Povrchové vody a zdroje jejich znečištění

Transkript

1 Povrchové vody a zdroje jejich znečištění Martin Pivokonský 2. přednáška, kurz Znečišťování a ochrana vod Ústav pro životní prostředí PřF UK Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i. Tel.: pivo@ih.cas.cz

2 Druhy vod 1) podle původu přírodní odpadní splaškové průmyslové městské (směs splaškových a průmyslových vod) Mezi odpadní vody patří i průsakové vody z odkališť nebo skládek odpadů. 2) podle výskytu atmosférické podzemní povrchové 3) podle použití voda pitná voda provozní voda odpadní Důlní vody všechny podzemní, povrchové a srážkové vody, které vnikly do hlubinných nebo povrchových důlních prostorů, a to až do jejich spojení s jinými stálými podzemními nebo povrchovými vodami.

3 Přírodní vody Povrchové vody kontinentální = tekoucí (vodní toky) + stojaté (jezera, nádrže, rybníky) mořská voda (viz 1. přednáška) Složení povrchových vod ovlivňuje: geologická skladba podloží a složení dnových sedimentů hydrologicko-klimatické poměry (srážky, teplota, roční období, dálkový transport škodlivin) půdně-botanické poměry (zalesnění, druhy půd) antropogenní činnost (průmysl, zemědělství, komunální odpady) příron podzemních vod

4 Tekoucí povrchové vody Chemické složení Základní charakteristiky tekoucí povrchové vody Celková mineralizace mg l -1 c H 2 CO 3 * velké koncentrační změny Hodnota ph velký rozptyl (fotosyntéza x dýchání) Dominující anionty HCO 3-, SO 2-4, NO - 3 Dominující kationty Ca 2+, Na +, Mg 2+, K + DOC do 10 mg l -1 CHSK Cr do 20 mg l -1

5 Stojaté povrchové vody Chemické složení Základní charakteristiky tekoucí povrchové vody Celková mineralizace mg l -1 Nerozpuštěné látky jednotky mg l -1 Rozpuštěný O 2 léto 8-12 mg l -1, zima 6-8 mg l -1 c H 2 CO 3 * velmi nízká Hodnota ph 6-8,5 Dominující anionty HCO 3-, SO 2-4, Cl - Dominující kationty Ca 2+, Na +, Mg 2+, K + CHSK Mn, BSK 5 jednotky mg l -1 CHSK Cr několikanásobek CHSK Mn Poměr Ca/Mg Na/K Ca/Na Mg/Na hmotnostní 3,25-11,2 1,8-4,7 2,0-5,5 0,35-1,0 látkový 2,0-6,8 3,1-8,0 1,13-3,15 0,31-0,96

6 Stojaté povrchové vody Vertikální stratifikace (zonálnost) Chemické složení stojatých vod se mění ve vertikálním i horizontálním směru Faktory: změna teploty změna koncentrace rozpuštěného O2 CO2 chemické a biochemické procesy (nitrifikace, denitrifikace, oxidace a redukce) srážecí a rozpouštěcí procesy adsorpce a desorpce charakteru nádrže (doba zdržení vody, hloubka, velikost, hydraulické poměry) meteorologických podmínkách (roční období, vítr) Stratifikaci podléhá: Závisí na hodnotách ORP a hodnotě ph vody teplota, rozpuštěný O 2, volný CO 2, sloučeniny dusíku, sloučeniny fosforu, Fe, Mn, hodnota ph, KNK 4,5, Ca, organické látky teplotní stratifikace souvisí s hustotou a viskozitou vody chemická stratifikace souvisí s obsahem solí

7 Stojaté povrchové vody Vertikální stratifikace (zonálnost) Teplotní a kyslíkový režim jarní cirkulace promíchávání vodního sloupce konstantní teplota v celé nádrži: 4 C trvá krátkou dobu Rozpustnost kyslíku ve vodě T [ C] O 2 [mg/l] 0 14,6 5 12, , ,1 20 9,1 25 8,3 30 7,6 35 7,0 40 6,5 45 6,0 50 5,6 (p = 101 kpa)

8 Stojaté povrchové vody letní stagnace epilimnium metalimnium - odděluje epi- a hypolimnium, pokles teploty o 1 C na 1 m hypolimnium

