Chemia środowiska - ebook

1 Wstęp

Degradacja środowiska naturalnego spowodowała szybki rozwój nauk, których zadaniem jest stałe poszerzanie wiedzy służącej jego ochronie. Poznanie mechanizmów degradacji środowiska i sposobów jego naprawy wymaga znajomości i zastosowania najnowszych osiągnięć nauk podstawowych. Jednym z czynników wpływających na degradację środowiska naturalnego jest emisja do niego substancji chemicznych, zwanych zanieczyszczeniami lub skażeniami. Oddziaływanie wielu z nich na środowisko jest szkodliwe. Są one w różnym stopniu toksyczne, wpływają na pogorszenie estetyki środowiska i rozprzestrzeniają się na obszary znacznie większe od tych, do których zostały wprowadzone. Jedną z nauk, których zadaniem jest dostarczenie możliwie najgłębszej wiedzy o jakości środowiska i procesach w nich zachodzących, jest chemia środowiska.

Chemia środowiska, jako nauka, nie jest zdefiniowana w sposób ścisły. Pewne jej obszary są przedmiotem zainteresowania takich nauk, jak: ekologia, biochemia, biologia i toksykologia środowiska, hydrologia, meteorologia, geologia, mineralogia i petrografia, gleboznawstwo, technologie ochrony środowiska.

Podstawowymi zadaniami chemii środowiska są:

− Opis składu chemicznego wszystkich elementów środowiska.

− Opis procesów mających wpływ na kształtowanie się składu chemicznego środowiska. Należą do nich procesy chemiczne, geochemiczne i fizykochemiczne, procesy migracji substancji oraz procesy wymiany substancji pomiędzy poszczególnymi elementami środowiska.

− Poznanie źródeł i mechanizmów emisji zanieczyszczeń antropogenicznych do środowiska.

− Rozwój metod analizy składu chemicznego środowiska.

Środowisko naturalne składa się z trzech podstawowych elementów: litosfery, hydrosfery i atmosfery. Różnią się one znacznie składem, ale zachodzi między nimi stała wymiana substancji chemicznych. Skład ten jest kształtowany przez czynniki naturalne i antropogeniczne.

Głównymi czynnikami naturalnymi są:

− Procesy geochemiczne zachodzące pomiędzy litosferą a hydrosferą i atmosferą.

− Przemiany chemiczne i fotochemiczne zachodzące w poszczególnych elementach środowiska.

− Procesy biochemiczne zachodzące z udziałem mikroorganizmów, nieobejmujące przemian zanieczyszczeń antropogenicznych.

− Substancje chemiczne pochodzące ze źródeł naturalnych, nazywane substancjami naturalnymi lub autochtonicznymi.

Czynnikami antropogenicznymi są wszelkie działania człowieka, powodujące emisję zanieczyszczeń do środowiska. Zanieczyszczenia te oraz powstałe z nich inne (wtórne) zanieczyszczenia są określane jako substancje lub zanieczyszczenia antropogeniczne. Głównymi, antropogenicznymi źródłami zanieczyszczeń środowiska są:

− Ścieki miejskie i przemysłowe. Zanieczyszczają one przede wszystkim wody powierzchniowe, do których są odprowadzane. Ścieki są odprowadzane do wód w określonym miejscu, dlatego są one również nazywane źródłami (zanieczyszczeniami) punktowymi.

− Środki chemiczne stosowane w rolnictwie (chemizacja rolnictwa). Należą do nich nawozy sztuczne oraz środki ochrony roślin, głównie pestycydy. Zanieczyszczają one glebę, a w wyniku spływów powierzchniowych wód opadowych dostają się również do wód powierzchniowych. Są one również nazywane zanieczyszczeniami obszarowymi.

− Transport lądowy. Głównymi zanieczyszczeniami są produkty spalania paliw silnikowych, które są emitowane do atmosfery. Znacznie mniejsza emisja (pyły) następuje w wyniku ścierania się elementów konstrukcyjnych pojazdów.

− Transport wodny. Najgroźniejsza jest bezpośrednia emisja paliw silnikowych do wód powierzchniowych. Katastrofy tankowców powodują zazwyczaj wylewy ogromnych ilości ropy naftowej do wód powierzchniowych.

