enviromental pollution

36
Lesson 1. Natural and contaminated water characteriza2on 1.1. Issue descrip2on. 1.2. Characteris2cs of the natural water. 1.3. Characteris2cs and parameters of the contaminated water. 1.3.1. Physical contaminants. 1.3.2. Chemical contaminants. 1.3.3. Biological contaminants. Unit 1 Environmental Technology

Upload: jesusgambarte

Post on 06-Dec-2015

31 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

º

TRANSCRIPT

Lesson  1.  Natural  and  contaminated  water  characteriza2on  

1.1.  Issue  descrip2on.    

1.2.  Characteris2cs  of  the  natural  water.  

1.3.  Characteris2cs  and  parameters  of  the  contaminated  water.  

 1.3.1.  Physical  contaminants.  

 1.3.2.  Chemical  contaminants.  

 1.3.3.  Biological  contaminants.    

Unit  1  Environmental  Technology  

 

1.1      Issue  Descrip0on  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

More  than                %  of  the  water  is  on  the  oceans  and  is  not  usable.  

From  the      %  usable,  almost      %  is  ice  or  water  vapor.      

As  a  result,  only      %  of  the  water  can  be  used  be  humans  (8.4  km3).  

 

Water  is  also  the  main  cons2tuent  of  the  living  organisms  

 -­‐  Adipose  2ssue    %  

 -­‐  Heart,  liver…    %  

 -­‐  Nervous  2ssue    %  

Of  food:  

 -­‐  Fruits  and  vegetables    %  

 -­‐  Fish      %  

 -­‐  Meat      %  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 Humans  need                  L/day  

But  potable  water  needed  is  small  compared  with  domes2c,  industrial  and  agricultural  water.  From  the  world  water  consump2on:  

 -­‐                %  is  for  domes2c  use  

-­‐     %  industrial  and  commercial  uses  

-­‐       %  agricultural  and  caWle  uses  

 

1  Tn  paper  needs      Tn  water  

1  Tn  preserved  vegetables      Tn  water  

1  car              Tn  water  

1  Tn  corn  1000  Tn  water,  1  Tn  wheat  1500  Tn  water,  1  Tn  coWon  10000  Tn  water  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Hydrologic  Cycle  

 It   is   the   cycle   by   which   the  amount  of  water  in  the  earth  is   keeping   constant   due   to  the                                    and    

   .  

The  cycle  starts  with  the  water  evapora2on  and  later  precipita2on  (                                  km3/year).  Only          %  of  this  water  falls  into  the  con2nents.  From  this,          %  is  again  evaporated  and          %  is  transferred  to  runoff.  

Over  the  ocean,  the  evapora2on  is                        than  the  precipita2ons  (      %).  This  percentage  is  balanced  over  the  con2nents  where                                                is  higher  than                        

     (        %).      

Unit  1  Environmental  Technology  

 Human  ac2ons  have  impact  into  the  water  cycle  

-­‐  Contamina2on  can  be                                              to                                                          .    

-­‐  Atmosphere  and  soil  may  have  an  impact  to  the  quality  of  the  water.    

 For  the  first  2me,  humans  

know  about  importance  of  water  disinfec2on.  

H2O:                                                    bonds  between  H  and  O  (100  kcal/mol).        (molecular)  bonds    between  H  and  O  from  different  molecules  (5  kcal/mol).                    Hydrogen  bonds  are  formed  because  of  the  high                                              of  oxygen  that  aWracts  electric  density.  Hydrogen  bonds  are  very  important  because  give  water  its  important  characteris2cs  and  is  fundamental  for  life.  Hydrogen  bonds  give  water  unexpected  mel2ng  and  evapora2on  high  points.  Hydrogen  bonds  cause  ice  has  smaller                        than  water  and  that  during  winter  the  water  is  only  solid  over  the  surface.  Life  can  con2nue  below  ice.        

1.2.  Characteris0cs  of  the  natural  water.  

Unit  1  Environmental  Technology  

     

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 When  temperature  is  incremented,  hydrogen  bonds  start  to  be  broken  but  several  bonds  keep  on  liquid  water.  Density  decrease  with  temperature  because  more  hydrogen  bonds  are  broken.  This  causes  that  the  specific  heat  of  water  is  high  (the  amount  of  heat  to  increase  1  °C  1  g  of  water).  

