CHEMIE A TECHNOLOGIE VODY

VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA STAVEBNÍ

CHEMIE A TECHNOLOGIE VODY MODUL M01 CHEMIE P ÍRODNÍCH A PITNÝCH VOD

STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

©…

- 2 (42) -

Obsah

OBSAH 1 Úvod ...............................................................................................................5 1.1 Cíle ........................................................................................................5 1.2 Požadované znalosti ..............................................................................5 1.3 Doba pot ebná ke studiu .......................................................................5 1.4 Klí ová slova.........................................................................................5 2 Fyzikáln -chemické vlastnosti vody............................................................6 2.1 Skupenské stavy a hustota.....................................................................6 2.2 Teplota ..................................................................................................7 2.3 Barva a zákal .........................................................................................7 Kliknete-li myší do volného prostoru 2.4 Oxida n -reduk ní potenciál ................................................................8 vpravo od obsahu, ten se Vám vybere 2.5 Autotest .................................................................................................8 (šed podbarví). Zmá knutím funk ní 2.6 Shrnutí...................................................................................................8 klávesy F9 se pak celý obsah zaktua3 Chemické rovnováhy ve vodách................................................................10 lizuje dle skute ných dat. 3.1 Guldberg-Waage v zákon...................................................................10 3.2 Acidobazické rovnováhy, pH..............................................................10 3.3 Srážecí rovnováhy...............................................................................11 3.4 Oxida n -reduk ní rovnováhy ............................................................11 3.5 Autotest ...............................................................................................11 3.6 Shrnutí.................................................................................................12 4 Složení vod...................................................................................................13 4.1 Látky obsažené ve vodách ..................................................................13 4.2 Skupinová stanovení ...........................................................................15 4.2.1 Gravimetrické metody ..........................................................15 4.2.2 Stanovení organických látek z množství kyslíku pot ebného k oxidaci...................................................................................15 4.2.3 Stanovení obsahu uhlíku vázaného v organických slou eninách..........................................................................17 4.3 Plyny ...................................................................................................17 4.4 Autotest ...............................................................................................18 4.5 Shrnutí.................................................................................................18 5 Biochemické procesy ve vodách ................................................................19 5.1 Autotest ...............................................................................................22 5.2 Shrnutí.................................................................................................22 6 Kvalita p írodních vod...............................................................................24 6.1 Srážková voda .....................................................................................24 6.2 Podzemní voda ....................................................................................24 6.3 Povrchová voda...................................................................................25 6.3.1 Anorganické látky v povrchových vodách ...........................25 6.3.2 Organické látky v povrchových vodách ...............................29 6.3.3 Mikrobiologické a biologické osídlení povrchových vod ....32 6.3.4 Radiologické vlastnosti povrchových vod ............................34 6.4 Antropogenní vlivy na kvalitu p írodních vod....................................34 - 3 (42) -

Modul 1 – Chemie p írodních a pitných vod

6.5 Autotest............................................................................................... 35 6.6 Shrnutí ................................................................................................ 35 7 Kvalita pitné vody ...................................................................................... 37 7.1 Autotest............................................................................................... 38 7.2 Shrnutí ................................................................................................ 39 8 Záv r ........................................................................................................... 40 9 Studijní prameny ....................................................................................... 41 9.1 Seznam použité literatury ................................................................... 41 9.2 Odkazy na další studijní zdroje a prameny......................................... 41 10 Klí .............................................................................................................. 42

- 4 (42) -

Úvod

1

Úvod

1.1

Cíle

V modulu .1 studijní opory k p edm tu Chemie a technologie vody, který nese název Chemie p írodních a pitných vod, se dozvíte o pojmech a zákonitostech vztahujících se k chemii vody (hydrochemii). Pozornost je zam ena p edevším k vodám p írodním a vod pitné, zatímco o vlastnostech odpadních vod je pojednáno v modulu .3 – išt ní odpadních vod a zpracování kal . Hydrochemii n kterých látek je v nována pozornost v kapitolách, zabývajících se technologií jejich odstra ování (nap . Fe, Mn, CO2).

1.2

Požadované znalosti

K tomu, abyste pochopili p edkládanou látku, je t eba znalost chemického názvosloví a základních chemických zákon , jak jste je probírali v p edm tu Stavební chemie v 1. ro níku.

1.3

Doba pot ebná ke studiu

Pokud máte znalosti požadované v p edchozím odstavci, odhaduji dobu pot ebnou k pochopení a osvojení si p edkládané látky na 1 den.

1.4

Klí ová slova

fyzikáln -chemické vlastnosti vody, chemické rovnováhy, složení vod, biochemické procesy ve vodách, srážková voda, podzemní voda, povrchová voda, pitná voda

- 5 (42) -


2

Fyzikáln -chemické vlastnosti vody

Voda je slou eninou vodíku a kyslíku. Vazba mezi atomem kyslíku a atomy vodíku vzniká sdílením spole ného elektronového páru jako tzv. vazba kovalentní.

2.1

Skupenské stavy a hustota

Samostatné molekuly vody H2O se vyskytují v plynném stavu jako vodní pára. V kapalném stavu jsou molekuly H2O spojeny vodíkovými vazbami, takže tvo í asociáty o prom nlivé velikosti. Vodíkové vazby jsou elektrostatické povahy a jsou podstatn slabší než vazby kovalentní. Voda je v nepatrné mí e disociována. Disociaci vody lze vyjád it rovnicí: H2O = H+ + OH+

[2.1]

-

Ionty H a OH se ve vod nevyskytují voln jako takové, ale jsou vázány na asociáty: H (+) |

H

H

H

|

|

|

(-)

H—O—H......O—H......O—H......O—H......O--H vazba kovalentní

vazba vodíková

Elektrický náboj, který nesou molekuly (asociáty) vody, jsou p í inou jejího polárního charakteru (vznik dipólu), což má význam pro rozpustnost látek ve vod . Rozpustné jsou p edevším polární látky (nap . alkoholy, cukry aj.) a látky nesoucí elektrický náboj, tedy kyseliny, zásady a soli, disociované na své ionty. Naproti tomu jsou ve vod málo rozpustné látky nepolární, nap . uhlovodíky. K málo rozpustným látkám pat í však i ada disociovaných slou enin, pokud mají nízký sou in rozpustnosti (viz níže). Ve stavu tuhém (led) vzniká za ne p íliš vysokých tlak struktura, jejíž opakující se jednotkou je pravidelný ty st n (Obr.2.1). Tato struktura není svým prostorovým uspo ádáním nejúsporn jší, což vysv tluje relativn menší hustotu ledu. Když led taje, struktura se bortí a molekuly se seskupují t sn ji. Proto voda s teplotou blízkou 0 oC má v tší hustotu než led a tato hustota roste se zvyšováním teploty do maxima 1 g.cm-3 p i teplot 3,98 oC. Teprve s dalším zvyšováním teploty hustota vody klesá. Uvedená skute nost má d sledek v tom, že voda mrzne od hladiny, což má velký význam pro život v hydrosfé e.

- 6 (42) -


Obr.2.1: Schéma krystalové struktury ledu.

2.2

Teplota

Teplota ovliv uje rychlost pr b hu chemických a biochemických reakcí probíhajících ve vod , rozpustnost látek a další vlastnosti vody (hustotu, viskozitu aj.). Teplota podzemních vod je pom rn stálá a vzr stá s hloubkou cca o 1oC na každých 33 m. Ve st ední Evrop je v hloubce 10 m pod povrchem Zem teplota podzemní vody kolem 9,5 oC, což leží v optimálním rozmezí pro pitnou vodu, které je od 8 do 12 oC. Podzemní voda s teplotou nad 25 oC se nazývá termální a nad 42 oC hypertermální. Teplota povrchových vod je zna n ovlivována klimatickými podmínkami. S rostoucí teplotou se zvyšuje rychlost samo isticích proces , probíhajících v povrchových vodách vlivem jejich biologického oživení. S rostoucí teplotou se snižuje rozpustnost plyn ve vod (tedy i kyslíku). P i sou asném zrychlení biochemických proces to u zne ist ných vod m že znamenat rychlé vy erpání rozpušt ného kyslíku. V povrchových vodách nemá teplota p ekro it 25 oC.

2.3

Barva a zákal

istá voda absorbuje z viditelné oblasti spektra zá ení s vlnovou délkou erveného sv tla, proto je voda v siln jší vrstv namodralá. P írodním vodám mohou dodávat barvu žlutohn d zbarvené huminové látky, které vykazují maximální absorpci sv tla p i 254 nm. Proto se hodnotí absorbance tohoto zá ení p i této vlnové délce. Zbarvení huminovými látkami je shodné se zbarvením roztoku hexachloroplati itanu draselného K2PtCl6, ehož se využívá ke stanovení barvy, která se potom vyjad uje v mg.l-1 Pt. Zákal se m í rovn ž fotometricky porovnáním s koloidním roztokem formazinu a vyjad uje se v tzv. formazinových jednotkách (ZF).

- 7 (42) -


2.4

Oxida n -reduk ní potenciál

Jedním z hlavních kriterií, charakterizujících vodní prost edí, je koncentrace rozpušt ného kyslíku. Prost edí, ve kterém je obsažen molekulární kyslík, se nazývá aerobní (oxické). Prost edí bez p ítomnosti kyslíku se nazývá anaerobní. Krom toho se rozlišuje tzv. anoxické prost edí, v n mž není p ítomen O2, resp. jeho koncentrace je menší než 0,5 mg.l-1, ale je p ítomen kyslík vázaný do dusi nan a dusitan . Kvantitativn lze tyto pom ry hodnotit podle oxida n -reduk ního potenciálu (hodnoty v tabulce 2.1 jsou uvedeny v p epo tu ke standardnímu potenciálu referentní vodíkové elektrody): Tab.2.1: Oxida n reduk ní potenciál

Oxida n -reduk ní potenciál

Prost edí

P evažující reakce

> 250 mV

aerobní

oxida ní

150 mV až 250 mV

anoxické

oxida ní

< 150 mV

anaerobní

reduk ní

2.5

Autotest

1. P i jaké teplot má voda nejvyšší hustotu? a) na bodu tuhnutí b) 3,98 °C c) 0 °C d) hustota vody není závislá na teplot 2. Jaký je rozdíl mezi anoxickým a anaerobním prost edím? a) žádný b) anoxické prost edí obsahuje molekulární kyslík, anaerobní nikoliv c) anoxické prost edí obsahuje kyslík vázaný v dusitanech a v dusi nanech, anaerobní nikoliv d) v anoxickém prost edí p evažují oxida ní reakce, v anaerobním reduk ní

2.6

Shrnutí

Voda je slou eninou dvou atom vodíku a jednoho atomu kyslíku, spojených kovalentní vazbou. Takto se vyskytuje v plynném stavu. V kapalném stavu tvo í molekuly vody asociáty, spojené vodíkovými m stky. V tuhém skupenství tvo í vody strukturu, ve které se opakuje pravidelný ty st n. Teplota podzemních vod záleží na hloubce jejich uložení, u povrchových vod záleží na klimatických aj. podmínkách. Teplota ovliv uje adu dalších vlastností vody. Anomální je závislost hustoty vody na teplot , kdy voda dosahuje maximální - 8 (42) -


hustoty p i teplot 3,98 °C. istá voda má namodralou barvu. P írodním vodám mohou dodávat žlutohn dé zbarvení huminové látky. Podle obsahu kyslíku rozpušt ného ve vod rozlišujeme prost edí aerobní, anoxické a anaerobní. Kvantitativn to lze vyjád it hodnotou oxida n -reduk ního potenciálu.