9 Stojaté povrchové vody letní stagnace orthográdní křivka - oligotrofní jezera snížená fotosyntetická produktivita v oblasti epilimnia - vytvořený kyslík je spotřebován dýcháním => v porovnání s epilimniem je ho v hypolimniu více klinográdní křivka eutrofní nádrže - vysoká fotosyntetická činnost v epilimniu + postupný úbytek obsahu kyslíku po vertikále - úplné vyčerpání kyslíku ve vrstvě nade dnem => anaerobní rozklad organických látek => tvorba CO 2 a CH 4 a zapáchajících sirných sloučenin pozitivní heterográdní křivka = metalimnetické maximum - fotosyntéza na spodní hranici epilimnia s většinovým podílem v metalimniu negativní heterográdní křivka = metalimnetické minimum respirace organismů na hranici metalimnia a hypolimnia anomální křivka míchání vrstev přítokem spodní vody s vyšším obsahem kyslíku

10 Stojaté povrchové vody podzimní cirkulace promíchávání vodního sloupce snížení teploty až na 4 C zimní stagnace na dně 4 C na hladině led 0 C u eutrofních nádrží může dojít až k úplnému vyčerpání kyslíku u dna (rozklad organické hmoty, úhyn organismů)

11 Stojaté povrchové vody Koloběh kyslíku Změny koncentrací O 2, CO 2 a změny ph během dne (orientační průběh, eutrofní, nemíchaná nádrž)

12 Stojaté povrchové vody Koloběh uhlíku

13 Stojaté povrchové vody Koloběh fosforu clear water deprese fytoplanktonu, zvýšený obsah PO 4 3-

14 Stojaté povrchové vody Koloběh dusíku

15 Stojaté povrchové vody Koloběh síry

16 Stojaté povrchové vody Koloběh železa a manganu závislost na ORP: v anoxickém prostředí - výskyt v redukované (rozpustné) formě v oxickém prostředí výskyt ve formě oxidovaných sraženin

17 Stojaté povrchové vody Koloběh železa a manganu

18 Eutrofizace vod = růst obsahu minerálních živin N a P a jejich sloučenin ve vodách, doprovodným jevem rozvoj fytoplanktonu, hlavně ve stojatých vodách trofický potenciál ukazatel obsahu biologicky využitelných živin: oligotrofní vody chudé na živiny, nízká primární produkce (150 g C/m 2 /rok), sekundární produkce i produkce ryb eutrofní vody bohaté na živiny, velká primární produkce (500 g C/m 2 /rok), sekundární produkce i produkce ryb; díky větší koncentraci organických látek někdy úplné vyčerpání O 2 z hypolimnia přirozená eutrofizace způsobena sloučeninami N a P z půdy, dnových sedimentů, rozkladu odumřelých organismů, nelze ji ovlivnit, vede ke stárnutí jezer velmi pomalá a přirozená přeměna původně oligotrofního jezera na eutrofní antropogenní (indukovaná) eutrofizace splachy hnojiv ze zemědělské půdy, polyfosforečnany v pracích a čistících prostředcích, splaškové OV, atmosférická depozice s antropogenním podílem N a P

19 Eutrofizace vod přísun anorg. živin N a P porušuje biologickou rovnováhu ve vodě v případě P nutně biologicky využitelné formy orthofosforečnany limitujícím faktorem i CO 2 a jeho iontové formy (sinice a řasy schopny získávat CO 2 i rozkladem hydrogenuhličitanů) intenzivnější primární produkce, za určitých podmínek přemnožení fytoplanktonu zejména sinic, řas a rozsivek vegetační zabarvení = zelená/modrozelená barva celého sloupce vody vodní květ = nahromadění sinic a řas v masách těsně u hladiny Redfieldův poměr N:P=16 produkce biomasy nutně stechiometrický poměr C:N:P = 106:16:1 molární poměr celkového dusíku k celkovému fosforu (N:P) N:P 16 limitujícím prvkem růstu fytoplanktonu fosfor N:P 16 limitujícím prvkem dusík v ČR většinou N:P» 16 fosfor klíčovým faktorem eutrofizace

20 Eutrofizace vod

21 Eutrofizace vod nebezpečí sekundárního znečištění vody organickými látkami (vznikajícími životní činností fytoplanktonu) zhoršení organoleptických vlastností vody (zápach) tvorba toxických organických látek cyanotoxiny (Anabaena flos-aquae, Aphanizomenon flos-aquae, r. Microcystis, r. Oscillatoria, r. Nostoc aj.) poruchy gastrointestinálního traktu alergické respirační reakce Dermatitidy onemocnění jater Vodní nádrž Orlík

