Vzorkování pro analýzu životního prostředí RNDr. Petr Kohout doc.ing. Josef Janků CSc. Letní semestr 2014
Vzorkování pro analýzu životního prostředí - N240003 1. Úvod do problematiky vzorkování 2. Faktory ovlivňující jakost programu zkoušení volba schématu vzorkování, zabezpečení jakosti vzorkovacích a analytických prací 3. Postup při přípravě programu zkoušení a při zpracování plánu vzorkování, dokumentace vzorkovacích prací 4. Bezpečnost práce při odběrech vzorků 5. Vzorkování pevných a plastických materiálů I základní principy vzorkování pevných a plastických materiálů 6. Vzorkování pevných a plastických materiálů II specifika vzorkování zemin, sypkých materiálů, sedimentů a kalů 7. Vzorkování kapalných materiálů I základní principy vzorkování kapalných materiálů, specifikace vzorkování povrchových vod 8. Vzorkování kapalných materiálů II specifikace vzorkování podzemní vody, odpadní vody 9. Vzorkování půdního vzduchu 10. Vzorkování odpadů (souhrn) 11. Úpravy vzorků v terénu (pevné, kapalné vzorky) 12. Balení, konzervace, skladování, doprava a předání vzorku do laboratoře (pevné, kapalné vzorky) 13. Validace vzorkovací a analytické metody (řízení jakosti vzorkovacích a analytických prací) 14. Vyhodnocení výsledků případové studie - závěrečné zprávy (zkouška)
Vzorkování podzemní vody
Vzorkování podzemní vody normy: Aktualizace 2007 zrušena 2007 Aktualizace 2013 Aktualizace 2012 zrušena 2012
Vzorkování podzemní vody Aktualizace norem
ČSN ISO 5667-11 - obsahuje Vzorkovací strategie kompetence hydrogeologa Druhy monitorovacích zařízení - definuje hydrogeolog Vzorkovací postupy - definuje hydrogeolog a zajišťuje vzorkař Bezpečnostní opatření Identifikace vzorků a protokoly Zabezpečení jakosti a řízení jakosti
5. Vzorkování podzemní vody Obecný postup (Metodický pokyn 2006) příprava a kontrola místa a bodu odběru, vzorkovnic a potřebného vybavení, měření úrovně hladiny podzemní vody a hloubky objektu, instalace vzorkovacího vybavení, čištění (pročišťování) vzorkovaného objektu, terénní měření hydrochemických parametrů, měření úrovně hladiny odběr vzorků a plnění vzorkovnic, úprava vzorků, dokumentace.
5. Vzorkování podzemní vody
Typy objektů pro odběr podzemní vody přirozené pramenní vývěry a jímky přirozené vývěry podzemní vody do objektů s povrchovou vodou, ve slatinách a bahenních tůních uměle vyvolané vývěry podzemních vod v báňských dílech a stavebních jámách drenážní rýhy, meliorační potrubí a jímky vodárenské jímací zářezy a horizontální sběrače umělé zřídelní jímky a bazény s minerální a termální vodou kopané, spouštěné a vrtané studny strukturní, pozorovací a čerpací vrty apod.
Rozlišení vrtů podle konstrukce otevřený vrt piezometr skupina piezometrů vrt s ucpávkami
otevřený vrt Rozlišení vrtů podle konstrukce
Rozlišení vrtů podle konstrukce skupina piezometrů
Rozlišení vrtů podle konstrukce vrt s ucpávkami
Konstrukce monitorovacího vrtu Zásady správné instalace monitorovacího vrtu
Konstrukce monitorovacího vrtu Zásady pro instalaci monitorovacího vrtu Filtr (screen) musí být umístěn pod hladinou podzemní vody,! i při čištění vrtu a odběru vzorku! Spoje mezi pažnicemi musí být nepropustné (prevence před nežádoucím prouděním z jiných zvodnělých horizontů) Materiál pažnic nesmí druhotně kontaminovat vodu ( PVC nebo HDPE bez polutantů)
Konstrukce monitorovacího vrtu Písek filtru, Perforovaný úsek pažnice (filtr) musí být uložen (chráněn) filtrem z písku. Písek musí být prostý kontaminace (testy certifikáty!)
Konstrukce monitorovacího vrtu Bentonit Perforované nepropustné vrstvy musí být uzavřeny a odizolovány od propustných poloh bentonitovým ložem.