- 9 (42) -


3

Chemické rovnováhy ve vodách

Prvky a slou eniny obsažené ve vod mezi sebou za vhodných podmínek reagují za vzniku jiných slou enin. Charakter t chto reakcí je r zný. V této kapitole jsou zmín ny ty, které mají v hydrochemii nejv tší význam.

3.1

Guldberg-Waage v zákon

P i vratných reakcích (probíhají ob ma sm ry) se v roztoku tvo í rovnováha ve smyslu Guldberg-Waageova zákona, který je pro reakci: aA+bB⇔dD+eE

[3.1]

vyjád en rovnicí c ( D) d . c ( E ) e =K c ( A) a . c ( B ) b

[3.2]

kde A,B jsou látky do reakce vstupující, D, E jsou látky reakcí vznikající, a,b,d,e je po et mol jednotlivých látek, K je rovnovážná konstanta. P i p esných výpo tech nebo u koncentrovaných roztok se místo s koncentracemi po ítá s aktivitami. Aktivita iontu I je sou inem jeho molární koncentrace c(I) a tzv. aktivitního koeficientu. Jeho hodnota závisí na obsahu iont v roztoku, tzv. iontové síle. U z ed ných roztok je rovna p ibližn 1,0, s rostoucí koncentrací iont v roztoku klesá.

3.2

Acidobazické rovnováhy, pH

D ležitým ukazatelem jakosti vody je hodnota pH, definovaná jako záporný logaritmus látkové koncentrace (p esn ji aktivity) vodíkových iont : pH = - log c(H+)

[3.3]

Voda je disociována podle rovnice H2O = H+ + OH-

[3.4]

p i emž se ustavuje rovnováha ve smyslu rovnice [3.2]: c(H+) . c(OH-) = Kv* . c(H2O) = Kv

[3.5]

Konstanta Kv se nazývá iontový sou in vody. Je do ní zahrnuta koncentrace nedisociovaných molekul vody, která je prakticky konstantní. Hodnota konstanty Kv závisí pon kud na teplot a pro 25oC je rovna 10-14. V isté vod tedy platí c(H+).c(OH-) = 10-7 a hodnota pH je 7,0. Dle rovnice [3.5] nemohou v roztoku vedle sebe existovat ionty H+ a OH- v koncentracích, jejichž sou in je vyšší než iontový sou in vody Kv. P i smísení roztok obsahujících v tší koncentrace H+ a OH- dochází proto ke slou ení t chto iont na nedisociované molekuly vody: H+ + OH- ⇔ H2O, což je rovnice disociace vody [3.4] v obráceném sm ru. Anionty p íslušející kyselin a kationty p íslušející zásad z stávají v roztoku, pokud nejsou vytvo eny podmínky pro jejich vysrážení nebo slou ení na nedisociované molekuly. - 10 (42) -

Chemické rovnováhy ve vodách

3.3

Srážecí rovnováhy

P i smísení roztok obsahujících kationty a anionty, tvo ící spolu málo rozpustné slou eniny, dochází k jejich vysrážení. Rozpustnost slou enin lze vypoítat z jejich sou inu rozpustnosti, kde pro obecnou rozpoušt cí rovnováhu BmAn = m Bn+ + n Am-

[3.6]

lze podle Guldberg-Waageova zákona odvodit vztah pro tzv. sou in rozpustnosti PBA = c(Bn+)m . c(Am-)n

[3.7]

Smísením roztok , p i nichž by byla p ekro ena hodnota sou inu rozpustnosti, dochází k vysrážení soli tak, aby byla zachována rovnováha dle rovnice [3.7]. K málo rozpustným solím pat í fosfore nany, sulfidy, hydroxidy a uhli itany t žkých kov .

3.4

Oxida n -reduk ní rovnováhy

Oxida n -reduk ní proces se skládá ze dvou parciálních reakcí: oxidace, p i níž látka uvol uje elektrony, a redukce, p i níž látka elektrony p ijímá. Tento d j lze obecn popsat rovnicí: oxidovaná látka + elektrony = redukovaná látka. Látka v oxida n -reduk ním systému tedy existuje vždy ve dvou formách oxidované a redukované. O sm ru pr b hu reakce rozhoduje afinita (p itažlivost) látky k elektron m, kterou lze kvantitativn hodnotit podle oxida n reduk ního potenciálu, což je elektrický potenciál, který se vytvo í na inertní (platinové) elektrod , pono ené do roztoku, obsahující látku v oxidovaném i redukovaném stavu. Jeho velikost ve Voltech lze vyjád it NernstovouPetersovou rovnicí:

E = E0 −

c( ARe d ) 0,059 log n c( AOx )

(p i 25 oC)

[3.8]

kde c(ARed) a c(AOx) jsou látkové koncentrace látky A v oxidovaném a redukovaném stavu, n je po et elektron p ijatých oxidovanou formou nebo uvoln ných formou redukovanou. Eo je standardní oxida n -reduk ní potenciál roztoku, v n mž jsou jednotkové koncentrace reagujících složek. ím je standardní potenciál Eo vyšší, tím má látka v tší tendenci elektrony p ijímat (p sobit jako oxidovadlo), a naopak, ím je potenciál nižší, tím má látka v tší tendenci elektrony odevzdávat (p sobit jako redukovadlo). Pr b h reakce však bude záviset ve smyslu rovnice [3.8] i na koncentracích látek, podílejících se na oxida n -reduk ní rovnováze.

3.5

Autotest

1. Jak je definováno pH? a) pH = - log c(H+)

- 11 (42) -


b) pH = log c(H+) c) pH = - log c(OH-) d) pH = - log (Kv) 2. Kdy dochází k vysrážení solí v roztoku? a) když jsou v roztoku p ítomny pot ebné ionty b) vždy, když je s l málo rozpustná c) když je p ekro en sou in rozpustnosti této soli d) soli nepodléhají srážecím reakcím

3.6

Shrnutí

Prvky a slou eniny obsažené ve vod spolu za vhodných podmínek reagují. U vratných reakcí se ustavuje rovnováha ve smyslu Guldberg-Waageova zákona. D ležitým ukazatelem jakosti vody je hodnota pH, definovaná jako záporný logaritmus látkové koncentrace vodíkových iont . Rovnovážnou konstantou rovnice disociace vody je tzv. iontový sou in vody. P i smísení roztok obsahujících v tší koncentrace H+ a OH- než je iontový sou in vody dochází proto k jejich slou ení na nedisociované molekuly vody. Rovnovážnou konstantou rozpoušt cích rovnovah je sou in rozpustnosti p íslušných slou enin. P i jeho p ekro ení dochází k vysrážení t chto slou enin z roztoku. O sm ru pr b hu oxida n -reduk ních reakcí rozhoduje afinita zú astn ných látek k elektron m, kterou lze kvantitativn hodnotit podle oxida n -reduk ního potenciálu.

- 12 (42) -

Složení vod

4

Složení vod

Voda, se kterou se prakticky setkáváme jako s vodou p írodní, pitnou nebo odpadní, není chemické individuum, nebo obsahuje ur ité množství cizorodých látek. íkáme, že tvo í disperzní systém. Tyto látky lze rozd lit podle r zných kritérií. Existují rovn ž analytické metody, umož ující spole né stanovení ur itých skupin látek.

4.1

Látky obsažené ve vodách

Podle velikosti dispergovaných ástic se rozlišují jednotlivé typy disperzí (Tab.4.1): Tab.4.1: Typy disperzí podle velikosti dispergovaných ástic

Název disperze

Velikost ástic

ástice

analytická (pravé roztoky)

0,1 až 1 nm

rozpušt né

koloidní

1 nm až 1 µm

koloidní

hrubá

> 1 µm

hrub dispergované

P echod mezi jednotlivými skupinami je plynulý. ástice rozpušt né na rozdíl od koloidních nejsou viditelné v elektronovém mikroskopu. Hrub dispergované ástice jsou viditelné i v optickém mikroskopu a lze je odd lit filtrací. U koloidních disperzí se rozlišují: 1. Hydrofobní koloidní disperze, zvaná také koloidní sol (ve vodném prost edí hydrosol): dispergované ástice nemají afinitu (p itažlivost) k vod (jsou hydrofobní) a s disperzním prost edím tvo í dv rozdílné fáze se z etelným rozhraním. Systém je heterogenní. Stabilita této disperze je podmín na elektrickými náboji ástic na jejich povrchu, které tvo í tzv. elektrickou dvojvrstvu. Pat í mezi n hydroxidy kov , jíly aj. 2. Hydrofilní koloidní disperze: dispergované ástice mají afinitu k molekulám vody, což je dáno jejich polaritou - elektrickým nábojem, p íp. dipólem, který ástice nesou, stejn jako molekuly vody. S disperzním prost edím tvo í jednu fázi bez znatelného rozhraní, systém je homogenní. Dispergovanými ásticemi hydrofilních koloidních disperzí jsou: a. makromolekulární slou eniny, nap . bílkoviny, organické flokulanty, polysacharidy aj, b. agregáty koloidních rozm r (micely), vznikající zakoncentrováním z ed ných roztok . Afinita koloidních ástic v hydrofilních disperzích k molekulám vody je dána p ítomností hydrofilních skupin v molekule t chto ástic. Takovými jsou nap . skupiny -COOH, -SO3H, které disociují, p i emž uvol ují H+ a samy (resp. ástice na n ž jsou vázány) se nabíjejí záporným nábojem, ne- 13 (42) -


bo skupiny -OH, -NH2, p íp. -NH3OH, které disociací uvol ují ionty OH- a ástice je obsahující se nabíjejí kladn . Elektricky nabité hydrofilní ástice na sebe váží molekuly vody, které jsou polární a tvo í na jejich povrchu solvátový obal, podmi ující jejich stabilitu. Spolu s tímto solvátovým obalem tvo í hydrofilní koloidy elektricky neutrální ástice. Obal je chrání p ed koagulací, která nastává až po jeho rozrušení. Ke hrubým disperzím pat í suspenze, emulze a p ny, podle toho, zda dispergovanou ásticí je látka tuhá, kapalná nebo plynná. Podle p vodu d líme látky obsažené ve vodách na: 1. p irozené - jsou to látky vyluhované z nekontaminované p dy a hornin, zbytky organizm a produkty jejich rozkladu i produkty látkového metabolizmu, 2. um lé (syntetické), v p írod neovlivn né inností lov ka se nevyskytující (pesticidy, tenzidy aj.). Podle koncentrace lze rozd lit látky ve vod na makrokomponenty (nad 10 mg.l-1), mikrokomponenty (1 až 10 mg.l-1) a stopové látky (pod 1 mg.l-1). Koncentrace látek ve vodách se vyjad uje •

v hmotnostních koncentracích cm, (jednotky g.l-1, mg.l-1, µg.l-1 nebo ng.l-1, podle toho o jaké koncentrace se jedná);

•

v látkových koncentracích c (jednotky mol.l-1, mmol.l-1, mol.l-1, …).

