Treść zadania

Zanieczyszczenia wód

Hydrosferę stanowią wszystkie wody występujące na Ziemi w postaci ciekłej (rze­ki, morza, oceany), stałej (lodowce i lądolody) i gazowej (para wodna, chmury).

Woda jest najbardziej rozpowszechnioną substancją na Ziemi, pokrywającą dwie trzecie powierzchni kuli ziemskiej. W niej powstały pierwsze formy życia. Dzięki nieustannemu obiegowi jest ciągle dostarczana roślinom, zwierzętom i lu­dziom jako substancja niezbędna do życia. Ma kluczowe znaczenie biologiczne i przemysłowe.

Właściwości tej niezwykłej cieczy - wody - poznałeś już na lekcjach chemii nieorganicznej. Woda jest jedynym związkiem występującym na Ziemi w trzech stanach skupienia. Parując, oczyszcza się z zanieczyszczeń. Para wodna osłania Ziemię przed promieniami słonecznymi i utratą ciepła. Obniżanie temperatury powoduje skraplanie się pary wodnej, jej opadanie w postaci deszczu lub śniegu i przenikanie w głąb gleby. Nieustający obieg wody w przyrodzie decyduje o śro­dowisku naturalnym człowieka.

Woda bierze udział we wszystkich przemianach metabolicznych zachodzą­cych w organizmach żywych. Organizm człowieka zawiera około 70% wody. W normalnych warunkach organizm człowieka traci w ciągu doby 2-3 dm3 wo­dy (około 5% całej zawartości). Niedobór ten należy uzupełniać płynami, gdyż ubytek już około 10% wody z organizmu może doprowadzić do śmierci.

Ogólne zasoby wodne Ziemi są ogromne i wynoszą około 2 miliardów km3. Niestety, 97% zasobów stanowi słona woda mórz i oceanów, które nie nadają się do bezpośredniego wykorzystania. Większość przypadających na słodką wodę 3% jest " zamknięta w czapach lodowych lodowców i gór lodowych, a tylko niecałe 0,5% całkowitej ilości wody to woda słodka dostępna w wodach powierzchniowych i podziemnych. Wody powierzchniowe powstają z opadów i są magazynowane w strumie­niach, jeziorach, mokradłach, rzekach (słodkie) oraz w morzach i oceanach (słone). Wody podziemne (gruntowe) występują w skałach pod powierzchnią gruntu. Wiele obszarów kuli ziemskiej cierpi na poważny niedobór wody. Woda słona nie może zaspokoić potrzeb bytowych człowieka, nie nadaje się do użytku ani rolnictwie, ani też w przemyśle. Dlatego poszukuje się sposobów odsalania wody morskiej. Obecnie stosowane metody fizykochemiczne, np. odwrotna osmoza czy elektrodializa, są bardzo kosztowne. W gorącym klimacie (np. Izraelu i Kuwejcie) tradycyjnie wykorzystuje się energię słoneczną do odsalania wody przez destylacje. W krajach bliskowschodnich prowa­dzi się badania nad tworzeniem syste­mów nawadniania wykorzystujących wodę słoną. Nadzieje na uzyskiwanie wody słodkiej wiązane są z kontrolowanym częściowym topnieniem gór lodowych, ale dotychczas nie jest to praktycznie możliwe. Nadmierne uprzemysłowienie, gwałtowny wzrost liczby ludności świata i roz­rzutne gospodarowanie wodą powodują, że zaczyna jej brakować nawet na terenach dotychczas w nią zasobnych. W Polsce problem niedostatku wody dotyczy przede wszystkim centralnej części kraju i Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego. Woda przeznaczona do picia musi odpowiadać przyjętym normom dotyczącym różnych jej cech. W szczególności musi być bezbarwna, przezroczysta, bezwonna. Nie może zawierać bakterii chorobotwórczych, pasożytów i ich jaj. Dopuszczalna za­wartość w wodzie związków ołowiu, miedzi, żelaza i manganu, a także jonów ma­gnezu, chlorkowych, siarczanowych(VI) i azotanowych(Y) jest ściśle określona. Zanie­czyszczenia wód mogą mieć charakter fizyczny, chemiczny i biologiczny. Najwięcej substancji szkodliwych dostaje się do zbiorników wodnych wraz ze ściekami komu­nalnymi (bytowymi) i przemysłowymi oraz wskutek nadmiernej i nieracjonalnej che­mizacji rolnictwa .

