Klasifikace znečištění a samočistící schopnost vody

Transkript

1 Klasifikace znečištění a samočistící schopnost vody Martin Pivokonský 3. 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 Znečištění vod znečištění stav, kdy jsou původní vlastnosti vody (chemické, fyzikální, biologické) změněny do té míry, že je minimalizována její původní hospodářská využitelnost přirozené znečištění v důsledku přísunu organických a anorganických látek z přírodního prostředí (rozklad uhynulých těl rostlin a živočichů, eroze ) antropogenní znečištění přesun cizorodých látek v důsledku lidské činnosti přirozené znečištění je v přírodě eliminováno samočistícími procesy (autoregulace); antropogenní znečištění tento systém narušuje

4 Klasifikace znečištění povrchových vod ČR: ČSN Jakost vod Klasifikace jakosti povrchových vod a třídy jakosti I. třída: velmi čistá voda / neznečištěná voda Ukazatele jakosti vody nepřesahují hodnoty běžného přirozeného pozadí v tocích. II. třída: čistá voda / mírně znečištěná voda Ukazatele jakosti vody dosahují hodnot umožňujících existenci bohatého, vyváženého a udržitelného ekosystému. III. třída: znečištěná voda Ukazatele jakosti dosahují hodnot, které nemusí umožňovat existenci bohatého, vyváženého a udržitelného ekosystému. IV. třída: silně znečištěná voda Ukazatele jakosti vody dosahují hodnot umožňujících existenci pouze nevyváženého ekosystému. V. třída: velmi silně znečištěná voda Ukazatele jakosti vody dosahují hodnot umožňujících existenci pouze silně nevyváženého ekosystému

5 Klasifikace znečištění povrchových vod Skupiny ukazatelů pro klasifikaci znečištění: kyslíkového režimu základní chemické a fyzikální doplňující chemické těžké kovy mikrobiologické a biologické radiologické jakost vody se klasifikuje zvlášť pro každý jednotlivý ukazatel výsledná třída se určuje podle nejnepříznivěji vyhodnoceného ukazatele norma ČSN Jakost vod Kontrola jakosti povrchových vod předepisuje minimální počet (20) stanovovaných ukazatelů: teplota, ph, konduktivita, nerozpuštěné látky, rozpuštěný kyslík, BSK 5, CHSK Mn, CHSK Cr, TOC, amoniakální dusík, dusičnanový dusík, celkový fosfor, chloridy, sírany, mangan, železo, vápník, hořčík, termotolerantní koliformní bakterie, saprobní index makrozoobentosu

6 Klasifikace znečištění povrchových vod EU: Common Implementation Strategy for the Water Framework Directive (2000/60/EC) River and lakes Typology, reference conditions and classification systems Basic principles for classification of ecological status based on Ecological Quality Ratios (EQR)

7 Vliv znečištění na vodní ekosystémy schopnost adaptace na změněné podmínky se u jednotlivých druhů liší rozdílná odolnost různých vývojových stádií znečištění má vliv na výskyt (úhyn) organismů, jejich růst, rozmnožování, odolnost proti chorobám důsledkem mohou být výrazné odchylky od přirozené skladby společenstev Vlivy znečištění na vodní organismy lze dělit do následujících kategorií: změny teploty změny ph změny světelné intenzity koncentrace kyslíku organické znečištění změna úživnosti systému, vliv na koncentraci kyslíku mechanické znečištění toxické látky toxicita ovlivněna formou výskytu látek, abiotickými faktory, organickým znečištěním kovy rtuť, kadmium, olovo, zinek, nikl, měď, hliník biocidní látky herbicidy, pesticidy

8 Havárie Odběr vody po havárii nejméně tři lokace: 1) nad předpokládaným zdrojem znečištění 2) ze zdroje znečištění 3) v místě po smíchání s vodou recipientu Vyšetření vody: 1) hydrochemické toxicita látek je ovlivněna charakterem vodního prostředí teplota, průhlednost, barva, pach, ph, vodivost, KNK, ZNK, koncentrace rozpuštěného kyslíku, BSK, CHSK, koncentrace amonných iontů, dusitanů, dusičnanů, fosforu, vápníku, hořčíku 2) hydrobiologické kvalitativní a kvantitativní skladba společenstev změny mohou indikovat možné působení toxických látek; také vyšetření nárostů kvalitativní a kvantitativní skladba společenstev vyšetření nárostů (kameny, ponořené části vyšších rostlin ; také uměle vytvořené nárosty) 3) toxikologické biologické testování toxicity vody testy toxicity - např. akvarijní ryba Poecilia reticulata, perloočka Daphnia magna chemickotoxikologická vyšetření orgánů a tkání organismů