Podle chemického složení se d lí látky na: 1. Organické - mají v molekule atomy uhlíku, které jsou schopny et zit se a vytvá et složité makromolekuly. Z uhlíkatých slou enin ne adíme k organickým látkám vzhledem k jejich charakteru oxid uhli itý a slou eniny od n ho odvozené (uhli itany, hydrogenuhli itany) a n které další slou eniny. Organické látky v p írodních, lidskou inností nekontaminovaných vodách, jsou tvo eny živými organizmy žijícími v tomto prost edí, zbytky jejich odum elých t l a produkty jejich metabolizmu, a to ve form rozpušt né, koloidní i nerozpušt né. 2. Anorganické (minerální) - všechny ostatní slou eniny, rozmanitého složení, vyskytující se za normálních podmínek v r zných skupenstvích. Celkovou mineralizací se rozumí sou et hmotnostních koncentrací anorganických látek s výjimkou rozpušt ných plyn (CO2, N2,O2). Jsou tvo eny elektrolyty, disociovanými na kationty a anionty, a neelektrolyty. K neelektrolyt m pat í málo disociované anorganické soli, p edevším k emi itany.

- 14 (42) -

Složení vod

4.2

Skupinová stanovení

4.2.1

Gravimetrické metody

Veškeré látky obsažené ve vod lze stanovit jejím odpa ením a zvážením vysušeného odparku (p i 105 oC). P i tomto stanovení nejsou ve výsledku zahrnuty plyny a další t kavé látky, které p i odpa ování uniknou. Odpa ením dochází také k rozkladu hydrogenuhli itan (vápenatého a ho e natého) provázenému úbytkem hmotnosti. Naopak n které soli ztrácejí krystalovou vodu až p i vyšších teplotách a tato voda tedy z stává sou ástí odparku. Rozlišení rozpušt ných a nerozpušt ných látek se provádí filtrací vzorku, obvykle p es membránový filtr s velikostí pór kolem 1 µm. Nerozpušt né látky zachycené na filtru se vysuší p i teplot 105 °C a zváží. Látky, které filtrem projdou (rozdíl veškerých a nerozpušt ných látek), se nazývají rozpušt né, i když obsahují také látky koloidní. Hrubé rozlišení látek v odparku, který se p i rozboru kal nazývá sušinou, lze provést jeho žíháním p i 550 oC. P i této teplot jsou organické látky spáleny a unikají ve form plyn (CO2, H2O). Ztráta hmotnosti žíháním odparku odpovídá tedy obsahu organických látek, kdežto anorganické slou eniny z stanou nezm n ny jako zbytek po žíhání. Hodnocení obsahu organických látek ze zbytku po žíhání je zatíženo pom rn velkou chybou, danou úbytkem hmotnosti odparku ztrátou vody vázané v anorganických slou eninách, p íp. áste ným rozkladem n kterých anorganických slou enin. Je proto spolehlivé u odpadních vod s vysokou koncentrací organického zne išt ní a zejména u istírenských kal , nikoliv však u vod s nízkým obsahem organických látek.

4.2.2

Stanovení organických látek z množství kyslíku pot ebného k oxidaci

Teoretická spot eba kyslíku Teoretická spot eba kyslíku TSK [g.g-1] je množství kyslíku pot ebné k úplné oxidaci organické látky, obecného složení CaHbOd (další prvky – N,P,S jsou pro jednoduchost zanedbány), která probíhá podle rovnice: CaHbOd + x O = a CO2 +

b H2O 2

[4.1]

Z rovnice [4.1] vyplývá, že na oxidaci 1 molu organické slou eniny je t eba x = 2 a + b/2 - d mol atom kyslíku. Na oxidaci 1 g této slou eniny o relativní molekulové hmotnosti Mr je t eba TSK gram kyslíku (1 mol O ∼ 16 gram ):

TSK =

( 4a + b − 2d ).8 Mr

[g O2 na 1 g látky]

[4.2]

Z rovnice [4.2] vyplývá, že hodnota TSK závisí na složení látky a jedin na základ znalosti jejího množství a složení lze vypo ítat TSK. Chemická spot eba kyslíku P i stanovení chemické spot eby kyslíku (CHSK) vzorku vody se provádí oxidace látek v ní obsažených p sobením oxidujících slou enin – manganistanu - 15 (42) -


draselného (KMnO4) nebo dichromanu draselného (K2Cr2O7). Reakce probíhají v prost edí z ed né kyseliny sírové za teploty bodu varu roztoku a dalších standardních podmínek. Oxida ní ú inek uvedených látek lze vyjád it takto: Cr2O72- + 14 H+ + 6 e- → 2 Cr3+ + 7 H2O

[4.3]

MnO4- + 8 H+ + 5 e- → Mn2+ + 4 H2O

[4.4]

CHSK se stanoví ze spot eby oxidující látky, ale vyjad uje se v ekvivalentech odpovídajících oxidaci kyslíkem, která probíhá podle rovnice: O + H2O + 2 e- → 2 OH-

[4.5]

Výsledek stanovení CHSK ob ma uvedenými metodami je zpravidla odlišný, a proto je nutné uvád t, jaká metoda byla použita – CHSKCr a CHSKMn. Hodnoty CHSKCr bývají vyšší než CHSKMn, nebo K2Cr2O7 je v podmínkách stanovení siln jším oxidovadlem než KMnO4. Hodnota CHSKCr se asto blíží hodnot TSK. CHSKCr se používá pro stanovení všech druh vod, v etn odpadních, kdežto CHSKMn je používáno jen p i analýze vod p írodních a pitných. P i stanovení CHSK dochází nejen k oxidaci organických látek, ale i n kterých látek anorganických (Fe2+, NO2- aj.), jejichž p ítomnost zkresluje výpov dní hodnotu CHSK jako míru obsahu organických slou enin. Proto je t eba anorganické oxidovatelné látky eliminovat. Biochemická spot eba kyslíku Oxidaci organických látek lze uskute nit i inností aerobních bakterií, které oxidují organické látky molekulárním (vzdušným) kyslíkem. Spot eba kyslíku ve vzorku za standardních podmínek je mírou obsahu organických, biologicky rozložitelných látek a áste n i n kterých anorganických slou enin a nazývá se biochemická spot eba kyslíku – BSK. Stanovení BSK5 je uzan ní metodou, spo ívající ve vyhodnocení úbytku rozpušt ného kyslíku ve vzorku za 5 dn p i teplot 20 oC. Vzorek se dle pot eby edí tzv. z e ovací vodou, což je destilovaná voda s p ídavkem solí a živin, nasycená vzduchem. Inkubace se provádí v lahvích zcela napln ných na ed nou zkoušenou vodou za nep ístupu vzduchu (bakterie mají k dispozici jen O2 obsažený ve vod ) a ve tm , aby se zabránilo nežádoucímu rozvoji as. Pro zabrán ní mikrobiální oxidace amoniaku se p idává vhodný inhibitor tohoto procesu, obvykle allylthiomo ovina. BSK5 se používá p i hodnocení kvality povrchových a odpadních vod. Bakterie, které biochemický d j podmi ují, jsou v t chto vodách p ítomny. Jen p i analýze n kterých pr myslových odpadních vod je t eba provést nao kování, obvykle aktivovaným kalem. P i porovnání výsledk stanovení organického zne ist ní ve vodách se obvykle zjiš ují vztahy: TSK ≥ CHSKCr > CHSKMn > BSK5. Hodnota BSK5 bývá nižší než CHSK nebo a) p i stanovení BSK5 není rozložena veškerá biologicky rozložitelná organická hmota, b) n které organické slou eniny jsou v i biochemickému rozkladu rezistentní, ale jsou oxidovány v podmínkách stanovení CHSK. V procesech išt ní vody, probíhajících v p írod i v istírnách odpadních vod se zvy- 16 (42) -

Složení vod

šuje pom r CHSK / BSK5 , nebo biologicky rozložitelná organická hmota je destruována, kdežto organická hmota v i biologickému rozkladu resistentní, podílející se však na hodnot CHSK, z stává zachována.

4.2.3

Stanovení obsahu uhlíku vázaného v organických slou eninách

V p írodní organické hmot , nap . v bakteriální biomase, je obsah uhlíku p ibližn 45 až 50 %. V jednotlivých organických slou eninách je však obsah C dosti prom nlivý. Metoda stanovení organické hmoty z obsahu uhlíku je technicky náro n jší než p edchozí metody. Spo ívá ve spálení vzorku v proudu kyslíku p i teplot kolem 1000 oC za katalytického p sobení platiny a ve stanovení CO2 vzniklého tímto spálením.

4.3

Plyny

Voda ve styku s plynem, nap . se vzduchem, se sytí složkami, které plyn obsahuje. Rozpustnost plynu ve vod je ovliv ována 1. Parciálním tlakem plynu. Rozpustnost plynu v kapalin je dle Henryho zákona závislá na parciálním tlaku tohoto plynu nad kapalinou: c=k.p

[4.6]

kde c je koncentrace plynu ve vod po dosažení rovnováhy - nasycení [mg.l-1], p je parciální tlak plynu [kPa], k je konstanta. 2. Teplotou - rozpustnost plyn se s rostoucí teplotou snižuje. 3. Složením vody - nap . s rostoucí koncentrací solí se rozpustnost plyn ve vod pon kud zvyšuje. 4. Složením plynu. Rozpustnost jednotlivých plyn je zna n odlišná, jak vyplývá z n kolika následujících p íklad . Tab.4.2: Rozpustnost plyn p i teplot 20 oC a tlaku 100 kPa.

plyn:

rozpustnost ve vod [mg.l-1]

kyslík

43,7

dusík

19,0

oxid uhli itý

1707

chlor

7280

Mimo ádný význam v chemii a biologii vody má rozpušt ný molekulární kyslík, který je rozhodujícím faktorem biologických proces probíhajících v tomto - 17 (42) -


prost edí a má také zásadní význam v procesech koroze materiál . Do vody p echází z v tší ásti ze vzduchu, jehož složení v objemových procentech je následující: 78,09 % N2, 20,94 % O2, 0,93 % Ar, 0,03 % CO2 a 0,01 % ostatních plyn . Ve vod je kyslík více rozpustný než dusík (viz výše uvedená tabulka), a proto vzduch rozpušt ný ve vod obsahuje více kyslíku než vzduch atmosférický, což má význam pro biosféru vodního prost edí.

