Deel III Water. Spiro, Part II: Hydrosphere. Het watersysteem wereldwijd: de grote waterkringloop. nationaal / regionaal: de kleine waterkringloop

Transcriptie

1 Deel III Water Spiro, Part II: Hydrosphere Het watersysteem wereldwijd: de grote waterkringloop nationaal / regionaal: de kleine waterkringloop waterkwantiteit en waterkwaliteit

2 Waterkwaliteit Waterverontreiniging de aanwezigheid van vreemde substanties in de betreffende soort water (rivier, drinkwaterbron, etc), zowel organisch, anorganisch, radiologisch als bacterieel, zodat het water (zonder ingrijpen) niet langer zijn functie kan vervullen.

3 In ages past, the question was... Is our water clean enough? Death's dispensary, 1866 Copyright, Brooklyn College History Dept, 1997 Slide Courtesy John Norton Jr., PhD, Univ. of Michigan, Ann Arbor, Mich.

4 Functies van water en waterkwaliteit Directe humane consumptie Drinkwaterkwaliteit Overig huishoudelijk gebruik andere kwaliteit van water toereikend? Grijs water kwaliteit, wat is dat? water niet geschikt voor consumptie wèl voor persoonlijke hygiëne (wastafel, douche, bad, mandi) wassen (kleding, vaat) toiletspoeling: water is transportmedium afvoer humane afvalstoffen Indirecte consumptie irrigatie: ongezuiverd oppervlaktewater,??effluent proceswater in industrie: gedemineraliseerd water

5 Huidig en toekomstige vragen 1. Is de waterkwaliteit voldoende? Waterkwaliteit vermindert op veel plaatsen Oplossing: meer/uitgebreidere zuivering Systeemvisie: uitgebreidere/intensievere behandeling van drinkwater? uitgebreidere/intensievere behandeling van afvalwater? andere leefstijl hoe leven met water? 2. Is er genoeg water? I = P * A * T Sterke groei watergebruik Huishoudens Diensten, Industrieel Watergebruik Watermanagement en Ruimtelijke ontwikkeling Randvoorwaarde bevolkingsgroei en industriele ontwikkeling Nieuwe bronnen van water? Hoe de kringlopen beter inrichten?

6 Functies van watersystemen Wat is een acceptabele waterkwaliteit in rivieren, meren, gletschers, zeeen, oceanen; kanalen, riolen, oplagbassins, stuwmeren); (Economisch nut) activiteiten die onafhankelijk van de waterkwaliteit zijn? afvoer van hemelwater: runoff/km 2 transport (schepen, afvalstoffen)

7 Functies van watersystemen Wat is een acceptabele waterkwaliteit voor activiteiten die afhankelijk zijn van de waterkwaliteit? drinkwatervoorraad, -transport & zuivering energieopwekking visserij recreatie habitat van van planten en dieren (ecosystemen!) Veel verschillende BELANGEN BELANG KOSTENVEROORZAKING... lopen uiteen...

8 Waterkwaliteit Slechte waterkwaliteit ten gevolge van verontreiniging in het water(systeem) leidt tot problemen bij onttrekking voor (in)direct humaan gebruik Herziene definitie: waterverontreiniging = aanwezigheid van substanties in water van een watersysteem, zowel organisch, anorganisch, radiologisch als bacterieel, waardoor het watersysteem ernstig in zijn functioneren wordt geschaad, of zelfs een deel of alle van zijn economische en ecologische functies niet meer kan vervullen. Kaderrichtlijn Water: chemische waterkwaliteit ecologische waterkwaliteit

9 Hoogheemraadschap van Delfland

10 Delfland en waterkwaliteit - randvoorwaarden ecologie

11 Ecologische waterkwaliteit Beoordeling

12 Ecologie Waterkwaliteit: zichtbeoordeling tellingen aantal soorten diversiteit aantal per soort

13 Ecologische waterkwaliteit Trofie (zuurstofhuishouding)

14 Trophie: Zuurstofhuishouding Oplosbaarheid van zuurstof in water, 20 o C = slechts 9 mg/l! +/- 2.7 mg O 2 nodig per mg organic carbon (CH 2 O)n Zuurstofverbruik bij verontreiniging snel te hoog aërobe afbraakreacties (snel, stabiele eindproducten) anaërobe reacties (traag, onstabiele producten, bv. methaan, waterstofsulfide H 2 S)

15 Zuurstofhuishouding Watersystemen kennen diepte zones euphotic zone: assimilatie & respiratie deep-water or saturated zone: anaerobe organismen (anoxia - geen zuurstof) gestabiliseerd door thermocline kan incidenteel tot massale vissterfte etc. leiden als thermische inversie wordt opgemengd bij storm.