9 Příklady havárií - ČR Kyanidové havárie dočasné koncentrace kyanidu v tocích až v řádech jednotek až desítek mg l Jihlava chybná zkouška kvality vypouštěných vod 1967 Lubina závady na potrubí 1976 Odelenovický potok Jizera netěsnost nádrže 1979 Bečva neodborná manipulace 1980 Červený potok Litavka - nedostatečné čištění 1981 Ohře nedostatečné čištění 2006 Labe nedostatečné čištění Fenoly 1970 Chodovský potok Ohře - únik kontaminovaných vod do splaškové kanalizace; koncentrace fenolů až 5 mg l Labe špatná manipulace Ropa 1980 Šlapanka Sázava netěsnost ropovodu; únik cca 6000 t ropy

10 Příklady havárií - svět Švýcarsko 1986 Rýn únik cca 30 t agrochemikálií ze závodu Sandoz (při požáru skladu) úhyn organismů až do 400 km od místa havárie (např. zásah do populace úhoře říčního) Bělorusko 1990 Západní Dvina únik cca 60 t kyanidu masivní úhyn organismů částečné přerušení dodávky pitné vody v lotyšské Rize Rusko 1994 Pečora únik cca t ropy důsledkem závady na ropovodu zasaženy stovky km řeky i okolní krajina

11 Příklady havárií - svět Španělsko 1998 Guadiamar únik více než m 3 odpadních vod z důlní činnosti s obsahem Cd, Pb, Zn, Fe ohrožen byl národní park Doñana USA, Colorado 2015 The Animas River únik odpadů z důlní činnosti (více než l) s obsahem Cd, Pb, As, Be, Zn, Fe, Cu

12 Samočištění povrchových vod Samočištění autoregulační systém, zpravidla dokáže eliminovat přirozené znečištění vody (přeměna organických látek na minerální); antropogenní znečištění naopak průběh samočištění narušuje samočištění zahrnuje procesy: 1) fyzikální sedimentace nerozpuštěných látek, odplavování usazenin (vliv vlastností koryta toku a struktury transportovaného materiálu); přestup a difuze kyslíku 2) chemické oxidačně redukční procesy, srážecí a neutralizační reakce 3) biologické tyto procesy mají na samočištění největší podíl organické látky slouží jako potrava vodních organismů a jsou tak inkorporovány do organické hmoty, následným působením destruentů dochází k jejich mineralizaci vzniká tak zdroj pro fotosyntetizující organismy rovnováha mezi rozkladem a tvorbou biomasy

13 Rozklad organických látek autolytické rozkladné procesy rozklad tělesné hmoty uhynulých organismů na autolytický rozklad navazuje rozklad mikrobiální k mineralizaci dochází jak v aerobních (výsledkem úplná mineralizace CO 2, voda, dusičnany ), tak v anaerobních (výsledkem metabolity mastné kyseliny, metan ) podmínkách fáze samočištění: 1) polysaprobní převažují redukční pochody 2) mezosaprobní redukční pochody se vyrovnávají s oxidačními 3) oligosaprobní převažují oxidační pochody

14 Koncentrace kyslíku ve vodě průběh samočištění je silně závislý na množství rozpuštěného kyslíku ve vodě jeho koncentrace je také důležitým indikátorem čistoty vody na obsahu kyslíku přímo závisí život vodních organismů zdroje kyslíku: difuze z atmosféry, fotosyntéza vodních rostlin spotřeba kyslíku: rozklad organických látek, respirace vodních organismů poměr mezi přísunem kyslíku (reaerací) a jeho spotřebou (deoxygenací) je důležitým vyjádřením kyslíkových poměrů pokud rychlost deoxygenace > rychlost reaearace, nastává kyslíkový deficit, může dojít až k vyčerpání veškerého rozpuštěného kyslíku důvodem zpravidla vysoká zátěž rychle rozložitelnými organickými látkami důsledkem je možný úhyn organismů, inhibice procesu samočištění