− Energetyka – elektrownie, elektrociepłownie, kotłownie. Głównymi zanieczyszczeniami są produkty spalania paliw, emitowane do atmosfery. Składowanie popiołów może być źródłem zanieczyszczenia gleby.

− Składowiska odpadów komunalnych. W warstwie składowiska powstają ścieki zwane odciekami, które po oczyszczeniu są odprowadzane, bezpośrednio lub ze ściekami miejskimi, do wód powierzchniowych. Z powierzchniowej warstwy odpadów wymywane zanieczyszczenia mogą ze spływami powierzchniowymi trafiać do gleby i wód powierzchniowych. Bezpośrednio ze składowiska są emitowane gazy, głównie metan, powstające wskutek procesów rozkładu odpadów.

− Składowiska odpadów przemysłowych – hałdy górnicze, żużle, odpady hutnicze, chemiczne, budowlane i inne. Emisja zanieczyszczeń do środowiska zachodzi podobnie jak w przypadku odpadów komunalnych.

− Zakłady przemysłowe. We wszystkich zakładach przemysłowych powstają ścieki i odpady stałe. W wielu z nich są emitowane do atmosfery substancje lotne, np. rozpuszczalniki, oraz pyły.

− Budownictwo lądowe i urbanizacja. Duże ilości materiałów budowlanych i odpadów mogą być źródłem zanieczyszczenia gleb. Zanieczyszczenie atmosfery powoduje zanieczyszczenie wód opadowych i, w konsekwencji, zanieczyszczenie wód powierzchniowych i gleby. Zanieczyszczone gleby są źródłem zanieczyszczenia wód podziemnych.

Wiele naturalnych substancji chemicznych jest emitowanych do środowiska również ze źródeł antropogenicznych. Powoduje to, że podział na substancje naturalne i antropogeniczne nie jest podziałem ostrym.

Duże powiązania chemii środowiska z innymi naukami, których niektóre obszary mają silne odniesienia zarówno do chemii, jak i do ochrony środowiska, powodują duże trudności w określeniu zakresu jej zainteresowania. Ma to swoje konsekwencje w treściach licznych podręczników, wydanych w Polsce i w innych krajach, poświęconych chemii środowiska lub chemii poszczególnych jego elementów. Różnią się one między sobą zarówno w odniesieniu do zakresu podanej wiedzy, jak i do proporcji pomiędzy poszczególnymi jej obszarami. W niektórych podręcznikach pewne, często szczegółowe, ale ważne zagadnienia, wydają się być opracowane w sposób niewystarczający. Z drugiej strony są rozbudowane zagadnienia mniej związane z chemią środowiska, a bardziej z innymi dziedzinami wiedzy, np. z toksykologią lub ochroną środowiska.

Niniejszy podręcznik nie jest też wolny od subiektywnego spojrzenia na omawianą gałąź wiedzy. Jego struktura i zakres omawianych zagadnień jest wynikiem wieloletnich wykładów z chemii środowiska, prowadzonych w Politechnice Warszawskiej, dla studentów kierunków: inżynieria środowiska i ochrona środowiska. W trzech rozdziałach omówiono oddzielnie chemizm trzech elementów środowiska, tytułując je jako chemia litosfery, chemia hydrosfery i chemia atmosfery. Zagadnienia poświęcone zanieczyszczeniom antropogenicznym, emitowanym bezpośrednio do wszystkich elementów środowiska, poświęcono specjalny i najdłuższy rozdział. Te „uprzywilejowanie” zagadnień związanych ze skażeniami środowiska wynika z głównych adresatów podręcznika – studentów wymienionych wyżej kierunków studiów, czyli przyszłych specjalistów zajmujących się czynną ochroną i kształtowaniem środowiska. Z podręcznika mogą i powinni korzystać również studenci innych kierunków studiów, na których zagadnienia z chemii środowiska są wykładane w ramach innych przedmiotów. Adresatami podręcznika są również specjaliści, którzy w swojej pracy zawodowej wykorzystują wiedzę mieszczącą się w zakresie chemii środowiska. Uwzględniając zróżnicowane zapotrzebowanie na tę wiedzę, zakres podręcznika został znacznie rozszerzony w stosunku do zakresu materiału obowiązującego studentów kierunków: inżynieria środowiska i ochrona środowiska.3 Chemia hydrosfery

Stężenie geosminy w wodach powierzchniowych może sięgać kilku µg/l, a stężenie 2-metyloizoborneolu nie przekracza 1 µg/l. Innymi, naturalnymi substancjami „zapachowymi” wód powierzchniowych, terpenami lub ich pochodnymi, są: kadin--4-en-1-ol, furfural, geraniol, limonen, 1,8-cyneol, myrcen i 3-metylo-2-en-1-ol.