4.4

Autotest

1. Co je to celková mineralizace? a) sou et hmotnostních koncentrací anorganických látek a rozpušt ných plyn b) sou et hmotnostních koncentrací anorganických látek a organických látek c) sou et hmotnostních koncentrací organických látek s výjimkou rozpušt ných plyn d) sou et hmotnostních koncentrací anorganických látek s výjimkou rozpušt ných plyn 2. Která oxida ní inidla se používají p i stanovení CHSK? a) K2Cr2O7 a H2O2 b) K2Cr2O7 a KIO4 c) K2Cr2O7 a KMnO4 d) KMnO4 a H2O2

4.5

Shrnutí

P írodní, pitné a odpadní vody tvo í disperzní systém Látky obsažené ve vod lze rozd lit podle r zných kritérií, nap . podle velikosti dispergovaných ástic, podle koncentrace jednotlivých látek, podle jejich p vodu a podle chemického složení. Gravimetricky lze stanovit obsah veškerých látek obsažených ve vod , odlišit látky rozpušt né od látek nerozpušt ných a látky organické od látek anorganických. Zvláštní význam mají skupinová stanovení organických látek ve vodách. To lze provést vedle výše uvedené gravimetrické metody také stanovením množství kyslíku pot ebného k jejich oxidaci, a to výpo tem (TSK), chemicky (CHSK) nebo biochemicky (BSK). Používá se rovn ž stanovení organicky vázaného uhlíku. Rozpustnost plyn je vod je ovlivn na adou faktor a ídí se Henryho zákonem. Z plyn rozpušt ných ve vod má nejv tší význam kyslík.

- 18 (42) -

Biochemické procesy ve vodách

5


V p írod probíhají procesy podmín né inností organizm , projevující se p em nou látek, která však nemá jednosm rný pr b h, ale vrací se k p vodnímu stavu, a proto se nazývá kolob hem látek. Rozkladné produkty jedn ch organizm jsou využívány jako substrát jinými organizmy. Rozlišujeme procesy rozkladné (disimila ní), jimiž získávají organizmy energii, a procesy asimila ní, kterými je syntetizována organická hmota jejich bun ných t l. Kolob h látek je d ležitý pro zachování života na Zemi. V p írod zasahuje i do vodního prost edí, v n mž vedle proces geochemických výrazn ovliv uje kvalitu p írodních vod. Mimo ádný význam má kolob h uhlíku a dusíku, a to pro významné postavení t chto prvk ve struktu e organických látek. Organizmy pot ebují pro syntézu biomasy, tj. pro sv j r st: • Energii k této syntéze nezbytnou. Energii pot ebují i ke svému pohybu. Primárním zdrojem energie jsou bu chemické reakce nebo slune ní zá ení. Podle toho, kterou energii organizmy využívají, se rozlišují organizmy chemotrofní a fototrofní. • Stavební jednotky (prvky), z nichž jsou vybudována jejich t la a které nazýváme biogenní prvky. K makrobiogenní prvk m pat í C, O, H, N a P, které nechybí v žádné bu ce a které svým množstvím zpravidla p evažují. Vedle nich pot ebují v menším množství i další p,rvky zvané mikrobiogenní. Pat í mezi n S, Na, K, Na, Ca, Mg, Fe, Zn a mnoho dalších. Organizmy získávají uhlík bu z organických slou enin, a pak se nazývají organotrofní nebo jej získávají z oxidu uhli itého, resp. uhli itan a nazývají se litotrofní. V Tab.5.1 je uvedeno rozlišení organizm podle zdroje živin a energie. Tab.5.1: Rozlišení organizm podle zdroje živin a energie

Zdroj energie

Zdroj uhlíku pro syntézu biomasy

Název organizmu

chemická reakce

organická látka

chemoorganotrofní

chemická reakce

oxid uhli itý

chemolitotrofní

zá ení (slune ní)

oxid uhli itý

fotolitotrofní

Organizmy rozd lujeme podle základního metabolizmu, což je proces, jímž získávají p em nou látek energii, na aerobní a anaerobní. O aerobním a anaerobním prost edí bylo pojednáno v kapitole 2.5. Aerobní organizmy získávají energii oxida ními procesy, p i emž k oxidaci využívají molekulární kyslík, který je p íjemcem elektron , uvoln ných oxidací organických látek. K t mto organizm m pat í všichni vyšší živo ichové a z nižších aerobní mikroorganizmy (aerobní bakterie). N které bakterie žijící v aerobním prost edí jsou schopny p i vy erpání kyslíku z prost edí zm nit metabolizmus na anaerobní - nazývají se bakterie fakultativn anaerobní. K t mto pat í p edevším bakterie schopné využívat místo kyslíku k oxidaci organické hmoty dusi nany a dusita- 19 (42) -


ny. Jiné bakterie, nazývané striktn anaerobní, jsou schopny žít pouze v anaerobním prost edí, kdežto kyslík na n p sobí zpravidla toxicky. Pat í mezi n nap . skupina desulfurika ních bakterií, která má schopnost oxidovat organické látky p sobením síran , které se p i tom redukují na sulfidy. Jinými striktními anaeroby jsou metanogenní bakterie, metabolizující jednoduché organické slou eniny a sm s H2 a CO2 na metan. organická živo ich

hmota

zbytky t l a produkty metabolizmu anaerobní bakterie

organická rostlin

rostlinné zbytky

hmota

fotosyntéza disimilace

Corg

aerobní bakterie

CH4+ CO2

spalování

asimilace CO2 + H2O

atmosféra

metanové bakterie horninové prost edí

Obr.5.1: Kolob h uhlíku

Zvláštní postavení mají fototrofní organizmy (rostliny), schopné syntetizovat v p ítomnosti chlorofylu sm s CO2 a H2O na glukózu (asimilace), p i emž energii k tomu pot ebnou získávají ze sv telného zá ení. P itom produkují kyslík. V n kterých povrchových vodách, obsahujících vysoké koncentrace as, m že vést produkce O2 i k silnému p esycení tohoto prost edí kyslíkem. Energii pot ebnou k syntéze biomasy získávají uvedené organizmy z oxida ního rozkladu glukosy (disimilace). P itom spot ebují i ást kyslíku z asimila ního procesu. Velká ást produkované glukózy je využita k syntéze zásobních látek a podp rné hmoty (celulóza), a proto je bilance kyslíku v metabolizmu rostlin pozitivní, což má zásadní význam pro udržení života na Zemi t ch organizm , které kyslík spot ebovávají. Rovnice fotosyntézy je uvedena v Tab.5.2. Živo ichové získávají energii také oxida ním rozkladem organické hmoty p sobením molekulárního kyslíku. Organickou hmotu p ijímají jako rostlinnou a živo išnou potravu. Odum elá nebo lidskou inností odpadající (nap . p i zpracování potravin a r zné výrob ) organická hmota rostlinného i živo išného p vodu, v etn produkt metabolizmu živo ich (i lidské populace), je rozkládána mikroorganizmy. V anaerobním, bezkyslíkatém prost edí jsou kone nými produkty rozkladu organické hmoty metan a CO2, v aerobním prost edí CO2 a H2O. Metan m že být metabolizován speciální skupinou metanových bakterií, p íp. spálen za produkce CO2. Pokud však unikne do ovzduší, je pro tyto procesy jen omezen dostupný. Oxid uhli itý je vracen do kolob hu asi- 20 (42) -


mila ní syntézou rostlin. Varujícím úkazem je však jeho nadprodukce spalnými procesy, která není pln kompenzována spot ebou fotosyntetizujícími organizmy.

organická rostlin

hmota

organická živo ich

hmota

zbytky t l a produkty metabolizmu

rostlinné zbytky

nitrifikace → Norg

bakterie

N-NH3

N-NO2

N-NO3 denitrifikace ←

N2

fixace dusíku

atmosférické výboje

Obr.5.2: Kolob h dusíku

Dusík je obsažen v organické hmot všech živých tvor . Organická hmota odum elých jedinc nebo produkt jejich zpracování i produkt metabolizmu živo ich a lov ka je rozkládána mikroorganizmy, p i emž dusík je uvol ován ve form amoniaku, a probíhá d j v aerobním nebo anaerobním prost edí. V aerobním prost ení je amoniak oxidován nitrifika ními bakteriemi na dusitany a dále na dusi nany. Naopak procesy denitrifika ními jsou v anoxických podmínkách redukovány dusi nany na dusitany a tyto na elementární dusík a oxid dusný, malá ást m že p echázet na amoniak. Elementární dusík jsou schopny syntetizovat do bun né hmoty a tím fixovat mikroorganizmy, žijící v symbióze na ko enovém systému motýlokv tých rostlin, ale i n které sinice rodu Microcystis. Elektrickými výboji a ve spalovacích motorech je dusík oxidován na oxidy dusíku, které dávají ve vodném prost edí kyselinu dusi nou. Amoniak a dusi nany jsou p ijímány rostlinami ke stavb bun né hmoty. Tuto schopnost mají i mikroorganizmy, kdežto živo ichové p ijímají dusík vázaný v organických slou eninách, obsažených v rostlinné nebo živo išné potrav . Mikrobiologické a biologické procesy probíhající v p írodních vodách tvo í základ tzv. samo išt ní, jehož výsledkem je p edevším rozklad organických látek až na jednoduché anorganické slou eniny (mineralizace). V p írodních vodách je ovšem do jisté míry snahou, aby mineraliza ními procesy byla tato ást kolob hu látek ukon ena nebo alespo omezena, nebo syntéza organické hmoty fotolitotrofními organizmy je zdrojem sekundárního zne ist ní. Výjimkou jsou produk ní rybochovné vody. Také v mo ích a oceánech nem že být snahou finální mineralizace organických látek, nebo fotosyntézou produko-

- 21 (42) -


vaná organická hmota je po átkem biologického produk ního et zce v tomto prost edí, který je významným zdrojem výživy lidstva. D ležité je vždy zachování p irozené rovnováhy, ohrožované lidskou inností.

5.1

Autotest

1. Jak se nazývají organizmy, které využívají slune ní zá ení jako zdroj energie a minerální látky jako zdroj živin? a) takové organizmy neexistují b) fotolitotrofní c) fototrofní d) chemolitotrofní 2. Co jsou fakultativn anaerobní bakterie? a) bakterie žijící v aerobním prost edí, schopné p i vy erpání kyslíku z prost edí zm nit metabolizmus na anaerobní b) anaerobní bakterie vykultivované na VUT FAST c) anaerobní bakterie tolerující nízké koncentrace kyslíku d) striktn anaerobní bakterie

5.2

Shrnutí

V p írod probíhá kolob h látek, jehož sou ástí jsou procesy asimila ní a disimila ní. Podle zdroje energie pot ebné k asimila ním proces m d líme organizmy na chemotrofní a fototrofní. Podle zdroje živin, zejména uhlíku, rozd lujeme organizmy na organotrofní a lithotrofní. Podle základního metabolizmu se organizmy d lí na aerobní a anaerobní. V p írod má nejv tší význam kolob h uhlíku a dusíku.

