Ochrana půdy Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín
Obsah přednášky Vlastnosti půdy Změna kvality půdy Ochrana před chemickou degradací - sanace 2
1) Vlastnosti půdy 3
Legislativa V ČR - sektorový přístup k ochraně půd Speciálními zákony jsou chráněny půdy zemědělské a lesní, půdy ostatní jsou chráněny zprostředkovaně jinými zákony. Zákon č. 17/1992 Sb. o životním prostředí - specifikuje v půdu jako jednu ze složek životního prostředí. Zákon č. 334/l992 Sb. o ochraně ZPF a - a jeho prováděcí vyhláška č. 13/1994 Sb. - povinnosti vlastníků a nájemníků půdy: Zákon č. 289/l995 Sb. o lesích - upravuje ochranu lesních pozemků před zábory a omezením jejich funkcí. 4
Vlastnosti půdy Půda Nejsvrchnější část zemského povrchu (pedosféra) Rozhraní atmosféry, litosféry a hydrosféry - ovlivňuje chemickou, vlhkostní a teplotní bilanci atmosféry - reguluje hydrologické toky v krajině, chemické složení vod Zóna s intenzivní interakcí mezi biosférou a geosférou - určuje řadu biologických i nebiologických koloběhů a toků látek a energie Nenahraditelný přírodní zdroj Nejstabilnější složka ekosystému - v potravním řetězci první článek Schopnost odolávat antropogennímu působení 5
Vlastnosti půdy je dynamický, stále se vyvíjející živý systém Funkce - životní prostředí půdních organismů - stanovištěm planě rostoucí vegetace - slouží k pěstování kulturních rostlin - regulátor koloběhu látek - může fungovat jako úložiště, ale i zdroj potenciálně rizikových látek 6
Vlastnosti půdy Složení Systém - otevřený, relativně samostatný, trojfázový Složky půd - Minerální-anorganická 35-45% - Organická hmota 5-15% - Voda (půdní roztok) 15-35% - Plyny - 15-35% - Živé organismy - červi, hmyz, bakterie, - prvoci, háďátka, houby, řasy Organická hmota Humus Anorganický horizont Podloží 7
Vlastnosti půdy Chemické složení Prvek O Si Al Fe Ca Na Mg K Ti P Mn S C N % 49,0 33,0 6,7 3,2 2,0 1,1 0,8 1,8 0,5 0,08 0,08 0,04 1,4 0,2 Poměr anorganická : organická hmota cca 10 : 1 Tuhá fáze Minerální podíl Organický podíl Jílové Oxidy, Primární Organické látky Organické látky Organické látky minerály hydroxidy minerály nehumifikované přechodné humifikované 8
Vlastnosti půdy Chemické složení Organický podíl Jílové minerály - 70-80% z celkové hmotnosti půdy - převážně Si, Al, O, H menší množství Ca, Mg, Fe, K, Zn aj. - montmorillonit - M x+y (R 3+ 2-y, R 2+y )(Si 4-x Al x )O 10 (OH) 2.nH 2 O Oxidy a hydroxidy - 10-15%, hydratované oxidy železa, hliníku, křemíku nebo manganu. - vysoká sorpční kapacita zejména pro těžké kovy (Co, Ni, Pb, Cr, Zn). Primární minerály - 7-10 %; postupné zvětrávání křemenu, živce, slídy, pyroxémy aj. - uvolňování některých iontů K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+, Cl -, SO 2- aj. 9
Vlastnosti půdy Chemické složení Organický podíl Jílové minerály - 70-80% z celkové hmotnosti půdy - převážně Si, Al, O, H menší množství Ca, Mg, Fe, K, Zn aj. - montmorillonit - M x+y (R 3+ 2-y, R 2+y )(Si 4-x Al x )O 10 (OH) 2.nH 2 O Oxidy a hydroxidy - 10-15%, hydratované oxidy železa, hliníku, křemíku nebo manganu. - vysoká sorpční kapacita zejména pro těžké kovy (Co, Ni, Pb, Cr, Zn). Primární minerály - 7-10 %; postupné zvětrávání křemenu, živce, slídy, pyroxémy aj. - uvolňování některých iontů K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+, Cl -, SO 2- aj. 10
Vlastnosti půdy Jílové minerály - montmorillonit - M x+y (R 3+ 2-y, R 2+y )(Si 4-x Al x )O 10 (OH) 2.nH 2 O 11