16 Biologisch zuurstofverbruik (BZV) Engels: Biochemical oxygen demand (BOD) De benodigde hoeveelheid zuurstof om organisch materiaal via aërobe processen te kunnen afbreken Maat voor de hoeveelheid zuurstof-consumerende stoffen in (afval)water

17 Prestatieindicatoren & ontwerp afvalwaterzuiveringsinstallatie Hydraulische capaciteit: er moet een bepaald debiet afwater door de installatie kunnen stromen BZV-belasting de installatie moet een bepaalde vuillast onschadelijk kunnen maken Zuiveringsrendement in een bepaald werkingsgebied (hydraulische én BZV-belasting) moet bijvoorbeeld > 98% zuiveringsrendement worden gehaald op BZV Moderne installaties: P-rendement en N-rendement

18 Karakteriseren van waterkwaliteit (niet ecologie) Fysische aspecten helderheid of doorzicht, kleur geur en smaak, stralingsniveau, temperatuur, snelheid, turbulentie Mede bepaald door Chemische aspecten: kleur, geur, smaak Biologische aspecten: doorzicht, kleur, etc.

19 Karakteriseren van waterkwaliteit Chemische aspecten concentratie van verschillende ionen in oplossing [Ca 2+ ] [Mg 2+ ] hardheid [H + ] of [H 3 O + ] zuurgraad (ph) [Cl - ], [F - ] chloride, fluoride, (zoutgehalte) nutrienten (voor planten) nitraat- (NO 3- ), sulfaat- (SO 4 2- ), fosfaat (PO 3 4- ) essentiële elementen voor planten (ijzer- (Fe), koper- (Cu), mangaan- (Mn), natrium- (Na), zink (Zn), toxische zware metalen (As, Ba, Cd, Cr, CN, Hg, Pb, Se, Ag) toxische organische stoffen

20 Eutrofiëring (vermesting) Extreme toevoeging van voedingsstoffen aan water stikstof (nitraat NO 3-, ammonium NH 4+ ) fosfor (fosfaat PO 4 3- ) leidt tot een excessieve groei van algen of waterplanten - verstoring ecosysteem concentratie fosfaat meestaal de belangrijkste factor (veel landbouwgronden bijna verzadigd met fosfor)

21 Chemische Waterkwaliteitsparameters Stikstof: N Fosfaat: P MTR (Maximaal Toelaatbaar Risiconiveau) norm uit de Vierde nota Waterhuishouding [Min. van V. en W. 1998]

22 Organische verontreinigingen Toxiciteit (giftigheid) Persistentie (de mate van afbreekbaarheid) polychloorbifenyl (PCB) & polychlorterfenyl (PCT) polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK) dioxines pesticiden

23 Polychloorbifenyl (PCB s) & polychlorterfenyl (PCT s) Zeer persistente, olieachtige organische verbindingen accumuleren in de bovenste laag van een voedselweb (vetweefsel van zeevissen) zeer schadelijk voor de gezondheid nu wereldwijd teruggedrongen nog steeds de helft van alle geproduceerde PCB s en PCT s in omloop

24 Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK s) Ontstaan bij onvolledige verbranding een belangrijke bron van luchtverontreiniging rivieren verontreinigd door industriële lozingen (fosfor-, aluminium - en anodeproductie) en door atmosferische depositie bij langere blootstelling aan PAK s mogelijk kanker

25 Dioxines Chloorverbindingen uit twee groepen PCDD s (polygechloreerde dibenzo-p-dioxines) /75/ PCDF s (polygechloreerde dibenzofuranen) /135/ ontstaan bij de verbranding chloorhoudend materiaal of bij de productie van bestrijdingsmiddelen Vietnam: Agent Orange (ontbladering) 60-70s: Duphar, Amsterdam 1978: ontploffing in Seveso in Italië 1979: Lickebaert affaire Halfwaardetijd van dioxines in natuur ~ 100 jaar, in het menselijk lichaam ~ 7 jaar.

