Ugrás a tartalomhoz

Talaj- és talajvízvédelem

Dr. Horváth Erzsébet (2011)

1. fejezet - A környezetbe jutó legfontosabb szennyezőanyagok és jellemzőik, kölcsönhatásaik a talajjal és a természetes vizekkel

1. fejezet - A környezetbe jutó legfontosabb szennyezőanyagok és jellemzőik, kölcsönhatásaik a talajjal és a természetes vizekkel

A szerves szennyezők természetes lebontása és a vizek oldott oxigéntartalma közötti összefüggések

A felszíni és a felszín alatti vizek legjellemzőbb szennyezői szerves anyagok, melyek potenciálisan a kommunális szennyvíztisztítók, az élelmiszeripari és a mezőgazdasági szennyvizek szennyezőiként kerülnek a befogadóba. Biológiai lebontásuk kémiai tulajdonságaik függvénye. Természetes körülmények között az élővizek öntisztulása (a szerves szennyezők lebontása) aerob úton, mikroorganizmusok segítségével megy végbe, a lebontást végző mikroorganizmusok a vízben oldott oxigénből biztosítják oxigénigényüket. Ezért a szerves szennyezők mennyisége és a víz oxigéntelítettsége között szoros korreláció van. A szerves anyagok mennyisége, valamint a lebontásukhoz szükséges úgynevezett vízszennyezést jelző nem specifikus paraméterek (biológiai és kémiai oxigénigény, BOI, KOI; teljes organikus széntartalom, TOC; pH, vezetőképesség) nagyon fontos jellemzők a vizek minőségének és szennyezettségi osztályba való sorolásának megítélésekor.

Az aerob körülmények között lejátszódó szerves anyag lebomlás folyamata jó közelítéssel elsőrendű reakciókinetikával írható le. A biológiai oxidáció mikroorganizmusok segítségével egyrészt a szerves anyag szén-dioxiddá és vízzé történő oxidálását, másrészt az ammónia/ammónium illetve nitrit formákban jelenlévő nitrogén nitráttá történő átalakítását jelenti.

A szerves anyagnak vízzé és szén-dioxiddá történő oxidálásához szükséges oxigén mennyisége az elméleti oxigénigény (EOI). Tekintettel arra, hogy ez a folyamat 20–30 nap alatt zajlik le, illetve a vízben mindig van biológiailag nem bontható szerves anyag, ezért a biológiai oxigénigény (BOI) általában alacsonyabb az elméleti oxigénigénynél. A nitrifikáció (a nitrogén nitráttá alakítása) folyamata kisebb sebességgel megy végbe a nitrifikáló baktériumok lassúbb működése miatt, ezért először a szerves anyag oxidálása történik meg. A nitrifikáló baktériumok szénforrásul szén-dioxidot használnak. Mivel az ammóniát nitritté alakító nitrosomonas növekedése sokkal lassúbb, mint a nitritet nitráttá alakító nitrobakter növekedése, ezért a nitrit igen gyorsan oxidálódik tovább nitráttá, nagy mennyiségben soha nem halmozódik fel és a teljes nitrifikációs folyamatot az ammónia nitritté történő átalakulása határozza meg. A két baktérium faj működési hőmérsékletének optimuma is eltérő. Mivel a nitrosomonas nem tűrik a hideget, az ammónia nitritté alakítása 10 °C alatt gyakorlatilag gátolt. Ezzel szemben a szerves anyagból való ammónia képződés bár kisebb sebességgel, de folyamatosan megy végbe.

Természetes rendszerekben az oxigén egyensúlyt a biológiai lebomlási folyamatok, a levegőből a vízbe történő oxigén beoldódás, valamint a vízinövények fotoszintézise és respirációs folyamatai közötti különbség biztosítja. Az oxigéntelítettséget így az oxigén tényleges koncentrációja, valamint az adott hőmérsékleten és nyomáson a vízben való oldhatósága közötti hányados adja meg:

A vízben oldott oxigén gyors és pontos meghatározására kémiai módszerek használatosak. A víz szerves anyag tartalma ismert hatóanyag tartalmú oxidálószerekkel (kálium-bikromát, K2Cr2O7; kálium-permanganát, KMnO4;) általában savas közegben egyirányú, gyors kémiai reakcióban feloxidálható. Az oxidációhoz szükséges oxigén mennyiség a reakcióegyenletek alapján meghatározható. A kapott érték a kémiai oxigénfogyasztás vagy oxigénigény. Attól függően, hogy milyen oxidálószert alkalmazunk a meghatározás során, beszélhetünk kálium-bikromátos oxigénfogyasztásról (KOICr), illetve kálium-permanganátos oxigénfogyasztásról (KOIMn). Megjegyzendő, hogy ha külön nem jelölik, a KOI = KOICr értékével.

A vizek szerves anyag tartalmának nem specifikus jellemzésére a KOI mellett a szerves széntartalom értéke is használatos. A mérés azon alapul, hogy a szerves szén szén-dioxiddá alakul. Az elégetés során keletkezett szén-dioxid mennyiségének méréséből visszaszámolható a szerves anyag tartalom (természetesen, a módszert kalibrálni kell). A meghatározás során az analizálandó minta jellegétől és eredetétől függően különböző frakciók különíthetők el. A vízminta 0,45 mm pórusátmérőjű szűrőn átszűrt szűrletében lévő szerves anyag az oldott szerves széntartalom (diluted organic carbon, DOC). A szűrletből adott hőmérsékleten és nyomáson inert gázzal eltávolítható rész az illékony szerves széntartalom (volatile organic carbon, VOC). A szűrőn visszamaradt, lebegő anyaghoz kötött szerves széntartalom (particle organic carbon, POC). A három frakcióban lévő szerves széntartalom összege az eredeti vízben előforduló összes szerves széntartalom (total organic carbon, TOC).

Mivel a nem specifikus szerves anyag mutatók (BOI, KOI, TOC/DOC,VOC, POC) a vízben lévő szerves anyag tartalmat eltérő módon mérik, még azonos víztípusnál is jelentős eltérés lehet közöttük. Az eltérés nagysága a szerves anyagok minőségétől függ. A biológiai oxigénigény például csak a biológiai úton lebontható szerves anyagok oxigénfelvételét, a kémiai oxigénigény a redox kémiai reakcióban keletkező oxigénfogyasztást, míg a szénanalizátorok (TOC analizátor) a szerves anyag elégetésekor keletkező szén-dioxid mennyiségét méri, így elméletileg is problémás a mutatók közötti átszámítás. A szennyvízkezelési gyakorlatban a BOI és a KOI közötti kapcsolatot, valamint a KOI/TOC hányados értékét kiterjedten vizsgálták a technológiai paraméterek illetve a műveleti eljárások függvényében.