15 Koncentrace kyslíku ve vodě rovnovážný stav kyslíkové bilance v toku vyjadřuje Streeter-Phelpsova rovnice L t K 1 = D t (K 2 -K 1 ) L t zatížení toku organickými látkami v čase t D t deficit kyslíku za dobu t K 1 deoxygenační konstanta K 2 reaerační konstanta (koeficient rychlosti reaerace) (konstanty K 1, K 2 se liší pro různé typy toků a jsou závislé na teplotě) rovnovážnou koncentraci kyslíku obecně definuje Henryho zákon rovnovážná koncentrace kyslíku ve vodě je ovlivněna teplotou, salinitou, nadmořskou výškou

16 Koncentrace kyslíku ve vodě poměr mezi aktuální a rovnovážnou koncentrací kyslíku ve vodě udává stupeň nasycení vody kyslíkem N = c / c r N nasycení vody kyslíkem c koncentrace kyslíku ve vodě c r rovnovážná koncentrace kyslíku ve vodě množství kyslíku, které v daný moment chybí pro dosažení rovnovážné koncentrace kyslíku ve vodě, je označováno jako kyslíkový deficit D kyslíkový deficit D = c r - c s rostoucím kyslíkovým deficitem stoupá hnací potenciál přestupu kyslíku z atmosféry do vodního prostředí Δc = D - c r Δc hnací potenciál přestupu kyslíku z atmosféry

17 rovnovážná koncentrace kyslíku koncentrace kyslíku ve vodě kritický kyslíkový deficit kyslíkový deficit 3. přednáška Povrchové vody a zdroje jejich znečištění Koncentrace kyslíku ve vodě reakci kyslíkového režimu toku na znečištění popisuje křivka kyslíkového průhybu ukazuje pokles koncentrace kyslíku, dosažení kritického bodu (rychlost přestupu a rychlost spotřeby kyslíků se v něm vyrovnává) a následný růst koncentrace kyslíku koncentrace kyslíku ve vodě klesá v důsledku aerobního odbourávání znečišťujících látek kritický čas kritický bod kritická koncentrace rychlost reaerace je vyšší než rychlost spotřeby kyslíku na odbourání znečištění spotřeba kyslíku přesahuje reaeraci s rostoucím kyslíkovým deficitem se ale zvyšuje hnací potenciál přestupu kyslíku čas

18 Koncentrace kyslíku ve vodě kritický bod poloha kritického bodu vůči ose y udává zůstatkovou koncentraci rozpuštěného kyslíku (kritická koncentrace), poloha vůči ose x pak čas, který uplyne od vypuštění znečištění do dosažení kritického bodu (kritický čas) kritická koncentrace je klíčová pro přežití organismů ve vodě kritický čas v tomto čase je ve vodě dosaženo nejnižší koncentrace kyslíku správné určení těchto veličin (a tedy i souřadnic kritického bodu) slouží ve vodohospodářské praxi např. pro výpočet maximální přípustného znečištění kritická koncentrace rozpuštěného kyslíku je např. pro většinu druhů ryb 3-4 mg l -1, pro lososovité až 6 mg l -1

19 Saprobita a společenstva saprobních tříd saprobita soubor vlastností vody ovlivněných přítomností organických látek schopných biochemického rozkladu a rozrušovaných činností destruentů kvalita vody určuje přítomnost určitého společenstva organismů ty svým výskytem ovlivňují vlastnosti vody vzniká biologická rovnováha při jejím narušení snaha systému o navrácení do původního stavu nastává samovolný samočistící proces vztahy organismů k čistotě/znečištění vody popisuje systém saprobií změny saprobity dány změnami ve složení společenstev, ty se střídají a jeví určitou posloupnost (sukcesi) saprobní sukcese: 1) progresivní (primární) voda se obohacuje o živiny (eutrofizuje), postupně dosahuje klimaxového stadia (vrcholové stádium jakosti vody, do kterého se snaží každý ekosystém samovolně při samočištění dostat; při jeho překročení dochází ke znečišťování ) 2) regresivní (sekundární) anaerobní prostředí rozklad aerobní prostředí samočištění