Zanieczyszczenia fizyczne powodują zabarwienie i zmętnienie wody. Podnie­sienie temperatury wody, np. przez ścieki z elektrowni i z urządzeń chłodniczych zmniejsza rozpuszczalność tlenu i jego zawartość w zbiornikach wodnych. Zmia­na smaku lub zapachu wody jest najczęściej spowodowana obecnością związków chemicznych. Na przykład tioalkohole (merkaptany) - nadają wodzie zgniły za­pach, aminy - zapach ryb, pochodne fenolu - zapach leków.

Skażenie biologiczne wody powodują mikroorganizmy chorobotwórcze: bak­terie, pierwotniaki i grzyby. Stopień skażenia określa się tzw. wskaźnikiem coli - czyli liczbą bakterii Escherichia coli w 100 cm3 wody. Woda skażona biologicz­nie może być przyczyną takich chorób, jak wirusowe zapalenie wątroby (żółtacz­ka), cholera, tyfus.

Chemiczne skażenia wód są spowodowane przez:

• ścieki komunalne - węglowodany, białka, tłuszcze, detergenty, mydła,
• ścieki opadowe - spłukane przez opady gazy, pyły, nawozy mineralne, chemicz­ne środki ochrony roślin, substancje radioaktywne (niekiedy o odczynie kwa­sowym),
• ścieki przemysłowe - zawierające różne substancje szkodliwe, np. sole metali
• ciężkich, fenole, tłuszcze, detergenty, węglowodory aromatyczne, oleje mineral­ne i związki ropopochodne.
Niektóre chemiczne skażenia trudno ulegają rozkładowi biologicznemu (biode­gradacji) i trwale zanieczyszczają wodę oraz osady denne w zbiornikach wodnych.

Woda odgrywa bardzo ważną rolę w rozwoju człowieka i społeczeństw. Jak wiemy z dawnych przekazów, wszystkie starożytne ludy otaczały wodę kultem. Była i jest największym skarbem, ale może być także przyczyną tragedii, jaką jest powódź. Od pradziejów ludzie zakładali osady w pobliżu rzek i jezior, które zapewniały zapasy wody pitnej i pożywienia, a ponadto chroniły przed najeźdźcami i były szlakami transportowymi, już przed wiekami ludzie budowali systemy kanałów, zapór i studzien dostarczających wodę - do dzisiaj działają jeszcze niektóre starożytne wodociągi, zwane akweduktami. Dzięki ciągłemu obiegowi wody w przyrodzie na Ziemi występuje obecnie tyle samo wody co tysiące lat temu i jest to ta sama woda. Być może z naszych kranów płyną cząsteczki wody, którą kiedyś piły dinozaury. Według danych ONZ ponad miliard ludzi nie ma dostępu do bezpiecznej dla zdrowia, niezanieczyszczonej wody. Co roku 3 miliony osób umierają z powodu chorób związanych z brakiem wody lub jej złą jakością. Światowy kryzys wodny jest największą przeszkodą w rozwoju ubogich krajów, może też zagrozić światowemu bezpieczeństwu. Rośliny wykorzystują głównie słodkie wody gruntowe i powierzchniowe wody płynące (rzeki, potoki, strumienie) lub stojące (jeziora, stawy). Wody podziemne utworzone przez opady przenikające bardzo głęboko pod glebę nazywają się wodami głębinowymi. Są wykorzystywane przez ludzi dzięki tzw. studniom artezyjskim (głębinowym), z których woda wypływa samoczynnie na powierzchnię. Gorące wody głębinowe wydostają się samoczynnie także w postaci gejzerów. Niektóre naturalne wody źródlane lub gruntowe mają specyficzny smak i zapach oraz zawierają rozpuszczone gazy i sole mineralne. Wody takie wykazują cenne właściwości lecznicze oraz smakowe i nazywają się wodami mineralnymi. Należą do nich m.in.: szczawy, wody gorzkie, alkaliczne, siarczane, żelaziste, solanki i cieplice. W handlu są dostępne odparowane do sucha, a następnie tabletkowane wody mineralne, np. tabletki Alka-Seltzer lub Alka-Prim, emskie, Vichy. W skład ścieków komunalnych wchodzą liczne związki pochodzące z produktów używanych w gospodarstwach domowych. Dokładna analiza wody w niektórych amerykańskich rzekach ujawniła obecność w nich takich substancji, jak: paracetamol (z tabletek przeciwbólowych), triklosan (z mydeł dezynfekujących) i kofeina (z niezliczonej liczby wypijanych filiżanek kawy). Szeroko reklamowany preparat Calgon zawiera głównie polifosforany i dlatego jego stosowanie przyczynia się do eutrofizacji zbiorników wodnych. Obecnie w środkach piorących próbuje się zastąpić fosforany(V) innymi związkami, np. glinokrzemianami. Takie produkty mają na opakowaniu napis: nie zawiera fosforanów(V). Na opakowaniach proszków do prania można spotkać też inny napis: TAED. Ten skrót oznacza tetraacetyloetylenodiaminę, związek ten reaguje z obecnymi w proszkach wybielaczami (związkami nadtlenkowymi, np. nadboranem sodu), dając kwas nadoctowy. Jest to doskonały wybielacz, działający skutecznie już w temperaturze 40-50°Ci nie wykazujący szkodliwego działania na włókna pranej tkaniny. Pestycydy niszczą szkodniki upraw i tym samym zwiększają produktywność pól i lasów. Dzięki zastosowaniu tych substancji można było zapobiec epidemiom wielu chorób przenoszonych przez owady np. epidemii malarii (komary), dżumy (pchły), duru plamistego (wszy), czerwonki (muchy) czy śpiączki afrykańskiej (mucha tse-tse). Obecnie używa się znacznych ilości pestycydów nie tylko w rolnictwie, ale też w innych dziedzinach. Oto nazwy popularnych środków ochrony roślin:

grzybobójcze - fungicydy;

gryzoniobójcze - rodentycydy;

roztoczobójcze - akarycydy,

mięczakobójcze - moluskocydy

Odkryto, że w klimacie gorącym plastikowe dachy nad uprawami hamują rozwój wirusów i chorób roślin, dzięki czemu można znacznie zmniejszyć użycie środków ochrony roślin. Niektóre rośliny wydzielają substancje hamujące lub wspomagające wzrost innych roślin. Zjawisko to nazywa się allelopatią i jest biologiczną, naturalną alternatywą wobec syntetycznych środków ochrony roślin. Właściwości takie wykazują m.in. niektóre odmiany słonecznika, orzech czarny, chwast orlica pospolita, pyłki kukurydzy. Ujemna i dodatnia allelopatią wpływa na skład gatunkowy chwastów w konkretnej uprawie. Na przykład w uprawach pszenicy dominują maki, a na polu rzepaku - rumianki. Żyto rosnące z niewielką liczbą chabrów daje wyższe plony niż bez tego chwastu. W Polsce do zwalczania perzu najlepiej stosować gorczycę lub grykę, w Meksyku w celu odchwaszczania pola kukurydzy i fasoli sadzi się dynię. Popularna roślina ogrodowa, aksamitka, o silnych właściwościach allelopatycznych zastąpi prawdopodobnie współczesne herbicydy na rabatach kwiatowych.

Do najważniejszych zanieczyszczeń hydrosfery należą:

Detergenty - syntetyczne związki obniżające napięcie powierzchniowe wody. Po­

wodują pienienie się wody. Są składnikami wszystkich proszków i płynów do prania.

Ich zużycie we współczesnym świecie gwałtownie rośnie i dlatego w coraz większym

stopniu zanieczyszczają wody powierzchniowe. Zmniejszenie napięcia powierzchnio­wego wody spowodowane przez detergenty powoduje lepszą zwilżalność skrzydeł

ptaków wodnych, a w efekcie trudności z utrzymaniem się ptaków na wodzie.

Środki piorące zawierają oprócz detergentów także inne niekorzystne dla środo­wiska przyrodniczego związki, jak substancje aktywujące (m.in. polifosforany), środki piorące (np. Na2SO4), wybielacze optyczne, substancje zapachowe, barwniki. Poli­fosforany są szczególnie niebezpieczne dla życia w akwenach. Wraz z azotanami powodują eutrofizację, czyli nadmierne użyźnienie wody, prowadzące do nienatu­ralnego rozrostu glonów, które rozkładając się, zużywają tlen potrzebny do życia rybom i roślinom w zbiorniku. W takim zbiorniku zostaje zahamowany proces utlenia­nia obumarłych substancji organicznych, powstają związki cuchnące i toksyczne. Naturalnym zabezpieczeniem przed eutrofizacją mogą być rośliny błotne zwane oczeretami

Chemiczne środki ochrony roślin (pestycydy), do których należą przede wszyst­kim chlorowcopochodne węglowodorów, związki fosforoorganiczne i nieorganicz­ne związki As i Se. Najczęściej stosowane są owadobójcze insektycydy i chwasto­bójcze herbicydy. Najniebezpieczniejsze są chlorowcopochodne węglowodorów, z powodu dużej trwałości i zdolności kumulowania się w środowisku przyrod­niczym. Są wypłukiwane z pól lub dostają się do wody z powietrza, przenoszone z wiatrem po opryskiwaniu pól. Ostatnio związki te zastępuje się bardziej toksycznymi (szczególnie dla owadów, ale także dla człowieka), za to łatwo ulegającymi biodegradacji pestycydami fosforoorganicznymi. Te jedna* powodują eutrofizację zbiorników wodnych.