- 22 (42) -

Tab.5.3: P ehled nejd ležit jších biochemických proces

Proces

Reakce

Prost edí

Organizmus

aerobní

aerobní a fakultativn anaerobní bakterie, houby, živo ichové fakultativn anaerobní bakterie

Chemoorganotrofní organizmy aerobní rozklad organických org.látka + O2 → CO2 + H2O + NH3 látek denitrifikace org.látka + NO3- → NO2- +CO2 + H2O org.látka + NO2- → N2 + N2O redukce SO42org.látka + SO42- → H2S p edmetaniza ní fáze anaerob- složité org.látky → kys.octová, H2, (metanol, ního rozkladu org.hmoty kys.mraven í) + NH3 methanogeneze CH3COOH → CH4+ CO2 CH3OH → CH4 + CO2 HCOOH → CH4 + CO2 H2 + CO2 → CH4 Chemolithotrofní organizmy nitrifikace oxidace sulfid Fotolithotrofní organizmy fotosyntéza asimilace disimilace

NH3 + O2 → NO2NO2- + O2 → NO3S2- → SO42-

6 CO2 + 6 H2O + energie → C6H12O6 + 6 O2 , C6H12O6+ 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energie

- 23 (42) -

anoxické anaerobní anaerobní anaerobní

striktn anaerobní bakterie fakultativn a striktn anaerobní bakterie, kvasinky striktn anaerobní, methanogenní bakterie

aerobní

nitrifika ní (aerobní) bakterie

aerobní

sirné bakterie (Beggiatoa, Chromatium) rostliny, sinice


6

Kvalita p írodních vod

Kvalita vody se posuzuje podle ú elu, ke kterému je použita, p íp. podle funkce, kterou plní, nap . jako nedílná složka životního prost edí.

6.1

Srážková voda

Srážková voda se p i pr chodu atmosférou obohacuje látkami v ní obsaženými v kapalné, pevné i plynné fázi. Stálou sou ástí vzduchu je CO2, který bývá obsažen ve srážkových vodách v koncentracích 0,1 až 0,3 mmol.l-1 a zna n zvyšuje jejich agresivní ú inek na horninové prost edí. Vlivem antropogenní innosti, zejména vlivem exhalací, vznikajících spalováním fosilních paliv, jsou srážkové vody obohacovány vedle CO2 i SO2. Ze spalovacích motor i jinou lidskou inností unikají do ovzduší oxidy dusíku - sumárn NOx. Uvedené slou eniny jsou v kontaminovaných oblastech p í inou tzv. kyselých deš , obsahujících kyselinu sírovou, p íp. dusi nou a zp sobujících pokles pH až k hodnotám kolem 1 až 2.

6.2

Podzemní voda

Kvalita podzemní vody je p edevším výsledkem geochemických proces , probíhajících v pom rn dlouhém asovém horizontu. Nekontaminované podzemní vody obsahují jen velice malé koncentrace organických látek, ale pom rn v tší množství anorganických solí, které do nich p echázejí p i jejich styku s geologickým podložím. Organické látky v povrchových vodách, které jsou zdrojem vod podzemních, jsou p i pr chodu p dním a horninovým prost edím za ú asti mikroorganizm mineralizovány. P em nám podléhají v tomto procesu i n které látky anorganické, nap . amoniak je oxidován na dusi nany. Jiné mohou být zachyceny v p dním sorp ním komplexu, nap . fosfore nany, t žké kovy aj. Podzemní vody jsou vody bezkyslíkaté, v n kterých p ípadech se zvýšenými koncentracemi volné kyseliny uhli ité, železa a manganu, které p i použití vody k pitnými ú el m musí být odstran ny. Z rozpušt ných anorganických slou enin p evažují soli sodíku, draslíku, vápníku a ho íku, tvo ící kationty Na+, K+, Ca2+, Mg2+, které jsou v iontové rovnováze s anionty HCO3- (hydrogenuhli itany), Cl- (chloridy), SO42- (sírany) a vlivem zem d lské innosti se také vyskytujícími NO3- (dusi nany). Pom r jednotlivých kationt a aniont bývá u podzemních vod r zný a podle p evažujícího výskytu se rozlišují r zné typy vod, nap . typ HCO3- - Ca2+ - Mg2+ nebo SO42- - Ca2+ - Mg2+ atd. Jestliže obsah rozpušt ných anorganických (minerálních) látek, nebo koncentrace CO2 p ekro í 1000 mg.l-1, nazývají se vodami minerálními. U n kterých typ podzemních vod jsou obsaženy zvýšené koncentrace železa, manganu a k emi itan . Pr chodem vody horninovým prost edím s obsahem sulfid , které jsou s výjimkou sulfid alkalických kov a kov alkalických zemin vesm s málo rozpustné, se v ní, zvlášt pokud je kyselého charakteru, áste n rozpoušt jí, p i emž jsou v rovnováze se sulfanem H2S, který dodává vod charakteristický

- 24 (42) -


pach (po zkažených vejcích), známý z n kterých minerálních pramen . Rovnováha H2S - S2- je ur ena hodnotou pH. Tam, kde se dostávají sulfidické rudy do kontaktu se vzdušným kyslíkem, dochází k jejich oxidaci za vzniku síran rozpustných ve vod , a k jejich sou asné hydrolýze. Proto tyto d lní vody obsahují stovky mg.l-1 t žkých kov (Fe, Zn, Mn aj.) a volnou H2SO4, snižující jejich pH na hodnoty i pod 3,0.

6.3

Povrchová voda

Legislativou (Na ízení vlády R . 61/2003 Sb.) je stanovena koncentrace látek v povrchových vodách, která by nem la být vypoušt ním odpadních vod ani za nejmén p íznivých pr tokových pom r p ekro ena (imisní limity). Z povrchových vod jsou dále vy len ny ty, které slouží jako zdroj pitné vody, a vody využívané ke koupání osob. Pro tyto vody jsou ve vybraných ukazatelích stanoveny p ísn jší limitní koncentrace. V dále uvád ných p ehledech p ípustných koncentrací látek v povrchových vodách jsou sou asn uvád ny i nejvýše p ípustné koncentrace v pitných vodách, o nichž však bude pojednáno v kap. 7.

6.3.1

Anorganické látky v povrchových vodách

Povrchové vody jsou tvo eny vodami podzemními, vyv rajícími na zemský povrch, a vodami srážkovými. Obsah rozpušt ných anorganických slou enin se v nich pohybuje mezi složením t chto typ vod (pokud nejsou kontaminovány vodami odpadními), jak vyplývá z Tab.6.1. Tab.6.1: Koncentrace minerálních látek v p írodních vodách

Typ vody

Koncentrace minerálních látek, mg.l-1

Srážková

jednotky - desítky

Povrchová

200 - 300

Podzemní

300 - 500

Minerální

> 1000

Obsah solí, které se b žn nacházejí v p írodních vodách, není limitující pro život vodních organizm , snášejících bez poškození koncentrace do p ibližn 1 g.l-1. Nadm rné zasolování vod je ovšem jevem nežádoucím, nebo snižuje kvalitu vody jako zdroje pro pr myslové využití i pro pitné ú ely. Proto je v povrchových vodách limitována celková koncentrace solí v hodnot rozpušt ných látek, v nichž jsou však zapo teny i látky organické. Limitované koncentrace n kterých iont (Ca, Mg, SO42-, Cl-) mají vztah k tomuto hledisku a v p ípad SO42-, Cl- a Mg i souvislost s korozívním ú inkem vody.

- 25 (42) -


Tab.6.2: Limitní koncentrace anorganických makrosložek ve vodách

Látka

Rozm r

Povrchové vody

Pitná voda

Ukazatel

Ca

mg.l-1

250

-

-

Mg

mg.l-1

150

-

-

SO42-

mg.l-1

300

250

NMH

Cl-

mg.l-1

250

100

MH

NO3-

mg.l-1

31

50

MH

Rozpušt né látky

mg.l-1

1000

-

-

Pro živé organizmy je v prost edí, v n mž žijí, d ležitá koncentrace vodíkových iont , vyjad ovaná hodnotou pH. V povrchových vodách je legislativn vymezena hodnotami od 6,0 do 8,0. Pro posouzení acidobazických vlastností vody je významná nejen hodnota pH, postihující okamžitý stav, ale i velikost zm ny pH po p ídavku kyseliny nebo zásady. Tuto vlastnost vody vyjad uje kyselinová a zásadová neutraliza ní kapacita (KNK, ZNK) k charakteristickému pH (viz Modul 2, kap. 2.1), odpovídajícímu rovnovážným stav m kyseliny uhli ité. Formy kyseliny uhli ité, zejména hydrogenuhli itany, jsou ve vodách významnou složkou, která pufruje prost edí, neboli brání velkým zm nám pH po p ídavku kysele nebo zásadit reagujících látek. Zatímco u p írodních vod jsou hydrogenuhli itany prakticky tém jedinou takto p sobící slou eninou (podobn p sobí k emi itany a huminové látky), v odpadních vodách, zvlášt pr myslových, m že být takových látek více. Význam hodnoty pH je i v tom, že ovliv uje rovnováhu mezi disociovanými a nedisociovanými formami látek, což má n kdy rozhodující vliv na jejich toxické p sobení. Nap . rovnováha mezi disociovanou a nedisociovanou formou amoniaku: NH4+ = NH3 + H+

[6.1]

se ustaví ve smyslu Guldberg-Waageova zákona vztahem, v n mž rozhodující význam má hodnota disocia ní konstanty amoniaku Ka: c ( NH 3 ). c ( H + ) +

c ( NH 4 )

= K a = 10 −9 , 25

(p i 25 oC)

[6.2]

Logaritmováním rovnice [6.2] se získá vztah:

log

c ( NH 3 ) +

c ( NH 4 )

= pH − 9,25

[6.3]

Z rovnice [6.3] vyplývá závislost pom ru koncentrace obou forem amoniaku na hodnot pH. ím je pH vyšší, tím v tší je podíl nedisociované formy a naopak. Distribu ní diagram mezi ob ma formami amoniaku, disociovanou a nedisociovanou, v závislosti na pH je uveden na Obr.6.1.