26 Chemische Waterkwaliteitsparameters (2)

27 Insecticiden Niet selectief en zwaar giftig! Dichloorvos of DDVP (2,2- dichloorvinyl-dimethyl-fosfaat) Ethyl-parathion

28 Chemische Waterkwaliteitsparameters (2) Het gaat beter sterk verminderde emissies Maar residuen nog steeds in waterbodems

29 Chemische kwaliteitsparameters (3) (zware) metalen

30 Chemische kwaliteitsparameters (4) [H + ] of [H 3 O + ] zuurgraad (ph) (1) Uitgangspunt: auto-ionisatie van water H 2 O = H + + OH - Evenwichtsconstante van deze reactie K = [H + ]*[OH - ]/[H 2 O] Voor normaal water geldt: [H + ] = [OH - ] = 10-7 [mol/l] [H 2 O] = 55.5 [mol/l] = 55.5 [M] = constant

31 [H + ] of [H 3 O + ] zuurgraad (ph) (2) Uitgangspunt: auto-ionisatie van water H 2 O = H + + OH - Evenwichtsconstante van deze reactie K = [H + ]*[OH - ]/[H 2 O] Voor normaal water geldt: [H + ] = [OH - ] = 10-7 [mol/l] [H 2 O] = 55.5 [mol/l] = 55.5 [M] = constant Maak deze grootheid hanteerbaar: Definieer K w = [H + ]*[OH - ] = En ga rekenen met de logarithme: -10 log (K w ) = pkw = - 10 log ([H + ]*[OH - ]) = 14 = - 10 log ([H + ]) - 10 log ([OH - ]) = ph + poh = 14

32 Sterkte van een zuur Uitgangspunt: zuur dissocieert en bereikt evenwicht HA = H + + A - Evenwichtsconstante K a = [H + ]*[A - ]/[HA] H + = A - dus: [H + ] 2 = K a [HA] Feit/aanname: bij zwakke zuren is ook bij evenwicht de concentratie (ongedissocieerd) zuur [HA] bijna gelijk aan de oorspronkelijke concentratie [HA] Zo is de ph van een oplossing van zwak zuur uit te rekenen.

33 De zuurgraad - ph Spiro p Zumdahl. Hfst.14/15 2

34

35 Zure regen CO 2 NO leidt tot HNO 3 SO 2 emissie leidt tot H 2 SO 4 origine van deze emissies? N.B. de (chemische) reacties/processen in de atmosfeer worden nagebootst cq. geïntensiveerd uitgevoerd in de industrie.

36 Sterkte van een zuur Voorbeeld: de ph van regenwater waarin alleen CO 2 is opgelost reacties: 1) CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 2) H 2 CO 3 = H + + HCO 3 - K 1 = [H 2 CO 3 ]/pco 2 = M/atm K 2 = K a = Gegeven dat de concentratie CO 2 350ppm bedraagt, wat is dan de ph van regenwater?

37 Partiaalspanning, bijv. pco 2 In een mengsel van gassen worden de concentraties van stoffen X i vaak aangegeven als partiaalspanning px i dus bijv. pco 2 in atm. Voor ideale gassen geldt: 1. px i = x i *P ; x i = [X i ]/[ΣX i ] 2. P[atm] = ΣpX i

38 Buffers Voor zuren: als een watersysteem of bodem zwakke basen bevat, dan is die gebufferd voor zure depositie Start: het evenwicht voor OH- vorming ligt aan de kant van de zwakke base BOH. Buffering: Bij toevoer van zuur reageert dit met OH, en dissocieert meer base Depletie: Dit gaat net zolang door tot de voorraad BOH is uitgeput.

39 Buffers Effect van zure depositie op ph op gebufferd watersysteem Start: ph > 7 Buffering: ph daalt licht, maar blijft dan lange tijd bijna constant Depletie: ph stijgt sterk, eindwaarde afhankelijk van aanwezigheid buffer op lager ph niveau, of sterkte van zuur. Illustratie: Spiro p. 303

40 Spiro p.303

41 Buffers (3) Buffering via twee mechanismen: directe neutralisatie basische stoffen indirecte neutralisatie door ionen-uitwisseling Uitwisseling van cationen of anionen In industriele processen en in het milieu ion-exchange resins kleilagen i.c.m. verwering In het milieu: uitwisseling van H+ tegen Ca, Mg, K en uiteindelijk Al (p. 219)

42 Waterkwaliteit recreatie, visbeleid

43 Waterkwaliteit recreatie: zwemwater

44 Karakteriseren van waterkwaliteit t.b.v. drinkwaterproductie Biologische aspecten aanwezigheid van algen andere organismen pathogene micro-organismen biologische toxines Maatregelen na onttrekking: desinfectie (p.246): Thermisch: verhitten Chemisch: ozonisering, behandeling met ClO 2 of Cl 2 probleem met chloor: vorming van gechloreerde koolwaterstoffen Straling: UV, rontgen

45 Verstoring van watersystemen lozingen (punt en diffuse bronnen) temperatuur (thermische vervuiling) bodemkarakteristieken (lozing ongezuiverd afvalwater) diepte (afgravingen) sedimentlading (afspoeling van klei) stroomsnelheid (waterbouwkundige werken) etc.