20 Saprobita a společenstva saprobních tříd systém jakosti vody z biologického hlediska je součástí monitoringu jakosti vody - organismy jako indikátory podmínek prostředí saprobní valence vyjadřuje četnost výskytu druhu v rámci normálního frekvenčního rozdělení (číselný zápis Gaussovy křivky) desetibodová stupnice indikační váha druhu I udává charakteristiku indikátoru pětibodová stupnice saprobní index S nese informaci o saprobitě vodního prostředí na základě přítomnosti druhů (indikátorů) a informaci o jeho zastoupení ve společenstvu, charakterizuje celé společenstvo podmínky stanovení saprobního indexu uvádí norma ČSN seznam organismů s jejich individuálním saprobním indexem, saprobní valencí, indikační vahou saprobní index vod dle znečištění - hodnoty -1 až +8

21 Systém saprobity systém jakosti vody Katarobita (K) Limnosaprobita (L) Xenosaprobita (x) Oligosaprobita (o) Beta-mezosaprobita (β) Alfa-mezosaprobita (α) Polysaprobita (p) Eusaprobita (E) Isosaprobita (i) Metasaprobita (m) Hypersaprobita (h) Ultrasaprobita (u) Transsaprobita (T) Antisaprobita (a) Radiosaprobita (r) Kryptosaprobita (c) saprobiontní organismy - žijí v nejvýše zatížených vodách saprofilní organismy upřednostňují znečištěné vody saproxenní organismy vyhýbají se znečištěným vodám

22 Katarobita (K) vody bez znečištění - např. podzemní voda, prameniště; upravená voda BSK 5 nelze stanovit Limnosaprobita (L) mírné organické znečištění vody podzemní i povrchové; užitkové či provozní vody dále se dělí do 5 skupin dle stupně znečištění (aerobní až mikroaerobní poměry) Xenosaprobita (x) BSK 5 = 1 mg l -1, nízké mikrobiální oživení, voda vhodná pro vodárenské účely organismy: rozsivky (Bacillariophyceae) Diatoma hiemale, Diatoma mesodon, Tetracyclus rupestris, ruduchy (Rhodophyceae) rod Hildebrandia, zlaté řasy (Chrysophyceae) rod Hydrurus, zelené řasy (Chlorophyceae) rod Draparnaldia, ploštěnky Crenobia alpina, Polycelis cornuta, měkkýši Bythinia austrica, larvy jepic Ameletus a pošvatek Diura, korýši rodu Cyclops, ryby rodů siven, pstruh Diatoma mesodon Hildebrandia rivuralis Crenobia alpina Ameletus

23 Oligosaprobita (o) BSK 5 = 2,5 mg l -1, nízké mikrobiální oživení, voda vhodná pro vodárenské a rekreační účely organismy: rozsivky Meridion circulare, Tabellaria flocculosa, ruduchy rod Lemanea, zlaté řasy rod Dinobryon, Mallomonas, obrněnky (Dinophyceae) Ceratium hirundinella a zelené řasy rod Draparnalida, larvy jepic, pošvatek, chrostíků, vířníci, korýši, ryby rodů pstruh, hlavatka, lipan, vranka Meridion ciruclare Kellicottia longispina Holopedium gibberum Ceratium hirundinella Eudiaptomus vulgaris

24 Beta-mezosaprobita (β) BSK 5 = 5 mg l -1, mírné znečištění, vysoký přísun organických látek, mikrobiální oživení v létě nastává přemnožení fyto- i zooplanktonu, vzniká vegetační zabarvení vody (zákal), vodní květ klimaxové stadium, kterého může voda dosáhnout přirozenými procesy (bez antropogenního působení) nejlepší stupeň, kterého lze dosáhnout při biologickém čištění odpadních vod organismy: sinice (Cyanophyceae, Cyanobacteria) rodů Nostoc, Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, rozsivky rodů Aulacoseira, Synedra, zelené řasy rodů Actinastrum, Ankistrodesmus, Crucigenia, Eudorina, Monoraphidium, Oocystis, Pandorina, Pediastrum, Scenedesmus, nálevníci rodu Vorticella, vířníci rodu Brachionus, korýši perloočky a klanonožci, larvy hmyzu vážek, šídel, jepic Anabaena affinis Scenedesmus opoliensis Vorticella mayeri Synedra acus Oocystis marssonii Brachionus diversicornis