- 26 (42) -

100

100*c(N-NH3)

+

[c(N-NH3) + c(N-NH4 )]


80 60 40 20

30

20

10

0 o

T C

0 7

8

9

10

11

12

pH

Obr.6.1: Závislost procentického podílu nedisociované a disociované formy amoniaku na pH. (pro teploty od 0 do 30 oC)

Zatímco disociovaná forma amoniaku (NH4+) je neškodná do pom rn vysokých koncentrací, nedisociovaná forma (NH3) p sobí toxicky, zvlášt na vyšší vodní organizmy (ryby). Proto je limitní koncentrace celkového amoniakálního dusíku ve vodních tocích podstatn vyšší než N-NH3, jehož toxické p sobení se na n které druhy ryb projevuje již v koncentracích ádov setiny mg.l-1. Z ady makrobiogenních prvk mají ve vodách zvláštní význam dusík a fosfor, nebo jejich p ítomnost podmi uje jev zvaný eutrofizace. K eutrofizaci dochází v povrchových, p edevším stojatých, vodách za p íznivých teplotních a zejména sv telných podmínek. Fotolitotrofní organizmy – asy a sinice – jsou schopny za t chto podmínek syntetizovat svoji bun nou hmotu, p i emž další makrobiogenní prvky k tomu pot ebné (C, H, O) získávají z anorganických látek CO2 a H2O, kterých mají v prost edí dostatek. Limitujícím faktorem je N a P, jejichž zdrojem bývají odpadní vody. V p ítomnosti t chto prvk ve form anorganických slou enin, ale i organických, z nichž mikrobiálním rozkladem jsou anorganické formy uvol ovány, dochází k rozvoji as a sinic, a to n kdy v takové mí e, že je kvalita povrchové vody zna n znehodnocena jednak produkty jejich životní innosti, jednak látkami vznikajícími rozkladem jejich biomasy po odum ení organizm , když podmínky p íznivé pro jejich r st pominuly. N které z t chto produkt siln zapáchají, n které p sobí na organizmy toxicky (nap . toxiny sinic). Dusík se vyskytuje ve vodách vázaný v organických slou eninách, dále jako dusík amoniakální, dusitanový a dusi nanový. Toxicky p sobí vedle již zmín ného NH3 i dusitany. Fosfor je vázán v organických slou eninách, polyfosfore nanech a fosfore nanech. P em ny slou enin dusíku a fosforu v p írodním prost edí, ale i v um lých systémech biologického išt ní budou popsány v dalších kapitolách. Pro všechny výše uvedené formy dusíkatých slou enin a navíc pro nedisociovanou formu NH3 i pro celkový fosfor jsou stanoveny imisní standardy (nejvyšší hodnoty p ípustného zne išt ní) vodních recipient .

- 27 (42) -


Tab.6.3: Limitní koncentrace slou enin dusíku a fosforu ve vodách

Látka

Rozm r

Povrchové vody

Pitná voda

Ukazatel

N-NH4+

mg.l-1

0,5

0,4

MH

NH3

mg.l-1

0,05

-

-

N-NO3-

mg.l-1

7

13,3

NMH

N-NO2-

mg.l-1

0,05

0,15

NMH

Norg.

mg.l-1

2,25

-

-

Pcelk.

mg.l-1

0,15

-

-

Z anorganických látek, vyskytujících se v povrchových vodách v mikrogramových koncentracích, jsou z ekologického i hygienického hlediska významné t žké kovy (TK), což jsou prakticky všechny kovové prvky s výjimkou alkalických kov a kov alkalických zemin. N které z nich pat í mezi mikrobiogenní prvky, nezbytné pro organizmy, ve vyšších koncentracích však p sobí toxicky (Zn, Cu, Cr, Co aj.), jiné mají toxický ú inek již p i koncentracích velice nízkých (Hg, Cd, As, Pb), ovšem diferencovan , podle druhu organizmu. Nap . Cd s karcinogenními ú inky je nebezpe né pro lov ka, zatímco pro rostliny není jeho toxické p sobení p íliš výrazné. Jiným p íkladem je úmrtí lidí po požití masa z ryb žijících ve vod kontaminované rtutí. U toxického p sobení látky je t eba rozlišovat akutní toxicitu, projevující se neprodlen po expozici organizmu vyššími dávkami látky a toxicitu chronickou, projevující se až následn po dlouhodob jším p íjmu látky v koncentracích, které okamžit nevyvolají žádné p ízna né ú inky. U TK se jedná v tšinou o tyto pozdní ú inky, zp sobené i vlastností TK kumulovat se v organizmech. Koncentrace TK ve vodních organizmech m že být v d sledku kumulace až o n kolik ád vyšší než koncentrace t chto kov v prost edí, v n mž organizmy žijí. Pro toxicitu kovu je d ležitá i forma, v níž kov p sobí (ionty, komplexní slou eniny anorganické i organické, organokovové slou eniny). V legislativních limitech, z jejichž výše lze soudit na toxický ú inek jednotlivých TK, hodnocený z hlediska jejich p sobení na vodní organizmy i následných ú ink na lov ka p i použití vody k pitným ú el m, se však jednotlivé formy nerozlišují a pro posuzování se vychází z jejich celkového množství. Vyskytují-li se v povrchových vodách a zejména ve vodách odpadních sulfidy, jsou v tšinou produktem hnilobného rozkladu organických látek, p íp. mikrobiální redukce síran v anaerobních podmínkách. Pro povrchové vody je stanoven koncentra ní limit sumy (S2- + H2S) 15 µg.l-1 H2S zejména z d vod toxikologických.

- 28 (42) -


Tab.6.4: Limitní koncentrace t žkých kov

T žký kov

ve vodách

Rozm r

Povrchové vody

Pitná voda

Hg

µg.l-1

0,1

1,0

NMH

Cd

µg.l-1

1

5

NMH

Se

µg.l-1

5

10

NMH,NMH

Ag, Co

µg.l-1

10

50, -

Pb, As

µg.l-1

15, 20

10, 10

NMH,NMH

Cu

µg.l-1

30

1000

NMH

Cr, Ni

µg.l-1

50

50, 20

NMH, NMH

Zn

µg.l-1

200

-

Fe, Mn

µg.l-1

2000, 500

200, 50

6.3.2

Ukazatel

NMH, -

MH, MH

Organické látky v povrchových vodách

Povrchové vody, i když jejich kvalita není výrazn narušena antropogenními vlivy, obsahují výrazn v tší koncentrace organických látek než vody podzemní, nebo jsou ovlivn ny kolob hem látek a organizmy, pro n ž je voda životním prost edím. Tyto organické látky jsou rozkládány procesy, které se nazývají samo išt ním. Nejd ležit jším z nich je mikrobiální rozklad, jehož výsledkem je mineralizace organické hmoty. Rozhodujícím faktorem je kyslík, který ur uje, jaké mikroorganizmy se v samo istím procesu uplatní a jaký bude jeho pr b h i výsledek. Aerobní procesy probíhající v p ítomnosti kyslíku jsou podstatn rychlejší než bezkyslíkaté procesy anaerobní, jejichž produkty jsou hnilobné a zapáchající. K takové situaci dochází v povrchových vodách s vysokým zne išt ním vodami odpadními, obsahujícími velké koncentrace organických látek. Jejich rychlý rozklad p sobením mikroorganizm , zvlášt za p íznivých teplotních podmínek, vede k výraznému úbytku kyslíku, který nesta í být nahrazován z ovzduší. Taková voda je nepoužitelná jako zdroj pitné i užitkové vody a jako prvek životního prost edí nevhodná. Pro kvalitu povrchové vody je tedy d ležité, aby v ní byla udržena ur itá koncentrace rozpušt ného kyslíku, a proto je koncentrace organického zne išt ní limitována: Tab.6.5: Limitní koncentrace organických látek a rozpušt ného kyslíku ve vodách

Látka BSK5 CHSKCr CHSKMn Rozpušt ný O2

Rozm r

Povrchové vody

Pitná voda

mg.l

-1

6

-

mg.l

-1

35

-

mg.l

-1

-

3

MH

mg.l

-1

>6

-

-

- 29 (42) -

Ukazatel


K b žným organickým slou eninám v povrchové vod , dodávajícím jí žlutohn dé zbarvení, pat í huminové látky. Tvo í se v p d z organických látek rostlinného i živo išného p vodu tzv. humifika ními pochody inností p dních mikroorganizm . Po stránce chemické to jsou vysokomolekulární cyklické slou eniny aromatického charakteru, obsahující funk ní skupiny -COOH, -OH aj., které ur ují jejich kyselý charakter. Ve vodném prost edí tvo í hydrofilní micelární koloidy, biologicky obtížn rozložitelné, ale podléhající chemickým oxida ním látkám (chloru). Mají komplexa ní ú inky, a proto asto obsahují vázané kovy, p edevším železo. Z p dy jsou vyplavovány po povrchových vod. Zvlášt bohaté jsou na n vody z rašeliniš , které je obsahují je v koncentracích až stovky mg.l-1. K významným organickým látkám, které negativn ovliv ují kvalitu vod, pat í tzv. extrahovatelné látky (EL). Vyzna ují se malou rozpustností ve vod , ale dobrou rozpustností v organických rozpoušt dlech, do nichž je lze z vodného prost edí extrahovat. Extrahovatelné látky (EL) se d lí do dvou chemicky odlišných skupin: na látky polární (PEL) a nepolární (NEL), podle toho, zda jejich molekula nese elektrický náboj, p íp. dipól, nebo je jako celek elektroneutrální, p íp. se dipólové momenty jednotlivých vazeb v její molekule ruší. P i analytickém stanovení se extrakt, obsahující veškeré extrahovatelné látky, rozd lí adsorpcí na polárním sorbentu (nap .silikagelu), který adsorbuje pouze PEL, kdežto NEL z stávají v roztoku organického rozpoušt dla. Z ekologického hlediska mají podstatn v tší význam nepolární extrahovatelné látky, d íve nazývané ropné látky, nebo v rop a jejích produktech tvo í p evažující, i když ne jedinou složku. Po stránce chemické to jsou alifatické a aromatické uhlovodíky. Jedná se o látky biologicky obtížn rozložitelné a do p írodních vod se dostávající s vodami odpadními, zejména však vlivem r zných havarijních situací. Aromatické uhlovodíky jsou z ekologického hlediska závažn jší než uhlovodíky alifatické. Mimo ádný hygienický význam mají polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU), tvo ené n kolika spojenými jádry benzenu. Jejich koncentrace ve vodách jsou p ísn limitovány vzhledem ke karcinogenním ú ink m mnoha z nich. Zdrojem t chto látek jsou n které druhy odpadních vod, p edevším z tepelného zpracování uhlí, minerální oleje a nedokonalé spalování ropných produkt . Tab.6.6: Limitní koncentrace NEL a vybraných aromatických uhlovodík ve vodách