Substancjami „zapachowymi”, o innej budowie chemicznej, produkowanymi przez wiciowce są, między innymi: disiarczek dimetylu (CH₃SSCH₃), trisiarczek dimetylu (CH₃SSSCH₃), tetrasiaczek dimetylu (CH₃SSSSCH₃), octan tiometylu (CH₃CSOCH₃), propionian tiometylu, propionian metylu, izowalerian metylu, alkohol izoamylowy, 4-metylotio-1,2-ditiolan i 5-metylotio-1,2,3-tritian.

W wodach naturalnych, w szczególności w wodach powierzchniowych, jest obecnych wiele zanieczyszczeń pochodzenia antropogenicznego. Rodzaj zanieczyszczeń i stężenia zależą od źródła zanieczyszczającego wodę. Typowymi zanieczyszczeniami wód powierzchniowych są surfaktanty i ropopochodne węglowodory. Wiele zanieczyszczeń antropogenicznych występuje w wodach w stężeniach mikrogramowych. Substancje te są omówione w podrozdziałach 5.3–5.12.

Podział zanieczyszczeń organicznych, podobnie jak zanieczyszczeń mineralnych, na substancje pochodzenia naturalnego i antropogenicznego nie jest podziałem ścisłym. Wiele omówionych wyżej substancji naturalnych jest odprowadzanych ze ściekami miejskimi i przemysłowymi. Są to ścieki z zakładów przemysłu spożywczego, papierniczego, kosmetycznego, przeróbki drewna, z garbarni i z zakładów innych gałęzi przemysłu. Wiele substancji antropogenicznych jest przekształcane w wodach odbiornika w substancje humusowe, kwasy karboksylowe i inne substancje naturalne.

3.9. Ścieki

3.9.1. Źródła powstawania ścieków

Ściekami są określane wody zużyte, nienadające się do powtórnego wykorzystania i odprowadzane z miejsca powstania do urządzeń kanalizacyjnych. Systemem przewodów kanalizacyjnych są doprowadzane do biologicznej oczyszczalni ścieków, skąd są odprowadzane do odbiornika, którym są wody powierzchniowe lub (znacznie rzadziej) ziemia.

Największe ilości ścieków powstają w domach mieszkalnych i osiedlach mieszkaniowych, a skład i stężenie zanieczyszczeń tych ścieków wynika z metabolizmu ludzkiego i z innych form funkcjonowania gospodarstw mieszkańców. Ścieki takie są nazywane ściekami bytowymi.

Ścieki wytwarzane w zakładach przemysłowych i usługowych są nazywane ściekami przemysłowymi. W zakładach przemysłowych źródłem ścieków są głównie procesy technologiczne, w których uczestniczy woda. Jest ona stosowana do wielu celów, między innymi:

− jako medium, w którym przeprowadza się procesy technologiczne;

− do mycia urządzeń i produkowanych przedmiotów;

− jako czynnik grzewczy lub chłodzący;

− jako środek transportu.

W skład ścieków przemysłowych wchodzą również ścieki o naturze ścieków bytowych, powstające w wyniku procesów życiowych pracowników zakładu.

Ścieki przemysłowe zawierają często toksyczne lub/i trudno biodegradowalne substancje, które powinny być usunięte na terenie zakładu przemysłowego, przed odprowadzeniem do kanalizacji miejskiej.

Trzecim rodzajem ścieków odprowadzanym do miejskiej sieci kanalizacyjnej są ścieki opadowe. Jest to woda pochodząca z opadów atmosferycznych, spływająca do kanalizacji z powierzchni ziemi i obiektów.

