŜenie 1,5 g/m3, wody czyste - 0,006 g/m3)
∗ detergenty twarde (nie ulegające biodegradacji) - zakłócenia
zarówno w procesach biologicznego oczyszczania ścieków jak i w
wodach odbiorników ( warstwy piany o grubości powyŜej 2 m
poniŜej śluz na rzekach)
∗ detergenty miękkie (ulegające biodegradacji)
11
10.11. Metale cięŜkie
→
rtęć
→ jony rtęciawe →
jony rtęciowe
związki metylortęciowe o charakterze lipfilowym
→
plankton
kadm
ewidentna toksyna; atakuje system nerwowy, powoduje anemię,
odwapnienia, choroby nerek i wątroby;
wzrost toksyczności w obecności miedzi i cynku;
kumuluje się zwłaszcza w organizmach Ŝyjących w środowisku
wodnym
ołów
działa toksycznie na struktury organiczne powodując zahamowanie
metabolizmu
na
skutek
blokady
enzymów;
bardzo
rozpowszechniony w środowisku wodnym - w wodach miękkich
występuje w postaci szczególnie niebezpiecznej jako rozpuszczalne
sole
12
10.12. Pestycydy
Szkodliwe ze względu na:
długi czas rozpadu (np. arsenian ołowiowy - 15 lat, UCH Lindan - 11 lat,
Chlordan 12 lat),
zdolność kumulowania się w środowisku,
łatwość wchodzenia w szeregi troficzne.
Powodują pogarszanie stanu wód podziemnych, działają toksycznie,
naruszają procesy samooczyszczania się wód.
Zanieczyszczenia pestycydami są trudne do usunięcia w procesie
uzdatniania wody przeznaczonej do picia. Według norm światowych WHO
woda do picia w ogóle nie moŜe zawierać DDT, natomiast polskie normy
dopuszczają 0,03 mg/dm3
Obecnie wycofuje się pestycydy o szerokim spektrum szkodliwości i
długich okresach trwałości na rzecz preparatów działających wybiórczo i
względnie krótkim okresie rozpadu rozkładających się względnie szybko.
Mechanizmy ich rozprzestrzeniania się i przemieszczania w biocenozach
pozostają jednak nie zmienione, a jedynie czas ich zalegania w
organizmach jest ograniczony trwałością preparatu, skumulowane zaś w
kolejnych ogniwach łańcuchów pokarmowych nie mają tak wysokich
stęŜeń.
13
10.13. Oleje i polimery
1 – 3 % przewoŜonego ładunku ropy wprowadza się do wód morskich
podczas płukania zbiorniskowców (10 – 30 mln ton ropy rocznie)
1 tona ropy moŜe pokryć 10 km2 powierzchni. Ropa ulega bowiem
zemuglowaniu, w związku z czym zajmuje duŜą powierzchnię jako cienka
(kilka µm) warstwa (25 % powierzchni Bałtyku pokryte na stałe emulsją) .
Warstwa emulsji
• hamuje procesy wymiany gazowej (ok. 5-krotnie)
• hamuje procesy fotosyntezy na skutek ograniczenia dostępu światła
Warstwa emulsji utrzymuje się na powierzchni przez kilka tygodni, potem
znika. Sądzono początkowo, Ŝe ulega biodegradacji. Nowsze badania
wskazują jednak na gromadzenie się jej na dnie.
mln ton/rok
t/km2 rocznie
4
4,9
0,4
1,4
4
6,9
Zatoka Meksykańska
1,2
0,8
Zatoka Meksykańska
3
12,5
akwen
Morze Śródziemne
Bałtyk (600 plam ropy rocznie)
Morze Północne
14
10.14. Podgrzewanie wód
skutki negatywne
• wzrost parazytofauny → 20 % wzrost zachorowań na choroby
przewodu pokarmowego
• zmniejszenie zdolności do absorbowania tlenu przy równoczesnej
intensyfikacji procesów przemiany materii wzmagających
zapotrzebowanie na tlen
skutki pozytywne
• opóźnienie w tworzeniu powłoki lodowej
• przedłuŜenie okresu mineralizacji zanieczyszczeń nieorganicznych
15
10.15. Sole mineralne
Ze względu na zawartość jonów chlorków i siarczanów rozróŜnia się
4 grupy hydrochemiczne wód kopalnianych:
I – zawartość jonów < 600 mg/l - woda nadaje się do picia po
uzdatnieniu
II – zawartość jonów 600 – 1800 mg/l – woda o podwyŜszonej
mineralizacji, przydatna do celów przemysłowych
III – zawartość jonów 1 800 – 42 000 mg/l – uciąŜliwe ścieki, zasadniczo
nieprzydatne do wykorzystania,
IV – zawartość jonów powyŜej 42 000 – solanka nadająca się do utylizacji
na sól kuchenną i do produkcji surowców chemicznych
Metoda hydrotechniczna: mechaniczne oczyszczenie zbiorniki retencyjne zrzut
do rzek
Proces termicznej krystalizacji woda do celów spoŜywczych i sól kamienna oraz
ługi pokrystalizacyjne (związki jodu, magnezu, potasu, sodu i bromu)
Do wykorzystania nadaje się około 60 % odpompowanych wód.