Látka

Rozm r

Povrchové vody

Pitná voda

Ukazatel

NEL

µg.l-1

100

-

-

Benzen

µg.l-1

30

1

NMH

Suma PAU

ng.l-1

200

100

NMH

- 30 (42) -


benzo(a)pyren

bifenyl

OH benzenové jádro

fenol

Obr.6.2: P íklady aromatických uhlovodík

K polárním extrahovatelným látkám, které jsou vesm s p írodního p vodu, pat í p edevším lipidy, což jsou estery mastných kyselin. Z nich mají nejv tší význam tuky - estery mastných kyselin s glycerolem. Jejich vysoké koncentrace se nacházejí p edevším ve vodách splaškových a n kterých pr myslových odpadních vodách. Významnou skupinou organických látek jsou fenoly, slou eniny aromatického charakteru, na jejichž jád e je substituován vodík hydroxylovou skupinou OH. Lze je rozd lit na jednoduché, odvozené od benzenu a naftalenu, a na polyfenoly s více aromatickými jádry. K polyfenol m pat í rostlinné t ísloviny, ligniny a huminové látky, tvo ící vesm s makromolekulární slou eniny. Z jednoduchých fenol , které bývají výraznou složkou zne išt ní n kterých pr myslových odpadních vod (nap . z tepelného zpracování uhlí a z rafinerií ropy), mají pro své toxické p sobení nejv tší význam fenoly jednosytné (s jednou skupinou -OH na aromatickém jád e), které lze odd lit od ostatních destilací vodní parou. Jsou to látky pro vodní organizmy toxické ádov v mg.l-1. Jejich škodlivé p sobení v koncentracích podstatn nižších spo ívá v senzorickém znehodnocení vody i masa ryb v ní žijících. Mikroorganizmy jsou v i p sobení fenol podstatn odoln jší a zvlášt po postupném zapracování biologického systému se adaptují na koncentrace až stovky mg.l-1, p i emž fenoly jsou biologicky pom rn snadno rozložitelné. Koncentrace fenol musí být limitována také proto, že tyto látky mohou být zdrojem produkce chlorfenol , vznikajících z nich p sobením chloru, použitého nap . p i dezinfekci. Nep íznivé senzorické vlastnosti chlorfenol se projevují p i koncentracích ádov nižších než je tomu u fenol . Bývají udávány prahové koncentrace pachu podle složení od 10 do 10-2 µg.l-1. Chlorfenoly jsou navíc látky hygienicky vysoce závadné, mnohé s karcinogenními ú inky, a proto n které z nich jsou v pitných vodách sledovány a limitovány. Ješt vyšší hygienickou závadnost mají polychlorované bifenyly (PCB), používané d íve pro výborné dielektrické vlastnosti jako nápln do kondenzátor , transformátor , dále jako hydraulické kapaliny, teplonosná media a p ísady do barviv. Výše uvedené slou eniny pat í do velké skupiny chlorovaných organických látek, do níž lze za adit i n které pesticidy (hexachlorcyklohexan - HCH, zvaný - 31 (42) -


lindan aj.) a další nízkomolekulární chlorované uhlovodíky, užívané jako rozpoušt dla - trichlorethen a tertrachlorethen. Obecn pat í chlorované, p íp. halogenované slou eniny k ekologicky nebezpe ným látkám, vyzna ujícím se navíc velkou stabilitou. Vedle speciálních metod postihujících jednotlivé sloueniny nebo skupiny se rozlišují veškeré organicky vázané halogeny (TOX) a podle zp sobu jejich separace adsorbovatelné organicky vázané halogeny (AOX) a extrahovatelné organicky vázané halogeny (EOX). Tab.6.7: Limitní koncentrace fenol a vybraných halogenovaných slou enin ve vodách

Látka

Rozm r

Povrchové vody

Pitná voda

Ukazatel

Fenoly jednosytné

µg.l-1

5

-

-

Trichlorethen

µg.l-1

1

10

NMH

Dichlorbenzeny

µg.l-1

0,5

-

-

Suma PCB

ng.l-1

12

-

-

AOX

µg.l-1

30

-

-

Další významnou skupinou látek jsou látky povrchov aktivní (PAL), což jsou slou eniny, které i v malém množství zp sobují výrazný pokles povrchového nap tí vody. Jsou p irozeného p vodu (mýdla) nebo um lé, nazývané tenzidy. Ve své molekule mají ást hydrofobní (vodu odpuzující), tvo enou zpravidla alifatickým et zcem, jehož radikál se nazývá alkyl (R-) a ást hydrofilní (vodu p itahující), tvo enou disociovanou nebo polarizovanou ástí molekuly. Podle charakteru hydrofilní ásti molekuly se tenzidy d lí na aniontové, neiontové a kationtové. Aniontové a neiontové tenzidy jsou sou ástí pracích prost edk (detergent neboli saponát ), a proto je nacházíme b žn i ve splaškových vodách, ve zvýšených koncentracích v odpadních vodách z velkoprádelen, textilního pr myslu, mycích stanic vozidel a pod. D ležitou jejich vlastností je biologická rozložitelnost. Tato problematika musí být ešena již usm rn ním výroby vhodných typ . Kationtové tenzidy jsou toxické a používají se k dezinfekci (ajatin, septonex). V povrchových vodách je stanovena limitní koncentrace pouze pro aniontové tenzidy, a to 600 µg.l-1. Pro neiontové tenzidy se z ejm p edpokládá jejich vyvážený obsah s tenzidy aniontovými, jak tomu bývá v pracích prost edcích.

6.3.3

Mikrobiologické a biologické osídlení povrchových vod

P írodní vody, zejména vody povrchové, nejsou prost edím bez života. Biologické osídlení souvisí s úživností (trofií) tohoto prost edí. Pro mikrobiální populaci je podmínkou jejího rozvoje dostatek substrátu, jímž je u organotrofních organizm organická hmota. Pokud v pr b hu jejího rozkladu samo isticími procesy nenastane vy erpání rozpušt ného kyslíku, jsou zachovány i podmínky pro život vyšších organizm , které se mohou zapojit do látkového kolob hu. Nejedná-li se o vody s produk ními cíli (rybochovné) platí zásada, že voda je - 32 (42) -


tím kvalitn jší, ím mén je v ní života, za p edpokladu ovšem, že potla ení živých tvor není dosaženo vlivem toxických látek. O kvalit vody podává spolehlivý obraz biologický rozbor, nebo organizmy jsou více i mén závislé na kvalit prost edí a p ežívají v n m jen tehdy, jestliže jsou v n m dlouhodob vytvo eny pro n p íznivé podmínky. V tomto smyslu jsou vodní organizmy spolehliv jším indikátorem kvality vody než chemický rozbor, postihující jen okamžitý stav. Významné p i hygienickém posuzování vody je proto vedle jejího chemického složení hledisko epidemiologické, související s p ítomnosti patogenních organizm - vir bakterií, prvok , erv aj. Stanovení jednotlivých druh patogenních organizm je náro né a použitelné jen ve speciálních p ípadech. Obvykle se p i posuzování epidemiologických rizik vychází ze stanovení ur itého indikujícího bakteriálního zne išt ní, z n hož se usuzuje na možnost kontaminace patogenními organizmy. Celkovou bakteriální p ítomnost ve vod charakterizují psychrofilní a mezofilní bakterie lišící se teplotou kultivace, která je pro psychrofily 22 oC, pro mezofily 36 oC. Tyto bakterie jsou z hygienického hlediska v tšinou neškodné a naopak p edstavují složku mikrobiální populace, zú astn nou na kolob hu látek v p írod , a proto pro udržení života vyšších organizm nezbytnou. Ovšem jejich vysoké koncentrace ve vod , a to platí zejména pro mezofilní bakterie, indikují nebezpe í kontaminace patogeny. Za indikátory fekálního zne išt ní jsou považovány koliformní bakterie (gramnegativní ty inky, netvo í spory, zkvašují laktózu p i 37 oC) pat ící do eledi Enterobacteriaceae. N které z nich mají p vod ve st evním traktu a nazývají se fekální (nebo také termotolerantní) koliformní bakterie. Koliformní bakterie mají podobné morfologické a fyziologické vlastnosti jako Escherichia coli. Enterokoky lze považovat za ukazatele erstvého fekálního zne išt ní, ve vod vydrží jen 2 až 5 dn oproti koliformním bakteriím s podstatn delší dobou p ežití. Zástupci výše uvedených bakteriálních skupin nejsou patogenní, ale svojí p ítomností možnost jejich výskytu indikují. Po et bakterielních jedinc v ur itém objemu vody se zjistí kultivací v živném prost edí, obvykle gelovité živné p d , charakteristickém pro stanovované bakterie. Živné prost edí se inkubuje p i ur ité teplot p edepsanou dobu, b hem níž se každý bakterielní jedinec se rozmnoží to té míry, že vytvo í okem viditelnou kolonii, charakterizovanou i zm nou zbarvení prost edí v míst r stu bakterielní kolonie. Po et bakterií v ur itém objemu vody se vyjad uje jako po et jedinc tvo ících kolonie (KTJ). Tab.6.8: Limitní koncentrace mikroorganizm v povrchových vodách:

Bakterie

Po et

Povrchové vody

koliformní

KTJ.ml-1 200

fekální koliformní

KTJ.ml-1 40

enterokoky

KTJ.ml-1 20 - 33 (42) -


6.3.4

Radiologické vlastnosti povrchových vod

V povrchových vodách je limitován také obsah radioaktivních látek, které vysílají n který z druh zá ení: alfa - proud jader helia, zá ení beta - proud elektron a elektromagnetické zá ení gama. Zá ení se m í v Bq.l-1 (Bequerel), což je po et rozpad za sekundu v objemové jednotce. 1 Bq = 1 rozpad za sekundu. V p írodních a pitných vodách je limitována celková objemová aktivita alfa i beta, p i emž u beta aktivity se variantn ode ítá její podíl pocházející z aktivity p írodního draslíku 40K. Z radioaktivních prvk jsou v povrchových vodách limitovány jmenovit objemové aktivity radia a tritia. Radium se nachází se v podzemních vodách z radioaktivních podloží. Tritium je vodík, obsahující narozdíl od neradioaktivního vodíku s 1 protonem v jád e, vedle protonu také 2 neutrony a bývá obsažen v chladících vodách atomových elektráren. Limity celkové objemové aktivity ve vodách jsou následující: Tab.6.9: Limitní hodnoty radioaktivity ve vodách

zá ení

vodní toky

pitná voda a balená pitná

balená kojenecká / p írodní

celk.obj.akt.α

0,3

0,2

0,1/0,5

celk.obj.akt.β

1,0

celk.obj.akt.β∗

0,5

0,5

0,1/1,0

radium 226Ra

0,3 50

20/100

tritium 3H radon 222Ra

4 000

* po ode tu aktivity 40K

6.4

Antropogenní vlivy na kvalitu p írodních vod

Kvalitu podzemní vody lze ovlivnit nep ímo, p edevším zem d lskou inností, ale i haváriemi, zejména na za ízeních dopravujících a zpracovávacích ropu, i jiným zp sobem. Typickým p íkladem vlivu zem d lské innosti na kvalitu podzemní vody je výskyt dusi nan v oblastech, kde byly d íve jejich koncentrace výrazn nižší. P ehnojováním p dy dusíkatými hnojivy jsou dusíkaté látky, které nebyly p ijaty rostlinami, za spolup sobení nitrifika ních bakterií p em ovány na dusi nany a tyto jsou vyplavovány vodou do spodních horizont , kde nejsou podmínky pro jejich další p em nu. Dalším p íkladem vlivu zem d lské innosti je používání pesticid (látek hubících rostlinné i živo išné šk dce), z nichž n které, zejména na bázi chlorovaných uhlovodík (DDT, HCH v sou asné dob již nevyráb né) jsou velice resistentní, v životním prost edí p etrvávají dlouhou dobu a p edstavují tak vzhledem k toxickému p sobení na organizmy nebezpe í pro celou hydrosféru v etn vod podzemních. Také p íklady kontaminace podzemní vody ropnými látkami nejsou neobvyklé a jejich sanace si zpravidla vyžaduje velké náklady. Jiným p íkladem je zne išt ní podzemní vody silnými kyselinami, nap . p i t žb uranové rudy p ivád - 34 (42) -


ním kyseliny sírové do podzemí. Všeobecn platí zásada, že sanace kontaminované podzemní vody je technicky velice náro ná a nákladná. Podzemní vody jsou zásobárnou vod pitných a p edevším z tohoto d vodu je pot ebné zachovat jejich kvalitu nenarušenou lidskou inností. Vody povrchové jsou vystaveny více vliv m lidské innosti než vody podzemní. Slouží jako recipient vod odpadních, které ne vždy mají požadovanou kvalitu. Povrchové vody jsou také ovliv ovány splachy p dy s výrazným podílem suspendovaných látek. O odpadních vodách bude pojednáno níže.