Vlastnosti půdy Chemické složení Organický podíl Nehumifikované látky - 10-15% z celkového organického podílu půdy - zbytky rostlin, organických hnojiv, zooedafonem a mikroedafonem - mineralizace, humifikace Humifikované látky - tvorba stabilnějších organických látek většinou aromatické povahy - Humínové kyseliny, Fulvokyseliny - vysoké poutání živin v půdě (6-7x vyšší než u jílových minerálů), - drobtovitá struktura - příznivý vodní, vzdušný a tepelný režim půdy, - kladně ovlivňují pufrační schopnost půd, - detoxikují škodlivé sloučeniny a částečně váží i těžké kovy, 12
Vlastnosti půdy 13
Vlastnosti půdy Půdotvorní činitelé Matečná hornina - ovlivňuje zásobu živin, základní chemismus, zrnitost a barvu Klima: - teplota a srážky ovlivňují chemické reakce v půdě Organismy - tzv. půdní edafon - bakteriální edafon - hlízkové, choroboplodné bakterie, - fytoedafon plísně, houby, řasy, kořenové systémy, - zooedafon prvoci, nálevníci, roztoči, korýši, hmyz, atd. Charakter reliéfu - sklon a orientace ke světovým stranám Čas - vývoj v čase v důsledku fyz., chem. a biol. jevů, včetně antropogenních Podzemní vlivy - podzemní voda 14
Vlastnosti půdy 1. ph ovlivňuje rozpustnost látek v půdě obsažených (jejich využitelnost organismy) Rozdělení - zásadité (ph vyšší než 7,5) Nejúrodnější v nížnách - neutrální (ph 6,5-7,4) - slabě kyselé (ph 5,3-6,4) - kyselé (ph 4,6-5,2) - silně kyselé (ph 4,1-4,5) - velmi silně kyselé (ph menší než 4) Zvýšená kyselost snižuje rozpustnost látek a tím i jejich využitelnost hlavně rostlinami 15
Vlastnosti půdy 1. ph Nejúrodnější v nížnách 16
Vlastnosti půdy 2. Sorpční komplex Schopnost poutat různé látky z disperzního prostředí - důležité pro půdotvorný proces i výživu rostlin. Malé půdní částice, koloidní povahy, - organické i anorganické látky. aktivní část (anionty) - vlastní komplex, vyvolává sorpční procesy pasivní část (kationty) - sorbovány aktivní částí poutány různou silou v pořadí: Na < K < NH4 < H < Ca < Mg< Al <Fe Tvořen minerálními koloidy (jílové minerály) a organickými sloučeninami (humus). Organický 10 x silnější než anorganický 17
Vlastnosti půdy 3. Fyzikální a biologické vlastnosti - Struktura - Teplota - Živé organismy (edafon) - Půdní mikroorganismy - Odumřelé zbytky rostlinných a živočišných těl 18
Vlastnosti půdy 3. Fyzikální a biologické vlastnosti Struktura Určena: velikostí půdních částic (zrn) - zrnitost - optimální je rovnoměrné zastoupení různých velikostí - ovlivňuje pohyb vody v půdě velikostí půdních pórů - celkový objem půdních pórů v určitém objemu půdy - rychlost průniku vody půdou - permeabilitu (propustnost) půdy - vyšší permeabilita zlepšuje provzdušněnost půdy mineralizaci látek. - Nízká permeabilita převaha anaerobních procesů 19
Vlastnosti půdy 3. Fyzikální a biologické vlastnosti Živé organismy (edafon) - Makroorganismy červi, hmyz, hlodavci (podporují aeraci půdy) Půdní mikroorganismy - podílí se na rozkladných procesech v půdě, nejvíce v horní vrstvě, s hloubkou převažují anaerobní druhy Odumřelé zbytky rostlinných a živočišných těl - základem pro tvorbu půdního humusu Humus - huminové kyseliny, fulvokyseliny a další. - zlepšuje kvalitu půdy, zvyšuje využitelnost živin rostlinami upravuje sorpční vlastnosti, ph půdy 20
Vlastnosti půdy Půdní voda půda se podílí na koloběhu vody v přírodě nejdůležitějším rezervoárem kvalitní pitné vody. Vrstva průchodná pro vodu - voda se zde zbavuje pevných, koloidních a rozpuštěných polutantů - obohacuje se rozpuštěnými látkami v půdě Vrstva vododárná - maximálně nasycena vodou, která se zde hromadí Vrstva vodonosná - tvoří ji hornina, pro vodu nepropustná 21
Vlastnosti půdy Půdní voda Výsledná filtrace závisí na - kvalitě a stupni znečištění protékající vody, - struktuře a charakteru půdních vrstev (průchodné vrstvy) - rychlosti vody protékající vrstvami půdy. 22
