SIB 5005 BM3 Miljøteknikk Vannforurensing Helge Brattebø

Rent vann en menneskerettighet?

Vann som ressurs Vann er en nødvendighet for alt levende liv 75% av jorden er dekket med vann, men mye av de kystnære vannmasser er betydelig forurenset Viktigst er likevel ferskvannsressursene, for bruk til irrigasjon, landbruk og drikkevann ~ 2,2 milliard mennesker i U-land mangler tilgang på akseptabelt drikkevann, derav 40% i urbane strøk (raskt voksende) ~ 2,7 milliard mennesker i U-land mangler forsvarlige sanitære løsninger Regionale konflikter rundt store vassdrag tiltar Punktutslipp kan erfaringsmessig håndteres, men de mange diffuse utslippskilder fra landbruk og byer er vanskeligere

Vannmolekylets egenskaper Molekylets ”dipolare” karakter: sterke kjemiske bindinger gir høyt kokepunkt og høy fordampningsvarme høy overflatespenning, kapillær aksjon og evne til å feste til andre flater meget gode oppløsningsegenskaper Vannets tetthet maks. ved 4 oC Eneste stoff som finnes både i fast form, væskeform og gassform i naturen i normale temperaturer Høyere varmekapasitet (4184 J/kg oC) enn noen annen væske unntatt NH3 Vanndamp er den viktigste drivhusgassen i atmosfæren

Det hydrologiske kretsløpet Is og snø: 1,74 % Grunnvann: 1,7 % Ferskvann-sjøer: 0,007 % Hav: ~ 96,5 % av vannvolumet Ca 10 % av avrenning benyttes til menneskelig aktivitet

Forurensninger i vann Patogener (sykdomsfremkallende stoffer) bakterier (eks. dysenteri, kolera, tyfus feber); virus (eks. poliomyelitt, hepatitt); protozoer (eks. giardiasis), parasitter sykdommer kan være vannbårne (mat/drikke), vannvaskede (mangel på vann for renhold), vannbaserte (annen kontakt uten munninntak) eller vannrelaterte (vann som habitat) patogener flest har kort overlevelse i naturen, men ikke alltid (eks. protozoen Giardia lamblia cyster overlever i månedsvis og drepes heller ikke lett ved klorering) Oksygenforbrukende stoffer - biologisk eller kjemisk nedbrytbart (dvs. oksyderbart i resipienten) Næringsstoffer (N, P, C, S, Ca, K, Mn, …) som kan gi stor algevekst og deretter dårlig vannkvalitet Salter, tungmetaller, pesticider, flyktige organiske forbindelser, og termisk vannforurensing

Biologisk oksygenforbruk (BOD) Mikroorganismer bryter ned organisk materiale i vann til sluttprodukter som CO2, SO4, PO4 og NO3 Aerob nedbrytning (tilgang på oksygen): Org. stoff + O2 => CO2 + H20 + nye celler + stabile produkter (NO3, PO4, SO4,…) Anaerob nedbrytning (fravær av oksygen): Org. stoff => CO2 + H2= + nye celler + ustabile produkter (H2S, NH3, CH4,…) Dette oksygenforbruket skyldes nedbrytningen av karbon-materiale (C) og kalles derfor CBOD Oksygenforbruk kan også skyldes omsetning av nitrogen (N) og kalles derfor NBOD

Biologisk oksygenforbruk i en lab-test BOD er et mål for innholdet av organisk stoff som kan oksyderes av mikroorganismer, og dermed gi et forbruk av oksygen (O2) i en resipient.

Organisk stoff innholdet over tid Det tar flere dager å oksidere det organiske stoffet, noe som også fører til fallende konsentrasjon i vannet

BOD som en 1. ordens reaksjon Nedbrytningshastigheten avhengig av gjenværende mengde organisk stoff i prøveflasken etter tiden t (Lt): dLt / dt = -k Lt som videre gir: Lt = L0 e -kt der L0 er utgangsmengden (eller det endelige O2-forbruk) L0 = BODt + Lt (dvs. BOD etter tiden t pluss gjenværende mengde) som gir: BODt = L0 (1- e-kt) Bionedbrytningskoeffisienten (k) er temp.avhengig: kT = k20 (T-20) (Arrhenius’ formel), der  = 1,047 kT = 0,35 - 0,70 (dag-1) for råkloakk kT = 0,12 - 0,23 (dag-1) for forurenset elvevann

Idealisert BOD-forløp (1. ordens reaksj.)

Ideelt BOD-forløp forts.:

Nitrogen-omsetning i vannmassene Organisk N hydrolyseres først ned til ammonium (NH3/NH4+) som dernest oksideres videre til nitritt (NO2-) og nitrat (NO3-): bakterien nitrosomonas: 2NH3 + 3O2 => 2NO2- + 2H+ + 2H2O bakterien nitrobakter: 2NO2- + O2=> 2NO3- Dette kalles nitrifikasjon, og bidrar altså til oksygenforbruk i vannmassene Nitrat kan videre omdannes til N2-gass under anaerobe forhold

Totalt BOD-forbruk (C + N)