25 Alfa-mezosaprobita (α) BSK 5 = 5-10 mg l -1, silné (makroskopické) znečištění, vysoký přísun organických látek, mikrobiální oživení, vyskytují se i koliformní bakterie (možné patogenní zárodky) nadměrná produkce organismů úbytek rozpuštěného kyslíku odpadní vody tohoto stupně se ponechávají čištění v recipientu v případě ČOV indikují dobře fungující technologii organismy: sinice rodu Oscillatoria, rozsivky Nitzschia acicularis, Navicula accomoda, zelená řasa Stigeoclonium tenue, bičíkovici rodu Anthophysa, nálevníci rodů Litonotus, Aspidisca, plísně Leptomitus, vláknité bakterie Sphaerotilus nantas, pijavice, kaprovité ryby Oscillatoria limosa Aspidisca cicada Litonotus fasciola Trithigmostoma cucullulus Stigeoclonium tenue Anthophysis

26 Polysaprobita (p) BSK 5 = max. 40 mg l -1, silné znečištění, mikrobiální oživení včetně koliformních bakterií důsledkem odbourávání organických látek může docházet ke krátkodobé anoxii v rámci ČOV indikuje špatnou aeraci organismy: vláknité bakterie Sphaerotilus natans, Zooglea, mixotrofní bičíkovci Chlamydomonas, Chlorogonium, Carteria, Euglena, máloštětinatci rodů Tubifex, Limnodrilus, larvy pakomárů Chironomas, ryby vzácně kapr, karas, lín Euglena virids Chironomus (larva) Zooglea ramigera Chlamydomonas incerta Tubifex tubifex

27 Eusaprobita (E) spodní hranice BSK 5 50 mg l -1, vysoký počet koliformních zárodků rozhraní mezi povrchovými a odpadními vodami, zahrnuje čtyři podstupně výrazná anaerobie Isosaprobita (i) BSK mg l -1, např. splaškové vody výskyt sulfanu (v koncentracích, které nepůsobí toxicky na většinu organismů) organismy: nálevníci (Ciliata) rodů Colpidium, Glaucoma, Paramecium, Tetrahymena, Vorticella, bičíkovci vzhledem k výskytu nálevníků je isosaprobita označována také jako ciliátový stupeň Glaucoma scintillans Tetrahymena pyriformis Vorticella microstoma Colpidium camyplum

28 Metasaprobita (m) BSK mg l -1, např. splaškové vody výskyt sulfanu (v koncentracích, které limitují výskyt řady organismů) organismy: bičíkovci (Flagellata) rodů Bodo, Cercobodo, Hexaminus, Tetramitus, nálevníci vzhledem k výskytu bičíkovců je Cercobodo metasaprobita označována také jako flagelátový stupeň Tetramitus Hypersaprobita (h) BSK mg l -1, bakteriový a mykofytový stupeň rozkladných procesů alkalické prosředí metanogenní bakterie rozkládají polysacharidy a uvolňuje se methan kyselé prostředí působí jiné mikroorganismy a uvolňuje se kyslík výskyt sulfanu v nižších koncentracích organismy: praví saprobionti Ultrasaprobita (u) BSK 5 až mg l -1, přechod kapaliny v kaly sulfan se nevyskytuje abiotický stupeň, absence vegetativních forem mikroorganismů

29 Transsaprobita (T) silně znečištěné povrchové i podzemní vody nejedná se o saprobitu v pravém slova smyslu transsaprobita shrnuje účinky jedů, radioaktivity, fyzikálních faktorů Antisaprobita působení jedů při průniku toxické vody do povrchové nebo podzemní vody) nahrazováno pojmem toxicita negativní mikrobiologické oživení (pokud nejsou přítomna klidová stadia) Radiosaprobita působení nuklidů Kryptosaprobita zhoubné vlivy fyzikálních faktorů mráz, minerální suspenze, oleje, tepelné zatížení