Změna kvality půdy Samočistící schopnost půdy Schopnost půdy rozkládat složité organické látky včetně odumřelých těl rostlin a živočichů, až na základní prvky, Mineralizace, Humifikací Dělíme na - Fyzikální - filtrace, sorpce - Chemické - oxidace, redukce - Biologické - anaerobní, aerobní rozklad 23
Změna kvality půdy Samočistící schopnost půdy Fyzikální - filtrační schopnost - zadržování pevných částic póry. - adsorpci - zachycení látek z půdního roztoku Chemické - vznik vazeb: kovalentní, iontové, srážecí reakce Biologické - rozkladu organických sloučenin za účasti mikroorganismy v půdě. - Anaerobní rozklad - metan, amoniak, a toxické zplodiny. - Aerobní rozklad - mineralizace, humifikace, nitrifikace, denitrifikace - aerace je ovlivněna strukturou půdy velikost částic a porozita 24
2) Změna kvality půdy 25
Změna kvality půdy 1) Eroze 2) Kontaminace (znečištění) 26
Změna kvality půdy 2. Eroze půdy Rozrušování a transport půdy vlivem přírodních faktorů - fyzikální degradace - pokles humusu Normální eroze - neustále přetváří reliéf Zrychlená eroze - 10 1000x vyšší intenzita Aktuální eroze množství půdy odnesené z určité plochy za rok Dělíme: Vodní - způsobena deštěm Větrná - obrus třením větrem transportovaného materiálu a větrný odnos sypkého zvětralého povrchu 27
Změna kvality půdy Eroze půdy zvětšování velikosti oraných pozemků rušení bývalých hydrografických prvků rozšiřování pěstování širokořádkových plodin zhutňování půdy nedostatku strojů na ochranné obdělávání půdy 28
Změna kvality půdy Eroze půdy Ochrana před vodní erozí Organizační opatření velikost a tvar pozemků, uspořádání Agrotechnická ochranné obdělávání půdy Technická - stavební úpravy Ochrana před větrnou větrolamy 29
Změna kvality půdy Znečištění kontaminace půdy Kontaminace vnesení cizorodých látek do půdy vlivem člověka Salinizace (zasolování) Acidifikace Znečištění polutanty 30
Změna kvality půdy Znečištění kontaminace půd Rozdělujeme Kontaminanty přírodního původu - odumřelé části rostlin a živočichů, složité organické látky celulóza, tuky, bílkoviny. - lehce rozložitelné látky, - rozklad označujeme samočisticí schopností půdy. - Biodegradace vznik jednoduchých organických a anorganických látek. Kontaminanty antropogenního původu - znečištění z činnosti člověka (doprava, průmysl), - do půdy se dostávají vysoce toxické a obtížně rozložitelné látky (těžké kovy, dusičnany, pesticidy). 31
Změna kvality půdy Znečištění kontaminace půdy Zdroje Atmosférická depozice - Spalování fosilních paliv (S,N) - Automobilová doprava (Pb, Pt, PAU) - Metalurgie (kovy) - Chemický průmysl (Hg, organické polutanty) - Spalovny odpadů (PCDD) - Radioizotopy - Požáry (popílek, PAU) Agrochemikálie - Herbicidy (2,4-D, 2,4,5-T) - Incekticidy (DDT, HCB) - Fungicidy (Cu, Zn, Hg, ) - Hnojiva (Cd, U z fosforečnanů) 32
Změna kvality půdy Znečištění kontaminace půdy Zdroje Likvidace odpadů - zemědělské (kovy, pesticidy) - kaly z ČOV (kovy, PAU, PCB, PCDD, Cr 6+ ) - komunální - důlní (kovy) - popílky Nehody Průmysl - chemický 33
Negativní vliv na ŽP Znečištění kontaminace půdy Nejvíce Znečisťující látky 1.Těžké kovy (Cd, Hg,Cu, Cr, Ni, Pb, Co, As aj.) Vlastnosti: - kumulace v rostlinách a v tělech živočichů, neodbouratelnost, obtížná sanace. Vznik: - imise, odpady z energetiky a z průmyslových provozů, komunální odpady. Cd - rozsáhlý výskyt, přechází do rostlin, vstupuje do potravního řetězce, - Zdroj: fosforečná hnojiva, ČOV, průmyslové komposty, komunální odpad. 34