Punktkilde, strømning og O2 i en elv

Deoksygenering (reduksjon av O2-kons.) Konsentrasjonen av oppløst oksygen (DO) er den vanligste indikator på en elvs helsetilstand Problemene begynner oftest ved DO < 4-5 mg/l I ekstreme situasjoner kan anaerobe forhold inntreffe og de fleste naturlige livsformer i elven forsvinner i en viss strekning nedstrøms utslippspunktet I en forenklet modell kan man si at det er to prosesser som virker: a) mikroorganismer forbruker oksygen når C og N oksyderes, og b) vannets egenlufting tilfører oksygen til vannmassene Oksygen-konsentrasjonen blir da avhengig av BOD-konsentrasjonen, nedbrytningshastigheten, luftings-hastigheten og tiden (eller avstand fra utslippet)

Deoksygenering i elven matematisk Deoksygeneringshastigheten (1. orden) = kdLt kd = deoksygenerings hastighetskonstanten, som avhenger av det organiske stoffets bionedbrytbarhet og elvens strømningsforhold (eksempelvis: 0,2/dag) Lt = gjenværende BOD (mg/l) konsentrasjon etter t (dager) Bruker ligningen Lt = L0 e-kt , som gir: kdLt = kd L0 e-kdt , der L0 er BOD i elven like etter utslipp Antar umiddelbar og fullstendig blanding, som gir: L0 = (QwLw + QrLr) / (Qw + Qr), der Lw er BOD i avløpsutslippet

Oksygentilførsel ved lufting Luftingshastigheten (1. orden) = kr D = kr (DOs-DO) kr = luftingskonstanten (dag-1) som avhenger mye av elven D = oksygendeficit = metningskonsentrasjon - reell kons. av O2 Empirisk funnet: kr = (3,9 u1/2 )/H3/2 kr = luftingskonstanten ved 20 oC (dag-1) = eks.: 0,46-0,69 for en stor elv og normale strømningshastigheter u = midlere strømningshastighet (m/s) H = midlere strømningsdybde (m) D0 = DQs - (QwDOw + QrDOr)/(Qw + Qr) D0 = vektet oksygendeficit etter blanding ved utslippspunktet

Deoksygenering og lufting kombinert I en elv virker de to prosessene samtidig, og de virker mot hverandre Samlet sett blir oksygen-endringen følgende: dD/dt = kd L0 e-kdt - kr D, som har løsningen: D = (kdL0/(kr-kd))*(e-kdt - e-krt) + D0 e-krt, eller omskrevet: DO = DOs - [(kdL0/(kr-kd)*(e-kdt - e-krt) + D0 e-krt] DOs hentes fra tabeller (ved en gitt T og saltholdighet) Dette uttrykket gir grunnlaget for å plotte DO = fn(t) som vil gi en kurve over oksygenkonsentrasjonen i elven som funksjon av tid eller avstand fra utslippet

Oksygensvikt i en elv nedstrøms kilden Oksygen forbrukes på strekningen x=0 til xc men vil deretter øke igjen p.g.a. lufting i vannmassene

Algevekst og næringsstoff behov Algefotosyntese kan baseres på følgende formel: 106 CO2 + 16 NO3- + HPO42- + 122 H2O + 18 H+ = C106H263O110N16P + 138 O2 Forbruker altså støkiometriske mengder N og P N/P = (16*14)/(1*31) = 7,2 (der 14 og 31 er molvekt for N og H) Ferskvann: Forholdet N/P ~ 10, dvs. er oftest P-begrenset Sjøvann: Forholdet N/P < 5, dvs. er oftest N-begrenset Eutrofieringssituasjonen kan dermed kontrolleres ved å redusere utslippet av det begrensende næringsstoff Ferskvann: Fjern fosfor fra avløpsutslippene! Sjøvann: Fjern nitrogen fra avløpsutslippene!

Fosfor-balansen i en godt blandet innsjø QCin+ S=QC + vsAC som gir: C = (QCin + S) / (Q + vs A) vs er empirisk bestemt til rundt 10-16 m/år (dvs. partikulært bundet fosfor)

Vannets tetthet og temperatur-endring Vannets relative tetthet (kg/m3) er høyest ved +4 oC Tetthets-variasjoner i en innsjø/fjord gir merkbare vannstrømmer, men fører også til at temperaturen i dyp-lagene er forholdsvis stabil.

Temperatur-endringer og lagdeling Temperaturens variasjoner over året gir en sterk lagdeling av innsjøer, spesielt om sommeren Sprangskiktet (”thermocline”) kan utnyttes ved å legge drikkevannsinntak i dyp-lagene, eller ved dyputslipp under sprangskiktet i fjorder for å få en innlagring av kloakkutslipp under overflatelaget .

Oksygenforhold i lagdelte sjøer I eutrofe sjøer forbrukes oksygenet i dyp-lagene fordi organisk materiale (døde alger) brytes ned. Situasjonen forværres utover sommeren. Dette kan gi vond lukt og smak på vannet, og skade flora/fauna i sjøen. I oligotrofe sjøer er dette ikke noe problem.

Alkalitet gir buffer-effekt mot pH-fall Sur nedbør gir sure vannmasser fordi H2SO4 frigir ioner av H+, men denne effekten motvirkes når det er bikarbonat (HCO3-) tilstede i vannet.

Fiskebestand i norske innsjøer Godt buffrede sjøer (pH>6) har rik fiskebestand Sure sjøer (pH<5) har svært lite fisk Tiltak mot sure sjøer er kalking av sjø og vassdrag, foruten reduksjon av utslipp til luft (langtransportert)