Konstrukce monitorovacího vrtu Technologie vrtání: Vrtací soupravy Spirálové vrtání pouze ve zpevněných půdách Hollow stem pažení a vrtání v jednom Suction augering omezená hloubka Vibrační vrtání (Sonic drilling) zarážení pažení vibračně rotačně nárazové vrtání Vrtání v horninách
Konstrukce monitorovacího vrtu Well development vyčištění vrtu po ukončení instalace konstrukčních prvků čerpání vody z vrtu, optimálně po 24 hodinách po skončení instalace vrtu (z důvodu úplného utěsnění mezipažnicového prostoru bentonitem) = well development kontrola ph, konduktivity čerpané vody První odběry vzorků optimálně provádět po 2 týdnech po well development (hlubší vrty a vrty s větším průměrem déle)
Speciální monitorovací systémy. Klastrové vrty (skupina piezometrů) cluster wells
Vícestvolový vrt (nested wells)
Víceúrovňový vrt (multilevel monitoring wells)
Víceúrovňový vrt (multilevel monitoring wells) Pažnice Horní lapač k utěsnění pohybu těsnění Obvykle lapač písku chrání zasypání materiálu do spod. polohy Mezi spodním a horním lapačem: Optimálně se umisťuje v homogenních horninách.obvykle pokud dochází k alternaci písčitých nebo jílovitým vrstvám Oddělovací část mezi filtrem a těsněním Lapač písku Sekce filtru
Vzorkování podzemní vody Obecný postup (Metodický pokyn 2006) příprava a kontrola místa a bodu odběru, vzorkovnic a potřebného vybavení, měření úrovně hladiny podzemní vody a hloubky objektu, instalace vzorkovacího vybavení, čištění (pročišťování) vzorkovaného objektu, terénní měření hydrochemických parametrů, měření úrovně hladiny odběr vzorků a plnění vzorkovnic, úprava vzorků, dokumentace.
Vzorkování podzemní vody Prvotní měření základních údajů měření hladiny podzemní vody ověření přítomnosti volné fáze (NAPL) měření konstrukčních parametrů objektu např. hloubka objektu, průměr pažnice, výška odměrného bodu
Vzorkování podzemní vody Piezometry Hladina podzemní vody Hladina moře
Vzorkování podzemní vody Směr proudění Isohypsa Isohypsy spojují body se stejnou úrovní hladiny podzemní vody
Vzorkování podzemní vody Přístroje a zařízení na měření hladiny podzemní vody Hydrogeologická píšťala (pouze pro hladiny podzemní vody v malých hloubkách) Elektroakustické hladinoměry Senzory hydrostatického tlaku se záznamem dat (datalogery) např. Diver
5. Vzorkování podzemní vody Princip měření hladiny podz. vody pomocí snímače hydrostatického tlaku - např.diver (firmy Eijkelkamp 950-1050 mbar Hydrostatický tlak
Měření fáze plovoucí na hladině - LNAPLs
Vzorkování podzemní vody Saturace lehké fáze (LNAPL s) v nesaturované zóně je větší než v saturované zóně akumulace v pórech (30 a 40%) Fáze ropných látek netvoří na hladině vrstvu o jednotné tloušťce - z důvodu změn hladiny podzemní vody jsou póry částečně vyplněny vodou a vrstva LNAPL s je proměnlivá Optimálně se mocnost LNAPL s vyhodnocuje při vrtání kombinací senzorických měření a analýz vzorků odebíraných po 5 cm. Mocnost LNAPL s v monitorovacím vrtu je odlišná od skutečné v přirozeném horninovém prostředí (účinky kapilárních sil).
Vzorkování podzemní vody Plovoucí vrstva lehké fáze na hladině Povrch Nenasycená zóna P < 0 P = 0 P > 0 Znečištěná vrstva produktem Mobilní vrstva na hladině (skutečná mocnost plovoucí fáze) Fáze plovoucí ve vrtu (zdánlivá mocnost plovoucí fáze)
Vzorkování podzemní vody Empirický vztah pro odhad mocnosti plovoucí fáze LNAPL s na základě výsledků měření ve vrtu: Hrubozrnný písek: mocnost fáze ve vrtu / 3 Jemnozrnný písek : mocnost fáze ve vrtu / 5 Slíny: mocnost fáze ve vrtu / 10 Jíly : mocnost fáze ve vrtu / 20 i více Pro měření fáze ve vrtu se používají mechanické nebo elektronické měřiče Elektronický měřič Solinst 122 Interface Probe Mechanický měřič Eijkelkamp
Vzorkování podzemní vody Instalace vzorkovacího vybavení
Vzorkování podzemní vody Peristaltická pumpa (max 9 m) Ponorné čerpadlo Inerciální pumpa Ponorné čerpadlo na jedno použití
Vzorkování podzemní vody Srovnání vzorkovacích čerpadel
Dle metodického pokynu 2006
dle ČSN ISO 5667-11
Umístění čerpadla v monitorovacím vrtu Směsný vzorek nad horní okraj filtru nebo do hloubky definované plánem Prostý vzorek přibližně doprostřed perforované části výstroje, mírně nad střed perforace, nebo do hloubky definované plánem. Umístění čerpadla u dna vrtu se nedoporučuje riziko zvýšení turbidity během zapouštění vrtů a provozu čerpadla.