22 Acidifikace = okyselování půdního, nebo vodního prostředí vlivem zvýšení koncentrace vodíkových iontů, jež se do prostředí dostaly atmosférickou depozicí přirozená acidifikace spojená s půdotvornými procesy (zvětrávání kyselých hornin, rozklad opadaného jehličí a listí a povrchového humusu, vyluhování huminových kyselin a fulvokyselin z rašelinišť), dlouhodobá a velmi pozvolné antropogenní acidifikace spojená se znečišťováním ovzduší (spalování pohonných hmot, nevhodné obhospodařováním lesů a zemědělské půdy) Acidifikace nádrží a jezer nízké hodnoty ph a KNK 4,5 vody zvýšené koncentrace Al Černé jezero

23 Znečišťování povrchových vod Povrchové vody: zdroj pitné a užitkové vody, slouží pro rekreační účely, chov ryb recipient splaškových a průmyslových vod porušení biologické rovnováhy a schopnost samočištění Projevy znečištění: estetické závady, nánosy, chemické a bakteriální znečištění, poškození biologického stavu biocenózy, změny fyzikálních a chemických vlastností Zdroje znečištění: bodové znečištění je do vodního útvaru přiváděno soustředěně a je možné zjišťovat kvalitu i kvantitu (průmyslové, komunální) plošné splachy z okolní půdy, atmosférická depozice difúzní rozptýlené bodové zdroje (osídlení, zemědělství, doprava, výluhy ze skládek)

24 Znečišťování povrchových vod Závadné látky = látky, které mohou ohrozit jakost povrchových, podzemních nebo odpadních vod látky působící přímo toxicky látky ovlivňující kyslíkovou bilanci toku látky způsobující organoleptické závady inertní látky (anorganické nerozpuštěné nebo rozpuštěné netoxické) Nebezpečné závadné látky kovy, polokovy a jejich sloučeniny biocidy látky negativně ovlivňující organoleptické vlastnosti vody toxické nebo rezistentní sloučeniny anorganické sloučeniny P nerezistentní minerální oleje a nerezistentní uhlovodíky ropného původu fluoridy látky s nepříznivým účinkem na kyslíkový režim v tocích kyanidy Zvlášť nebezpečné závadné látky organohalogenové sloučeniny organofosfosforové sloučeniny organické sloučeniny Sn látky vykazující karcinogenní, mutagenní, nebo teratogenní vlastnosti Hg a její sloučeniny Cd a jeho sloučeniny rezistentní minerální oleje a nerezistentní uhlovodíky ropného původu rezistentní syntetické látky

25 Znečišťování povrchových vod Odpadní vody nepříznivě ovlivňující vlastnosti povrchových vod: 1. odpadní vody silně kyselé nebo silně alkalické 2. vody s vysokou koncentrací anorganických solí 3. vody s vysokou koncentrací nerozpuštěných látek 4. vody obsahující látky ovlivňující přestup kyslíku do vody (tenzidy, uhlovodíky) 5. vody s vysokým obsahem biologicky snadno rozložitelných látek nebo anorganických látek spotřebovávajících kyslík (Fe II, siřičitany) 6. vody obsahující látky nepříznivě ovlivňující organoleptické vlastnosti vody (chlorfenoly, uhlovodíky, chlorované uhlovodíky, barviva) 7. vody obsahující látky toxické pro vodní organismy (některé kovy, kyanidy, pesticidy) 8. vody s možným bakteriálním znečištěním patogenními zárodky (OV z léčebných ústavů, koželužen) 9. vody s vyšším obsahem nutrientů (P, N), které mají eutrofizující účinek 10. oteplené vody

26 Znečišťování povrchových vod Klasifikace tekoucích vod podle čistoty Hodnocení přípustného znečištění se posuzuje podle: a) emisních limitů max. přípustné koncentrace v OV vypouštěné do recipientu b) imisních limitů koncentrace ve vodním recipientu, které by při vypouštění OV neměly bát překročeny Ukazatele (indikátory) vyjadřují fyzikální stav, chemické složení a biologické osídlení vody a) individuální (Fe, Mn, N, P) b) skupinové (BSK, CHSK, NL) Ukazatele a hodnoty přípustného znečištění povrchových vod, podmínky a náležitosti povolení k vypouštění OV do vod povrchových a citlivé oblasti vyhlašuje Nařízení vlády č. 401/2015 Sb. (dříve 229/2007) Jakost povrchových vod z hlediska jejich upravitelnosti na vodu pitnou Požadavky na jakost povrchových vod z hlediska jejich upravitelnosti na vodu pitnou jsou dány Vyhláškou MZE č. 428/2001 Sb. (kterou se provádí zákon č. 274/2001 Sb.) 3 kategorie vody podle upravitelnosti: A1 voda vyžadující jednoduchou fyzikální úpravu a desinfekci A2 voda vyžadující běžnou fyzikální a chemickou úpravu a desinfekci A3 voda vyžadující rozšířenou intenzivní fyzikální a chemickou úpravu a desinfekci