High  mel2ng,  vaporiza2on  heats  and  specific  heats  cause  water  works  as  a  perfect                                                              and  controls  earth  temperature  between  precise  limits.    

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Raining  water  adds  gases  (Nitrogen,  oxygen,  CO2),  has  pH  slightly  low  (5.7)  and  when  runs  in  rivers  dissolves  salts  (low  mineraliza2on).    

 

Differences  between  runoff  and  underground  water    

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Natural  water  contents                                                        because  of  its                            and                            poten2al.  These  substances  are  in  suspension,  in  dilu2on,  or  in  colloid.  

 -­‐                        :  atmosphere  (CO2,  N2,  O2),  products  of  the  living  organisms  metabolism  (CO2,  O2),  aerobic  and  anaerobic  decomposi2on  (CO2,  CH4,  H2S,  N2).  

-­‐                    :  material  dissolu2on  (Ca2+,  Na+,  Mg2+,  etc.),  anions  (HCO3-­‐,  SO4

2-­‐,  NO3-­‐,  

etc.),  material  decomposi2on  (PO43-­‐,  NO3

-­‐,  NH4+,  etc.).  

-­‐                                                                          :  sand,  clay.  

-­‐                                                                          :  amino  acids,  faWy  acids,  natural  pigments,  etc.    

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Water  pollu2on:  Water  is  contaminated  when  its                                          or                                  is  altered  directly  or  indirectly  as  a  consequence  of  the  human  

ac2vity.  As  a  result,  this  modified  water  can’t  be  used  with  the  same  purpose  than  the  natural  water.        

 

Consequences:  

-­‐  Contamina2on  is  measured  as  a                                                                                                    .    

-­‐  Contamina2on  is  directly  or  indirectly  generated  by  the  humans.    

1.3.  Characteris0cs  and  parameters  of  the  contaminated  water  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Total  maWer:  is  composed  by  maWer  in                                              .  

MaWer  is  suspension  is  the  main  responsible  of:  

-­‐  Colour,  reduc2on  of  the  sunlight  that  reach  water  under  the  surface,  sediment  deposi2on.  

Substances  that  can  be  removed  by  filtra2on  are  responsible  of:  

-­‐  Salinity,  O2  solubility,  toxicity.  

Some  quan2fiable  magnitudes:  

-­‐        (MS)  or          (SS).  

-­‐                                                        (DR)  at  105  ºC  o  total  dissolved  solids  (TDS).  

-­‐  Fixed  residue.  

 

 

1.3.1.  Physical  contaminants  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Odour:  contaminated  water  has  a  characteris2c  odour  due  to  the  decomposi2on  of  the  organic  maWer.  

 

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

hWp://extoxnet.orst.edu/faqs/safedrink/colors.htm    

Colour:  the  possible  reason  is  the  presence  of  organic  and  inorganic  compounds.  These  compounds  could  be        or                                                                    .      

Urban  wastewater:  grey  colour  (recent  wastewater),  black  colour  (microorganisms  have  decomposed  the  waste).  

Industrial  wastewater:  different  colours  depending  on  the  contaminant  

 

Temperature:  it  has  a  great  influence  into  water  quality  

-­‐      gases  solubility  (O2).  

-­‐                                                             microorganism  ac2vi2es  (kine2c  of  the  reac2on).  

Both  consequences  are  combined  and                                  the  effect  of  the  other.  

-­‐                                                 the  prolifera2on  of  water  organism  (plants  and  fungus).  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Organic  Chemical  contaminants:  Organic  MaWer  (O.M.).  Biodegradability.  

The  source  could  be  natural  or  urban/industrial.  

Natural  source:  from  plants  and  animals  .  Biodegradable.  

Urban/industrial  source:  Organic  chemical  products.  Biodegradable  and  not  biodegradable.  

Examples:  

Detergents:                                                      (surfactant)  and                                                                                .  

Ac2ve  ingredients  (10-­‐15%):  surfactants.                                crea2on  and  oxygen  demand                                  because  they  are  organic  compounds.  