Vzorkování podzemní vody Čištění vrtu (purging)
Stagnující voda v objektu Voda stagnující ve vrtu mezi jednotlivými odběry nemusí odpovídat kvalitě podzemní vody v kolektoru, ale může být alterovaná kontaktem s materiálem výstroje a výměnou plynů s atmosférou nad hladinou v monitorovaném objektu. Ke změnám dochází zejména v případě složek a vlastností, závislých na obsahu rozpuštěných plynů včetně kyslíku a CO 2 (oxidačně redukční potenciál, uhličitanová rovnováha atd.) a dále všech ostatních parametrů závislých na hodnotě oxidačně redukčního potenciálu (celkový obsah a forma rozpuštěných kovů).
Stagnující voda v objektu Typy objektů, ve kterých je stagnace vody velmi omezená: objekty s trvalým přítokem vody na povrch objekty s trvalým vertikálním nebo příčným prouděním (s dostatečnou vydatností) trvale čerpané objekty (POZOR NA MOŽNÉ HYDRAULICKÉ OVLIVNĚNÍ KOLEKTORU!!)
Pročišťování - purging pročištění by mělo předcházet jakémukoliv vzorkování podzemní vody objem závisí na průměru vrtu a výšce vodního sloupce pročišťování by mělo být uskutečňováno menší vydatností < čištění a > vzorkování Pozor na negativní účinky pročišťování!!!
Negativní účinky pročišťování přitažení kontaminace
Vzorkování podzemní vody Dokumentované údaje při čištění a odběrech vzorků: ph, konduktivita, průtok při čerpání, průtok při odběru vzorků (200 ml/min +/- 100 ml/min), použité čerpadlo a vzorkovací hadice Vždy se používá nová PE (nebo silikonová) hadice Vydatnosti vrtu (Flow capacity of well): špatná / malá / přijatelná / dobrá
10:45 12:00 13:00
Vzorkování podzemní vody Metody vzorkování
Vzorkování podzemní vody Metoda malého čerpaného množství (Micropurging) Čerpadlo je umístěno ve vrtu v pozici filtru Čerpá se nízkými průtoky (0,1 0,5 l.min -1 ) není třeba vyměňovat velké objemy vody pro odstranění stagnující vody Ustálení parametrů - ph, el. vodivost, obsah rozpuštěného kyslíku, oxidačně redukční potenciál, teplota a turbidita Snížení hladiny podzemní vody maximálně o 0,1 m
Vzorkování podzemní vody Metoda malého čerpaného množství s nekontrolovatelným snížením hladiny ve vrtu (Při čerpání s průtokem < 0,1 l.min -1 nedochází k ustálení hladiny podzemní vody) se vyvarovat vyčerpání vrtu, nebo snížení hladiny pod úroveň perforovaného úseku pažnice.
Vzorkování podzemní vody Objemově průměrované vzorkování ( klasický postup při čištění vrtu): Minimálně 14 dní po instalaci vrtu Vyčerpání 3 objemů vody ve vrtu ( včetně objemu vody v obsypu vrtu) nebo ustálení parametrů - ph, el. vodivost, popř.obsah rozpuštěného kyslíku, oxidačně redukční potenciál, teplota a turbidita V žádném případě by nemělo dojít k vyčerpání objektu a doporučené maximální snížení hladiny je cca o ⅓ vodního sloupce vody ve vrtu
Vzorkování podzemní vody Vzorkování multizonálních systémů Použití packerů Packer umožňuje odizolování perforovaného úseku vrtu (filtru) Dvojice packerů umožňuje odděleně vzorkovat různé hloubkové úrovně ve vrtech s více polohami filtrů Aplikace Vyhledání netěsností spojů mezi pažnicemi Zkrácení doby čištění vrtu Nevýhoda : Nutnost dekontaminace
Vzorkování podzemní vody Vzorkování multizonálních systémů Trvale instalovaná vzorkovací technika Každé vzorkovací zařízení umístěné ve vrtu natrvalo Mobilní vzorkovače Většinou vzorkovače malých rozměrů (peristaltická pumpa, bladder pump, dual valve pump, inertial pump)
Vzorkování podzemní vody Odběr vzorků
Vzorkování podzemní vody Doporučené pořadí plnění vzorkovnic: 1. rozpuštěné plyny (sulfan, metan, etan, vinylchlorid, radon), 2. těkavé organické látky (TOL), 3. organické halogenidy (AOX, EOX), 4. celkový organický uhlík (TOC), 5. ropné uhlovodíky a ostatní organické látky (PCB, PAU, pesticidy), 6. veškeré kovy, 7. rozpuštěné kovy, 8. fenoly a kyanidy, 9. ostatní anorganické ionty, 10. radionuklidy, 11. mikrobiologické vzorky.