Wykorzystuje się około 20 %. Problemem jest separacja wód słabo i silnie
zmineralizowanych.
16
10.16. Kategorie wód powierzchniowych
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 11 lutego 2004 roku (Dz.U Nr 32, poz.284 )
Wody powierzchniowe
Kategorie jakości wody ustalone dla wód powierzchniowych, które mogą być
wykorzystywane do produkcji wody lub do spoŜycia:
kategoria A1 – wody najczystsze wymagające prostego
uzdatniania fizycznego (filtracji i dezynfekcji),
kategoria A2 – wody gorszej jakości wymagające wielostopniowego uzdatniania fizycznego i chemicznego,
kategoria A3 – wody najbardziej zanieczyszczone wymagające
wysokosprawnego uzdatniania fizycznego i chemicznego
Wody podziemne
wody gruntowe
wody
zasilane bezpośrednio opadami atmosferycznymi, silnie naraŜone na
oddziaływanie czynników antropogenicznych
wgłębne – zalegające pod nieprzepuszczalnymi utworami geologicznymi i
posiadają dobrą lub średnią izolację przed wpływem zanieczyszczeń.
17
10.17. Klasyfikacja jakości wód
powierzchniowych i podziemnych
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 11 lutego 2004 roku (Dz.U Nr 32, poz.284 )
klasa I – wody bardzo dobrej jakości – nie wykazujące skutków oddziaływania
antropogenicznego oraz zaliczone do kategorii A1
klasa II – wody dobrej jakości – wykazujące niewielki wpływ oddziaływań
antropogenicznych oraz zaliczone do kategorii A2
klasa III – wody zadowalającej jakości - wykazujące umiarkowany wpływ
oddziaływań antropogenicznych oraz zaliczone do kategorii A2
klasa IV – wody niezadowalającej jakości wykazujące zmiany jakościowe i
ilościowe w populacjach biologicznych na skutek
oddziaływań antropogenicznych oraz zaliczone do kategorii A3
klasa V - wody złej jakości wykazujące zanik znacznej części populacji
biologicznych i nie nadające się do spoŜycia
18
10.18. Klasyfikacja jakości wód w rzekach w
2007 roku
2005 rok
1360 pkt. pomiar.
klasa I
klasa II
klasa III
klasa IV
klasa V
1
27
522
560
250
Źródło: GUS Ochrona środowiska
19
10.19. Stan czystości jezior w Polsce w latach
1990-2006
Źródło: GUS Ochrona środowiska
20
10.20. Ocena jakości wód powierzchniowych
wykorzystywanych do zaopatrzenia ludności w
wodę przeznaczoną do spoŜycia w 2007 roku
Źródło: GUS Ochrona środowiska
2005 rok
143 pkt. pomiar.
kategoria A1 9
kategoria A2 46
kategoria A3 44
poza kateg. 44
21
10.21. Procesy samooczyszczania środowiska
wodnego
Samooczyszczanie wód powierzchniowych jest zjawiskiem fizyczno-biochemicznym
polegającym na samoistnym zmniejszaniu się stopnia zanieczyszczenia wód. Procesy te
występują w wodach płynących i stojących, jednak z róŜną intensywnością.