Policykliczne węglowodory aromatyczne, które przedostają się do wód z dróg asfaltowych, ze spalin samochodowych, z dymu papieroso­wego, ropy naftowej i produktów jej destylacji. Produkty destylacji ropy naftowej przechowy­wane w nieszczelnych opakowaniach mogą przeciekać do wód powierzchniowych lub grun­towych, powodując ich trwałe skażenie. Aminy aromatyczne (np. benzydyna, anilinanaftyloamina) - bardzo toksyczne związki rako­twórcze. Znajdują się w ściekach odprowadza­nych z zakładów produkujących barwniki, two­rzywa sztuczne, środki farmaceutyczne. Trudno się rozpuszczają i trudno je usunąć z wody. Fenole, które powstają w wyniku naturalne­go rozkładu roślin, garbników i substancji two­rzących glebę. Ich nadmiar jest związany ze ściekami z gospodarstw domowych i takich zakładów przemysłowych, jak: rafinerie, fabry­ki barwników, zakłady przeróbki drewna i garbarnie. W wodzie chlorowanej powstają ich pochodne chlorowcowe o przykrym smaku i zapachu.

Nieorganiczne zanieczyszczenia wód:

• ścieki kopalniane i przemysłu chemicznego o dużym zasoleniu, zawierające chlor­
• ki i siarczany(VI) wapnia i magnezu, sodę i związki żelaza; jony sodu, wapnia i chlor­kowe dostają się do wód również zimą z soli, którą posypuje się ulice;
• ścieki przemysłu nawozów sztucznych zawierające znaczne ilości azotanów(V),
• siarczanu(YI) amonu, a także fosforanów(V). Są one przyczyną eutrofizacji zbiorników
• wodnych;
• jony metali ciężkich zawarte w ściekach z hut metali kolorowych i innych zakładów,
• przedostające się do wody wraz z zanieczyszczeniami powietrza (Pb, Cd, Hg) lub
• powstające w wyniku korozji rur i urządzeń metalowych (Cu, Zn).
• azotany(V) - jedne z najniebezpieczniejszych trucizn. Blokują zdolność hemoglo­biny do przenoszenia tlenu. Mogą dostawać się do wód powierzchniowych z pól
• nawożonych saletrami albo też powstawać w procesie przemiany substancji organicznych zawierających azot. Łatwo migrują do wód podziemnych, a nawet głębinowych. Z aminami ll-rzędowymi tworzą bardzo trujące i rakotwórcze nitrozoaminy.
Szpinak, sałata, marchew, zielone części selera i pietruszki, a także młoda kapusta i buraki ćwikłowe należą do warzyw o największej zdolności gromadzenia azotanów(V).Mało azotanów(V) pochłaniają pomidory i ogórki. Zmniejszeniu zawartości azotanów(V) sprzyja dokładne mycie i krótkie obgotowywanie warzyw. Niekorzystne natomiast jest odgrzewanie potraw warzywnych, długie przechowywanie warzyw. Pomiar odczynu pH wody jest przydatny do określenia jej jakości i pochodzenia.

Oto niektóre przykłady:

• woda z kranu - pH wynosi6,5-9,5;
• woda destylowana - pH = 7;
• kwaśny deszcz - pH wynosi 2-3,5;
• coca-cola - pH = 3;
• woda do podlewania roślin ozdobnych - pH wynosi 5,5-6,5.

Wskaźnikiem zanieczyszczeń niesionych przez ścieki jest biochemiczne zapotrze­bowanie na tlen, tzw. BZT. Wody naturalne przy niewielkim zanieczyszczeniu maja właściwości samo­oczyszczania. Proces ten zachodzi w warunkach pełnego nasycenia wody tlenem, który jest konieczny do utlenienia i mineralizacji związków organicznych przez mikroorganizmy. Zwiększenie ilości tlenu uzyskuje się przez napowietrzanie wody, np. na stopniach wodnych w rzekach. Pod­czas samooczyszczania następuje sedy­mentacja (opadanie cząstek stałych) zawiesin, wytrącanie związków chemicznych, neutralizacja. Tworzą się osady denne, któ­re z prądem rzek są unoszone do morza. Przy większym stężeniu zanieczyszczeń ścieki muszą być oczyszczane w oczysz­czalniach ścieków. Proces ten następuje stopniowo.