6.5

Autotest

1. Jak je definována minerální p írodní voda? a) voda obsahující zvýšené koncentrace minerálních látek b) voda obsahující více než 1000 mg.l-1 minerálních látek c) voda pocházející z vrt hlubších než 50 m d) voda obsahující více než 3,5 mmol.l-1 Ca+Mg 2. Co je zdrojem tenzid ve vodách? a) prací a mycí prost edky b) rozpoušt dla c) pesticidní látky d) ropné látky 3. Které mikroorganizmy jsou indikátory erstvého fekálního zne išt ní? a) enterokoky b) koliformní bakterie c) mezofilní bakterie d) viry

6.6

Shrnutí

Nejmenší množství rozpušt ných látek obsahuje z p írodních vod srážková voda. Antropogenní inností se do ní dostávají oxidy síry a dusíku, které mohou být zdrojem kyselých srážek. Podzemní vody jsou bezkyslíkaté a obsahují jen malé množství organických látek. Rozpoušt ním okolních hornin se obohacují anorganickými látkami. K p evažujícím kationt m pat í Na+, K+, Ca2+ a Mg2+. Z aniont obvykle p evažují HCO3-, SO42-, Cl- a v poslední dob rovn ž NO3-. Povrchové vody obsahují v porovnání s vodami podzemními mén anorganických látek, více organických látek a obsahují rozpušt ný kyslík.Velký význam má obsah dusíku a fosforu, nebo tyto prvky podmi ují eutrofizaci. Z anorganických cizorodých látek jsou nejvýznamn jší t žké kovy, z organických nepolární extrahovatelné látky, polyaromatické uhlovodíky, halogenované uhlovodíky, fenoly, pesticidy a tenzidy. O kvalit vody podává spolehlivý obraz biologický rozbor. Významné p i posuzování vody je hledisko epidemio- 35 (42) -


logické, související s p ítomnosti patogenních organizm – vir , bakterií, prvok , erv aj. V povrchových vodách je limitován také obsah radioaktivních látek, které vysílají zá ení alfa nebo beta.

- 36 (42) -

Kvalita pitné vody

7

Kvalita pitné vody

Voda používaná k pitným ú el m musí spl ovat hygienická kriteria Vyhlášky 252/2004 Sb. V ní jsou pro stanovení kvalitativních koncentra ních ukazatel vymezeny následující pojmy: •

Mezní hodnota (MH) - hodnota ukazatele jakosti, v tšinou horní hranice p ípustné koncentrace, jejíž p ekro ení obvykle nep edstavuje akutní zdravotní riziko.

•

Nejvyšší mezní hodnota (NMH) - hodnota ukazatele jakosti, jejíž p ekro ení vylu uje použití k pitným ú el m, neur í-li orgán ochrany veejného zdraví na základ zákona jinak.

Ukazatele ve Vyhlášce jsou: •

mikrobiologické a biologické,

•

fyzikální, chemické a organoleptické (smyslov postižitelné)

Mikrobiologický rozbor je zam en na výskyt mezofilních a psychrofilních bakterií. Dále je limitován výskyt indikátor fekálního zne išt ní – enterokok , koliformních bakterií a Escherichia coli. Clostridium perfringens se stanovuje u pitných vod upravovaných z vod povrchových. Tam kde hodnota tohoto ukazatele není dodržena, musí být prozkoumán zdroj v etn úpravy, aby se zjistilo, zda není lidské zdraví ohroženo patogenními organizmy. Limit pro Pseudomonos aerouginosa, bakterie b žn se vyskytující ve splaškových vodách, platí pouze pro balenou vodu. Pro pitné vody jsou stanoveny i limity po t živých organizm (MH = 0/1 ml) a všech organizm v etn mrtvých (MH = 50/1 ml). Organizmy zahrnované pod posledn uvedený ukazatel se rozumí sinice a všechny eukaryotní organizmy (prvoci, asy, mikromycety, ví níci, hlístice). Tab.7.1: Limitní koncentrace bakterií v pitné vod

ve ejné zásobování

balená voda

pozn.

po ty kolonií p i 22 oC

200/1 ml

500/1 ml

MH, NMH

po ty kolonií p i 36 oC

100/1 ml

20/1 ml

MH, NMH

koliformní bakterie

0/100

MH

Escherichia coli

0/100 ml

0/250 ml

NMH

enterokoky

0/100 ml

0/250 ml

NMH

0/250 ml

NMH

Pseudomonas aeruginosa Clostridium perfringens

0/100 ml

MH

ada limit pro chemické ukazatele kvality pitné vody byla uvedena v p edchozím textu tabelárn v souvislosti s limity pro vody povrchové. - 37 (42) -


Minerální látky dodávají pitné vod pozitivní chu ový vjem. Proto se doporuuje, aby koncentrace c(Ca+Mg) byla alespo 2 až 3,5 mmol.l-1. Optimální je celkový obsah solí v rozmezí od 200 do cca 500 mg.l-1. Z b žných kationt je limitován jen Na, jehož zvýšené koncentrace mohou být nebezpe né pro osoby trpící srde ními chorobami. Z b žných aniont solí jsou pro posuzování pitné vody nejzávažn jší dusi nany, zp sobující p i expozici vyšším dávkám alimentární methemoglobinemii vnit ní zadušení zablokováním p enaše e kyslíku (hemoglobinu). V i tomuto p sobení jsou zvlášt citliví kojenci, u nichž se p ipouští koncentrace N-NO3pod 3,4 mg.l-1, pro dosp lé jsou limity vyšší. Toxické jsou meziprodukty p em ny dusíkatých slou enin - dusitany, a proto i jejich p ípustné koncentrace jsou nízké. Z t žkých kov jsou považovány za zvláš nebezpe né svým toxickým ú inkem Hg, As, Cd a Pb. Výrazn nižší je v pitných vodách ve srovnání s povrchovými vodami limit organického zne išt ní p írodního p vodu, charakterizovaný hodnotami CHSK. Chlorováním vody obsahující huminové látky dochází k jejich št pení a chlorování št pných produkt ke tvorb látek jako je chloroform CHCl3 s limitem 30 µg.l-1 (MH) a ada dalších podobných slou enin, které se nazývají souborn trihalomethany (THM) s nejvyšší mezní hodnotou 100 µg.l-1. Vedle ady látek s limitovanými koncentracemi, z nichž v tšina byla uvedena výše, jsou u pitné vody d ležité i její organoleptické vlastnosti, p edevším chu , pach, barva, zákal a teplota. Z nich jen n které lze vystihnout koncentra ním limitem ur ité látky, nap .pach koncentrací H2S , fenol , chlorfenol aj., chu koncentrací Zn, Fe, Mn aj. Pro organoleptické vlastnosti pitné vody má velký význam pach chloru, používaného k její dezinfekci. Prahová koncentrace zápachu chloru závisí na složení vody, teplot a pH. P i pH = 7 je 0,15 mg.l-1. P i chlorování vody je t eba brát v úvahu možnost vzniku chlorovaných organických slou enin s výraznými pachovými vlastnostmi (chlorfenoly), jejichž prekurzory nesmí být proto ve vod p ítomny. Pro pitnou vodu ve ejného zásobování a balenou stolní vodu platí krom limit uvedených v Tab.6.9 dále uvedené limity t chto prvk (v závorce limit v Bq.l1 ): olovo 210Pb (0,7), polonium 210Po (0,4), radon 222Rn (300), radium 224Ra 226 Ra – 228Ra (6 – 1,5 – 0,5), thorium 228Th – 230Th – 232Th (6 – 3 - 3), uran 234U – 238U (12 – 12). Mezní hodnoty pro balenou kojeneckou vodu jsou nižší a naopak pro p írodní minerální vodu jsou vyšší.

7.1

Autotest

1. Který z hlavních aniont je nejzávažn jší p i posuzování kvality pitné vody? a) sírany b) chloridy c) dusi nany d) hydrogenuhli itany

- 38 (42) -

Kvalita pitné vody

7.2

Shrnutí

Voda používaná k pitným ú el m musí spl ovat hygienická kriteria Vyhlášky 252/2004 Sb., která stanoví mikrobiologické a biologické, fyzikální, chemické a organoleptické ukazatele.

- 39 (42) -


8

Záv r

Základní znalosti z hydrochemie, které jste si osvojili studiem tohoto modulu, tvo í nezbytný p edpoklad k pochopení proces používaných v technologii vody, o kterých se dozvíte v dalších modulech. Pokud jste p edložené informace pochopili, bude pro vás další studium zajímavé a zúro íte p i n m námahu vloženou do porozum ní základním hydrochemickým princip m.

- 40 (42) -

Studijní prameny

9 9.1

Studijní prameny Seznam použité literatury

[1]

Malý, J., Malá J. Chemie a technologie vody. NOEL 2000 s.r.o., Brno, 1996.

[2]

Pitter, P. Hydrochemie. Vydavatelství VŠCHT, Praha, 1999.

9.2

Odkazy na další studijní zdroje a prameny

[3]

http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/applychem/waterchem.ht ml

[4]

http://faq.thekrib.com/begin-chem.html

[5]

http://wupcenter.mtu.edu/education/stream/watercheminfo.htm

- 41 (42) -


10

Klí

Správné odpov di k autotest m: 2.5

1b), 2c) a d)

3.5

1a), 2c)

4.4

1d), 2c)

5.1

1b), 2a)

6.5

1b), 2a), 3a)

7.1

1c)

- 42 (42) -

CHEMIE A TECHNOLOGIE VODY

Recommend Documents