Co-­‐Adjuvants:  an2-­‐calcareous  (poli-­‐phosphates,  zeolites,  carbonates,  etc.).  

Addi2ves:  bleaching  agent  (perborates,  NaClO),  an2foam  agent,  etc.  

 

1.3.2.      Chemical  contaminants  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Pes2cides:  chemical  products  used  to      in  agriculture,  caWle,  pets…,  etc.  Formula2on:  ac2ve  agent  +  other  substances.  

Inorganic  and  organic  (more  used)    pes2cides:  

-­‐  Chlorinated  hydrocarbons  (DDT,  chlorobenzene).  

-­‐  Organophosphates.  

-­‐  Carbamates  

 

hWps://www.youtube.com/watch?v=Ipbc-­‐6IvMQI  

 

Polychlorinated  biphenyl  (PCBs):  are        ;  not  flammable;  low  electric  conduc2vity;  acid,  basic  and  oxidant  resistance,  etc.  They  are  high  inert  and  because  of  this  they  are  persistent  and  bio-­‐accumula2ve.  Can  produce  or  increment  halogenated  levels.    

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Hydrocarbons:  saturated  hydrocarbons  (alkanes),  unsaturated  (olefin),  cycloalkanes  and  aroma2c  compounds.  

 

   General  characteris2cs:      solubility  in  water,                          density  than  water  and  biodegradability.  

 

   Regarding  contamina2on:  

 -­‐                                              the  oxygen  dissolved.  Superior  organisms  need  2  mg  O2/L  in  water.  

Usually,  superficial  water  (T=25  C)  is  oxygen                                          (            mg  O2/L)  

 -­‐  May  be  toxic.  

 -­‐  Because  their  density  and  solubility,  hydrocarbons  create  one  layer  on  water  surface  that                                    light  pass  and  oxygen  diffusion  through  it.    

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

There  are  μorganisms  in  water  and  when  there  are  organic  maWer:  

 -­‐                                    process.  Products  are  CO2,  NO3-­‐,  SO4

2-­‐,  H2O.  Stable  and  rela2vely  inert  products.  

But  when  there  is  high  amount  of  organic  compounds,  O2  is  consumed  and:  

-­‐                                         process:  Hydrogen  sulphur,  CH4,  NH3,  amines…  No  stable  and  undesirable.    

 

 

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Parameters  for  the  evalua2on  of  the  organic  contamina2on:  

-­‐  Biochemical  oxygen  demand  (BOD,  mgO2/L).  

-­‐  Chemical  Oxygen  demand  (COD,  mgO2/L).  

-­‐  Total  Organic  Carbon  (TOC,  mgC/L).  

-­‐  Total  Oxygen  Demand  (TOD,  mgO2/L).  

Biochemical  oxygen  demand:    is  the  amount  of  oxygen  consumed  by  microorganism  in  the                                      of  the  organic  maWer  under                          condi2ons.  This  magnitude  gives  the  amount  of  oxygen  necessary  to  biologically  stabilize  the  organic  maWer  (O.M.)  in  water.    

 

O.M.  +  O2  +                                                +  microorg.    è    CO2  +  H2O  +  (                                                .)  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Because  is  a  biological  process,  it  is  slow.  

BOD5,  a  t  =  5  days.  BOD20,  t  =  20  days.  

 

Standard  values:  

High  pure  waters,  BOD5  <  3  mgO2/L.  

Contaminated  water.  BOD5  >  8  mgO2/L.  

Urban  wastewater,  BOD5  100  –  400  mgO2/L.  

Agrifood  industry  wastewater,  BOD5  10.000  mgO2/L.  

 

Limita2ons:  

-­‐  Very  slow  analysis  (at  least  5  days).  

-­‐  Only  determines                                                                                                  maWer  

-­‐  It’s  necessary  to  do  pre-­‐treatments    (impacts  on  microorg.  and  nitrifica2on).  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Chemical  Oxygen  Demand:    is  the  amount  of  oxygen  consumed  by                                      in  the  organic  maWer  degrada2on.  With  this  magnitude  it  is  

measured  all  the  organic  maWer  (biodegradable  and  not)  and  the  inorganic  maWer  that  can  be  degradable  by  oxida2on.  