l etap - oczyszczanie mechaniczne. Na kratach i sitach przez filtrowanie w osadnikach piasku, tzw. odtłuszczaczach, oddziela się większe zanieczyszczenia. Oddzielenie wody od zanieczyszczeń następu­je też w wyniku ich zaadsorbowania przez po­wierzchnię węgla aktywnego. Proces adsorpcji, czyli gromadzenia substancji na powierzch­niach niektórych materiałów, jest często wy­korzystywany w oczyszczaniu ścieków

II etap - oczyszczanie biologiczne. Roz­kład zawartych w ściekach substancji organicz­nych do związków nieorganicznych z wyko­rzystaniem mikroorganizmów, tzw. biomasy(osadu czynnego) zawierającej bakterie, ple­śnie, pierwotniaki itp. W ten sposób rozkłada się tłuszcze, cukry i białka. Proces wymaga do­statecznej ilości tlenu (napowietrzania). Tak oczyszczone ścieki wypuszcza się do szybko płynących rzek. Ścieki przemysłowe nie zostają oczyszczone na I i II etapie. Dla nich, a także w przypadkach ich zanieczyszczenia związkami azotu i fosforu, stosuje się chemiczne metody oczyszczania.

III etap - oczyszczanie chemiczne. Następuje przez: zobojętnienie ścieków (mlekiem wapiennym, innymi ściekami),wytrącanie osadów trudno rozpuszczalnych soli, koagulację (wytrącanie osadów z roztworu koloidalnego) - solami glinu, żelaza, fosforanami(V). Proces koagulacji może być wspomagany przez flokulację – wytrącani kłaczkowatego osadu pod wpływem substancji adsorbujących, jak krochmal, pochodne celulozy. Powstające kłaczki oddziela się przez sedymentację (opadanie lub flotację (wdmuchiwanie powietrza):utlenianie chlorem, ozonem, nadtlenkiem wodoru itp., elektrochemiczne utlenianie lub redukcję (do rozkładu cyjanków, alkoholi, barw­ników, związków metali ciężkich). Podczas tych procesów odzyskuje się wiele cennych substancji, np. metale szlachetne. Powstają także użyteczne produkty uboczne, np. błoto biologiczne, stosowane ja­ko nawóz do uprawy roślin ozdobnych. Dużą uwagę przywiązuje się do oczyszczenia ścieków ze związków azotu i fosforu, powodujących eutrofizację wód. Fosfor wytrąca się chemicznie w postaci nieroz­puszczalnych fosforanów(V) wapnia. Związki azotu poddaje się procesom nitryfikacji i denitryfikacji. Nitryfikacja to utlenianie biologiczne jonów amonu lub cząsteczek amoniaku do azotanów(V).

Denitryfikacja jest wywoływana przez bakterie i polega na redukcji azotanów(V) do azotu cząsteczkowego lub amoniaku. Zachodzi w warunkach beztlenowych.

IV etap - doczyszczanie ścieków i tzw. uzdatnianie wody. Na tym etapie często stosuje się proces wymiany jonowej (sorpcję jonowymienną), zachodzący na wymie­niaczach jonowych (jonitach). Jonity są to naturalne lub sztuczne substancje wielko­cząsteczkowe, o strukturze przestrzennie usieciowanej, wykazujące zdolność do wy­miany własnych, luźno związanych jonów (np. Na+, H+, OH-) na jony znajdujące się w otaczającym je roztworze. Sorpcja jonowymienna jest stosowana do oczyszczania wody ze związków organicznych oraz z jonów metali ciężkich. Tak oczyszczona woda może być wpuszczona do rzek wolno płynących.

Rozróżnia się trzy klasy czystości wody:

1.klasę I maja rzeki, których woda nadaje się do picia i do hodowli ryb łososiowatych;
2.klasę II mają wody nadające się do hodowli zwierząt gospodarskich i ryb oraz do kąpieli i uprawiania sportów wodnych;
3.klasa III oznacza wody nadające się do upraw rolniczych i ogrodniczych oraz dla zakładów przemysłowych (z wyjątkiem przemysłów: spożywczego, farma­ceutycznego i kosmetycznego).
Ilość wody o klasie I zmniejsza się szybciej, niż następuje oczyszczanie ścieków. W Polsce jedynie znikomy procent rzek ma wodę spełniającą kryteria l klasy czystości; przeważają wody o czystości II i III klasy, a znaczna część naszych wód nie mieści się w normie. Konieczne jest racjonalne korzystanie z zasobów wodnych, a przede wszystkim budowa oczyszczalni ścieków w miastach i dużych zakładach przemysło­wych. Jak najdokładniejsze oczyszczanie ścieków jest jedynym rozwiązaniem problemu deficytu wody.