Vzorkování podzemní vody Odběr na stanovení těkavých látek
Vzorkování podzemní vody Odběr na stanovení těkavých látek: Rychlost čerpání 200 ml/min +/- 100 ml/min. Hladina podz. vody nesmí nikdy klesnout do části filtru K odběru se používá stejná hadice jako při čištění vrtu Čerpadlo je umístěno v centrální části filtru Při plnění vzorkovnice je hadice umístěna přesně s hladinou vzorku. Vzorkovnice se plní do přelití, resp. head space free. Uchovává se v chladu Rychlý transport do laboratoře Perforovaný úsek Centrální část filtru
Vzorkování podzemní vody Odběr na stanovení netěkavých parametrů
Vzorkování podzemní vody Odběr netěkavých sloučenin Po ukončení čištění, se provádí filtrace - 0,45 μm filtr pomocí peristaltické pumpy při průtoku 200 ml/min nebo méně. Filtrace se provádí za nepřístupu vzduchu.
Vzorkování podzemní vody Odběr na stanovení PAU a pesticidů a PCB Nesmí se provádět filtrace!!!! PAU se vyskytují v podzemní vodě ve formě koloidů, větších než jsou póry filtru Při čištění vrtu se čerpá s průtokem max. 0,5 l/min po dobu 30 minut k dosažení minimálního zákalu. Je důležité měřit turbiditu a filtrace se nesmí provádět. Pokud voda zůstává zakalená a výsledky analýz jsou varující, je nutné pokračovat v průzkumu.
Možnosti hodnocení znečištění podzemní vody Metodický pokyn MŽP Kritéria znečištění zemin a podzemní vody z 31.7.1996 Pro orientační vyhodnocení stupně znečištění Upravuje kritéria A, B a C znečištění zemin a podzemní vody. Kritéria jsou signální koncentrace chemických látek v zemině a podzemní vodě a umožňují orientačně posoudit úroveň znečištění a zařadit znečištění do kategorie podle jeho závažnosti.
Metodický pokyn MŽP Kritéria znečištění zemin a podzemní vody z 31.7.1996 Jednotlivá kriteria je možné interpretovat následujícím způsobem: "A" odpovídá přibližně přirozeným obsahům sledované látky v přírodě. Překročení této hodnoty se posuzuje jako znečištění, vyjma oblastí s přirozeným vyšším obsahem sledované látky. Pokud však není překročena hodnota kritéria B, znečištění není pokládáno za tak významné, aby bylo nutné zahájit průzkum nebo jeho monitorování. "B" je uměle zavedená hodnota ve výši přibližně aritmetického průměru mezi hodnotou A a C. Překročení této hodnoty se posuzuje jako znečištění, které může mít negativní vliv na zdraví člověka a jednotlivé složky životního prostředí, a proto se vyžaduje zjistit jeho zdroj a příčiny a podle výsledku rozhodnout o dalším průzkumu či zahájení monitoringu. "C" zohledňuje fyzikálně-chemické, toxikologické, ekotoxikologické, popř. další vlastnosti látek. Překročení této hodnoty představuje znečištění, které může znamenat významné riziko ohrožení zdraví člověka a dalších složek životního prostředí, a proto je nutné prokázat závažnost rizika jeho analýzou. Jejím výsledkem přitom může být potvrzení nebo naopak zvýšení uvedených kritérií a navržení sanace.
Metodický pokyn MŽP Kritéria znečištění zemin a podzemní vody z 31.7.1996
Metodický pokyn MŽP Indikátory znečištění (uvedený ve Věstníku MŽP leden 2014)
Metodický pokyn MŽP Indikátory znečištění (uvedený ve Věstníku MŽP leden 2014)
Vzorkování podzemní vody Příčiny systematických chyb: Oxidace zavzdušnění kolektoru nebo vzorku Vysrážení hydroxidů kovů, Biodegradace organických sloučenin. Teplo a světlo. Sorpce na materiálu konstrukce vrtu, vzorkovací hadice, vzorkovnice. Vytěkání těkavých látek a rozpuštěných plynů. Nevhodné vzorkovací zařízení Sací systémy čerpání způsobují odplynění těkavých látek, oxidu uhlíku, metanu, sulfanu (sirovodíku).
Vzorkování podzemní vody Příčiny náhodných chyb Nedodržování pozice čerpadla ve vrtu Nedodržování podmínek čištění vrtu Nedodržování čerpaného průtoku při čištění vrtu a při odběru Používání odlišných vzorkovacích zařízení Manipulace se vzorkem