27 Znečišťování povrchových vod Obecné ukazatele vyjadřující požadovaný a cílový stav jakosti vody ve vodním toku při vypouštění odpadních vod do vod povrchových 1. neporušená samočistící schopnost vody 2. stav bez přítomnosti organismů s potenciálně patogenními a toxickými vlastnostmi 3. stav, při němž nedochází k nadměrnému rozvoji litotrofních organismů 4. stav, při němž nedochází ke vzniku kalových lavic nebo pokrytí vodní hladina pěnou, tuky, oleji nebo jinými látkami 5. koncentrace nebezpečných a zvlášť nebezpečných závadných látek ve vodním prostředí, sedimentech, plaveninách a živých organismech se nesmí v čase znatelně zvyšovat 6. koncentrace Hg v reprezentativním vzorku masa ryb nesmí překročit hodnotu 0,1 mg na 1 kg svaloviny 7. stav povrchových vod, při němž nedochází k porušování hygienických požadavků na ochrnu zdraví před ionizujícím záření 8. stav povrchových vod, při němž nedochází v důsledku škodlivého působení látek ke změně produktivity vodního ekosystému, ani k závažnému omezení druhové rozmanitosti vodních organismů nebo překročení pro ně nejvyšších přípustných hodnot dávky nebo objemové aktivity radionuklidů 9. dosažení dobrého stavu vodních útvarů povrchových vod podle Rámcové směrnice 2000/60 ES o vodní politice Společenství

28 Povrchové vody Klasifikace povrchových vod podle znečištění ČSN Klasifikace jakosti povrchových vod 5 tříd jakosti tekoucích povrchových vod: I. třída: neznečištěná voda (světle modrá) II. třída: mírně znečištěná voda (tmavě modrá) III. třída: znečištěná voda (zelená) IV. třída: silně znečištěná voda (žlutá) V. třída: velmi silně znečištěná voda (červená) Vybrané chemické ukazatele jakosti vod: Kritérium: mezní hodnoty charakteristických ukazatelů klasifikace zvlášť pro každý ukazatel výsledná třída dle nejnepříznivějšího ukazatele BSK, CHSK Cr, N-NH 4, N-NO 3, P celk ČSN Kontrola jakosti povrchových vod Mapy jakosti vody - barvy minimální počet ukazatelů pro kontrolu jakosti povrchových vod (20): teplota, hodnota ph, konduktivita, NL, rozpuštěný kyslík, BSK 5, CHSK Mn, CHSK Cr, TOC, N-NH 4, N-NO 3, P celk, Cl -, SO 4 2-, Mn, Fe, Ca, Mg, termotolerantní koliformní bakterie a saprobní index makrozoobentosu

29 Tab. Mezní hodnoty tříd jakosti podle ČSN (výběr ukazatelů) [mg l -1 ] Ukazatel I. třída II. třída III. třída IV. třída V. třída BSK 5 < 2 < 4 < 8 < CHSK Cr < 15 < 25 < 45 < N-NH 4 < 0,3 < 0,7 < 2 < 4 4 N-NO 3 < 3 < 6 < 10 < P celk < 0,05 < 0,15 < 0,4 < 1,0 1,0 saprobní index makrozoobentosu [-] < 1,5 < 2,2 < 3,0 < 3,5 3,5 rozpuštěný kyslík > 7,5 > 6,5 > 5,0 > 3,0 3,0 Cl - < 100 < 200 < 300 < CHSK Mn < 6 < 9 < 14 < TOC < 7 < 10 < 16 < AOX < 0,01 < 0,02 < 0,03 < 0,04 0,04 PAU (PAH) [µg l -1 ] < 0,01 < 0,1 < 0,5 < 3,0 3,0 PCB / [µg l -1 ] < 0,05 < 0,01 < 0,02 < 0,03 0,03 chlorofyl-a < 0,010 < 0,025 < 0,050 < 0,100 0,100