       COD        BOD  

 

 M.O.  +  Cr2O72-­‐  +  8  H+    è    CO2  +  H2O  +  2  Cr3+    (2h,  140  ºC)  

 

 M.O.  +  MnO4-­‐  +  H+    è    CO2  +  H2O  +  MnO2    (4h,  30  ºC)  

Limita2ons:  

-­‐  It  is  not  specific,  and  measures  O.M.b,  O.M.nb  y  M.I.  

-­‐  It  is  not  precise.  

Advantages:  in  2h  it’s  possible  to  get  informa2on  about  the  O.M.  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Informa0on  from  the  rela0on  BOD5/COD:  

-­‐  Biodegradability  

 values  close  to    ,  wastewater  with  high  biodegradability  

 values  close  to    ,  wastewater  with  low  biodegradability  

-­‐  Type  of  water  

 0,4  –  0,8,    wastewater  from  urban  sources  

 <  0,2,  wastewater  from  industrial  sources  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Inorganic  chemical  contaminants  They  are  important  in  the  case  of  wastewater  from                                                    sources.  

General  parameters  indicators  of  the  contamina2on:    

Turbidity:  Interference  to  the  light  passing  through  the  water.  The  responsible  of  turbidity  are:  insoluble,  in  suspension,  or  in  dispersion  maWer.    

It  is  measured  in                                                              Turbidity  Units.  

hWp://www.lenntech.com/turbidity.htm  

Conduc2vity:  it’s  the  ability,  in  this  case  of  the  water,  to  conduct  the  electricity.  It  depends  on  the  concentra2on  of  ions  in  water.    

Hardness:    it  mainly  depends  on  the  concentra2ons  of  Ca2+  and  Mg2+.    

Concentra2ons  of  Fe2+  and  Mn2+  have  lower  influence.  

                                                 hardness:  sum  of  Ca2+  and  Mg2+  carbonates.  Can  be  removed  by  hea2ng.  

                                                   hardness:  The  hardness  caused  by  calcium  (and  magnesium)  salts  (different  from  carbonates)  It  is  not  affected  by  hea2ng  and  is  therefore  called  permanent  hardness.  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

The  reac2on  

 

CaCO3  (s)  +  H2O(l)  +                          (aq)  

                                         ⇌  Ca2+(aq)  +  2                      (aq)      ∆H  (exot)  

 

is                                              in  the  forward  direc2on,  and  Le  Chatelier's  principle  predicts  that  at  high  temperatures,  the  equilibrium  will  move  to  the  leu.  

 

This  is  what  happens  inside  keWles,  dishwashers  and  washing  machines  and  results  in  the  forma2on  of  a  deposit  of                                      on  their  hea2ng  elements,  Figure.  This  is  usually  called                                            in  everyday  language.                                  reduces  heat  transfer  from  the  element  to  the  water  and  makes  the  appliance  less  efficient.  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Alkalinity:  It  is  defined  as  the  amount  of  ions  present  in  water  that  react  with  H+  to  neutralize  them.  It’s  due  mainly  to                                                              .  The  main  problem  related  with  alkalinity  is  that  these  anions  can  react  with  ca2ons,  precipitate  and  obstruct  tubes.      

It’s  determined  by  the  number  of  equivalents  used  for  its                                                .  Three  reac2ons  and  a  valoriza2on  curve  is  obtained:  

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

pH=8.3  phenolphthalein  

pH=4.5  Methyl    Orange    pH=8.3,  OH-­‐  neutraliza2on  

and  CO32-­‐  to  HCO3

-­‐  

 pH=4.5,  HCO3

-­‐    to    CO32-­‐  

Half  of  the  H+  needed  for  the  CO32-­‐  neutraliza2on  are  added  at  pH=8.3  

pH:  magnitude  used  to  express  the                                    and                                                .    

pH  =  -­‐log[H+],  in  aqueous  solu2on  is  between  0  y  14.  

   Acidity:  it’s  related  with  the  capacity  of  water  to  absorb  hydroxyls  (OH-­‐).  

   Alkalinity:  it’s  related  with  the  capacity  of  water  to  absorb  protons  (H+).  