Negativní vliv na ŽP Znečištění kontaminace půdy Nejvíce Znečisťující látky 1.Těžké kovy (Cd, Hg,Cu, Cr, Ni, Pb, Co, As aj.) Pb - kumulativní charakter, přijímám rostlinami, dobře se váže na humus a na jílovou složku pevná vazba nevyplavuje se. - Zdroj: jako Cd + doprava Hg - fenyl- metyl- sloučeniny. - zdroj: viz Cd + z moření osiv. Cr: - Cr 6+ - karcinogen, je špatně rostlinami přijímám. - Zdroj : spalování fosilních paliv, ocelářská struska ve formě vápenatého hnojiva, kaly z ČOV. 35
Změna kvality půdy Znečištění kontaminace půdy 2) pesticidy: podle biologického účinku degradace: fyzikálně-chemické faktory (vlhkost, ph, sluneční záření. Rezidua pesticidů: produkty a meziprodukty jejich degradace. 3) dusičnany: Eutrofizace zemědělství, průmysl (kyselé deště, spalovací procesy), doprava. Do organismu: pitnou vodou, potravou. Fyziologické působení v organismu - vazba na krevní barvivo (hemoglobin methemoglobin) - redukce na dusitany, tyto se mění na nitrosaminy (kancerogenní, mutagenní, teratogenní účinek). 36
Obsah přednášky 3. Ochrana před chemickou degradací 37
Ochrana před chemickou degradací Acidifikace Okyselení, kyselé deště - H + ionty, Snižování ph (voda,půda) Vyluhování živin hlavně hořčíku a vápníku (tzv.bazické kationty) Opatření - vápnění působení, vyrovnání nedostatku Ca a Mg Dolomitický vápanec - CaMg(CO 3 ) 2 Snížení rozpustnosti sloučenin Al a Mn Změna chemismu půd, výrazné ovlivnění půdních mikroorganismů, ovlivnění rychlosti rozkladu humusu, atd. 38
Ochrana před chemickou degradací Kontaminace Lokální charakter Návaznost na průmysl, zemědělství Anorganická - Malá část v půdním roztoku - Větší část vázaná na půdní složku komplexy, sorpce, adsorpce na jílové materiály Organická - Ropa a její složky - Monoaromatické uhlovodíky - PAU (PAHs) - Chlorované uhlovodíky - PCB Chlorované nejnebezpečnější Environmentální geotechnika sanace 39
Ochrana před chemickou degradací Sanace Dělení podle: 1. místa realizace in-situ - na místě bez těžby pevných materiálů, bez čerpání vyčerpávání podzemní vody ex-situ - vytěžení pevných materiálů nebo vyčerpání podzemní vody - přemístění z kontaminované lokality - on-site, off-site 2. dekontaminovaného media pro zeminy, sedimenty, kaly (tuhé materiály) pro podzemní vody, povrchové vody, průsaky vzdušné emise, odplyny 40
Ochrana před chemickou degradací Sanace Dělení: 3. podle používané strategie: destrukce nebo změna kontaminantu - termické, biologické a chemické extrakce nebo separace kontaminantu od media - vyžaduje následné využití - nebo zneškodnění kontaminantu - termická desorpce, praní, extrakce a odsáváním půdního vzduchu (tzv. venting) atd. imobilizace kontaminantu - stabilizace, solidifikace a tzv. contaiment technologie (např. umístění na zabezpečené skládce nebo konstrukce kalových stěn) 41
Ochrana před chemickou degradací Sanace Termické metody Vysokoteplotní destrukce Princip: Zemina zahřívána na teplotu, která zajistí termickou destrukci kontaminace (nad 870 C) Použitelnost: Persistentní organická kontaminace Místo realizace: Ex-situ - Rotační pece, reaktory s fluidním ložem, pyrolýza 42
Ochrana před chemickou degradací Biologické metody Přirozená atenuace Princip: - Soubor fyzikálních, chemických a biologických pochodů, které - probíhají samovolně v půdě a vedou ke změnám kontaminantů (snížení koncentrace, zamezení šíření nebo rozklad) - Nutno monitorovat, případně řízená atenuace - Dlouhá doba trvání Místo realizace: In-situ Použitelnost: různé organické i anorganické kontaminanty 43