Zasadnicze znaczenie dla procesu samooczyszczania ma zdolność modyfikowania
środowiska wodnego przez organizmy Ŝywe
Procesy samooczyszczania
•
•
•
•
rozcieńczanie zanieczyszczeń wodą odbiornika i mieszanie
sedymentacja zawiesin
adsorpcja
biologiczne usuwanie zanieczyszczeń
biosorpcja
mineralizacja
biokumulacja
immobilizacja (zjawisko przeciwstawne mineralizacji)
• wymiana substancji lotnych pomiędzy wodą a atmosferą
• wymiana substancji między dnem i wodą
22
10.22. Samooczyszczanie środowiska wodnego
- rozcieńczanie, sedymentacja
1. rozcieńczanie zanieczyszczeń wodą odbiornika i mieszanie
rozcieńczanie głównie w wodach płynących –skuteczność zaleŜy od mieszania
(prędkość przepływu i cyrkulacja w przekroju poprzecznym)
mieszanie lepsze natlenienie, dyfuzja z wody produktów przemiany materii (CO2,
N2), lepszy kontakt substratów z komórkami mikroorganizmów
w wodach stojących (jeziora lub stawy) ruch wody pod wpływem zmian temperatury
(róŜnice gęstości)
2. sedymentacja zawiesin
głównie w zbiornikach zaporowych, rozlewiskach, zatokach
nad osadami dennymi duŜy deficyt tlenu lub całkowity zanik tlenu
w osadach dennych występują warunki anaerobowe (beztlenowy rozkład substancji
organicznych, związany z intensywnym wydzielaniem się gazów:14% CO2, 17% CH4,
69% N2, siarkowodór)
w razie nagłego przyboru wody niebezpieczeństwo wtórnego zanieczyszczenia toni
wodnej osadami dennymi co prowadzi do zwiększenia deficytu tlenu
23
10.23. Samooczyszczanie środowiska
wodnego- adsorpcja, biologiczne usuwanie
zanieczyszczeń
3. adsorpcja
zatrzymanie zanieczyszczeń chemicznych na powierzchniach ciał stałych (np. dna i
brzegi, roślinność wodna, konstrukcje hydrotechniczne, zawiesina substancji stałej)
usuwane są głównie związki organiczne oraz częściowo nieorganiczne – metale cięŜkie
niebezpieczeństwo desorpcji i przejścia substancji nagromadzonych na powierzchni do
toni wodnej
4. biologiczne usuwanie zanieczyszczeń
biosorpcja - zatrzymanie zanieczyszczeń na powierzchni mikroorganizmów oraz
ścianach komórkowych i ich uczestniczenie w procesach wymiany między komórką a
środowiskiem
mineralizacja – rozkład związków organicznych przez drobnoustroje, zwykle wewnątrz
komórki – proces tlenowy
biokumulacja – gromadzenie w komórce związków niepodatnych na rozkład biologiczny
lub jonów nie podlegających metabolizmowi (pestycydy, zwłaszcza węglowodory
chlorowane i sole metali cięŜkich) śmierć komórki
24
10.24. Samooczyszczanie środowiska wodnego
– wymiana substancji powietrzem i dnem
5. wymiana substancji lotnych pomiędzy wodą a atmosferą
uwalnianie gazowych produktów przemiany materii i ich dyfuzja do atmosfery ( CO2,
N2 ,CH4 ) oraz równowaŜenie zawartości gazów rozpuszczalnych w wodzie, między
woda a atmosferą (dyfuzja tlenu z powietrza)
6. wymiana substancji między dnem i wodą
wytrącanie się pewnych soli i osadzanie na dnie zbiornika i odwrotnie - oddawanie
produktów metabolizmu drobnoustrojów z dna do wody
25
10.25. Oczyszczanie ścieków
Oczyszczanie
mechaniczne
Usuwanie wyłącznie zanieczyszczeń nierozpuszczalnych, tj.
ciał stałych i tłuszczów ulegających osadzaniu lub flotacji,
przy uŜyciu krat, sit, piaskowników, odtłuszczaczy
Oczyszczanie
chemiczne
Wytrącanie niektórych związków rozpuszczalnych lub ich
neutralizacja metodami chemicznymi, takimi jak np.
koagulacja, sorpcja na węglu aktywnym
Oczyszczanie
biologiczne
Mineralizacja przez drobnoustroje w środowisku wodnym w
sposób naturalny (np. rolnicze wykorzystanie ścieków,
zraszanie pól, stawy rybne) lub w urządzeniach sztucznych
(złoŜa biologiczne, osad czynny) powoduje usunięcie
związków organicznych oraz biogennych
PodwyŜszone
usuwanie biogenów
Wysokoefektywne oczyszczanie chemiczne i biologiczne
umoŜliwiającą zwiększoną redukcję azotu i fosforu
26
10.26. Ścieki przemysłowe i komunalne
wymagające oczyszczenia odprowadzane do
wód lub ziemi w latach 1970-2007
Źródło: GUS Ochrona środowiska
27
10.27. Stopień oczyszczenia ścieków
komunalnych i przemysłowych (2005, 2007)
Źródło: GUS Ochrona środowiska
28