It’s  important  to  know  the  tendency  of  the  water  to  form  calcareous  encrusta2ons.    

 

Nitrogen  and  phosphorus:  are                                              of  the  biologic  processes.  Can  be  considered  as  contaminants  when  their  concentra2on  allow                          growing  (                                                                      ).    

Nitrogen  comes  from      (agriculture  and  caWle)  and  phosphorous  comes  from      .  Algae  consume  oxygen  when  dye  and  decompose.  

Algae  growing  is  limited  by  nitrogen  on      waters  and  by  phosphorous  on      waters.  But  human  ac2vity  removes  this  limita2on.        

 

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Nitrogen  can  be  found  as  organic  nitrogen,  NH3/NH4+,  NO3

-­‐  y  NO2-­‐.  

Phosphorous  as  organic-­‐P,  PO43-­‐  and  polyphosphate  

Nitrogen  may  be  present  in  water  as:  organic  nitrogen,  NH3,  NO2-­‐,  NO3

-­‐.  

Nitrifica2on  (oxida2on):  Nitrifica2on  is  the  biological  oxida2on  of      or  ammonium  to  nitrite  followed  by  the  oxida2on  of  the                                to                                .  

-­‐  Organic  Nitrogen  to  ammonia  by  ammonifica2on  or  mineraliza2on.  

-­‐  NH3  +  O2  →  NO2−  +  3H+  +  2e−  

-­‐  NO2−  +  H2O  →  NO3−  +  2H+  +  2e−  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

 

Heavy  metals:  Apart  from  alkaline  and  alkaline  earth  metals,  all  metals  are  heavy.  Some  are  in  high  concentra2ons  (Fe3+,  Al3+)  and  others  in  trace  levels  (Hg2+)  in  contaminated  waters.  

They  are  persistent  and  enter  into  the  food  chain.  

hWps://www.youtube.com/watch?v=18s89XTyAl8  

Pb  (<  0,5  mg/dm3):  baWeries,  gasoline,  pipes.  Nervous  system  and  kidney  damages.  Anaemia.  

Hg  (<  0,01  mg/dm3):  electric  devices,  paints.  Nervous  system  and  kidney  .  

Cd  (<  0,2  mg/dm3)    

Unit  1  Environmental  Technology  

 

SUMMARY  

Rela2ve  amounts  of    analyzed  parameters.  “Wastewater  quality”  

 Parameter   Rela2ve  amount  (%)  

pH   6  

Solids  in  suspension   12  

O.M.  (BOD,  COD,  TOC)   15  

Nitrogen   15  

Phosphorous   6  

Metals   30  

Others   16  

100  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Biological  contaminants:  Part  of  the  organic  maWer  in  wastewater  is  formed  by  macroscopic  and  microscopic  organisms.  

Simplifying,  organisms  can  be  classified  as:  animal,  vegetal  and  pro2st.  Regarding  water  treatment  pro2sts  are  the  most  important  organisms.  They  are  unicellular  o  pluricellular  without  differen2ated  2ssues  (a  cellular  organiza2onal  level  intermediate  between  cells  and  a  complete  organism):  

-­‐                                   :    food:  O.M.,  oxygen  and  water.  Heterotrophic  (consume  organic  C)  and  autotrophic  (get  C  cellular  from  CO2).  Heterotrophic  can  be  aerobic,  anaerobic  and  faculta2ve  anaerobic.  

-­‐                             :  eutrophica2on.  

-­‐                               :  parasites.  They  don’t  have  a  principal  role  in  the  water  depura2on.  

Unit  1  Environmental  Technology  

 

Biological  contamina2on  indicators:    

 

Coliform  bacteria.  They  are  in  animal  and  human  intes2nes.  Indicator  of  the  fecal  contamina2on.    

 

Bio2c  indexes.    Microorganisms  determina2on  in  water.  

 

Toxicity  essays.  With  aqua2c  organisms  (e.g.,  Daphnia  Magna).  It  measures  the  response  of  these  aqua2c  organisms  to  the  presence  of  specific  substances,  residues,  or  isolated  or  combined  environmental  factors.  

hWp://www.nature.com/news/specials/water/index.html  

 

 

Unit  1  Environmental  Technology