Ochrana před chemickou degradací Sanace Biologické metody Bioremediace Princip: - spontánní destrukce kontaminantů díky přírodní biodegradaci mikroorganismy - dostatek vhodných živin, vhodná teplota, ph, vlhkost, aerobní či anaerobní podmínky. Použitelnost: - Výborně: uhlovodíky C1-C15, alkoholy, fenoly, aminy, kyseliny, estery, amidy. - Dobře - ropné C12-C20, monochlorované uhlovodíky - Těžko PAU, PCB Místo realizace: - In-situ častější. levnější, zdlouhavější, velké plochy - Ex- situ bioreaktory 44
Ochrana před chemickou degradací Biologické metody Bioremediace in situ Princip: - rozklad organických polutantů prostřednictvím specifických mikroorganismů - optimalizace podmínek prostředí pro působení již přítomné mikroflóry. Použitelnost: - hlavně ropné látky, fenoly, za určitých podmínek i PAU, chlorované uhlovodíky 45
Ochrana před chemickou degradací Biologické metody Bioventing Princip: podpora cirkulace vzduchu v nesaturované zóně dodávka kyslíku pro biodegradaci Místo realizace: In-situ 46
Ochrana před chemickou degradací Biologické metody Bioremediace ex-situ Princip: - biologický rozklad ve vytěžené zemině - dodávka nutrientů, vzduchu, popř. speciální bakteriální kmeny. - regulace vlhkosti, ph, teploty Použití: - ropné látky, polyaromáty 47
Ochrana před chemickou degradací Sanace Biologické metody Bioremediace Výhody: - v některých případech levný proces (využití přirozené půdní mikroflory) - polutanty jsou zcela mineralizovány Nevýhody: - v některých případech nutno očkovat - v některých případech je nutný náročný výzkum - v některých případech náročné provedení 48
Ochrana před chemickou degradací Biologické metody Fytoremediace Princip: - cílené pěstování rostlin se zvýšenou schopností extrakce škodlivin z půdy akumulace ve svých vlastních tkáních - Kumulované těžké kovy spálení rostlin, snížení objemu až o 90%, nebo kompostování Použitelnost: hlavně kovy, některá perzistentní organika Místo realizace: In-situ Výhody: - postupy obvyklé levné - použití běžných agrotechnických postupů - in situ 49
Ochrana před chemickou degradací Sanace Chemické metody Chemická sanace Princip: - zasakování nebo injektáž činidel, které reagují s kontaminanty za vzniku méně toxických nebo imobilních látek Použitelnost: různé kontaminanty Místo realizace: In-situ 50
Ochrana před chemickou degradací Sanace metody dekontaminační Extrakce nebo separace kontaminantu Fyzikálně-chemické Extrakční metody nejrozšířenější - Přetlak nebo podtlak extrakčního činidla - Získáme eluát či plynnou směs zneškodnění nebo druhotná surovina - Extrakční medium voda, vzduch, kyseliny, louhy, komplexní a organická rozpouštědla Promývací metody - vytěžení zeminy, mechanické praní vodou - vhodné pro TK, benzín, naftu, pesticidy rozpouštědly tekutý CO 2, propan, butan, aceton, methanol, hexan aj. 51
Ochrana před chemickou degradací Sanace metody dekontaminační Extrakce nebo separace kontaminantu Elektrokinetické Princip: využití elektrického proudu nízké intenzity pro extrakci kontaminantů z nízce propustných zemin. Použití: hlavně kovy Místo realizace: In-situ 52
Změna kvality půdy Znečištění kontaminace půdy Registr kontaminovaných ploch Podle zákona č. 156/98 Sb. o hnojivech provádí ÚKZÚZ v rámci agrochemického zkoušení půd sledování obsahů rizikových látek a rizikových prvků v zemědělských půdách. Rozsah a způsob tohoto sledování stanovuje Ministerstvo zemědělství. ( 10 zákona). Veškeré výsledky uvedeného sledování jsou vedeny v databázi "registru kontaminovaných ploch". Staré ekologické zátěže http://kontaminace.cenia.cz/ 53
Změna kvality půdy Znečištění kontaminace půdy Cd Hg 54
Změna kvality půdy Znečištění kontaminace půdy 55
Děkuji Vám za pozornost Dotazy? 56