Wszystkie 3 rodzaje ścieków tworzą ścieki miejskie, zwane też ściekami komunalnymi. Są one oczyszczane w miejskiej, biologicznej oczyszczalni ścieków. Rozwiązania takie nie istnieją we wszystkich jednostkach osadniczych. W małych miejscowościach brak jest kanalizacji deszczowej. W niektórych miejscowościach ścieki opadowe są odprowadzane do oddzielnej kanalizacji i oddzielnie oczyszczane.

3.9.2. Skład ścieków

W skład surowych ścieków miejskich wchodzą wszystkie substancje zawarte w wodzie używanej na terenie jednostki, z której ścieki pochodzą. Stężenia substancji mineralnych są wyższe od stężeń obecnych w wodzie w bardzo zróżnicowanym stopniu. Składnikiem, którego stężenie wzrasta wielokrotnie, są jony amonowe, pochodzące z białek. Ich stężenie jest na ogół w zakresie 30–70 mg/l N. Stężenie ortofosforanów(V) jest też znacznie wyższe – kilka mg/l . Solą powszechnie stosowaną w gospodarstwie domowym, przemyśle i zawartą w wielu produktach spożywczych jest NaCl. Powoduje to, że stężenie sodu, a zwłaszcza chlorków w ściekach jest wyższe niż w używanej wodzie. Wzrost stężeń pozostałych makroskładników wód jest znacznie mniejszy.

W ściekach miejskich może się pojawić wiele składników mineralnych, obecnych w wodach w bardzo niskich stężeniach. Ich obecność w ściekach miejskich wynika z ich obecności w niedostatecznie wstępnie oczyszczonych ściekach przemysłowych. Wśród nich mogą występować związki toksycznych metali.

Stężenie zanieczyszczeń organicznych w surowych ściekach miejskich jest wielokrotnie większe od ich stężenia w używanej wodzie i wynosi kilkaset mg/l. Około 30 % tych zanieczyszczeń jest obecnych w postaci zawiesiny, w skład której wchodzą stałe produkty metabolizmu ludzkiego oraz stałe części roślinne i zwierzęce. Składnikami zawiesiny są też tłuszcze i oleje naturalne, których stężenie może przekraczać 100 mg/l. Dużą część rozpuszczonych zanieczyszczeń organicznych stanowią białka i aminokwasy oraz węglowodany. Związkiem obecnym powszechnie w ściekach bytowych jest mocznik O=C(NH₂)₂. Jest on produktem metabolizmu ludzi – jedna dorosła osoba wydala dziennie ponad 20 g mocznika. Innym, organicznym związkiem azotu, obecnym w ściekach bytowych, będącym produktem metabolizmu ludzi (ponad 500 mg dziennie), jest kwas moczowy (2,6,8-trioksypuryna, C₅H₄N₄O₃) o wzorze strukturalnym:

Składnikami ścieków bytowych są też wydalane z organizmu farmaceutyki i kosmetyki. Wśród tych substancji najbardziej szkodliwe są trudno rozkładalne biochemicznie antybiotyki, środki przeciwbólowe oraz składniki kosmetyków – piżma syntetyczne i filtry UV.

W ściekach bytowych są obecne lipidy, w tym fosfolipidy, a także niewielka ilość związków humusowych, powstających już w urządzeniach kanalizacyjnych.

Charakterystycznym zanieczyszczeniem obecnym w ściekach miejskich są substancje obecne w produktach handlowych, stosowanych do mycia, prania i czyszczenia, czyli w tzw. detergentach. Występują one zarówno w ściekach bytowych, jak i w przemysłowych. Głównymi ich składnikami są surfaktanty, zwane też substancjami powierzchniowo czynnymi (SPC). W surowych ściekach miejskich występują, w niewielkich stężeniach, używane powszechnie jako składniki paliw i smarów, ropopochodne węglowodory. Możliwe jest występowanie, w nano- i mikrogramowych stężeniach, wielu antropogenicznych substancji, np. składników kosmetyków i leków.

Oczyszczanie ścieków miejskich pozwala na znaczne zmniejszenie stężenia większości zanieczyszczeń.

W procesach nitryfikacji i denitryfikacji stężenie jonów amonowych zostaje zmniejszone do wartości < 2 mg/l. Po procesie defosfatacji stężenie ortofosforanów(V) nie powinno przekraczać 1 mg/l .